礦山巖石力學(xué)第一章序論

礦山巖石力學(xué)第一章序論第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二1.礦山巖體力學(xué)（主要教材）高延法，張慶松主編.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，20002.礦山巖石力學(xué)（主要教材、作業(yè)）李通林等編著重慶大學(xué)出版社1991年1月第1版3.巖石力學(xué)基礎(chǔ)耶格、庫克高教出版社4.礦山巖體力學(xué)鄭永學(xué)編著冶金工業(yè)出版社1988年10月第1版5.巖體力學(xué)，王文星編著中南大學(xué)出版社2004年10月第1版6.巖石力學(xué)與工程蔡美峰主編科學(xué)出版社2004年8月第1版7.巖體力學(xué)沈明榮主編同濟大學(xué)出版社1999年3月第1版8.礦山巖體力學(xué)高磊等編著冶金工業(yè)出版社1979年7月第1版9.礦山巖石力學(xué)華安增編著煤炭工業(yè)出版社1980年5月第1版教材及參考書第2頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二總學(xué)時：38學(xué)時其中：理論學(xué)時：32學(xué)時實驗學(xué)時：6學(xué)時

授課計劃第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二第一章緒論第二章巖石的物理力學(xué)性質(zhì)第三章結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)第四章

巖體力學(xué)性質(zhì)及其分類第五章原巖應(yīng)力及測量第六章巷道圍巖應(yīng)力分布及穩(wěn)定性分析第七章井巷地壓第八章井巷維護原則與錨噴支護授課內(nèi)容第4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二第一章緒論本章內(nèi)容：一、巖石和巖體二、巖體的特征三、巖體力學(xué)的研究內(nèi)容和研究方法四、巖體力學(xué)的產(chǎn)生及其發(fā)展五、采礦工程中巖體力學(xué)的特點六、巖體力學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二第一章緒論授課學(xué)時：1學(xué)時本章的重點：1、巖石與巖體的界定；2、巖體力學(xué)的研究任務(wù)與內(nèi)容，巖體力學(xué)的研究方法。關(guān)鍵術(shù)語：巖石；巖體；巖體工程；穩(wěn)定性要求：1、必須掌握本課程重點內(nèi)容；2、了解巖體力學(xué)的發(fā)展簡史以及巖體力學(xué)在其他學(xué)科中的地位。第6頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二一、巖石和巖體

巖石是在一定的生成條件下，具有一定的礦物成分和一定的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征的地殼的組成材料或物質(zhì)。是各種裂隙切割而成的巖塊，又稱結(jié)構(gòu)體。

巖體是個地質(zhì)體，它包括巖石和各種地質(zhì)構(gòu)造形跡，如節(jié)理、裂隙、褶皺等結(jié)構(gòu)面。巖體就是巖石和這些結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)一體。巖石和巖體是既有區(qū)別又互相聯(lián)系的兩個概念。巖石是巖體的組成物質(zhì)，巖體是巖石和結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)一體。第7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二二、巖體的特征1、巖體是非均質(zhì)各向異性的材料。2、巖體內(nèi)存在著原始應(yīng)力場。主要包括重力和地質(zhì)構(gòu)造力，重力場是以鉛垂應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力場通常是以水平應(yīng)力為主。3、巖體內(nèi)存在著一個裂隙系統(tǒng)。巖體既是斷裂的又是連續(xù)的，巖體是斷裂與連續(xù)的統(tǒng)一體,可稱之為裂隙介質(zhì)或準連續(xù)介質(zhì)。當(dāng)巖體應(yīng)力超過其強度時，就會使原有斷裂進一步擴展，形成新的斷裂。而舊斷裂的擴展與新斷裂的形成，又均會導(dǎo)致巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布。第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二巖體既不是理想的彈性體，也不是典型的塑性體，既不是連續(xù)介質(zhì)，又不是松散介質(zhì)，而是一種特殊的復(fù)雜的地質(zhì)體，這就造成了研究它的困難性和復(fù)雜性。因此，只用一般的固體力學(xué)理論尚不能完善解決巖體工程中的所有問題。二、巖體的特征第9頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二三、巖體力學(xué)的研究內(nèi)容與研究方法巖體力學(xué)研究的主要對象是巖體，研究巖體在力場作用下，所發(fā)生的變形、破壞和移動規(guī)律的理論及其實際應(yīng)用的科學(xué)，是一門應(yīng)用型基礎(chǔ)學(xué)科。第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二1、巖體力學(xué)研究的內(nèi)容：巖體的地質(zhì)特征巖塊、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)巖體的力學(xué)性質(zhì)巖體中天然應(yīng)力巖體中重分布應(yīng)力地下硐室圍巖穩(wěn)定性計算與評價工程處理與加固第11頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二2、巖體力學(xué)的研究方法工程地質(zhì)研究法研究巖塊和巖體的地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征，為巖體力學(xué)的進一步研究提供地質(zhì)模型和地質(zhì)資料。試驗法為巖體變形和穩(wěn)定性分析計算提供必要的物理力學(xué)參數(shù)。數(shù)學(xué)力學(xué)分析法通過建立巖體力學(xué)模型和利用適當(dāng)?shù)姆治龇椒?，預(yù)測巖體在各種力場作用下的變形與穩(wěn)定性，為設(shè)計和施工提供定量依據(jù)。綜合分析法采用多種方法考慮各種因素(包括工程的、地質(zhì)的及施工的等)進行綜合分析和綜合評價，得出符合實際情況的正確結(jié)論。第12頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二四、巖體力學(xué)的產(chǎn)生及其發(fā)展

巖體力學(xué)是伴隨著采礦、土木、水利、交通等巖石工程的建設(shè)和數(shù)學(xué)力學(xué)等學(xué)科的進步而逐步發(fā)展形成的一門新興學(xué)科和邊緣學(xué)科，是一門應(yīng)用性和實踐性很強的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。它的應(yīng)用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、鐵道、公路、地質(zhì)、地震、石油、地下工程、海洋工程等眾多的與巖石工程相關(guān)的工程領(lǐng)域。一方面，巖體力學(xué)是上述工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)；另一方面，正是上述工程領(lǐng)域的實踐促使了巖體力學(xué)的誕生和發(fā)展。巖體力學(xué)按其發(fā)展進程可劃分四個階段：第13頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二（1）初始階段(19世紀末--20世紀初)巖體力學(xué)最早起源于采礦工程，在這個階段，開采規(guī)模小，采深近于地表，開采空間不大，巖石力學(xué)的問題主要是巷道頂板冒落和地下開采所引起的地表移動。在該階段，巖石力學(xué)處于萌芽時期，產(chǎn)生了初步理論以解決巖體開挖的力學(xué)計算問題。例如，1912年海姆(A．Heim)提出了靜水壓力的理論．他認為地下巖石處于一種靜水壓力狀態(tài)。第14頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二（2）經(jīng)驗理論階段（20世紀初～20世紀30年代）該階段為巖石力學(xué)發(fā)展的第二階段。在這個階段出現(xiàn)力根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗提出的地壓理論，并開始用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法分析地下工程的支護問題。松散介質(zhì)學(xué)派（例如普氏理論）占主導(dǎo)地位，他們借助土力學(xué)理論解決巖石力學(xué)問題，提出巷道地壓計算原理和采場地壓假說。在此階段更加深入地研究巖石的破壞機理。第15頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二（3）經(jīng)典理論階段（20世紀30年代～60年代）該階段是巖石力學(xué)學(xué)科形成的重要階段，巖石力學(xué)以彈塑性理論為基礎(chǔ)，將巖體視為彈塑性介質(zhì)，應(yīng)用彈塑性力學(xué)方法來研究巖體的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，確定了一些經(jīng)典計算公式，形成圍巖和支護共同作用的理論。結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響受到重視。在彈塑性分析的基礎(chǔ)上引入流變理論，將某些巖體視為帶粘性的介質(zhì)，考慮時間因素對巖體應(yīng)力、應(yīng)變和位移的影響。第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二（4）現(xiàn)代發(fā)展階段（20世紀60年代～現(xiàn)在）用更為復(fù)雜的多種多樣的力學(xué)模型來分析巖體力學(xué)問題，把力學(xué)、物理學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)、現(xiàn)代信息技術(shù)等最新成果引入了巖體力學(xué)。而計算機的發(fā)展使用有限元、邊界元、離散元等解算巖體力學(xué)問題得以實現(xiàn)。20世紀70年代以后巖石力學(xué)發(fā)展比較迅速，巖體力學(xué)測試技術(shù)不斷完善，應(yīng)力解除法可測試深部巖體應(yīng)力。剛性壓力機的出現(xiàn)，可測試應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線，從而更深刻的揭示了巖石的力學(xué)特性。巖體力學(xué)已逐漸形成完整的科學(xué)體系作為力學(xué)的一個分枝，成為一門獨立的力學(xué)學(xué)科，服務(wù)于巖體工程。第17頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二1951年，在奧地利創(chuàng)建了地質(zhì)力學(xué)研究組，并形成了獨具一格的奧地利學(xué)派。同年，國際大壩會議設(shè)立了巖石力學(xué)分會。1956年，美國召開了第一次巖石力學(xué)討論會。1957年，第一本《巖石力學(xué)》專著出版。1959年，法國馬爾帕塞壩潰決，引起巖體力學(xué)工作者的關(guān)注和研究。1962年，成立國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)。1966年，第一屆國際巖石力學(xué)大會在葡萄牙的里斯本召開。巖體力學(xué)形成歷史第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二巖體力學(xué)發(fā)展動態(tài)巖體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)面的仿真模擬、力學(xué)表述及其力學(xué)機理問題裂隙化巖體的強度、破壞機理及破壞判據(jù)問題巖體與工程結(jié)構(gòu)的相互作用與穩(wěn)定性評價問題軟巖的力學(xué)特性及其巖體力學(xué)問題水-巖-應(yīng)力耦合作用及巖體工程穩(wěn)定性問題高地應(yīng)力巖體力學(xué)問題巖體結(jié)構(gòu)整體綜合仿真反饋系統(tǒng)與優(yōu)化技術(shù)巖體動力學(xué)、水力學(xué)與熱力學(xué)問題巖體流變與長期強度問題巖體工程計算機輔助設(shè)計與圖像自動生成處理。第19頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二1、采礦工程結(jié)構(gòu)多處于地下較深處，而其它地下工程多在距地表較近（幾十米）的范圍內(nèi)；2、對礦山構(gòu)筑物，只要求在開采期間不破壞，在采后能維持平衡狀態(tài)不影響地表安全即可。因此，其計算精度、安全系數(shù)及加固等方面均低于國防、水利工程的標準；3、礦山地質(zhì)條件復(fù)雜，又受礦床賦存條件的限制，因此，采礦工程結(jié)構(gòu)物的位置選擇性不大，同時，采掘工作面不斷變化，因而，采礦工程巖石力學(xué)具有復(fù)雜性的特點。五、采礦工程中巖體力學(xué)的特點第20頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二1、巖體力學(xué)與材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)和流變力學(xué)等有著縱向聯(lián)系。人們運用這些理論使巖體力學(xué)得到發(fā)展。2、巖體工程的圍巖賦存在一定的地質(zhì)環(huán)境之中。因此，巖體力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和地質(zhì)力學(xué)有著十分密切的聯(lián)系。3、巖體力學(xué)是為解決巖體工程中的力學(xué)問題服務(wù)的，這些工程學(xué)科包括：采礦和其它地下空間工程、交通工程、水電工程和基礎(chǔ)工程等。因此，巖體力學(xué)是各種巖體工程學(xué)科的專業(yè)理論基礎(chǔ)。六、巖體力學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系第21頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二巖體力學(xué)的分支學(xué)科工程巖體力學(xué)——為各類建筑工程及采礦工程等服務(wù)的巖體力學(xué)，重點是研究工程活