矿山岩石力学说课材料

1、主讲：高明中主讲：高明中 教授教授(jioshu) 赵光明赵光明 副教授副教授(jioshu) 博士博士安徽理工大学能源安徽理工大学能源(nngyun)与安全学院与安全学院第一页，共22页。1. 1. 矿山岩体力学（主要教材）矿山岩体力学（主要教材） 高延法，张庆松主编高延法，张庆松主编. .徐州徐州: :中国矿业中国矿业大学出版社，大学出版社，200020002. 2. 矿山岩石力学（主要教材、作业）矿山岩石力学（主要教材、作业） 李通林等编著李通林等编著(binzh) (binzh) 重重庆大学出版社庆大学出版社 19911991年年1 1月第月第1 1版版3. 3. 岩石力学基础岩石力学

2、基础 耶格、库克耶格、库克 高教出版社高教出版社4. 4. 矿山岩体力学矿山岩体力学 郑永学编著郑永学编著(binzh) (binzh) 冶金工业出版社冶金工业出版社 19881988年年1010月第月第1 1版版5. 5. 岩体力学，王文星编著岩体力学，王文星编著(binzh) (binzh) 中南大学出版社中南大学出版社 20042004年年1010月月第第1 1版版6. 6. 岩石力学与工程岩石力学与工程 蔡美峰主编蔡美峰主编 科学出版社科学出版社 20042004年年8 8月第月第1 1版版7. 7. 岩体力学岩体力学 沈明荣主编沈明荣主编 同济大学出版社同济大学出版社 1999199

3、9年年3 3月第月第1 1版版8. 8. 矿山岩体力学矿山岩体力学 高磊等编著高磊等编著(binzh) (binzh) 冶金工业出版社冶金工业出版社 19791979年年7 7 月第月第1 1版版9. 9. 矿山岩石力学矿山岩石力学 华安增编著华安增编著(binzh) (binzh) 煤炭工业出版社煤炭工业出版社 19801980年年5 5月第月第1 1版版 教材教材(jioci)(jioci)及参考书及参考书 第二页，共22页。 总总 学学 时：时： 38 学时学时 其其 中：中： 理论理论(lln)学时：学时： 32 学时学时 实验学时：实验学时： 6 学时学时 授课授课(shuk)计划计

4、划第三页，共22页。第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质第三章第三章 结构面的力学性质结构面的力学性质第四章第四章 岩体力学性质及其分类岩体力学性质及其分类第五章第五章 原岩应力及测量原岩应力及测量 第六章第六章 巷道围岩应力分布及稳定性分析巷道围岩应力分布及稳定性分析(fnx) (fnx) 第七章第七章 井巷地压井巷地压第八章第八章 井巷维护原则与锚喷支护井巷维护原则与锚喷支护 授授 课课 内内 容容第四页，共22页。 第一章 绪 论本章内容：本章内容：一、一、 岩石和岩体岩石和岩体二、二、 岩体的特征岩体的特征三、三、 岩体力学的研究内容和研究方法岩体力

5、学的研究内容和研究方法四、四、 岩体力学的产生及其发展岩体力学的产生及其发展五、五、 采矿工程中岩体力学的特点采矿工程中岩体力学的特点六、六、 岩体力学与其他学科岩体力学与其他学科(xuk)的关系的关系第五页，共22页。 第一章 绪 论授课学时：授课学时：1 1学时学时本章的重点：本章的重点：1 1、岩石、岩石(ynsh)(ynsh)与岩体的界定；与岩体的界定；2 2、岩体力学的研究任务与内容，岩体力学的研究方法。、岩体力学的研究任务与内容，岩体力学的研究方法。关键术语：岩石关键术语：岩石(ynsh)(ynsh)；岩体；岩体工程；稳定性；岩体；岩体工程；稳定性要求：要求：1 1、必须掌握本课程

6、重点内容；、必须掌握本课程重点内容；2 2、了解岩体力学的发展简史以及岩体力学在其他学科中的地位。、了解岩体力学的发展简史以及岩体力学在其他学科中的地位。第六页，共22页。一、岩石(ynsh)和岩体 岩石是在一定的生成条件下，具有一定的矿物成分岩石是在一定的生成条件下，具有一定的矿物成分和一定的结构、构造特征的地壳的组成材料或物质。是和一定的结构、构造特征的地壳的组成材料或物质。是各种裂隙切割而成的岩块，又称结构体。各种裂隙切割而成的岩块，又称结构体。 岩体是个地质体，它包括岩体是个地质体，它包括(boku)岩石和各种地质岩石和各种地质构造形迹，如节理、裂隙、褶皱等结构面。岩体就是岩构造形迹，

7、如节理、裂隙、褶皱等结构面。岩体就是岩石和这些结构面的统一体。石和这些结构面的统一体。 岩石和岩体是既有区别又互相联系的两个概念。岩石岩石和岩体是既有区别又互相联系的两个概念。岩石是岩体的组成物质，岩体是岩石和结构面的统一体。是岩体的组成物质，岩体是岩石和结构面的统一体。第七页，共22页。二、岩体的特征(tzhng)1 1、岩体是非均质各向异性的材料。、岩体是非均质各向异性的材料。2 2、岩体内存在着原始应力场。、岩体内存在着原始应力场。 主要包括重力和地质构造力，重力场是以铅垂应力为主，构主要包括重力和地质构造力，重力场是以铅垂应力为主，构造应力场通常是以水平应力为主。造应力场通常是以水平应

8、力为主。 3 3、岩体内存在着一个裂隙系统。、岩体内存在着一个裂隙系统。 岩体既是断裂的又是连续岩体既是断裂的又是连续(linx)(linx)的，岩体是断裂与连续的，岩体是断裂与连续(linx)(linx)的统一体的统一体, ,可称之为裂隙介质或准连续可称之为裂隙介质或准连续(linx)(linx)介介质。当岩体应力超过其强度时，就会使原有断裂进一步扩展，形质。当岩体应力超过其强度时，就会使原有断裂进一步扩展，形成新的断裂。而旧断裂的扩展与新断裂的形成，又均会导致岩体成新的断裂。而旧断裂的扩展与新断裂的形成，又均会导致岩体内的应力重新分布。内的应力重新分布。第八页，共22页。 岩体既不是理想的

9、弹性体，也不是典型的塑岩体既不是理想的弹性体，也不是典型的塑性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是一种特殊的复杂的地质体，这就造成一种特殊的复杂的地质体，这就造成(zo chn)(zo chn)了研究它的困难性和复杂性。因此，只用一般的了研究它的困难性和复杂性。因此，只用一般的固体力学理论尚不能完善解决岩体工程中的所有固体力学理论尚不能完善解决岩体工程中的所有问题。问题。二、岩体的特征(tzhng)第九页，共22页。三、岩体力学的研究内容(nirng)与研究方法 岩体力学研究的主要对象是岩体，研究岩体力学研究的主要对象是岩体，研究岩体在力场作用下，

10、所发生的变形岩体在力场作用下，所发生的变形(bin (bin xng)xng)、破坏和移动规律的理论及其实际应用、破坏和移动规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。的科学，是一门应用型基础学科。第十页，共22页。1、岩体力学(l xu)研究的内容： 岩体的地质特征岩体的地质特征 岩块、结构面的力学性质岩块、结构面的力学性质 岩体的力学性质岩体的力学性质 岩体中天然应力岩体中天然应力 岩体中重分布应力岩体中重分布应力 地下硐室围岩稳定性计算与评价地下硐室围岩稳定性计算与评价(pngji)(pngji) 工程处理与加固工程处理与加固第十一页，共22页。2、岩体力学的研究、岩体力学的研究

11、(ynji)方法方法工程地质工程地质(dzh)(dzh)研究法研究法 研究岩块和岩体的地质研究岩块和岩体的地质(dzh)(dzh)与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质(dzh)(dzh)模型和地质模型和地质(dzh)(dzh)资料。资料。 试验法试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。学参数。 数学力学分析法数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适当的分通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，

12、为设计和施工提供定量依据设计和施工提供定量依据 。综合分析法综合分析法 采用多种方法考虑各种因素采用多种方法考虑各种因素( (包括工程的、包括工程的、地质地质(dzh)(dzh)的及施工的等的及施工的等) )进行综合分析和综合评价，得进行综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论。出符合实际情况的正确结论。第十二页，共22页。四、岩体力学的产生(chnshng)及其发展 岩体力学岩体力学(l xu)(l xu)是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建设和数学力学工程的建设和数学力学(l xu)(l xu)等学科的进步而逐步发展形成的等学科的进步而逐步

13、发展形成的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。它的应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、学科。它的应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等众多的与岩石工程相关地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等众多的与岩石工程相关的工程领域。一方面，岩体力学的工程领域。一方面，岩体力学(l xu)(l xu)是上述工程领域的理论是上述工程领域的理论基础；另一方面，正是上述工程领域的实践促使了岩体力学基础；另一方面，正是上述工程领域的实践促使了岩体力学(l (l x

14、u)xu)的诞生和发展。的诞生和发展。 岩体力学岩体力学(l xu)(l xu)按其发展进程可划分四个阶段：按其发展进程可划分四个阶段：第十三页，共22页。（1 1） 初始阶段初始阶段(jidun)(19(jidun)(19世纪末世纪末-20-20世世纪初纪初) ) 岩体力学最早起源于采矿工程，在这个阶段，岩体力学最早起源于采矿工程，在这个阶段，开采规模小，采深近于地表，开采空间不大，岩开采规模小，采深近于地表，开采空间不大，岩石力学的问题主要是巷道顶板冒落和地下开采所石力学的问题主要是巷道顶板冒落和地下开采所引起的地表移动。引起的地表移动。 在该阶段，岩石力学处于萌芽时期，产生了在该阶段，岩

15、石力学处于萌芽时期，产生了初步理论初步理论(lln)(lln)以解决岩体开挖的力学计算问题。以解决岩体开挖的力学计算问题。例如，例如，19121912年海姆年海姆(A(AHeim)Heim)提出了静水压力的理提出了静水压力的理论论(lln)(lln)他认为地下岩石处于一种静水压力状他认为地下岩石处于一种静水压力状态。态。第十四页，共22页。（2 2）经验）经验(jngyn)(jngyn)理论阶段（理论阶段（2020世纪初世纪初2020世世纪纪3030年代）年代） 该阶段为岩石力学发展的第二阶段。在这个阶该阶段为岩石力学发展的第二阶段。在这个阶段出现力根据生产经验提出的地压理论，并开始用段出现力

16、根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料力学和结构力学的方法材料力学和结构力学的方法(fngf)(fngf)分析地下工程分析地下工程的支护问题。松散介质学派（例如普氏理论）占主的支护问题。松散介质学派（例如普氏理论）占主导地位，他们借助土力学理论解决岩石力学问题，导地位，他们借助土力学理论解决岩石力学问题，提出巷道地压计算原理和采场地压假说。提出巷道地压计算原理和采场地压假说。 在此阶段更加深入地研究岩石的破坏机理。在此阶段更加深入地研究岩石的破坏机理。第十五页，共22页。（3 3）经典理论阶段（）经典理论阶段（2020世纪世纪(shj)30(shj)30年代年代6060年代）年代） 该阶段是

17、岩石力学学科形成的重要阶段，岩该阶段是岩石力学学科形成的重要阶段，岩石力学以弹塑性理论为基础，将岩体视为弹塑性石力学以弹塑性理论为基础，将岩体视为弹塑性介质，应用弹塑性力学方法来研究岩体的应力、介质，应用弹塑性力学方法来研究岩体的应力、应变和位移，确定了一些经典计算公式，形成围应变和位移，确定了一些经典计算公式，形成围岩和支护共同作用的理论。结构面对岩体力学性岩和支护共同作用的理论。结构面对岩体力学性质的影响质的影响(yngxing)(yngxing)受到重视。在弹塑性分析的受到重视。在弹塑性分析的基础上引入流变理论，将某些岩体视为带粘性的基础上引入流变理论，将某些岩体视为带粘性的介质，考虑时

18、间因素对岩体应力、应变和位移的介质，考虑时间因素对岩体应力、应变和位移的影响影响(yngxing)(yngxing)。第十六页，共22页。（4 4）现代）现代(xindi)(xindi)发展阶段（发展阶段（2020世纪世纪6060年代现年代现在）在） 用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩体力学问题，用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩体力学问题，把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等最新成果引入了岩体力学。而计算机的发展使用有限元、边界最新成果引入了岩体力学。而计算机的发展使用有限元、边界元、离散元等解算岩体力学问题得以

19、实现。元、离散元等解算岩体力学问题得以实现。 2020世纪世纪7070年代以后岩石力学发展比较迅速，岩体力学测试年代以后岩石力学发展比较迅速，岩体力学测试技术不断完善，应力解除法可测试深部岩体应力。刚性压力机技术不断完善，应力解除法可测试深部岩体应力。刚性压力机的出现，可测试应力应变全过程曲线，从而更深刻的揭示了的出现，可测试应力应变全过程曲线，从而更深刻的揭示了岩石的力学特性。岩石的力学特性。 岩体力学已逐渐形成完整的科学体系作为力学的一个分枝岩体力学已逐渐形成完整的科学体系作为力学的一个分枝(fn zh)(fn zh)，成为一门独立的力学学科，服务于岩体工程。，成为一门独立的力学学科，服务

20、于岩体工程。第十七页，共22页。n19511951年，在奥地利创建了地质力学年，在奥地利创建了地质力学(l xu)(l xu)研究组，并形研究组，并形成了独具一格的奥地利学派。成了独具一格的奥地利学派。n同年，国际大坝会议设立了岩石力学同年，国际大坝会议设立了岩石力学(l xu)(l xu)分会。分会。n19561956年，美国召开了第一次岩石力学年，美国召开了第一次岩石力学(l xu)(l xu)讨论会。讨论会。n19571957年，第一本年，第一本岩石力学岩石力学(l xu)(l xu)专著出版。专著出版。n19591959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩

21、体力学(l xu)(l xu)工工作者的关注和研究。作者的关注和研究。n19621962年，成立国际岩石力学年，成立国际岩石力学(l xu)(l xu)学会学会(ISRM)(ISRM)。n19661966年，第一届国际岩石力学年，第一届国际岩石力学(l xu)(l xu)大会在葡萄牙的里大会在葡萄牙的里斯本召开。斯本召开。岩体力学形成岩体力学形成(xngchng)历史历史第十八页，共22页。岩体力学发展动态岩体力学发展动态岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学学 机理问题机理问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及

22、破坏判据问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题软岩的力学特性及其岩体力学问题软岩的力学特性及其岩体力学问题水水- -岩岩- -应力耦合作用及岩体工程稳定性问题应力耦合作用及岩体工程稳定性问题高地应力岩体力学问题高地应力岩体力学问题岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体动力学、水力学与热力学问题岩体动力学、水力学与热力学问题岩体流变与长期强度问题岩体流变与长期强度问题岩体工程计算机辅助设计与图像岩体工程计算机辅助设计与图像(t xin)(t xin)自动自动生成处理。生成处理。第十九页，共22页。 1 1、采

23、矿工程结构、采矿工程结构(jigu)(jigu)多处于地下较深处，而其它地下工多处于地下较深处，而其它地下工程多在距地表较近（几十米）的范围内；程多在距地表较近（几十米）的范围内； 2 2、对矿山构筑物，只要求在开采期间不破坏，在采后能维持平衡、对矿山构筑物，只要求在开采期间不破坏，在采后能维持平衡状态不影响地表安全即可。因此，其计算精度、安全系数及加固等方状态不影响地表安全即可。因此，其计算精度、安全系数及加固等方面均低于国防、水利工程的标准；面均低于国防、水利工程的标准； 3 3、矿山地质条件复杂，又受矿床赋存条件的限制，因此，采矿工、矿山地质条件复杂，又受矿床赋存条件的限制，因此，采矿工程结构程结构(jigu)(jigu)物的位置选择性不大，同时，采掘工作面不断变化，物的位置选择性不大，同时，采掘工作面不断变化，因而，采矿工程岩石力学具有复杂性的特点。因而，采矿工程岩石力学具有复杂性的特点。五、采矿工程中岩体力学(l xu)的特点第二十页，共22页。1 1、岩体力学与材料力学、弹塑性力学和流变力学等有着纵向联系。、岩体力学与材料力学、弹塑性力学和流变力学等有着纵向联系。人们运用这些理论使岩体力学得到发展。人们运用这些理论使岩体力学得到发展。2 2、岩体工程的围岩赋存在一