矿山压力与岩层控制

1、矿山压力及岩层控制采矿分类地下采矿露天采矿海洋采矿特殊采矿地下开采金属矿地下开采非金属矿地下开采固体矿床露天开采沙矿床露天开采海底砂矿开采海底锰结核开采海底热液矿床开采海水化学元素提取海底基岩矿床开采容浸采矿热液采矿水溶采矿盐湖矿床开采固体矿床开采机械开采水力机械采煤采砂船开采饰面石材开采第一章 绪论1.1 矿山压力的基本概念 矿山压力的基本概念 我们所说的采矿通常是指固体矿床地下开采，即：地下开采和露天开采，在煤矿行业，地下开采又常称为“井工开采”或标准采矿等，由于露天开采对地表破坏、环境污染较严重，也称为非标准采矿，见上图。无论是地下开采还是露天开采都可抽象为对原有地壳的一种人为破坏活动，

2、或称是一种人为的有目的在地壳岩体中的大规模开挖活动。这种开挖活动破坏了岩体原有应力平衡状态，引起了岩体内部应力重新分布，其结果表现为开掘的井、巷、硐、工作面、露天矿采场边坡等的周围岩体变形、移动、甚至破坏，直到岩体内部重新形成一个新的应力平衡状态为止，见下图。严格的讲，矿山压力应包括地采和露采两部分内容，但由于传统的观念和习惯，矿山压力通常指与地采有关地内容，即概念如下。矿山压力（i.e.矿压）：这种由于在地下煤炭中进行采掘活动而在井巷、硐室、及回采工作面周围煤岩体中和其中的支护物上所引起的力，就叫矿山压力。在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉、底板臌起、巷道断面缩小、岩体破坏脱落

3、母体甚至大面积冒落，煤被压松产生片帮或突然抛出，支架严重变形或损坏，以及大面积岩层移动，地表发生塌陷等等，这些由于矿山压力作用，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生的种种力学现象，通称为“矿山压力显现”.i.e.”矿压显现”.随着大规模开采活动及矿压显现给工作带来严重危害，为使矿压显现不致影响采矿工作正常进行和保障安全生产，必须采取各种技术措施把矿山压力显现控制在一定的范围内，对有利于采矿生产的矿山压力显现也要合理的利用。所有减轻、调解、改变和利用矿山压力作用的各种方法，均叫做矿山压力控制。矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制是矿山压力与岩层控制研究的主要内容。随着大规模开采活动及矿压显现给工作带

4、来严重危害，人们迫切需要一种理论来解释和研究有关的矿压现象，并用以指导工程设计和安全生产，这就使于20世纪60年代形成了一门新的学科分支矿山压力及岩层控制。 煤矿地下开采中常见的矿山压力灾害主要的研究对象（1）巷道变形，断面缩小（2）巷道冒顶、破坏（3）采场冒顶（4）支架压坏（5）采场大面积来压（6）冲击矿压（7）突水矿山压力产生是由于地下开采（开挖空洞），那么煤矿地下开采常见的开挖有：（1）井（2）硐室（3）巷道（4）采场1990年以前，矿山压力事故死亡人数占煤矿总事故死亡人数的45%以上，目前煤矿死亡事故人数中，瓦斯事故占40%，矿山压力事故占30%。 矿山压力事故的特征是：事故次数多、预

5、防困难、一次伤亡人数较少（与瓦斯事故相比）、不容易引起重视，但是后果严重。 矿山压力及岩层控制对采矿工程的作用（1）生态环境保护：地下水破坏、地表沉降、矸石山占地、瓦斯抽放等。（2）保证安全和正常生产：顶板事故、巷道稳定、边坡控制等，掌握矿山压力活动的基本规律，用以指导采矿生产的设计，生产组织，保障安全生产，设备正常运行。（3）减少地下资源损失：通过研究和实测矿压活动规律，减少顶板等事故，选择合理煤柱尺寸，甚至某些情况下取消煤柱，减少煤炭资源损失量。（4）改善地下开采技术： 地下开采技术的进步与对矿压显现规律的深刻认识和矿压控制手段的改善有密切关系，例如，自移式液压支架的使用（对顶板有效控制）

6、促成了采煤综合机械化的实现，反之开采技术的变化和解决，如放顶煤开采技术的运用，需进一步研究顶煤运移与破坏规律，重新研究“支架围岩关系”等。开采深度增加也使矿压显现更为剧烈，并带来了一系列新的矿压控制问题，只有不断解决这些问题，才能使未来复杂条件下的开采工作得以顺利进行。（5）提高开采经济效果：为了维护巷道和管理顶板，每年要消耗大量人力、物力。一般矿井的巷道维修人员约占井下工人的1020，而且为了进行矿压控制，每年要消耗大量的坑木，金属支护材料，水泥及其它材料。这些都会明显地增加开采费用，使吨煤成本上升。矿压显现预测、支护质量与顶板动态监测、信息反馈、确定优化的矿山与开采设计等，提高开采效益。综

7、上所述，掌握矿压显现规律，研究矿压控制的有效方法，对煤矿生产有十分重要意义。1.1.4 采矿工程的力学特点（1）采矿工程岩体结构的本质与地面工程结构不同，地下工程围岩即是载荷，也是一种承载结构，施载体系与承载体系之间没有明显界限。（2）采矿工程的移动特性采场空间移动与临时性、多种采动空间的相互影响与迭加。（3）采矿工程中围岩的大变形和支护体的可缩特性 采矿空间巨大、埋藏深，围岩变形量大。注重发挥围岩自身承载能力，重视支架围岩关系研究和应用。（4）采矿工程中的能量原理和动力现象 冲击矿压、顶板大面积来压、煤与瓦斯突出等均为采矿工程中的动力现象，也是煤岩中能量的突然释放。1.2 矿山压力及控制的发

8、展简况 对矿压的早期认识阶段我国是世界上采矿最早的国家之一，中国采矿有文字可考的历史始于商代（公元前16世纪至前11世纪），但实际的采矿活动还要早很多。迄今为止，发现最早的采矿遗址，是山西怀仁镇鹅毛口石器制作场和广东南海县西樵山采石加工厂，分别为自凝灰岩、煌斑岩夹层挖采和从石洞帮采石材，其年代据考古判定至迟在新石器时代早期，距今已历万年。近年又发现的大冶铜绿山采矿遗址的鉴定，该地地下采矿始于3000多年前地商代晚期，而地下采矿之前，曾经有过相当长时间的露天开采。春秋至南北朝（分元前770年至前200年），采矿技术已有全面发展，巷道作用已由仅作回采演化进行到作开拓、采准及探矿之用，竖井可达506

9、0m，断面积可达1.42.0m2，平巷高度可达1.51.8m，开始使用框式支架，甚至取消底梁，说明已认识到矿压的危害及需要加以控制，这时的煤炭主要用作颜料与染料而不是燃料。随着采矿规模日益扩大，经常出现矿井内顶板冒落，巷道堵塞或地表塌陷等事故，迫使人们重视和研究矿压问题。欧洲国家对矿压的认识大约开始于15世纪，1487年在欧洲出现了“防止采矿工作面破坏地表的协定”。19世纪30年代以后，在比利时，德、法等国家，为了防止地面房屋建筑遭到破坏，也曾提出过一些确定保护煤柱的方法。上述说明中国是世界上采矿最早的国家之一，对矿山压力早就有所认识。世界上的其他国家对矿压也早就有所认识。建立矿压早期假说阶段

10、19世纪后期到20世纪初，是矿压研究的第二个阶段，利用一些简单的力学原理解释实践中出现的一些矿压现象，并提出了一些初步的矿压假说，具有代表性的是“压力拱假说”，即认为巷道上方能形成自然平衡拱及有关分析计算。同时提出了以岩石坚固性系数f（普氏系数）作为定量指标的岩石分类方法，曾获得广泛应用至今。在这个阶段中，对巷道围岩破坏机理和支架所受的岩石压力大小开始了初步的理论研究。在研究岩层和地表移动等方面，进行了地面及井下观测，研究到地表建筑物的损坏不仅由于地表下沉，还由于水平移动的结果。以连续介质力学为理论基础的研究阶段20世纪30年代至50年代：由于开采深度和规模迅速增大，开始感到仅仅研究巷道周围局

11、部地区岩石状况变化的理论和方法，已不能充分反映开掘巷硐所引起的围岩中应力变化的真实过程，于是利用当时的理论及计算手段，将整个岩体作为连续的，各向同性的弹性体来考虑，即用弹性理论研究矿山压力问题，这一阶段的典型成果：（1）用虎克定律推导出了自重作用下原岩应力的计算公式；（2）用弹性理论解决了圆形巷道的应力分布问题。后来又研究了岩体非均质和各向异性对理想弹性体的影响，以及把岩层看作具有不同变形特征的弹性介质，进一步研究岩体层理的影响，此外还用连续介质力学方法研究了岩层移动问题。在进行理论研究的同时，研究矿压的实验手段也获得了发展，其中较为应用的是利用相似材料进行的相似模型研究方法和利用光敏感材料进

12、行的光弹性模拟方法。矿压研究的近代发展阶段（20世纪60年代至今约40多年时间里）这个时期的科技发展和政治特点：（1）世界范围内，主要国家处于总体上和平发展时期，生产与科技有系统发展的平台；（2）工业和军事等的迅猛发展对煤炭等矿石需求量迅猛增加，矿山开采规模迅速增大，矿山数量迅速增加；（3）开采技术和装备发展迅速；（4）计算机技术飞速发展，使计算和控制等变得容易和现实；（5）相关学科进步明显，对矿压发展起到促进作用。与此相类似，为了适应采矿和科技发展的需要，矿压研究取得了重要进展：（1）理论方面将传统的连续、弹性、各向同性的岩体岩体是有各种弱面切割的裂隙体，具有与一般固体所不同的特征。从这个观

13、点出发引用相关学科中现代研究成果，出现了一系列边缘学科分支和方法，如岩石断裂力学，岩石块体力学，岩石流变学等。在研究方法方方面，在现代计算技术基础上发展起来的一些新的数值分析方法：有限元，边界元，离散元法等。这些方法可以考虑岩体复杂的力学属性，进行巷道和硐室围岩体中的应力变化和位移分布，确定其稳定性等，使矿压理论研究有可能获得更符合实际的数值解答。在地表岩层移动研究方面，在进行大量现场观测和掌握了不同条件下岩层移动基本规律的基础上，建立了更为完美的因开采造成的地表移动和变形值的计算和预测方法，以及开展了开采工作引起的煤层上覆岩层运动机理及其有关规律的研究。（2）应用研究方面配合地下开采技术和支

14、护技术的发展，进行了不同煤层条件下采用不同支护类型的回采工作面中矿压显现规律的研究，开展了采用煤柱护巷和无煤柱护巷的各类巷道中的矿压显现规律的研究，以及进行了为解决有冲击矿压、煤和瓦斯突出危险煤层开采的有关研究，从而为改善回采工作面矿压控制，合理布置和维护巷道，以及保证安全生产，提供了科学依据。（3）实验研究方面结合各类研究课题的进行，逐步应用和改善了现场与室内观测和实验的各种仪器和设备，有代表性是井下钻孔电视应用和真三轴岩石试验机以及刚性试验机，为矿山压力的进一步研究和完善提供了必要的原始数据和资料。大型模拟试验台、先进的多点数据采集仪器等（4）矿压现场控制方面进一步改善了巷道支护技术，如大

15、断面、大缩量和高支撑力的可缩性金属支架，广泛应用锚杆支护，开发了各种类型的锚杆，注浆加固不稳定煤层和围岩，回采工作面中使用自移式液压支架，架型增多，适用范围扩大等。对难以控制的坚硬顶板，通过高压注水，超前爆破等手段，比较有效地避免了在采控区突然大面积冒落造成的危害。对井下冲击矿压的预测和控制效果大为提高。 我国在矿山压力研究方面的主要工作与成就为了配合全国有序地开展矿压研究及推动煤矿科技进步。1979年4月26日煤炭部批准在中国矿业大学建立煤炭工业部矿山压力情况报中心站，作为全国矿压研究与实践方面的重要学术组织，到目前为止已经组织召开了12届全国性矿山压力理论与实践研讨会，并下设8个各分站：

16、钱鸣高、牛锡倬、平寿康、刘天泉、宋振骐等学者对推动我国矿压理论研究与工程应用作出了突出贡献，如著名的砌体梁理论等。我国煤矿事故中顶煤事故由45下降到30，目前一批中青年学者、专家迅速成长。（1）采场上覆岩层“砌体梁”结构力学模型和“关键层理论”1）上覆岩层开采后呈“砌体梁”式平衡的结构力学模型，给出了采场边界条件。（20世纪6070年代）2）各种条件下板的力学模型，用于老顶来压预报。（20世纪7080年代）3）“关键层”理论（20世纪90年代后）（2）“砌体梁”平衡的关键块研究及“SR”稳定提出“砌体梁”关键块滑落与转动变形失稳条件即“SR”稳定条件。（3）采场支架围岩关系及整体力学模型支架工

17、作阻力与顶板下沉量的关系曲线为类双曲线关系（“PDL”类双曲线关系）（4）顶煤放出的散体介质流理论（最近几年提出）可用于顶煤层放出预测与提高顶煤回收率（5）采场矿山压力与支护质量监测 20世纪80年代开始大规模进行采场顶板与支护质量监测。（6）巷道布置改革与无煤柱护巷技术（7）巷道支架围岩关系、支护技术改革U形钢支护、工字钢结构可缩性支架、锚杆支护、联合支护（8）软岩巷道支护（9）巷道围岩控制设计决策及支护质量监测1.3 矿山压力研究的主要内容与方法 矿山压力研究的主要内容地下采矿中常见的岩石开挖工程有：井、硐室、巷道和工作面，其中以巷道和回采工作面最为常见，所以矿山压力研究以巷道和回采工作面

18、为核心进行研究。主要研究内容如下：1、支承压力分布规律2、回采工作面顶板岩层活动规律及其分析（1）老顶稳定及初次极限跨距（2）砌体梁及结构分析3、回采工作面矿山压力显现基本规律（1）初次来压分析（2）周期来压分析（3）顶板压力估算4、回采工作面顶板控制与支护方法（1）支架围岩相互作用原理（2）支架选型5、高位岩层移动与控制（1）上覆岩层移动规律（2）上覆岩层移动控制技术6、采区巷道矿压显现与控制（1）巷道矿压显现的基本规律（2）巷道矿压控制原理（3）采区巷道支护7、动压现象及控制（1）冲击矿压（冲击矿压煤、及瓦斯的突然喷出）（2）顶板大面积来压1.3.2 矿山压力研究的基本方法 （1）现场观测

19、与统计方法现场观测与研究是矿山压力研究中必须不可少的基础工作。我国早在50年代中期就开始进行回采工作面顶底板移近量和支柱受载观测。目前矿压现场观测的方法和手段都有了很大发展。观测仪器已由过去单一的机械扩大到利用电、声、光、磁等多科学技术的综合应用，观测方式也正在从人工就地读数逐步向遥控和自动监测过渡，并且已广泛利用计算机进行观测数据的处理和分析。 （2）室内试验方法由于采矿工程规模大、时间、复杂、以及受生产影响大等，现场观测由于费用等原因受到一定的限制，所以逐渐借助室内试验进行研究，目前仍以模拟试验为主。 （3）理论分析结构力学、岩石力学、弹性力学为主要分析工具 （4）数值计算方法有限元（FE

20、M）、边界元（BEM）、离散元（DEM）等（5）随机分析、模糊分析、近代力学和数学用于矿压研究1.3.3 矿山压力与岩层控制的发展方向（1）采场矿山压力理论与控制体系（1）关键层理论深入发展与应用（2）放顶煤（厚煤层）高产高效开采（矿压理论、岩层控制、放煤理论）（3）高产高效开采故障诊断技术与保障系统 （2）巷道矿压理论与控制技术（1）采动影响巷道矿压理论（2）锚杆支护技术的深入与完善（3）软岩巷道、大变形巷道、底鼓严重巷道围岩控制理论与技术（3）开采新方法、新工艺、新技术（1）地下气化（2）瓦斯开采（3）“三下”保护开采（4）地热的开采与利用（4）深部和高应力开采矿压灾害、冲击矿压预测预报和

21、防治理论和技术技术1.4 矿山压力与岩石力学的关系1.4.1 矿山压力与岩石力学的关系随着采矿深度何规模增大，矿山压力的研究不断深入和发展，人们越来越来多地认识了岩石的力学性质和开采过程中岩体内所发生的自然力现象和规律，在此基础上产生了一个新的学科分支矿山岩体力学，即矿山岩体力学是研究自然和采动影响所造成的矿山应力场中，有关矿山岩体和矿山工程结构的强度、稳定性和变形的科学，它既是固体力学的一个应用分支，也是采矿科学的一个组成部分。严格地说，矿山压力是矿山岩石力学的一个应用部分，但由于我国煤矿系统的习惯，将矿压作为一个独立的课程。岩石力学最初产生于采矿工程，其服务对象也主要是采矿工程，但其研究方

22、法和理论并非为采矿工程所独有。尤其是二战后，各国水利、交通、建筑、国防的大规模开发和建设，促进了岩石力学的形成和发展。于50年代，前苏联、法国、美国等开始借于土力学、弹性力学和工程地质学原理，编写了岩石力学的专门著作。1950年，前苏联的里涅耐特编写了岩石力学导论一书，书中利用弹性理论求解岩石工程问题。法国的塔罗布尔于1957、1958先后编著的岩石力学和岩石力学在土木工程中应用两书正式出版，较系统地介绍了岩石力学研究的理论、方法和重要意义。1956年，美国科罗拉多矿业学院首次为采矿专业本科生开设了岩石力学课程，五十年完成了岩石力学作为一门独立学科的创立过程。1962年在奥地利地萨尔茨堡（Sa

23、lzburg）成立了“国际岩石力学学会”（International Society of Rock Mechanics, i.e.ISRM）,并于1966年在里斯本举行了第一次国际岩石力学大会，以后每四年一届，至今已召开8届大会。国际岩石力学学会还出版了Rock Mechanic和International Journal of Rock Mechanics & Ming Sciences & Geomechanics Abstracts。从此岩石力学进入了迅速发展时期，至今形成了很多学术观点，甚至学派，如以重视节理裂隙为主地奥地利学派和注重理论分析地法国学派等，其中奥地利学

24、派对岩石力学的发展起到了巨大作用。该学派地代表人物是L.Muller 主要观点有三个：（1） 就大多数工程问题而言，岩体工程性质取决于岩体内部地质断裂系统的强度要比取决于岩石本身强度的大得多，所以岩石力学是一种不连续体力学，即裂隙介质力学；（2） 岩体强度是一种残余强度，其受到岩体中所含弱面强度的制约；（3） 岩体的变形和它的各向异性主要由弱面位移所产生。上述这三个观点为岩石力学的发展起到了引导和促进作用，尤其是在工程地质、水电、冶金等岩石力学研究中受到格外重视，而煤炭行业由于煤田成因及研究问题的特殊性，没有充分重视和发展上述观点，但从长远看煤炭行业的岩石力学有关问题研究必须与国际接轨，矿山压

25、力研究应纳入到矿山岩石力学的一个应用分支，必须重尊岩石力学研究的一般准则。课后作业：自学教科书第一章第一节 岩石的基本物理性质（P710） 第二章 矿山岩石和岩体的力学属性2.1 岩石的强度和变形特征st 岩石强度（1）抗拉强度 （2）抗压强度（3）抗剪强度stCft=C+stanf（4）三轴强度s1s1s2s2s2s1 岩石变形sss线弹性完全弹性(非线性)滞弹性eeeIIIIIIetOABCDOA：瞬时变形阶段AB：初始蠕变阶段BC：等速蠕变阶段CD：加速蠕变阶段seepeeeer一般的岩石变形曲线2.2 岩石的破坏机理和强度理论 岩石的破坏机理ll0P（1）岩石的应力应变全过程曲线试件原

26、长度变形后长度压力试件原断面积 peOABCDOA段：原始岩石内的空隙压密阶段；AB段：线弹性变形阶段，B点为弹性极限；BC段：裂隙产生和扩展阶段，呈现弹塑性变形，C点为强度极限，用Rc表示；CBAOCD段：残余承载阶段，即岩石受载虽然已过强度极限，但仍具有部分承载能力，到达D点岩石才完全破坏。 一般实验机很难获得上述全过程曲线，而只有C段以后的曲线。见右图。原因：普通实验机的刚性较小。对试件加载过程中，自身变形较大，积蓄了大量的变形能，当试件达到强度极限后，承载能力下降，压力机内的变性能突然释放，施加于试件上，导致试件突然破裂，常伴有炸裂的响声和碎块飞出。（2）岩石强度特征 三向抗压>

27、双向抗压>单向抗压>抗剪>抗拉（3）岩石破坏机理岩石在外力作用下，首先产生不同形式的变形，继而产生微裂隙和破裂，裂隙扩展到一定阶段，岩石破坏。岩石破坏的基本形式如下：压剪破坏有侧向约束塑性流动破坏强的侧向约束压裂破坏无约束 1）压裂破坏：加压板与试件端面间摩擦阻力小时，试件横向变形，变形量达到变形极限时，试件拉裂，形成平行于加压方向的拉裂缝，试件破坏原因为拉裂破坏。2）剪破坏：加压板与试件端面有摩擦力较大时，产生剪切破坏（一组或几组剪切面）。3）塑性流动破坏：加压板与试件端面有很大摩擦力时，试件二端面变形受到强阻碍时，出现了多组剪切面，试件会逐渐缓慢地膨胀成桶形。最后因塑性流

28、动而导致破坏。该破坏形式是岩石颗粒产生微小剪切滑移的结果，仍是一种剪应力造成的剪切错动。2.1.2 岩石的强度理论 岩石的强度理论：研究岩石在复杂应力作用下破坏的原因、规律及建立破坏的判据。目前已提出了很多种强度理论，但在目前岩石工程中常用的有两种：莫尔库仑强度理论和格里菲斯强度理论。（1）莫尔库仑强度理论 莫尔（Mohr）强度理论认为（1900）：固体材料发生破坏的主要原因是由于破坏面上的剪力达到一定限度。这个剪力除了与材料本身的性质有关外，还与破坏面上的正应力造成的摩擦阻力有关。例如，某一点材料发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时也取决于该点的正应力。因此，岩石沿某一个面剪断时所需要的剪

29、应力 与该面上的正应力存在某种函数关系：该式为莫尔提出的一般形式，也称为莫尔强度理论的普遍形式。具体应用中，要通过试验确定其具体形式。一般的试验方法就是做大量的单向拉、单向压，不同围压下的三轴压试验，得到不同的莫尔圆，然后给出莫尔应力圆的包络线。113313IIIIIIIV极限莫尔圆=f（）强度曲线的作用：（1） 判断岩石试件是否发生剪切破坏，由某一面上的或做出应力圆可判断试件发生破坏否。（2） 判断破坏面方向：通常（后面解释）（3）（抗拉强度小于抗压强度） 在岩石力学和工程设计中，为了计算岩石强度，必须给出相应的关系式，莫尔没有给出的具体关系式，有人提出二次曲线或摆线等。但为了便于计算，当正

30、压力不大时（）通常采用斜直线作为强度曲线，即：、分别为破坏面上的剪应力和正应力、岩石的内聚力和内摩擦角这一公式是由库仑（Coulomb）1773年提出的，后由莫尔用新的理论加以解释，故上式称为莫尔库仑强度理论。由上式可得出如下关系：CcotODNN1M313311C(1+3)/23(1-3)/232Ss=tan+Cn45°-f/2试件（1） 由上图：（2）；这就是用极限主应力表示的莫尔库仑强度条件。做有限元计算时通常用这一公式作为Mohr-Coulomb强度理论的使用式。 上式中若，则就是岩石试件的单向抗压强度f（3）岩石的单向抗拉强度C一般来说，则由于岩石的抗拉强度不易试验求得，通

31、过上式可由获得。莫尔库仑强度理论目前在岩石力学领域中应用最广，它能较全面地反映岩石的强度特性，如抗拉强度远小于抗压强度，能很好地解释岩石在三轴受拉时会破坏（因强度包络线在受拉区闭合）和三轴等压压缩时不会破坏（包络线在受压区不闭合）的现象。它不仅适用于塑性材料，还适用于脆性材料的破坏，所以广泛用来解释岩石的破坏现象。其中不足之处在于：只适用于剪切和塑性流动两种破坏形式，不适用于拉断破坏；其次莫尔库仑强度理论只考虑了最大主应力和最小主应力，与中间主应力无关，而一些试验已经证明了对岩石破坏有影响。（2）格里菲斯强度理论（Griffith，1921） 格里菲斯强度理论认为：任何固体内部都存在窄狭的微裂

32、隙。无论材料的受力状态如何（压或拉），最终都会在裂隙尖端产生拉应力集中。当拉应力大于材料的抗拉强度时，裂隙扩展，直至材料破坏。 由此可见，Griffiht理论认为材料破坏是由于拉应力造成的这一理论适用于玻璃、陶瓷、岩石等脆性材料。 Griffith在进行理论准则推导时，认为材料内的裂隙可用椭圆代替。如，Griffith椭圆裂隙。然后将模型简化为半无限介质中单个椭圆孔洞的平面应力问题处理。引用弹性力学关于半无限大介质椭圆孔周边受力分析结果，得出双向应力状态下裂隙开始扩展的条件：上式就是Griffith强度理论的破坏准则，也称为拉应力准则。单向受压时，则 为了与莫尔库仑强度理论相比较，经过一定换算

33、后，有：，椭圆裂隙周边上的剪应力和正应力岩石的单向抗拉强度yxyxxy13 以上强度条件是建立在裂隙张开假设上，实际上，岩石在大多数情况下承受压应力，裂隙闭合，这样作用在裂隙面上的正应力将使裂隙上产生摩擦阻力，由于摩擦也能承受剪应力，所以岩石强度有所增加。据此有人提出了修正的格里菲斯强度准则。注：是裂隙面的法线方向与应力轴的夹角。2.2 岩体及其质量评价 岩体的基本类型和特性（1）岩体的基本特性岩石和岩体是两个不同的概念，岩石是指小的岩石试件（试块），而岩体是指岩石集合体，或指大范围内的工程地质体。一般说来，岩体内可能含有不同种类的岩石，含有各种天然弱面，受到天然环境及力场作用等，没有特定的自

34、然边界，我们工程中实际所遇到的都是岩体，与岩石相比，岩体具有如下力学属性。1）非均质性 对于由多种岩石组成的岩体，由于在自然条件下组成岩石的物质成分、组织结构及其组合状况经常变化，所以一般认为岩体是非均质的。例如，对于层壮岩体，无论在层面上还是在垂直面上都具有明显的非均质性。岩体除了因物质成分不同造成的非均质性外，由于各种非均质结构面切割的结果也呈现出明显得结构非均质性。2）各向异性 各向异性是指岩体的全部或部分物理力学特性随方向不同而表现出一定差异的性质。岩体的学多物理力学性质，如弹模、抗压、抗拉强度，声波的传播速度等，就随加载或测试方向不同而有显著差别。见图，x，y，z 三个方向的力学指标

35、明显有差异。 岩体的各向异性也和非均质类似，不仅由于物质成分、结构致密程度不同而造成，而且也受到各种结构面的影响。由于结构面的方位不同，数量不等，规模不一，性质各异，会造成岩体各向异性。当结果面组数少且各自发育程度不同的岩体，其各向异性会表现得明显；反之，结构面组数多，各自都很发育，方向十分复杂的岩体，其各向异性表现的不明显。组数多，各向异性弱，认为各向同性。组数少，各向异性大。3）非连续性 由于岩体被各种结构面所切割，因此从原则上说，岩体属于非连续体。但随着被切割的岩块大小、形态和性质不同，岩块的排列和互相接触状态的差异，及其不连续程度都会有所不同。因此，在研究工程问题时，尤其是进行岩体稳定

36、分析时，往往根据岩体的不同结构类型把岩体分别看作是非连续体，似连续体或连续体。 A、非连续体：受结构面影响明显的层状、块状结构岩体和碎裂结构岩体； B、似连续体：结构面发育密集、杂乱无章的散体结构岩体； C、连续体： 整体结构岩体，部分原层状岩体。2.2.2 岩体强度特征（1）岩体强度的基本概念 对于岩石而言，其抗拉强度与其它强度相比最小，通常只有抗压强度的几分之一到几十分之一。对于岩体而言，这个特征就更加突出。因为岩体中含有各种结构弱面，而结构面的粘结力都是十分微弱的，甚至不存在，由于岩体强度主要取决于结构弱面的强度，因此岩体是一种不能承受拉应力的材料。工程分析中，一旦某处岩体出现了拉应力，

37、即认为该处已破坏，这就是通常所说的岩体无拉力准则岩体中的弱面结构虽然不能抗拉，但仍能承受一定的剪应力和压应力。其剪切强度在受压区仍符合“莫尔库仑”准则。可以认为：弱面强度 含有弱结构面的岩体总强度 岩石强度 结构面强度 岩体强度 岩石强度 发育 结构面发育程度 不发育岩石强度曲线结构面强度曲线岩体强度区（2）结构面对岩体强度的影响 结构面是区别岩体与岩石的重要特征之一。它的种类很多，如层理、节理、断层、软弱夹层等。许多的岩体工程失稳都是由结构面所控制。在研究矿山岩石力学问题时，有代表性的结构面就是层理和节理。层理面是沉积岩的主要弱面之一，有些情况下它对沉积岩岩体的变形和破坏起主导作用。如煤矿中

38、顶板离层，分层冒落和底板沿层面滑动等。而节理对所有岩体来说都更具普遍性。它主要是由构造力而形成的有规则的小的裂隙总称。结构面对岩体强度的影响主要表现为使岩体强度降低和各向异性。见下图所示。半径方向的长度表示单轴抗压强度大小。为结构面与水平面的夹角。现有三种主要情况：=450+/2=00=90012结构面方位对岩体强度的影响。minmax1），岩体强度与结构面无关，岩体强度岩块强度。例如，单向拉强度。这时岩体沿新的面AB破坏。2），岩体沿结构面产生剪切破坏。例如，剪切面正好与结构面重合，岩体强度结构面强度。3），岩体强度介于和之间。相当于平行于结构面而受载荷时的强度。在区间，岩体强度值的强度值。

39、在区间，岩体强度值的强度值。在区间，岩体强度受结构面的影响较大。上图说明岩体中有一组结构面时，由于结构面与加载方向原因，岩体强度有时有明显的各向异性，当岩体中有多组结构面时，由于各组结构面的影响交叉重叠，反而会使岩体强度的各向异性减弱，但会随结构面组数增多，而降低岩体强度，而最终趋近于值。 岩体质量评价由于岩体特征的复杂性，借助于一、二个参数很难反映出岩体的工程特性，因此人们试图通过各种影响岩体工程性的因素来对岩体质量进行分类和综合评价。其中比尼奥斯基（Z.T.Bieniawski）1973提出的RMR分类法（Rock Mass Rating）受到重视。其一般原理时，某种岩体的RMR值由下式计

40、算：where:：岩石的单轴抗压强度的分值；：岩体的RQD指标的分值；：结构面状况的分值，如粗糙度、风化度、连续性、充填情况、开度等；：结构面间距的分值；：地下水条件的分值，如水压、水量、贯通性等；：结构面方位的分值。RMR分值高的，岩体质量好，反之亦然。具体打分值见表115117。其中RQD称为岩石质量指标（Rock Quality Designation），是由Deere1964年提出的。是指钻孔（5.4cm）取出的岩芯长10cm的岩芯；L是钻孔总长度。Priest & Hudson 1976年给出了RQD的估算式。where:， 是结构面的平均间距。称为结构面的平均发生率。第三章

41、 原岩应力及其量测3.1 地球及其构造的一般概念 地球的绝对年龄估计在5055亿年。在4547亿年以前开始形成地壳，就是说地球诞生在47亿年以前。整个太阳系也是在不到50亿年前由尘埃和大气形成。我们目前所熟知的地球，具有适于人类生存的大气和丰富的资源，这颗行星的内部仍在活动。这点已由地震、火山、张开和闭合的大洋及漂移开来的大陆所证实。莫霍面（弹性纵波波速从地壳的67km/s迅速增加到8km/s）郭里采层（导电率和地震波速迅速增加的分界层）地壳上地幔下地幔外地核内地核0km400km1000km3000km5000km6000km地球内部结构示意图 根据对深部地带进行地震研究而得到的现代概念，地

42、球可分为地壳、上地幔、下地幔、外地核和内地核。地壳的平均厚度为32km，而且在大陆上的变化范围是2070km，在海洋中其变化为515km。地壳是以莫霍面为分界面，是1909年由南斯拉夫的莫霍洛维奇契首先发现了M面。在该面以下，弹性纵波的速度突然增长，达到8km/s，而在地壳中通常是67km/s（最大值为7.4km/s）。上部地幔物质密度：3337kN/m3；地壳物质密度：2730kN/m3。 在地壳范围内，可按地震波特征分为三个主要分层： 沉积岩假定的花岗岩层玄武岩层岩弹性纵波速度2.05.0km/s，厚度1015km5.56.0km/s，最大厚度3040km6.57.4km/s，其厚度为10

43、20km康拉德面它是两个分层之间弹性波速度变化的地震分界面 现在，采矿工作主要是在小于10001800m的深度内进行。在欧洲，有些矿井的开采深度约达2000m；在南非及印度，个别金属矿井的开采深度已超过30003500m。开采石油和天然气的深度达到60007000m。最深的构造钻孔和勘探钻孔已超过12000m，并开始实现钻孔深度达15000m的计划。上述数字提供了有关地球开发深度的概念及其人类当今已经直接达到和可能近期达到的深度。显然这些深度属于地壳上部的范围内，其厚度与地球直径相比微不足道。然而浅部地壳的组成结构及其应力状态是矿山岩石力学和矿压理论关注的重点问题之一。3.2 原岩应力 天然状

44、态下地壳中存在地应力，通常在地学中称之为地应力。其主要包括由岩体重量引起的自重应力和地质构造作用引起的构造应力等。地应力这个概念是由瑞士地质学者Haim在19051912年间首次提出来的。地应力是在历史地质作用下发展变化而形成的。它与岩体自重、构造、运动、地下水及温差等有关，同时又是随时间、空间变化的应力场。但在工程年代，应力场受这种地质作用时间的影响可以忽略。在采矿工程中，把这种未受采掘扰动影响的岩体原始应力，又称为原岩应力。 在井巷和采场等地下工程结构稳定性分析中，原岩应力是一种初始的应力边界条件，同时原岩应力是引起地下工程结构变形和破坏的力源。采矿工程中，地下采掘空间对周围岩体内的原岩应

45、力场产生扰动，使得原岩应力重新分布，并且在井巷和采场的围岩中产生几倍于原岩应力的高值应力（所谓的二次应力）。围岩随之变形，随着时间的延长，围岩变形继续扩大，甚至引起围岩破坏或支护物破坏，这就是我们常说的矿山压力显现。由此可见，矿山压力的来源与原岩应力密切相关，围岩稳定性显然是以原岩应力场为前提条件的。在计算任何人工开挖的岩体周围的应力分布以前，必须测量或估算开挖前的应力状态。3.2.1 地壳浅部原岩应力实测结果 地壳内部的原岩应力场是一个颇为复杂的问题，人们获得原岩应力状态的途径，主要是通过现场实测来实现。虽然各个国家和地区对原岩应力测量做了大量工作。但是关于完整应力状态的资料却获得很少，且测

46、量深度也都在3000m之内，故属地壳浅部。（1）原岩应力随深度变化1953年瑞典H.Hast在斯堪的纳维亚半岛首先进行了原岩应力实测工作。此后，欧、美、澳大利亚和我国都先后开展了大规模原岩应力实测工作。E.T.Brown和E.Hoek（1978）研究了遍及世界不同地区的原岩应力测量，并进行了汇总。在进行资料选择时，对于那些特别反常的地质条件（如近期仍出现构造活动的地区）的实测结果均略去，只选用了可靠的结果。见下图。 上图是铅直应力与深度变化的关系。统计结果表明，铅直应力与深度的关系为： 这是一个重要的铅垂应力估算公式。 值得注意的是上式的比例系数与地壳浅部岩石的容重相吻合，通常。即实测结果说明

47、，铅直应力与上覆岩层的重力相一致。 下图是平均水平应力与铅垂应力之比K，随埋藏深度Z的变化关系。通过分析发现K值通常取值为： 深度小于500米时，水平应力明显大于垂直应力；当深度1000米，水平应力与垂直应力趋于相等，处于静水压力状态。这是因为三个主应力差值很大时，岩石不可能承受很高应力，否则必然发生破坏，达到新的平衡。3.2.2 原岩应力中各应力分量之间的比较（1）平均水平应力与垂直应力的比较。从上面两个图的统计结果看，一般情况下，相当于上覆岩层的自重，而水平应力的波动范围就比较大。且一般大于铅垂应力，其产生原因。一般归结为地壳的构造运动。据国内外实测资料统计，平均水平应力与的比值大部分在0

48、.81.5之间。见下表统计结果。平均水平应力与铅垂应力的比较表国家名称0.80.81.21.2中国1240282.09澳大利亚022782.95加拿大001002.56美国1841413.29挪威1717665.56瑞典001004.99南非4124352.50前苏联5129204.30其它地区37.537.5251.96（2）水平应力与间的比较地壳内水平应力中的两个主应力与在数值上一般不相等，这一统计结果反映出了水平应力具有较强的方向性，见下表。水平应力比较实测地区统计数目1.00.750.750.50.50.250.250(%)斯堪的纳维亚等地北美中国日本51222353514.022.0

49、14.331.067.046.045.748.013.023.025.715.06.09.014.36.0统计值34321.32551.67519.1758.825（3）铅垂应力与自重应力之间的比较 岩体上覆岩层的重量是形成岩体初始应力的基本因素之一。一般认为岩体的铅垂应力大体上相当于上覆岩层的重力，但并非所有实测结果都如此，从我国的实测结果表明，铅垂应力与单位面积上的上覆岩层重力的比例在0.4319.8之间变化，如果考虑到成果的分散性，以作为大体上相等的情况，则仅占8.7%，而的占21.7%，的占69.6%。这些资料说明，多数的。即铅垂应力多数情况下大于上覆岩体的重量。这种现象只能解释为某种

50、力场作用的结果。而这种力场不是完全由上覆岩层自重所引起的。3.2.3 自重应力 自重应力由于岩石自重引起的应力称为自重应力。（1）Haim法则（1878年，译为海姆）zy 瑞士地质学家Haim在观察了大型越岭隧道围岩工作状态之后，认为原岩体铅垂应力为上覆岩体自重。在漫长的地质年代中，由于岩体不能承受较大的差值应力和与时间有关的变形的影响，使得水平应力与铅垂应力趋于均衡的静水压力状态。i.e: x由于静水压力下无剪应力，所以任意方向都是主应力方向。（2）金尼克解（苏·A·H·Duhhuk，1925） 金尼克认为地下岩体为线弹性体，其铅垂应力等于上覆岩体自重：。在水平

51、方向，岩层内的侧向应力与相等，且水平方向的应变为零：由广义虎克定律：则可解出：令 侧向压力系数则有：一般岩石的泊松比。当时，则金尼克公式与Haim法则一致。3.2.4 构造应力 构造应力是由于地质构造作用引起的应力。地质构造运动（含地震）归根到底是一个岩层变形与破坏的力学过程，与之对应的应力场叫构造应力场。 在构造应力场研究中，我们只能知道构造运动结果（例如地表或基岩的变形和破裂情况：地震得震源和震级等），而要寻找的是造成这些结果的力源，这是一个反序的问题。在构造力场求解中，通常无法知道初始应力状态，不易弄清楚深部构造的情况和深部地质体的力学性能。只能进行模拟或假想研究。下面是VeningMe

52、inez构造应力场力学模型。 VeningMeinez模型 为了分析地壳上部任何一点应力的作用方式，VeningMeinez采用了一种简便方法。在地球中，采用球体坐标，从地壳上层取一单元体，以地心为原点，设所取的单元体的六个面均为主平面。由沿方向的力平衡条件：dRAABBCCDDABBABBDD ，1， ， 代入平衡方程式 略去高阶无穷小量： 注：ABCD是地球的水平面。上式说明，平行于水平面的各个应力分量总和的绝对值与垂直方向应力分量绝对值之比，等于地球半径与受应力作用岩层的深度d之比。如若受构造应力作用影响的地壳深度为2km的话，地球半径以6000km计算，则垂直应力分量约占水平应力分量总和的1/3000。若受构造应力影响的地壳深度为10km，则，从此可以看出：水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。3.2.5 影响原岩应力状态的因素（1）地形和地质条件对自重应力的影响zzzzz 地形的起伏影响山体的自重应力分布，山体内沿着水平面上自重应力的分布状况和地表形状完全相似。试验和计算结果表明，岩层的初始应力方向多数微倾斜于山顶方向，并且在数值上比按最大覆盖层厚度（山顶到水平面间距离）计算的自重应力要小得多。z 地质构造对自重应力的分布也有影响