2012岩石力学采矿综合整理终稿

岩石力学1、 岩石强度变形曲线（P12-17）岩石在载荷作用下发生变形，随着荷载的增加，或在恒定荷载作用下，随时间其变形将逐渐增大，最终导致岩石破坏岩石的变形特性是岩石的重要力学性质。一般可通过岩石变形试验研究岩石的变形特性。材料的变形特征与应力状态作用时间等因素有关，因而在不同的应力状态下，同一材料可表现为不同的变形特征。载应力大小不同而岩石单向压缩条件下，试件受载直至破坏要经历五个阶段：载应力大小不同而1） 微裂隙压密阶段；OA2） 弹性变形阶段；AB3） 裂隙发生和扩展阶段；BC4） 裂隙不稳定发展直到破坏阶段；CD5） 破坏后阶段DE。岩石在循环荷载条件下的应力-应变关系，随加、卸载方法和荷最大荷载高。如果卸形面积，形成塑性回不同。循环加载的方式可分为两种：逐次循环加载和反复循环加载。最大荷载高。如果卸形面积，形成塑性回在逐次循环加载条件下，每次加载的最大荷载比前一次循环的载点P超过屈服点，则每次加载、卸载曲线都不重合，且围成一环滞环。随循环次数增加，塑性回滞环有所扩大，卸载曲线的斜率逐次略有增加，表明卸载应力下的岩石材料的弹性有所增强。此外其应力-应变曲线的外包线与连续加载条件下的曲线基本一致，说明加、卸载过程并未改变岩石变形的基本习性，这种现象也称为岩石记忆。在反复循环加载条件下，每次施加的最大荷载与第一次循环的最大荷载一样。当循环应力峰值在弹性极限以上某一较高值下反复加载、卸载时，卸载后的再加载曲线随反复加、卸载次数的增加而逐渐变陡，回滞环的面积变小，岩石越来越接近弹性变形。残余变形逐渐增加，岩石的总变形等于各次循环产生的残余变形之和，即累积变形。岩石的破坏产生在反复加、卸载曲线与应力-应变全过程曲线交点处。这时的循环加、卸载试验所给定的应力，称为疲劳强度。工程岩体一般处在三向应力状态下，因此岩石在三轴压缩条件下的变形与破坏规律对实际工程更具指导意义。三轴试验可分为常规三轴试验和真三轴试验。常规三轴试验的应力状态为J＞勺=5＞°，即岩石受轴压和围压作用。真三轴试验的应力状态为5＞勺＞。3＞°，即岩石试件在三个彼此正交方向上受到不相等的压力。在常规三轴压缩条件下，破坏前岩石的应变随围压增大而增加；另外，随围压增大，岩石的塑性也不断增大，且由脆性逐渐转化为延性。在真三轴条件下，当O3为一固定值时，岩石的力学性质受到中间主应力勺的影响，当勺增大时，岩石脆性加强延性减弱。若保持中间主应力勺为一常数，可知随着最小主应力o3的加大，大理石有脆性逐渐过渡到延性，但其屈服应力仍保持不变。2、 岩体工程质量分类1）普氏分类法以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固系数f将岩石分为十级。F值越大，岩体越稳定。色20为一级，最坚固；亡0.3为第十级，最软弱。普氏坚固系数f为f=£c式中：oc为岩石单轴抗压强度，MPa。10c2） 按岩石质量指标（RQD）分类根据钻探时岩心完好程度来判断岩体的质量，对岩体分类。岩石质量指标RQD是指本回次钻孔取芯不小于10cm岩心的总长与进尺之比：RQD=4式中：h是所取岩心中大于10cm的岩心段的长度；L是本回次取芯钻孔进尺。Li3） 地质力学分类（RMR分级系统）宾尼奥夫斯基1976年提出的分类指标RMR（RockMassRatingSystem），由以下6种指标组成：（1）岩块强度（R1）；（2）RQD值（R2）；（3）节理间距（R3）；（4）节理条件（R4）；（5）地下水（R5）；（6）节理方位对工程的影响的修正参数（R6）。4） 巴顿等人的Q值岩体质量分类法挪威岩土工程研究所的巴顿等人根据对已建的200座地下隧道稳定性的资料分析，提出了Q值岩体质量分类法。这种分类方法综合了RQD、节理组数、节理面粗糙度、节理面蚀变程度、裂隙水及地应力的影响等6个方面的因素。5） 我国的《工程岩体分级标准》认为岩石的坚固程度和岩体完整程度决定岩体的基本质量。岩体质量好，则稳定性好，反之稳定性差。3、 抗拉剪试验基本原理1） 岩石的单轴抗拉强度：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力。岩石抗拉强度强度的测试方法包括直接拉伸法和间接拉伸法。在间接拉伸法中，又有劈裂法、抗弯法及点荷载法。2） 岩石的单轴抗压强度，指岩石试件在无侧压条件下，受轴向压力作用至破坏时，单位横截面积上所承受的最大压应力。测定方法可采用规则的圆柱形、方柱形、立方体形试件或不规则试件测定。公式为：Oc=p式中Oc为岩石抗压强度，MPa；P为试件破坏时施加的最大荷载，N；A为试件横截面积，m2。cAc3）岩石的抗剪强度，指岩石在剪切荷载作用下抵抗剪切破坏的最大剪应力。按剪切试验方法不同，其所测定的抗剪强度含义也不同，可分为三种抗剪强度：（1） 抗剪断强度，指试件在一定的法向力作用下，沿着预定剪切剪断时的最大剪应力；（2） 抗切强度，指试件的法向应力为零时，沿着预定剪切面剪断时的最大剪切应力；（3） 摩擦强度，指试件在在一定的法向应力下，沿着已有破坏面再次剪切破坏时的最大剪应力。通常说的抗剪强度是指抗剪断强度。当前实验室测定岩石抗剪强度的方法有直剪试验、倾斜压模剪切法和三轴试验等。4、 三轴受压强度特征（p31）岩石的三轴抗压强度是指岩石在三轴压缩荷载作用下，试件破坏时所承受的最大轴向压应力。在一定围压下，岩石的三轴抗压强度a3c为o3c=PP试件破坏时的最大轴向荷载，N；A试件的初始横截面积，m2。3cA（1）常规三轴试验岩石处于三向应力状态下，其强度随着侧向压力增大而增大，其变形特征显现塑性变形的能力也增加。（2）真三轴试验是在20世纪60年代末期开始研究的。在真三轴条件下，当o3为一固定值时，岩石的力学性质受到中间主应力勺的影响，当勺增大时，岩石脆性加强延性减弱。若保持中间主应力勺为一常数，可知随着最小主应力勺的加大，大理石有脆性逐渐过渡到延性，但其屈服应力仍保持不变。岩石在不同应力状态下起强度不同，一般符合如下规律：三轴抗压强度＞双轴抗压强度＞单轴抗压强度＞抗剪强度＞抗弯强度＞抗拉强度。5、 岩体强度特征（p67）岩体是由结构体及结构面共同组成的复杂地质体，其力学性质受结构体和结构面力学性质，以及二者不同组合型式的影响与控制，一般情况下，岩体强度不等同于结构体或结构面的强度。岩体的抗剪强度包络线一般介于结构面强度包络线和岩体强度包络线之间，受加载方向与结构面间夹角a的控制，因此，表现出岩体强度的各向异性，包括以下几种情况：岩体中只有一组结构面：当受力角度al与结构面垂直，岩体强度与结构面无关，为岩石强度。当受力角度al与结构面平行，结构面的抗拉强度小，岩体将因结构面的横向扩展而破坏。当受力角度介于两者之间时，岩体将沿结构面破坏。岩体有多组结构面：岩体的强度图像将为给单组结构面岩体强度图像的叠加。吐过结构面分布均匀、且强度大体相同时，则岩体表现出各向同性的特征，但强度却大大削弱了。水对岩体的作用使得岩体软化、泥化、润滑、膨胀、崩解、溶蚀、水化和水解，使岩体的力学性质改变，强度弱化。1、 水对岩体的软化、泥化和崩解作用：几乎所有岩石在水的作用下都发生软化，其中泥岩、页岩等软岩的软化程度可能更为严重。地下水渗入不连续面，对不连续面两侧岩石或不连续面内填充物质具有软化、泥化和崩解作用，从而改变不连续面的抗剪特性。2、 静水压力作用：水的作用对岩体产生渗流应力减少了作用在岩体固相上的有效应力，从而降低了岩体的抗剪强度。3、 岩体和地下水之间的相互作用：水、岩相互耦合作用产生的力学作用效应，改变岩体的渗透性能，降低或增大岩体的渗透系数，由于岩体的渗透性能发生改变，反过来影响岩体中的应力分布，从而影响岩体的强度和变形性质。6、 岩体动载条件下的特征（p78-81）在岩体中，遇到的大多数问题与岩体的稳定性有关，一般假定外荷载和岩体结构处于静态或准静态，但有些情况下荷载具有明显的动载特征。区别岩体静力学和动力学的依据是岩体应变率大小。根据应变率的大小，可把岩体的变形分为五个等级：蠕变、静态、准静态、动态和超动态。惯性力不可忽略的状态属于属于岩体动力学研究范畴，低应变率的静态为岩体静力学范畴，而极低应变率的蠕变状态则是岩体流变力学的内容。静力学研究的对象并非处于静止状态，只是处于低应变率状态。应力波是应力在固体介质中的传播。由于固体介质变形性质不同，在固体中传播的应力波有一下几类：弹性波，在线弹性体的介质中传播的波；粘弹性波，在非线性弹性体中传播的波，这种波，除产生弹性应力外，还产生摩擦应力或粘滞应力；塑性波，应力超过介质弹性极限的波。在能够传播塑性波的介质中，应力在未超过弹性极限前，仍然是弹性的，但应力超过弹性极限后，出现屈服应力，其传播速度比弹性应力传播速度小的多；冲击波，如果固体介质的变形性质能使大扰动的传播速度远比小扰动的传播速度大，在介质中就会形成波头陡峭、以超声波传播的冲击波。岩体受扰动时在岩体中主要传播的是弹性波。即使在静荷载作用下表现为弹塑性的岩体，在爆破荷载作用下，因塑性减小，屈服极限提高，脆性增加，变形性质也接近于线弹性。弹性波和冲击波只有在振源处才能观察到，而且不是在所有岩体中都能产生这样的波。在岩体中传播的弹性波大致可分为两类：一类是在岩体内部传播的体波，另一类是沿着岩体表面传播的面波。而体波又可以分为两类：一类是质点振动方向与波传播方向一致，为纵波，它产生压缩或拉伸变形；另一类是质点振动方向与波传播方向垂直的波，为横波，它产生剪切变形。面波主要有瑞利波和勒夫波两种。瑞利波，其质点在沿波转播方向垂直平面内做椭圆运动，长轴垂直地面，它与纵波的辐射有关。勒夫波，其质点在水平面内垂直于波前进方向做水平振动。面波传播速度小于体波，其随着表面距离增加按指数规律减弱，但因为只有在表面扩展传播，在传播方向上的衰减要比体波慢，顾传播距离较大。弹性波的形式取决于质点的运动规律，质点做简谐运动形成正弦波。采矿综合1、露采转地采的技术问题由露天转地下开采时，主要的技术问题有：（1）合理确定境界顶柱；（2）最低工业品位的确定；（3）开拓工程的布置，两种开采方式的过渡与衔接；（4）通风与排水系统的设计（5）转入地下开采的生产能力问题；（6）设备选型的问题。2、 深井开采涉及到的主要难题及应对措施深井开采带有“四高一扰动”的特征，存在复杂的岩石力学环境。“四高”主要指高地应力、高地温、高水压、高提升能，“一扰动”指强烈的开采扰动。高应力诱发的岩爆与地压、产生冒顶等灾害，造成支护困难，严重威胁人员及设备的安全。高井温使作业面劳动条件严重恶化，工作效率大大降低，高水压使开采的突变事故表现为多发性和突发性。高提升能则恶化了提升、排水条件，加大了矿山成本等。采矿扰动使受采动影响的巷道围岩压力倍增，表现有岩爆冲击地压发生，给开采岩层控制带来难度。深井开采的定义：有专家以岩爆发生频率来界定；岩石应力达到某一高度值来界定；经验认同，深度＞800〜1000m。大批金属矿山浅部资源逐渐枯竭，深井开采已成为世界矿业的重要研究领域。在深井降温方面，国内外的工程实际做法是：1）改善矿井通风状况，一般情况下采用强制通风；2）控制热源散发，进风巷道避开各种热源干扰；3）合理选择通风方式，主要应用混合式通风方式；4）制冷设备降温，当矿井温度超过40°C，用通风方式能改善矿井环境条件时，则采用制冷设备降温。岩爆控制方面，其一是区域放置性措施：确定最佳回采顺序，优化采场结构，防治区域应力长期过载；先回采准备大规模开采矿段的上部，使回采矿段置于泄压带内，以降低矿段的区域应力；强制崩落空区顶板，降低岩体自然崩落引发的危害，通过注水，增加岩体塑性变形，避免应变能集中释放产生岩爆；进行空区充填，减少采场弹性变形，其二是局部解危措施：在高应力区打大孔，增加岩体塑性，降低局部岩体承压强度；采用松动岩爆，除工作面附近的应力极限岩体发生岩爆的危险；采用锚杆、喷锚网支护，预防和控制岩体剥落破坏等；另外，加强岩爆发生的机制研究；采取有效的地压与监测监控；加强井下支护等。极力进行采矿环境再造，实现废石不出坑，井下初选等措施，尽量减少提升量。加大回水循环利用，减少排水和供水需求。3、 天井（竖井）掘进的方法（采矿概论）对于稳定表土层，竖井表土施工一般采用普通施工法；而对于不稳定表土层，则可采用特殊施工法或普通与特殊相结合的综合施工方法。1） 普通施工法竖井表土普通施工主要可采用井圈背板普通施工法、吊挂井壁施工法和板桩法。（1） 井圈背板普通施工法井圈背板普通施工法就是采用人工或抓岩机（土硬时可放小炮）出土，下掘一小段（空帮距不超过1.2m），即用井圈、背板进行临时支护，掘进一长段（一般不超过30m）后，再由下向上拆除井圈、背板，然后砌筑永久井壁。如此周而复始，直至基岩。这种方法适用于较稳定的土层。（2） 吊挂井壁施工法吊挂井壁施工法是适用于稳定性较差的土层中的一种短段（段高一般0.5〜1.5m）掘砌施工方法。按土层条件，分别采用台阶式或分段小块，并配以超前小井降低水位。为防止井壁在混凝土尚未达到设计强度前失去自承能力，引起井壁拉裂或脱落，必须在井壁内设置钢筋，并与上段井壁吊挂。（3） 板桩法板桩法的实质是：对于厚度不大的不稳定表土层，在开挖前，可先用人工或打桩机在工作面或地面沿井筒荒径（未支护前的井筒施工直径）依次打入一圈板桩，形成一个四周封闭的圆筒，用以支承井壁，并在其保护下进行表土层掘进。2） 特殊施工法在不稳定土层中施工竖井井筒，必须采取特殊的施工方法，才能顺利掘进，如冻结法、钻井法、沉井法、注浆法和帷幕法等。目前以冻结法和钻井法为主。（1） 冻结法冻结法凿井就是在井筒掘进之前，在井筒周围钻凿冻结孔，用人工制冷的方法将井筒周围的不稳定表土层和风化岩层冻结成一个封闭的冻结圈，以防止水或流砂涌入井筒并抵抗地压，然后在冻结圈的保护下掘砌井筒。待掘砌到预定深度后，停止冻结，进行拔管和充填工作。（2） 钻井法钻井法凿井是利用钻井机将井筒全断面一次成井，或将井筒分次扩孔钻成。目前我国采用的多为转盘式钻井机。钻井法凿井主要工艺过程有井筒钻进、泥浆洗井护壁、下沉预制井壁和壁后注浆固井等。沉井法沉井法是属于超前支护类的一种特殊施工方法，其实质是在井筒设计位置上，预制好底部附有刃脚的一段井筒，在其掩护下，随着井内的掘进出土，井筒靠其自重克服其外壁与土层间的摩擦阻力和刃脚下部的正面阻力而不断下沉，在地面相应接长井壁，如此周而复始，直至沉到设计标高。4、采矿未来发展的趋势随着社会经济的不断发展，采矿技术日新月异，不断完善，经过我十多年的工作和学习，对采矿技术发展的趋势归纳出以下几点：一、采矿工艺朝着大结构参数、高爆破效率、高出矿强度、低采矿成本方向发展空场采矿法发展特点是大孔，深孔，空场，大采场和阶段出矿。直接使用大型装载运输设备，在采场底部出矿，从而大幅度地提高开采强度。该采矿方法的实质是将露天矿的台阶崩矿技术应用到地下开采中，实现了大量崩矿，机械化作业，大幅度地提高了采矿强度和工效，降低了出矿成本，实现了高效率，高效益采矿。无底柱分段崩落法是一种安全，高效的采矿方法。特别是采用大参数及其综合技术措施后，大幅度地减少了采准工程量，提高了采矿强度，降低了采矿成本，经济效益十分显著。增大采场结构参数，增加一次崩矿量，采用电动，全液压的大型无轨采矿设备，以达到减少采准工程量，提高全员劳动生产率和降低采矿成本的目的，是无底柱分段崩落法的未来发展方向。充填采矿法的回采工作应用了高效率的装采设备，充填工作实现了管路化。自动化，并广泛使用选厂尾砂作为充填料，矿石损失贫化小，作业安全。特别是对于围岩和地表需要保护，地压大，有自然火灾危险，矿体形态复杂的高品位或贵重金属矿床，充填采矿法的优越性更为突出，因此，充填采矿法的应用范围将会不断扩大。充填采矿法发展的特点是各工序实现机械化和设备大型化。充填工艺技术中，胶结充填技术发展较快，从分级尾砂胶结充填到全尾砂高浓度胶结充填，到不脱水，不收缩的全尾砂胶结充填三个发展阶段。在回采工艺方法上，从提高分层，分段高度直至发展大孔落矿，阶段全高嗣后充填技术有较大发展，改进采场结构参数，实现盘区机械化充填，充填系统实现了微机控制的半自动化，自动化，采用全尾砂胶结膏体泵送充填新工艺，从而使充填采矿法进入高效采矿的先列。二、采矿装备的大型化、自动化和智能化高效化，大型化，和自动化无轨设备是矿山设备的发展趋势。研制高效率大孔穿爆设备，中深孔全液压凿岩机具，井巷钻进机械，以及铲运机为主体的装运设备，振动出矿和连续采矿及与之配套的辅助机械等系列设备，要求尽可能实现无轨化，高效化和半自动化，自动化。采矿激光测位装置，实现微机控制的凿岩台车，可