矿山岩石力学教案.doc
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安徽理工大学
矿山岩石力学
教案
编写:
杨科
能源与安全学院采矿工程系
二OO七年十一月
安徽理工大学
学期授课计划
教师姓名高明中、杨科、赵光明2007/2008学年第二学期
课程名称矿山岩石力学系别能源与安全学院专业及班级采矿05-1/2/3/4
周数8
讲课32学时
习题课学时
实验6学时
总计38学时
月
份
周
次
章节和内容摘要
讲课时数
习题时数
实验时数
课外作业及测验题目
备注
11
10~
11
一、岩石的物理力学性质
岩石的物理性质;岩石的力学性质;岩石的扩容;岩石的流变性质;岩石的各向异性;岩石的强度理论。
6
6
P60
3、4、5、9
P83
1、2、5、8
P104~105
3、5、9、13
P130
3、5、10、14、18
P152
1、4、8、11、12
P183
2、3、6、7、8
P206
2、3、4、5、6
11
11~
12
二、结构面的力学性质
结构面的类型及特征;结构面的变形特征;结构面的抗剪强度;结构面的力学效应。
3
11
12~
13
三、岩体的力学性质及分类
岩体的强度;岩体的变形;岩体的分类。
4
11~
12
13~
14
四、原岩应力及测量
自重应力;构造应力;原岩应力变化规律;影响原岩应力分布的因素;原岩应力的测量。
5
12
14~
16
五、巷道围岩应力分布及稳定性分析
巷道围岩弹性区的次生应力;巷道围岩塑性区次生应力;巷道围岩位移。
8
12
16~
17
六、井巷地压
地压的概念;变形地压计算;水平巷道松动地压计算。
4
12
17
七、井巷维护原则与锚喷支护
井巷维护原则;锚喷支护原理。
2
教学参考书籍
1.矿山岩体力学(主要教材)高延法,张庆松主编.徐州:
中国矿业大学出版社,2000
2.矿山岩石力学(主要教材、作业)李通林等编著重庆大学出版社1991年1月第1版
3.岩石力学基础耶格、库克高教出版社
4.矿山岩体力学郑永学编著冶金工业出版社1988年10月第1版
5.岩体力学,王文星编著中南大学出版社2004年10月第1版
6.岩石力学与工程蔡美峰主编科学出版社2004年8月第1版
7.岩体力学沈明荣主编同济大学出版社1999年3月第1版
8.矿山岩体力学高磊等编著冶金工业出版社1979年7月第1版
9.矿山岩石力学华安增编著煤炭工业出版社1980年5月第1版
一、课程的性质和目的
《矿山岩石力学》是高等学校采矿工程专业本科学生的一门必修的专业技术基础课程,它是应用必要的力学知识研究岩体的力学特性以及工程岩体的变形和稳定性问题,其基本知识、基本理论和基本技术是从事岩石工程施工、设计和研究的工程技术人员所必修掌握的。
通过本课程的学习,应使学生熟练掌握岩石的基本物理力学性质、岩石的强度理论;掌握结构面的力学特性、岩体的力学性质、地下工程围岩应力分布规律、矿井、隧道地压和位移的计算以及稳定性分析、岩体力学试验方法等基本知识;了解冲击地压、岩体的各向异性等概念、了解原岩应力测定方法和设备;具有解决岩体工程(包括地下工程、岩质边坡工程、地基工程)实践问题的基本技能,并了解岩石力学学科发展的当前动态。
二、本课程的教学重点
1、理解岩石和岩体是不可分割的,又是有区别的,岩体是岩石和结构面的地质统一体,处于不同岩石类型和不同地质结构的工程岩体的力学特性也是不相同的。
2、掌握岩石的基本物理力学性质及其测试方法,岩体力学特性及其测定方法。
3、掌握岩石的强度理论,正确分析岩石的变形和破坏机理,正确运用强度理论进行工程岩体稳定性分析。
4、地下岩体与其它固体介质的重要区别之一就是在岩体中存在初始应力(原岩应力),岩体工程是在初始应力场中开挖和建造,要进行可靠的设计和稳定性分析,必须首先测定原岩应力。
因此,应掌握原岩应力分布状态及测试手段。
5、岩体结构构造特征对岩体力学效应和岩体工程稳定性的影响是非常重要的影响因素。
在不同的岩体结构和构造条件下,其力学分析方法有所不同。
因此,应掌握结构面的力学效应、正确进行岩体结构分类和岩体工程分类。
6、掌握地下工程围岩应力分布规律,矿井、采场地压和位移的计算以及稳定性分析方法。
三、本课程教学中应注意的问题
《岩石力学》是一门理论性和应用性较强的专业技术基础课程,为帮助学生掌握好课堂教学内容、训练他们对岩石力学问题的思维方式、计算分析和解决岩石力学中的一些实际问题的能力,在教学活动过程中,应重视让学生课后完成一定的作业量,并阅读一定量的文献,培养学生自主学习的能力。
四、本课程的教学目的
通过本课程的所有教学环节,应使学生:
1、掌握获取岩石的基本物理性质和力学性质以及工程岩体的力学性质的知识和能力,具有正确分析岩石的变形和破坏机理的能力。
2、具有利用岩石力学知识建立岩体工程问题的力学模型,分析和解决岩体工程实际问题的能力。
五、教学方法
主要是课堂讲授与实验室试验相结合的方法。
六、成绩评定
平时作业和课堂表现(迟到、早退、缺课、上课状态)占总成绩的20%,实验占20%,期末考试占60%,考试方式为闭卷考试。
七、先修课程
《工程力学》、《弹性力学》。
八、课程的内容、要求和课时安排
第一章绪论
1学时
本章的重点:
1、岩石与岩体的界定;
2、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;结构体;岩体;力学特性;岩体工程;稳定性。
要求:
1、必须掌握本课程重点难点内容;
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。
课程内容:
§1-1岩石和岩体
岩石力学(RockMechanics):
研究岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏规律的学科。
岩石:
由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。
矿物:
存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。
构造:
组成成分的空间分布及其相互间排列关系。
结构:
组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。
这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。
岩石分类:
岩浆岩:
强度高、均质性好:
花岗岩、玄武岩等。
沉积岩:
强度不稳定,各向异性:
灰岩、砂岩、页岩等。
变质岩:
不稳定与变质程度和原岩性质有关:
大理岩、片麻岩、板岩等。
1---节理;2---层理;3---断层;4---断层破碎带
(a)整体结构;(b)块状结构;(c)层状结构;(d)薄层状结构;(e)镶嵌结构;(f)层状破坏结构;
(g)破裂结构;(h)散粒结构
§1-2岩体力学的研究对象
岩体力学研究的主要对象是岩体,研究岩体在力场作用下,所发生的运动、变形、破坏规律的理论及其实际应用的科学,是一门应用型基础学科。
矿山岩石力学:
在自然和采动影响造成的矿山应力场中,有关矿山岩体、矿山工程对象和结构物强度、稳定性和变形的科学。
岩石、岩体、岩体工程(岩基、边坡、地下坑硐)
•岩体的地质特征
•岩块、结构面的力学性质
•岩体的力学性质
•岩体中天然应力
•岩体中重分布应力
•地下硐室围岩稳定性计算与评价
•工程处理与加固
§1-3岩体的特征
岩体=岩块+结构面
※岩体是非均质各向异性的材料。
※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,构造应力场通常是以水平应力为主。
※岩体内存在着一个裂隙系统。
岩体既是断裂的又是连续的,岩体是断裂与连续的统一体,可称之为裂隙介质或准连续介质。
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,而是一种特殊的复杂的地质体,这就造成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问题。
§1-4岩体力学的产生及其发展
四阶段:
初始、经验理论、经典理论、近代发展
发展史:
•1951年,在奥地利创建了地质力学研究组,并形成了独具一格的奥地利学派。
同年,国际大坝会议设立了岩石力学分会。
•1956年,美国召开了第一次岩石力学讨论会。
•1957年,第一本《岩石力学》专著出版。
•1959年,法国马尔帕塞坝溃决,引起岩体力学工作者的关注和研究。
•1962年,成立国际岩石力学学会(ISRM)。
•1966年,第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。
§1-5岩体力学需要解决以下基础理论问题
岩体力学发展动态:
•岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学机理问题
•裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题
•岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题
•软岩的力学特性及其岩体力学问题
•水-岩-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
•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
•岩体流变与长期强度问题
•岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。
§1-6岩体力学的研究方法
•工程地质研究法研究岩块和岩体的地质与结构特征,为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。
•试验法为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。
•数学力学分析法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,为设计和施工提供定量依据。
•综合分析法采用多种方法考虑各种因素(包括工程的、地质的及施工的等)进行综合分析和综合评价,得出符合实际情况的正确结论。
§1-7岩体力学与其他学科的关系
采矿特点:
1、采矿工程结构多处于地下较深处,而其它地下工程多在距地表较近(几十米)的范围内;
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;
3、矿山地质条件复杂,又受矿床赋存条件的限制,因此,采矿工程结构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。
关系:
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。
人们运用这些理论使岩体力学得到发展。
2、岩体工程的围岩赋存在一定的地质环境之中。
因此,岩体力学与工程地质学、构造地质学和地质力学有着十分密切的联系。
3、岩体力学是为解决岩体工程中的力学问题服务的,这些工程学科包括:
采矿和其它地下空间工程、交通工程、水电工程和基础工程等。
因此,岩体力学是各种岩体工程学科的专业理论基础。
分类:
工程岩体力学——为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学,重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。
构造岩体力学——为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学,重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理,为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。
破碎岩石力学——为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学,主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。
需求:
城市化:
我国1989年不到20%,2000年为35.7%,2010达45%,为减少占用地面土地,发展地下空间。
人口密度:
拥人极限2万/km2,而上海达4万/km2(局部16万/km2),北京达2.7万/km2。
绿化指标:
1990年全国城市绿化面积3.9人/m2,上海0.9人/m2(国家要求2人/m2)。
联合国建议:
40人/m2(莫斯科44人/m2;伦敦22.8人/m2;巴黎25人/m2)。
交通方面:
北京道路面积4.4人/m2;东京11.3人/m2;伦敦21.3人/m2。
第二章岩石的物理力学性质-5学时
本章的重点:
1、岩石的基本物理性质;
2、岩石的单轴压缩变形特性,应力-应变全过程曲线的工程意义;
3、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验室测定方法;
4、岩石在三轴压缩条件下的力学特性;
5、莫尔强度理论、格里菲斯断裂强度理论及判据;
6、岩体强度的各向异性;
7、岩石的流变性。
难点:
1、岩石的流变性。
关键术语:
密度;重度;岩石的孔隙性;孔隙率;孔隙比;岩石的水理性;吸水率;饱水率;饱水系数;岩石的透水性;渗透系数;岩石的碎胀性;碎胀系数;岩石的软化性;软化系数;岩石的流变性;蠕变;松弛;弹性后效;扩容;岩石的强度;抗压强度;抗拉强度;抗剪强度;峰值强度;长期强度;残余强度;岩石的变形;全应力-应变曲线;刚性压力机;强度理论。
要求:
1、须掌握本课程重点难点内容;
2、了解岩石的扩容;
3、了解影响岩石力学性质的因素;
4、理解岩石流变本构模型。
课程内容:
§2-1岩石的基本物理性质
§2-2岩石的力学性质
§2-3岩石的扩容
§2-4岩石的流变性(时效性、粘性)
§2-5岩石的各向异性
§2-6影响岩石力学性质的因素
§2-7岩石的强度理论
作业:
P60:
3、4、5、6、9、10、13、14、19、20、21、22
§2-1岩石的基本物理性质
重力特性(天然密度、饱和密度、干密度、视密度、比重)、空隙性(空隙率、空隙比)、水理性(含水量、含水率、渗透性、渗透率)、抗风化指标(软化系数、耐崩解性指数、碎胀系数)。
§2-2岩石的力学性质(强度、变形特性)
2.2.1强度特性
(1)屈服:
岩石受荷载作用后,随着荷载的增大,由弹性状态过渡到塑性状态,这种过渡称为屈服。
(2)破坏:
把材料进入无限塑性增大时称为破坏。
(3)岩石的强度:
是指岩石抵抗破坏的能力。
岩石在外力作用下,当应力达到某一极限值时便发生破坏,这个极限值就是岩石的强度。
抗压强度、抗拉强度、抗剪强度(;τ=c+σtgφ)、三轴抗压强度
围压效应confiningpressureeffect
•假三轴σ1>σ2=σ3•真三轴σ1>σ2>σ3
随着围压提高:
(1)弹性阶段斜率变化不大,即E,μ与单轴压缩时近似相等;
(2)脆性与塑性的相应变化;(3)强度极限提高,随之变形增大(如大围压作用下岩石发生大变形后才破坏)(4)残余强度提高,随之增大(如锚喷支护,控制煤柱稳定性)
破坏机理:
拉破坏、剪切破坏、塑性流动破坏
破坏形式:
脆性破坏、塑性破坏
破坏形态:
岩石的强度性质:
1、内在因素:
如岩石矿物成分,结构与构造,水与温度T,T增加R下降
2、外在条件
(1)受力状态
三向等压>三向不等压>双向受压>单向受压>剪切>抗弯>抗拉(一般认为1/10)
(2)比尺效应
H/D=2(标准)R(H/D=2)
(3)加载速度
一般0.49~0.98Mpa/秒,加载时间5~10分钟,特快,R增加,瞬时强度,特慢,R↓接近于长时强度
3、外在因素:
加载速度、受力条件、风化
2.2.2岩石的变形特性
弹性:
指物体在外力作用下发生变形,当外力撤出后变形能够恢复的性质。
塑性:
指物体在外力作用下发生变形,当外力撤出后变形不能恢复的性质。
脆性:
物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质应力超出屈服应力后,并不表现出明显的塑性变形的特性而破坏,即为脆性破坏。
延性:
物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。
粘性(流变性):
物体受力后变形不能在瞬间完成,且应变速度(dε/dt)随应力大小而变化的性质。
1岩石应力-应变曲线(σ~ε)
(1)五阶段特征
OA—压密阶段
AB—弹性变形阶段σe——弹性极限elasticlimit
BC—弹塑性过渡(屈服)阶段σc--屈服极限yieldlimit
CD—塑性变形阶段裂隙发展阶段(破坏阶段)Rc——强度极限ultimatestrength
DE—破环后阶段σd——残余强度residualstrength(由碎块之间摩擦力而产生)
分四阶段
1)原生微裂隙压密阶段(OA段)
特点:
①曲线,应变率随应力增加而减小;②塑性变形(变形不可恢复)
原因:
微裂隙闭合(压密)
2)弹性变形阶段(AB段)
特点:
①曲线是直线;②弹性模量,E为常数(变形可恢复)
原因:
岩石固体部分变形,B点开始屈服,B点对应的应力为屈服极限。
3)塑性变形阶段(BC)
特点:
①曲线,软化现象;②塑性变形,变形不可恢复;③应变速率不断增大。
原因:
新裂纹产生,原生裂隙扩展。
岩石越硬,BC段越短,脆性性质越显著。
脆性:
应力超出屈服应力后,并不表现出明显的塑性变形的特性而破坏,即为脆性破坏。
4)应变软化阶段(CD)
特点:
①岩石的原生和新生裂隙贯穿,到达E点,靠碎块间的摩擦力承载,故σd称为残余应力。
②承载力随着应变增加而减少,有明显的软化现象。
③近似对称性
④B点后卸载有残余应变,重复加载沿另一曲线上升形成滞环(hysteresis),加载曲线不过原卸载点,但邻近和原曲线光滑衔接。
⑤C点后有残余应变,重复加载滞环变大,反复加卸载随着变形的增加,塑性滞环的斜率降低,总的趋势不变。
⑥C点后,可能会出现压应力下的体积增大现象,称此为扩容(dilatancy)现象。
一般岩的=0.15-0.35,当>0.5时,就是扩容.
工程意义
岩石具有残余强度特性,对于合理利用围岩自承能力具有重要意义;能量
(2)刚性压力机与全应力-应变曲线及破坏后的性态
(3)真三轴试验条件下的变形特性
(a)σ3=常数,极限应力σ1随σ2增大而增大,但破坏前的塑性变形量却减小;破坏形式从延性向脆性变化;
(b)σ2=常数,极限应力σ1随σ3增大而增大,破坏前的塑性变形量增大,但屈服极限未变。
破坏形式从脆性向延性变化。
2、岩石变形指标
弹性模量elasticmodulus(线弹性类、非线弹性类-初始模量、割线模量、切线模量、工程模量):
初始模量反映了岩石中微裂隙的多少;切线模量反映了岩石的弹性变形特征;割线模量反映了岩石的总体变形特征。
具有粘性的弹性岩石:
加载弹模、卸载弹模
弹塑性类:
E=σ/εe或是`E=σ/(εe+εr)
变形模量deformationmodulus
E=σ/(εp+εe+εr)-弹性模量和塑性模量
泊松比Poisson'sratio:
岩石在单轴压缩条件下横向应变与纵向应变之比。
μ=-εx/εy一般0.1-0.4通常0.25-0.3
岩石的横向变形lateralstrain
μ=-ε3/ε1
严格地,μ仅在弹性范围适用,而对于塑性部分是不适用的。
μ越大,各向异性Anisotropy越明显
§2-3岩石的扩容
一、岩石的扩容现象
岩石的扩容现象是岩石具有的一种普遍性质,是岩石在荷载作用下,其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。
扩容----所谓扩容,是指岩石受外力作用后,发生非弹性的体积膨胀。
多数岩石在破坏前都要产生扩容,扩容的快慢和大小与岩石本身的性质、种类及其它因素有关。
二、岩石的体积应变
体积应变——单位体积的改变,称为体积应变,简称体应变。
取一微小矩形岩石试件,边长为dx,dy,dz,
变形前的体积为:
v=dxdydz;
变形后的体积为:
v’=(dx+εxdx)(dy+εydy)(dz+εzdz)
胡克定律:
体积应力
为体积模量
三、岩石的体积应变曲线
在E、μ为常数的情况下,岩石的体积应变曲线可分为三个阶段:
1、体积变形阶段(OE):
弹性变形阶段,曲线呈线性变化。
在E点后,曲线向左弯曲,开始偏离直线段,开始出现扩容,表示岩体内部开始产生微裂隙。
E点应力称为初始扩容应力。
2、体积不变阶段(EF)
随应力增加,岩石体积虽有变形,但体积应变增量近于0,体积大小几乎无变化,且有
F点为突变点。
3、扩容阶段(FG):
随应力增加,岩石体积不是减小而是增大,最终导致试件破坏。
此时,μ已不是常数。
岩石的体积变化volumetricdeformation
(1)弹性阶段ev<0(体积缩小);
(2)塑性阶段ev>0(体积扩容或增胀);(3)转折点在1/2RC处
注:
特别地,理想塑性条件下μ=0.25,ev=0,即体积不变化;μ=0.5,扩容
§2-4岩石的流变性(时效性、粘性)
一、流变的概念
岩石的流变性是指岩石应力应变关系随时间而变化的性质。
蠕变现象——当应力保持恒定时,应变随时间增长而增大。
松弛现象——当应变保持恒定时,应力随时间增长而逐渐减小的现象。
弹性后效——加载或卸载时,弹性应变滞后于应力的现象。
岩石的流变性质分为:
(1)蠕变creep:
应力不变条件下,应变随时间延长而增加的现象。
它与塑性变形不同,塑性变形通常任应力超过弹性极限之后才出现,而蠕变只要应力的作用时间相当长,它在应力小于弹性极限时也能出现。
(2)松弛Relaxation:
应变一定时,应力随时间延长而减小的现象。
(3)弹性后效elasticaftereffect:
加载(或卸载)后经过一段时间应变才增加(或减小)到定数值的现象。
(4)粘性流动viscousflow:
岩石在蠕变发生一段时间以后卸载,部分变形永久不能恢复的现象。
二、岩石的蠕变性能
蠕变类型:
类型1:
稳定蠕变。
曲线包含瞬时弹性变形、瞬态蠕变和稳定蠕变3个阶段(压应力10MPa,12.5MPa)
类型2:
典型蠕变。
曲线包含4个阶段(压应力15MPa,18.1MPa)
类型3:
加速蠕变。
曲线几乎无稳定蠕变阶段,应变率很高(压应力20.5MPa,25MPa)
(1)稳定蠕变:
岩石在较小的恒定力作用下,变形随时间增加到一定程度后就趋于稳定,不再随时间增加而变化,应变保持为一个常数。
稳定蠕变一般不会导致岩体整体失稳。
(2)非稳定蠕变:
岩石承受的恒定荷载较大,当岩石应力超过某一临界值时,变形随时间增加而增大,其变形速率逐渐增大,最终导致岩体整体失稳破坏。
(3)岩石的长期强度:
岩石的蠕变形式取决于岩石应力大小,当应力小于某一临界值时,岩石产生稳定蠕变;当应力大于该值时,岩石产生非稳定蠕变。
则将该临界应力称为岩石的长期强度。
蠕变稳定与否关键取决于临界荷载值;长期强度的概念
三、岩石蠕变理论
岩石的流变本构模型:
用于描述岩石应力-应变关系随时间变化的规律。
它是通过试验-理论-应用证实而得到的。
本构模型分类:
1、经验公式模型:
根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达式,这种表达式通常采用幂函数、指数函数、对数函数的形式表达。
2、积分模型:
是在考虑施加的应力不是一个常数时的更一般的情况下,采用积分的形式表示应力-应变-时间关系的
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- 矿山 岩石 力学 教案