礦山壓力與巖層控制

1、礦山壓力與巖層控制一、課程性質(zhì)及任務(wù)： 礦山壓力及其控制是煤礦開采技術(shù)專業(yè)的必修專業(yè)課。 任務(wù)： 應(yīng)力分布規(guī)律 1、掌握三個(gè)規(guī)律 巖層移動(dòng)規(guī)律 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 2、掌握二個(gè)原理 工作面支架與圍巖相互作用原理 巷道支架與圍巖相互作用原理 3、掌握一套方法 ： 礦壓控制方法二、課程學(xué)習(xí)基本要求： 了解各類圍巖事故產(chǎn)生的條件、原因和特點(diǎn)； 了解礦山壓力現(xiàn)場研究的基本方法； 初步具備解決、分析礦山壓力問題的能力； 能針對具體煤層和圍巖條件布置巷道和回采工作面； 能合理設(shè)計(jì)回采工作面、巷道的圍巖控制方式。第一章 礦山巖石和巖體的基本性質(zhì) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)中研究

2、最早、最完善的內(nèi)容之一。本章介紹：巖石的地質(zhì)構(gòu)成及分類； 巖石物理、力學(xué)性質(zhì)及測定； 巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論； 巖體及其力學(xué)特征。 第一節(jié) 巖石的基本物理性質(zhì) 一、巖石： 巖石：礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集形成的自然物體。 （巖石 = 礦物顆粒 + 膠結(jié)物 + 孔隙 + 水） 礦物：存在地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物。 結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及其相互結(jié)合的情況。 (結(jié)晶、膠結(jié)) 構(gòu)造: 組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系。 （節(jié)理、裂隙、空隙、邊界、缺陷）礦物、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個(gè)重要因素 。 巖漿巖：強(qiáng)度高、均質(zhì)性

3、好二、巖石地質(zhì)分類 沉積巖：強(qiáng)度不穩(wěn)定，各向異性(示例) 變質(zhì)巖：不穩(wěn)定，與變質(zhì)程度和巖性有關(guān)三、沉積巖石的力學(xué)特性：不連續(xù)性；（物質(zhì)不能充滿空間，有空隙存在）各向異性；（任一點(diǎn)的物理、力學(xué)性質(zhì)沿不同方向均不相同）不均勻性；（由不同物質(zhì)組成，各點(diǎn)物理力學(xué)性質(zhì)都不相同）巖塊單元的可移動(dòng)性；地質(zhì)因素影響特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）（上述特性導(dǎo)致巖石力學(xué)的研究方法以實(shí)驗(yàn)測試為主）四、巖石的密度與體積力（容重） 巖石含：固相、液相、氣相。 Vo 三相比例不同而密度不同。 Vc V 1、巖石的真密度 ： 真密度單位體積巖石（不包含空隙）的質(zhì)量： 其中：巖石真密度，kg/m3 巖石實(shí)體干質(zhì)量（不含水分），k

4、g 巖石實(shí)體體積（不含孔隙），m3 2、巖石的視密度 ： 視密度單位體積巖石（包括孔隙）的質(zhì)量式中：巖石的視密度，kg/m3 巖石的質(zhì)量，kg 巖石的體積（含孔隙），m3 分為：天然視密度、飽和視密度和干密度 3、巖石的容重（體積力）： 容重巖石單位體積（含孔隙體積）的重力， kN/m3 式中： W被測巖樣的重量, （ ） kN； V被測巖樣的體積，m3 天然容重天然含水狀態(tài)下, 干容重105110烘干24小時(shí)（至恒重）, d 飽和容重巖石孔隙吸水飽和（水浸48小時(shí)）狀態(tài)下, w 4、巖石的相對密度（比重）： 比重巖石固體部分的重量和4同體積純水重量的比值。 式中：WS體積為V的巖石，固體部分

5、重量，kN VC巖石固體部分（不含孔隙）體積，m3 W4同體積純水重量，kN/m3 五、巖石的孔隙性反映裂隙賦存于發(fā)育狀態(tài)。 1、孔隙率n孔隙體積占總體積的百分比。 2、孔隙比e巖石中各類孔隙總體積與巖石實(shí)體體積之比。 ne關(guān)系： 巖石的孔隙性對圍巖強(qiáng)度、變形、含水影響很大。六、巖石的碎脹性巖石破碎后自然堆積體積大于原體積的性質(zhì)。 1、初始碎脹系數(shù)破碎后樣自然堆積體積與原體積之比。 2、殘余碎脹系數(shù)破碎并被壓實(shí)后的體積與原體積之比。 式中： 分別為原體積/破碎自然堆積體積/被壓實(shí)體積。 巖石碎脹性對地下采礦圍巖控制、礦產(chǎn)及土石方運(yùn)輸?shù)扔兄匾饬x。 七、巖石的軟化性 巖石浸水后強(qiáng)度降低的性質(zhì)。

6、軟化系數(shù)飽水巖樣抗壓強(qiáng)度與自然風(fēng)干巖樣抗壓強(qiáng)度的比值。 （ ） 越小，表示巖石受水的影響越大。 巖石軟化性在地下開采圍巖管理、地面邊坡管理等方面有重要意義。八、巖石的膨脹性巖石浸水后體積膨脹的性質(zhì)。（用于評價(jià)膨脹性巖體工程穩(wěn)定性）自由膨脹率無約束條件下浸水后膨脹變形與原尺寸之比。 軸向自由膨脹 （%） H試件高度 徑向自由膨脹 （%） D直徑 膨脹性和崩解性對礦井開拓施工和巷道穩(wěn)定性有不利影響。九、巖石耐崩解性巖石抵抗水浸后結(jié)構(gòu)破壞的性能。 耐崩解指數(shù)巖石試件進(jìn)行烘干、浸水循環(huán)試驗(yàn)。 （測試：將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20rs速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘

7、，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次，按下式計(jì)算耐崩解性指數(shù)。）第二節(jié) 巖石的強(qiáng)度和變形特性工程師對工程材料提出兩個(gè)問題： 1 最大承載力許用應(yīng)力 ？ 2 最大允許變形許用應(yīng)變 ？ 在巖石工程中要使： 實(shí)際參數(shù)允許指標(biāo)巖石的力學(xué)性質(zhì)包括： 變形性質(zhì)：研究巖石在受力情況下的變形規(guī)律（本節(jié)）。 強(qiáng)度特性：研究巖石受力破壞的規(guī)律（下節(jié)）。 一、巖石的彈性和塑性： 變形分析的重要性（直觀、易測、建立模型、準(zhǔn)則） 1、 彈性變形： （縮短為正，壓應(yīng)力為正）線彈性非線彈性 滯彈性線彈性應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系；當(dāng)巖石致密，強(qiáng)度大，壓力不高時(shí)，為此狀態(tài)。非線彈性應(yīng)力應(yīng)變不是直線關(guān)系，卸載時(shí)應(yīng)力應(yīng)

8、變沿原來的曲線返回原點(diǎn)。 呈單向曲線型。 基本沒有。 滯彈性應(yīng)力應(yīng)變?yōu)殡p向曲線型，卸載后應(yīng)力應(yīng)變沿另一條曲線返回原點(diǎn)。 巖石多屬滯彈性：滯彈性應(yīng)力應(yīng)變不是唯一的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)變的產(chǎn)生（變化）較應(yīng)力 的變化有一段時(shí)間的滯后。 原因：物理學(xué)認(rèn)為，當(dāng)作用在滯彈性體上的力發(fā)生改變時(shí)，由于受力體內(nèi)部物質(zhì)的粘性或內(nèi)摩擦的原因，引起變形效應(yīng)滯后和遲延。 滯彈性體具有兩個(gè)重要性質(zhì)：彈性滯后由于內(nèi)摩擦原因，巖石隨應(yīng)力變化出現(xiàn)的變形滯后。 彈性后效由于熱傳導(dǎo)等原因，外力停止變化，而變形仍隨時(shí)間而緩慢 變化。 理想塑性具有應(yīng)變硬化的塑性2、塑性變形：巖石的塑性變形是指巖石在外力作用下當(dāng)超過其屈服極限應(yīng)力時(shí)仍能發(fā)生變形

9、，撤去外力后不能完全恢復(fù)其原始狀態(tài)的性質(zhì)，亦稱殘余變形。 巖石塑性普遍存在； 巖石塑性與巖石的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及外界環(huán)境有關(guān)。 （顆粒及膠結(jié)物物質(zhì)成分、排列結(jié)合、含水、溫度、應(yīng)力等） 理想塑性超過彈性極限，進(jìn)入完全塑性狀態(tài)（極少）； 應(yīng)變硬化超過彈性極限，承載能力隨應(yīng)變增加而增加。 3、一般巖石的變形： 瞬時(shí)彈性變形 后效彈性變形 塑性變形 巖石與其它金屬及晶體礦物不同，因其有節(jié)理、裂隙存在，在應(yīng)力不高階段，內(nèi)部結(jié)構(gòu)即有破壞，在產(chǎn)生彈性變形的同時(shí)，產(chǎn)生塑性變形。 巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。有彈塑；塑彈；彈粘塑；粘彈等多種變形特性。典型變形性質(zhì)：直線型彈脆彈塑下凹型塑彈上凹

10、型彈粘平緩 型塑彈塑S 型二、巖石單向壓縮變形性質(zhì)： 1、軸向變形：2、橫向變形；普通試驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線脆性巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線塑性巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線試驗(yàn)機(jī)3、全應(yīng)力應(yīng)變曲線： 四個(gè)階段： OA原有裂隙壓密階段。彈性模量較小且不是一個(gè)常數(shù)。 AC線彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系，B點(diǎn)為彈性極限。 CD彈塑性過渡階段，應(yīng)力達(dá)到2/3峰值強(qiáng)度時(shí)，巖石開始有微破裂不斷產(chǎn) 生，巖石體積有壓縮轉(zhuǎn)向膨脹，C點(diǎn)為屈服點(diǎn)。 DE破裂后階段（應(yīng)力降低階段、殘余應(yīng)力階段） 剛性試驗(yàn)機(jī)下巖石全程應(yīng)力、應(yīng)變曲線4、巖石的變形指標(biāo)及其確定： 彈性摸量E：（抵抗變形的能力、應(yīng)力應(yīng)變比值） 線彈性： 直線斜率 非線彈性

11、： 切線斜率 （變形曲線導(dǎo)數(shù)）； 割線斜率 （割線斜率）； 彈塑性： 彈性摸量：E = 加載曲線段切線斜率=卸載曲線段割線斜率； 變形摸量：泊松比：（變形傳遞能力） 泊松比巖石橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。 在彈性階段：其為常數(shù)。 在塑性階段：不為常數(shù)。 （嚴(yán)格講，僅在彈性范圍適用，對塑性部分不適用 , 由于引入變形摸量，塑性區(qū)可用，最大為0.5。) 剪切摸量G剪切虎克定律比例系數(shù)。拉梅常數(shù)將應(yīng)力應(yīng)變聯(lián)系起來的彈性常數(shù)。體積摸量Kv體積彈性摸量。5、巖石變形中的擴(kuò)容現(xiàn)象： 擴(kuò)容現(xiàn)象巖石破壞前，因微裂隙產(chǎn)生及內(nèi)部小塊體相對滑移， 導(dǎo)致體積擴(kuò)大的現(xiàn)象。 體應(yīng)變變形后的體積增量與變形前體積之比。 體應(yīng)變

12、曲線：三個(gè)階段：體積減小階段0F 體積不變階段F 體積擴(kuò)大階段FT縱向橫向體積T三、巖石三軸壓縮變形性質(zhì)： 1、三軸實(shí)驗(yàn)： （真三軸、假三軸） 2、三軸抗壓強(qiáng)度： 3、三軸變形特征： 與單軸試驗(yàn)結(jié)果基本類似（E、基本相同）； 圍壓增加三向抗壓強(qiáng)度增加； 峰值變形增加； 彈性極限增加； 巖石由彈脆性彈塑性應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變 干砂巖濕砂巖四、巖石流變性質(zhì)： 1、巖石流變性質(zhì)巖石 隨時(shí)間增長而變化的性質(zhì)。 2、流變現(xiàn)象： 蠕 變應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增長的現(xiàn)象。 （當(dāng) 時(shí) ） 松 弛應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象。 （當(dāng) 時(shí) ） 彈性后效停止加、卸載，應(yīng)變需經(jīng)一段時(shí)間達(dá)到應(yīng)有值的現(xiàn)象。 粘性流動(dòng)

13、蠕變后卸載，部分變形不能恢復(fù)的現(xiàn)象。 與巖石類別有關(guān)（粘土礦物巖石蠕變顯著） 巖石蠕變 與應(yīng)力大小有關(guān)（高應(yīng)力蠕變明顯，超過極限 應(yīng)力，蠕變進(jìn)入不穩(wěn)定階段） 蠕變試驗(yàn)：時(shí)間長； 測量要求精度高（用千分表）； 載荷恒定。 研究蠕變的意義：了解巖石的長時(shí)強(qiáng)度。 長時(shí)強(qiáng)度巖石蠕變破壞時(shí)的最低應(yīng)力值。 長時(shí)強(qiáng)度對巖土工程更為重要。 長時(shí)強(qiáng)度 強(qiáng)度 1m3） 巖體 = 巖塊 + 結(jié)構(gòu)面 結(jié)構(gòu)面（弱面）在地質(zhì)歷史形成的具有一定方向、厚度較小和一定延展長度的地址界面。如斷層、裂隙、層理、節(jié)理、片理。 （堅(jiān)硬無充填結(jié)構(gòu)面、軟弱有充填結(jié)構(gòu)面、夾層） 結(jié)構(gòu)體（巖塊）被各類結(jié)構(gòu)面切割成的巖石塊體。 （塊狀、板狀）

14、結(jié)構(gòu)面的接觸類型： 巖體 = 巖塊 + 弱面二、巖體結(jié)構(gòu)基本類型： （按結(jié)構(gòu)面切割狀況及結(jié)構(gòu)體類型分為六種） 完整結(jié)構(gòu) 塊狀結(jié)構(gòu) 層狀結(jié)構(gòu) 碎裂結(jié)構(gòu) 斷續(xù)結(jié)構(gòu) 散體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu) 塊狀結(jié)構(gòu) 層狀結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu) 斷續(xù)結(jié)構(gòu) 散體結(jié)構(gòu)壓密階段：裂隙被壓閉合，縱向變形明顯，側(cè)向變形不明顯；彈性階段：結(jié)構(gòu)體開始承載變形，應(yīng)力應(yīng)變正比，呈彈性；塑性階段：過屈服點(diǎn)，結(jié)構(gòu)體變形，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移變形，擴(kuò)容、應(yīng)變強(qiáng)化；破壞階段：強(qiáng)度限后，出現(xiàn)沿結(jié)構(gòu)面滑移和結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動(dòng)，擴(kuò)容，出現(xiàn)新裂縫。 破壞后，由于巖體尺寸大，仍能夠靠塊體間摩擦承受一定載荷。 一、巖體變形曲線： 第五節(jié) 巖體的基本力學(xué)性質(zhì)與分級標(biāo)準(zhǔn)1、巖塊的強(qiáng)度：

15、可承受壓、剪或低值拉應(yīng)力，以剪切破壞為主：2、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度特征： 不能承受拉應(yīng)力； 可承受垂直面的壓應(yīng)力； 可承受沿面剪應(yīng)力（與其上正應(yīng)力有關(guān)）； 以剪切破壞為主。 二、巖體的強(qiáng)度特征巖體強(qiáng)度是巖塊、弱面強(qiáng)度的綜合反映，介于巖塊、弱面 強(qiáng)度之間。 壓縮性質(zhì)剪切性質(zhì)3、巖體強(qiáng)度： 介于結(jié)構(gòu)面、巖塊之間。滿足無拉力準(zhǔn)則（受 拉處即破壞）巖體結(jié)構(gòu)面1、結(jié)構(gòu)面對巖體強(qiáng)度的影響：結(jié)構(gòu)面方位對巖體強(qiáng)度的影響 結(jié)構(gòu)面與主應(yīng)力方向不同，對巖體強(qiáng)度影響不同。 結(jié)構(gòu)面位于剪切面位置時(shí)，巖體強(qiáng)度最小。三、巖體的強(qiáng)度影響因素L1具有兩組相互垂直節(jié)理時(shí)巖體強(qiáng)度的變化曲線L2L2L1多組結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致巖體各項(xiàng)同性。最小強(qiáng)度域

16、結(jié)構(gòu)面組數(shù)越多，巖體強(qiáng)度越接近結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。 結(jié)構(gòu)面組數(shù)越多，巖體越呈現(xiàn)各向同性。 對現(xiàn)場松散破碎巖體，不能使用巖塊強(qiáng)度，只能使用弱面強(qiáng)度或弱面摩擦強(qiáng)度研究破壞問題。 2、試件尺寸 各種巖體變形實(shí)驗(yàn)表明，巖體強(qiáng)度隨試驗(yàn)件尺寸的增大而減小3、環(huán)境圍壓環(huán)境圍壓對巖體(尤其是節(jié)理化巖體)變形和強(qiáng)度都產(chǎn)生很大的影響。（1）圍壓的大小影響巖體的破壞方式。高圍壓時(shí)形成穿切巖石材料的共軛剪切面破壞，低圍壓時(shí)，沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)或松脹解體，形成軸向劈裂破壞。（2）巖體抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大，但不是直線關(guān)系，在低圍壓情況下增大得快，高圍壓增大得饅。（3）圍壓增大，巖體的變形模量也明顯提高。（4）巖體中結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)隨圍壓的增大而減小，當(dāng)圍壓達(dá)到某一臨界值時(shí)，巖體中結(jié)構(gòu)面效應(yīng)完全消失此時(shí)巖體從脆性破壞變?yōu)檠有云茐摹?、孔隙水壓由于孔隙水壓的存在，使巖體中固體顆粒或骨架所承受的壓力隨之減小。巖體強(qiáng)度也就相應(yīng)地降低。四、巖體的分級標(biāo)準(zhǔn)1、RQD分類法其中巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值是迪爾（1964）提出的它是鉆孔中直接獲取的巖心總長度L，扣除破碎巖心和軟弱夾泥的長度后的長度 ，與鉆孔總進(jìn)尺H之比，即 RQD(L- )/H。根據(jù)它可將巖石劃分為五個(gè)質(zhì)量等級。2、RMR分類法 比尼奧斯基利用巖體的“綜合特征值”對其進(jìn)