礦山巖體力學(xué)

3.巖石的孔隙率：巖石中各種孔洞、裂隙體積的總和與巖石總體積之比。4.延性破壞：巖石破壞之前的變形很大，且沒有明顯的破壞載荷，表現(xiàn)出顯著的塑性變形、流動或擠出，這種破壞稱為延性破壞。5.蠕變：固體材料在不變載荷的長期作用下，其變形隨時間的增長而緩慢增加的現(xiàn)象。6.結(jié)構(gòu)面線連續(xù)性系數(shù)：沿結(jié)構(gòu)面延伸方向上，結(jié)構(gòu)面各段長度之和與測線長度的比值。7.圍巖應(yīng)力：在巖體內(nèi)開挖地下硐室，圍巖將在徑向、環(huán)向分別發(fā)生引張及壓縮變形，使得原來的徑向壓應(yīng)力降低，而環(huán)向壓應(yīng)力升高，通常，將這種應(yīng)力重分布所波及的巖石稱之為圍巖，重分布后的應(yīng)力狀態(tài)叫圍巖應(yīng)力。8.支承壓力：在巖體內(nèi)開掘巷道后，巷道圍巖必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，一般將巷道兩側(cè)改變后的切向應(yīng)力增高部分稱為支承壓力。9.構(gòu)造應(yīng)力：由地質(zhì)構(gòu)造運動而引起的地應(yīng)力。10.地應(yīng)力的間接測量法：借助某些傳感元件或某些媒介，測量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應(yīng)變，巖體的密度、滲透性、吸水性、電磁、電阻、電容的變化，彈性波傳播速度的變化等，然后由測得的間接物理量的變化，通過已知的公式計算出巖體中的應(yīng)力值。2.作巖石應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線示意圖，并簡述各個階段特點？四個區(qū)段：=1\*GB3①在區(qū)段內(nèi)，該曲線稍微向上彎曲；=2\*GB3②在區(qū)段內(nèi)，很接近于直線；=3\*GB3③區(qū)段內(nèi)，曲線向下彎曲，直至點的最大值；=4\*GB3④下降段。第一區(qū)段屬于壓密階段，這是由于細(xì)微裂隙受壓閉合造成的；第二區(qū)段相應(yīng)于彈性工作階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線為直線；第三階段為材料的塑性性狀階段，主要是由于平行于荷載軸的方向內(nèi)開始強烈地形成新的細(xì)微裂隙，點是巖石從彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點，也就是所謂屈服點，相應(yīng)于該點的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力；最后區(qū)段為材料的破壞階段，點的縱坐標(biāo)就是單軸抗壓強度。3.簡述具有單結(jié)構(gòu)面的巖體強度如何確定？可根據(jù)莫爾強度包絡(luò)線和應(yīng)力莫爾圓的關(guān)系進(jìn)行判斷，設(shè)圖中為節(jié)理面的強度包絡(luò)線；為巖石(巖塊)的強度包絡(luò)線；根據(jù)試件受力狀態(tài)()可給出應(yīng)力莫爾圓。應(yīng)力莫爾圓的某一點代表試件上某一方向的一個截面上的受力狀態(tài)。首先，根據(jù)莫爾強度理論，若應(yīng)力莫爾圓上的點落在結(jié)構(gòu)面強度包絡(luò)線之下，則試件不會沿此截面破壞。另外，當(dāng)結(jié)構(gòu)面與的夾角滿足或時，試件也不會沿結(jié)構(gòu)面破壞。但若應(yīng)力莫爾圓已和巖石強度包絡(luò)線相切，因此試件將沿的一個巖石截面破壞。若應(yīng)力莫爾圓并不和巖石強度包絡(luò)線相切，而是落在其間那么此時試件將不發(fā)生破壞，即既不沿結(jié)構(gòu)面破壞，也不沿巖石面破壞。此外，當(dāng)為定值時，巖體的承載強度與的關(guān)系。水平線與結(jié)構(gòu)面破壞曲線相交于兩點，此兩點相對于與，此兩點之間的曲線表示沿結(jié)構(gòu)面破壞時值，在此兩點之外，即<或>時，巖體不會沿結(jié)構(gòu)面破壞，此時巖體強度取決于巖石強度，而與結(jié)構(gòu)面的存在無關(guān)。三、計算題（每小題12分，共3題，共36分）1．已知一點的六個應(yīng)力分量為，，，，，試求出該點的三個主應(yīng)力大小和最大主應(yīng)力的方向？解：（1）由，，，，，求得：并且由主應(yīng)力求解方程得：，求解該方程得三個主應(yīng)力大小分別為：，，。（2）當(dāng)最大主應(yīng)力為，其方向可由以下公式計算得：其中，=3，=0，=0求解，即得最大主應(yīng)力在（x，y，z）坐標(biāo)系下的夾角余弦為（1，0，0）。2.將某一巖石試件進(jìn)行單軸壓縮實驗，其壓應(yīng)力達(dá)到28MPa時發(fā)生破壞，破壞面與水平面的夾角為60°，設(shè)該巖石滿足摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，（1）試求該巖石的內(nèi)摩擦角和粘聚力C，寫出摩爾-庫侖方程式？（2）畫出此受力狀態(tài)時的摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則示意圖。解：（1）根據(jù)摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則知巖石破壞時的破壞面與水平面的夾角為，并由題意知，所以得巖石的內(nèi)摩擦角。再由摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則知巖石破壞時主應(yīng)力符合，由題意知巖石單軸壓縮實驗時，，繼而求得。即得摩爾-庫侖方程式為。（2）3.在地下400m深處，掘進(jìn)一個圓形巷道，斷面半徑為5m，覆蓋巖層的容重，側(cè)壓力系數(shù)為1，試求：（1）求離巷道壁面2m處圍巖的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力大??？（2）繪出巷道頂板中線和側(cè)壁中線處的和曲線圖。解：（1）由題意知該巷道處的垂直應(yīng)力，并由側(cè)壓力系數(shù)為1，得水平應(yīng)力。由此得該圓形巷道處于靜水壓力下，此時圍巖的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力表達(dá)式為：再由題意知，式中原始應(yīng)力，斷面半徑，離巷道壁面2m處圍巖即為距巷道中心距離，代入上式得，。（2）四、簡答題1、什么是巖石的硬度？硬度與抗拉強度的辯證關(guān)系是什么？答：巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力叫巖石的硬度。硬度與抗壓強度既有聯(lián)系又有區(qū)別，對于鑿巖而言，巖石的硬度比巖石單向抗壓強度更具有實際意義，因為鉆具對孔底巖石的破碎方式多數(shù)情況下是局部壓碎。所以，硬度指標(biāo)更接近于反映鉆鑿巖石的實質(zhì)和難易程度。3、巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線，并簡述各個階段的特點？巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為四個區(qū)段：=1\*GB3①在區(qū)段內(nèi)，該曲線稍微向上彎曲。屬于壓密階段，這是由于細(xì)微裂隙受壓閉合造成的；=2\*GB3②在區(qū)段內(nèi)，很接近于直線。相應(yīng)于彈性工作階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線為直線；=3\*GB3③區(qū)段內(nèi)，曲線向下彎曲，直至點的最大。為材料的塑性性狀階段，主要是由于平行于荷載軸的方向內(nèi)開始強烈地形成新的細(xì)微裂隙，點是巖石從彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點，也就是所謂屈服點，相應(yīng)于該點的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力；=4\*GB3④下降段。最后區(qū)段為材料的破壞階段，點的縱坐標(biāo)就是單軸抗壓強度。4、什么是圍巖應(yīng)力？以及什么是巷道圍巖控制原理？答：在巖體內(nèi)開挖地下硐室，圍巖將在徑向、環(huán)向分別發(fā)生引張及壓縮變形，使得原來的徑向壓應(yīng)力降低，而環(huán)向壓應(yīng)力升高，通常，將這種應(yīng)力重分布所波及的巖石稱之為圍巖，重分布后的應(yīng)力狀態(tài)叫圍巖應(yīng)力。巷道圍巖控制原理是：人們根據(jù)巷道圍巖壓力、圍巖強度以及他們之間的相互關(guān)系，選擇合適的巷道保護(hù)及支護(hù)方式，降低圍巖應(yīng)力，增加圍巖強度，改善圍巖受力條件和賦存環(huán)境，高效的控制圍巖的變形、破壞。五、綜合分析題1、論述影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素。答：有水、溫度、風(fēng)化程度、加荷速度、圍壓的大小、各向異性等等，對巖石的力學(xué)性質(zhì)都有影響?，F(xiàn)分述如下：（1）水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。水具有連接貫通作用、潤滑作用、水楔作用、孔隙壓力作用、溶蝕及潛蝕作用；（2）溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。隨著溫度的增高，巖石的延性加大，屈服點降低，強度也降低；（3）風(fēng)化對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。產(chǎn)生新的裂隙、礦物成分發(fā)生變化、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生變化。（4）加荷速度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。隨著加荷速度的降低，巖石的延性加大，屈服點降低，強度也降低；（5）圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。隨著圍巖的增高，巖石的延性加大，屈服點降低，強度也降低；2、衡量礦山壓力顯現(xiàn)程度的指標(biāo)有哪些？并各有什么特點？答：①頂板下沉：指煤壁到采空區(qū)邊緣裸露的頂?shù)装逑鄬σ苿恿?；②頂板下沉速度：單位時間內(nèi)的頂?shù)装逡平?；③支柱變形與折損：頂板下沉，回采工作面支柱受載他逐漸增加，柱帽的變形，劇烈時可以觀察到支柱的折損；④局部冒頂：指回采工作面頂板形成局部塌落；④頂板破碎情況：常常以單位面積中冒落面積所占的百分?jǐn)?shù)來表示；⑥大面積冒頂：指來回工作面由于頂板來壓導(dǎo)致頂板沿工作面切落。四、簡答題1、什么是全應(yīng)力應(yīng)變曲線？為什么普通材料試驗機得不出全應(yīng)力應(yīng)變曲線？答：在單軸壓縮下，紀(jì)錄巖石試件被壓破壞前后變形過程的應(yīng)力應(yīng)變曲線。普通材料試驗機整體剛度相對較小，對試件施加載荷產(chǎn)生的反作用力將使試驗機構(gòu)件產(chǎn)生較大變形，當(dāng)巖石試件被壓壞時，試件抗壓能力急劇下降，致使試驗機彈性變形迅速恢復(fù)摧毀巖石試件，而得不到巖石破壞后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。剛性試驗機在施加載荷時，自身變形極小，儲存的彈性能不足以摧毀巖石試件，因此可以得到巖石破壞后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。2、巖石蠕動變形的影響因素有哪些？答：①巖性及構(gòu)造因素②壓力級因素③圍壓的影響④溫度、濕度的影響⑤其他因素如：顆粒幾何形狀、膠狀物的特性、顆粒間相互作用等3、采用錨桿支護(hù)時，應(yīng)如何選擇錨桿的類型？答：堅硬、厚度狀巖體多選用端口錨固型；松軟破碎、裂隙發(fā)育巖體多選用全長錨固；為增加錨桿作用效果，錨固經(jīng)常與噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼板條帶等聯(lián)合使用。五、綜合分析題1、簡述普通壓力機和剛性壓力機的區(qū)別答：普通壓力機當(dāng)載荷達(dá)到或剛好通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值時，巖石試樣就會突然的崩解，從而終止實驗，不能獲得全過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線而剛性壓力機是通過增大壓力機的軸向剛度來實現(xiàn)的。目前常采用伺服控制系統(tǒng)通過控制壓力機和壓板的位移、位移速率及加載速度來改進(jìn)柔性壓力機的缺點，從而獲得全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。3、什么是蠕變的三個階段？什么是穩(wěn)定蠕變和不穩(wěn)定蠕變？答：初始蠕變階段、等速蠕變階段和加速蠕變階段稱為蠕變的三個階段，只有初始蠕變階段和等速蠕變階段的蠕變是穩(wěn)定蠕變，具有初始蠕變階段、等速蠕變階段和加速蠕變階段的蠕變是不穩(wěn)定蠕變。4、將某一巖石試件進(jìn)行單軸壓縮實驗，其壓應(yīng)力達(dá)到40MPa時發(fā)生破壞，破壞面與水平面的夾角為60°設(shè)該巖石滿足摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，試求：（1）該巖石的內(nèi)摩擦角和粘聚力C？（2）當(dāng)對其進(jìn)行三軸壓縮實驗，圍壓為10MPa時，軸向壓應(yīng)力達(dá)到多少時巖石破壞？解：（1）根據(jù)摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則知巖石破壞時的破壞面與水平面的夾角為，并由題意知，所以得巖石的內(nèi)摩擦角。再由摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則知巖石破壞時主應(yīng)力符合，由題意知巖石單軸壓縮實驗時，，繼而求得。（2）當(dāng)進(jìn)行三軸實驗時，，由摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則知巖石破壞時主應(yīng)力符合，即求得，即軸向壓應(yīng)力達(dá)到70MPa時巖石破壞。4、論述巖石力學(xué)即其特點答：巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性質(zhì)性狀的一門理論和應(yīng)用科學(xué)，它是力學(xué)的一個分支，是探討巖石對周圍物理環(huán)境中力場的反應(yīng)。主要特點：1）巖體是非均質(zhì)各向異性體；2）巖體內(nèi)存在著初始應(yīng)力場（原應(yīng)力場）3）巖體內(nèi)存在著裂隙系統(tǒng)。巖體既不是理想的彈性體，又不是典型的塑性體；既不是連續(xù)介質(zhì)，又不是松散介質(zhì)，而是一種特殊的，復(fù)雜的地質(zhì)體，這就造成了研究它的困難性和復(fù)雜性。二、填空題巖石與巖體的關(guān)系是巖體是由巖石和結(jié)構(gòu)面組成的巖石的相對密度是指巖石固體實體積的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之比值；巖石的吸水率是指巖石試件吸入水的重量和巖石干重量之比巖體的主要引起巖體應(yīng)力的變化因素有自重應(yīng)力、靜水應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力格里菲斯認(rèn)為斷裂破壞是由于物體內(nèi)部細(xì)小的缺陷或微小的裂紋所引起的應(yīng)力集中的緣故。巖石流變力學(xué)特性主要包括：端變現(xiàn)象、應(yīng)力松弛、流動特性和長期強度剪脹（或擴(kuò)容）表示巖石的體積隨壓應(yīng)力的增大逐漸增大的現(xiàn)象煤的普氏系數(shù)f=Rc/10巷道圍巖指的是在巷道周圍，出現(xiàn)次生應(yīng)力場的那部分巖體根據(jù)回采工作面前后的應(yīng)力分布情況，可將工作面前后劃分為減壓區(qū)、增壓區(qū)、和穩(wěn)壓區(qū)。根據(jù)破斷的程度，回采工作面上覆巖層可分為：冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。采空區(qū)處理方法有煤柱支撐法、緩慢下沉法、采空區(qū)充填法和全部垮落法。直接頂?shù)耐暾潭热Q于巖層本身的力學(xué)性質(zhì)，直接頂巖層內(nèi)由各種原因造成的層理和裂隙的發(fā)育程度。初撐力是指支柱對頂板的主動作用力。節(jié)理裂隙分為原生裂隙，構(gòu)造裂隙，壓裂裂隙。蠕變變形曲線可分為穩(wěn)定蠕變和不穩(wěn)定蠕變兩類。工作面頂板下沉量與采高及控頂距的大小成正比例關(guān)系。巖石的破壞機理有拉斷和剪切兩種。適合于巖石的兩種強度理論是莫爾理論和格里菲斯理論。采區(qū)巷道的主要支護(hù)形式有基本支護(hù)，加強支護(hù)，巷旁支護(hù)和巷道圍巖加固。頂板下沉量是指活柱下縮量、頂梁的壓縮量及支柱插入頂、底板量的總和1.巖石力學(xué)：巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性質(zhì)的一門理論和應(yīng)用科學(xué)，是探討巖石對周圍物理環(huán)境中力場的反應(yīng)。2.半逆解法：針對所要求解的問題，根據(jù)彈性體的邊界形狀和受力情況，假設(shè)部分或全部應(yīng)力分量的函數(shù)形式，并從而推出應(yīng)力函數(shù)的形式，然后代入相容方程，求出應(yīng)力函數(shù)的具體表達(dá)式，再由應(yīng)力函數(shù)求得應(yīng)力分量，并考察這些應(yīng)力分量能否滿足全部應(yīng)力邊界條件（對于多連體，還須滿足位移單值條件）。如果所有條件都能滿足，自然得出的就是正確解答。如果某方面的條件不能滿足，就要另作假設(shè)，重新進(jìn)行求解。3.巖石孔隙比：巖石中各種孔洞和裂隙體積的總和與巖石固體部分實體積之比。4.脆性破壞：巖石在載荷作用下沒有顯著覺察的變形就突然破壞的形式。5.單向抗壓強度：巖石試件在單軸壓力下（無圍壓而軸向加壓力）抵抗破壞的極限能力或極限強度，它在數(shù)值上等于破壞時的最大壓應(yīng)力。6.變形模量：在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的任何點與坐標(biāo)原點相連的割線斜率，表示該點所代表的應(yīng)力的變形模量。7.巖體結(jié)構(gòu)：巖體中結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體形態(tài)和組合的特征。8.圍巖應(yīng)力：在巖體內(nèi)開挖地下硐室，圍巖將在徑向、環(huán)向分別發(fā)生引張及壓縮變形，因此使得原來的徑向壓應(yīng)力降低，而環(huán)向壓應(yīng)力升高，通常，將這種應(yīng)力重分布所波及的巖石稱之為圍巖，重分布后的應(yīng)力狀態(tài)叫圍巖應(yīng)力。9.支承應(yīng)力：在巖體內(nèi)開掘巷道后，巷道圍巖必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，一般將巷道兩側(cè)改變后的切向應(yīng)力增高部分稱為支承壓力。10.地應(yīng)力的直接測量法：由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量，如補償應(yīng)力、恢復(fù)應(yīng)力、平衡應(yīng)力，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過計算獲得原巖應(yīng)力值。1.試述彈性力學(xué)的基本假定？（1）連續(xù)性假設(shè)：假定整個物體的體積都被組成這個物體的介質(zhì)所填滿，不留任何空隙。（2）完全彈性假設(shè)：假定物體能完全恢復(fù)原形而沒有任何剩余形變。（3）均勻性假設(shè)：假定整個物體是由同一材料組成的。（4）各向同性假設(shè)：假定物體的彈性在所有各個方向都相同。（5）小變形假設(shè)：假定整個物體所有各點的位移都遠(yuǎn)小于物體原來的尺寸，而且應(yīng)變和轉(zhuǎn)角都遠(yuǎn)小于1。2.作巖石蠕變的典型應(yīng)變—時間曲線，并簡述其特點？首先，在開始加載的瞬間，試件立即產(chǎn)生一個瞬時的彈性應(yīng)變（圖中OA段），這一段所經(jīng)時間極短，可看作與時間無關(guān)。由A到B這一段應(yīng)變不斷增加，但應(yīng)變速率逐漸減小，故曲線是下凹型，ABB到C這一段應(yīng)變以恒定的速率增長，故BC段稱為定常蠕變或第二階段蠕變，這個階段的時間延續(xù)最長。在C點以后應(yīng)變又加速增長，故曲線呈上凹型，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某個數(shù)值D點時試件破壞，加速蠕變或第三階段蠕變。3.簡述礦山巖體力學(xué)這門學(xué)科的自身特點？（1）采深大。其它工程部門在地下開挖的巷硐大都在離地表不深的地點，而采礦工程的作業(yè)地點常在地下幾百米深處，甚至達(dá)二、三千米以上。深部巖體動態(tài)與地表附近大不相同，地表附近巖體的破壞形式一般為脆性斷裂，而較深處巖體則屬粘塑性破壞，其次，巖體的應(yīng)力狀態(tài)也不相同，淺部巖體垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力之差一般很明顯，深部巖體卻相差不甚顯著。上述情況使礦山巖石力學(xué)所采用的地壓計算方法和測試技術(shù)與其它工程相比有所不同。（2）地下開采過程中安設(shè)的人工支護(hù)大多是服務(wù)年限不長或維護(hù)時間較短的臨時結(jié)構(gòu)物，只要求其在開采期間不致破壞或適時破壞，在開采后能維持平衡狀態(tài)不危害地面安全即可，而且許多工程結(jié)構(gòu)物還可以隨采隨廢。所以，在計算精度、安全系數(shù)及巖體加固等方面的要求一般均低于水利水電、交通、建筑和國防等部門的標(biāo)準(zhǔn)。（3）由于采礦作業(yè)地點必須服從于有用礦物的自然埋藏地點，使得選擇地下工程建筑物的位置往往受很大限制。（4）其他工程部門中研究的對象多是開挖后即不再轉(zhuǎn)移的地下硐室或隧道，而礦井的采掘工作面是不斷移動的，這就要求礦山巖石力學(xué)必須考慮難以預(yù)見的復(fù)雜地質(zhì)變化對工程結(jié)構(gòu)帶來的影響。由于大面積開采還會引起采空區(qū)上方大量巖層移動和破壞，研究這些巖層的運動、破壞和平衡規(guī)律及其控制方法，是礦山巖石力學(xué)的重要課題，這也是區(qū)別于其他應(yīng)用性巖石力學(xué)學(xué)科的重要內(nèi)容。1.將某一巖石試件進(jìn)行單軸壓縮實驗，其壓應(yīng)力達(dá)到40MPa時發(fā)生破壞，破壞面與水平面的夾角為60°設(shè)該巖石滿足摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，試求：（1）該巖石的內(nèi)摩擦角和粘聚力C？（2）當(dāng)對其進(jìn)行三軸壓縮實驗，圍壓為10MPa時，軸向壓應(yīng)力達(dá)到多少時巖石破壞？解：（1）根據(jù)摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則