1、礦山壓力及巖層控制采礦分類地下采礦露天采礦海洋采礦特殊采礦地下開采金屬礦地下開采非金屬礦地下開采固體礦床露天開采沙礦床露天開采海底砂礦開采海底錳結(jié)核開采海底熱液礦床開采海水化學(xué)元素提取海底基巖礦床開采容浸采礦熱液采礦水溶采礦鹽湖礦床開采固體礦床開采機(jī)械開采水力機(jī)械采煤采砂船開采飾面石材開采第一章 緒論1.1 礦山壓力的基本概念 礦山壓力的基本概念 我們所說的采礦通常是指固體礦床地下開采，即：地下開采和露天開采，在煤礦行業(yè)，地下開采又常稱為“井工開采”或標(biāo)準(zhǔn)采礦等，由于露天開采對(duì)地表破壞、環(huán)境污染較嚴(yán)重，也稱為非標(biāo)準(zhǔn)采礦，見上圖。無論是地下開采還是露天開采都可抽象為對(duì)原有地殼的一種人為破壞活動(dòng)，

2、或稱是一種人為的有目的在地殼巖體中的大規(guī)模開挖活動(dòng)。這種開挖活動(dòng)破壞了巖體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起了巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，其結(jié)果表現(xiàn)為開掘的井、巷、硐、工作面、露天礦采場邊坡等的周圍巖體變形、移動(dòng)、甚至破壞，直到巖體內(nèi)部重新形成一個(gè)新的應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，見下圖。嚴(yán)格的講，礦山壓力應(yīng)包括地采和露采兩部分內(nèi)容，但由于傳統(tǒng)的觀念和習(xí)慣，礦山壓力通常指與地采有關(guān)地內(nèi)容，即概念如下。礦山壓力（i.e.礦壓）：這種由于在地下煤炭中進(jìn)行采掘活動(dòng)而在井巷、硐室、及回采工作面周圍煤巖體中和其中的支護(hù)物上所引起的力，就叫礦山壓力。在礦山壓力作用下，會(huì)引起各種力學(xué)現(xiàn)象，如頂板下沉、底板臌起、巷道斷面縮小、巖體破壞脫落

3、母體甚至大面積冒落，煤被壓松產(chǎn)生片幫或突然拋出，支架嚴(yán)重變形或損壞，以及大面積巖層移動(dòng)，地表發(fā)生塌陷等等，這些由于礦山壓力作用，使圍巖、煤體和各種人工支撐物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象，通稱為“礦山壓力顯現(xiàn)”.i.e.”礦壓顯現(xiàn)”.隨著大規(guī)模開采活動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)給工作帶來嚴(yán)重危害，為使礦壓顯現(xiàn)不致影響采礦工作正常進(jìn)行和保障安全生產(chǎn)，必須采取各種技術(shù)措施把礦山壓力顯現(xiàn)控制在一定的范圍內(nèi)，對(duì)有利于采礦生產(chǎn)的礦山壓力顯現(xiàn)也要合理的利用。所有減輕、調(diào)解、改變和利用礦山壓力作用的各種方法，均叫做礦山壓力控制。礦山壓力、礦山壓力顯現(xiàn)、礦山壓力控制是礦山壓力與巖層控制研究的主要內(nèi)容。隨著大規(guī)模開采活動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)給工作帶

4、來嚴(yán)重危害，人們迫切需要一種理論來解釋和研究有關(guān)的礦壓現(xiàn)象，并用以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)，這就使于20世紀(jì)60年代形成了一門新的學(xué)科分支礦山壓力及巖層控制。 煤礦地下開采中常見的礦山壓力災(zāi)害主要的研究對(duì)象（1）巷道變形，斷面縮小（2）巷道冒頂、破壞（3）采場冒頂（4）支架壓壞（5）采場大面積來壓（6）沖擊礦壓（7）突水礦山壓力產(chǎn)生是由于地下開采（開挖空洞），那么煤礦地下開采常見的開挖有：（1）井（2）硐室（3）巷道（4）采場1990年以前，礦山壓力事故死亡人數(shù)占煤礦總事故死亡人數(shù)的45%以上，目前煤礦死亡事故人數(shù)中，瓦斯事故占40%，礦山壓力事故占30%。 礦山壓力事故的特征是：事故次數(shù)多、預(yù)

5、防困難、一次傷亡人數(shù)較少（與瓦斯事故相比）、不容易引起重視，但是后果嚴(yán)重。 礦山壓力及巖層控制對(duì)采礦工程的作用（1）生態(tài)環(huán)境保護(hù)：地下水破壞、地表沉降、矸石山占地、瓦斯抽放等。（2）保證安全和正常生產(chǎn)：頂板事故、巷道穩(wěn)定、邊坡控制等，掌握礦山壓力活動(dòng)的基本規(guī)律，用以指導(dǎo)采礦生產(chǎn)的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)組織，保障安全生產(chǎn)，設(shè)備正常運(yùn)行。（3）減少地下資源損失：通過研究和實(shí)測(cè)礦壓活動(dòng)規(guī)律，減少頂板等事故，選擇合理煤柱尺寸，甚至某些情況下取消煤柱，減少煤炭資源損失量。（4）改善地下開采技術(shù)： 地下開采技術(shù)的進(jìn)步與對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的深刻認(rèn)識(shí)和礦壓控制手段的改善有密切關(guān)系，例如，自移式液壓支架的使用（對(duì)頂板有效控制）

6、促成了采煤綜合機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)，反之開采技術(shù)的變化和解決，如放頂煤開采技術(shù)的運(yùn)用，需進(jìn)一步研究頂煤運(yùn)移與破壞規(guī)律，重新研究“支架圍巖關(guān)系”等。開采深度增加也使礦壓顯現(xiàn)更為劇烈，并帶來了一系列新的礦壓控制問題，只有不斷解決這些問題，才能使未來復(fù)雜條件下的開采工作得以順利進(jìn)行。（5）提高開采經(jīng)濟(jì)效果：為了維護(hù)巷道和管理頂板，每年要消耗大量人力、物力。一般礦井的巷道維修人員約占井下工人的1020，而且為了進(jìn)行礦壓控制，每年要消耗大量的坑木，金屬支護(hù)材料，水泥及其它材料。這些都會(huì)明顯地增加開采費(fèi)用，使噸煤成本上升。礦壓顯現(xiàn)預(yù)測(cè)、支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、信息反饋、確定優(yōu)化的礦山與開采設(shè)計(jì)等，提高開采效益。綜

7、上所述，掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，研究礦壓控制的有效方法，對(duì)煤礦生產(chǎn)有十分重要意義。1.1.4 采礦工程的力學(xué)特點(diǎn)（1）采礦工程巖體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)與地面工程結(jié)構(gòu)不同，地下工程圍巖即是載荷，也是一種承載結(jié)構(gòu)，施載體系與承載體系之間沒有明顯界限。（2）采礦工程的移動(dòng)特性采場空間移動(dòng)與臨時(shí)性、多種采動(dòng)空間的相互影響與迭加。（3）采礦工程中圍巖的大變形和支護(hù)體的可縮特性 采礦空間巨大、埋藏深，圍巖變形量大。注重發(fā)揮圍巖自身承載能力，重視支架圍巖關(guān)系研究和應(yīng)用。（4）采礦工程中的能量原理和動(dòng)力現(xiàn)象 沖擊礦壓、頂板大面積來壓、煤與瓦斯突出等均為采礦工程中的動(dòng)力現(xiàn)象，也是煤巖中能量的突然釋放。1.2 礦山壓力及控制的發(fā)

8、展簡況 對(duì)礦壓的早期認(rèn)識(shí)階段我國是世界上采礦最早的國家之一，中國采礦有文字可考的歷史始于商代（公元前16世紀(jì)至前11世紀(jì)），但實(shí)際的采礦活動(dòng)還要早很多。迄今為止，發(fā)現(xiàn)最早的采礦遺址，是山西懷仁鎮(zhèn)鵝毛口石器制作場和廣東南海縣西樵山采石加工廠，分別為自凝灰?guī)r、煌斑巖夾層挖采和從石洞幫采石材，其年代據(jù)考古判定至遲在新石器時(shí)代早期，距今已歷萬年。近年又發(fā)現(xiàn)的大冶銅綠山采礦遺址的鑒定，該地地下采礦始于3000多年前地商代晚期，而地下采礦之前，曾經(jīng)有過相當(dāng)長時(shí)間的露天開采。春秋至南北朝（分元前770年至前200年），采礦技術(shù)已有全面發(fā)展，巷道作用已由僅作回采演化進(jìn)行到作開拓、采準(zhǔn)及探礦之用，豎井可達(dá)506

9、0m，斷面積可達(dá)1.42.0m2，平巷高度可達(dá)1.51.8m，開始使用框式支架，甚至取消底梁，說明已認(rèn)識(shí)到礦壓的危害及需要加以控制，這時(shí)的煤炭主要用作顏料與染料而不是燃料。隨著采礦規(guī)模日益擴(kuò)大，經(jīng)常出現(xiàn)礦井內(nèi)頂板冒落，巷道堵塞或地表塌陷等事故，迫使人們重視和研究礦壓問題。歐洲國家對(duì)礦壓的認(rèn)識(shí)大約開始于15世紀(jì)，1487年在歐洲出現(xiàn)了“防止采礦工作面破壞地表的協(xié)定”。19世紀(jì)30年代以后，在比利時(shí)，德、法等國家，為了防止地面房屋建筑遭到破壞，也曾提出過一些確定保護(hù)煤柱的方法。上述說明中國是世界上采礦最早的國家之一，對(duì)礦山壓力早就有所認(rèn)識(shí)。世界上的其他國家對(duì)礦壓也早就有所認(rèn)識(shí)。建立礦壓早期假說階段

10、19世紀(jì)后期到20世紀(jì)初，是礦壓研究的第二個(gè)階段，利用一些簡單的力學(xué)原理解釋實(shí)踐中出現(xiàn)的一些礦壓現(xiàn)象，并提出了一些初步的礦壓假說，具有代表性的是“壓力拱假說”，即認(rèn)為巷道上方能形成自然平衡拱及有關(guān)分析計(jì)算。同時(shí)提出了以巖石堅(jiān)固性系數(shù)f（普氏系數(shù)）作為定量指標(biāo)的巖石分類方法，曾獲得廣泛應(yīng)用至今。在這個(gè)階段中，對(duì)巷道圍巖破壞機(jī)理和支架所受的巖石壓力大小開始了初步的理論研究。在研究巖層和地表移動(dòng)等方面，進(jìn)行了地面及井下觀測(cè)，研究到地表建筑物的損壞不僅由于地表下沉，還由于水平移動(dòng)的結(jié)果。以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為理論基礎(chǔ)的研究階段20世紀(jì)30年代至50年代：由于開采深度和規(guī)模迅速增大，開始感到僅僅研究巷道周圍局

11、部地區(qū)巖石狀況變化的理論和方法，已不能充分反映開掘巷硐所引起的圍巖中應(yīng)力變化的真實(shí)過程，于是利用當(dāng)時(shí)的理論及計(jì)算手段，將整個(gè)巖體作為連續(xù)的，各向同性的彈性體來考慮，即用彈性理論研究礦山壓力問題，這一階段的典型成果：（1）用虎克定律推導(dǎo)出了自重作用下原巖應(yīng)力的計(jì)算公式；（2）用彈性理論解決了圓形巷道的應(yīng)力分布問題。后來又研究了巖體非均質(zhì)和各向異性對(duì)理想彈性體的影響，以及把巖層看作具有不同變形特征的彈性介質(zhì)，進(jìn)一步研究巖體層理的影響，此外還用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法研究了巖層移動(dòng)問題。在進(jìn)行理論研究的同時(shí)，研究礦壓的實(shí)驗(yàn)手段也獲得了發(fā)展，其中較為應(yīng)用的是利用相似材料進(jìn)行的相似模型研究方法和利用光敏感材料進(jìn)

12、行的光彈性模擬方法。礦壓研究的近代發(fā)展階段（20世紀(jì)60年代至今約40多年時(shí)間里）這個(gè)時(shí)期的科技發(fā)展和政治特點(diǎn)：（1）世界范圍內(nèi)，主要國家處于總體上和平發(fā)展時(shí)期，生產(chǎn)與科技有系統(tǒng)發(fā)展的平臺(tái)；（2）工業(yè)和軍事等的迅猛發(fā)展對(duì)煤炭等礦石需求量迅猛增加，礦山開采規(guī)模迅速增大，礦山數(shù)量迅速增加；（3）開采技術(shù)和裝備發(fā)展迅速；（4）計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，使計(jì)算和控制等變得容易和現(xiàn)實(shí)；（5）相關(guān)學(xué)科進(jìn)步明顯，對(duì)礦壓發(fā)展起到促進(jìn)作用。與此相類似，為了適應(yīng)采礦和科技發(fā)展的需要，礦壓研究取得了重要進(jìn)展：（1）理論方面將傳統(tǒng)的連續(xù)、彈性、各向同性的巖體巖體是有各種弱面切割的裂隙體，具有與一般固體所不同的特征。從這個(gè)觀

13、點(diǎn)出發(fā)引用相關(guān)學(xué)科中現(xiàn)代研究成果，出現(xiàn)了一系列邊緣學(xué)科分支和方法，如巖石斷裂力學(xué)，巖石塊體力學(xué)，巖石流變學(xué)等。在研究方法方方面，在現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一些新的數(shù)值分析方法：有限元，邊界元，離散元法等。這些方法可以考慮巖體復(fù)雜的力學(xué)屬性，進(jìn)行巷道和硐室圍巖體中的應(yīng)力變化和位移分布，確定其穩(wěn)定性等，使礦壓理論研究有可能獲得更符合實(shí)際的數(shù)值解答。在地表巖層移動(dòng)研究方面，在進(jìn)行大量現(xiàn)場觀測(cè)和掌握了不同條件下巖層移動(dòng)基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立了更為完美的因開采造成的地表移動(dòng)和變形值的計(jì)算和預(yù)測(cè)方法，以及開展了開采工作引起的煤層上覆巖層運(yùn)動(dòng)機(jī)理及其有關(guān)規(guī)律的研究。（2）應(yīng)用研究方面配合地下開采技術(shù)和支

14、護(hù)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行了不同煤層條件下采用不同支護(hù)類型的回采工作面中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，開展了采用煤柱護(hù)巷和無煤柱護(hù)巷的各類巷道中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，以及進(jìn)行了為解決有沖擊礦壓、煤和瓦斯突出危險(xiǎn)煤層開采的有關(guān)研究，從而為改善回采工作面礦壓控制，合理布置和維護(hù)巷道，以及保證安全生產(chǎn)，提供了科學(xué)依據(jù)。（3）實(shí)驗(yàn)研究方面結(jié)合各類研究課題的進(jìn)行，逐步應(yīng)用和改善了現(xiàn)場與室內(nèi)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的各種儀器和設(shè)備，有代表性是井下鉆孔電視應(yīng)用和真三軸巖石試驗(yàn)機(jī)以及剛性試驗(yàn)機(jī)，為礦山壓力的進(jìn)一步研究和完善提供了必要的原始數(shù)據(jù)和資料。大型模擬試驗(yàn)臺(tái)、先進(jìn)的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集儀器等（4）礦壓現(xiàn)場控制方面進(jìn)一步改善了巷道支護(hù)技術(shù)，如大

15、斷面、大縮量和高支撐力的可縮性金屬支架，廣泛應(yīng)用錨桿支護(hù)，開發(fā)了各種類型的錨桿，注漿加固不穩(wěn)定煤層和圍巖，回采工作面中使用自移式液壓支架，架型增多，適用范圍擴(kuò)大等。對(duì)難以控制的堅(jiān)硬頂板，通過高壓注水，超前爆破等手段，比較有效地避免了在采控區(qū)突然大面積冒落造成的危害。對(duì)井下沖擊礦壓的預(yù)測(cè)和控制效果大為提高。 我國在礦山壓力研究方面的主要工作與成就為了配合全國有序地開展礦壓研究及推動(dòng)煤礦科技進(jìn)步。1979年4月26日煤炭部批準(zhǔn)在中國礦業(yè)大學(xué)建立煤炭工業(yè)部礦山壓力情況報(bào)中心站，作為全國礦壓研究與實(shí)踐方面的重要學(xué)術(shù)組織，到目前為止已經(jīng)組織召開了12屆全國性礦山壓力理論與實(shí)踐研討會(huì)，并下設(shè)8個(gè)各分站：

16、錢鳴高、牛錫倬、平壽康、劉天泉、宋振騏等學(xué)者對(duì)推動(dòng)我國礦壓理論研究與工程應(yīng)用作出了突出貢獻(xiàn)，如著名的砌體梁理論等。我國煤礦事故中頂煤事故由45下降到30，目前一批中青年學(xué)者、專家迅速成長。（1）采場上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和“關(guān)鍵層理論”1）上覆巖層開采后呈“砌體梁”式平衡的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，給出了采場邊界條件。（20世紀(jì)6070年代）2）各種條件下板的力學(xué)模型，用于老頂來壓預(yù)報(bào)。（20世紀(jì)7080年代）3）“關(guān)鍵層”理論（20世紀(jì)90年代后）（2）“砌體梁”平衡的關(guān)鍵塊研究及“SR”穩(wěn)定提出“砌體梁”關(guān)鍵塊滑落與轉(zhuǎn)動(dòng)變形失穩(wěn)條件即“SR”穩(wěn)定條件。（3）采場支架圍巖關(guān)系及整體力學(xué)模型支架工

17、作阻力與頂板下沉量的關(guān)系曲線為類雙曲線關(guān)系（“PDL”類雙曲線關(guān)系）（4）頂煤放出的散體介質(zhì)流理論（最近幾年提出）可用于頂煤層放出預(yù)測(cè)與提高頂煤回收率（5）采場礦山壓力與支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè) 20世紀(jì)80年代開始大規(guī)模進(jìn)行采場頂板與支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)。（6）巷道布置改革與無煤柱護(hù)巷技術(shù)（7）巷道支架圍巖關(guān)系、支護(hù)技術(shù)改革U形鋼支護(hù)、工字鋼結(jié)構(gòu)可縮性支架、錨桿支護(hù)、聯(lián)合支護(hù)（8）軟巖巷道支護(hù)（9）巷道圍巖控制設(shè)計(jì)決策及支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)1.3 礦山壓力研究的主要內(nèi)容與方法 礦山壓力研究的主要內(nèi)容地下采礦中常見的巖石開挖工程有：井、硐室、巷道和工作面，其中以巷道和回采工作面最為常見，所以礦山壓力研究以巷道和回采工作面

18、為核心進(jìn)行研究。主要研究內(nèi)容如下：1、支承壓力分布規(guī)律2、回采工作面頂板巖層活動(dòng)規(guī)律及其分析（1）老頂穩(wěn)定及初次極限跨距（2）砌體梁及結(jié)構(gòu)分析3、回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)基本規(guī)律（1）初次來壓分析（2）周期來壓分析（3）頂板壓力估算4、回采工作面頂板控制與支護(hù)方法（1）支架圍巖相互作用原理（2）支架選型5、高位巖層移動(dòng)與控制（1）上覆巖層移動(dòng)規(guī)律（2）上覆巖層移動(dòng)控制技術(shù)6、采區(qū)巷道礦壓顯現(xiàn)與控制（1）巷道礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律（2）巷道礦壓控制原理（3）采區(qū)巷道支護(hù)7、動(dòng)壓現(xiàn)象及控制（1）沖擊礦壓（沖擊礦壓煤、及瓦斯的突然噴出）（2）頂板大面積來壓1.3.2 礦山壓力研究的基本方法 （1）現(xiàn)場觀測(cè)

19、與統(tǒng)計(jì)方法現(xiàn)場觀測(cè)與研究是礦山壓力研究中必須不可少的基礎(chǔ)工作。我國早在50年代中期就開始進(jìn)行回采工作面頂?shù)装逡平亢椭е茌d觀測(cè)。目前礦壓現(xiàn)場觀測(cè)的方法和手段都有了很大發(fā)展。觀測(cè)儀器已由過去單一的機(jī)械擴(kuò)大到利用電、聲、光、磁等多科學(xué)技術(shù)的綜合應(yīng)用，觀測(cè)方式也正在從人工就地讀數(shù)逐步向遙控和自動(dòng)監(jiān)測(cè)過渡，并且已廣泛利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析。 （2）室內(nèi)試驗(yàn)方法由于采礦工程規(guī)模大、時(shí)間、復(fù)雜、以及受生產(chǎn)影響大等，現(xiàn)場觀測(cè)由于費(fèi)用等原因受到一定的限制，所以逐漸借助室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行研究，目前仍以模擬試驗(yàn)為主。 （3）理論分析結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖石力學(xué)、彈性力學(xué)為主要分析工具 （4）數(shù)值計(jì)算方法有限元（FE

20、M）、邊界元（BEM）、離散元（DEM）等（5）隨機(jī)分析、模糊分析、近代力學(xué)和數(shù)學(xué)用于礦壓研究1.3.3 礦山壓力與巖層控制的發(fā)展方向（1）采場礦山壓力理論與控制體系（1）關(guān)鍵層理論深入發(fā)展與應(yīng)用（2）放頂煤（厚煤層）高產(chǎn)高效開采（礦壓理論、巖層控制、放煤理論）（3）高產(chǎn)高效開采故障診斷技術(shù)與保障系統(tǒng) （2）巷道礦壓理論與控制技術(shù)（1）采動(dòng)影響巷道礦壓理論（2）錨桿支護(hù)技術(shù)的深入與完善（3）軟巖巷道、大變形巷道、底鼓嚴(yán)重巷道圍巖控制理論與技術(shù)（3）開采新方法、新工藝、新技術(shù)（1）地下氣化（2）瓦斯開采（3）“三下”保護(hù)開采（4）地?zé)岬拈_采與利用（4）深部和高應(yīng)力開采礦壓災(zāi)害、沖擊礦壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和

21、防治理論和技術(shù)技術(shù)1.4 礦山壓力與巖石力學(xué)的關(guān)系1.4.1 礦山壓力與巖石力學(xué)的關(guān)系隨著采礦深度何規(guī)模增大，礦山壓力的研究不斷深入和發(fā)展，人們?cè)絹碓絹矶嗟卣J(rèn)識(shí)了巖石的力學(xué)性質(zhì)和開采過程中巖體內(nèi)所發(fā)生的自然力現(xiàn)象和規(guī)律，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一個(gè)新的學(xué)科分支礦山巖體力學(xué)，即礦山巖體力學(xué)是研究自然和采動(dòng)影響所造成的礦山應(yīng)力場中，有關(guān)礦山巖體和礦山工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和變形的科學(xué)，它既是固體力學(xué)的一個(gè)應(yīng)用分支，也是采礦科學(xué)的一個(gè)組成部分。嚴(yán)格地說，礦山壓力是礦山巖石力學(xué)的一個(gè)應(yīng)用部分，但由于我國煤礦系統(tǒng)的習(xí)慣，將礦壓作為一個(gè)獨(dú)立的課程。巖石力學(xué)最初產(chǎn)生于采礦工程，其服務(wù)對(duì)象也主要是采礦工程，但其研究方

22、法和理論并非為采礦工程所獨(dú)有。尤其是二戰(zhàn)后，各國水利、交通、建筑、國防的大規(guī)模開發(fā)和建設(shè)，促進(jìn)了巖石力學(xué)的形成和發(fā)展。于50年代，前蘇聯(lián)、法國、美國等開始借于土力學(xué)、彈性力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)原理，編寫了巖石力學(xué)的專門著作。1950年，前蘇聯(lián)的里涅耐特編寫了巖石力學(xué)導(dǎo)論一書，書中利用彈性理論求解巖石工程問題。法國的塔羅布爾于1957、1958先后編著的巖石力學(xué)和巖石力學(xué)在土木工程中應(yīng)用兩書正式出版，較系統(tǒng)地介紹了巖石力學(xué)研究的理論、方法和重要意義。1956年，美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院首次為采礦專業(yè)本科生開設(shè)了巖石力學(xué)課程，五十年完成了巖石力學(xué)作為一門獨(dú)立學(xué)科的創(chuàng)立過程。1962年在奧地利地薩爾茨堡（Sa

23、lzburg）成立了“國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)”（International Society of Rock Mechanics, i.e.ISRM）,并于1966年在里斯本舉行了第一次國際巖石力學(xué)大會(huì)，以后每四年一屆，至今已召開8屆大會(huì)。國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)還出版了Rock Mechanic和International Journal of Rock Mechanics & Ming Sciences & Geomechanics Abstracts。從此巖石力學(xué)進(jìn)入了迅速發(fā)展時(shí)期，至今形成了很多學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，甚至學(xué)派，如以重視節(jié)理裂隙為主地奧地利學(xué)派和注重理論分析地法國學(xué)派等，其中奧地利學(xué)

24、派對(duì)巖石力學(xué)的發(fā)展起到了巨大作用。該學(xué)派地代表人物是L.Muller 主要觀點(diǎn)有三個(gè)：（1） 就大多數(shù)工程問題而言，巖體工程性質(zhì)取決于巖體內(nèi)部地質(zhì)斷裂系統(tǒng)的強(qiáng)度要比取決于巖石本身強(qiáng)度的大得多，所以巖石力學(xué)是一種不連續(xù)體力學(xué)，即裂隙介質(zhì)力學(xué)；（2） 巖體強(qiáng)度是一種殘余強(qiáng)度，其受到巖體中所含弱面強(qiáng)度的制約；（3） 巖體的變形和它的各向異性主要由弱面位移所產(chǎn)生。上述這三個(gè)觀點(diǎn)為巖石力學(xué)的發(fā)展起到了引導(dǎo)和促進(jìn)作用，尤其是在工程地質(zhì)、水電、冶金等巖石力學(xué)研究中受到格外重視，而煤炭行業(yè)由于煤田成因及研究問題的特殊性，沒有充分重視和發(fā)展上述觀點(diǎn)，但從長遠(yuǎn)看煤炭行業(yè)的巖石力學(xué)有關(guān)問題研究必須與國際接軌，礦山壓

25、力研究應(yīng)納入到礦山巖石力學(xué)的一個(gè)應(yīng)用分支，必須重尊巖石力學(xué)研究的一般準(zhǔn)則。課后作業(yè)：自學(xué)教科書第一章第一節(jié) 巖石的基本物理性質(zhì)（P710） 第二章 礦山巖石和巖體的力學(xué)屬性2.1 巖石的強(qiáng)度和變形特征st 巖石強(qiáng)度（1）抗拉強(qiáng)度 （2）抗壓強(qiáng)度（3）抗剪強(qiáng)度stCft=C+stanf（4）三軸強(qiáng)度s1s1s2s2s2s1 巖石變形sss線彈性完全彈性(非線性)滯彈性eeeIIIIIIetOABCDOA：瞬時(shí)變形階段AB：初始蠕變階段BC：等速蠕變階段CD：加速蠕變階段seepeeeer一般的巖石變形曲線2.2 巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論 巖石的破壞機(jī)理ll0P（1）巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線試件原

26、長度變形后長度壓力試件原斷面積 peOABCDOA段：原始巖石內(nèi)的空隙壓密階段；AB段：線彈性變形階段，B點(diǎn)為彈性極限；BC段：裂隙產(chǎn)生和擴(kuò)展階段，呈現(xiàn)彈塑性變形，C點(diǎn)為強(qiáng)度極限，用Rc表示；CBAOCD段：殘余承載階段，即巖石受載雖然已過強(qiáng)度極限，但仍具有部分承載能力，到達(dá)D點(diǎn)巖石才完全破壞。 一般實(shí)驗(yàn)機(jī)很難獲得上述全過程曲線，而只有C段以后的曲線。見右圖。原因：普通實(shí)驗(yàn)機(jī)的剛性較小。對(duì)試件加載過程中，自身變形較大，積蓄了大量的變形能，當(dāng)試件達(dá)到強(qiáng)度極限后，承載能力下降，壓力機(jī)內(nèi)的變性能突然釋放，施加于試件上，導(dǎo)致試件突然破裂，常伴有炸裂的響聲和碎塊飛出。（2）巖石強(qiáng)度特征 三向抗壓>

27、雙向抗壓>單向抗壓>抗剪>抗拉（3）巖石破壞機(jī)理巖石在外力作用下，首先產(chǎn)生不同形式的變形，繼而產(chǎn)生微裂隙和破裂，裂隙擴(kuò)展到一定階段，巖石破壞。巖石破壞的基本形式如下：壓剪破壞有側(cè)向約束塑性流動(dòng)破壞強(qiáng)的側(cè)向約束壓裂破壞無約束 1）壓裂破壞：加壓板與試件端面間摩擦阻力小時(shí)，試件橫向變形，變形量達(dá)到變形極限時(shí)，試件拉裂，形成平行于加壓方向的拉裂縫，試件破壞原因?yàn)槔哑茐摹?）剪破壞：加壓板與試件端面有摩擦力較大時(shí)，產(chǎn)生剪切破壞（一組或幾組剪切面）。3）塑性流動(dòng)破壞：加壓板與試件端面有很大摩擦力時(shí)，試件二端面變形受到強(qiáng)阻礙時(shí)，出現(xiàn)了多組剪切面，試件會(huì)逐漸緩慢地膨脹成桶形。最后因塑性流

28、動(dòng)而導(dǎo)致破壞。該破壞形式是巖石顆粒產(chǎn)生微小剪切滑移的結(jié)果，仍是一種剪應(yīng)力造成的剪切錯(cuò)動(dòng)。2.1.2 巖石的強(qiáng)度理論 巖石的強(qiáng)度理論：研究巖石在復(fù)雜應(yīng)力作用下破壞的原因、規(guī)律及建立破壞的判據(jù)。目前已提出了很多種強(qiáng)度理論，但在目前巖石工程中常用的有兩種：莫爾庫侖強(qiáng)度理論和格里菲斯強(qiáng)度理論。（1）莫爾庫侖強(qiáng)度理論 莫爾（Mohr）強(qiáng)度理論認(rèn)為（1900）：固體材料發(fā)生破壞的主要原因是由于破壞面上的剪力達(dá)到一定限度。這個(gè)剪力除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與破壞面上的正應(yīng)力造成的摩擦阻力有關(guān)。例如，某一點(diǎn)材料發(fā)生破壞，不僅取決于該點(diǎn)的剪應(yīng)力，同時(shí)也取決于該點(diǎn)的正應(yīng)力。因此，巖石沿某一個(gè)面剪斷時(shí)所需要的剪

29、應(yīng)力 與該面上的正應(yīng)力存在某種函數(shù)關(guān)系：該式為莫爾提出的一般形式，也稱為莫爾強(qiáng)度理論的普遍形式。具體應(yīng)用中，要通過試驗(yàn)確定其具體形式。一般的試驗(yàn)方法就是做大量的單向拉、單向壓，不同圍壓下的三軸壓試驗(yàn)，得到不同的莫爾圓，然后給出莫爾應(yīng)力圓的包絡(luò)線。113313IIIIIIIV極限莫爾圓=f（）強(qiáng)度曲線的作用：（1） 判斷巖石試件是否發(fā)生剪切破壞，由某一面上的或做出應(yīng)力圓可判斷試件發(fā)生破壞否。（2） 判斷破壞面方向：通常（后面解釋）（3）（抗拉強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度） 在巖石力學(xué)和工程設(shè)計(jì)中，為了計(jì)算巖石強(qiáng)度，必須給出相應(yīng)的關(guān)系式，莫爾沒有給出的具體關(guān)系式，有人提出二次曲線或擺線等。但為了便于計(jì)算，當(dāng)正

30、壓力不大時(shí)（）通常采用斜直線作為強(qiáng)度曲線，即：、分別為破壞面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力、巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角這一公式是由庫侖（Coulomb）1773年提出的，后由莫爾用新的理論加以解釋，故上式稱為莫爾庫侖強(qiáng)度理論。由上式可得出如下關(guān)系：CcotODNN1M313311C(1+3)/23(1-3)/232Ss=tan+Cn45°-f/2試件（1） 由上圖：（2）；這就是用極限主應(yīng)力表示的莫爾庫侖強(qiáng)度條件。做有限元計(jì)算時(shí)通常用這一公式作為Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論的使用式。 上式中若，則就是巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度f（3）巖石的單向抗拉強(qiáng)度C一般來說，則由于巖石的抗拉強(qiáng)度不易試驗(yàn)求得，通

31、過上式可由獲得。莫爾庫侖強(qiáng)度理論目前在巖石力學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣，它能較全面地反映巖石的強(qiáng)度特性，如抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，能很好地解釋巖石在三軸受拉時(shí)會(huì)破壞（因強(qiáng)度包絡(luò)線在受拉區(qū)閉合）和三軸等壓壓縮時(shí)不會(huì)破壞（包絡(luò)線在受壓區(qū)不閉合）的現(xiàn)象。它不僅適用于塑性材料，還適用于脆性材料的破壞，所以廣泛用來解釋巖石的破壞現(xiàn)象。其中不足之處在于：只適用于剪切和塑性流動(dòng)兩種破壞形式，不適用于拉斷破壞；其次莫爾庫侖強(qiáng)度理論只考慮了最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，與中間主應(yīng)力無關(guān)，而一些試驗(yàn)已經(jīng)證明了對(duì)巖石破壞有影響。（2）格里菲斯強(qiáng)度理論（Griffith，1921） 格里菲斯強(qiáng)度理論認(rèn)為：任何固體內(nèi)部都存在窄狹的微裂

32、隙。無論材料的受力狀態(tài)如何（壓或拉），最終都會(huì)在裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中。當(dāng)拉應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙擴(kuò)展，直至材料破壞。 由此可見，Griffiht理論認(rèn)為材料破壞是由于拉應(yīng)力造成的這一理論適用于玻璃、陶瓷、巖石等脆性材料。 Griffith在進(jìn)行理論準(zhǔn)則推導(dǎo)時(shí)，認(rèn)為材料內(nèi)的裂隙可用橢圓代替。如，Griffith橢圓裂隙。然后將模型簡化為半無限介質(zhì)中單個(gè)橢圓孔洞的平面應(yīng)力問題處理。引用彈性力學(xué)關(guān)于半無限大介質(zhì)橢圓孔周邊受力分析結(jié)果，得出雙向應(yīng)力狀態(tài)下裂隙開始擴(kuò)展的條件：上式就是Griffith強(qiáng)度理論的破壞準(zhǔn)則，也稱為拉應(yīng)力準(zhǔn)則。單向受壓時(shí)，則 為了與莫爾庫侖強(qiáng)度理論相比較，經(jīng)過一定換算

33、后，有：，橢圓裂隙周邊上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力巖石的單向抗拉強(qiáng)度yxyxxy13 以上強(qiáng)度條件是建立在裂隙張開假設(shè)上，實(shí)際上，巖石在大多數(shù)情況下承受壓應(yīng)力，裂隙閉合，這樣作用在裂隙面上的正應(yīng)力將使裂隙上產(chǎn)生摩擦阻力，由于摩擦也能承受剪應(yīng)力，所以巖石強(qiáng)度有所增加。據(jù)此有人提出了修正的格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則。注：是裂隙面的法線方向與應(yīng)力軸的夾角。2.2 巖體及其質(zhì)量評(píng)價(jià) 巖體的基本類型和特性（1）巖體的基本特性巖石和巖體是兩個(gè)不同的概念，巖石是指小的巖石試件（試塊），而巖體是指巖石集合體，或指大范圍內(nèi)的工程地質(zhì)體。一般說來，巖體內(nèi)可能含有不同種類的巖石，含有各種天然弱面，受到天然環(huán)境及力場作用等，沒有特定的自

34、然邊界，我們工程中實(shí)際所遇到的都是巖體，與巖石相比，巖體具有如下力學(xué)屬性。1）非均質(zhì)性 對(duì)于由多種巖石組成的巖體，由于在自然條件下組成巖石的物質(zhì)成分、組織結(jié)構(gòu)及其組合狀況經(jīng)常變化，所以一般認(rèn)為巖體是非均質(zhì)的。例如，對(duì)于層壯巖體，無論在層面上還是在垂直面上都具有明顯的非均質(zhì)性。巖體除了因物質(zhì)成分不同造成的非均質(zhì)性外，由于各種非均質(zhì)結(jié)構(gòu)面切割的結(jié)果也呈現(xiàn)出明顯得結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性。2）各向異性 各向異性是指巖體的全部或部分物理力學(xué)特性隨方向不同而表現(xiàn)出一定差異的性質(zhì)。巖體的學(xué)多物理力學(xué)性質(zhì)，如彈模、抗壓、抗拉強(qiáng)度，聲波的傳播速度等，就隨加載或測(cè)試方向不同而有顯著差別。見圖，x，y，z 三個(gè)方向的力學(xué)指標(biāo)

35、明顯有差異。 巖體的各向異性也和非均質(zhì)類似，不僅由于物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)致密程度不同而造成，而且也受到各種結(jié)構(gòu)面的影響。由于結(jié)構(gòu)面的方位不同，數(shù)量不等，規(guī)模不一，性質(zhì)各異，會(huì)造成巖體各向異性。當(dāng)結(jié)果面組數(shù)少且各自發(fā)育程度不同的巖體，其各向異性會(huì)表現(xiàn)得明顯；反之，結(jié)構(gòu)面組數(shù)多，各自都很發(fā)育，方向十分復(fù)雜的巖體，其各向異性表現(xiàn)的不明顯。組數(shù)多，各向異性弱，認(rèn)為各向同性。組數(shù)少，各向異性大。3）非連續(xù)性 由于巖體被各種結(jié)構(gòu)面所切割，因此從原則上說，巖體屬于非連續(xù)體。但隨著被切割的巖塊大小、形態(tài)和性質(zhì)不同，巖塊的排列和互相接觸狀態(tài)的差異，及其不連續(xù)程度都會(huì)有所不同。因此，在研究工程問題時(shí)，尤其是進(jìn)行巖體穩(wěn)定

36、分析時(shí)，往往根據(jù)巖體的不同結(jié)構(gòu)類型把巖體分別看作是非連續(xù)體，似連續(xù)體或連續(xù)體。 A、非連續(xù)體：受結(jié)構(gòu)面影響明顯的層狀、塊狀結(jié)構(gòu)巖體和碎裂結(jié)構(gòu)巖體； B、似連續(xù)體：結(jié)構(gòu)面發(fā)育密集、雜亂無章的散體結(jié)構(gòu)巖體； C、連續(xù)體： 整體結(jié)構(gòu)巖體，部分原層狀巖體。2.2.2 巖體強(qiáng)度特征（1）巖體強(qiáng)度的基本概念 對(duì)于巖石而言，其抗拉強(qiáng)度與其它強(qiáng)度相比最小，通常只有抗壓強(qiáng)度的幾分之一到幾十分之一。對(duì)于巖體而言，這個(gè)特征就更加突出。因?yàn)閹r體中含有各種結(jié)構(gòu)弱面，而結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力都是十分微弱的，甚至不存在，由于巖體強(qiáng)度主要取決于結(jié)構(gòu)弱面的強(qiáng)度，因此巖體是一種不能承受拉應(yīng)力的材料。工程分析中，一旦某處巖體出現(xiàn)了拉應(yīng)力，

37、即認(rèn)為該處已破壞，這就是通常所說的巖體無拉力準(zhǔn)則巖體中的弱面結(jié)構(gòu)雖然不能抗拉，但仍能承受一定的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力。其剪切強(qiáng)度在受壓區(qū)仍符合“莫爾庫侖”準(zhǔn)則。可以認(rèn)為：弱面強(qiáng)度 含有弱結(jié)構(gòu)面的巖體總強(qiáng)度 巖石強(qiáng)度 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度 巖體強(qiáng)度 巖石強(qiáng)度 發(fā)育 結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度 不發(fā)育巖石強(qiáng)度曲線結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度曲線巖體強(qiáng)度區(qū)（2）結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響 結(jié)構(gòu)面是區(qū)別巖體與巖石的重要特征之一。它的種類很多，如層理、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等。許多的巖體工程失穩(wěn)都是由結(jié)構(gòu)面所控制。在研究礦山巖石力學(xué)問題時(shí)，有代表性的結(jié)構(gòu)面就是層理和節(jié)理。層理面是沉積巖的主要弱面之一，有些情況下它對(duì)沉積巖巖體的變形和破壞起主導(dǎo)作用。如煤礦中

38、頂板離層，分層冒落和底板沿層面滑動(dòng)等。而節(jié)理對(duì)所有巖體來說都更具普遍性。它主要是由構(gòu)造力而形成的有規(guī)則的小的裂隙總稱。結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為使巖體強(qiáng)度降低和各向異性。見下圖所示。半徑方向的長度表示單軸抗壓強(qiáng)度大小。為結(jié)構(gòu)面與水平面的夾角。現(xiàn)有三種主要情況：=450+/2=00=90012結(jié)構(gòu)面方位對(duì)巖體強(qiáng)度的影響。minmax1），巖體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面無關(guān)，巖體強(qiáng)度巖塊強(qiáng)度。例如，單向拉強(qiáng)度。這時(shí)巖體沿新的面AB破壞。2），巖體沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切破壞。例如，剪切面正好與結(jié)構(gòu)面重合，巖體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。3），巖體強(qiáng)度介于和之間。相當(dāng)于平行于結(jié)構(gòu)面而受載荷時(shí)的強(qiáng)度。在區(qū)間，巖體強(qiáng)度值的強(qiáng)度值。

39、在區(qū)間，巖體強(qiáng)度值的強(qiáng)度值。在區(qū)間，巖體強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)面的影響較大。上圖說明巖體中有一組結(jié)構(gòu)面時(shí)，由于結(jié)構(gòu)面與加載方向原因，巖體強(qiáng)度有時(shí)有明顯的各向異性，當(dāng)巖體中有多組結(jié)構(gòu)面時(shí)，由于各組結(jié)構(gòu)面的影響交叉重疊，反而會(huì)使巖體強(qiáng)度的各向異性減弱，但會(huì)隨結(jié)構(gòu)面組數(shù)增多，而降低巖體強(qiáng)度，而最終趨近于值。 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)由于巖體特征的復(fù)雜性，借助于一、二個(gè)參數(shù)很難反映出巖體的工程特性，因此人們?cè)噲D通過各種影響巖體工程性的因素來對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分類和綜合評(píng)價(jià)。其中比尼奧斯基（Z.T.Bieniawski）1973提出的RMR分類法（Rock Mass Rating）受到重視。其一般原理時(shí)，某種巖體的RMR值由下式計(jì)

40、算：where:：巖石的單軸抗壓強(qiáng)度的分值；：巖體的RQD指標(biāo)的分值；：結(jié)構(gòu)面狀況的分值，如粗糙度、風(fēng)化度、連續(xù)性、充填情況、開度等；：結(jié)構(gòu)面間距的分值；：地下水條件的分值，如水壓、水量、貫通性等；：結(jié)構(gòu)面方位的分值。RMR分值高的，巖體質(zhì)量好，反之亦然。具體打分值見表115117。其中RQD稱為巖石質(zhì)量指標(biāo)（Rock Quality Designation），是由Deere1964年提出的。是指鉆孔（5.4cm）取出的巖芯長10cm的巖芯；L是鉆孔總長度。Priest & Hudson 1976年給出了RQD的估算式。where:， 是結(jié)構(gòu)面的平均間距。稱為結(jié)構(gòu)面的平均發(fā)生率。第三章

41、 原巖應(yīng)力及其量測(cè)3.1 地球及其構(gòu)造的一般概念 地球的絕對(duì)年齡估計(jì)在5055億年。在4547億年以前開始形成地殼，就是說地球誕生在47億年以前。整個(gè)太陽系也是在不到50億年前由塵埃和大氣形成。我們目前所熟知的地球，具有適于人類生存的大氣和豐富的資源，這顆行星的內(nèi)部仍在活動(dòng)。這點(diǎn)已由地震、火山、張開和閉合的大洋及漂移開來的大陸所證實(shí)。莫霍面（彈性縱波波速從地殼的67km/s迅速增加到8km/s）郭里采層（導(dǎo)電率和地震波速迅速增加的分界層）地殼上地幔下地幔外地核內(nèi)地核0km400km1000km3000km5000km6000km地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 根據(jù)對(duì)深部地帶進(jìn)行地震研究而得到的現(xiàn)代概念，地

42、球可分為地殼、上地幔、下地幔、外地核和內(nèi)地核。地殼的平均厚度為32km，而且在大陸上的變化范圍是2070km，在海洋中其變化為515km。地殼是以莫霍面為分界面，是1909年由南斯拉夫的莫霍洛維奇契首先發(fā)現(xiàn)了M面。在該面以下，彈性縱波的速度突然增長，達(dá)到8km/s，而在地殼中通常是67km/s（最大值為7.4km/s）。上部地幔物質(zhì)密度：3337kN/m3；地殼物質(zhì)密度：2730kN/m3。 在地殼范圍內(nèi)，可按地震波特征分為三個(gè)主要分層： 沉積巖假定的花崗巖層玄武巖層巖彈性縱波速度2.05.0km/s，厚度1015km5.56.0km/s，最大厚度3040km6.57.4km/s，其厚度為10

43、20km康拉德面它是兩個(gè)分層之間彈性波速度變化的地震分界面 現(xiàn)在，采礦工作主要是在小于10001800m的深度內(nèi)進(jìn)行。在歐洲，有些礦井的開采深度約達(dá)2000m；在南非及印度，個(gè)別金屬礦井的開采深度已超過30003500m。開采石油和天然氣的深度達(dá)到60007000m。最深的構(gòu)造鉆孔和勘探鉆孔已超過12000m，并開始實(shí)現(xiàn)鉆孔深度達(dá)15000m的計(jì)劃。上述數(shù)字提供了有關(guān)地球開發(fā)深度的概念及其人類當(dāng)今已經(jīng)直接達(dá)到和可能近期達(dá)到的深度。顯然這些深度屬于地殼上部的范圍內(nèi)，其厚度與地球直徑相比微不足道。然而淺部地殼的組成結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力狀態(tài)是礦山巖石力學(xué)和礦壓理論關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。3.2 原巖應(yīng)力 天然狀

44、態(tài)下地殼中存在地應(yīng)力，通常在地學(xué)中稱之為地應(yīng)力。其主要包括由巖體重量引起的自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造作用引起的構(gòu)造應(yīng)力等。地應(yīng)力這個(gè)概念是由瑞士地質(zhì)學(xué)者Haim在19051912年間首次提出來的。地應(yīng)力是在歷史地質(zhì)作用下發(fā)展變化而形成的。它與巖體自重、構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)、地下水及溫差等有關(guān)，同時(shí)又是隨時(shí)間、空間變化的應(yīng)力場。但在工程年代，應(yīng)力場受這種地質(zhì)作用時(shí)間的影響可以忽略。在采礦工程中，把這種未受采掘擾動(dòng)影響的巖體原始應(yīng)力，又稱為原巖應(yīng)力。 在井巷和采場等地下工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析中，原巖應(yīng)力是一種初始的應(yīng)力邊界條件，同時(shí)原巖應(yīng)力是引起地下工程結(jié)構(gòu)變形和破壞的力源。采礦工程中，地下采掘空間對(duì)周圍巖體內(nèi)的原巖應(yīng)

45、力場產(chǎn)生擾動(dòng)，使得原巖應(yīng)力重新分布，并且在井巷和采場的圍巖中產(chǎn)生幾倍于原巖應(yīng)力的高值應(yīng)力（所謂的二次應(yīng)力）。圍巖隨之變形，隨著時(shí)間的延長，圍巖變形繼續(xù)擴(kuò)大，甚至引起圍巖破壞或支護(hù)物破壞，這就是我們常說的礦山壓力顯現(xiàn)。由此可見，礦山壓力的來源與原巖應(yīng)力密切相關(guān)，圍巖穩(wěn)定性顯然是以原巖應(yīng)力場為前提條件的。在計(jì)算任何人工開挖的巖體周圍的應(yīng)力分布以前，必須測(cè)量或估算開挖前的應(yīng)力狀態(tài)。3.2.1 地殼淺部原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果 地殼內(nèi)部的原巖應(yīng)力場是一個(gè)頗為復(fù)雜的問題，人們獲得原巖應(yīng)力狀態(tài)的途徑，主要是通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)來實(shí)現(xiàn)。雖然各個(gè)國家和地區(qū)對(duì)原巖應(yīng)力測(cè)量做了大量工作。但是關(guān)于完整應(yīng)力狀態(tài)的資料卻獲得很少，且測(cè)

46、量深度也都在3000m之內(nèi)，故屬地殼淺部。（1）原巖應(yīng)力隨深度變化1953年瑞典H.Hast在斯堪的納維亞半島首先進(jìn)行了原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)工作。此后，歐、美、澳大利亞和我國都先后開展了大規(guī)模原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)工作。E.T.Brown和E.Hoek（1978）研究了遍及世界不同地區(qū)的原巖應(yīng)力測(cè)量，并進(jìn)行了匯總。在進(jìn)行資料選擇時(shí)，對(duì)于那些特別反常的地質(zhì)條件（如近期仍出現(xiàn)構(gòu)造活動(dòng)的地區(qū)）的實(shí)測(cè)結(jié)果均略去，只選用了可靠的結(jié)果。見下圖。 上圖是鉛直應(yīng)力與深度變化的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鉛直應(yīng)力與深度的關(guān)系為： 這是一個(gè)重要的鉛垂應(yīng)力估算公式。 值得注意的是上式的比例系數(shù)與地殼淺部巖石的容重相吻合，通常。即實(shí)測(cè)結(jié)果說明

47、，鉛直應(yīng)力與上覆巖層的重力相一致。 下圖是平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力之比K，隨埋藏深度Z的變化關(guān)系。通過分析發(fā)現(xiàn)K值通常取值為： 深度小于500米時(shí)，水平應(yīng)力明顯大于垂直應(yīng)力；當(dāng)深度1000米，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力趨于相等，處于靜水壓力狀態(tài)。這是因?yàn)槿齻€(gè)主應(yīng)力差值很大時(shí)，巖石不可能承受很高應(yīng)力，否則必然發(fā)生破壞，達(dá)到新的平衡。3.2.2 原巖應(yīng)力中各應(yīng)力分量之間的比較（1）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比較。從上面兩個(gè)圖的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，一般情況下，相當(dāng)于上覆巖層的自重，而水平應(yīng)力的波動(dòng)范圍就比較大。且一般大于鉛垂應(yīng)力，其產(chǎn)生原因。一般歸結(jié)為地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。據(jù)國內(nèi)外實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，平均水平應(yīng)力與的比值大部分在0

48、.81.5之間。見下表統(tǒng)計(jì)結(jié)果。平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力的比較表國家名稱0.80.81.21.2中國1240282.09澳大利亞022782.95加拿大001002.56美國1841413.29挪威1717665.56瑞典001004.99南非4124352.50前蘇聯(lián)5129204.30其它地區(qū)37.537.5251.96（2）水平應(yīng)力與間的比較地殼內(nèi)水平應(yīng)力中的兩個(gè)主應(yīng)力與在數(shù)值上一般不相等，這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果反映出了水平應(yīng)力具有較強(qiáng)的方向性，見下表。水平應(yīng)力比較實(shí)測(cè)地區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)目1.00.750.750.50.50.250.250(%)斯堪的納維亞等地北美中國日本51222353514.022.0

49、14.331.067.046.045.748.013.023.025.715.06.09.014.36.0統(tǒng)計(jì)值34321.32551.67519.1758.825（3）鉛垂應(yīng)力與自重應(yīng)力之間的比較 巖體上覆巖層的重量是形成巖體初始應(yīng)力的基本因素之一。一般認(rèn)為巖體的鉛垂應(yīng)力大體上相當(dāng)于上覆巖層的重力，但并非所有實(shí)測(cè)結(jié)果都如此，從我國的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，鉛垂應(yīng)力與單位面積上的上覆巖層重力的比例在0.4319.8之間變化，如果考慮到成果的分散性，以作為大體上相等的情況，則僅占8.7%，而的占21.7%，的占69.6%。這些資料說明，多數(shù)的。即鉛垂應(yīng)力多數(shù)情況下大于上覆巖體的重量。這種現(xiàn)象只能解釋為某種

50、力場作用的結(jié)果。而這種力場不是完全由上覆巖層自重所引起的。3.2.3 自重應(yīng)力 自重應(yīng)力由于巖石自重引起的應(yīng)力稱為自重應(yīng)力。（1）Haim法則（1878年，譯為海姆）zy 瑞士地質(zhì)學(xué)家Haim在觀察了大型越嶺隧道圍巖工作狀態(tài)之后，認(rèn)為原巖體鉛垂應(yīng)力為上覆巖體自重。在漫長的地質(zhì)年代中，由于巖體不能承受較大的差值應(yīng)力和與時(shí)間有關(guān)的變形的影響，使得水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力趨于均衡的靜水壓力狀態(tài)。i.e: x由于靜水壓力下無剪應(yīng)力，所以任意方向都是主應(yīng)力方向。（2）金尼克解（蘇·A·H·Duhhuk，1925） 金尼克認(rèn)為地下巖體為線彈性體，其鉛垂應(yīng)力等于上覆巖體自重：。在水平

51、方向，巖層內(nèi)的側(cè)向應(yīng)力與相等，且水平方向的應(yīng)變?yōu)榱悖河蓮V義虎克定律：則可解出：令 側(cè)向壓力系數(shù)則有：一般巖石的泊松比。當(dāng)時(shí)，則金尼克公式與Haim法則一致。3.2.4 構(gòu)造應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力是由于地質(zhì)構(gòu)造作用引起的應(yīng)力。地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（含地震）歸根到底是一個(gè)巖層變形與破壞的力學(xué)過程，與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場叫構(gòu)造應(yīng)力場。 在構(gòu)造應(yīng)力場研究中，我們只能知道構(gòu)造運(yùn)動(dòng)結(jié)果（例如地表或基巖的變形和破裂情況：地震得震源和震級(jí)等），而要尋找的是造成這些結(jié)果的力源，這是一個(gè)反序的問題。在構(gòu)造力場求解中，通常無法知道初始應(yīng)力狀態(tài)，不易弄清楚深部構(gòu)造的情況和深部地質(zhì)體的力學(xué)性能。只能進(jìn)行模擬或假想研究。下面是VeningMe

52、inez構(gòu)造應(yīng)力場力學(xué)模型。 VeningMeinez模型 為了分析地殼上部任何一點(diǎn)應(yīng)力的作用方式，VeningMeinez采用了一種簡便方法。在地球中，采用球體坐標(biāo)，從地殼上層取一單元體，以地心為原點(diǎn)，設(shè)所取的單元體的六個(gè)面均為主平面。由沿方向的力平衡條件：dRAABBCCDDABBABBDD ，1， ， 代入平衡方程式 略去高階無窮小量： 注：ABCD是地球的水平面。上式說明，平行于水平面的各個(gè)應(yīng)力分量總和的絕對(duì)值與垂直方向應(yīng)力分量絕對(duì)值之比，等于地球半徑與受應(yīng)力作用巖層的深度d之比。如若受構(gòu)造應(yīng)力作用影響的地殼深度為2km的話，地球半徑以6000km計(jì)算，則垂直應(yīng)力分量約占水平應(yīng)力分量總和的1/3000。若受構(gòu)造應(yīng)力影響的地殼深度為10km，則，從此可以看出：水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過垂直應(yīng)力分量。3.2.5 影響原巖應(yīng)力狀態(tài)的因素（1）地形和地質(zhì)條件對(duì)自重應(yīng)力的影響zzzzz 地形的起伏影響山體的自重應(yīng)力分布，山體內(nèi)沿著水平面上自重應(yīng)力的分布狀況和地表形狀完全相似。試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明，巖層的初始應(yīng)力方向多數(shù)微傾斜于山頂方向，并且在數(shù)值上比按最大覆蓋層厚度（山頂?shù)剿矫骈g距離）計(jì)算的自重應(yīng)力要小得多。z 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)自重應(yīng)力的分布也有影響