矿山岩体力学.docx

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矿山岩体力学

3.岩石的孔隙率：

岩石中各种孔洞、裂隙体积的总和与岩石总体积之比。

4.延性破坏：

岩石破坏之前的变形很大，且没有明显的破坏载荷，表现出显著的塑性变形、流动或挤出，这种破坏称为延性破坏。

5.蠕变：

固体材料在不变载荷的长期作用下，其变形随时间的增长而缓慢增加的现象。

6.结构面线连续性系数：

沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线长度的比值。

7.围岩应力：

在岩体内开挖地下硐室，围岩将在径向、环向分别发生引张及压缩变形，使得原来的径向压应力降低，而环向压应力升高，通常，将这种应力重分布所波及的岩石称之为围岩，重分布后的应力状态叫围岩应力。

8.支承压力：

在岩体内开掘巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，一般将巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支承压力。

9.构造应力：

由地质构造运动而引起的地应力。

10.地应力的间接测量法：

借助某些传感元件或某些媒介，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电磁、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算出岩体中的应力值。

2.作岩石应力—应变全过程曲线示意图，并简述各个阶段特点？

四个区段：

①在区段内，该曲线稍微向上弯曲；②在区段内，很接近于直线；③区段内，曲线向下弯曲，直至点的最大值；④下降段。

第一区段属于压密阶段，这是由于细微裂隙受压闭合造成的；第二区段相应于弹性工作阶段，应力与应变关系曲线为直线；第三阶段为材料的塑性性状阶段，主要是由于平行于荷载轴的方向内开始强烈地形成新的细微裂隙，点是岩石从弹性转变为塑性的转折点，也就是所谓屈服点，相应于该点的应力称为屈服应力；最后区段为材料的破坏阶段，点的纵坐标就是单轴抗压强度。

3.简述具有单结构面的岩体强度如何确定？

可根据莫尔强度包络线和应力莫尔圆的关系进行判断，设图中为节理面的强度包络线；为岩石（岩块）的强度包络线；根据试件受力状态（）可给出应力莫尔圆。

应力莫尔圆的某一点代表试件上某一方向的一个截面上的受力状态。

首先，根据莫尔强度理论，若应力莫尔圆上的点落在结构面强度包络线之下，则试件不会沿此截面破坏。

另外，当结构面与的夹角满足或时，试件也不会沿结构面破坏。

但若应力莫尔圆已和岩石强度包络线相切，因此试件将沿的一个岩石截面破坏。

若应力莫尔圆并不和岩石强度包络线相切，而是落在其间那么此时试件将不发生破坏，即既不沿结构面破坏，也不沿岩石面破坏。

此外，当为定值时，岩体的承载强度与的关系。

水平线与结构面破坏曲线相交于两点，此两点相对于与，此两点之间的曲线表示沿结构面破坏时值，在此两点之外，即<或>时，岩体不会沿结构面破坏，此时岩体强度取决于岩石强度，而与结构面的存在无关。

三、计算题（每小题12分，共3题，共36分）

1．已知一点的六个应力分量为，，，，，试求出该点的三个主应力大小和最大主应力的方向？

解：

（1）由，，，，，求得：

并且由主应力求解方程得：

，求解该方程得三个主应力大小分别为：

，，。

（2）当最大主应力为，其方向可由以下公式计算得：

其中，=3，=0，=0

求解，即得最大主应力在（x，y，z）坐标系下的夹角余弦为（1，0，0）。

2.将某一岩石试件进行单轴压缩实验，其压应力达到28MPa时发生破坏，破坏面与水平面的夹角为60°，设该岩石满足摩尔-库仑破坏准则，

（1）试求该岩石的内摩擦角和粘聚力C，写出摩尔-库仑方程式？

（2）画出此受力状态时的摩尔-库仑破坏准则示意图。

解：

（1）根据摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时的破坏面与水平面的夹角为，并由题意知，所以得岩石的内摩擦角。

再由摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时主应力符合，由题意知岩石单轴压缩实验时，，继而求得。

即得摩尔-库仑方程式为。

（2）

3.在地下400m深处，掘进一个圆形巷道，断面半径为5m，覆盖岩层的容重，侧压力系数为1，试求：

（1）求离巷道壁面2m处围岩的径向应力和环向应力大小？

（2）绘出巷道顶板中线和侧壁中线处的和曲线图。

解：

（1）由题意知该巷道处的垂直应力，并由侧压力系数为1，得水平应力。

由此得该圆形巷道处于静水压力下，此时围岩的径向应力和环向应力表达式为：

再由题意知，式中原始应力，断面半径，离巷道壁面2m处围岩即为距巷道中心距离，代入上式得，。

（2）

四、简答题

1、什么是岩石的硬度？

硬度与抗拉强度的辩证关系是什么？

答：

岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力叫岩石的硬度。

硬度与抗压强度既有联系又有区别，对于凿岩而言，岩石的硬度比岩石单向抗压强度更具有实际意义，因为钻具对孔底岩石的破碎方式多数情况下是局部压碎。

所以，硬度指标更接近于反映钻凿岩石的实质和难易程度。

3、岩石应力应变曲线，并简述各个阶段的特点？

岩石全应力应变曲线可分为四个区段：

①在区段内，该曲线稍微向上弯曲。

属于压密阶段，这是由于细微裂隙受压闭合造成的；②在区段内，很接近于直线。

相应于弹性工作阶段，应力与应变关系曲线为直线；③区段内，曲线向下弯曲，直至点的最大。

为材料的塑性性状阶段，主要是由于平行于荷载轴的方向内开始强烈地形成新的细微裂隙，点是岩石从弹性转变为塑性的转折点，也就是所谓屈服点，相应于该点的应力称为屈服应力；④下降段。

最后区段为材料的破坏阶段，点的纵坐标就是单轴抗压强度。

4、什么是围岩应力？

以及什么是巷道围岩控制原理？

答：

在岩体内开挖地下硐室，围岩将在径向、环向分别发生引张及压缩变形，使得原来的径向压应力降低，而环向压应力升高，通常，将这种应力重分布所波及的岩石称之为围岩，重分布后的应力状态叫围岩应力。

巷道围岩控制原理是：

人们根据巷道围岩压力、围岩强度以及他们之间的相互关系，选择合适的巷道保护及支护方式，降低围岩应力，增加围岩强度，改善围岩受力条件和赋存环境，高效的控制围岩的变形、破坏。

五、综合分析题

1、论述影响岩石力学性质的因素。

答：

有水、温度、风化程度、加荷速度、围压的大小、各向异性等等，对岩石的力学性质都有影响。

现分述如下：

（1）水对岩石力学性质的影响。

水具有连接贯通作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用；

（2）温度对岩石力学性质的影响。

随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低；（3）风化对岩石力学性质的影响。

产生新的裂隙、矿物成分发生变化、结构和构造发生变化。

（4）加荷速度对岩石力学性质的影响。

随着加荷速度的降低，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低；（5）围压对岩石力学性质的影响。

随着围岩的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低；

2、衡量矿山压力显现程度的指标有哪些？

并各有什么特点？

答：

①顶板下沉：

指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对移动量；②顶板下沉速度：

单位时间内的顶底板移近量；③支柱变形与折损：

顶板下沉，回采工作面支柱受载他逐渐增加，柱帽的变形，剧烈时可以观察到支柱的折损；④局部冒顶：

指回采工作面顶板形成局部塌落；④顶板破碎情况：

常常以单位面积中冒落面积所占的百分数来表示；⑥大面积冒顶：

指来回工作面由于顶板来压导致顶板沿工作面切落。

四、简答题

1、什么是全应力应变曲线？

为什么普通材料试验机得不出全应力应变曲线？

答：

在单轴压缩下，纪录岩石试件被压破坏前后变形过程的应力应变曲线。

普通材料试验机整体刚度相对较小，对试件施加载荷产生的反作用力将使试验机构件产生较大变形，当岩石试件被压坏时，试件抗压能力急剧下降，致使试验机弹性变形迅速恢复摧毁岩石试件，而得不到岩石破坏后的应力应变曲线。

刚性试验机在施加载荷时，自身变形极小，储存的弹性能不足以摧毁岩石试件，因此可以得到岩石破坏后的应力应变曲线。

2、岩石蠕动变形的影响因素有哪些？

答：

①岩性及构造因素②压力级因素③围压的影响④温度、湿度的影响⑤其他因素如：

颗粒几何形状、胶状物的特性、颗粒间相互作用等

3、采用锚杆支护时，应如何选择锚杆的类型？

答：

坚硬、厚度状岩体多选用端口锚固型；松软破碎、裂隙发育岩体多选用全长锚固；为增加锚杆作用效果，锚固经常与喷射混凝土、钢筋网、钢板条带等联合使用。

五、综合分析题

1、简述普通压力机和刚性压力机的区别

答：

普通压力机当载荷达到或刚好通过应力-应变曲线的峰值时，岩石试样就会突然的崩解，从而终止实验，不能获得全过程的应力-应变曲线

而刚性压力机是通过增大压力机的轴向刚度来实现的。

目前常采用伺服控制系统通过控制压力机和压板的位移、位移速率及加载速度来改进柔性压力机的缺点，从而获得全应力-应变曲线。

3、什么是蠕变的三个阶段？

什么是稳定蠕变和不稳定蠕变？

答：

初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段称为蠕变的三个阶段，只有初始蠕变阶段和等速蠕变阶段的蠕变是稳定蠕变，具有初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段的蠕变是不稳定蠕变。

4、将某一岩石试件进行单轴压缩实验，其压应力达到40MPa时发生破坏，破坏面与水平面的夹角为60°设该岩石满足摩尔-库仑破坏准则，试求：

（1）该岩石的内摩擦角和粘聚力C？

（2）当对其进行三轴压缩实验，围压为10MPa时，轴向压应力达到多少时岩石破坏？

解：

（1）根据摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时的破坏面与水平面的夹角为，并由题意知，所以得岩石的内摩擦角。

再由摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时主应力符合，由题意知岩石单轴压缩实验时，，继而求得。

（2）当进行三轴实验时，，由摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时主应力符合，即求得，即轴向压应力达到70MPa时岩石破坏。

4、论述岩石力学即其特点

答：

岩石力学是研究岩石的力学性质性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。

主要特点：

1）岩体是非均质各向异性体；2）岩体内存在着初始应力场（原应力场）3）岩体内存在着裂隙系统。

岩体既不是理想的弹性体，又不是典型的塑性体；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。

二、填空题

1.岩石与岩体的关系是岩体是由岩石和结构面组成的

2.岩石的相对密度是指岩石固体实体积的质量与同体积水的质量之比值；

3.岩石的吸水率是指岩石试件吸入水的重量和岩石干重量之比

4.岩体的主要引起岩体应力的变化因素有自重应力、静水应力和构造应力

5.格里菲斯认为断裂破坏是由于物体内部细小的缺陷或微小的裂纹所引起的应力集中的缘故。

6.岩石流变力学特性主要包括：

端变现象、应力松弛、流动特性和长期强度

7.剪胀（或扩容）表示岩石的体积随压应力的增大逐渐增大的现象

8.煤的普氏系数f=Rc/10

9.巷道围岩指的是在巷道周围，出现次生应力场的那部分岩体

10.根据回采工作面前后的应力分布情况，可将工作面前后划分为减压区、增压区、和稳压区。

11.根据破断的程度，回采工作面上覆岩层可分为：

冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

12.采空区处理方法有煤柱支撑法、缓慢下沉法、采空区充填法和全部垮落法。

13.直接顶的完整程度取决于岩层本身的力学性质，直接顶岩层内由各种原因造成的层理和裂隙的发育程度。

14.初撑力是指支柱对顶板的主动作用力。

15.节理裂隙分为原生裂隙，构造裂隙，压裂裂隙。

16.蠕变变形曲线可分为稳定蠕变和不稳定蠕变两类。

17.工作面顶板下沉量与采高及控顶距的大小成正比例关系。

18.岩石的破坏机理有拉断和剪切两种。

19.适合于岩石的两种强度理论是莫尔理论和格里菲斯理论。

20.采区巷道的主要支护形式有基本支护，加强支护，巷旁支护和巷道围岩加固。

21.顶板下沉量是指活柱下缩量、顶梁的压缩量及支柱插入顶、底板量的总和1.岩石力学：

岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论和应用科学，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。

2.半逆解法：

针对所要