矿山压力与岩层控制(第一章).ppt

矿山压力与岩层控制一、课程性质及任务：矿山压力及其控制是煤矿开采技术专业的必修专业课。任务：应力分布规律1、掌握三个规律岩层移动规律矿压显现规律2、掌握二个原理工作面支架与围岩相互作用原理巷道支架与围岩相互作用原理3、掌握一套方法：矿压控制方法,二、课程学习基本要求：了解各类围岩事故产生的条件、原因和特点；了解矿山压力现场研究的基本方法；初步具备解决、分析矿山压力问题的能力；能针对具体煤层和围岩条件布置巷道和回采工作面；能合理设计回采工作面、巷道的围岩控制方式。,第一章矿山岩石和岩体的基本性质,岩石的物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学中研究最早、最完善的内容之一。本章介绍：岩石的地质构成及分类；岩石物理、力学性质及测定；岩石的破坏机理和强度理论；岩体及其力学特征。,第一节岩石的基本物理性质,一、岩石：岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。（岩石=矿物颗粒+胶结物+孔隙+水）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。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。(结晶、胶结)构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系。（节理、裂隙、空隙、边界、缺陷）矿物、结构、构造是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。,岩浆岩：强度高、均质性好二、岩石地质分类沉积岩：强度不稳定，各向异性(示例)变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关,三、沉积岩石的力学特性：不连续性；（物质不能充满空间，有空隙存在）各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同）不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性质都不相同）岩块单元的可移动性；地质因素影响特性（水、气、热、初应力）（上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为主）,四、岩石的密度与体积力（容重）岩石含：固相、液相、气相。Vo三相比例不同而密度不同。VcV1、岩石的真密度：真密度单位体积岩石（不包含空隙）的质量：其中：岩石真密度，kg/m3岩石实体干质量（不含水分），kg岩石实体体积（不含孔隙），m3,2、岩石的视密度：视密度单位体积岩石（包括孔隙）的质量式中：岩石的视密度，kg/m3岩石的质量，kg岩石的体积（含孔隙），m3分为：天然视密度、饱和视密度和干密度3、岩石的容重（体积力）：容重岩石单位体积（含孔隙体积）的重力，kN/m3式中：W被测岩样的重量,（）kN；V被测岩样的体积，m3天然容重天然含水状态下,干容重105110烘干24小时（至恒重）,d饱和容重岩石孔隙吸水饱和（水浸48小时）状态下,w,4、岩石的相对密度（比重）：比重岩石固体部分的重量和4同体积纯水重量的比值。式中：WS体积为V的岩石，固体部分重量，kNVC岩石固体部分（不含孔隙）体积，m3W4同体积纯水重量，kN/m3,五、岩石的孔隙性反映裂隙赋存于发育状态。1、孔隙率n孔隙体积占总体积的百分比。2、孔隙比e岩石中各类孔隙总体积与岩石实体体积之比。ne关系：岩石的孔隙性对围岩强度、变形、含水影响很大。,六、岩石的碎胀性岩石破碎后自然堆积体积大于原体积的性质。1、初始碎胀系数破碎后样自然堆积体积与原体积之比。2、残余碎胀系数破碎并被压实后的体积与原体积之比。式中：分别为原体积/破碎自然堆积体积/被压实体积。岩石碎胀性对地下采矿围岩控制、矿产及土石方运输等有重要意义。,七、岩石的软化性岩石浸水后强度降低的性质。软化系数饱水岩样抗压强度与自然风干岩样抗压强度的比值。（）越小，表示岩石受水的影响越大。岩石软化性在地下开采围岩管理、地面边坡管理等方面有重要意义。,八、岩石的膨胀性岩石浸水后体积膨胀的性质。（用于评价膨胀性岩体工程稳定性）自由膨胀率无约束条件下浸水后膨胀变形与原尺寸之比。轴向自由膨胀（%）H试件高度径向自由膨胀（%）D直径膨胀性和崩解性对矿井开拓施工和巷道稳定性有不利影响。,九、岩石耐崩解性岩石抵抗水浸后结构破坏的性能。耐崩解指数岩石试件进行烘干、浸水循环试验。（测试：将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以20rs速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按下式计算耐崩解性指数。）,第二节岩石的强度和变形特性工程师对工程材料提出两个问题：1最大承载力许用应力？2最大允许变形许用应变？在岩石工程中要使：实际参数允许指标岩石的力学性质包括：变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律（本节）。强度特性：研究岩石受力破坏的规律（下节）。,一、岩石的弹性和塑性：变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则）1、弹性变形：（缩短为正，压应力为正）,线弹性,非线弹性,滞弹性,线弹性应力应变呈直线关系；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此状态。非线弹性应力应变不是直线关系，卸载时应力应变沿原来的曲线返回原点。呈单向曲线型。基本没有。滞弹性应力应变为双向曲线型，卸载后应力应变沿另一条曲线返回原点。岩石多属滞弹性：,滞弹性应力应变不是唯一的对应关系，应变的产生（变化）较应力的变化有一段时间的滞后。原因：物理学认为，当作用在滞弹性体上的力发生改变时，由于受力体内部物质的粘性或内摩擦的原因，引起变形效应滞后和迟延。滞弹性体具有两个重要性质：弹性滞后由于内摩擦原因，岩石随应力变化出现的变形滞后。弹性后效由于热传导等原因，外力停止变化，而变形仍随时间而缓慢变化。,理想塑性,具有应变硬化的塑性,2、塑性变形：岩石的塑性变形是指岩石在外力作用下当超过其屈服极限应力时仍能发生变形，撤去外力后不能完全恢复其原始状态的性质，亦称残余变形。岩石塑性普遍存在；岩石塑性与岩石的组成、结构、构造及外界环境有关。（颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等）理想塑性超过弹性极限，进入完全塑性状态（极少）；应变硬化超过弹性极限，承载能力随应变增加而增加。,3、一般岩石的变形：瞬时弹性变形后效弹性变形塑性变形岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应力不高阶段，内部结构即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性变形。,岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。有弹塑；塑弹；弹粘塑；粘弹等多种变形特性。典型变形性质：,二、岩石单向压缩变形性质：1、轴向变形：2、横向变形；,普通试验机下岩石应力、应变曲线,脆性岩石应力、应变曲线,塑性岩石应力、应变曲线,试验机,3、全应力应变曲线：,四个阶段：OA原有裂隙压密阶段。弹性模量较小且不是一个常数。AC线弹性阶段，应力应变呈直线关系，B点为弹性极限。CD弹塑性过渡阶段，应力达到2/3峰值强度时，岩石开始有微破裂不断产生，岩石体积有压缩转向膨胀，C点为屈服点。DE破裂后阶段（应力降低阶段、残余应力阶段）,刚性试验机下岩石全程应力、应变曲线,4、岩石的变形指标及其确定：,弹性摸量E：（抵抗变形的能力、应力应变比值）线弹性：直线斜率非线弹性：切线斜率（变形曲线导数）；割线斜率（割线斜率）；弹塑性：弹性摸量：E=加载曲线段切线斜率=卸载曲线段割线斜率；变形摸量：,泊松比：（变形传递能力）泊松比岩石横向应变与纵向应变的比值。在弹性阶段：其为常数。在塑性阶段：不为常数。（严格讲，仅在弹性范围适用，对塑性部分不适用,由于引入变形摸量，塑性区可用，最大为0.5。)剪切摸量G剪切虎克定律比例系数。拉梅常数将应力应变联系起来的弹性常数。体积摸量Kv体积弹性摸量。,5、岩石变形中的扩容现象：扩容现象岩石破坏前，因微裂隙产生及内部小块体相对滑移，导致体积扩大的现象。体应变变形后的体积增量与变形前体积之比。体应变曲线：三个阶段：体积减小阶段0F体积不变阶段F体积扩大阶段FT,纵向,横向,体积,T,三、岩石三轴压缩变形性质：1、三轴实验：（真三轴、假三轴）2、三轴抗压强度：3、三轴变形特征：与单轴试验结果基本类似（E、基本相同）；围压增加三向抗压强度增加；峰值变形增加；弹性极限增加；岩石由弹脆性弹塑性应变硬化转变,干砂岩,湿砂岩,四、岩石流变性质：1、岩石流变性质岩石随时间增长而变化的性质。2、流变现象：蠕变应力不变，应变随时间增加而增长的现象。（当时）松弛应变不变，应力随时间增加而减小的现象。（当时）弹性后效停止加、卸载，应变需经一段时间达到应有值的现象。粘性流动蠕变后卸载，部分变形不能恢复的现象。,与岩石类别有关（粘土矿物岩石蠕变显著）岩石蠕变与应力大小有关（高应力蠕变明显，超过极限应力，蠕变进入不稳定阶段）蠕变试验：时间长；测量要求精度高（用千分表）；载荷恒定。研究蠕变的意义：了解岩石的长时强度。长时强度岩石蠕变破坏时的最低应力值。长时强度对岩土工程更为重要。长时强度强度1m3）岩体=岩块+结构面结构面（弱面）在地质历史形成的具有一定方向、厚度较小和一定延展长度的地址界面。如断层、裂隙、层理、节理、片理。（坚硬无充填结构面、软弱有充填结构面、夹层）结构体（岩块）被各类结构面切割成的岩石块体。（块状、板状）,结构面的接触类型：,岩体=岩块+弱面,二、岩体结构基本类型：（按结构面切割状况及结构体类型分为六种）完整结构块状结构层状结构碎裂结构断续结构散体结构,压密阶段：裂隙被压闭合，纵向变形明显，侧向变形不明显；弹性阶段：结构体开始承载变形，应力应变正比，呈弹性；塑性阶段：过屈服点，结构体变形，结构面产生滑移变形，扩容、应变强化；破坏阶段：强度限后，出现沿结构面滑移和结构体转动，扩容，出现新裂缝。破坏后，由于岩体尺寸大，仍能够靠块体间摩擦承受一定载荷。,一、岩体变形曲线：,第五节岩体的基本力学性质与分级标准,1、岩块的强度：可承受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主：2、结构面强度特征：不能承受拉应力；可承受垂直面的压应力；可承受沿面剪应力（与其上正应力有关）；以剪切破坏为主。,二、岩体的强度特征,岩体强度是岩块、弱面强度的综合反映，介于岩块、弱面强度之间。,3、岩体强度：介于结构面、岩块之间。满足无拉力准则（受拉处即破坏）,1、结构面对岩体强度的影响：,结构面方位对岩体强度的影响,结构面与主应力方向不同，对岩体强度影响不同。结构面位于剪切面位置时，岩体强度最小。,三、岩体的强度影响因素,结构面组数越多，岩体强度越接近结构面强度。结构面组数越多，岩体越呈现各向同性。对现场松散破碎岩体，不能使用岩块强度，只能使用弱面强度或弱面摩擦强度研究破坏问题。,2、试件尺寸各种岩体变形实验表明，岩体强度随试验件尺寸的增大而减小3、环境围压环境围压对岩体(尤其是节理化岩体)变形和强度都产生很大的影响。（1）围压的大小影响岩体的破坏方式。高围压时形成穿切岩石材料的共轭剪切面破坏，低围压时，沿结构面滑动或松胀解体，形成轴向劈裂破坏。（2）岩体抗剪强度随围压的增大而增大，但不是直线关系，在低围压情况下增大得快，高围压增大得馒。（3）围压增大，岩体的变形模量也明显提高。（4）岩体中结构面的力学效应随围压的增大而减小，当围压达到某一临界值时，岩体中结构面效应完全消失此时岩体从脆性破坏变为延性破坏。4、孔隙水压由于孔隙水压的存在，使岩体中固体颗粒或骨架所承受的压力随之减小。岩体强度也就相应地降低。,四、岩体的分级标准,1、RQD分类法其中岩石质量指标RQD值是迪尔（1964）提出的它是钻孔中直接获取的岩心总长度L，扣除破碎岩心和软弱夹泥的长度后的长度，与钻孔总进尺H之比，即RQD(L-)/H。根据它可将岩石划分为五个质量等级。,2、RMR分类法比尼奥斯基利用岩体的“综合特征值”对其进行质量等级划分，考虑完整岩石