东北大学岩石力学讲义对《矿山岩体力学》特点难点与课程结构的一

1、对矿山岩体力学特点、难点与课程结构的一些思考（矿山岩体力学代绪论）摘 要：阐明作为地质体力学的岩体力学既是固体力学的一个独特分支，又是工程地质学的研究对象。指出矿山岩体力学教学上的难点在于：既要运用逻辑演绎的方法，又大量使用经验归纳方法；由于以问题为导向，内容十分丰富；因为尚未成熟且在不断发展中，难以提供一个完整的理论框架。在此基础上，提出了矿山岩体力学课程的基本结构。还提出了加强基础，提高起点，通过对岩体结构划分和典型岩体结构的力学分析，将固体力学一般原理和工程地质方法有机地结合到一起，建立理论与工程实践的桥梁，使学生具有较大发展潜力的教学指导思想。关键词：矿山岩体力学，固体力学，岩体结构，

2、工程地质，课程结构前言采矿工程是一个重要的工程技术领域，也是一门应用科学。像任何一个工程领域一样，采矿工程有它自己的理论基础。除了数学、物理、化学这些基础学科外，一般认为，力学、热力学、电磁学和传热学，这四个介于基础和应用之间的学科构成了多数工程学科的直接基础1。不同工程领域根据研究对象的区别，以上述一门或几门学科作为其主要的理论基础。一个相对独立的工程领域形成的依据，是它所涉及对象和研究问题的独特性。“科学研究的区分，就是根据科学对象所具有的特殊矛盾性，因此对某一现象的领域所特有的某一种矛盾的研究，就构成一门科学的对象”2。“在采矿作业中经常遇到的，最简单最基本的过程，便是从岩体中破碎出岩块

3、来，同时在被破碎的岩体中形成空间，又要加以维护，以保持该空间的稳定性” 3。“破碎岩石和防止岩石破碎，是采矿工程所特有的根本矛盾”3。这是采矿工程与机械工程、电子电气工程、通讯工程、航空航海工程、动力工程等工程领域的根本区别，是采矿成为一个独立的工程领域的依据。尽管采矿工程中也有机械、电子、电气、计算机、化学、材料等方面的问题，但它们都是围绕，并为了解决上述根本矛盾展开的。本身不具有学科意义上的特殊性。研究岩石破碎和采矿空间的稳定，必然涉及岩体的应力、应变、位移、破裂、破坏和强度，这些问题是岩石力学研究的内容，因此，岩石力学是采矿工程的基础。一、岩石力学是固体力学的一个独立分支岩石力学是固体力

4、学的一个分支。这首先表现为，岩石力学研究力场作用下，岩体的变形、破坏和岩体结构的稳定性。力学的普遍原理，如质量守恒、动量守恒和能量守恒及其一般形式(方程)也是岩石力学的基本方程。固体力学的一些基本原理，如最小势能定理、最小余能定理、虚功定理、互等定理等也是岩体力学的基本定理，至今还在岩体力学的理论分析与数值计算上发挥着关键作用。力学对于变形体的研究从运动几何学、动力学和材料特性三个方面展开，并且服从基本的热力学规律。岩石力学中对岩体变形与破坏的研究也需要从这些方面着手，也不能违反热力学的基本规律。尽管近年来岩石力学界对连续介质假设提出了许多质疑，但该假设仍是岩石力学中最重要和应用最广的假设，而

5、且大部分质疑并没有从理论上和逻辑上推翻连续介质假设。到目前为止，岩石力学中并没有出现与固体力学有实质差别的方程，因此，在固体力学中适用的数学方法同样适用于岩石力学。在岩石力学数值计算中占主导地位的有限元法更是直接从固体力学中引入的。其次，从内容上看，岩石力学的理论部分(J. C.耶格和库克称之为“岩石力学科学”4)包括了弹性力学、塑性力学、断裂力学、固体流变学、损伤力学、孔隙弹性理论、弹性波和结构力学。除了孔隙弹性理论包含渗流力学的内容外，上述学科都在固体力学的范围内。从岩石力学的发展看，近年来出现的新的数学方法、突变理论、分叉理论等，在固体力学与岩石力学中都有应用，但它们不是从岩石力学中首先

6、发展起来的。国际岩石力学学会的前任主席C. Fairhurst(查尔斯. 菲尔赫斯特)说，“岩石力学问题的现实解答，必须包括一般力学原理与由实验室和野外的观察、试验建立起来的审慎的物理见解的综合。”这清楚地表明了，岩石力学是固体力学的一个分支。应变弱化是岩石特有的力学性状，其独特性在于，固体力学的所有其他分支都不考虑材料的应变弱化。按照所研究对象力学性状的不同，连续介质力学，包括固体力学，被划分为几个不同的分支学科，如弹性力学、塑性力学、热弹性力学、固体流变学等。根据这一划分原则，岩石力学不仅是固体力学一个分支，而且是一个独特的分支。岩石力学与固体力学其它分支的区别，还在于岩石是具有内部结构的

7、材料(矿物组成与排列、节理、裂隙、断层等)。按照近代关于物质结构的理论，任何材料都具有内部结构，如金属材料的晶体结构，但是对金属材料和高分子材料，只有在研究极小尺度上的问题时，才需要考虑材料的内部结构。在机械、化工等工程领域中，涉及固体变形和强度的问题时，其外部特征尺度远大于材料内部结构的尺度。因此，可以忽略内部结构的细节，只需要考虑内部结构的平均效果。通过对材料样品力学性质的测试，就可以得到反映这些平均效果的物性参数。例如，对厘米级钢材样品的试验结果，在几百米尺度的船舶上也适用，跨度达34个数量级。但是对岩石很难找到这样一种基本尺度，在这个尺度上测出的岩石物性参数，在一个较大的尺度范围内仍然

8、成立。如实验室对厘米岩石样品测试得到的力学性质参数，与分米级的岩石样品的力学性质参数不同。同样毫米级的岩石样品的力学参数与厘米级的岩石样品的力学参数不同。这是因为岩石的内部结构在各个尺度上都存在，结晶颗粒和晶粒结构的尺度是毫米级或比毫米更小。节理、裂隙的尺度分布范围从几个厘米到几米。小断层可延展几十米到几百米，大断层可延展几公里到几十公里，而著名的圣安德列斯断层则长达几千公里。由此可以看出，由于金属和高分子材料的内部结构小于某一尺度，在工程关心的宏观尺度上，其内部结构的影响可以方便地采用平均化的方法处理，因此是非本质的。但是对岩石材料，由于在各个不同的尺度上都存在，原则上无法采用平均化的方法处

9、理。因此具有内部结构是岩石材料的一个区别于金属材料、高分子材料和其它人工材料的本质属性。为了研究的方便，岩石常常被看成连续介质，象金属、高分子材料和流体一样。由于岩石作为地质体有大大小小的节理、裂隙、断层。因此，许多研究者认为，岩石是被结构面切割的块体，不能被看作连续介质，提出了新的模型。这些模型可以考虑结构面和块体的变形，以及结构面和块体不同的力学特性。但连续介质方法允许研究对象有有限个间断面。对这类块体模型的运动分析、变形分析、应力分析仍然离不开连续介质方法。另一类块体模型认为，块体之间有相对运动，但块体本身是刚性的。这类模型是真正的非连续介质模型，采用结构力学的方法进行研究。但深入的研究

10、表明，将块体视为完全刚性的很难模拟工程岩体的真实行为。因此常常需要考虑块体的局部应力集中、压碎效果等。岩石块体的这些行为涉及块体的变形，因此不能将块体视为刚性的，仍然要借助于连续介质方法。材料与结构的变形、破坏、失效是固体力学所有分支的共同问题，但是矿山岩体力学还有它自身独特的问题。1、在采矿工程中，不仅要破坏岩体，还要将岩体破坏变成岩块、岩块破坏成碎块、碎块进一步破坏成岩屑。因此需要研究岩体的不断的、持续的破坏，寻找其中的规律。也就是说需要研究岩石破碎。这是固体力学的其他分支都不研究的问题。2、在采矿工程中不但允许岩体的局部破坏，并且经常有意识地造成部分岩体的破坏，以保证整个岩体结构的稳定性

11、。这种以部分岩体的破坏为代价以换取岩体结构总体稳定性的方法是采矿工程和岩石工程特有的方法，由此而产生的研究课题也是岩体力学特有的并且不为固体力学其他分支所研究的独特问题。3、机械、航天航空、船舶、化工等行业中，结构通常受拉应力的作用，在拉应力场中，材料破坏的开始与结构失效(破坏)的区别一般并不重要。因此在拉应力场居优势的有关研究中，对材料破坏和结构失效之间的差别经常予以忽略。在采矿工程和岩石工程中，岩石常常受到压应力的作用。在压力场中，从岩体开始破坏到岩体结构的失效是一个发展过程，因此需要研究岩石破裂过程。4、不同尺度岩石(同类岩石)的力学性状是不同的，对各种尺度的岩石都进行试验，以得到它们的

12、力学性质参数不但很不经济，实际上也没有可能。因此研究不同尺度的岩石之间力学性质的关系是岩体力学特有的问题。对这种关系的研究现在常称为岩石的尺寸效应和应力梯度效应。5、载荷是引起材料和结构的破坏的主要因素之一。在机械、土木、航海、航空等工程问题中载荷是纯粹的外部因素，结构可能承受的和允许承受的最大载荷比较容易估计。但在岩体力学中，当我们研究某部分岩体的变形、破坏时，它是受载体，但是这部分所受到的载荷来自与它有紧密联系的周围岩体，因此岩体既是受载体又是施载体。受载的岩体所承受的来自于周围岩体的载荷既取决于与受载岩体的力学行为，也取决于围岩，即施载岩体的力学性能。这就是说某一岩体结构所承受的载荷取决

13、于该岩体结构与围岩的相互作用，这是岩体力学所特有的且不为固体力学其他分支所研究的特殊问题。岩石应力应变全程曲线的后半部分，即过峰值强度后岩石的应力应变关系并不完全是就与试验机与岩石的相互作用有关。施载体与受载体相互作用在某些重要的岩体力学问题中，比如岩爆的研究中问题中是关键问题。6、作为一门理论科学，固体力学采用抽象化的方法研究物体的力学行为，因此在固体力学中除了代表物体力学性能的必要的力学参数外，我们看不到实际的物体。因此对于只看到。没有对于具体对象更详细和生动的描述。物体的研究，对象的力学行为。研究。服从同样的守恒律和热力学规律，采用同样的运动、变形分析方法，同样的数学工具和手段，表明岩石

14、(体)力学是固体力学的一个分支。具有应变弱化的本构特性和具有内部结构的地质材料，并有独特的、不同于固体力学其它分支的问题，表明岩石力学是固体力学的一个独立分支。二、岩石力学是一门工程学科岩石力学是伴随采矿工程而产生的。当时面临的问题是评价有用矿物的“可采掘性”和回采空间的稳定性等。由于在采矿工程的早期，科学技术远不象今天这样发达，因此发展了一套以经验为主的解决工程问题的方法。如用“岩石坚固性系数”评价岩石破坏和破碎的难易程度，自然平衡拱理论解释支架受力等。土木工程、机械工程等都以人工材料(金属、混凝土、高分子材料)等为结构材料或建筑材料。而各类岩土工程，如边坡工程、地基工程、隧道工程、水利工程

15、等，既以天然岩体为岩体结构材料也以天然岩体为建筑材料，并以岩体所处的环境为建筑环境。而在采矿工程中，岩体不仅是工作对象(如将有用的矿物从周围岩体中剥离出来)，也是采矿结构(采场、巷道、井筒等)的主要组成部分。由于岩体是地质材料，对其物理力学性质的了解，远比各类人工材料困难，因此也更重要。建筑物所处的建筑环境，是建筑物设计和评价的重要因素。各类岩土工程的建筑环境，就是其所处的地质环境。主要包括，构造地质和岩体结构，地应力、地下水和地温等，还有气象、水文、地震等环境。岩体工程和特别是采矿工程的地质环境处于不断变动之中。为解决上述问题发展起了许多测试技术与方法，如实地测量岩石强度的点荷载方法，以及在

16、此基础上规范化的ISRM方法，测量准岩体强度的超声波法和PQD方法，以及各种岩体质量的评价方法。固体力学可以定性地解释上述方法的正确性，却没有一种实际可行的途径，从固体力学的一般原理建立这些方法。从这些技术的产生和发展看，它们主要是在工程实践经验的基础上发展起来的，具有很强的工程学特征。在岩石力学早期产生的基于工程经验的方法和概念，如普氏坚固性系数，经长期的实践被证明是一个有效的和实用的方法，至今仍在矿井设计中起重要作用，而一些基于经验的概念，如冒落平衡拱、铰接岩梁和砌体梁假说，在层状地层压力和控制中仍起着重要作用。力学作为一门理论科学在方法论上的一个主要特点是从最基本的原理和对象的最基本的性

17、质出发，进行预测。在岩石力学中，虽然力学的基本原理仍然适合，但由于地质材料固有的不均匀性，基于实验室的测试结果，很难作为岩石的基本性质，直接推广到工程问题中。为了指导工程实践，发展了各种分类方法和分级方法。如评价岩石破裂难易程度的岩石坚固性分级。评价岩体钻进难易程度的可钻性分级，评价巷道围岩稳定性的岩石稳定性分级。对于不同的岩体工程，由于岩石赋存情况和地质环境的差别，以及工程特点的不同，在一个部门适合的分级标准，不能不加改变地直接推广到另一个部门。考虑到岩体的地质属性，对于岩体工程而言，最重要的一个分类是岩体地质结构的分类。按照岩体结构力学的观点，岩体不应被看做材料，而是视为结构，在一定的地质

18、环境中，不同的结构有不同的力学行为。以上这些分级和分类方法是定性的，用打分的方法评价好坏，没有绝对的标准，与力学的定量研究有很大区别，反映了岩石力学作为一门工程学科的属性，也是岩石力学作为一门工程学科的主要内容。三、矿山岩体力学的特点与难点岩石力学的发展有两条不同的途径，一条是从固体力学的一般原理出发，考虑到岩体的特殊力学性质，运用逻辑演绎的方法进行研究。另一条是从经验出发，在大量的实践的基础上归纳出对工程问题有一定指导意义的规律。这两条路径各有短长，时而交叉、时而分离，既能相互补充，也经常发生背离与矛盾。这种情况仍然是当前岩石力学研究的现状。因此矿山岩体力学的一个特点是，它既是一门理论学科，

19、又是一门实践性很强的工程学科。在近代科学的发展史上，有两种主要的科学传统：一种是博物学传统，在一定程度上可称之为归纳法。地质学、地理学、植物学，都是在博物学的传统下发展起来的。达尔文的进化论是在博物学传统下进行研究的典范；逻辑演绎是另一种主要的科学传统，是人类长久以来的一种热望，也可以看作无神论和唯物论者的一种信仰，如笛卡儿在方法论中所说的“这一长串的推理简单而又容易，这使我想到，凡人的认识所及的情况也许会与此相似，只要我们拒绝接受那不真的事情为真，并且遵守必要的演绎程序从一个结论推到其他，那就不会有什么遥远而我们不能达到的事情，也没有什么因为深奥而我们不能揭示的事情了”。在这一传统下的典范是

20、数学的公理化体系。从牛顿到爱因斯坦的物理学，也基于这一传统。这两种科学传统，本身并不矛盾，但它们具有不同的气质，很少有人能同时擅长这两种方法。比如既是出色的数学家，又是杰出的地理学家的人极少。岩石力学作为固体力学的一个分支，主要运用逻辑演绎的方法，但作为一门工程学主要应用经验归纳的方法。在一门课程中，同时运用这两种方法，对教与学都是一个难点。岩石力学的第二个特点是，它是以问题为导向的，其对象是工程环境下的复杂系统，无法像自然科学那样把对象孤立起来，研究精确、普遍而又深刻的规律。既然是以问题为导向，那么需要什么就引入什么。因此虽然作为固体力学的一个分支，岩石力学具有不同于固体力学其他分支的特殊问

21、题，但为了研究工程环境下岩体的行为，还是应用了固体力学的几乎所有分支，如弹性力学、弹性动力学、塑性力学、断裂力学、损伤力学、流变力学、结构力学、冲击动力学、应变波理论、热弹塑性等等。同时作为一门工程学科，岩石力学介于工程地质学、地质学、矿物学和采矿学之间。因此，岩石力学或矿山岩体力学的内容十分丰富，这是岩石力学的又一个难点，也是对教学的一个极大挑战。自从有了采矿业，就有了岩石力学，因此岩石力学的历史很长。同时核电站的建设、核废料的储存、地热开采、石油的战略储备，矿井岩爆、深部矿产资源的开采等，不断提出新的岩石力学问题。从岩石力学自身的发展来看，岩石细观结构与宏观力学响应之间的关系，破坏的应力梯

22、度理论、渗流与变形、传热的相互作用，应力腐蚀、岩石破裂过程、矿山岩体结构平衡稳定性和岩爆是需要深入研究的问题。突变理论、分叉理论、神经网络与人工智能，分形、耗散和混沌理论等新的思想、工具和方法被不断地引入到岩石力学研究中。与此形成对照的是，力学的其他分支，如弹性力学和流体动力学，也是处于不断发展之中的学科，但它们已经具备了基本的理论框架，形成了一套行之有效的基本观点和研究方法。因此是处于不断发展中的成熟学科。一个学科成熟的标志之一，是有了一个物理的和数学的模型作为真实对象的代表，通过对这个模型的研究，寻找真实对象实际行为的规律。虽然模型不能像镜子一样，面面俱到地反映对象的全部细节，但已包含了对

23、象的主要特征。连续介质曾经是岩体的一个模型，但实践表明该模型对岩体的地质结构考虑不够，岩体的一些主要特征没有包含在内。考虑到岩体的地质属性，地质力学理论重视岩体结构面对岩体工程稳定性的影响。但过分强调了节理、裂隙的作用，过分依赖于经验，忽视了理论的指导作用。岩石力学的发展表明，该学派完全反对将岩体作为连续介质也是不正确的，因为包含了节理、裂隙的岩体，在大范围和大尺度上仍可视为连续介质，对连续和不连续的划分，依具体的工程问题和处理方法而定，没有绝对统一的标准 7。上述两种模型都有缺陷，但分别抓住了岩体的某一方面的特征。新近发展起来的岩体结构理论认为岩体结构控制了岩体的变形、破坏。抛弃了将岩石作为

24、一种材料的观点，将岩体结构作为基本对象进行研究，着重于岩体结构的力学效应。试图弥合地质力学学派与连续介质观点之间的差距，该理论还在发展之中，还不能使岩石力学像弹性力学和流体动力学那样，具有公认的理论基础。因此，矿山岩体力学的第三个特点是，它是一个处于不断发展之中的，同时尚未成熟的学科。这意味着难以向学生提供一个完整的理论框架和一套基本思想，作为他们今后研究岩石力学、解决岩石工程问题的基础。四、矿山岩体力学的课程结构从上面的讨论可以看到，矿山岩体力学是介于多个学科之间的边缘学科，且处于不断发展之中，内容十分丰富，作为本科生的专业基础课，无法在有限的学时内将矿山岩石力学的各个方面都讲清楚，由于尚不

25、成熟，也难以提供一套完整的、基本的理论框架。从岩石力学发展历史、现状和内容看，固体力学的一般原理仍是岩石力学中基本的和长久起作用的内容，尽管不能不加分析地将固体力学移植到岩石力学中。另一方面，具有节理、裂隙等弱面是岩石作为地质体的主要特点，对各种地质结构面的调查、统计、分类及按结构面和被结构面切割的岩块的特性，划分岩体结构类型是矿山岩体力学中属于工程地质学的内容，与固体力学的一般原理有很大差别。归根到底，岩石力学是研究有内部结构面的岩体的应力、应变、破坏，并解决工程岩体结构稳定性的问题，因此固体力学的一般原理，工程地质的相关知识和研究方法，是矿山岩体力学中的主要内容，不能偏废。作为一门学时有限

26、而又重要的专业基础课，我们认为以下内容是该门课程的主要内容：1、结构面的类型和力学特性，岩体结构分类以及分类的地质依据和工程依据；2、岩石(体)的变形特性和破坏条件，地质环境(地应力、地下水、地温)对岩体力学行为的影响及分析方法；3、典型的岩体工程结构，如矿柱、采场、井筒、边坡等的力学分析方法，各种支护结构的设计计算；4、工程岩体稳定性评价方法的介绍和岩体稳定性现场监测技术的介绍。通过课程的学习，学生应该具有如下基本能力：1、初步具有按照地质特征和工程特点划分岩体结构的能力；2、针对典型的岩体结构进行力学分析的能力；3、掌握工程实用的计算方法(围岩稳定性、支护计算与设计、围岩应力等)；4、初步

27、掌握运用力学的基本定理、方法，从岩体结构建立模型的能力。课程的重点是岩体结构的划分、建模以及岩体结构的力学分析。课程的难点是岩体地质结构对岩体力学性能的影响。针对课程的重点和难点，我们强调了从地质和工程的角度划分岩体结构类型，对典型结构用固体力学的一般原理进行分析，从结构体之间的相互作用(由结构面的力学行为体现)引入结构受力约束，将固体力学一般原理和工程地质方法有机地结合到一起。为了达到以上教学目标，还要注意处理好以下关系：1）、岩石结构分类的工程地质方法和岩石结构应力、应变、破坏的力学分析方法的结合；2）、理论与应用的关系，即从地质特征和工程特点出发，经过适当的简化与抽象，建立简化的便于分析计算的力学模型；3）、应用工程实用的计算方法，进行定量分析，应用定量分析计算的结果指导工程实践；4）、经典内容与近代发展的关系，在着重固体力学一般原理和工程地质知识的基础上，对岩石力学的若干近代课题做简略的介绍。为此我们先后对矿井岩爆机理、岩石破裂过程、渗流与变形的相互作用、人工智能与神经网络的应用等问题作了介绍，起到了打开学生视野的作用。考虑到岩石力学同时具有理论科学和工程学科的属性，岩石力学内容丰富，岩石工程技术不断更新，岩石力学不断发展的特点，我们的指导思想着重加强理论基础，提高起点，通过对岩体结构划分和工程实用计算依据的分析，