【正文】 機上變形能就會急劇迅速地釋放，使巖石試件發(fā)生炸裂式破壞，這與采礦工程和巖土工程中巖石實際破壞現(xiàn)象不一致。巖石到C點發(fā)生玻壞，C點即為強度極限；（4）CD段，巖石的破壞是一個漸進的發(fā)展過程，即巖石在C點達到強度極限以后仍有一定的承載能力，在低于強度極限的壓力下應(yīng)變繼續(xù)擴大，直到壓力降到某一較小值，巖石在D點達到完全破壞。一些實驗表明，如果三向應(yīng)力都相等，巖石則不會發(fā)生破壞。而在三向壓縮時，由于三向應(yīng)力限制了粒子的位移，使位移減少，因此變形曲線的塑性段變長，隨側(cè)壓增加，會產(chǎn)生很大的塑性變形，最后才進入破壞，強度極限也有所提高。從彈一粘體流變模型可看出，當(dāng)應(yīng)變保持不變時，由于總的應(yīng)變對時間的變化率可得 解此微分方程得：當(dāng)t=0時，初始應(yīng)力為 C= 所以 可以得出曲線如圖1－6（C） ，即為一條衰減曲線。 圖1－3 巖石的典型變形曲線 圖1－4 巖石的典型流變曲線 圖1－5 巖石流變力學(xué)介質(zhì)模型a—馬克斯威爾模型及其應(yīng)變－時間關(guān)系曲線；b－開爾文模型及其應(yīng)變－時間關(guān)系曲線9．試推導(dǎo)彈粘體流變模型的蠕變方程和松弛方程，并通過該方程分析這種模型的力學(xué)特性。從曲線可看出，開始加載的瞬時，試件立即有一個應(yīng)變（OA），稱為瞬時彈性應(yīng)變，AB段，應(yīng)變不斷增加，但應(yīng)變速率不斷降低，這一段稱為第一階段流（蠕）變，又稱為短暫流變，BC段，應(yīng)變以穩(wěn)定恒速增長，稱為第二階段流（蠕）變，又稱為定常流變，CD段，應(yīng)變以加速度增長，稱為第三階段流（蠕）變，又稱為加速流變。流變性與塑性不同，當(dāng)應(yīng)力取消后，有一部分變形是可以恢復(fù)的，也就是說，由于時間而形成的巖石流變過程中，既包括有不可恢復(fù)的變形，也包括有瞬時彈性變形。彈性模量指巖石在彈性變形階段“”曲線的斜率，如圖的OA段。應(yīng)該說明，巖石變形過程中往往彈性和塑性是共同出現(xiàn)的。也是在驗室測定。膨脹力是指巖石式件浸水飽和后膨脹所產(chǎn)生的最大內(nèi)壓力。巖石遇水后強度降低，塑性、粘性增加，這就給項板管理及巷道維護帶來困難，一些巷道遇水后底板形成底鼓也影響生產(chǎn)。因此，碎脹性對工作面頂板管理有重要意義。（1）巖石的比重，其中巖石固體部分實體積，故可求出三塊砂巖試塊的比重分別為．砂巖平均比重（2）巖石的天然容重可分別求出：砂巖的平均天然容重 （3）巖石的于容重可分別求出：砂巖的平均干容重（4）孔隙度（5）空隙比5．什么叫巖石的碎脹性？研究它有何意義？巖石的碎服性和巖石的擴容有什么區(qū)別？答：巖石的碎脹性是指巖石破碎后散亂堆積的體積比破碎前整體狀態(tài)下增大的特性，一般用表示，即：?？梢娍紫抖群涂紫侗仁欠从晨紫缎缘闹笜?biāo)。它的單向抗壓強度低于 30Mpa，多數(shù)遇水膨脹，具有流變性，有的松碎潰散。它的初次垮落步距大于25m，對工作面具有明顯或強烈的初次和周期來壓作用。但我國煤礦對劃分堅碩巖層和松軟巖層還沒有一個明確統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。巖石的結(jié)構(gòu)是指決定巖石組織的各種特征的總合，如顆粒的大小、形狀、連結(jié)特征、膠結(jié)物類型、存在孔隙情況等，而巖石的構(gòu)造是指組成巖石的礦物顆粒之何，以及它與其它組成部分之間的排列方式和充填方式，如巖石可屬于整體構(gòu)造，多孔狀構(gòu)造和層狀構(gòu)造等。巖體強度可采用現(xiàn)場測定方法確定，但一般耗資較大，近年來也發(fā)展了一些新方法，如聲波儀等。一般來說，巖體可看作由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組成。當(dāng)拉應(yīng)力超過材料抗拉強度時，就會從裂縫端部開始發(fā)生破壞。莫爾強度理論的準(zhǔn)則就是反映應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的“”強度包絡(luò)線，它可以通過實驗室?guī)r石實驗數(shù)據(jù)求得，如直線型包絡(luò)線是通過抗剪強度實驗求得，又稱“庫侖一莫爾”強度準(zhǔn)則，雙曲線型、拋物線型包絡(luò)線都是通過單向抗拉強度和單向抗壓強度的實驗求得。一般情況下，三向抗壓強度＞雙向抗壓強度＞單向抗壓強度＞抗剪強度＞抗彎強度＞單向抗拉強度。剛性實驗機實驗表明，巖石破壞一般要經(jīng)歷一個過程，如圖1－1所示。不同類型的巖石對采掘工程影響不同。因此．學(xué)習(xí)本章的重點應(yīng)放在對基本概念的掌握和運用上。通過各種手段對現(xiàn)場進行監(jiān)測，來研究礦壓規(guī)律。1）理論研究。 由于礦山壓力的作用在巷道、回采工作面引起的一系列力學(xué)現(xiàn)象，如圍巖的變形或擠入巷道，巖體破壞、移動或冒落，煤體被壓碎、片幫或突然拋出，支架的變形或破壞，充填物產(chǎn)生壓實，巖層和地表的移動或塌陷等，這些由于礦山壓力作用使巷硐周圍巖體和支護物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為礦山壓力顯現(xiàn)，簡稱為礦壓顯現(xiàn)。準(zhǔn)確地定義了礦山壓力、礦山壓力顯現(xiàn)以及礦山壓力控制的概念。二、習(xí)題1．什么是礦山壓力和礦山壓力顯現(xiàn)？答：地下巖體被采動以前，在其自重的作用下形成的原巖應(yīng)力是處于平衡狀態(tài)的。2．什么是礦山壓力控制？答：在大多數(shù)情況下，礦壓顯現(xiàn)會對采礦工程造成不同程度的危害，為使礦壓顯現(xiàn)不致影響采礦工作正常進行和保障安全生產(chǎn)，必須采取各種技術(shù)措施把礦山壓力顯現(xiàn)控制在一定范圍內(nèi)，并對有利于采礦的礦山壓力加以利用。主要有解析分析方法、數(shù)值分析方法、模糊分析、概率分析、隨機分析、靈敏度分析、趨勢分析等方法2）實驗室試驗。4．礦山壓力與巖層控制的研究和發(fā)展方向是什么？答：為適應(yīng)采礦工業(yè)的發(fā)展，礦山壓力與巖層控制不斷開創(chuàng)新的研究領(lǐng)域：①采場礦壓理論與控制體系，包括巖層控制的關(guān)鍵層理論、放頂煤高產(chǎn)高效開采技術(shù)和高產(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)，包括采動影響巷道礦壓理論、煤巷錨桿支護技術(shù)、圍巖注漿加固及充填技術(shù)和巷道底臌控制技術(shù)；③開采新方法、新工藝和新技術(shù)，包括煤炭地下氣化、“三下”環(huán)保開采、地?zé)岬拈_發(fā)利用等；④礦井深部開采和高地應(yīng)力引起的沖擊地壓的預(yù)測和預(yù)報。 1．巖石的組成 巖石是組成地殼的基本物質(zhì)，它由各種造巖礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律組合而成。在巖石力學(xué)文獻中，巖石一般指單塊巖石，又稱巖塊。稱為巖石的應(yīng)力應(yīng)變的應(yīng)力應(yīng)變曲線，它說明巖石應(yīng)力達到破壞值后，仍有一定承載能力。3．巖石的破壞類型和強度理論 無論在何種受力狀態(tài)下，礦山巖石發(fā)生破壞的基本形式有兩種：1）莫爾強度理論。 2）格里菲斯強度理論。 4．巖體的力學(xué)性質(zhì)巖塊實驗所得的巖石性質(zhì)與天然巖體力學(xué)性質(zhì)有很大差別,其強度相差往往高達一、兩個量級。結(jié)構(gòu)面即通常所說的弱面，包括巖石物質(zhì)分界面和由地質(zhì)構(gòu)造等原因形成的不連續(xù)面，結(jié)構(gòu)體是指由不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面相互切割而形成的單原體，由于巖體存在結(jié)構(gòu)面，因此，它的性質(zhì)與巖石性質(zhì)有很大區(qū)別，一般表現(xiàn)為非均質(zhì)產(chǎn)性，各向異性和不連續(xù)性。二、習(xí)題 1．自然狀態(tài)下的巖石，按固體礦物顆粒之間的結(jié)合特征分為幾類？巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造有何區(qū)別？煤礦的礦山巖體的結(jié)合特征和構(gòu)造屬哪類？答：自然狀態(tài)下的巖石；按其固體礦物顆粒結(jié)合特征，可分為固結(jié)性、粘結(jié)性、散粒狀和流動性巖石。煤礦中遇到的巖石絕大多數(shù)是沉積巖，有較明顯的層理，屬層狀構(gòu)造。一般來說，在煤礦開采中，頂板中存在有堅硬的老頂時，就可能出現(xiàn)周期性強烈的礦壓顯現(xiàn)，有時會造成工作面大面積冒頂或切頂事故。在煤礦實踐中，可以將此類巖層看為堅硬巖層。在松軟巖層中開掘巷道，巷道變形嚴重，變形壓力大，很難維護，支護成本高，是煤礦支護的一大難題?？紫抖萵是巖石中各種孔隙、裂隙體積的總和與巖石總體積之比，孔隙比e是巖石中各種孔隙、裂隙體積的總和與巖石內(nèi)固體部分體積之比。處于整體狀態(tài)下的體積，為巖石破碎后堆積的體積。礦山巖體大都存在節(jié)理、裂隙，屬于節(jié)理巖體，節(jié)理巖體在變形過程中會由于楔效應(yīng)或轉(zhuǎn)動效應(yīng)形成體積擴大的現(xiàn)象，如圖1－2，這種節(jié)理巖體在變形過程中體積增大的現(xiàn)象， 叫巖石的擴容，它與巖石破碎后散亂堆積形成休積增大的碎脹性有本質(zhì)不同。另一方面，由于巖石有一定的軟化性，包括象砂巖這樣堅硬的巖石浸水后強度也會降低，因此可利用巖石這一性質(zhì)來軟化頂板。此時試件的含水率為最大飽和含水率。7．什么叫巖石的彈性、塑性和流變性？彈性模量與變形模量有何區(qū)別？塑性和流變性有何區(qū)別？答：巖石受力后既可能出現(xiàn)彈性變形，也可能出現(xiàn)塑性變形。如圖23為巖石的典型變形曲線。由于巖石的變形往往是彈性和塑性共同出現(xiàn)的，故按圖13示，彈性模量指巖石在整個受載變形過程中，外載形成的應(yīng)力與彈性應(yīng)變之比，即或（在有后效彈性變形時）變形模量則是指外載形成的應(yīng)力與全部應(yīng)變，包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變之比，即式中 ——塑性應(yīng)變。8．巖石的典型流變曲線和流變力學(xué)模型有什么區(qū)別？ 答：巖石的流變性是指巖石在長期靜載作用下，應(yīng)力應(yīng)變曲線隨時間延長而變化的性質(zhì)，巖石的流變性在不同的巖石中差別很大。當(dāng)應(yīng)變達到某數(shù)值D時，最終引起試件破壞。答：彈一粘體流變模型又稱為馬克斯威爾模型，由一個彈性元件和一個粘性元件串聯(lián)而成（如圖1－6a）。 10．巖石三向壓縮時的變形特征與單向壓縮時變形特征相比有何特點？巖石在三向壓縮條件下是否會發(fā)生破壞？圖1－7 花崗巖在常溫和不同側(cè)壓三向壓縮的變形曲線答：自然條件下的礦山巖體絕大多數(shù)處于三向壓摘狀態(tài)，因此，由實驗得到的三向壓縮下的巖石變形更符合自然條件下礦山巖石的變形規(guī)律，單向壓縮下的變形是三向壓縮下的一個特殊情況，即圍壓等于零（）條件下的變形。這也說明巖石的彈和塑性是相對的，性它與巖石的受力狀態(tài)和受力大小有關(guān)。11．什么叫巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€？這一過程對研究巖石性質(zhì)有何意義？為什么說它真實地反映了巖石的破壞過程？ 答：巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€，又稱全應(yīng)力一應(yīng)變曲線，是在剛性實臉機上得到的，反映巖石加載后變形和破壞全過程的試驗曲線。這一段卸載曲線CD，稱為后破壞曲線或峰后特性曲線。而剛性實驗機由于其剛性遠大于試塊剛度，就能使巖石破壞過程繼續(xù)發(fā)展，所得結(jié)果與工程中巖石的破壞現(xiàn)象是一致的。目前，巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€仍在研究中。的抗剪強度實驗， 、12kN ，求頁巖的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角，并繪出巖石的抗剪強度曲線。由于直接拉伸試件加工困難，目前已不采用。（4）為巖石抗拉強度的劈裂法實驗，理想破壞形式是沿加載的鉛垂線劈開，如圖1－11e 。也就是說，材料某一點發(fā)生破壞，不僅取決于該點的剪應(yīng)力，同時取決于正應(yīng)力，即沿某一面剪斷時剪應(yīng)力與正應(yīng)力存在著一定的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)裂縫周圍拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強度時，就會由于裂縫的擴展而造成巖石的破壞。15．根據(jù)莫爾強度理論，通過實驗求巖石強度包絡(luò)線的常用方法有哪幾種？哪種在礦山巖石力學(xué)中應(yīng)用較廣泛？答：莫爾強度理論的強度條件的普遍形式是，關(guān)于表達曲線形式，要根據(jù)實驗結(jié)果來確定。但應(yīng)指出，如果需要由計算求壓拉比，就必須知道巖石的內(nèi)摩擦角。而該巖石在作三向抗壓強度實驗時，當(dāng)側(cè)壓時（無側(cè)壓），Rc＝82 . 6MPa ，求側(cè)壓力時其三向抗壓強度等于多少？答：（1）內(nèi)摩擦角所以 （2）計算當(dāng)側(cè)壓為5Mpa時的三向抗壓強度根據(jù) 得：18．試作出單向拉伸、單向壓縮、雙向拉伸、雙向壓縮、雙向不等拉壓、純剪、三向等拉、三向不等壓和三向等壓的應(yīng)力圓（設(shè)壓應(yīng)力為正，分別為最大，中間、最小主應(yīng)力）。（6）純剪時，和為絕對值相等的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，故為一圓心在坐標(biāo)原點，半徑為的圓，如圖1－13中應(yīng)力圓 6 。（8）三向不等壓時，最大主應(yīng)力，最小主應(yīng)力，為圓心在半徑為的圓，如圖1－13上應(yīng)力圓 9（9）三向等壓時，由于，故為一點（，0），由于莫爾強度曲線在壓應(yīng)力區(qū)不閉合，所以三向等壓時無論壓力多大巖石都不會破壞，該點如圖1－13上點7。第二點（，30，）如圖1－14上應(yīng)力圓2，正好與包絡(luò)線相切，說明是極限應(yīng)力圓，處于極限狀態(tài)，破壞。同理可求出：第二點（，30， )，〔〕＝ ＝＞〔〕，顯然破壞。第四點（1000，1000，1000），〔〕＝，= 1000 ＜〔〕，不破壞。由于抗剪強度隨正應(yīng)力線性變化，故符合直線型包絡(luò)線，可據(jù)此進行計算。有時稱為巖塊。顯然，巖石是組成巖體的基本單元，巖沐的特征除了受巖石基本特征的影響外，還受結(jié)構(gòu)面的影響。（4）巖石內(nèi)礦物顆粒接觸較緊密、充填物膠結(jié)較好，可認為是連續(xù)體，在研究其受載下變形和破壞時可利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法；而巖體由于受結(jié)構(gòu)面的影響，一般屬于非連續(xù)體，研究其受載下的變形和破壞時一般不能應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法； （5）巖石的強度特征是整體強度較為均一，而巖體由于結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組合特征不同，整體強度懸殊很大。當(dāng)，剪切面正好與弱面重合，巖體強度等于弱面的抗剪切強度，顯然，這時巖體強度最小。如果將圍巖壓力提高到 10MP 時，該節(jié)理面對巖體強度有無影響？答：（1）按巖體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角在圖1－17上畫出直線型包絡(luò)線Ⅰ；按節(jié)理面內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角在圖上畫出直線型包絡(luò)線Ⅱ；（2）當(dāng)不考慮弱面影響時，可據(jù)下式求出在圍壓為6MPa時的軸向抗壓強度據(jù)，可畫出極限應(yīng)力圓a；此極限應(yīng)力圓a在弱面莫爾直線型包絡(luò)線外，連接AP兩點，176。夾角弱面影響的軸向抗壓強度，據(jù)，可畫出極限應(yīng)力圓b，即為受與水平面成30176。夾角的節(jié)理面（弱面）對巖體強度仍有影響?？梢姰?dāng)節(jié)理面與水平面夾角大于35176。（2）同理可求出不考慮弱面圍壓等于6MPa時的巖體三向抗壓強度據(jù)此又可畫出三向受壓極限應(yīng)力圓c，與結(jié)構(gòu)面包絡(luò)線Ⅱ交與H′點，連接AH′，可量出當(dāng)節(jié)理面與水平面夾角大于40176。的推力P直到巖體沿AB面剪切破壞。（1）目前，應(yīng)用最廣的是莫爾強度理論。顯然，莫爾強度理論更符合巖體實際所受的復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。莫爾強度理論主要缺陷有二：一是它沒有考慮到中間主應(yīng)力的影響，二是它以材料剛進入破壞時的極限應(yīng)力為破壞準(zhǔn)則，不能反映材料破壞的漸進性，特別是在高圍壓情況下。一些人用它來研究巖石中裂隙擴展和破壞問題，以及巖石的壓縮破壞機理，近年也有人據(jù)此分析巷道錨噴支護前后裂紋應(yīng)力場的變化，解釋錨噴機理。這一理論考慮到了巖石的三向受力襖態(tài)，包括中間主應(yīng)力，與塑性材料的實驗結(jié)果符合，在塑性力學(xué)中稱為馮——米賽斯破壞準(zhǔn)則，因此在研究巖石的塑性破壞時有應(yīng)用，但距廣泛應(yīng)用還有很大距離。目前國內(nèi)外應(yīng)用的方法有：（1）點荷