【正文】 機(jī)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(shí)際破壞現(xiàn)象不一致。巖石到C點(diǎn)發(fā)生玻壞，C點(diǎn)即為強(qiáng)度極限；（4）CD段，巖石的破壞是一個(gè)漸進(jìn)的發(fā)展過程，即巖石在C點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)度極限以后仍有一定的承載能力，在低于強(qiáng)度極限的壓力下應(yīng)變繼續(xù)擴(kuò)大，直到壓力降到某一較小值，巖石在D點(diǎn)達(dá)到完全破壞。一些實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(jìn)入破壞，強(qiáng)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(shí)，由于總的應(yīng)變對時(shí)間的變化率可得 解此微分方程得：當(dāng)t=0時(shí)，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(shí)間關(guān)系曲線；b－開爾文模型及其應(yīng)變－時(shí)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(shí)，試件立即有一個(gè)應(yīng)變（OA），稱為瞬時(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)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(qiáng)度降低，塑性、粘性增加，這就給項(xiàng)板管理及巷道維護(hù)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(shí)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)烈的初次和周期來壓作用。但我國煤礦對劃分堅(jiān)碩巖層和松軟巖層還沒有一個(gè)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(qiáng)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(qiáng)度時(shí)，就會從裂縫端部開始發(fā)生破壞。莫爾強(qiáng)度理論的準(zhǔn)則就是反映應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的“”強(qiáng)度包絡(luò)線，它可以通過實(shí)驗(yàn)室?guī)r石實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得，如直線型包絡(luò)線是通過抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)求得，又稱“庫侖一莫爾”強(qiáng)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(qiáng)度和單向抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)求得。一般情況下，三向抗壓強(qiáng)度＞雙向抗壓強(qiáng)度＞單向抗壓強(qiáng)度＞抗剪強(qiáng)度＞抗彎強(qiáng)度＞單向抗拉強(qiáng)度。剛性實(shí)驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，巖石破壞一般要經(jīng)歷一個(gè)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(diǎn)應(yīng)放在對基本概念的掌握和運(yùn)用上。通過各種手段對現(xiàn)場進(jìn)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(shí)，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(hù)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(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(jī)分析、靈敏度分析、趨勢分析等方法2）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。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(hù)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(bào)。 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(xiàn)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(dá)到破壞值后，仍有一定承載能力。3．巖石的破壞類型和強(qiáng)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(qiáng)度理論。 2）格里菲斯強(qiáng)度理論。 4．巖體的力學(xué)性質(zhì)巖塊實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度相差往往高達(dá)一、兩個(gè)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(jiān)硬的老頂時(shí)，就可能出現(xiàn)周期性強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，有時(shí)會造成工作面大面積冒頂或切頂事故。在煤礦實(shí)踐中，可以將此類巖層看為堅(jiān)硬巖層。在松軟巖層中開掘巷道，巷道變形嚴(yán)重，變形壓力大，很難維護(hù)，支護(hù)成本高，是煤礦支護(hù)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(kuò)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(kuò)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(jiān)硬的巖石浸水后強(qiáng)度也會降低，因此可利用巖石這一性質(zhì)來軟化頂板。此時(shí)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(gè)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(shí)）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(shí)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(dá)到某數(shù)值D時(shí)，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(gè)彈性元件和一個(gè)粘性元件串聯(lián)而成（如圖1－6a）。 10．巖石三向壓縮時(shí)的變形特征與單向壓縮時(shí)變形特征相比有何特點(diǎn)？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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)臉機(jī)上得到的，反映巖石加載后變形和破壞全過程的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)機(jī)由于其剛性遠(yuǎn)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(qiáng)度實(shí)驗(yàn)， 、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(qiáng)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(qiáng)度的劈裂法實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)發(fā)生破壞，不僅取決于該點(diǎn)的剪應(yīng)力，同時(shí)取決于正應(yīng)力，即沿某一面剪斷時(shí)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(qiáng)度時(shí)，就會由于裂縫的擴(kuò)展而造成巖石的破壞。15．根據(jù)莫爾強(qiáng)度理論，通過實(shí)驗(yàn)求巖石強(qiáng)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(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件的普遍形式是，關(guān)于表達(dá)曲線形式，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定。但應(yīng)指出，如果需要由計(jì)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(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)側(cè)壓時(shí)（無側(cè)壓），Rc＝82 . 6MPa ，求側(cè)壓力時(shí)其三向抗壓強(qiáng)度等于多少？答：（1）內(nèi)摩擦角所以 （2）計(jì)算當(dāng)側(cè)壓為5Mpa時(shí)的三向抗壓強(qiáng)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(shí)，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(diǎn)，半徑為的圓，如圖1－13中應(yīng)力圓 6 。（8）三向不等壓時(shí)，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(shí)，由于，故為一點(diǎn)（，0），由于莫爾強(qiáng)度曲線在壓應(yīng)力區(qū)不閉合，所以三向等壓時(shí)無論壓力多大巖石都不會破壞，該點(diǎn)如圖1－13上點(diǎn)7。第二點(diǎn)（，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(diǎn)（，30， )，〔〕＝ ＝＞〔〕，顯然破壞。第四點(diǎn)（1000，1000，1000），〔〕＝，= 1000 ＜〔〕，不破壞。由于抗剪強(qiáng)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(jìn)行計(jì)算。有時(shí)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(rèn)為是連續(xù)體，在研究其受載下變形和破壞時(shí)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(shí)一般不能應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法； （5）巖石的強(qiáng)度特征是整體強(qiáng)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(qiáng)度懸殊很大。當(dāng)，剪切面正好與弱面重合，巖體強(qiáng)度等于弱面的抗剪切強(qiáng)度，顯然，這時(shí)巖體強(qiáng)度最小。如果將圍巖壓力提高到 10MP 時(shí)，該節(jié)理面對巖體強(qiáng)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(shí)，可據(jù)下式求出在圍壓為6MPa時(shí)的軸向抗壓強(qiáng)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(diǎn)，176。夾角弱面影響的軸向抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(shí)的巖體三向抗壓強(qiáng)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(diǎn)，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(qiáng)度理論。顯然，莫爾強(qiáng)度理論更符合巖體實(shí)際所受的復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。莫爾強(qiáng)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(jìn)入破壞時(shí)的極限應(yīng)力為破壞準(zhǔn)則，不能反映材料破壞的漸進(jìn)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(kuò)展和破壞問題，以及巖石的壓縮破壞機(jī)理，近年也有人據(jù)此分析巷道錨噴支護(hù)前后裂紋應(yīng)力場的變化，解釋錨噴機(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(diǎn)荷