矿山压力与岩层控制(第一章)

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：①不连续性；（物质不能充满空间，有空隙存在）②各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同）③不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性质都不相同）④岩块单元的可移动性；⑤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ρ：真密度——单位体积岩石（不包含空隙）的质量：其中：ρ—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），m3CSVMSMCV2、岩石的视密度ρ′：视密度——单位体积岩石（包括孔隙）的质量式中：ρ′—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）γ：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,γ干容重———105—110℃烘干24小时（至恒重）,γd饱和容重——岩石孔隙吸水饱和（水浸48小时）状态下,γwVM‘MV‘10VWMgW4、岩石的相对密度（比重）Δ：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，m3γW——4℃同体积纯水重量，kN/m3WCSVW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。n—e关系：岩石的孔隙性对围岩强度、变形、含水影响很大。cVVe0%1000VVn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。VVKp1VVKp'1'‘11//VVV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。ccwRR0010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。HHVHDDVD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20r／s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。）%2srdmmI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：直线型弹脆弹塑下凹型塑弹上凹型弹粘平缓型塑弹塑S型二、岩石单向压缩变形性质：1、轴向变形：2、横向变形；E1E12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：①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：E)(fddEttEEpeE0EddEttEpeE0tE②泊松比μ：（变形传递能力）泊松比μ——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，μ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，μ最大为0.5。)③剪切摸量G——剪切虎克定律比例系数。④拉梅常数λ——将应力应变联系起来的弹性常数。⑤体积摸量Kv——体积弹性摸量。yx5、岩石变形中的扩容现象：①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。②体应变——变形后的体积增量与变形前体积之比。③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32121Edvdvzyxv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、μ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103APRc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。,const)(tconst)(t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。长时强度强度瞬时强度典型蠕变曲线瞬时应变初始应变定长蠕变加速蠕变4、粘性—岩石的粘性是指岩石在外力作用下变形不能在瞬间完成，且应变的速率随应力的变化而改变，当外力撤去后，不能恢复其原始状态的性质。理想的粘性岩石材料，其应力—应变速率曲线呈直线关系，并且通过原点。这种应变速率随应力而改变的变形称之为流变变形或流动变形。(a)完全弹性体(b)完全粘性体(c)刚-塑性体3、蠕变曲线：岩石蠕变的类型：稳定蠕变（低应力）不稳定蠕变（高应力）典型蠕变曲线：（蠕变三阶段）初始蠕变阶段——应变增加，但应变增加速率降低；定常蠕变阶段——应变增加速率保持不变；加速蠕变阶段——应变增加速率迅速增加，直至破坏。稳定蠕变不稳定蠕变第三节岩石的破坏机理和强度理论本节介绍：岩石试件抗压、抗拉、抗剪、三向抗压强度及测定岩石的极限强度——岩石破坏时所能承受的最大应力。研究岩石强度的意义：①作为岩石分类以及巷道、采煤工作面，顶板分类的主要指标；②判断工程稳定性的强度准则的基本参数；③地下工程变形区域计算的判据。一、岩石的采样与加工：实验所测岩石的各种强度均不是岩石的固有性质。强度指标要受试件尺寸大小、三维比例、形状规格、含水、加载速率等因素影响。国际岩石力学学会（ISRM）对标准试件进行了规定，不标准的要予以修正。要确保试验岩样的天然状态。岩样应具有一定的代表性。钻孔采样时应尽量垂直于层面打孔，偏斜角不大于0.5°。采取的岩(煤)块规格大体为长×宽×高=20×20×15cm。上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直径差不大于0.2mm。试件端面垂直于试件轴的偏差不大于0.001rad。圆柱形试件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ长方体试件：边长L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L二、岩石的单向抗压强度：单轴抗压强度——岩石在单轴压缩下，破坏前所能承受的最大压应力。1、试验测试：试验设备：普通压力机（60t、100t、200t）试件：φ5cm，高径比为2的圆柱体（或5*5*5立方体），每组不少于3块；（国际ISRM规定高径比为2.5—3，我国为1—2—2.5）加载：0.5—1.0MPa/s；2、试件破坏形式：X型共轭斜面剪切破坏—软塑性岩石多发生，属压剪破坏；单斜面剪切破坏————偶尔发生，属压剪破坏；拉伸（劈裂）破坏———脆硬型岩石多发生，为泊松效应引起。单轴压缩试验机单轴压缩