高等岩体力学

矿山岩体力学分析中的系统方法
摘要：首先用系统思想认识矿山岩体这一复杂力学分析对象，考察复杂岩体系统的特性。

然后在矿山岩体的力学分析中引入系统科学的分析方法并论述了相关的问题。

提出：发展系统方法与力学方法、岩石工程实际三者相结合，是解决复杂矿山岩体力学分析问题的有效逢径。

关键词：力学分析矿山岩休系统模拟
1 问题的提出
科学研究的对象是客观自然界，自然界中的实际对象往往很复杂。

事物的客观规律又具有较强的隐蔽性，而科学研究的目的在于从客观存在的大量错综复杂的现象中发现事物的本质和规律。

采矿工程学科研究的对象是自然界的地层，称为岩体。

它是长期遭受到地质运动而被破坏过的岩石。

也是具有多种层次的结构体，包括(地壳)板块、断层、裂隙、层理及节理等，因此说，矿山岩体是一个极其复杂的结构体。

岩石力学是研究岩石及岩石结构的力学性能和力学行为的理论和应用学科，它以岩石为研究对象。

探讨岩石对其周围物理环境中力场反应的力学分支。

问世几十年来，解决了大量的工程问愿，获得了广泛的应用。

但随着岩石工程结构的日益复杂，岩石力学遇到了许多难以克服的困难，尤其是对复杂岩体的力学分析，所得结果与实际情况往往相去甚远，使得工程界很长一个时期以来一直以经验为主来指导复杂岩体结构的设计与施工。

科学研究是从同题着手的，面对十分复杂的岩体结构，如何进行较为精确的力学分析。

使力学分析的结果与实际情况相近?对于这个问愿的解决，许多岩石力学工作者作了大量的努力，但仍未从根本上取得成效。

计算技术和数值方法的发展曾使人们产生极大的希望，但在多年的研究之后，问题并无大的改观。

近年来人们认识到系统科学方法的作用，开始用系统观点来观察和认识事物。

用系统科学方法来指导问题的解决。

本文想依此观点和方法对矿山岩体的力学分析做些探讨。

2 认识矿山岩体中的系统思想
唯物辩证的思维方式突出的特点是把自然界看成是一个有千丝万缕联系的有机整体。

现代系统思维继承和发展了辩证的整体性思维方式。

系统是由两个以上的要素组成的整体，各要素之间．要素与整体之间以及整体与环境之间存在着一定的有机联系，从而在系统内部和外部形成一定的结构和秩序．由此可知，世界上的任何事物都可看作是由诸要素组成的系统。

矿山岩体是一个存在于特定地质环境中的复杂系统，这是因其具有的以下6个特征所决定的。

一，矿山岩体赋存于地壳体中，它由许多相互作用的岩块通过结构面而有机组成；二，矿山岩体的构造具有层次性，一方面它包含有许多岩层和岩块，另一方面它又被它所存在的地质构造所包含；三，矿山岩体是一个具有特定功能的有机整体，岩体的整体性能不是各岩块性能的简单迭加，岩体性能与岩块性能有较大差异，它还受到结构面性能的影响；四，矿山岩体经历了年代久远的地质运动，结构内各岩层的分布以及岩层内节理、裂隙等分布不均匀，其构造具有一定的复杂性I五，随着采矿工作的进展，回采空间的形状与规模、数量在时间与空间上均发生变化口]，矿山岩体中的应力同样处在不断变化之中并互相影响；六，矿山岩体存在于地质环境中，不断地与外界有着物质的和能量的交换．因此是开放的系统。

经典岩石力学建立在模型对原型的结构模拟之上，一般适用于分析确定型的、结构清晰的力学模型。

对于复杂系统的矿山岩体来说，经典岩石力学难以弄清结构探部的地质构造，
因此对其结构的认识具有一定的模糊性。

再则．由于岩体内材料性能分布有很强的不均匀性，个别点上的材料性能参数与整体性能参数有很大的差异，这一点经典岩石力学是无法分析清楚的。

3 矿山岩体力学分析中的系统方法
3．1 矿山岩体力学的特征决定了熹统方法的引入是必须的
现代科技发展的综合化要求矿山岩体力学的研究必须是科学实验、理论分析及工程验证等几个环节紧密结合并相互促进。

就其力学分析方法而言有两大类．一类是建立在物理模拟基础上的分析方法(实验法)，通过制作与实体相似的模型来研究原型的力学行为。

对于一个系统的数学模拟又有两种形式；一种是结构模拟I一种是功能模拟。

系统的结构是指系统内部要素之间相互联系，相互作用的形式和方式；系统的功能是指系统整体与外部环境相互作用的关系[”。

系统的结构决定功能；但功能对于结构有相对的独立性。

有时组成系统的要素及结构都不同，但却具有相似甚至相同的功能{有时系统的结构相同，但却具有不同的功能。

矿山岩体这一天然系统，其结构是非常复杂的，非线性，不均匀性及各向异性等非理想特性较强，而常规的岩石力学解析与数值分析采用结构模拟的方法，对原型建立结构相似的模型进行力学分析，其结构模拟是以系统的结构清晰为前提的。

因此结构模拟方法主要用于简单结构，对无法全部弄清构造及宏观材料特性的确切标定的矿山岩体而盲，是不能满足要求的。

于是，对于复杂的矿山岩体系统分析，就想到了采用功能模拟的方法。

给定一个系统的结构之后，采用一定的手段可以使设定结构具有与原型相似的功能。

事实上功能模拟在许多颁域已有丁成功的应用，如人脑系统及心脏系统等复杂系统的模拟都是功能模拟应用的典型例子。

3．2 矿山岩体系统的敷学模拟应该是结构模拟和功能模拟的结合
矿山岩体系统又有其特殊性，不能照搬已有的生物系统等复杂系统的模拟方法。

在那里的模拟是纯粹的功能模拟，根本不要求其结构相似，而矿山岩体系统的变形模拟就不宣采用完全的功能模拟，而应该是与结构模拟相结合。

这是因为矿山岩体的变形是随着结构被不断地开挖而发生的，变形前后的结构已发生了许多变化，如弹塑性区的转移、破坏区的扩大等等，从而导致对于同样的外部作用两者的反应却不同。

因此，对复杂的矿山岩体系统的数学模拟应该是结构模拟和功能模拟相结合，而不是单纯的结构模拟或功能模拟。

具体地说。

在建立矿山岩体的力学分析模型时，对已知的结构变化即开挖出的部分宜采用严格的结构模拟，对开挖空间的深部岩体及其它知之不详结构在作模型结构假定时，应尽可能结合已有的工程地质经验和勘探资料进行分析，以期更准确地建立原型的模拟系统。

3．3 功能模拟法建立的矿山岩体的力学分析模型有别于传统的岩石力学分析模型由于引入了系统科学方法建立了复杂矿山岩体力学分析模型，所以与旧模型相比有如下两点不同。

旧的岩石力学分析模型必须与原型结构相似。

不适用于复杂岩体系统的模拟}系统方法即功能模拟方法建立模型时可以采用黑箱或灰箱方法，对于难以弄清的部分结构，可以不必分析系统内部的结构，只要使模型与原型总体行为和功能相似即可。

并且还可以通过简化功能的方法，使模型只模拟原型的部分功能。

对于矿山岩悻而言，人们最关心的是开挖空间之后围岩体的位移和变形规律，在建立分析模型时，只要模型与原型的变形功能相同即可，这样主要矛盾得到了强调和突出，极大地提高了求解问题的效率。

在经典的岩石力学分析中，模型只是一种认识原型的手段，而采用功能模拟方法建立的模型，模型本身就是研究目的之一一方面功能模拟的模型可以用来预测和研究原型未来的行为和功能，进一步认识原型的结构与功能本质，详细了解岩体原型在施工条件及外部环境作用下的变形机制与行为规律；另一方面利用功能模拟方法建立的岩体模型，可以研究控制矿山岩体变形所需采取的措施，逸一点对指导矿山岩体工程的设计与施工尤为重要
3．4 引入系统科学方法后的矿山岩体力学求解方法是确定型的
这是因为引入系统方法之后的矿山岩体力学模型仍然是确定型的数学模型，因而能够直接继承原有的力学分析求解方法，相应地，所需要的求解手段也具有确定型。

因此，模型确定之后，求解的手段没有改变。

4 结语
复杂系统的范围十分广泛，它不仅包括非线性系统，而且也包括线性系统。

从原则上讲。

世闻一切系统都有不同程度的复杂性，对于不同层次的复杂系统必须用不同的处理方法。

系统科学方法引^矿山岩体力学分析中的研究历史尚短，很多方面还不完善。

在发展力学分析求解技术的同时，发展系统方法与力学方法、岩石工程实际三者相结合的实用技术具有重要意义。

参考文献
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3 璩思录．系统工程．重庆，重庆大学出版社。

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