矿山岩石力学与地压控制-1

3. 层状结构：岩体成层状，结构面间距更小。 4. 碎裂结构：岩体破碎，结构面发育，岩体强度低。 5. 散体结构： 岩体十分破碎，呈散体状。
CSIR分类法
❖ 这种分类法按照岩石试块强度、岩芯质量指 标RQD、节理间距、节理条件（宽度、粗糙 度等）、地下水等情况来打分。最后，按照 每种岩石的总分数来确定岩石的类别。
矿山 岩 石 力 学 与地压控制
余贤斌
第一部分 岩石、岩体、岩体结构 及其对矿山开采的影响
❖ 岩石是人类最早与之打交道的材料之一。人 类利用岩石已经有久远的历史——旧石器时 代、新石器时代。
❖ 人类进行的岩石工程的时间则要晚得多。
❖ 进入铜器时代以后，人类就一直在从事矿山 开采。可以说，没有岩石工程，就没有人类 文明。
❖ 由于岩石(小尺寸的岩石试块)与现场岩体的不同， 由于岩体的力学性质复杂，因此，在工程中，通常 需要对岩体进行分类，根据不同种类岩体的特点， 来进行施工、支护等等。
❖ 冶金矿山传统使用的f系数，也是一种分类：按照岩 石强度分类: f SC 。
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❖ 此法的缺点：未考虑结构面的影响，不全面。 ❖ 改进：加入结构面发育程度：很发育、中等发育、
❖ 云南锡业公司马拉格矿，1958年，因矿区地 面下沉、开裂，全矿搬家，耗资200万元。
❖ 数十年后，废弃的房屋仍然完好无损，没有 发生垮塌。
❖ 如果不是急于搬家，而是开展岩石力学的研 究，这笔损失本可避免。
云锡公司 松树脚矿
❖ 面对采空区顶板大规 模冒落、地表跨山滚 石威胁，没有盲目搬 迁，而是进行攻关研 究。
the arts and sciences ）
❖ 在水利工程和矿山开采方面，有春秋时期修 建的四川都江堰，以及湖北铜绿山的战国时 期的矿山开采遗址。赵州桥和卢沟桥也都是 岩石工程的范例。
四川都江堰
❖ 然而，古代的岩石工程都是建立在经验的基 础上的，没有现代科学技术的指导。自近代 工业革命以来，人类所开展的工程规模越来 越大，古代那样凭经验办事的方式已经不能 满足需要了。
❖ 现代矿山的开采规模以及开采深度都越来越 大，地下矿山的开采深度，已经达到3600多 米，露天矿的开采深度，也已接近1000米。 在这样深度的条件下，会出现许多前所未有 的挑战，许多问题都需要通过岩石力学的研 究来逐步解决。
南非West Deep Gold Mine: 采深超过3600米。
深度达2000米 的竖井
正在修建的二滩电站大坝
❖ 位于四川雅龙江 上的二滩电站： 装机容量330万 千瓦，总库容58 亿m3，最大坝高 240米。岩体工 程明挖800万m3， 地下工程开挖 370万m3，混凝 土及钢筋混凝土 650万m3。
埃及阿斯旺大坝和纳赛尔湖
❖ 坝高110米，长3600米，土石坝，4300万m3，装机容量210万千 瓦，水库蓄水量1640亿m3 (三峡水库：坝高185米，水位为175 米时蓄水量为393亿m3） 。
南非一水坝坝址
水坝开始修建： 基坑
水坝正在修建
正在浇灌 混凝土
工地现场
工地现场
❖这些水电工程规模巨大，投资巨大， 一旦发生溃坝或其它灾害事故，所 产生的后果是人类难以承受的。
❖意大利瓦杨水坝
❖Vajont Dam
❖ 坝高262米， ❖ 底部厚度27米， ❖ 顶部厚度3.4米
1961年，瓦扬水坝完工。 1963年，水坝附近山体发生滑坡。
破坏后的试样
岩石拉伸试验
岩石剪切试验——变角度剪切
变角度剪切
❖ 当剪切模具的角度为
的时候，作用在岩石试 样上的正应力和剪应力 分别用下式计算：
si
Pi A百度文库
c os i
i
Pi A
s
in
i
❖ 式中A为剪切面积
岩石三轴压缩试验
❖ 由压缩和拉伸试验结果，可以获得岩石的抗 压和抗拉强度。
❖ 根据剪切试验结果，用线性回归公式，就可 以计算出岩石强度曲线的参数—内聚力C和 内摩擦角f。
❖ 根据研究结果采取措 施降低后，没有发生 大的破坏和损失。
矿山岩石力学的特点
❖ 与其它部门比较，距地表较深，因而产生了 特殊问题，如深部开采的地压问题、岩爆等。
❖ 矿山地质条件复杂，不能随意选择开采地点。 ❖ 只需要在开采其间保持井巷和采场的稳定性、
开采后不危及地表建筑物即可。因此，在时 间、安全系数的考虑上都低于其它部门。
许用应力[s] 。 ❖ s max可由计算获得， [s] 则在实验室获得材料的强
度，强度与安全系数之比，就是许用应力[s] 。 ❖ 例如，梁的s max可由下式计算：
❖ 复杂的工程，可用s有ma限x 单W元Jmax法y 来计算其中的应力。
岩石强度的测定： 实验室试验
——抗压强度测定
抗压强度测定
破坏后 的试样
❖ 原因：在工程现场，岩石中含有节理、裂隙、 断层等软弱结构面。
节理
节理
褶皱
结构面对岩石工程稳定性的影响
露天矿边坡滑坡
露天破边坡滑坡——楔形滑坡
露天矿边坡滑坡——平面滑坡
❖ 因此，含有软弱结构面的岩体，与不含软弱结构面 的小块岩石，有很大的不同。
❖ 岩体的强度要低得多，变形特性也有很大不同。
岩爆
岩爆
岩爆
岩爆
❖ 早在1970年，就曾经有人对当时世界上最大 露天矿做过计算。结论是，边坡增加1度，
❖ 废石剥离所需要增加的费用将达5000万美元。
❖ 事实上，对于一个开采深度为400米、露天周 边总长度为4000米的露天矿，如果为了增加 安全系数，将边坡坡度增加1度，则增加的剥 离量将达1100万m3，增加的投资将达上亿元。 对于一个开采深度为800米、周界长度相同的 露天矿，则边坡增减1度所对应的工程量将达 4400万m3。
❖ 湖南锡矿山锑矿，1965-1970年间先后发生3 次大规模的地压活动。地压显现时，矿柱大 量倒塌，地面沉陷（最大值＞1m），沉陷范 围达到10万m2。地面出现裂缝，裂缝最宽 2.1m，长度210m。1号主井井架偏斜，冶炼 厂的烟囱出现弯曲变形。
❖ 由于地压活动的发生，矿山资源损失，井下 的通风、运输、排水系统都遭受严重的破坏。
古埃及金字塔
吉萨大金字塔：230万块石头组成，每块重15吨
意大利：古罗马竞技场
意大利：罗马竞技场
❖ 我国古代的科学技术，在世界上长期处于领 先地位（美国中央情报局：The World Factbook）。
❖ （For centuries China stood as a leading civilization, outpacing the rest of the world in
矿山岩石力学研究的主要内容
❖ 1. 保证在开采期间各种井巷和地下硐室的稳 定性。 为此就需要研究巷道周围岩石中的应力分 布、变形和破坏规律，为支护设计提供依据。
❖ 2 . 开采过程中地压活动规律及其控制。 事实上，采矿方法就是按照对地压管理方法来
划分的： 崩落法：用崩落岩石来保护人员的安全； 空场法：回采期间让采场保持空的状态； 充填法：用人工充填物来保护人员安全。 包括采场最优结构尺寸的确定。
❖ 总分＞80分：非常好的岩体； ❖ 61-80分：好岩体； ❖ 41-60分：一般岩体 ❖ 21-40分：不好的岩体； ❖ ＜20分：非常不好的岩体
结论
❖ 岩体是一种复杂的力学介质。结构面的存在 是主要原因。
❖ 矿山工程引发的灾难，也会达到十分严 重的程度。
❖ 1960年，南非一个煤矿发生煤柱大规模垮 蹋的事故，400多名矿工死亡。
❖ 本溪煤矿煤尘爆炸，时间：1942年4月26日。 ❖ 死亡1527人，伤268人。
❖ 由于现代岩石工程投资巨大，不可能采用极 大的安全系数，这就需要开展岩石力学的研 究，以便确定足够而又合理的安全系数。
❖ 因此，即便是一个中等的水电工程，在岩石 力学研究方面，通常也需要投入上千万元的 资金。大型和特大型的工程就更不用说了。 例如，作为与三峡工程密切相关的长江沿岸 链子崖危岩的治理，工程治理费用上亿元。
❖ 因此，实验室得岩石试验是必要的，但它不能取代 现场岩体力学试验。
❖ 然而，现场岩体试验费工费时，成本高昂。地下矿 山往往难于进行。
❖ 即使进行了岩体力学试验，也因岩体力学指标的分 散性，而难于确定“准确的”岩体参数。
❖ 在实际的矿山工程中，通常只能根据室内岩块的试 验结果，进行折减，得到岩体的强度、弹性模量等 参数。
❖ 捷克的一个黏土矿，因大规模的滑坡，掩埋了 邻近的一个村庄，2000多人死亡。
云南省易门矿务局狮凤山矿
❖ 东川矿务局滥泥坪矿，1980年，采空区顶板 发生大规模垮塌，一台停放在坑道内100多 米的电机车，被垮塌时产生的冲击波推至坑 道外数十米。
❖ 江西盘古山钨矿，因大规模地压活动，导致 上万米的坑道下沉、垮塌，大量采场坍塌， 地面下沉、出现裂缝。地压活动影响最大的 一次，光是因巷道和采场垮塌被埋掉的设备， 价值就达20万元。两年后矿山才恢复了生产。
❖ 水电工程中，岩体力学试验要投入大量经费。但最 后使用的参数，仍然需要综合考虑各方面的因素， 对试验结果进行折减。试验结果实际上只取到有限 的参考作用。
❖ 原因：安全系数要取得充分大。
❖ 矿山工程面临的问题则不同。
❖ 首先，资金有限，没有钱做大量试验。
❖ 其次，不是永久工程，万一发生问题，造成的损失 也没有水电工程那样大。
❖2.6亿m3岩石和土滑入水库，掀起 250米高的巨浪。5000万m3水越过 水坝。滑坡体滑动的最高速度达到 110km/s
❖大水摧毁了下游几个村镇，造成 2000多人死亡
❖ 1975年8月7日到8月8日，河南省驻马店地区 因连降大雨，导致板桥、石漫滩两座大型水 库、两座中型水库和数十座小型水库发生溃 坝事故
❖ 1960年，国际岩石力学学会第一届学术会议 在葡萄牙里斯本召开，岩石力学作为一门边 缘学科，正式宣告成立。
Rosha优秀博士论文奖颁奖仪式
岩石力学可包含：
❖ 地学中的岩石力学——地球物理学，研究地 球构造、地震等。
❖ 工程中的岩石力学——涉及矿山、水电、铁 路公路、国防、能源（核废料处理等），等 等部门。
不发育，等等。
按结构体对岩体分类
❖ 这种分类方法不仅考虑岩体的强度，还考虑结构面平均间距、 结构面的特性（强度、表面粗糙度等），更为全面。
1. 整体结构： 当岩体中没有大的软弱构造面，节理裂隙也不 发育，岩石试块强度高，则属于这一类岩石。
2. 块状结构：岩块强度稍低，岩体中局部有破碎结构面。结构 面间距稍小。
❖ 3 . 露天矿边坡稳定性的研究 ❖ 4 . 三下（水体下、建筑物下、道路下）开采问题； ❖ 5 . 防止矿山开采引起的滑坡、山区滚石、尾矿坝
❖ 事实上，大多数矿石那，都从未进行过现场岩体力 学性质试验。
❖ 因此，矿山工程中经常需要针对安全与否、生产如 何决策，作出决定；然而，却缺乏基本试验数据。
❖ 因此，矿山地压问题，在相当大的程度上，还需要 依靠经验来解决问题。
❖ 这是与水电工程相反的情况。
❖ 然而，无论如何，矿山开采中需要研究岩体的力学 性质，因此也就需要研究结构面的力学性质。
❖。
❖。
❖。
露天边坡稳定性问题
❖ 大冶铁矿的一次滑坡，滑下土石方量76万m3。 清理、维修台阶，清除了200万m3，矿山停产 半年。
❖ 攀钢石灰石矿，1981年6月滑坡，1000万吨。 1988年再次滑坡，1550万吨。
❖ 美国怀俄明州的一个高岭土矿的一次滑坡，滑 下的矿岩总量3800万m3，堵塞了河流，形成 了一个60米长的人工湖，导致矿山报废。
❖ 中国的经济大动脉京广铁路被毁102公里，中 断通行18天，直接经济损失近百亿元。
❖ 河南省29个县市、1700万亩农田遭灾，560万 间房屋被毁，1100万人遭灾。
❖ 死难人数超过8万人。
工程设计的主要任务
❖ 使用公式
s max ≤ [s] ❖ 即，工程结构中的应力s max，应小于或等于材料的
剪应力τ/MPa
60 50 40 30 20 10
0 0
y = 1.11971 x + 10.01835 R2 = 0.92198
5
10
15
20
25
30
35
正应力σ/MP a
试验结果如何使用？安全系数该取多大？
❖ 奥地利岩石力学专家Müller的例子：花岗岩， 室内试验的抗压强度为250MPa。
❖ 根据边坡破坏情况反推的现场岩石的抗压强 度：1.25MPa。