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礦山巖土力學的發展與應用

2016年6月30日()編輯:佚名 閱讀:

  巖土力學作為工程類的基礎性科學,廣泛應用于各個生產領域,而礦山巖土力學是其的一個重要分支,主要用于研究深部土層和破裂巖體,以彈塑性力學為基礎的巖土力學已廣泛地應用于工程實踐,隨著對礦山研究的進一步深入,巖土力學將在礦區生產中發揮越來越重要的作用。

  當今世界各國都在大力發展能源產業,礦產資源的開采成為各國能源開采利用的支柱,但由于不合理的開采利用,使得安全事故頻有發生,如何減少事故的發生率和事故的傷亡成為當今礦業發展的重中之重。而礦山開采過程的事故大部分是因為巖土處于不同開采環境下體現出不同的力學性質和應力應變規律等性質,因而針對巖土性質的復雜特性(非連續性、含氣、各向異性、非均質性、多孔性及含水、介質的多樣性等特性),深入研究,合理開采礦產資源成為當今礦業發展的重點內容。

  巖土力學科學的提出是由采礦工程界完成的,由于開采過程中會遇到不穩定的巖體,影響開采的進程,甚至發生礦山安全事故。于是礦區的彈塑性巖土力學、巖石斷裂力學、巖石損傷力學等相繼得到深入的研究,并取得了豐碩成果。

  彈塑性巖土力學

  巖石力學是根據彈塑性力學建立的科學,在50年代取得了大方面的發展,所取得的成就主要是位移場的數值分析、巖土應力場和巖土本構關系。

  1 巖土的本構關系

  巖土力學不同于其他力學的基礎是巖土在承受變化負載的情況下反映出的應力和應變的關系。同時其至少有3個主應力,3個主應變,7個獨立變量和時間。在我們作圖的時候,以3個主應變作為坐標軸構成的空間稱為應變空間,以3個主應力作為坐標軸構成的空間稱為應力空間。描述弱化特性時,無論加載或卸載,應力空間中主應力之和都將減小,所以不能判斷是否有增量。若利用應變空間的描述,就能將此問題解決。

  2 巖體的位移場和應力場

  巖體穩固性是利用巖體應力場和位移場來判斷的。它包括三種力場,即擾動巖體應力場、位移場、和原巖應力場。在非線性力學還存在困惑的今天,可用迭代方法滿足工程要求,開啟了巖石力學定量分析的階段。另外,巖土力學在使用通用程序時,它和機械工程或土建工程不同,機械零件與土建結構是在建造完成后受載,即先開洞后加載,而巖土工程則是在原巖應力場內建造,即先加載后開洞。但任一測量方法都會對原巖進行擾動,影響實測的準確性。

  巖石的斷裂力學

  雖然Griffith曾提出脆性斷裂理論,但真正開始研究巖石斷裂力學是在70年代。它認為在裂縫以外是連續的,裂縫處易產生應力集中,但不一定破裂,顯然強度不能作為判據,而是用斷裂韌度作為判據。在巖石斷裂韌度的測定技術上遇到了困難,并且斷裂力學只研究單裂隙的發展,不能揭示多裂隙巖體的破壞機理,以致巖石斷裂力學的發展難以進展。

  巖石的損傷力學

  在斷裂力學發展緩慢的時候,巖石力學界又把目光投向對巖石損傷力學的研究,它從連續體力學出發,從宏觀角度考慮裂隙對巖石的彈性模數或受力面積的削弱作用,確定損傷變量的方法;試件表面的裂隙變化、用聲波傳播速度與應力的關系,由于損傷變量的試驗技術仍有重重難關,所以現在研究的范疇還是彈塑性巖石力學。

  非連續巖體力學

  在地質變動過程中巖石會產生很多裂縫、節理等弱面,并且在形成過程中也會產生很多層理面和分隔面。在巖石工程周圍的巖體會沿弱面脫離或滑移,這樣使應力應變不連續。所以把巖體的非連續性考慮在內,才能更好地研究地下工程周圍出現的巖層移動、巖石冒落、邊坡滑動等課題。

  非均質巖土力學

  巖土處于彈性階段時,可以把巖土看做均勻介質,但進入塑性變形階段后,特別是塑性弱化階段,塑性變形集中于某一斷面,過去習慣用塑性應力與應變作巖土特性曲線,并沒有發現塑性變形的規律,當改用塑性變形與應力作巖土特性曲線時,發現塑性弱化的特點是塑性弱化曲線是相互平行的直線。我們將直線的斜率稱為弱化系數,建立塑性變形模型,分析了巖土從塑性變形到破碎的原理。

  巖體能量釋放

  因為巖體呈多軸壓縮態,所以在進行開挖時,會使巖體某一方向的應力發生變化,導致破裂。研究顯示:當巖體所承受的最大主應力大于單軸抗壓強度時,且在最小主應力減小過程中,巖體蘊藏的能量足以使自身破碎,巖石沖擊就是在應力狀態改變時,能量突然釋放,巖體穩定應改用能量判據,不應簡單采用材料力學方法。

  高溫燒結巖石力學

  能源利用的又一發展方向是煤層地下氣化,必須將煤層經過高溫燃燒才能使煤層氣化,所以煤層燃燒的范圍又成為礦山力學研究的新內容。燃燒效率低,而且會引起地面塌陷的問題,為控制科學的燃燒范圍,必須研究高溫燒結下巖體的穩定性及其力學性質。

  多相介質力學

  現今,大多數人認為巖土力學是固體力學中的一個分支。然而在實際上,巖體不僅具有固體骨架,還充滿著液體和高壓氣體。二氧化碳等氣體與煤層具有吸附性,在固體形變過程中具有重要作用。必須全面考慮流、固兩相介質的相互作用及各自特性,多相介質力學可以在流體力學與固體力學的最新成果基礎上創立。

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