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        矿山岩土力学的发展与应用

        2016年6月30日()编辑:佚名 阅读:

          岩土力学作为工程类的基础性科学,广泛应用于各个生产领域,而矿山岩土力学是其的一个重要分支,主要用于研究深部土层和破裂岩体,以弹塑性力学为基础的岩土力学已广泛地应用于工程实践,随着对矿山研究的进一步深入,岩土力学将在矿区生产中发挥越来越重要的作用。

          当今世界各国都在大力发展能源产业,矿产资源的开采成为各国能源开采利用的支柱,但由于不合理的开采利用,使得安全事故频有发生,如何减少事故的发生率和事故的伤亡成为当今矿业发展的重中之重。而矿山开采过程的事故大部分是因为岩土处于不同开采环境下体现出不同的力学性质和应力应变规律等性质,因而针对岩土性质的复杂特性(非连续性、含气、各向异性、非均质性、多孔性及含水、介质的多样性等特性),深入研究,合理开采矿产资源成为当今矿业发展的重点内容。

          岩土力学科学的提出是由采矿工程界完成的,由于开采过程中会遇到不稳定的岩体,影响开采的进程,甚至发生矿山安全事故。于是矿区的弹塑性岩土力学、岩石断裂力学、岩石损伤力学等相继得到深入的研究,并取得了丰硕成果。

          弹塑性岩土力学

          岩石力学是根据弹塑性力学建立的科学,在50年代取得了大方面的发展,所取得的成就主要是位移场的数值分析、岩土应力场和岩土本构关系。

          1 岩土的本构关系

          岩土力学不同于其他力学的基础是岩土在承受变化负载的情况下反映出的应力和应变的关系。同时其至少有3个主应力,3个主应变,7个独立变量和时间。在我们作图的时候,以3个主应变作为坐标轴构成的空间称为应变空间,以3个主应力作为坐标轴构成的空间称为应力空间。描述弱化特性时,无论加载或卸载,应力空间中主应力之和都将减小,所以不能判断是否有增量。若利用应变空间的描述,就能将此问题解决。

          2 岩体的位移场和应力场

          岩体稳固性是利用岩体应力场和位移场来判断的。它包括三种力场,即扰动岩体应力场、位移场、和原岩应力场。在非线性力学还存在困惑的今天,可用迭代方法满足工程要求,开启了岩石力学定量分析的阶段。另外,岩土力学在使用通用程序时,它和机械工程或土建工程不同,机械零件与土建结构是在建造完成后受载,即先开洞后加载,而岩土工程则是在原岩应力场内建造,即先加载后开洞。但任一测量方法都会对原岩进行扰动,影响实测的准确性。

          岩石的断裂力学

          虽然Griffith曾提出脆性断裂理论,但真正开始研究岩石断裂力学是在70年代。它认为在裂缝以外是连续的,裂缝处易产生应力集中,但不一定破裂,显然强度不能作为判据,而是用断裂韧度作为判据。在岩石断裂韧度的测定技术上遇到了困难,并且断裂力学只研究单裂隙的发展,不能揭示多裂隙岩体的破坏机理,以致岩石断裂力学的发展难以进展。

          岩石的损伤力学

          在断裂力学发展缓慢的时候,岩石力学界又把目光投向对岩石损伤力学的研究,它从连续体力学出发,从宏观角度考虑裂隙对岩石的弹性模数或受力面积的削弱作用,确定损伤变量的方法;试件表面的裂隙变化、用声波传播速度与应力的关系,由于损伤变量的试验技术仍有重重难关,所以现在研究的范畴还是弹塑性岩石力学。

          非连续岩体力学

          在地质变动过程中岩石会产生很多裂缝、节理等弱面,并且在形成过程中也会产生很多层理面和分隔面。在岩石工程周围的岩体会沿弱面脱离或滑移,这样使应力应变不连续。所以把岩体的非连续性考虑在内,才能更好地研究地下工程周围出现的岩层移动、岩石冒落、边坡滑动等课题。

          非均质岩土力学

          岩土处于弹性阶段时,可以把岩土看做均匀介质,但进入塑性变形阶段后,特别是塑性弱化阶段,塑性变形集中于某一断面,过去习惯用塑性应力与应变作岩土特性曲线,并没有发现塑性变形的规律,当改用塑性变形与应力作岩土特性曲线时,发现塑性弱化的特点是塑性弱化曲线是相互平行的直线。我们将直线的斜率称为弱化系数,建立塑性变形模型,分析了岩土从塑性变形到破碎的原理。

          岩体能量释放

          因为岩体呈多轴压缩态,所以在进行开挖时,会使岩体某一方向的应力发生变化,导致破裂。研究显示:当岩体所承受的最大主应力大于单轴抗压强度时,且在最小主应力减小过程中,岩体蕴藏的能量足以使自身破碎,岩石冲击就是在应力状态改变时,能量突然释放,岩体稳定应改用能量判据,不应简单采用材料力学方法。

          高温烧结岩石力学

          能源利用的又一发展方向是煤层地下气化,必须将煤层经过高温燃烧才能使煤层气化,所以煤层燃烧的范围又成为矿山力学研究的新内容。燃烧效率低,而且会引起地面塌陷的问题,为控制科学的燃烧范围,必须研究高温烧结下岩体的稳定性及其力学性质。

          多相介质力学

          现今,大多数人认为岩土力学是固体力学中的一个分支。然而在实际上,岩体不仅具有固体骨架,还充满着液体和高压气体。二氧化碳等气体与煤层具有吸附性,在固体形变过程中具有重要作用。必须全面考虑流、固两相介质的相互作用及各自特性,多相介质力学可以在流体力学与固体力学的最新成果基础上创立。

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