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对《矿山岩体力学》特点、难点与课程结构的一些思考（矿山岩体力学代绪论）摘要：阐明作为地质体力学的岩体力学既是固体力学的一个独特分支，又是工程地质学的研究对象。
指出矿山岩体力学教学上的难点在于：既要运用逻辑演绎的方法，又大量使用经验归纳方法；由于以问题为导向，内容十分丰富；因为尚未成熟且在不断发展中，难以提供一个完整的理论框架。
在此基础上，提出了矿山岩体力学课程的基本结构。
还提出了加强基础，提高起点，通过对岩体结构划分和典型岩体结构的力学分析，将固体力学一般原理和工程地质方法有机地结合到一起，建立理论与工程实践的桥梁，使学生具有较大发展潜力的教学指导思想。
关键词：矿山岩体力学，固体力学，岩体结构，工程地质，课程结构前言采矿工程是一个重要的工程技术领域，也是一门应用科学。
像任何一个工程领域一样，采矿工程有它自己的理论基础。
除了数学、物理、化学这些基础学科外，一般认为，力学、热力学、电磁学和传热学，这四个介于基础和应用之间的学科构成了多数工程学科的直接基础[1]。
不同工程领域根据研究对象的区别，以上述一门或几门学科作为其主要的理论基础。
一个相对独立的工程领域形成的依据，是它所涉及对象和研究问题的独特性。
“科学研究的区分，就是根据科学对象所具有的特殊矛盾性，因此对某一现象的领域所特有的某一种矛盾的研究，就构成一门科学的对象”[2]。
“在采矿作业中经常遇到的，最简单最基本的过程，便是从岩体中破碎出岩块来，同时在被破碎的岩体中形成空间，又要加以维护，以保持该空间的稳定性”[3]。
“破碎岩石和防止岩石破碎，是采矿工程所特有的根本矛盾”[3]。
这是采矿工程与机械工程、电子电气工程、通讯工程、航空航海工程、动力工程等工程领域的根本区别，是采矿成为一个独立的工程领域的依据。
尽管采矿工程中也有机械、电子、电气、计算机、化学、材料等方面的问题，但它们都是围绕，并为了解决上述根本矛盾展开的。
本身不具有学科意义上的特殊性。
第一章岩石的物理力学性质1，岩体：位于一定地质环境中，在各种宏观地质界面（断层、节理、破碎带等）分割下形成的有一定结构的地质体。
由结构面与结构体组成的地质体。
2，岩石：是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的集合体。
具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶）集合体。
3，岩体（石）力学：是力学的一个分支学科，是研究岩（体）石在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的一门基础学科。
4，结构面：指在地质历史发展过程中，岩体内形成的具有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。
5，岩石质量指标（RQD）：是指大于10cm的岩心累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。
6，空隙指数：指在0.1Mpa压力条件下，干燥岩石吸入水的重量与岩石干重量的比值。
7，软化性：是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。
8，软化系数：是指岩石试件的饱水状态的抗压强度与自然风干状态抗压强度的比值。
9，膨胀性：是指岩石浸水后体积增大的性质。
10，岩石的比重：是岩石固体部分的重量和4℃时同体积纯水重量的比值。
11，岩石的容重：岩石单位体积（包括岩石内孔隙体积）的重量。
表示为R=W/V12，岩石的饱和吸水率（饱水率）：是岩石在强制状态（高压或真空，煮沸）下，岩石吸水的质量与岩样烘干质量的比值。
13，岩石的抗冻系数：是指岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、溶解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度的比值。
14，岩石的单轴抗压强度：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。
15，岩石的三轴抗压强度：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力。
16，岩石的抗拉强度：岩石在单轴拉伸荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大拉应力。
17，岩石的抗剪切强度：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力。
18，形状效应：在岩石试验中，由于岩石试件形状的不同，得到的岩石强度指标也就有所差异，这种由于形状的不同而影响其强度的现象。
弹性力学与岩石力学基础弹性力学部分第一章绪论弹性体是理想化的固体，自然界中并不存在。
但大部分工程材料，在屈服以前的一定载荷范围内，都可以看作是弹性体。
弹性力学—研究载荷作用下弹性体变形与应力状态的科学。
弹性体的定义—卸载以后完全恢复初始形状和大小的物体，更加学术性的说法：“应力与应变一一对应”。
弹性与塑性的差别主要在于卸载以后能否恢复变形，或者是否存在永久变形。
理论力学：研究外力作用下刚体的运动。
材料力学：研究具有特殊形状的弹性体（主要是一维杆件）在载荷作用下的变形与应力。
结构力学：研究杆系结构，对于单根秆子，采用材料力学中同样的假设。
秆子之间的连接，符合一定的力学条件。
弹性力学是材料力学和结构力学的继续。
弹性力学分为数学弹性力学和应用弹性力学。
数学弹性力学是用严格的数学分析方法，在相当一般的假设下，首先建立起弹性力学的合理的数学模型，即弹性力学的初边值问题，然后讨论解的性质，即存在性、唯一性、稳定性等，同时寻求适当的数学方法求出其解，供工程部门参考。
对于应用弹性力学，如板壳理论、弹性稳定性理论，虽然也可以采取数学分析的方法寻找具体问题的解，但为了提供实际需要的结果，不得不作出进一步的假定，如板壳理论中的直线法假定。
数学弹性理论和应用弹性力学之间没有明确的界限。
弹性力学与材料力学以及结构力学的差别在于，在更一般的假设下，研究任意形状弹性体，在载荷作用下的变形。
假设更少，比如抛弃了材料力学中梁的平截面假设，忽略横向集中引起的压应力等。
2. 1 弹性力学的基本规律1、运动(或平衡)规律弹性力学研究物体宏观运动和变形，因此，牛顿的三大运动定律，即动量守恒、动量矩守恒、作用力和反作用力定律也是弹性力学中的基本规律。
2、热力学基本定律。
3、几何连续性规律。
4、线性(或非线性)弹性规律。
前三条规律，对所有宏观物体的低速运动和变形都适用，第4条规律是弹性力学与其它变形体力学的本质区别。
弹性力学的理论是围绕以上几个方面的规律建立起来的。
地下岩石工程力学研究地下岩石工程力学是指在岩石体内进行建筑或其他工程时，为了保证工程的安全和有效性，研究岩体的力学性质和工程行为的一门学科。
地下岩石工程力学的研究范围包括了岩土力学、岩石体力学、隧道工程力学、地铁工程力学、地下库房力学等。
1. 岩土力学的基本概念岩土力学是地下岩石工程力学领域中最基础的学科，它主要研究土体和岩石的物理化学性质、岩土体结构和变形行为、力学性质和失稳破坏机理等。
岩土力学的核心内容主要包括土体、岩石的力学性质和应力-应变关系、黏滞性土壤的固结与沉降分析、漏斗试验等。
土体的力学特性与压实度、含水性、孔隙度等因素有关，其中含水性是影响土体力学性质的最主要因素。
岩石的力学特性与岩体的构造、力学参数、断裂等有关。
2. 岩石体力学的基本内容岩石体力学作为岩土力学的重要分支学科，研究的是岩石的物理力学特性。
它主要是研究岩石的强度、刚度、稳定性和断裂机理等力学性质。
常见的岩石强度试验方法有压缩试验、拉伸试验、剪切试验等。
通过对岩石体力学的研究，可以得到它的力学参数，如岩石的压缩强度、黏聚力、内摩擦角、弹性模量等，这些参数是进行岩石工程设计和分析的基本依据。
3. 隧道工程力学的研究隧道工程是地下岩石工程的重要内容，隧道建造对岩体力学参数的了解和分析是基本的工作之一。
隧道工程力学研究的内容包括隧道的稳定性、隧道开挖后的地面沉降、地下水的渗流压力和固结沉降等问题。
隧道建设的良好设计可以降低工程风险和成本，并提高建设效率和安全性。
4. 地铁工程力学的研究地铁工程作为城市轨道交通的一种重要形式，也需要进行地下岩石工程力学研究，特别是对地铁线路和车站所在的地下环境进行分析和评估。
地铁隧道的建造需要考虑的因素包括地质条件、工程技术、建筑材料、隧道稳定性和隧道开挖后地面沉降等。
地铁工程力学的研究对于地铁建设的安全性、可靠性和经济性都具有重要的意义。
5. 地下库房力学的研究地下库房是为了满足存储、保管和保护某些物品而开挖的地下空间。
第六章地下工程灾害预报与防治第四节、岩爆发生的现象、机理与防治一、岩爆发生的现象岩爆是矿井进入深部开采以后更容易遇到的严重的灾害之一。
有记录的岩爆发生的历史我国岩爆发生的基本情况岩爆是岩石动力破坏的一种特殊形式采矿引起岩石破坏的主要形式1、岩块的冒落或坍落原因：采矿导致节理岩体的松动。
危害：砸伤作业人员、损坏支护。
2、松散岩层变形原因：在强大地应力作用下，松软岩体的明显变形。
危害：损坏支护，改变巷道断面和形状。
3、凿岩爆破等动载荷下的破坏；4、岩爆、煤与瓦斯突出等动力现象岩爆发生的一些实例岩爆的危害：造成人员设备的巨大损失并引起作业人员的恐慌。
岩爆与通常的岩体破坏现象的区别通常的岩体石破坏发生时的主要现象：1、通常的岩石破坏不会有猛烈的声响和(大量)能量的瞬间释放；2、破坏过程缓慢；3、要进一步施加外载或做功才能发生破坏；4、比较容易预报。
岩爆发生的现象和特点：1、破坏范围大、能量大；2、无明显前兆的情况下，自行发生破坏，难以预报；3、破坏时可以有巨大声响，破坏及其迅速；4、小扰动下会引发岩爆；5、岩爆有滞后发生的现象；6、岩爆引起的岩体突然破坏不需要外界向系统进一步输入能量，因此与爆破载荷引起的岩体动力破坏有实质区别。
岩爆发生的初步的定义(从现象上)：岩爆是岩石（体）猛烈破坏并释放大量能量的现象。
岩爆是岩石（体）的一种特殊的破坏形式，并可以得出如下结论：1、岩爆不能简单地等同与岩石的破坏；2、岩爆所表现出的岩石破坏的动力性，不同于爆破引起的岩石动力破坏。
问题与思考：岩爆与普通岩石破坏的根本区别是什么？“科学研究的区分，就是根据科学对象所具有的特殊的矛盾性。
因此，对某一现象所特有的某种矛盾的研究，就构成某一门学科的对象。
”（毛泽东《矛盾论》）库克认为：“岩体发生破坏，引起矿体—围岩力学系统平衡状态破坏时，若其释放的能量大于消耗的能量，将产生岩爆。
”岩爆与通常岩石破坏的本质区别在于：1、破坏的突然性；2、破坏过程中有多余的(有时是大量的)能量释放。
二、经典力学关于非稳定平衡和突然破坏的研究1、压杆失稳2、铅笔的稳定平衡与非稳定平衡3、小球的稳定平衡、非稳定平衡和随遇平衡4、薄壁结构的失稳破坏稳定平衡的定义：当一个平衡系统在任意微小扰动作用下，偏离平衡位置一个微小距离后，立即会产生一种作用，使其回到原来的平衡状态，则称该系统处于稳定平衡状态。
非稳定平衡的定义：当一个平衡系统在任意微小扰动作用下，偏离平衡位置一个微小距离后，立即会产生一种作用，使其继续偏离原来的平衡状态，则称该系统处于非稳定平衡状态。
随遇平衡的定义：当一个平衡系统在小扰动作用下，偏离平衡位置一个任意微小距离，当扰动消失后停留在新的平衡位置，则称为随遇平衡。
以上四种非稳定平衡现象都具有以下特点：1、不需要外部对系统进一步施加能量，在小扰动下可自行发生；2、平衡状态的变化和破坏是突然发生的。
三、岩爆发生的机理(条件或准则)考察试验机与岩石组成的力学系统：加载 — 受载系统的力学模型（试验机—岩样系统的力学模型）假设：岩样发生破坏以前，试验机与岩样处于准静态加载过程。
系统的力学特性：1、试验机在弹性范围内工作，因此P =K u m式中K —试验机刚度，u m —试验机变形（解释：u m 不是应变是位移）2、岩样与试验机组成串联系统P =R式中P —试验机受力；R —岩样受力3、岩样具有应变弱化的本构特性岩石与金属力学性质的主要区别在于岩石有应变弱化。
按照岩石的统计损伤理论，岩石应力—应变关系为vE eεσε-=， ()0maxcE σεσ=E —岩石的弹性模量，c σ—岩石的强度。
岩样载荷—位移曲线的模拟关系()u u R uef u λ-==，()0maxcR u u λ=式中/EA L λ=—岩样的初始刚度对岩石应力—应变全过程曲线的模拟pa —试验机的全位移；u —岩样端面位移 σ岩石应力—应变全过程曲线试验机—岩样系统的力学模型()0,,u u m P R Ku ueR f u λ-===m u a u =-()()0K u a f u -+=从岩样变形速率讨论试验机—岩样系统的不稳定性 岩样破坏以前的准静态加载过程、加载速率()0K u a f u u ⎛⎫'-+= ⎪⎝⎭式中d dt=，()dff u du '=，u —岩样的准静态变形速率，a —试验系统的准静态变形速率岩样变形速率K u a K f=+若0K f '+=，则由于有a总取限值，因此u →∞，这意味着岩样变形失稳。
对岩样变形失稳u →∞（破坏）条件的讨论： 1、dfdu可以取负值，即岩样具有应变弱化特性(这是岩石自身的性质)； 2、系统所受的载荷足够大，足以使岩石进入过岩石峰值强度以后的变形区，即岩石应、力—应变全过程曲线的后半段(外部条件)；3、在过岩石峰值强度以后的变形区，即c u u >时，有()c c u u R R ><(系统特性)。
从变形过程中试验机和岩样受力和能量的不平衡讨论试验机—岩样系统破坏的不稳定性1、当岩样位于峰值强度以前的变形区c R —岩样的峰值强度，c u —岩样峰值强度对应的岩样压缩，r c u —系统处于非稳定平衡时岩样的临界位移，r c R —系统处于非稳定平衡时岩样的临界载荷。
特点：只有向系统持续输入能量或增加载荷，岩样和试验机才能发生进一步的变形即系统的平衡是稳定的。
2、当岩样进入峰值强度以后的变形区，试验机刚度小于岩样的负刚度，即/()K f u <时系统平衡的失稳与岩样的突然破坏。
(1)、当c u u >时，c R R <，试验机卸载（弹性恢复）释放能量。
(2)、岩样继续压缩，消耗能量，但随压缩变形的增加，强度同步降低。
当r c u u =时假设有一小扰动使岩样发生进一步变形∆u ，则有(3)、试验机加于岩样上的力超过了岩样的瞬时强度—即岩样能够承受的力，u u P R >，(u u P P R ∆=-)。
(4)、试验机弹性恢复，在这个过程中，试验机释放的能量大于岩样继续破坏所需要的能量，m r W W >(m r W W W ∆=-)。
(5)、u ∆越大，试验机出力与岩样受力之间的不平衡，和试验机释放的能量与岩样变形消耗的能量之间的不平衡（P ∆和r W ∆）越大，引起岩样变形加速，直到mc u u =为止。
特点：一个任意微小扰动可以导致岩样的突然破坏（变形突然加速），并引起系统突然释放能量。
结论：当岩样的变形达到r c u u =时，如果试验机刚度小于岩样的负刚度/()K f u <时，试验机—岩样系统处于非稳定平衡状态。
系统失稳和岩样突然破坏的条件：(1)、岩样进入峰值强度后的变形区，()0K f u '+=；(综合了岩样与试验机的特性，系统的特性，必要条件)(2)、在岩样过峰值强度以后的某个变形区内都有，试验机刚度小于岩样刚度，()u f K '<。
(充分条件)3、当岩样进入峰值强度以后的变形区，试验机刚度大于岩样的负刚度/()K f u >，系统稳定平衡。
特点：进入过峰值强度以后的变形区，只有向系统持续输入能量或增加载荷，岩样和试验机才能发生进一步的变形。
(例如刚性试验机和岩石的应力应变全曲线)4、加载—受载系统的随遇平衡注意：在实践中，无限小扰动实际上是有限小扰动四、岩爆的定义(不仅从现象上而且从理论上)岩爆是矿山岩体结构处于非稳定平衡状态时，由小扰动引起的岩体突然破坏和系统瞬间释放(大量)能量的现象。
五、加载—受载模型（试验机—岩样系统）解释岩爆的能力(1)、可以解释岩石破坏造成大量能量释放的突然性；(根据在只需要有任意小扰动和不需要外界向系统进一步输入能量)(2)、可以解释无明显前兆，自行破坏；(同样根据只要有小扰动作用和不需要外界进一步输入能量)(3)、可以解释突然破坏和破坏过程极其迅速；（力与能量的不平衡）(4)、可以解释小扰动下发生突然破坏；(5)、无法解释破坏的滞后性；(6)、该模型还可以解释岩爆终止；特别注意：与压杆和薄壳的几何失稳不同，岩爆是围岩—矿体系统的物理失稳，而试验机—岩样系统是模拟岩爆物理失稳的理想模型。
从上面的讨论还可以看出：当加载—受载系统处于非稳定平衡状态时，不需要外部向系统输入能量，仅仅一个任意微小扰动就可以诱发岩爆。
岩爆的发生过程是加载—受载系统内加载体和受载体之间应力迅速调整的过程，还是加载体和受载体之间能量迅速转移的过程，在临近岩爆发生前的孕育过程和岩爆发生过程中，这些过程是系统的内部过程，在外部很难探测到，因此岩爆的预测十分困难，至今仍是岩石力学中的一个难题。
加载—受载模型的其他应用(1)、地震的前兆变形率(即临近地震发生时大地变形速率的增加)； (2)、地震的前兆应力降1R ∆(即临近地震发生时地壳应力下降)； (3)、地震的失稳应力降2R ∆(地震发生前后地壳应力的降低)；(4)、地震空区（声发射）(即临近地震发生时声发射事件数的减小)。
问题与思考：爆破引起的岩石动力破坏与岩爆动力破坏之间的区别与联系六、岩爆发生条件1、岩爆发生的充分条件：失稳破坏过程中矿体消耗的能量小于系统释放的能量；2、岩爆发生的必要条件：矿体—围岩系统处于非稳定平衡状态 条件2是岩样突然破坏的条件。
上述结论是通过对试验机—岩样系统的研究得到的，像“弹性”、“塑性”一样，试验机—岩样系统是模拟岩爆物理失稳的理想模型。
是通过对实际现象和过程的抽象得到的。
但是“抽象化的方法（有意弃去它的次要属性而仅保留主要的）不仅对于工程实际目的是完全许可的，而且是科研认识过程的条件之一。
”“从具体的东西上升到抽象的东西，思维不是离开 — 如果它是正确的话 — 真理而是接近真理”—— 摘自列宁《哲学笔记》将加载体和受载体组成的系统作为研究对象，与经典力学的研究方法有本质区别。
1、经典力学仅仅研究外部作用下的受载体。
但是对岩爆发生过程的研究需要考察加载体与受载体组成的变形力学系统；2、在经典力学中受载体的外部作用是已知的，但是在岩爆发生过程中，加载体(围岩)作用在受载体(矿体)之上的载荷是变化的。
3、经典力学所研究的平衡失稳多是由于特殊的几何形状引起的，称之为几何失稳。
但矿体具有应变弱化的本构特性是(围岩 —矿体的失稳的重要条件。
七、变形系统平衡失稳观点在岩爆研究中的应用1、坚硬顶板下，矿柱突然破坏的岩爆1、坚硬顶板；2、矿柱；3、矿体试验机—坚硬顶板；岩样—矿柱2、圆形巷道岩爆1—巷道；2—塑性区（应变软化区）；3—弹性区；4—围岩。
试验机—弹性区岩体；岩体—塑性区岩体3、其他应用。
八、关于岩爆发生的理论1、强度理论2、冲击倾向理论3、刚度理论4、失稳理论岩爆就是当岩石介质的变形进入过峰值强度后的变形区时出现包括裂纹和裂隙在内的广义变形集中区，此区域内介质的力学性质发生明显变化。
