緒論

1礦山壓力與巖層控制學(xué)科的概念

礦山壓力：由于礦山開采活動的影響，在巷銅周圍巖體中形成的和作用在巷洞支護(hù)物

上的力定義為礦山壓力，在相關(guān)學(xué)科中也稱為二次應(yīng)力、或工程擾動力。

礦山壓力顯現(xiàn)：在礦山壓力作用下，會引起各種力學(xué)現(xiàn)象，如巖體的變形、破壞、塌

落，支護(hù)物的變形、破壞、折損，以及在巖體中產(chǎn)生的動力現(xiàn)象。這些由于礦山壓力作用，

使巷洞周圍巖體和支護(hù)物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為礦山壓力顯現(xiàn)。

礦山壓力控制：所有減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的各種方法，均叫做礦山

壓力控制。

2采礦工業(yè)要求發(fā)展礦山壓力及巖層控制學(xué)科

2.1生態(tài)環(huán)境保護(hù)

巖層控制理論為實(shí)現(xiàn)保水采煤，完善條帶開采和充填技術(shù)，進(jìn)行井下砰石處理和有效抽

放瓦斯奠定理論基礎(chǔ)。

2.2保證安全和正常生產(chǎn)

巖層控制理論和技術(shù)為大幅度降低頂板事故做出了突出貢獻(xiàn)。邊坡穩(wěn)定性研究使邊坡設(shè)

計(jì)既能達(dá)到經(jīng)濟(jì)上可采納的陡度，又足以維持安全的緩度。巷道圍巖控制理論和技術(shù)為合理

支護(hù)各種巷道成為可能。

2.3減少資源損失

礦柱是造成地F資源損失的主要根源。通過對開采引起的圍巖應(yīng)力重新分布規(guī)律的研

究，推廣無煤拄護(hù)巷和跨越巷道開采等技術(shù)措施，不僅顯著減少資源損失，還有利于消除因

礦柱存在引起的災(zāi)害和對采礦工作的不利影響。

2.4改善開采技術(shù)

自移式液壓支架的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了采煤綜合機(jī)械化。巷道可縮性金屬支架和錨噴支護(hù)的應(yīng)用

改變了剛性、被動支護(hù)巷道的局面。同時，采場、巷道圍巖穩(wěn)定性分類為合理選擇支護(hù)型式、

支護(hù)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

2.5提高經(jīng)濟(jì)效益

圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分類、穩(wěn)定性識別、礦壓顯現(xiàn)預(yù)測、支護(hù)設(shè)計(jì)、支護(hù)質(zhì)量與頂板動態(tài)監(jiān)

測、信息反饋直至確定最佳設(shè)計(jì)的一整套理論、方法與技術(shù)有助于創(chuàng)造采礦工業(yè)的良好的社

會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3礦山壓力與巖層控制學(xué)科屬性與特色

3.1采礦工程巖體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)

與地面工程結(jié)構(gòu)不同，地下工程圍巖既是一種我荷，也是一種結(jié)構(gòu)，施載體系和承載

體系之間沒有明顯界限。采場上覆巖層形成結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的形態(tài)及穩(wěn)定性不僅直接影響到采場,

也將影響到開采后上覆巖層運(yùn)動的形態(tài)及地表塌陷形狀。

3.2采礦工程的移動特性

其它地下工程中洞室或隧道基本是固定的永久性的，采礦工程中采場是不斷移動的，采

場本身是一個依據(jù)礦物埋藏規(guī)律而不斷運(yùn)動的空間。

3.3采礦工程中圍巖的大變形和支護(hù)體的可縮特征

采礦工程過程中由于采場空間較大，作業(yè)地點(diǎn)常在地下幾百米至幾千米深處，在礦山壓

力作用下，巷嗣圍巖處于破壞狀態(tài)。采礦過程中架設(shè)的人工支護(hù)著眼于利用圍巖的殘余強(qiáng)度,

促進(jìn)已破壞的圍巖形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)。軟巖礦井中，巷道圍巖不可避免地進(jìn)入塑性狀態(tài)，巷道支

護(hù)允許巷道圍巖出現(xiàn)穩(wěn)定的塑性區(qū)，嚴(yán)格控制非穩(wěn)當(dāng)塑性區(qū)的擴(kuò)展。

3.4采礦工程中的能量原理和動力現(xiàn)象

沖擊地壓、頂板大面積來壓、煤與瓦斯突出以及礦震都是采礦工程中的動力現(xiàn)象，其

中沖擊地壓、頂板大面積來壓屬于壓力礦山及其控制學(xué)科的研究范疇。沖擊地壓是巖體突然

破壞的動力現(xiàn)象，沖擊地壓發(fā)生機(jī)理極為復(fù)雜。從能量轉(zhuǎn)化的確角度，導(dǎo)致“礦體一圍巖”

系統(tǒng)非穩(wěn)定狀態(tài)突然失穩(wěn)破壞。沖擊地壓、頂板大面積來壓是礦山壓力的一種特殊顯現(xiàn)形式。

4礦山壓力與巖層控制學(xué)科的基本內(nèi)容和發(fā)展階段

4.1早期認(rèn)識、研究階段

采礦工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè)，我國是世界上采礦最早的國家之一.明代末年出版的《天工開物》

一書中，已記述了礦山壓力的危害性，歐洲國家對礦山壓力的認(rèn)識開始于15世紀(jì)。19世紀(jì)

后期到20世紀(jì)，開始利用比較簡單的力學(xué)原理解釋出現(xiàn)的一些礦山壓力現(xiàn)象，有代表性的

是提出“壓力拱假說”和巖石堅(jiān)固性系數(shù)f。20世紀(jì)30年代至50年代，使用彈性理論研究

礦山壓力問題。

4.2近代發(fā)展階段

自50年代礦山壓力與巖層控制學(xué)科建立以來，理論研究與工程實(shí)踐兩方面都取得長足

進(jìn)展。

4.2.1采場圍巖控制理論與實(shí)踐的發(fā)展

（1）采場上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及“關(guān)鍵層理論”

60年代初至70年代末，提出上覆巖層開采后呈“砌體梁”式平衡的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，為

采場給出了具體的邊界條件，也為論證采場礦山壓力控制參數(shù)奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，提出

巖層斷裂前后的彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)模型及各種不同支撐條件下板的力學(xué)模型，為老頂來壓預(yù)報

提供理論依據(jù)。對堅(jiān)硬巖層承受載荷及變形規(guī)律的分析，導(dǎo)致“關(guān)鍵層”理論的研究，由此

可以進(jìn)一步修正采場來壓規(guī)律，判斷上覆巖層內(nèi)部裂隙分部、離層區(qū)位置和識別對地表破壞

起主導(dǎo)作用的巖層。

（2）“砌體梁”平衡的關(guān)鍵塊研究及“S-R”穩(wěn)定

在“砌體梁”結(jié)構(gòu)研究的前題下，重點(diǎn)分析關(guān)鍵塊的平衡關(guān)系。這項(xiàng)研究主要提出砌體

梁關(guān)鍵塊的滑落與轉(zhuǎn)動變形失穩(wěn)條件即“S—R”穩(wěn)定條件。

（3）采場支架一圍巖關(guān)系研究及整體力學(xué)模型的建立

“支架一圍巖”關(guān)系的研究體現(xiàn)在單體支柱工作面頂板事故的防治，液壓自移支架的

架型、合理支護(hù)阻力，防治液壓自移支架端面頂板的冒落。在中厚煤層開采的采高條件下，

一直視直接頂為“似剛體”，影響支護(hù)參數(shù)選擇的主要觀點(diǎn)是“P—類雙曲線關(guān)系，

即支架工作阻力與頂板下沉量的關(guān)系曲線。

（4）采場礦山壓力與支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測

采礦工程環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，及時地進(jìn)行監(jiān)測是采場進(jìn)行安全生產(chǎn)的根木保

證。

4.2.2巷道圍巖控制理論與實(shí)踐的發(fā)展

（1）巷道布置改革及無煤柱護(hù)巷技術(shù)

我國在采準(zhǔn)巷道礦壓理論指導(dǎo)下，形成了完善的巷道合理布置系統(tǒng)。在分析開采引起的

圍巖應(yīng)力重新分部規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究沿空巷道一側(cè)煤柱邊緣帶的應(yīng)力重新分部和支架與圍

巖關(guān)系，掌握無煤柱護(hù)巷機(jī)理，推進(jìn)無煤柱護(hù)巷技術(shù)。同時，發(fā)展整體澆注式巷旁充填技術(shù),

為沿空留巷的擴(kuò)大應(yīng)用開辟了廣闊前景。

(2)研究巷道支架與圍巖關(guān)系采用先進(jìn)支護(hù)技術(shù)

研究巷道支架的合理性能和結(jié)構(gòu)形式，既能有效地抑制圍巖變形，又能與圍巖變形相互

協(xié)調(diào)，減少支架損壞和改善巷道維護(hù).為此，研制了適用于不同條件的U型鋼、工字鋼結(jié)

構(gòu)可縮性支架，完善了輔助配套設(shè)施，發(fā)展了支架壁后充填。

(3)軟巖巷道圍巖控制理論與實(shí)踐的發(fā)展

自70年代以來，有計(jì)劃地開展軟巖巷道支護(hù)技術(shù)科技攻關(guān)。對軟巖巷道圍巖控制的基

礎(chǔ)理論、軟巖的巖性分析及工程地質(zhì)條件、圍巖變形力學(xué)機(jī)制、巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、施工工藝及

監(jiān)測進(jìn)行全面系統(tǒng)研究。針對軟巖的類別和變形力學(xué)機(jī)制，發(fā)展了錨噴網(wǎng)支護(hù)技術(shù)、U型鋼

支護(hù)壁后充填技術(shù)、防治底腆封閉支護(hù)技術(shù)、圍巖爆破卸壓和注漿加固技術(shù)。

(4)巷道圍巖控制設(shè)計(jì)決策及支護(hù)質(zhì)量與頂板動態(tài)監(jiān)測

依據(jù)巷道圍巖穩(wěn)定性分類及巷道支護(hù)形式與合理支護(hù)參數(shù)選擇專家系數(shù),預(yù)測巷道圍巖

穩(wěn)定性類別、預(yù)計(jì)圍巖移近量、選擇支護(hù)型式、確定支護(hù)參數(shù)。實(shí)行巷道支護(hù)質(zhì)量與頂板動

態(tài)全過程監(jiān)測，通過施工過程中的現(xiàn)場監(jiān)測、信息反饋、不斷修正支護(hù)設(shè)計(jì)和調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

使巷道圍巖控制逐步由經(jīng)驗(yàn)判斷和定性評估向定量分析和科學(xué)管理轉(zhuǎn)化。

5礦山壓力與巖層控制學(xué)科研究方法

5.1理論研究

(1)解析分析方法

通過力學(xué)模型，利用平衡條件、本構(gòu)方程、變形條件、破壞判據(jù)和邊界條件求解其應(yīng)

力、變形和破壞條件。

(2)數(shù)值分析方法

包括有限元法、差分法、邊界元法、結(jié)構(gòu)單元法等，這類分析主要給出應(yīng)力和應(yīng)變分

布，以及應(yīng)力、位移、速度等特征值。

(3)模糊分析、概率分析、隨機(jī)分析、靈敏度分析、趨勢分析等方法

(4)近代數(shù)學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)方法。

近年來，許多學(xué)科如斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、分形幾何、分叉、混沌、突變理論等，滲透

到礦業(yè)科學(xué)領(lǐng)域，推動礦山壓力與巖層控制學(xué)科的發(fā)展。

5.2實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

(1)巖石物理力學(xué)性質(zhì)研究，包括巖石抗壓、抗拉、抗剪變形性質(zhì)試驗(yàn)；巖石流變試驗(yàn)、

三軸試驗(yàn)和利用剛性壓力機(jī)進(jìn)行巖石變形破壞全過程的試驗(yàn)。

(2)利用相似材料模型進(jìn)行模擬研究，在平面模擬實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展立

體模擬實(shí)驗(yàn)臺。也可利用光彈性模型進(jìn)行模擬研究。

(3)在實(shí)驗(yàn)室條件下研究支架的整體性能和有關(guān)參數(shù)，建成具有先進(jìn)水平的大型自移式

液壓支架試驗(yàn)裝置，臥式和立式，單架及多框架多功能巷道支架試驗(yàn)臺。

5.3現(xiàn)場監(jiān)測

采場主要監(jiān)測頂?shù)装逡平?、支架阻力、活柱下縮量和頂板破碎度；巷道主要監(jiān)測頂?shù)?/p>

板移近量、支架變形、圍巖應(yīng)力分布和巖層內(nèi)部移動規(guī)律。采用微震儀、地質(zhì)雷達(dá)、電磁幅

射監(jiān)測儀、可彎曲光導(dǎo)纖維巖層窺視儀、紅外線鉆孔探測攝像儀等觀測儀表。

6礦山壓力與巖層控制學(xué)科研究和發(fā)展方向

(1)采場礦壓理論與控制體系，包括巖層控制的關(guān)鍵層理論、放頂煤高產(chǎn)高效開采技術(shù)

和高產(chǎn)高效開采故障診斷技術(shù)與保障系統(tǒng)；

(2)巷道礦壓理論與控制技術(shù)，包括采動影響巷道礦壓理論、煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)、圍巖

注漿加固及充填技術(shù)和巷道底殿控制技術(shù)；

(3)開采新方法、新工藝和新技術(shù)，包括煤炭地下氣化、“三下”環(huán)保開采、地?zé)岬拈_

發(fā)利用等；

(4)礦井深部開采和高地應(yīng)力引起的沖擊地壓的預(yù)測和預(yù)報。

礦山壓力及巖層控制學(xué)科有自己專門研究的課題，有自己專門的技術(shù)和方法，有自己的

理論，已經(jīng)形成為礦業(yè)科學(xué)中一門獨(dú)立的分支學(xué)科。礦山壓力與巖層控制學(xué)科將緊密結(jié)合煤

炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展中所面臨的重大科學(xué)技術(shù)問題，形成礦井高產(chǎn)高效開采綜合監(jiān)測與保障系

統(tǒng)、礦山開采新理論與新方法以及在深井、高應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)條件下的礦山開采和圍巖控制

理論與技術(shù)新體系，以確保實(shí)現(xiàn)礦井持續(xù)高產(chǎn)高效開采和安全生產(chǎn)以及煤礦的綠色開采，為

逐步形成完整的適合我國采礦工業(yè)實(shí)際情況的礦業(yè)科學(xué)體系做出貢獻(xiàn)。

第一節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)

一、巖石的基本概念

巖石是組成地殼的基本物質(zhì)，由各種造巖礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定的規(guī)律組合而

成。巖石是指從巖體中取出的，但其尺寸卻不大，有時稱為巖塊。

巖石按不同的標(biāo)準(zhǔn)可分為不同類型，常見的分類有：

（1）按巖石成因可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類。

（2）按巖石固體礦物顆粒間的結(jié)合特征，可分為固結(jié)性、粘結(jié)性、散粒狀和流動性巖

石四大類。

（3）按巖石的構(gòu)成特征，可以區(qū)分巖石的結(jié)構(gòu)和巖石的構(gòu)造。巖石的結(jié)構(gòu)是決定巖石

組織的各種特征（如礦物顆粒的組成成分、結(jié)晶程度、形狀和大小以及它們之間的連接狀況

等）的總合；而巖石的構(gòu)造則指巖石中組成成分的空間分布以及他們相互間的排列關(guān)系，如

整體構(gòu)造，多孔狀構(gòu)造和層狀構(gòu)造。

（4）按巖石的力學(xué)強(qiáng)度和堅(jiān)實(shí)性，可分為堅(jiān)硬巖石和松軟巖石。工程中常把飽水狀態(tài)

下單壓強(qiáng)度大于10MPa的巖石稱為堅(jiān)硬巖石；而把低于該值的巖石稱為松軟巖石.

二、巖石的質(zhì)量指標(biāo)

（一）巖石的比重

巖石的比重是指巖石固體部分的實(shí)體積（不包括空隙體積）重量與4℃時同體積水重量

和巖石固體部分實(shí)體積的比值。其表達(dá)式為

匕（1-1）

式中A——巖石的比重；

Gd一絕對干燥時巖石固體實(shí)體積的重量，kN；

Vc---巖石固體部分實(shí)體積，n?；

幾——水的容重，4℃時等于10（kN/m3）；

巖石比重取決于組成巖石的礦物比重，與巖石的空隙和吸水多少無關(guān)，且隨巖石中重礦

物含量的增多而增大.煤礦中常見的巖石比重見表11。

（二）巖石的密度和容重

巖石的密度是指單位體積的巖石（包括空隙體積）質(zhì)量，表達(dá)式為

M

p=一

V（1-2）

式中P——巖石的密度，kg/m3；

M---巖石的質(zhì)量，kg；

V---巖石的體積，ml

巖石的密度與組成巖石礦物密度、空隙和吸水多少有關(guān)。根據(jù)巖石試樣含水狀態(tài)不同，

巖石的密度可分為天然密度、飽和密度和干密度三種，前兩種?般稱為巖石的濕密度。天然

密度是指巖石在天然含水狀態(tài)下的密度；飽和密度（鼻）是指巖石在吸水飽和狀態(tài)下的密

度;干密度是指在105?110℃下干燥24h后的密度。

煤礦中常見的巖石密度見表1-U

巖石的容重是指單位體積(包括空隙體積)內(nèi)巖石的質(zhì)量所受的重力(kN/m，)。為便于

計(jì)算，工程實(shí)踐中，可根據(jù)巖石的密度換算出巖石的容重，其公式為

Y=S-P(1-3)

式中7——巖石的容重，kN/m3；

g——重力加速度，kN/kg；

P—巖石的密度，kg/m\

三、巖石的體積指標(biāo)

(-)巖石的孔隙性

巖石的孔隙度指巖石中各種孔洞、裂隙體積的總和與巖石總體積之比，也稱孔隙率

〃=&100%

%(1-4)

式中n—巖石的孔隙率，%；

%——巖石中孔隙的總體積，n?；

V——巖石的總體積，n?。

巖石的孔隙比指巖石中各種孔洞和裂隙體積的總和與巖石內(nèi)固體部分實(shí)體積之比，可表

示為

(1-5)

式中e—巖石的孔隙比；

匕)—巖石內(nèi)各種孔洞和裂隙體積的總和，m3：

Vc——巖石內(nèi)固體部分實(shí)體積，nA

孔隙比與孔隙度之間的關(guān)系為

n

e------

\-n(1~6)

一般孔隙率愈大，巖石中孔隙和裂隙就愈多，巖石的密度和強(qiáng)度愈低，同時使塑性變形

和滲透性增大。煤礦中常見巖石的孔隙率和孔隙比見表11。

表1-1煤礦中常見巖石的比重、密度、孔隙率以及孔隙比

巖石種類砂巖頁巖石灰?guī)r板巖煤

比重2.60-2.752.57?2.772.48-2.85——

(1.2?1.4)X103

密度(kg/m3)(2?2.6)X103(2-2.4)X10'(2.2?2.6)X103—一般(1.3~1.35)

X103

孔隙率(%)3?3010?355?200.1~1.0—

孔隙比0.031?0.4290.111—0.5380.053-0.250.001-0.0101—

(-)巖石的碎脹性和壓實(shí)性

巖石的碎脹性指巖石破碎以后的體積比之前體積增大的性質(zhì)。常用巖石的碎脹系數(shù)來表

示，即巖石破碎后處于松散狀態(tài)下的體積與巖石破碎前處于整體狀態(tài)下的體積之比，其表達(dá)

式為

V,

V(1-7)

式中KP—巖石的碎脹系數(shù)；

V——巖石破碎膨脹后的體積，n?；

/——巖石處于整體狀態(tài)下的體積,1T1'o

煤礦中常見的巖石的碎脹系數(shù)見表12。

表1-2煤礦中常見巖石的碎脹系數(shù)和殘余碎脹系數(shù)

巖石種類碎脹系數(shù)殘余碎脹系數(shù)

砂1.06-1.151.01?1.03

粘±<1.21.03?1.07

碎煤<1.21.05

粘土頁巖1.41.10

砂質(zhì)頁巖1.6?1.81.1-1.15

硬砂巖1.5-1.8一

巖石的壓實(shí)性可用殘余碎脹系數(shù)（勺,）來表示，即壓實(shí)后的體積與破碎前體積之比，

煤礦中常見巖石殘余碎脹系數(shù)見表上2。破碎巖石被壓實(shí)的程度與巖石本身的物理力學(xué)性

質(zhì)、外加載荷及破碎后經(jīng)歷的時間有關(guān)。

四、巖石的水理性質(zhì)

（-）巖石的透水性

巖石能被水透過的性能稱為巖石的透水性，其原因是巖石中存在大量的孔隙和裂隙，且

大多數(shù)相互連通，在一定壓力作用下，巖石孔隙和裂隙中的地下水就可以在巖石中通過（滲

透）。

衡量巖石透水性的指標(biāo)為滲透系數(shù)。由于目前對于水在巖石中的滲流規(guī)律還不完全清

楚，其研究方法也不夠完善，通常近似其服從達(dá)西（Darcy）定律。按此規(guī)律，滲透系數(shù)的

表達(dá)式為

K=2

4（1-8）

式中K---滲透系數(shù)，m/s；

Q---單位時間內(nèi)的滲水量，m3/s；

A----滲透面積，n?；

I——水力坡度。

煤礦中常見巖石的滲透系數(shù)見表-3。

表1-3煤礦中常見巖石的滲透系數(shù)

巖石種類滲透系數(shù)（m/s）備注

泥巖10"現(xiàn)場測定

粉砂巖10^-108實(shí)驗(yàn)室測定

細(xì)砂巖2X107實(shí)驗(yàn)室測定

堅(jiān)硬砂巖4.4X10-5?3.9X1()7

砂巖或多裂隙頁巖>103

致密的石灰?guī)r<10'°

有裂隙的石灰?guī)r2?4

（-）巖石的軟化性

巖石的軟化性是指巖石浸水后其強(qiáng)度降低的性質(zhì)，通常用軟化系數(shù)表示水對巖石強(qiáng)度的

影響程度，即水飽和巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度與干燥巖石試件單軸抗壓強(qiáng)度之比

八，（1-9）

式中仿—巖石的軟化系數(shù)：

凡，v——水飽和巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

%----干燥巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

煤礦中常見巖石的軟化系數(shù)見表上4。

表1-4煤礦中常見巖石的軟化系數(shù)

巖石種類干試件抗壓強(qiáng)度（MPa）水飽和試件抗壓強(qiáng)度（MPa）軟化系數(shù)

粘土巖20.3?57.82.35?31.20.08-0.87

頁巖55.8?133.313.4?73.60.24-0.55

砂巖17.1-245.85.6?240.60.44-0.97

石灰?guī)r|13.1?202.6|7.6?185.4|0.58?0.94

（三）巖石的膨脹性和崩解性

巖石的膨脹性是指軟巖浸水后體積增大和相應(yīng)地引起壓力增大的性質(zhì)。巖石遇水膨脹的

特性可用膨脹應(yīng)力和膨脹率這兩個指標(biāo)來表示。

巖石的崩解性是指軟巖浸水后發(fā)生的解體現(xiàn)象，用耐崩解性指數(shù)表示，即巖樣在承受干

燥和濕潤兩個標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)之后，巖樣對軟化和崩解作用所表現(xiàn)出的抵抗能力。它直接反映了巖

石在浸水和溫度變化的環(huán)境下抵抗水侵蝕作用的能力。

（四）巖石的吸水性和抗凍性

巖石的自然吸水率是試件在常溫常壓下吸入水分的質(zhì)量與試件的干質(zhì)量之比，如不專門

指明，巖石的吸水率即指自然吸水率，其表達(dá)式為

0=1X100%

M"（1-10）

式中（O——巖石的（自然）吸水率

Mw---巖石試件在大氣壓力下吸入水分的質(zhì)量，kg；

Md---巖石試件干燥時的質(zhì)量，kgo

巖石的飽和吸水率是試件在真空、加壓（一般為15MPa）條件下吸入水分的質(zhì)量與試件

的干質(zhì)量之比，簡稱飽水率，即

嗎="絲、100%

Md（1-11）

式中①s——巖石的飽和吸水率；

——巖石試件的飽和吸水后的質(zhì)量，kg。

飽水系數(shù)則是指巖石的吸水率與飽水率之比，即為

J—co/a）

s(1-12)

式中J——飽水系數(shù)，一般（0.5?0.8）。

巖石的吸水率見表1-5o

表1-5幾5沖巖石的吸水率

巖石種類花崗巖砂巖頁巖石灰?guī)r板巖

吸水率0.1-0.920.20?12.191.8?3.00.10-4.450.10-0.95

巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍融破壞的能力，常用的評價指標(biāo)有巖石的抗凍系數(shù)和質(zhì)量

損失率。

巖石的抗凍系數(shù)是指巖石凍融試驗(yàn)后的干抗壓強(qiáng)度與之前的干抗壓強(qiáng)度之比，即

R”==xlOO%

Per（1-13）

式中Rp一巖石的抗凍系數(shù)；

P"---凍融前巖石干抗壓強(qiáng)度，MPa；

P?！獌鋈诤髱r石干抗壓強(qiáng)度，MPa。

巖石凍融前后干試件的質(zhì)量差與凍融前干試件的質(zhì)量之比，稱為巖石的質(zhì)量損失率，即

=%一"*100%

取I(1-14)

式中—巖石的質(zhì)量損失率：

W\——巖石試件凍融前的質(zhì)量，kg；

Wi——巖石試件凍融后的質(zhì)量，kg。

五、巖石的熱性和電磁性

（一）巖石的容熱性

巖石的容熱性指巖石進(jìn)行熱交換時所吸收熱量的能力，用巖石的比熱（O和容積熱容

（G）表示。（二）巖石的電磁特性

巖石的導(dǎo)電性是指巖石介質(zhì)傳導(dǎo)電流的能力，常用電阻率或電導(dǎo)率來表示。

巖石的磁性包括感應(yīng)磁性及剩余磁性，前者指巖石被現(xiàn)代地磁場磁化而產(chǎn)生的磁性，后

者則指巖石形成過程中被當(dāng)時地磁場磁化所保留下的磁性。感應(yīng)磁化強(qiáng)度和剩余磁化強(qiáng)度是

表征這兩種磁性強(qiáng)弱的常用指標(biāo),其二者之和可反映巖石所具有的總磁性，稱為總磁化強(qiáng)度。

第二節(jié)巖石的強(qiáng)度和變形特性

一、巖石變形性質(zhì)的類別及其指標(biāo)

（一）巖石變形性質(zhì)的類別

巖石的變分為彈性變形、塑性變形和粘性變形三種。

巖石的彈性是指巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)撤去外力后巖石變形能完全恢復(fù)到其原

始狀態(tài)的性質(zhì)，隨巖石性質(zhì)的不同可分為三種不同的彈性特征（見圖1T）

（。）（?）（e）

圖1T巖石的不同彈性類型

a一線附性；b-完全彈性：c一滯強(qiáng)性

1—加載過程；2—卸載過程①線彈性----應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈直線

關(guān)系；

②完全彈性——應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不是直線關(guān)系，卸載時應(yīng)力應(yīng)變沿原來曲線返回原點(diǎn)；

③滯彈性——應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為曲線關(guān)系、無殘余變形，但卸載時應(yīng)力應(yīng)變沿另一條曲

線返回原點(diǎn)。

理想的巖石塑性變形應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖l-2a所示。應(yīng)變硬化（圖l-2b）o

圖1-3為一般巖石的變形曲線，從中可看出，在外力達(dá)到屈服應(yīng)力時，開始卸載初期,

應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較陡，但當(dāng)卸載接近結(jié)束時則較平緩,

甚至當(dāng)完全除去應(yīng)力后，還有部分變形恢復(fù)，此即彈性

后效現(xiàn)象。

圖1-3一般巖石變形曲線

（-）巖石變形指標(biāo)

泊松比是指巖石在單軸壓縮條件下橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的比值，也稱橫向變形系數(shù)，其

表達(dá)式為

//=-—

（1-16）

式中〃——巖石的泊松比；

久、￡“——巖石試件的橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)變。

（1）當(dāng)巖石在單向受壓條件下，其軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線時（見圖1-4）,其彈性

模量的表達(dá)式為

E=J

S（1-17）

式中E——巖石的彈性模量，kPa；

b——軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線上任?點(diǎn)的軸向應(yīng)力，kPa；

￡——對應(yīng)于b的軸向應(yīng)變。

圖1-4軸向的應(yīng)力-應(yīng)變

為直線時巖石的彈性模量（2）當(dāng)其軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線為非線性關(guān)系時，則有三種彈性

模量的定義（如圖1-5）,即

①初始模量：曲線過原點(diǎn)的切線斜率，即

圖1-5巖石的各種模量的確定

ldo

E-----

d￡e=0(1-18)

②切線模量：曲線上某點(diǎn)M的切線斜率，即

ldo

E=----

d2

f(1-19)

③割線模量：曲線上某一點(diǎn)M的縱橫坐標(biāo)之比，即

E=1

(1-20)

(3)當(dāng)巖石在受力后既有彈性又有塑性變形時(如圖1-3),用巖石的變形模量來表征

其總變形，

4+J+金(1-21)

式中E,—巖石的變形模量；

b——應(yīng)力；

久一分別為巖石的瞬時彈性、后效彈性、塑性應(yīng)變。

通常用體積應(yīng)變e、，即體積改變量AV與原體積V的比值，又稱為體積改變率來表征體

積的變化

Arl-2Z/z、

￡V=~^~=+S2+￡3=-7；-3+，+%)

VE(1-22)

容變彈性模量，其表達(dá)式為：

E=---

v3(1-2〃)(1-23)

煤礦中常見巖石變形指標(biāo)值如表1-6所示。

表1-6煤礦中常見巖石的變形指標(biāo)

彈性模量E(MPa)

泊松比u

巖石種類壓縮拉伸

平行層理垂直層理平行層理平行層理垂直層理

花崗巖58.8X10358.8X10：'21.6X1010.05-0.250.05-0.25

石灰?guī)r26.3X10328.4X10325.5X1030.16-0.270.19-0.39

砂巖36.7X10339X10336.3X1010.120.14-0.20

砂質(zhì)頁巖35.6X10323.7X10312.7X1030.250.16

泥質(zhì)頁巖24.5X10314.7X10310.8X10"0.15-0.390.1-0.48

粘±0.3X103一—一一

煤(9.8-19.6)X103—一0.1~0.50.1~0.5

二、巖石的抗剪強(qiáng)度

巖石的抗剪強(qiáng)度是指巖石抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度(剪切面上的切向應(yīng)力)，它是巖石

力學(xué)性質(zhì)中最重要的指標(biāo)之一。根據(jù)剪切試驗(yàn)時加載方式的不同，可分為抗切強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)

度和摩擦強(qiáng)度三種。

巖石的抗切強(qiáng)度是指剪切面上不加法向載荷,而只在水平方向施加剪切力直到巖石剪斷

為止(如圖l-6a所示)。此時，抗切強(qiáng)度(純剪強(qiáng)度)等于剪切破壞面上巖石的粘結(jié)力C。

巖石試樣在一法向壓應(yīng)力作用下，并且在水平方向施加一能抗剪切滑動的最大剪應(yīng)力，

這就是巖石的抗剪強(qiáng)度(如圖l-6b所示)。

巖石的摩擦強(qiáng)度是指巖石試件內(nèi)已經(jīng)有斷裂面存在時,在某一法向壓應(yīng)力和水平方向施

一剪切力的作用下能夠抵抗的最大剪應(yīng)力(如圖l-6c所示)。此時由于巖石試件已被剪斷(即

巖石試件粘結(jié)力C=0),

僅由于內(nèi)摩擦力而起抵抗外力的作用，故稱為摩擦強(qiáng)度，又稱殘余抗剪強(qiáng)度。用這種方法得

出的強(qiáng)度指標(biāo)稱為重剪強(qiáng)度（圖l-6d）o

圖1-6巖石剪切試驗(yàn)不同加載方式及強(qiáng)度特征

a—抗切試驗(yàn)；b一抗剪斷試驗(yàn)；c—摩擦試驗(yàn)；d一重剪試驗(yàn)測定巖石抗剪

強(qiáng)度的試驗(yàn)可分為

現(xiàn)場試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)兩類。

目前室內(nèi)巖石抗剪強(qiáng)度的測定，普遍采用鍥形剪切儀來測定巖石的抗剪斷強(qiáng)度的鍥形剪

切試驗(yàn)，又稱為傾斜壓模法。

TOP

r=—=—=—(sina-/cosa)

AAA

NP

(jn=--=—(cosa+/sina)

AA(1-25)

式中A----試件剪切破壞面的面積，cn?。

T、N—作用在剪切破壞面上的剪切力和正壓力，kN；

圖1-7巖石的抗剪斷應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以不同的。角度（45-65'）進(jìn)行試驗(yàn)，分別按式（1-25）可求出相應(yīng)的一組7和區(qū),值,

于是可在P-7坐標(biāo)系上作出反映巖石發(fā)生剪切破壞時的關(guān)系曲線（如圖1-7）,

7=btanQ+c（卜26）

式中tan。一巖石抗剪斷內(nèi)摩擦系數(shù)；

c——巖石的粘結(jié)力（內(nèi)聚力）。

煤礦中幾種常見巖石的C和。值見表1-7所示。

表1-7煤礦中常見巖石的粘結(jié)力（內(nèi)聚力）和內(nèi)摩擦角

巖石種類內(nèi)聚力（MPa）內(nèi)摩擦角

花崗巖13.7?4940?60

石灰?guī)r3.4?39.235?50

砂巖7.8?39.235?50

砂質(zhì)頁巖6.846

頁巖2.9?29.420?35

煤1-9.816?40

三、巖石的單軸強(qiáng)度及變形特性

巖石的單軸強(qiáng)度根據(jù)作用在巖石試件上力的方向分為單軸抗壓強(qiáng)度（uniaxial

compressivestrength,簡稱UCS）和單軸抗拉強(qiáng)度（tensilestrength）。

（-）巖石的單軸抗壓強(qiáng)度及變形特征

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石試件在無側(cè)壓且只受軸向荷載作用下，所能承受的最大壓

應(yīng)力。煤礦研究巖石分類、確定破壞準(zhǔn)則等時常采用這個指標(biāo)，是目前地下工程中使用最廣

的巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

巖石的抗壓強(qiáng)度一般在實(shí)驗(yàn)室壓力機(jī)上進(jìn)行加壓試驗(yàn)測定。試件一般采用直徑5cm、高

徑比為2,沿試件各截面的直徑誤差不大于0.3mm以及兩端面的不平行度不超過0.05mm的

圓柱體，并且試驗(yàn)時壓力機(jī)以0.5?LOMPa/s的速度加載，直到試件破壞。

P

R=-xl000

/（1-27）

式中氏一巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

P——巖石試件破壞時的荷載，kN；

A——巖石試件的橫斷面面積，ml

巖石的抗壓強(qiáng)度受巖石性質(zhì)、巖樣形狀和大小以及測試方法、加載速度等的影響。一般,

巖石中高強(qiáng)度的礦物含量越多，孔隙度越小，試件尺寸越小，則其抗壓強(qiáng)度越大。煤礦中常

見巖石單軸抗壓強(qiáng)度見表「8所示。

表1-8我國煤礦常見巖石的強(qiáng)度

巖石種類單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）抗剪強(qiáng)度（MPa）

細(xì)砂巖103.9?1435.5-17.617.4?53.4

中砂巖85.7?133.36~1413.3?36.5

砂巖類

粗砂巖56.8?123.55.4-11.612.4?30.4

粉砂巖36.3-54.91.3-2.46.86?11.5

砂礫巖6.9-121.52.8~9.77-28.8

礫巖類

礫巖80.4?94471.766.6?26.4

砂質(zhì)頁巖39.2-90.23.9-11.820.6-29.9

頁巖類

頁巖18.6?39.22.7?5.415.6?23.3

灰?guī)r類石灰?guī)r52.9?157.87.7-13.89.8-30.4

煤4.9?492?4.91.08?16.2

巖石單軸加壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€可表征巖石試件的單軸抗壓變形特性。（如圖

1-8所示）。

（1）全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的劃分

①0-A段，原始空隙壓密階段，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上彎形。此階段的變形模量較

小，且不是一一個常數(shù)。

②A-B段，線彈性階段，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線形。

③B-C段，彈塑性過渡段，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從B點(diǎn)開始偏離直線，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到

0.6區(qū)^時，巖石內(nèi)開始有微破裂不斷產(chǎn)生，巖石的體積由壓縮轉(zhuǎn)向膨脹。對應(yīng)于曲線上C

點(diǎn)的應(yīng)力值稱為屈服極限。

④C-D段，塑性階段，當(dāng)應(yīng)力超過屈服應(yīng)力后接近0.95區(qū)皿時，巖石破裂速度加快，

巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繼續(xù)向左上方延伸，巖石的體積膨脹加速，變形也隨應(yīng)力增長迅速，

直到D點(diǎn)破壞。相應(yīng)于D點(diǎn)的應(yīng)力值稱之為巖石的強(qiáng)度極限（5?x）,或峰值強(qiáng)度。

⑤D點(diǎn)以后，破壞階段。普通材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)得不到D點(diǎn)以后應(yīng)力-應(yīng)變曲線。而剛性

試驗(yàn)機(jī)（剛性壓力機(jī)）的出現(xiàn)則使D點(diǎn)之后的巖石崩潰得到控制。D點(diǎn)以后的曲線說明，

巖石破壞后并非完全失去承載力，而是保持一較小的值，相應(yīng)于曲線E點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值稱

為殘余強(qiáng)度。D點(diǎn)以后的峰后區(qū)表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性。

圖1-8巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€

（2）巖石單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分類

由于巖石種類眾多且其組成物質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)特性的不同，在巖石受壓變形中，有的巖石

塑性變形明顯，有的則是彈性變形明顯。根據(jù)大量的試驗(yàn)，單軸受壓條件下巖石的應(yīng)力-應(yīng)

變曲線大體可以歸納為以下四種類型（見圖1-9）,即

①直線型曲線：主要反映有明顯彈性特性的巖石，且大部分有很大的脆性，如石英巖等

堅(jiān)硬巖石。

②下凹型曲線：也稱彈塑性曲線，主要反映具有明顯塑性的巖石變形，石灰?guī)r為其代表

性巖石。

③上凹型曲線：主要反映具有較大孔隙但又較堅(jiān)硬巖石的變形特性，如片麻巖。

@S型曲線：表征多孔且具有明顯塑性巖石的變形特性，實(shí)質(zhì)是上彎型和下彎型的組合,

如大理巖。

（-）巖石的單軸抗拉強(qiáng)度及變形特性

目前主要用劈裂法（巴西法）來測巖石的抗拉強(qiáng)度（如圖1-10）,用直徑5cm和厚2.5cm

的圓盤形試件，使其承受徑向壓縮荷載直到破壞，求出巖石的抗拉強(qiáng)度，又稱做徑向壓裂法。

2P

R,=——xlO

兀Dt（1-28）

式中p——試件破壞時的劈裂荷載，kN；

D、t——試件的直徑和厚度，cm。

圖L10劈裂法試驗(yàn)示意圖

四、巖石在三軸應(yīng)力作用下的強(qiáng)度及變形特性

1—承壓板：2一試件；3一鋼絲

三軸等應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力組合方式為2>b2=,主

要研究是圍壓g=03）對巖石的強(qiáng)度、變形以及破壞的影響。三軸不等應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力

組合方式為6>%>,主要研究對巖石的強(qiáng)度、變形以及破壞的影響。

巖石在三軸等壓縮應(yīng)力作用下的強(qiáng)度及變形特性，試驗(yàn)時先對試件施加側(cè)向壓力，達(dá)到

預(yù)定值后保持不變，然后施加軸向載荷直到試件破壞。

試件在某種圍壓下三軸抗壓強(qiáng)度（&C）的表達(dá)式為

『丁P。

(1-29)

式中P——試件破壞時軸向載荷，kN；

A——試件的初始橫截面積，cm2。

煤礦中常見的幾種巖石及煤的三軸抗壓強(qiáng)度見表上9。

表1-9煤礦中常見的煤巖三軸抗壓強(qiáng)度

不同圍壓(MPa)作用下的:軸抗壓強(qiáng)度

巖石種類

09.819.624.527.429.439.249.053.958.873.578.4

石灰?guī)r156.8274.4372.4558.6

石英砂巖158.5218.9210.8251305.3354.7

砂巖67.6227.3307.2

砂頁巖58.8377.3406.7

硬爆19.649166.6189.1

巖石在三軸等壓縮應(yīng)力作用下，其變形特性將受到圍壓的影響。圖1-11為一組大理巖

的試驗(yàn)曲線，由圖可知:

①巖石的屈服應(yīng)力隨圍壓（％二03）的增加而提高。

②彈性段的斜率變化不大，即彈性模量和泊松比與單軸壓縮下基本相等.

③在一定的臨界圍壓下，出現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象；

之后，如果提高圍壓，不再出現(xiàn)峰值，巖石仍保留

一定的承載能力，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)單調(diào)增長趨

勢。

圖1T1三向等壓下大理行的試驗(yàn)曲線

五、巖石的流變（蠕變）特性

（-）巖石的流變類型

巖石的流變性質(zhì)分為：

①蠕變：在應(yīng)力不變條件下，應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象稱為蠕變變形，它與塑性變

形不同，塑性變形通常在應(yīng)力超過彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變變形只要應(yīng)力的作用時間相

當(dāng)長，它在應(yīng)力小于彈性極限的情況也能出現(xiàn)。

②松弛：應(yīng)變一定時，應(yīng)力隨時間的延長而減小的現(xiàn)象。

③彈性后效：加載（或卸載）后經(jīng)過一段時間應(yīng)變才增加（或減小）到一定數(shù)值的現(xiàn)象。

④粘性流動：巖石在蠕變發(fā)生一段時間以后卸載，部分變形永久不能恢復(fù)的現(xiàn)象。

（-）巖石的蠕變特性

隨著采礦等巖體工程規(guī)模日益增大，巖石的流變問題已成為十分重要的問題，但對研究

巖石力學(xué)問題關(guān)系更密切的是蠕變問題。反映蠕變特征的變形-時間曲線稱為蠕變曲線。圖

1-12為巖石的典型蠕變曲線。

o

圖1-12巖石的典型蠕變曲線

由圖巖石的蠕變曲線可以劃分為以下部分：

①0-A段：瞬時變形階段。在加載瞬間，試件立即產(chǎn)生一瞬時彈性應(yīng)變，此段所經(jīng)時間

極短，可以認(rèn)為與時間無關(guān)。

②A-B段：第一階段蠕變（又稱初始蠕變、過渡蠕變或阻尼蠕變）。此段應(yīng)變不斷增加，

但增長速率卻隨時間降低，曲線呈下凹型。

③B-C段：第二階段蠕變（又稱等速蠕變或定常蠕變）。此段時間延續(xù)最長，應(yīng)變隨時

間呈近似的等速增長。

④C-D段：第三階段蠕變（又稱加速蠕變）。當(dāng)應(yīng)變到達(dá)C點(diǎn)后加速增長，曲線呈上凹

型，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某個數(shù)值D點(diǎn)時試件破壞。

根據(jù)以上分析，蠕變的應(yīng)變可以表示為

(1-30)

式中C-------蠕變的應(yīng)變;

句、&、S—第一、第二和第三階段的蠕變;

匕——第二階段蠕變的應(yīng)變速率；

I——第二階段蠕變的時間。

圖1-13巖石的蠕變曲線

（三）巖石的流變模型

最基本的流變模型也就是以下三種:

①完全彈性體常用普通的彈簧來表示（如圖lT4a）,其變形規(guī)律服從虎克定律（故也

稱虎克體），在其變形-時間關(guān)系圖上，變形為一水平直線。

b=Ee（1-31）

式中0、￡——巖石的應(yīng)力、應(yīng)變；

E——巖石的彈性模量。

圖1-14簡單力學(xué)模型

a—完全彈性體：b—完全粘性體：c—剛-塑體

②完全粘性體常用充滿粘性液體的活塞缸（阻尼器）來表征巖石的粘性（如圖lT4b）,

當(dāng)有外力作用在阻尼器上時，活塞不會立即移動，隨著時間的推移，活塞便會逐漸的開始移

動，其變形規(guī)律服從牛頓粘性規(guī)律（也稱牛頓體），即

de

（T=?j-----

dt（1-32）

式中〃——粘性系數(shù)；

d￡

dt——正應(yīng)變率。

（J

8=—t

〃（1~33）

如應(yīng)力不變，公式變形為）故在變形-時間關(guān)系圖上變形為一斜直線。

③剛-塑體是利用一個干摩擦塊(摩擦器)在一平面上的滑動來表征巖石的塑性變形(如

圖l-14c),當(dāng)作用在摩擦塊上的外力大于摩擦力(即屈服應(yīng)力0。)時，物體開始移動(相

當(dāng)于產(chǎn)生塑性變形)，而小于時物體則不動(即物體處于剛性不變)。其變形規(guī)律表達(dá)式為

(T<(To￡=0

b=>

6。=與\(1-34)

式中f一摩擦系數(shù)；

G——物體的重力。

六、影響巖石變形和強(qiáng)度的因素

(1)巖石的性質(zhì)。

(2)巖石的生成條件。

(3)巖石的構(gòu)造特征。

表1-10層理對煤、巖單向抗壓強(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度(Mpa)

巖石種類兩者比值

垂直層理平行層理

石灰?guī)r176.41481.19

粗粒砂巖139.4116.11.20

細(xì)粒砂巖153.6156.50.98

砂質(zhì)頁巖77.350.81.52

頁巖50.636.01.41

無煙煤19.212.91.49

煙煤10.57.21.45

(4)風(fēng)化、水和溫度的作用。

(5)巖石試件的形狀和尺寸。

(6)加載速率及次數(shù)。

(7)巖石的受我狀態(tài)。

第三節(jié)巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論

一、巖石的破壞機(jī)理

(-)巖石的破壞形式

根據(jù)巖石本身性質(zhì)的差異和破壞前所產(chǎn)生的變形量大小，其破壞形式表現(xiàn)為脆性和塑性

兩種。

(二)巖石的破壞機(jī)理

圖1-15(a)為單軸試驗(yàn)時因壓縮而引起立方體試件拉斷破壞，稱為橫向張裂或壓裂破

壞。特點(diǎn)是破斷后斷裂面與加載方向平行。

圖1-15(b)是單軸試驗(yàn)過程中因壓縮而引起長方體試件的剪切破壞，稱為壓剪破壞。

試件受剪切破壞時其內(nèi)部的剪應(yīng)力具有對稱性，常出現(xiàn)一組成X狀的傾斜裂縫，稱為“X形

剪切裂隙”，在壓縮試驗(yàn)時I由于受壓面上的摩擦力，巖石試件常出現(xiàn)一種特殊的剪切破壞

形態(tài)——對頂錐破壞。

某些巖石的剪切破壞角見表1-1K

圖1-15單壓下巖石破壞的形態(tài)

a一張裂或壓裂破壞；b一壓剪破壞：c-塑流破壞

表1-11巖石剪切破壞角

巖石種類花崗巖砂巖石灰?guī)r頁巖

剪切破壞角79°74。58°50°

二、莫爾強(qiáng)度理為

莫爾（Mohr）于1900年提出了莫爾強(qiáng)度理論，它認(rèn)為材料發(fā)生破壞是由于材料的某?

面上剪應(yīng)力達(dá)到一定的限度（即極限剪應(yīng)力），而這個剪應(yīng)力與材料本身性質(zhì)和正應(yīng)力在破

壞面上所造成的摩擦阻力有關(guān)。

（一）莫爾應(yīng)力圓

如圖1-16（a）所示，在平面應(yīng)力狀態(tài)下，有兩個主應(yīng)力（6，03）作用在某一點(diǎn)

上，則最大主應(yīng)力6與外法線成a角的斜切面上法向應(yīng)力ba和剪應(yīng)力7a的表達(dá)式為

(y--6-+---6--+-----6-cos2ca

ar/22

r=———sin2a

a2

（1-35）

也就是

（T）+CT-j%

式（1-36）在直角坐標(biāo)系是以（