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1、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，
2、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
3、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。研究岩石破碎和采矿空间的稳定，必然涉及岩体的应力、应变、位移、破裂、破坏和强度，这些问题是岩石力学研究的内容，因此，岩石力学是采矿工程的基础。一、岩石力学是固体力学的一个独立分支岩石力学是固体力
4、学的一个分支。这首先表现为，岩石力学研究力场作用下，岩体的变形、破坏和岩体结构的稳定性。力学的普遍原理，如质量守恒、动量守恒和能量守恒及其一般形式(方程)也是岩石力学的基本方程。固体力学的一些基本原理，如最小势能定理、最小余能定理、虚功定理、互等定理等也是岩体力学的基本定理，至今还在岩体力学的理论分析与数值计算上发挥着关键作用。力学对于变形体的研究从运动几何学、动力学和材料特性三个方面展开，并且服从基本的热力学规律。岩石力学中对岩体变形与破坏的研究也需要从这些方面着手，也不能违反热力学的基本规律。尽管近年来岩石力学界对连续介质假设提出了许多质疑，但该假设仍是岩石力学中最重要和应用最广的假设，而
5、且大部分质疑并没有从理论上和逻辑上推翻连续介质假设。到目前为止，岩石力学中并没有出现与固体力学有实质差别的方程，因此，在固体力学中适用的数学方法同样适用于岩石力学。在岩石力学数值计算中占主导地位的有限元法更是直接从固体力学中引入的。其次，从内容上看，岩石力学的理论部分(J. C.耶格和库克称之为“岩石力学科学”4)包括了弹性力学、塑性力学、断裂力学、固体流变学、损伤力学、孔隙弹性理论、弹性波和结构力学。除了孔隙弹性理论包含渗流力学的内容外，上述学科都在固体力学的范围内。从岩石力学的发展看，近年来出现的新的数学方法、突变理论、分叉理论等，在固体力学与岩石力学中都有应用，但它们不是从岩石力学中首先
6、发展起来的。国际岩石力学学会的前任主席C. Fairhurst(查尔斯. 菲尔赫斯特)说，“岩石力学问题的现实解答，必须包括一般力学原理与由实验室和野外的观察、试验建立起来的审慎的物理见解的综合。”这清楚地表明了，岩石力学是固体力学的一个分支。应变弱化是岩石特有的力学性状，其独特性在于，固体力学的所有其他分支都不考虑材料的应变弱化。按照所研究对象力学性状的不同，连续介质力学，包括固体力学，被划分为几个不同的分支学科，如弹性力学、塑性力学、热弹性力学、固体流变学等。根据这一划分原则，岩石力学不仅是固体力学一个分支，而且是一个独特的分支。岩石力学与固体力学其它分支的区别，还在于岩石是具有内部结构的
7、材料(矿物组成与排列、节理、裂隙、断层等)。按照近代关于物质结构的理论，任何材料都具有内部结构，如金属材料的晶体结构，但是对金属材料和高分子材料，只有在研究极小尺度上的问题时，才需要考虑材料的内部结构。在机械、化工等工程领域中，涉及固体变形和强度的问题时，其外部特征尺度远大于材料内部结构的尺度。因此，可以忽略内部结构的细节，只需要考虑内部结构的平均效果。通过对材料样品力学性质的测试，就可以得到反映这些平均效果的物性参数。例如，对厘米级钢材样品的试验结果，在几百米尺度的船舶上也适用，跨度达34个数量级。但是对岩石很难找到这样一种基本尺度，在这个尺度上测出的岩石物性参数，在一个较大的尺度范围内仍然
8、成立。如实验室对厘米岩石样品测试得到的力学性质参数，与分米级的岩石样品的力学性质参数不同。同样毫米级的岩石样品的力学参数与厘米级的岩石样品的力学参数不同。这是因为岩石的内部结构在各个尺度上都存在，结晶颗粒和晶粒结构的尺度是毫米级或比毫米更小。节理、裂隙的尺度分布范围从几个厘米到几米。小断层可延展几十米到几百米，大断层可延展几公里到几十公里，而著名的圣安德列斯断层则长达几千公里。由此可以看出，由于金属和高分子材料的内部结构小于某一尺度，在工程关心的宏观尺度上，其内部结构的影响可以方便地采用平均化的方法处理，因此是非本质的。但是对岩石材料，由于在各个不同的尺度上都存在，原则上无法采用平均化的方法处
9、理。因此具有内部结构是岩石材料的一个区别于金属材料、高分子材料和其它人工材料的本质属性。为了研究的方便，岩石常常被看成连续介质，象金属、高分子材料和流体一样。由于岩石作为地质体有大大小小的节理、裂隙、断层。因此，许多研究者认为，岩石是被结构面切割的块体，不能被看作连续介质，提出了新的模型。这些模型可以考虑结构面和块体的变形，以及结构面和块体不同的力学特性。但连续介质方法允许研究对象有有限个间断面。对这类块体模型的运动分析、变形分析、应力分析仍然离不开连续介质方法。另一类块体模型认为，块体之间有相对运动，但块体本身是刚性的。这类模型是真正的非连续介质模型，采用结构力学的方法进行研究。但深入的研究
10、表明，将块体视为完全刚性的很难模拟工程岩体的真实行为。因此常常需要考虑块体的局部应力集中、压碎效果等。岩石块体的这些行为涉及块体的变形，因此不能将块体视为刚性的，仍然要借助于连续介质方法。材料与结构的变形、破坏、失效是固体力学所有分支的共同问题，但是矿山岩体力学还有它自身独特的问题。1、在采矿工程中，不仅要破坏岩体，还要将岩体破坏变成岩块、岩块破坏成碎块、碎块进一步破坏成岩屑。因此需要研究岩体的不断的、持续的破坏，寻找其中的规律。也就是说需要研究岩石破碎。这是固体力学的其他分支都不研究的问题。2、在采矿工程中不但允许岩体的局部破坏，并且经常有意识地造成部分岩体的破坏，以保证整个岩体结构的稳定性
11、。这种以部分岩体的破坏为代价以换取岩体结构总体稳定性的方法是采矿工程和岩石工程特有的方法，由此而产生的研究课题也是岩体力学特有的并且不为固体力学其他分支所研究的独特问题。3、机械、航天航空、船舶、化工等行业中，结构通常受拉应力的作用，在拉应力场中，材料破坏的开始与结构失效(破坏)的区别一般并不重要。因此在拉应力场居优势的有关研究中，对材料破坏和结构失效之间的差别经常予以忽略。在采矿工程和岩石工程中，岩石常常受到压应力的作用。在压力场中，从岩体开始破坏到岩体结构的失效是一个发展过程，因此需要研究岩石破裂过程。4、不同尺度岩石(同类岩石)的力学性状是不同的，对各种尺度的岩石都进行试验，以得到它们的
12、力学性质参数不但很不经济，实际上也没有可能。因此研究不同尺度的岩石之间力学性质的关系是岩体力学特有的问题。对这种关系的研究现在常称为岩石的尺寸效应和应力梯度效应。5、载荷是引起材料和结构的破坏的主要因素之一。在机械、土木、航海、航空等工程问题中载荷是纯粹的外部因素，结构可能承受的和允许承受的最大载荷比较容易估计。但在岩体力学中，当我们研究某部分岩体的变形、破坏时，它是受载体，但是这部分所受到的载荷来自与它有紧密联系的周围岩体，因此岩体既是受载体又是施载体。受载的岩体所承受的来自于周围岩体的载荷既取决于与受载岩体的力学行为，也取决于围岩，即施载岩体的力学性能。这就是说某一岩体结构所承受的载荷取决
13、于该岩体结构与围岩的相互作用，这是岩体力学所特有的且不为固体力学其他分支所研究的特殊问题。岩石应力应变全程曲线的后半部分，即过峰值强度后岩石的应力应变关系并不完全是就与试验机与岩石的相互作用有关。施载体与受载体相互作用在某些重要的岩体力学问题中，比如岩爆的研究中问题中是关键问题。6、作为一门理论科学，固体力学采用抽象化的方法研究物体的力学行为，因此在固体力学中除了代表物体力学性能的必要的力学参数外，我们看不到实际的物体。因此对于只看到。没有对于具体对象更详细和生动的描述。物体的研究，对象的力学行为。研究。服从同样的守恒律和热力学规律，采用同样的运动、变形分析方法，同样的数学工具和手段，表明岩石
14、(体)力学是固体力学的一个分支。具有应变弱化的本构特性和具有内部结构的地质材料，并有独特的、不同于固体力学其它分支的问题，表明岩石力学是固体力学的一个独立分支。二、岩石力学是一门工程学科岩石力学是伴随采矿工程而产生的。当时面临的问题是评价有用矿物的“可采掘性”和回采空间的稳定性等。由于在采矿工程的早期，科学技术远不象今天这样发达，因此发展了一套以经验为主的解决工程问题的方法。如用“岩石坚固性系数”评价岩石破坏和破碎的难易程度，自然平衡拱理论解释支架受力等。土木工程、机械工程等都以人工材料(金属、混凝土、高分子材料)等为结构材料或建筑材料。而各类岩土工程，如边坡工程、地基工程、隧道工程、水利工程
15、等，既以天然岩体为岩体结构材料也以天然岩体为建筑材料，并以岩体所处的环境为建筑环境。而在采矿工程中，岩体不仅是工作对象(如将有用的矿物从周围岩体中剥离出来)，也是采矿结构(采场、巷道、井筒等)的主要组成部分。由于岩体是地质材料，对其物理力学性质的了解，远比各类人工材料困难，因此也更重要。建筑物所处的建筑环境，是建筑物设计和评价的重要因素。各类岩土工程的建筑环境，就是其所处的地质环境。主要包括，构造地质和岩体结构，地应力、地下水和地温等，还有气象、水文、地震等环境。岩体工程和特别是采矿工程的地质环境处于不断变动之中。为解决上述问题发展起了许多测试技术与方法，如实地测量岩石强度的点荷载方法，以及在
16、此基础上规范化的ISRM方法，测量准岩体强度的超声波法和PQD方法，以及各种岩体质量的评价方法。固体力学可以定性地解释上述方法的正确性，却没有一种实际可行的途径，从固体力学的一般原理建立这些方法。从这些技术的产生和发展看，它们主要是在工程实践经验的基础上发展起来的，具有很强的工程学特征。在岩石力学早期产生的基于工程经验的方法和概念，如普氏坚固性系数，经长期的实践被证明是一个有效的和实用的方法，至今仍在矿井设计中起重要作用，而一些基于经验的概念，如冒落平衡拱、铰接岩梁和砌体梁假说，在层状地层压力和控制中仍起着重要作用。力学作为一门理论科学在方法论上的一个主要特点是从最基本的原理和对象的最基本的性质出发，进行预测。在岩石力学中，虽然力学的基本原理仍然适合，但由于地质材料固有的不均匀性，基于实验室的测试结果，很难作为岩石的基本性质，直接推广到工程问题中。为了指导工程实践，发展了各种分类方法和分级方法。如评价岩石破裂
