岩石力学在采矿工程中的研究现状和趋势

综 � � 述 岩石力学在采矿工程中的研究现状和趋势 蓝 � 航 (天地科技股份有限公司 开采所事业部, 北京 100013) [摘 � 要 ] � 从力学分支和学科联合的角度介绍了岩石力学在采矿工程中应用情况, 并针对目前 采矿工程中各个具体研究领域中涉及到的岩石力学理论和手段做了分析, 最后指出了岩石力学在采矿 工程应用中的发展趋势。 [关键词 ] � 岩石力学; 采矿工程; 研究现状; 趋势 [中图分类号 ] TD31� � [文献标识码 ] A� � [文章编号 ] 1006-6225 ( 2006) 05-0009-04 Status-quo and Trends of RockM echanics inM ining Engineering LAN H ang ( C oalM in ing Technology Dep t, T iand iS cien ce& T echnology Co. Ltd, B eijing 100013, Ch ina) Abstrac t: The application of rock m echanics in m ining eng ineer ing from the v iew o fm echanics branches and sub jec t comb ination w as introduced in this paper. Rock m echan ics theo ry and m e thod used in every fie ld of m ining eng ineer ing w ere analyzed and the trends of rock m echanics app lied in m ining eng ineer ing w as po inted out� K ey words: rock m echan ics, m in ing eng ineer ing, status-quo, trend [收稿日期 ] 2006- 05- 22 [作者简介 ] 蓝 � 航 ( 1978- ), 男, 土家族, 湖北利川人, 2004年毕业于安徽理工大学, 获硕士学位, 现为煤科总院在读博士生。 � � 岩石力学来源于大规模的工程实践。在国外, 早期的岩石力学工作大都是结合采矿工程进行, 如 英国、美国和南非。采矿工程涉及到的岩石工程往 往规模巨大, 而且条件极其复杂。不论是地下采矿 工程, 还是露天采矿工程, 都是以具有地质构造的 岩石为对象, 岩石力学问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 贯穿于采矿工程的各个 角落。一方面, 采矿工程中的岩体是地质体, 它经 历过多次反复地质作用, 经受过变形, 遭受过破 坏, 形成一定的岩石成分和结构, 赋存于一定的地 质环境中。岩体的力学性质包括岩体稳定性特征、 强度特征和变形特征, 它会随着岩体内结构面产状 的不同而变化。另一方面, 由于采矿工程是一个动 态开挖过程, 岩体的力学性质也会随着工程尺寸和 开挖方向的不同而变化, 同时环境因素 (地应力、 水、温度 ) 也是影响其性质的一个重要方面。因 此, 这些特征决定了采矿工程中的岩石力学问题是 极其复杂的, 因而必然要求其研究手段多样化。 1� 岩石力学主要理论基础及与其他学科的结合 岩石力学是一门应用性的基础学科。它的理论 基础相当广泛, 涉及到很多基础及应用学科。 2�1� 岩石力学的力学分支基础 ( 1) 固体力学 � 固体力学是力学中形成较早、 理论性较强、应用较广的一个分支, 它主要研究可 变形固体在外界因素 (如载荷、温度、湿度等 ) 作用下, 其内部各个质点所产生的位移、运动、应 力、应变以及破坏等的规律。在采矿工程中用到的 固体力学主要有: 材料力学, 结构力学, 弹、塑性 力学, 复合材料力学, 断裂力学和损伤力学。如把 采场上覆岩层看作是梁或板结构用的就是结构力学 理论; 采用弹性力学研究巷道周围的应力分布。 ( 2) 流体力学 � 流体力学主要研究流体本身的 静止状态和运动状态, 以及流体和固体界壁间有相 对运动时的相互作用和流动规律。流体力学中研究 得最多的流体是水和空气。对于地下采矿工程来 说, 其研究对象就是地下水与瓦斯等矿井气体。 ( 3) 爆炸力学 � 爆炸力学主要研究爆炸的发生 和发展规律, 以及爆炸的力学效应的利用和防护。 它从力学角度研究爆炸能量突然释放或急剧转化的 过程, 以及由此产生的强冲击波 (又称激波 )、高 速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。同时爆炸力 学是流体力学、固体力学和物理学、化学之间的一 门交叉学科。地下开采中的巷道掘进, 露天开采中 的采剥都要进行爆破。 ( 4) 计算力学 � 计算力学是综合力学、计算数 学和计算机科学的知识, 以计算机为工具研究解决 力学问题的理论、方法, 以及编制软件的学科。从 20世纪 50年代以来, 它在力学的各分支学科和边 9 第 11卷 第 5期 (总第 72期 ) 2006年 10月 煤 � 矿 � 开 � 采 CoalM in ing Techno logy Vo1� 11 No� 5 ( Ser ies No�72) Oc tober� 2006 缘学科中得到了很大的发展, 无论是在科学研究还 是工程技术中均得到了广泛应用, 现在它已成为力 学除理论研究和实验研究之外的第 3种手段。常见 的计算力学方法并已广泛用到数值模拟计算中的 有: 材料非线性有限元法、几何非线性有限元法、 热传导和热应力有限元法、弹性动力学有限元法、 边界元法、离散元法、无网格法、有限差分法、非 连续变形分析等。以计算力学为基础的数值模拟方 法在采矿工程中的研究应用也正广泛地开展起来。 1�2� 岩石力学与其他学科的结合 上述力学分支构成了岩石力学的基础, 同时, 岩石力学的发展也离不开其他学科的支持。在岩石 力学的发展过程中, 岩石力学十分关注其他学科的 最新进展, 并不断地吸收、借鉴它们的方法和手 段, 极大地丰富了岩石力学自身的研究应用手段。 岩石工程中所研究的岩块和岩体, 作为一种地 质体, 其形成受地质作用支配, 地质系统与工程岩 体之间具有相互依存和相互作用关系。因此, 对岩 石的成岩和蜕变过程, 构造应力和构造变形, 岩石 所赋存的构造部位及地质环境等因素的研究构成了 岩石力学与工程学科的重要基础。 岩石工程的状态参数大多是随机变量, 甚至可 能是时间或空间的随机过程。由于这种状态参数的 随机分布特性, 其破坏模式及破坏过程也具有随机 性。因此, 对岩石工程进行参数的概率统计、破坏 的随机过程分析和系统的可靠度分析就显得尤为重 要了。统计学研究从观测数据 (样本 ) 出发寻找 规律, 利用这些规律对未来数据或无法观测的数据 进行预测。现有机器学习方法共同的重要理论基础 是统计学, 传统统计学研究的是样本数目趋于无穷 大时的渐进理论, 现有学习方法也多是基于此假 设。与传统统计学相比, 统计学习理论 ( Statist ical Learning Theory或 SLM ) 是一种专门研究小样本情 况下机器学习规律的理论。V�Vapnik等人从上世 纪六七十年代开始致力于此方面研究。目前该理论 又成为研究热点, 我国冯夏庭、赵洪波等人已将其 应用到了岩石工程中。 近年来, 随着现代数学和计算机技术的发展, 人工智能、遗传进化算法、数据挖掘、灰色理论、 非线性力学以及系统科学等新兴学科的兴起, 为人 们提供了全新的思维方式, 这些都为突破岩石力学 的确定性研究方法提供了强有力的理论基础。 虚拟现实 ( V irtua lRea lity) 是一种综合计算机 图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计 算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起 来的计算机领域的最新技术。它运用计算机表达现 实世界的各种过程, 通过它可以运用数学力学方法 如数值模拟呈现开挖过程, 在 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 过程中描述尚未 进行的工程, 结合工程实践预测岩体变形及稳定。 1�3� 岩石力学的分支 岩石力学以上述这些力学分支为基础并跟其他 学科融合, 逐步发展出以下分支: 岩石工程地质力 学; 岩体结构力学; 统计岩体力学; 岩石流变力 学; 分形岩石力学; 岩石水力学; 强动载作用下的 岩石动力学; 非线性岩石力学; 卸荷岩石力学; 软 岩工程力学; 岩石力学智能分析方法。这些分支目 前在采矿工程各个领域中都有具体应用。 2� 岩石力学在采矿工程中主要研究应用现状 2�1� 岩层的移动和控制研究 ( 1) 采场围岩理论及控制 � 自长壁开采方法 被采用以来, 采场围岩及顶板控制就成为了采矿工 程研究的核心问题之一。迄今为止主要有如下假说 和理论: 压力拱假说、悬臂梁假说、预成裂隙假 说、铰接岩块假说、裂隙体梁假说、砌体梁假说, 传递岩梁理论, 采场薄板矿压理论, 关键层理论, 都采用了结构力学观点; 基于弹性力学和结构力学 的岩板及弹性基础梁 (板 ) 理论。 ( 2) 顶煤破碎特征、冒放性 � 放顶煤开采被 实行后, 有关顶煤的破碎特征、冒放性评价以及顶 煤的运移规律就成为研究的重点, 文献 [ 10 ] 基 于现场节理岩体调查结果, 运用泊松圆盘模型, 生 成了煤体的三维节理网络, 基于拓扑学中的单纯同 调理论, 建立了顶煤破裂块度的三维预测模型。文 献 [ 11] 探讨了煤体裂隙的分形性与顶煤冒放性 的相关性, 指出以煤体裂隙分布作为顶煤冒放性的 一个重要指标。文献 [ 12] 采用统计损伤力学建 立了顶煤损伤统计力学模型。 ( 3) 开采沉陷理论及控制 � 岩层与地表移动 及控制 (开采沉陷 ) 是地下开采工程的重要研究 内容之一。文献 [ 13] 通过探讨岩层运动的非线 性动力学特征, 为寻求岩层运动新的预报方法进行 了尝试。文献 [ 14] 运用节理岩体的理论从损伤 和断裂力学的角度研究了采场上覆岩层的破坏。文 献 [ 15] 应用分形几何理论研究了采动岩体裂隙 分布的自相似性。文献 [ 16] 采用弹性力学和流 体力学对采动岩体应力、渗透性与地表沉陷相互关 系进行了理论研究。除此外, 各种数值模拟手段包 括: 有限元、离散元、有限差分等以及人工智能也 被广泛地采用。 10 总第 72期 煤 � 矿 � 开 � 采 2006年第 5期 ( 4) 露天边坡岩层稳定性研究及控制 � 露天 矿开采的一个最重要的问题就是露天边坡岩层的稳 定性。目前边坡稳定性分析采用的主要方法有: 极 限平衡法、塑性极限分析和如下一些数值分析方 法: 弹塑性有限元分析方法; 强度折减弹塑性有限 元分析方法; 随机有限元法; 大变形离散元法。文 献 [ 26~ 28] 还采用了岩石力学智能分析方法。 2�2� 巷道支护和地面构筑物保 护理 卵巢癌的护理查房优质护理服务内容doc优质护理服务内容肺癌的护理常规消毒供应室优质护理 论研究 ( 1) 井下巷道 � 井下巷道支护用到的主要理 论有: 新奥法 ( NATM )、联合支护理论、松动圈 理论、拉压域理论 (主次承载区支护理论 )。此 外, 有些学者还采用流变理论、损伤力学理论和大 变形理论等对软岩巷道围岩变形和破坏特征进行了 分析, 从不同角度研究了软岩巷道矿压规律, 得出 了很多有益的结论。 ( 2) 地面建筑物 � 地下采矿工程将对上覆岩 层产生破坏, 这种破坏发展到地表, 就需要对地面 各种构筑物进行保护, 保护措施可分为开采 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 保 护和基于结构力学的建筑物抗变形设计保护。开采 设计保护措施主要有: 充填开采、条带开采、宽条 带开采、宽条带全柱开采和离层注浆技术。 2�3� 地应力及相关问题的研究 ( 1) 地应力测量 � 地应力测量目前用到的主 要方法可以分为直接法和间接法。其中, 直接法 有: 扁千斤顶法; 水压致裂法; 刚性包体应力计法 和声发射法。间接法主要为应力解除法。 ( 2) 地应力引起的问题 � 冲击矿压和煤与瓦 斯突出都主要是由高地应力引起。冲击矿压的假说 和理论主要有: 强度失稳理论、冲击倾向性理论、 刚度失稳理论、能量失稳理论、 �三准则 �、 �三因 素 � 理论 (综合 )、两体相互作用的失稳理论。文 献 [ 33] 采用非线性力学的突变理论对影响岩石 变形、破坏的主要控制因素的定量分析, 来定性地 解释发生冲击矿压的机理。文献 [ 34 ] 利用分形 力学的方法研究了冲击矿压发生的机理及其预测预 报的手段。文献 [ 35] 在充分考虑岩石介质非均 匀性、非连续性的条件下, 开发出岩石破裂过程分 析 RFPA数值计算工具, 开展了大量与冲击矿压发 生及其前兆规律有关的岩石破裂过程分析数值试验 研究。 煤与瓦斯突出的主要假说和理论有: 能量假 说、应力不均匀假说、流变理论、二相流体假说、 固流耦合失稳理论、黏滑失稳机理、球壳失稳机 理、煤岩断裂电磁辐射机理。文献 [ 38] 根据煤 与瓦斯突出的特点, 选取开采深度、瓦斯压力、瓦 斯放散初速度、煤的硬度系数与地质破坏程度等 5 个关键影响因素作为煤与瓦斯突出的评判指标, 建 立了煤与瓦斯突出预测的神经网络模型。文献 [ 38] 采用模式识别技术和概率预测研究了煤与瓦 斯突出危险性。文献 [ 39] 研究了煤与瓦斯突出 的电磁辐射多重分形特征。文献 [ 40] 运用非线 性力学的突变学理论对煤与瓦斯突出的机理和突出 条件进行了定性分析。 2�4� 煤层底板突水的研究 一些矿区的煤层下伏巨厚的奥陶系灰岩含水 层, 其水压、水量均很大, 严重威胁着矿井的安全 生产。矿井底板突水的主要假说和理论有: �下三 带�、流固耦合模型、渗流-应力-温度多场耦合模 型、损伤模型、塞子模型、优势面理论、尖点突变 模型、水力劈裂机理; 岩体工程地质力学方法从煤 层底板动力学平衡的角度, 以岩体临界平衡状态作 为煤层底板突水控制条件。 3� 岩石力学在采矿工程中的发展趋势 岩石力学已经广泛应用到了采矿工程中的各个 领域, 而且其研究理论正不断创新, 研究手段也日 新月异。随着我国矿产资源的持续开发, 在采矿工 程中将会遇到条件更复杂、难度更大的岩石力学问 题, 因此, 岩石力学与工程学科的理论水平和工程 能力都有待进一步提高。 文献 [ 42] 指出, 地下开采现代技术理论与 矿山岩石力学和其他学科相互交叉及渗透是这一学 科领域带全局性的发展趋势之一。文献 [ 3] 指 出, 岩石力学由研究单一的固体不连续材料向多场 耦合和多相运动研究发展。文献 [ 43] 指出, 灾 害与公共安全的力学问题是目前需要特别给予考虑 资助的重大科学问题。 由此, 岩石力学在采矿工程中应用的发展趋势 可以归纳如下: ( 1) 多学科相互交叉和多种手段的综合集成 � 岩体工程的不确定性导致来自任何一种来源的知 识都难以支持可靠的决策。因此, 综合地质、物 探、测量、力学试验、数学、物理和化学分析等学 科知识和手段是目前解决该问题的最好途径。 ( 2) 多场耦合、多相运动和多尺度的综合集 成 � 随着矿井开采深度的日益加大, 采矿工程中的 岩石力学问题出现了热、流、固、化多场并存以及 固、气、水、微粒多相复合运动的状况。因此, 对 多场耦合以及多相运动的研究还有待深入, 同时, 随着采矿工程规模的日益扩大, 力学上均一体的尺 11 蓝 � 航: 岩石力学在采矿工程中的研究现状和趋势 2006年第 5期 寸效应进化为大尺度和多尺度问题, 因此不可避免 地面临多尺度模型及其耦合, 即: 宏观 -细观 -微 观的研究及其相互耦合。 ( 3) 灾害的非线性动力过程的预测和防治研 究 � 目前采矿工程中还有如下主要灾害急需深入、 系统地研究: 冲击矿压; 煤与瓦斯突出; 煤层顶、 底板水防治; 大型矿山的坍塌; 采动引起的巨型坡 体失稳和山体滑坡。 [参考文献 ] [ 1] 周维垣 �高等岩石力学 [ M ] �北京: 水利水电出版社, 1990� [ 2] 吴永礼 �计算固体力学方法 [ M ] �北京: 科学出版社, 2003� [ 3 ] 王思敬 �中国岩石力学与工程世纪成就 [M ] �南京: 河海大 学出版社, 2004� [ 4] V apn ik V N. 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