什么是岩石力学?

[拼音]：yanshi lixue

[外文]：rock mechanics

研究岩体开挖后，原岩应力平衡破坏，岩体内应力重新公布，使岩体变形、破坏和移动的过程，以及围岩支架相互作用规律的学科。是介于固体力学、构造地质学、工程地质学与采矿学之间的一门边缘科学，力学的一个分支。它是当代采矿工程的重要理论基础之一，目的是指导采矿工程的进行，提出防止和消除岩层压力危害的方法，在开采时有控制地利用这种破坏，让他作用于岩体和矿体，使开采作业费力较少，效果更好，达到经济合理和安全地采出地下资源。

矿山的各种井巷、硐室、采掘工作面及其集合体以及露天矿边坡、乃至矸石山等，从岩石力学观点，都可视为工程结构来进行结构分析与设计。矿山结构的主要问题之一是稳定性的评价与分析。崩落法开采的金属矿采场与长壁采煤工作面的顶板岩层，在规定时间内重复交替出现稳定性与不稳性，这是矿山结构独有的问题之一。岩体是由非均质、各向异性、且具有不连续性特点的结构体与结构面组合而成，不是单一介质；由于结构面分布不同，岩体的介质类型也就不同。应用矿山岩石力学研究和解决采矿工程的问题时，必须注意这些特点。

与普通的岩石力学相比，它的主要特点是：

（1）矿山地下结构的影响因素繁多复杂；

（2）采掘工作面不能离开矿体或煤层的生成地点，受这种限制，工作面地点不能有任意的选择性；

（3）采掘工作面经常以一定速度不断向水平、倾斜或垂直方向作幅度较大的移动，而不是固定不动；

（4）须在所希望的时间内保持岩体的稳定性或使其崩落。

主要有：

（1）岩石的物理力学性质，着重研究岩石的力学性质，如具有不同结构类型岩体的强度特征、变形特征、变形与时间的关系等；

（2）岩体应力状态，研究原岩应力及采动后岩体应力场的变化规律；

（3）地压显现及其控制，包括围岩与支架相互作用规律。如研究非煤矿山采场地压与煤矿长壁工作面地压、巷道地压与立井地压，以及冲击地压的控制等；

（4）岩层与地表移动规律；

（5）露天矿边坡稳定等。

常用的有现场观测、物理与数学模拟及理论分析等。

主要有：

（1）相似材料法。选用与岩石性质相近的脆性材料，如石膏、砂子、石灰等按相似原理制作模型，模拟采矿过程。通过对模型上应力-应变的观测，分析原型岩体上发生的力学现象。

（2）光d性法。用透明的光敏材料如明胶等制作模型，受力后在偏振光场中产生双折射，出现与应力场相对应的彩色或黑白条纹，以分析原型岩体采动后各点应力场的变化。其他如三维光d性模型、散光光d法、激光全息光d法也逐步应用于矿山岩石力学中。

常用的有：

（1）有限单元法。将待分析的区域用假想的线分成有限多和有限大的单元，并假定这些单元只通过结点互相联结与制约。列出各结点力与位移的关系式，根据边界条件解矩阵方程，可得出各结点的位移与应力。本法的优点是不必假定岩体为各向同性与均质。

（2）边界元法。与有限元法不同处在于本法仅将边界划分为单元，因而方程的数目要少得多，同时本法先求边界的解，然后再求区域中的解，精度较高。由于电子计算机在采矿工业中的应用，有限元法与边界元法在岩石力学中得到了广泛运用，所得结果的精确度能满足采矿问题的要求。在解决平面问题时，比光d性法优越性更多。

常用的有：

（1）闭式解法。利用现成的数学力学关系式方法，如线性d性力学应力－应变数学模型求解。

（2）数理统计法。将开采技术因素列入数学式，应用数理统计方法进行定量研究。例如用来确定巷道的支架载荷、工作面推进速度和边坡移动速率等。鉴于岩体的复杂性，运用任何方法时必须以相当准确的地压观测数据为依据，同时应用各种方法相互验证。

根据矿山安全、防爆等具体条件，研制岩石力学实验仪器与测定仪表，及结合采矿工程特点的测试技术，以进行实验与现场观测。

矿山岩石力学作为一门科学是从19世纪开始的。当时欧洲与北美开始研究煤矿地面裂缝问题。20世纪初，研究顶板冒落和下沉的原因，建立了有关巷道围岩变形机理的概念。1907年，俄国普罗托季亚科诺夫 (Μ．Μ．Протодьяκонов)把岩石视为松散介质，提出了巷道地压计算公式。20世纪20年代，德国施托克(K.Stke)、 哈克(W.Hack)等提出了工作面地压假说。30年代，德国芬纳(R.Fenner)发表了岩石力学与土力学关系的报告，指出岩石由颗粒材料与破碎d性材料构成，并对围岩与支架压力的相互关系作出了数学论证，提出了著名的芬纳公式，随后，各国学者先后提出了有关各种假说和研究方法，德、苏、英、美、比、法等国学者对矿山岩石力学的发展作出了重要贡献。国际上建立了各种岩石力学学会组织，开展了学术交流。

中国矿山岩石力学研究工作开展于50年代。在一些主要矿区进行了大规模的地压观测工作、实验室的相似材料模拟法与光d模拟法的研究和解析法的应用等。70年代以来，又开展了有限元与边界元应用于矿山压力的研究，在岩体结构分析、岩体分级、巷道与采场地压理论、边坡稳定性分析以及岩层移动规律等方面都有所进展。此外在研制液压支架、金属可塑性支架、锚喷支护、坚固顶板控制与三下采煤的实践，都获得了成功。

将岩石力学知识运用于采矿工程，就是为了能对开挖空间的岩石所受载荷作出正确的预测，并使岩石对载荷作出预期的相应反应。当前矿山岩石力学的研究，远未达到这个水平。