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第1章 岩石力学与采矿工程1

1.1一般概念1

1.2岩石力学固有的复杂性4

1.2.1岩石破裂4

1.2.2尺寸效应4

1.2.3抗拉强度5

1.2.4地下水的影响5

1.2.5风化6

1.3地下采矿6

1.4采矿工程中职能部门间的相互影响9

1.4.1矿山管理11

1.4.2地质11

1.4.3规划人员11

1.4.4岩石力学12

1.5岩石力学方案的实施13

1.5.1现场特性13

1.5.2矿山模型的表述14

1.5.3设计分析14

1.5.4岩石力学性能的监测14

1.5.5反分析15

第2章 应力和无穷小应变16

2.1问题的定义16

2.2力和应力16

2.3应力变换18

2.4主应力和应力不变量21

2.5静力平衡微分方程组23

2.6平面问题和双轴应力24

2.7位移和应变27

2.8主应变、应变变换、体应变和偏应变32

2.9应变协调方程33

2.10应力-应变关系33

2.11柱面坐标36

2.12岩土力学中关于位移、应变和应力的规定38

2.12.1应力-牵引力关系40

2.12.2应变-位移关系40

2.12.3平衡微分方程40

2.13双轴应力图解法40

习题42

第3章 岩体结构及特征45

3.1引言45

3.2构造特征的主要类型46

3.3不连续面的重要岩石力学性质50

3.4结构数据的采集56

3.4.1露头测绘57

3.4.2岩土工程钻探和岩芯记录63

3.5结构数据的表达67

3.5.1主构造特征67

3.5.2节理和层面67

3.6赤平极射投影68

3.6.1平面的赤平极射投影68

3.6.2不连续面方位数据的作图和分析70

3.7岩体分类74

3.7.1岩体分类法的性质和应用74

3.7.2 Bieniawski的岩石力学分类75

3.7.3挪威土工所（NGI） Q系统分类法77

3.7.4地质强度指标（GSI）78

习题80

第4章 岩石的强度和变形82

4.1引言82

4.2概念和定义83

4.3单轴压缩各向同性岩石材料的性状84

4.3.1岩石类型和条件的影响84

4.3.2标准试验方法及说明85

4.3.3端面效应和高径比的影响86

4.3.4端面制备标准化的影响88

4.3.5试件体积的影响88

4.3.6应变速率的影响89

4.3.7试验机刚度的影响89

4.3.8加载和卸载循环的影响94

4.3.9点荷载试验94

4.4多轴压缩各向同性岩石材料的性状96

4.4.1多轴压缩试验的类型96

4.4.2双轴压缩（σ1 ≥σ2，σ3=0）96

4.4.3三轴压缩（σ1 ＞σ2 =σ3 ）97

4.4.4多轴压缩（σ1＞σ2 ＞σ3）100

4.4.5应力路径的影响100

4.5各向同性岩石材料的强度准则102

4.5.1强度准则的类型102

4.5.2库仑抗剪强度准则102

4.5.3格里菲斯断裂理论104

4.5.4断裂力学107

4.5.5经验准则109

4.5.6基于塑性理论的屈服准则113

4.6三轴压缩各向异性岩石材料的强度114

4.7不连续面的剪切性状117

4.7.1剪切试验117

4.7.2表面粗糙度对抗剪强度的影响119

4.7.3剪胀与抗剪强度的相互关系124

4.7.4尺寸影响126

4.7.5有充填物的不连续面126

4.8不连续面强度和变形模型127

4.8.1库仑摩擦线性变形模型128

4.8.2 Barton-Bandis模型128

4.8.3连续屈服节理模型130

4.9不连续岩体的性状131

4.9.1强度131

4.9.2变形134

习题136

第5章 采前应力状态139

5.1采前应力状态的描述139

5.2影响原岩应力状态的因素140

5.2.1地表形状140

5.2.2侵蚀和地壳压力均衡141

5.2.3残余应力142

5.2.4包体142

5.2.5构造应力143

5.2.6裂隙组及不连续面143

5.3确定原岩应力的方法144

5.3.1一般性方法144

5.3.2三向应变计144

5.3.3压力枕测量148

5.3.4水压致裂149

5.3.5估算地应力状态的其他方法151

5.4地应力测量结果的描述152

5.5地应力测量的结果154

习题157

第6章 应力分析方法159

6.1采矿设计的分析方法159

6.2经典应力分析方法的原理160

6.3简单硐室形状的封闭解166

6.3.1圆形巷道166

6.3.2椭圆形巷道168

6.4应力分析的计算方法171

6.5边界元法171

6.6有限单元法175

6.6.1位移的变化176

6.6.2单元内的应力178

6.6.3等效节点力178

6.6.4求解节点位移179

6.7离散元法180

6.7.1力-位移定律181

6.7.2运动定律182

6.7.3计算方法183

6.8连续岩石的有限差分法183

6.9混合计算方法185

第7章 弹性完整岩体中的巷道设计187

7.1设计方法总论187

7.2巷道影响区190

7.3弱面对弹性应力分布的影响193

7.4巷道形状与边界应力198

7.5岩石破坏区的确定202

7.6岩体的支护与加固205

习题209

第8章 层状岩体中的巷道设计211

8.1设计要素211

8.2岩体对开采的响应212

8.3顶板变形的力学机制213

8.4平面应变情况下的顶板设计方法216

8.4.1荷载分布217

8.4.2分析与设计217

8.5顶梁垂直大挠度分析221

8.5.1梁的挠度222

8.5.2拱的几何形状222

8.5.3挠度和应变之间的关系223

8.5.4应力-应变关系224

8.5.5抗屈曲（或抗扭曲）强度224

8.5.6梁在铰接处的压碎破坏226

8.5.7支座处的剪切破坏226

第9章 节理岩体中的巷道设计228

9.1设计要素228

9.2潜在块体破坏模式的识别——块体理论229

9.2.1可移动块体229

9.2.2赤平分析230

9.2.3在稳定性分析中的应用233

9.2.4估计关键块体的尺寸235

9.3顶板的对称三棱柱形岩石条块238

9.4顶板四面体楔块的稳定性分析242

9.5节理岩体中的实用设计244

9.6采场壁设计——Mathews稳定图解法247

第10章 能量、矿山稳定性、矿山微震活动性和岩爆251

10.1能量转换的力学关系251

10.2能量转换对矿山开采的影响255

10.3岩石中能量的传播257

10.3.1杆中的纵波257

10.3.2三维介质中的平面波260

10.3.3球面波与柱面波263

10.4静水应力场中的球形硐室264

10.5释放能和多余能的一般确定方法269

10.6采场稳定性和岩爆272

10.7矿柱压碎引起的失稳273

10.8薄层状矿体的采场278

10.9断层滑移引起的失稳281

10.10微震事件的特征283

10.10.1震源定位283

10.10.2微震矩M0284

10.10.3微震能量285

10.10.4震级286

10.10.5微震源机制287

第11章 岩石支护与加固290

11.1术语290

11.2支护和加固的原理291

11.3岩石-支护相互作用分析295

11.4预先加固301

11.5支护和加固设计305

11.5.1目的305

11.5.2局部支护与加固305

11.5.3整体或系统的加固310

11.6加固材料和加固技术316

11.6.1概述316

11.6.2岩石锚杆和锚栓316

11.6.3锚索318

11.6.4喷射混凝土318

11.6.5钢筋网322

11.6.6钢支架323

第12章 采矿方法及其选择325

12.1矿山巷道325

12.2岩体对开采作业的响应327

12.3影响采矿方法的矿体性质329

12.3.1矿体的几何形态330

12.3.2矿体的位置及方位330

12.3.3矿体的大小330

12.3.4岩石力学环境330

12.3.5矿体的价值及其在空间的分布331

12.3.6工程环境332

12.4地下采矿方法332

12.4.1房柱法333

12.4.2分段空场采矿法334

12.4.3分层充填采矿法336

12.4.4留矿法338

12.4.5垂直漏斗状后退式开采（VCR）法339

12.4.6阶梯式充填采矿法340

12.4.7长壁开采法341

12.4.8分段崩落法343

12.4.9矿块崩落法345

12.5采矿方法的选择346

第13章 矿柱支护采矿法348

13.1支护矿井结构的组成部分348

13.2矿柱工作状态的现场观察350

13.3矿柱支护的从属面积分析法352

13.4采场和矿柱的布置设计361

13.5顶板和底板围岩的承载能力366

13.6 Elliot湖区域的房-柱式矿山368

13.7不规则矿体中采场与矿柱设计373

13.7.1设计原则与方法373

13.7.2开采顺序375

13.8 Mount Charlotte空场法采场与矿柱设计379

13.9屈服矿柱382

习题382

第14章 人工支护采矿法384

14.1人工支护技术384

14.2充填料的性质及其充填386

14.2.1水砂充填386

14.2.2胶结充填388

14.2.3废石充填390

14.2.4膏体充填392

14.3采矿充填的设计392

14.4分层充填采矿法395

14.5空场采矿法中充填料的应用399

14.6空场岩壁的加固404

第15章 长壁和崩落采矿法406

15.1长壁和崩落采矿法的分类406

15.2硬岩中的长壁采矿法406

15.2.1岩石力学方面的基本问题406

15.2.2岩爆控制408

15.2.3支护加固系统412

15.3长壁法采煤415

15.3.1岩石力学方面的基本问题415

15.3.2长壁工作面周围的垂直应力分布417

15.3.3长壁垮落机理420

15.3.4工作面支护422

15.3.5巷道结构和支护424

15.3.6间柱和巷道煤柱的设计427

15.4分段崩落法429

15.4.1崩落矿石的重力流动430

15.4.2分段崩落法采场结构设计433

15.4.3支护与加固438

15.5矿块崩落法440

15.5.1基本崩落机理440

15.5.2可崩性444

15.5.3拉底诱导冒落446

15.5.4开采水平设计451

15.5.5破碎453

15.5.6放矿控制454

习题456

第16章 采矿引起的地表下沉458

16.1采矿引起地表下沉的类型及其效应458

16.2筒状陷落460

16.2.1筒状陷落的机理460

16.2.2筒状陷落的极限平衡分析463

16.3碳酸盐岩体中的陷落柱468

16.4崩落法开采引起的不连续下沉470

16.4.1矿块崩落470

16.4.2上盘岩体的渐进崩落475

16.5扁平矿体开采引起的连续下沉480

16.5.1概念和定义480

16.5.2经验预测方法482

16.5.3下沉盆地的弹性变形分析484

16.5.4数值方法486

16.5.5下沉工作面位置和时间之间的关联488

16.5.6限制下沉效应的设计措施489

第17章 爆炸力学492

17.1地下采矿工程中的爆破过程492

17.2炸药492

17.3炸药与岩石相互作用的弹性模型495

17.4炸药对岩石破坏的现象学496

17.4.1动力加载496

17.4.2准静态加载498

17.4.3荷载的释放500

17.5爆破的计算模型501

17.6周边爆破501

17.6.1预裂爆破502

17.6.2光面爆破505

17.7瞬时地运动505

17.8地下巷道的动力性能和设计509

17.9炸药和爆破性能的评价511

17.9.1一般步骤511

17.9.2近场地运动的监测512

第18章 岩体工作状态监测516

18.1岩体工作状态监测的目的和特点516

18.2监测系统517

18.2.1监测系统的一般特征517

18.2.2工作方式518

18.2.3收敛测量521

18.2.4钻孔多点伸长计522

18.2.5液压盒524

18.2.6应力变化的测量526

18.2.7微震活动性监测528

18.2.8时域反射仪530

18.3岩体性能监测的实例530

18.3.1澳大利亚Mount Isa矿，分层充填采矿时顶柱的性状530

18.3.2位于印度尼西亚Ertsberg市的印尼PT Freeport Indonesia Deep Ore Zone矿生产平巷的收敛监测533

18.3.3加拿大安大略市的Williams矿岩爆条件下钢索锚杆加固性能的监测535

18.3.4结语539

参考文献541

附录A采用赤平极射投影的基本作图方法582

附录B无限各向同性弹性连续介质中点荷载和无限长线荷载引起的应力和位移588

附录C岩石与支护相互作用分析的计算步骤590

附录D顶板渐进崩落的极限平衡分析596

附录E习题答案601

附录F英中文对照604

致谢649