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摘要:為有針對性地授課，激發學生學習的興趣，從巖石材料和采礦兩方面搜集了有關采礦工程中的力學知識，并整理為教學實例。在調動學生的積極性和主動性、提高教學效果方面作了有益嘗試。
關鍵詞:采礦工程，材料力學，力學知識
0引言
采礦工程是一個地礦類專業，主要培養具有固體(煤、金屬及非金屬)礦床開采的基本理論和方法，以及采礦工程師的基本能力，能在采礦領域等方面從事礦區開發規劃、礦山(露天、井下)設計、礦山安全技術及工程設計、監察、生產技術管理科學研究等方面工作的高等工程技術人才。在本專業課程結構中，材料力學是一門重要的專業基礎課，在專業學習中起承上啟下的作用，學好它能為學習巖體力學、采礦學、爆破工程、井巷工程、采礦機械等后續課程提供堅實的基礎。近年來我多次為采礦工程專業學生講授材料力學。為突出授課的針對性，使學生有興趣地學習，提高教學的實效性，探索了采礦工程中涉及到的力學知識。
1巖石材料中的力學
巖石力學作為固體力學的一個分支，研究對象是與人類生活息息相關的巖石(體)，是研究巖石(體)在力的作用下表現出的各種反應的一門科學。眾所周知，自然界中分布著種類繁多的各種巖石，從力學角度分析，這些材料表現出彈性、塑性和黏性，其力學表現幾乎覆蓋了所有固體力學研究領域，因此理論力學、材料力學、彈性力學、塑性力學、彈塑性力學及流變理論的研究方法均為巖石力學吸收借鑒，并根據巖石材料的自身特點對研究方法和理論進行修正和發展。另外，巖體中均廣泛發育有不同成因、不同規模、不同種類、不同特征的各種裂隙，這些不同性質的裂隙將巖體切割成獨特的塊裂結構，因此巖石材料也就成為不同于其他連續介質的不連續介質。研究巖石的宏觀力學行為，必須從巖體結構的力學效應和非連續特征出發，借鑒結構力學、斷裂力學、損傷力學的理論和方法開展研究。因此，傳統固體力學的研究方法是巖石力學研究的重要手段。所謂巖石地基，是指建筑物以巖體作為持力層的地基。與土質地基相比，具有承載力高、壓縮性低和穩定性好等特點。巖基中的應力主要包括天然應力和建筑物外荷載引起的附加應力分布。各向同性、均質巖石和層狀巖石地基的附加應力分布特征大不相同。在建筑物荷載作用下，巖石地基會產生三個方向的變形，但以豎直方向變形為主。通常根據巖體的性質，可將巖石的沉降分為三種類型:一是由于巖石本身的變形、結構面的閉合與變形以及少數黏土夾層的壓縮共同形成的地基沉降;二是由于巖石塊體沿結構面剪切滑動形成的地基沉降;三是與時間相關的地基沉降。巖石在加載作用下，首先發生的力學反應是變形，其變形隨荷載的增加逐漸增大，最終導致破壞。破壞形式有以下三種類型:一是脆性破壞，即巖石在荷載作用下沒有產生可覺察到的變形就直接破壞;二是塑性破壞，即巖石在很小破壞載荷作用下，破壞之前就產生了較大的變形，從而表現出顯著的塑性變形、擠出和流動;三是弱面剪切破壞，因為巖層中存在節理、裂隙、層理和軟弱夾層等軟弱結構面，使巖石的整體性受到破壞，在載荷作用下，當這些軟弱結構面上產生的剪應力大于該面的強度時，巖體就產生沿軟弱結構面的破壞。根據載荷類型的不同，巖石的強度分為單軸抗壓強度、單軸抗拉強度和抗剪強度。其中單軸抗拉(壓)強度是巖石試件在單軸拉(壓)力下抵抗破壞的能力，在數值上等于破壞時的最大拉(壓)應力;而抗剪強度則表征巖石抵抗剪切破壞的能力，是巖石力學需要研究的一個重要特性，因而比前兩者更有意義。當巖體中含有一個節理面，且受到外力作用時，節理上將出現正應力和剪應力，且其大小隨主應力最大平面與節理面的交角而變化(材料力學中應力狀態理論)。巖石試件在單軸壓縮載荷作用下典型的應力—應變曲線可分為四段:即初始加載段、近似直線上升段、曲線上升段和曲線下降段。巖石的強度理論有最大伸長線應變理論、摩爾—庫侖理論和格里菲斯理論。最大伸長線應變理論認為，最大伸長線應變是使材料發生脆性斷裂的主要因素，即不論材料處于何種應力狀態，只要構件危險點處的最大伸長線應變達到某一限度時，就會引起材料的脆性斷裂(材料力學的第二強度理論);摩爾—庫侖理論假設材料內一點的破壞主要取決于最大和最小主應力，而與中間主應力無關，按照平面應力狀態來研究巖石的強度(材料力學中的應力狀態和強度理論);而格里菲斯理論認為材料內部存在許多裂隙，在力的作用下，縫端容易產生應力集中。這樣材料的破壞就從縫端開始，隨著裂縫的擴展，最后導致材料的完全破壞(斷裂力學)。巖石的流變性是指巖石在力的作用下發生與時間相關的變形性質，包括蠕變、松弛和彈性后效。蠕變是指作用恒定應力時巖石隨時間不斷變形的現象，松弛則是指巖石發生恒定應變時其應力隨時間減小的現象，而彈性后效則是指在巖石卸載時其彈性應變滯后于應力的現象。為描述巖石的蠕變現象，常用簡單的基本單元來模擬材料的某種性狀，通常有彈性單元、塑性單元和黏性單元三種，將其串聯或并聯可得馬克斯威爾模型、開爾文模型、廣義馬克斯威爾模型、廣義開爾文模型和鮑格斯模型等。松弛用松弛方程和松弛曲線表示，劃分為立即松弛、完全松弛和不完全松弛三種類型。如果巖石承受的載荷低于瞬時強度，荷載作用時間又足夠長，由于流變特性巖石就可能發生破壞，通常把作用時間趨于無窮大時的強度稱為長期強度。
2采礦中的力學
采礦工程有5個力學特點:1)采礦工程的移動特性。采礦工程空間移動，多種采動空間相互影響和疊加。因此，存在多次采動影響，且其計算精度、安全系數及加固要求均低于國防、水利工程。2)采礦工程受礦床蘊藏和儲存條件的限制。采礦工程結構物的位置不容易選擇，同時，由于采掘工作面不斷向前延伸，采礦工程巖石力學具有復雜性。3)巖體工程中涉及的巖體結構本質和地面工程不同。地下工程圍巖既是載荷，也是一種承載結構，施載體系和承載體系之間沒有明顯的區別。4)巖體工程中圍巖的大變形和支護體的可縮特性。5)巖體工程中的能量原理和動力現象，如沖擊來壓、頂板大面積來壓、煤與瓦斯突出是煤、巖中聚集能量的突然、猛烈的釋放。地下工程是開挖在巖體內作為各種用途的構筑物。在這一過程中，由于開挖破壞了巖體的相對應力平衡狀態，發生了復雜的物理力學作用。具體表現如下:一是地下開挖后，巖體天然應力的相對平衡狀態受到破壞，所以圍巖受到的應力重新分布;二是地下開挖在巖體中形成了一個自由空間，開挖周圍的巖體在重分布應力作用下向洞內發生變形和破壞;三是圍巖變形破壞損害了它的施工和正常使用，所以要對其進行支護襯砌;四是在有壓隧洞中存在很高的內水壓力。這種內水壓力作用在隧洞襯砌上，使襯砌向圍巖方向發生形變并把壓力傳遞給圍巖，而圍巖將產生一種反力，稱為圍巖抗力。邊坡穩定問題是工程建設中經常遇到的問題，巖石邊坡從形態上有崩塌和滑坡兩種破壞類型。塊狀巖體脫離巖坡母體，向前翻落稱為崩塌。其特點是，在崩塌過程中，巖體中滑移面不明顯，主要發生在高而且陡的巖坡前段，這時大塊的巖體與巖坡母體分離而前傾，或者坡頂巖體由于某種原因堆積在坡腳下。巖體在重力作用下，沿坡內軟弱結構面產生整體滑動稱為滑坡。與崩塌相比，滑坡通常出現的是深層破壞形式，其滑動面往往位于坡體內部，甚至能延伸到坡腳以下?；碌幕瑒有问接衅矫婊瑒印⑿ㄐ位瑒右约皥A弧滑動。平面滑動是一部分巖體在重力作用下沿某一軟弱面滑動，這時滑面的傾角必須大于滑面的內摩擦角，否則無論坡角和坡高有多大，邊坡都不會滑動(理論力學中自鎖現象)。按照地下開挖的空間跨度，可以將“頂板有壓”的地下工程分為兩大類。其中第一類地下工程，頂板懸空跨度大于極限跨度。采場開切后，采場頂板跨度達到一定值時，老頂第一次失穩。由于老頂的第一次失穩而產生的工作面頂板來壓稱為初次來壓。初次來壓后，隨著工作面繼續向前推進，老頂巖層由穩定結構到不穩定結構再到穩定結構(材料力學中交變應力實例)。沖擊地壓，也稱巖爆、沖擊礦壓，是指在深井開采或在構造應力很高的地區開采、開挖時，處于極限應力狀態的圍巖突然發生爆發式現象，猶如炸藥爆炸，煤(巖體)彈射、震動，大量巖塊(煤)拋出，并伴有巨大聲響和氣浪，是巖體發生脆性破壞的一種動力現象(材料力學中動載荷實例)。
3結語
以上是有關采礦工程的一些力學知識，如果在授課過程中，能適時插入這些實例，就會在學生學習過程中激發其學習興趣，從而提高教學實效。所以今后將繼續搜集勘查技術與工程、安全工程等專業涉及的力學知識，整理為教學實例，從而為教學實效錦上添花。
參考文獻:
［1］劉漢東，姜彤．巖石力學［M］．鄭州:黃河水利出版社，2012．
［2］李俊平，連民杰．礦山巖石力學［M］．北京:冶金工業出版社，2013.
作者:蘆保國 單位:太原理工大學力學學院
