地下采矿岩石力学 第3版PDF电子书下载

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M0 284

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