摘要:为有针对性地授课，激发学生学习的兴趣，从岩石材料和采矿两方面搜集了有关采矿工程中的力学知识，并整理为教学实例。在调动学生的积极性和主动性、提高教学效果方面作了有益尝试。
关键词:采矿工程，材料力学，力学知识
0引言
采矿工程是一个地矿类专业，主要培养具有固体(煤、金属及非金属)矿床开采的基本理论和方法，以及采矿工程师的基本能力，能在采矿领域等方面从事矿区开发规划、矿山(露天、井下)设计、矿山安全技术及工程设计、监察、生产技术管理科学研究等方面工作的高等工程技术人才。在本专业课程结构中，材料力学是一门重要的专业基础课，在专业学习中起承上启下的作用，学好它能为学习岩体力学、采矿学、爆破工程、井巷工程、采矿机械等后续课程提供坚实的基础。近年来我多次为采矿工程专业学生讲授材料力学。为突出授课的针对性，使学生有兴趣地学习，提高教学的实效性，探索了采矿工程中涉及到的力学知识。
1岩石材料中的力学
岩石力学作为固体力学的一个分支，研究对象是与人类生活息息相关的岩石(体)，是研究岩石(体)在力的作用下表现出的各种反应的一门科学。众所周知，自然界中分布着种类繁多的各种岩石，从力学角度分析，这些材料表现出弹性、塑性和黏性，其力学表现几乎覆盖了所有固体力学研究领域，因此理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、弹塑性力学及流变理论的研究方法均为岩石力学吸收借鉴，并根据岩石材料的自身特点对研究方法和理论进行修正和发展。另外，岩体中均广泛发育有不同成因、不同规模、不同种类、不同特征的各种裂隙，这些不同性质的裂隙将岩体切割成独特的块裂结构，因此岩石材料也就成为不同于其他连续介质的不连续介质。研究岩石的宏观力学行为，必须从岩体结构的力学效应和非连续特征出发，借鉴结构力学、断裂力学、损伤力学的理论和方法开展研究。因此，传统固体力学的研究方法是岩石力学研究的重要手段。所谓岩石地基，是指建筑物以岩体作为持力层的地基。与土质地基相比，具有承载力高、压缩性低和稳定性好等特点。岩基中的应力主要包括天然应力和建筑物外荷载引起的附加应力分布。各向同性、均质岩石和层状岩石地基的附加应力分布特征大不相同。在建筑物荷载作用下，岩石地基会产生三个方向的变形，但以竖直方向变形为主。通常根据岩体的性质，可将岩石的沉降分为三种类型:一是由于岩石本身的变形、结构面的闭合与变形以及少数黏土夹层的压缩共同形成的地基沉降;二是由于岩石块体沿结构面剪切滑动形成的地基沉降;三是与时间相关的地基沉降。岩石在加载作用下，首先发生的力学反应是变形，其变形随荷载的增加逐渐增大，最终导致破坏。破坏形式有以下三种类型:一是脆性破坏，即岩石在荷载作用下没有产生可觉察到的变形就直接破坏;二是塑性破坏，即岩石在很小破坏载荷作用下，破坏之前就产生了较大的变形，从而表现出显著的塑性变形、挤出和流动;三是弱面剪切破坏，因为岩层中存在节理、裂隙、层理和软弱夹层等软弱结构面，使岩石的整体性受到破坏，在载荷作用下，当这些软弱结构面上产生的剪应力大于该面的强度时，岩体就产生沿软弱结构面的破坏。根据载荷类型的不同，岩石的强度分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度和抗剪强度。其中单轴抗拉(压)强度是岩石试件在单轴拉(压)力下抵抗破坏的能力，在数值上等于破坏时的最大拉(压)应力;而抗剪强度则表征岩石抵抗剪切破坏的能力，是岩石力学需要研究的一个重要特性，因而比前两者更有意义。当岩体中含有一个节理面，且受到外力作用时，节理上将出现正应力和剪应力，且其大小随主应力最大平面与节理面的交角而变化(材料力学中应力状态理论)。岩石试件在单轴压缩载荷作用下典型的应力—应变曲线可分为四段:即初始加载段、近似直线上升段、曲线上升段和曲线下降段。岩石的强度理论有最大伸长线应变理论、摩尔—库仑理论和格里菲斯理论。最大伸长线应变理论认为，最大伸长线应变是使材料发生脆性断裂的主要因素，即不论材料处于何种应力状态，只要构件危险点处的最大伸长线应变达到某一限度时，就会引起材料的脆性断裂(材料力学的第二强度理论);摩尔—库仑理论假设材料内一点的破坏主要取决于最大和最小主应力，而与中间主应力无关，按照平面应力状态来研究岩石的强度(材料力学中的应力状态和强度理论);而格里菲斯理论认为材料内部存在许多裂隙，在力的作用下，缝端容易产生应力集中。这样材料的破坏就从缝端开始，随着裂缝的扩展，最后导致材料的完全破坏(断裂力学)。岩石的流变性是指岩石在力的作用下发生与时间相关的变形性质，包括蠕变、松弛和弹性后效。蠕变是指作用恒定应力时岩石随时间不断变形的现象，松弛则是指岩石发生恒定应变时其应力随时间减小的现象，而弹性后效则是指在岩石卸载时其弹性应变滞后于应力的现象。为描述岩石的蠕变现象，常用简单的基本单元来模拟材料的某种性状，通常有弹性单元、塑性单元和黏性单元三种，将其串联或并联可得马克斯威尔模型、开尔文模型、广义马克斯威尔模型、广义开尔文模型和鲍格斯模型等。松弛用松弛方程和松弛曲线表示，划分为立即松弛、完全松弛和不完全松弛三种类型。如果岩石承受的载荷低于瞬时强度，荷载作用时间又足够长，由于流变特性岩石就可能发生破坏，通常把作用时间趋于无穷大时的强度称为长期强度。
2采矿中的力学
采矿工程有5个力学特点:1)采矿工程的移动特性。采矿工程空间移动，多种采动空间相互影响和叠加。因此，存在多次采动影响，且其计算精度、安全系数及加固要求均低于国防、水利工程。2)采矿工程受矿床蕴藏和储存条件的限制。采矿工程结构物的位置不容易选择，同时，由于采掘工作面不断向前延伸，采矿工程岩石力学具有复杂性。3)岩体工程中涉及的岩体结构本质和地面工程不同。地下工程围岩既是载荷，也是一种承载结构，施载体系和承载体系之间没有明显的区别。4)岩体工程中围岩的大变形和支护体的可缩特性。5)岩体工程中的能量原理和动力现象，如冲击来压、顶板大面积来压、煤与瓦斯突出是煤、岩中聚集能量的突然、猛烈的释放。地下工程是开挖在岩体内作为各种用途的构筑物。在这一过程中，由于开挖破坏了岩体的相对应力平衡状态，发生了复杂的物理力学作用。具体表现如下:一是地下开挖后，岩体天然应力的相对平衡状态受到破坏，所以围岩受到的应力重新分布;二是地下开挖在岩体中形成了一个自由空间，开挖周围的岩体在重分布应力作用下向洞内发生变形和破坏;三是围岩变形破坏损害了它的施工和正常使用，所以要对其进行支护衬砌;四是在有压隧洞中存在很高的内水压力。这种内水压力作用在隧洞衬砌上，使衬砌向围岩方向发生形变并把压力传递给围岩，而围岩将产生一种反力，称为围岩抗力。边坡稳定问题是工程建设中经常遇到的问题，岩石边坡从形态上有崩塌和滑坡两种破坏类型。块状岩体脱离岩坡母体，向前翻落称为崩塌。其特点是，在崩塌过程中，岩体中滑移面不明显，主要发生在高而且陡的岩坡前段，这时大块的岩体与岩坡母体分离而前倾，或者坡顶岩体由于某种原因堆积在坡脚下。岩体在重力作用下，沿坡内软弱结构面产生整体滑动称为滑坡。与崩塌相比，滑坡通常出现的是深层破坏形式，其滑动面往往位于坡体内部，甚至能延伸到坡脚以下。滑坡的滑动形式有平面滑动、楔形滑动以及圆弧滑动。平面滑动是一部分岩体在重力作用下沿某一软弱面滑动，这时滑面的倾角必须大于滑面的内摩擦角，否则无论坡角和坡高有多大，边坡都不会滑动(理论力学中自锁现象)。按照地下开挖的空间跨度，可以将“顶板有压”的地下工程分为两大类。其中第一类地下工程，顶板悬空跨度大于极限跨度。采场开切后，采场顶板跨度达到一定值时，老顶第一次失稳。由于老顶的第一次失稳而产生的工作面顶板来压称为初次来压。初次来压后，随着工作面继续向前推进，老顶岩层由稳定结构到不稳定结构再到稳定结构(材料力学中交变应力实例)。冲击地压，也称岩爆、冲击矿压，是指在深井开采或在构造应力很高的地区开采、开挖时，处于极限应力状态的围岩突然发生爆发式现象，犹如炸药爆炸，煤(岩体)弹射、震动，大量岩块(煤)抛出，并伴有巨大声响和气浪，是岩体发生脆性破坏的一种动力现象(材料力学中动载荷实例)。
3结语
以上是有关采矿工程的一些力学知识，如果在授课过程中，能适时插入这些实例，就会在学生学习过程中激发其学习兴趣，从而提高教学实效。所以今后将继续搜集勘查技术与工程、安全工程等专业涉及的力学知识，整理为教学实例，从而为教学实效锦上添花。
参考文献:
［1］刘汉东，姜彤．岩石力学［M］．郑州:黄河水利出版社，2012．
［2］李俊平，连民杰．矿山岩石力学［M］．北京:冶金工业出版社，2013.
作者:芦保国 单位:太原理工大学力学学院
