o岩土工程系统科学理论课件.ppt

1、我国古代的中医思想：“黄帝内经”，提出天人相应的理论、经络学说、阴阳学说、五行学说等系统思想和辨证思想。1、广义系统科学的形成和发展莱布尼茨：单子论指出：单子是事物的元素，宇宙被规范在一个完满秩序的统一体系中。已经注意到系统具有一定的结构和组成要素。并认识到事物之间的联系和相互作用。康德：首先提出了知识的系统性，初步提出了整体论和目的论的观点。马克思和恩格斯明确提出了系统的概念和思想：一切事物、过程乃至整体都是有无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程形成的统一整体。奥地利的理论生物学家贝塔朗菲（M.V.Beterlanffy）：于1968年出版了一般系统论的基础、发展与应用创建

2、了一般系统论，并与维纳(Weiner)提出的控制论和仙农（Shannon)提出的信息论组成了狭义系统论。系统论控制论信息论耗散结构论协同学突变理论超循环论混沌动力学分形理论神经网络理论重整化群方法细胞自动机模拟方法2、广义系统科学的理论体系),(),(),(3213212232111nnnnnQQQQfdtdQQQQQfdtdQQQQQfdtdQ要素构成的系统相互作用的数学表达式：要素构成的系统相互作用的数学表达式：Qi 表示要素P（i-1,2,3）的某个参量上式中任何一个上式中任何一个QiQi不再孤立，都已纳入整个系统，它的任何不再孤立，都已纳入整个系统，它的任何变化都回引起其他所有量变化都

3、回引起其他所有量Q Q，甚至整个系统发生或大或小变，甚至整个系统发生或大或小变化，因为各个要素之间存在着相互作用。化，因为各个要素之间存在着相互作用。生长、竞争、整体性、总和、机构化、中心化、果决化生长、竞争、整体性、总和、机构化、中心化、果决化输入输出干扰 iiiiixDxftx2)(突变名称 状态变量数目控制变量数目势函数折叠11V(x)=x3+ux 尖点12V(x)=x4+ux2+vx 燕尾13V(x)=x5+ux3+vx2+wx 蝴蝶14V(x)=x6+tx4+ux3+vx2+wx 双曲脐点23V(x,y)=x3+y3+wxy+ux+vy 椭圆脐点23V(x,y)=x3-xy2+w(x

4、2+y2)+ux+vy 抛物脐点24V(x,y)=y4+x2y+wx2+ty2+ux+vy qxxpxxV24241)(qpxxxV3)(pxxV23)(027423qpmmuKP)(exp0muuuRummuaKdxuxxV020)(21)(exp0)()(exp0auKuxxVmm011)11(umuum0)()1(2)1()1()(exp!31)()(exp!21)()(exp)(1)()(exp312022120210212202213202212302313012101101120121201101011011uuuummumumuummuumuumuumuuuuumuumuuumu

5、uuuKuuuumuaKuuummmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmemumu111011,)11(1111,uuauuux03qpxx122),1()1(6),1()1(6mKKmKmmqKmp0)11()1(9)1(8223mmKK 1,04,0)1(1xuxuxxnnn0 xux116uuuux2/)3)(1()1(2,16)(1nnxfxnnnnnedxxdxxdfxfxfd00201010201)()()()(11)(ln1niixfn*4321)1()1()1()1(13114311342121241311441PPCPPCPPCPPCPuuuubuuubbuubb

6、bubbbbbbabaPPPP1,)P1()P1()P1()P1()P1(P1 P24)P1()P1()P1(P1 P12)P1()P1()P1(P1 P12)P1(P1 P4)P1()P1()P1(P1)P(12)P1(P1)P(6)P1(P1)P(4)P(P8)r(14)r(14)r(13/8)r(13/8)r(1)r(1)r(124)r(13/8)r(13/8)r(1)r(118)r(13/8)r(123/8)r(1)r(1)r(13/8)r(1)r(1)r(18)r(14)r(14)r(1)r(12)r(124)r(1)r(12)r(18)r(1)r(13)r(14)r(1)1r(10

7、*4327.0LLD()01 Contor集 Sierpinski集合 Dslog/log.2306309Dslog/log.321585Menger海绵 Dslog/log.2032 7768岩石材料损伤演化的分形特征(/).cD 02305159大理岩三点弯曲裂纹扩展图损伤区的分形维数的估计 Dpk 3log/logECrrfnn()2111微地震的震源位置分布（2月到5月 微地震的震源位置分布（6月到9月）分形维数与主岩爆之间的相关性 DCC E12exp()应变能的释放与分形维数的关系 采煤机MGTY400/930-3.3D前可弯曲刮板输送机GZS1200/2700液压支架ZFS800

8、0/23/27252m370622 京广铁路大瑶山隧道施工京广铁路大瑶山隧道施工 ),(),(),(3213212232111nnnnnQQQQfdtdQQQQQfdtdQQQQQfdtdQbmaNlgPbaYlglgdmcElgbSaNlgVN072.04.4lg（vxuxxxV24)(（30243vuxx（4027823vu（5（6dydywddywdDUh2220222)(1)(2dydydwtryWh021)(sin21dyywQWh012dyywQWh023zQQhRzzhDhWWWUV)(421()2(321222246321sin)221(16)2(8222rthDRzhDhx4

9、/16)2(32216)2(32hDhRu)(421()2(321222416QQhhDhvvuxxV243222sin)1)(221(48/rutEHcr0)2(32)(421(27)2(328216212222363hDhQQhhDhR0 xxx)(412)212(32020tFxxxxuxdtxd252m370622滑坡的预测、预报HLhG FFGtgCLGrscossin12G2G1FFABCDCR122222222222GtgFtgC LGFcossin()sincos()NSSiSi+1Ni+1NiGox(cossin(cossin)ClGtgGtg0ADCBHBDAC面A面CGN

10、N1N212N tgN tgC SC SG11221122sin防治工程减滑工程抗滑工程挡土墙、抗滑桩、锚固工程、竖井桩削坡减重地表水排除工程地下水排除工程排气工程河道构筑物地表水沟防渗工程水平钻孔集水井泄水隧道立体排水工程5 5、冲击地压的系统科学、冲击地压的系统科学（1）概述概述冲击地压冲击地压:井巷或采场周围岩体在其力学平衡状态破坏时，由于井巷或采场周围岩体在其力学平衡状态破坏时，由于弹性变形能突然释放而产生的突然、急剧、猛烈的动力现象。弹性变形能突然释放而产生的突然、急剧、猛烈的动力现象。现象：现象：常伴有很大的响声、岩体的震动和冲击波，在一定的范常伴有很大的响声、岩体的震动和冲击波，

11、在一定的范围内可以感到周围介质的震动；有时向采空空间抛出大量的碎围内可以感到周围介质的震动；有时向采空空间抛出大量的碎煤或岩块，形成很多煤尘；有时还释放出大量的瓦斯。常导致煤或岩块，形成很多煤尘；有时还释放出大量的瓦斯。常导致巷道支架破坏，设备移动和空间被堵塞，危害程度比一般矿山巷道支架破坏，设备移动和空间被堵塞，危害程度比一般矿山压力显现程度更为严重，在地下开采中易造成严重的自然灾害。压力显现程度更为严重，在地下开采中易造成严重的自然灾害。在我国，冲击地压最早于在我国，冲击地压最早于1933年发生在抚顺胜利矿。以后，随着采年发生在抚顺胜利矿。以后，随着采深的增加和开采范围的不断扩大，北京、抚

12、顺、枣庄、开滦、大同、深的增加和开采范围的不断扩大，北京、抚顺、枣庄、开滦、大同、北票、南桐等矿区的许多矿井，都先后发生和记录了冲击地压。随北票、南桐等矿区的许多矿井，都先后发生和记录了冲击地压。随着开采深度的不断增加，冲击地压的危害将日益突出。着开采深度的不断增加，冲击地压的危害将日益突出。（2）冲击地压分类冲击地压分类冲击地压一般可根据应力状态、显现强度和发生的地冲击地压一般可根据应力状态、显现强度和发生的地点和位置的不同进行分类。点和位置的不同进行分类。（一）根据原岩（煤）体应力状态分类（一）根据原岩（煤）体应力状态分类重力应力型冲击地压重力应力型冲击地压构造应力型冲击地压构造应力型冲击

13、地压中间型或重力中间型或重力 构造型冲击地压构造型冲击地压（二）根据冲击的显现强度分类（二）根据冲击的显现强度分类弹射、矿震、弱冲击、强冲击弹射、矿震、弱冲击、强冲击（三）根据震级强度和抛出的煤量分级（三）根据震级强度和抛出的煤量分级轻微冲击、中等冲击、强烈冲击轻微冲击、中等冲击、强烈冲击（四）根据发生的地点和位置分类（四）根据发生的地点和位置分类煤体冲击煤体冲击 、围岩冲击、围岩冲击（一）根据原岩（煤）体应力状态分类（一）根据原岩（煤）体应力状态分类构造应力型冲击地压构造应力型冲击地压:若构造应力远远超过岩层自重应力时，若构造应力远远超过岩层自重应力时，主要受构造应力的作用引起的冲击地压，如

14、北票矿务局和天池煤矿主要受构造应力的作用引起的冲击地压，如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击地压。发生的冲击地压。重力应力型冲击地压重力应力型冲击地压:主要受重力作用，没有或只有极小构主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响的条件下引起的冲击地压，如枣庄、抚顺、开滦等局造应力影响的条件下引起的冲击地压，如枣庄、抚顺、开滦等局发生的冲击地压。发生的冲击地压。中间型或重力中间型或重力 构造型冲击地压构造型冲击地压:它是受重力和构造它是受重力和构造应力的共同作用引起的冲击地压。应力的共同作用引起的冲击地压。（二）根据冲击的显现强度分类（二）根据冲击的显现强度分类 弹射弹射:一些单个碎块从处于高应力状态

15、下的煤或岩体上射落，一些单个碎块从处于高应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。并伴有强烈声响，属于微冲击现象。矿震矿震:它是煤、岩内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破它是煤、岩内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破坏，煤、岩并不向已采空间抛出，只有片帮或塌落现象，但煤或坏，煤、岩并不向已采空间抛出，只有片帮或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震岩体产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震，也称为称为微震，也称为“煤炮煤炮。强冲击强冲击:部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空

16、间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动，震级在支架折损、设备移动和围岩震动，震级在.3级以上，伴有巨大级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。声响，形成大量煤尘和产生冲击波。弱冲击弱冲击:煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备基本上没有损坏，围岩产生震动，一般震级在机器和设备基本上没有损坏，围岩产生震动，一般震级在2.2级以级以下，伴有很大声响，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌下，伴有很大声响，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。出。（三）根据震级强度和抛出的煤量分级（三）根据震级强度和抛出的煤量分级 轻

17、微冲击轻微冲击:抛出煤量在抛出煤量在10t以下，震级在级以下的冲击地压。以下，震级在级以下的冲击地压。中等冲击中等冲击:抛出煤量在抛出煤量在1050t，震级在，震级在12级的冲击地压。级的冲击地压。强烈冲击强烈冲击:抛出煤量在抛出煤量在50t以上，震级在级以上的冲击地压以上，震级在级以上的冲击地压。围岩冲击围岩冲击:发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板冲击。冲击。（四）根据发生的地点和位置分类（四）根据发生的地点和位置分类 煤体冲击煤体冲击:发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表面、发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表面、浅部和深部冲击

18、。浅部和深部冲击。（3）冲击地压成因和机理）冲击地压成因和机理（1）强度理论）强度理论：发生的条件是矿山压力大于煤体发生的条件是矿山压力大于煤体 围岩力学系统的围岩力学系统的综合强度。较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍了深部煤体自身或煤岩交综合强度。较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍了深部煤体自身或煤岩交界处的变形。由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿层面的界处的变形。由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿层面的移动，使煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能。在煤体夹移动，使煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能。在煤体夹持带内，压力高、并储存有相当高的弹性能，高

19、压带和弹性能积聚区可位持带内，压力高、并储存有相当高的弹性能，高压带和弹性能积聚区可位于煤壁附近。一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突于煤壁附近。一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突然破坏和运动，抛向已采空间，形成冲击地压然破坏和运动，抛向已采空间，形成冲击地压（3）冲击倾向理论）冲击倾向理论：介质实际的冲击倾向度大于规定的极：介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值。这些指标主要有：弹性变形指数、有效冲击能指数、限值。这些指标主要有：弹性变形指数、有效冲击能指数、极限刚度比、破坏速度指数等。极限刚度比、破坏速度指数等。（2）能量理论）能量理论：当矿体与围岩系统的力

20、学平衡状态破坏后：当矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于其破坏所消耗能量时，就会发生冲击地压。所释放的能量大于其破坏所消耗能量时，就会发生冲击地压。上述三种理论提出了发生冲击地压的三个准则，即强度上述三种理论提出了发生冲击地压的三个准则，即强度准则、能量准则和冲击倾向度准则。个准则同时成立，准则、能量准则和冲击倾向度准则。个准则同时成立，才是产生冲击地压的充分和必要条件才是产生冲击地压的充分和必要条件（4）冲击地压影响因素）冲击地压影响因素（一）自然地质因素（一）自然地质因素主要包括采深、地质构造及煤岩结构和力学特性等主要包括采深、地质构造及煤岩结构和力学特性等（二）开采技术因素

21、（二）开采技术因素开采多煤层时，任何造成应力集中的因素，如开采程序不合开采多煤层时，任何造成应力集中的因素，如开采程序不合理、本层回采不干净、相邻两层开采错距不合适等，均对防理、本层回采不干净、相邻两层开采错距不合适等，均对防治冲击地压不利。从防治冲击地压的角度而言，壁式开采优治冲击地压不利。从防治冲击地压的角度而言，壁式开采优于柱式开采，旱采优于水采，直线工作面优于曲线工作面。于柱式开采，旱采优于水采，直线工作面优于曲线工作面。煤柱和开采边界是最主要的应力集中因素，应尽量避免和减煤柱和开采边界是最主要的应力集中因素，应尽量避免和减少这些因素的有害影响。少这些因素的有害影响。（5）冲击地压预测

22、）冲击地压预测（一）（一）WETWET法法：该方法是波兰采矿研究总院提出的，用于测定煤层冲击该方法是波兰采矿研究总院提出的，用于测定煤层冲击倾向。倾向。WET为弹性能与永久变形消耗能之比。波兰采矿研究总院规定：为弹性能与永久变形消耗能之比。波兰采矿研究总院规定：WET为强冲击倾向；为强冲击倾向；2WET为弱冲击倾向；为弱冲击倾向；WET为无冲击为无冲击倾向。该方法虽存在一些不足之处，但基本适于我国情况，可作为煤层冲倾向。该方法虽存在一些不足之处，但基本适于我国情况，可作为煤层冲击倾向鉴定指标之一。击倾向鉴定指标之一。（二）弹性变形法（二）弹性变形法:它是全苏矿山测量研究院提出的。在载荷不小于它

23、是全苏矿山测量研究院提出的。在载荷不小于强度极限强度极限80%的条件下，用反复加载和卸载循环得到的弹性变形量与总变的条件下，用反复加载和卸载循环得到的弹性变形量与总变形量之比（形量之比（K），做为衡量冲击倾向度的指标。当），做为衡量冲击倾向度的指标。当K0.7时，有发生冲击时，有发生冲击地压的危险。地压的危险。（三）煤岩强度和弹性系数法（三）煤岩强度和弹性系数法:用煤岩的单向抗压强度或弹性模量的用煤岩的单向抗压强度或弹性模量的绝对值，做为衡量冲击倾向度的指标。这种方较为简单，经常用作辅助指绝对值，做为衡量冲击倾向度的指标。这种方较为简单，经常用作辅助指标。其指标的界限值须根据各矿井的试样进行试

24、验确定标。其指标的界限值须根据各矿井的试样进行试验确定。（四）钻屑法（四）钻屑法:又称为钻粉率指数法或钻孔检验法。它是用小直径又称为钻粉率指数法或钻孔检验法。它是用小直径（4245mm）钻孔，根据打钻不同深度时排出的钻屑量及其变化规律，来判）钻孔，根据打钻不同深度时排出的钻屑量及其变化规律，来判断岩体内应力集中情况，鉴别发生冲击地压的倾向和位置。在钻进过程中，在断岩体内应力集中情况，鉴别发生冲击地压的倾向和位置。在钻进过程中，在规定的防范深度范围内，出现危险煤粉量的测值或钻杆被卡死的现象，则认为规定的防范深度范围内，出现危险煤粉量的测值或钻杆被卡死的现象，则认为具有冲击危险，应采取相应的解危措

25、施。具有冲击危险，应采取相应的解危措施。（五）地音、微震监测法（五）地音、微震监测法:岩石在压力作用下发生变形和开裂破坏过程中，岩石在压力作用下发生变形和开裂破坏过程中，必然以脉冲形式释放弹性能，产生应力波或声发射现象。这种声发射亦称地音。必然以脉冲形式释放弹性能，产生应力波或声发射现象。这种声发射亦称地音。显然，声发射信号的强弱反映了煤岩体破坏时的能量释放过程。这样显然，声发射信号的强弱反映了煤岩体破坏时的能量释放过程。这样,地音监地音监测法的原理是测法的原理是,用微震仪或拾震器连续或间断地监测岩体的地音现象。根据测用微震仪或拾震器连续或间断地监测岩体的地音现象。根据测得的地音波或微震波的变

26、化规律与正常波的对比得的地音波或微震波的变化规律与正常波的对比,判断煤层或者体发生冲击倾判断煤层或者体发生冲击倾向度。向度。（六）工程地震探测法（六）工程地震探测法:用人工方法造成地震，观测这种地震波的传播速用人工方法造成地震，观测这种地震波的传播速度，编制出波速与时间的关系图，波速增大段表示有较大的应力作用，结合地度，编制出波速与时间的关系图，波速增大段表示有较大的应力作用，结合地质和开采技术条件分析，判断发生冲击地压的倾向度。质和开采技术条件分析，判断发生冲击地压的倾向度。（七）综合测定法（七）综合测定法:为了能够更准确地判断出发生冲击地压的地点和时间，为了能够更准确地判断出发生冲击地压的

27、地点和时间，可同时采用上述两种以上的方法，根据多因素的变化，综合加以确定。国内外可同时采用上述两种以上的方法，根据多因素的变化，综合加以确定。国内外常使用的有钻屑法与地音探测和地质及开采技术条件分析的综合方法，是实用、常使用的有钻屑法与地音探测和地质及开采技术条件分析的综合方法，是实用、简易的有效方法，在我国已得到应用。简易的有效方法，在我国已得到应用。（6）冲击地压的防治措施冲击地压的防治措施（一）降低应力的集中程度（一）降低应力的集中程度 减弱煤层成煤层区域的矿山压力值的方法有：超前开采保减弱煤层成煤层区域的矿山压力值的方法有：超前开采保护层；无煤柱开采，在采区内不留煤柱和煤体突出部分，禁

28、止护层；无煤柱开采，在采区内不留煤柱和煤体突出部分，禁止在邻近层煤柱的影响范围内开采；合理安排开采顺序，避免形在邻近层煤柱的影响范围内开采；合理安排开采顺序，避免形成三面采空状态的回采区段或条带和在回采工作面前方掘进巷成三面采空状态的回采区段或条带和在回采工作面前方掘进巷道，必要时应在岩石或安全层内掘进巷道，禁止工作面对采和道，必要时应在岩石或安全层内掘进巷道，禁止工作面对采和追采。追采。（二）改变煤层的物理力学性能（二）改变煤层的物理力学性能 这方面的方法主要有：高压注水，放震动炮和孔槽卸压等这方面的方法主要有：高压注水，放震动炮和孔槽卸压等*dWdtdWdtdWdtRED 1KK*1 00

29、2isviepsvdvEdvE),(),(21UWUUdvp 0 10102102104104107107VVbz原砂土堆坝河河道道右坝远景与干枯的河道右坝远景与干枯的河道沉降量沉降量cos),(00mqWCCWyxWyxAsincosxyyxCTCTT2sinsincos022WTTCKCKKyxxyyxsincosxyyxCUCUUcossinsincos022WTUTUCCyxxyxyyx8 7 5 0 08 8 0 0 08 8 5 0 08 9 0 0 08 9 5 0 09 0 0 0 09 0 5 0 09 1 0 0 09 1 5 0 09 2 0 0 03 8 2 5 0 0

30、3 8 3 0 0 03 8 3 5 0 03 8 4 0 0 03 8 4 5 0 03 8 5 0 0 03 8 5 5 0 03 8 6 0 0 03 8 6 5 0 03 8 7 0 0 03 8 7 5 0 0沙河-8000-7000-6000-5000-4000-3000-2000-100001000383000384000385000386000387000388000坐标x/m下沉/mm沙河右坝总下沉-6000-5000-4000-3000-2000-100001000382000383000384000385000386000387000坐标x/m下沉/mm沙河左坝总下沉重复采动引起地表沉降的动态概率积分计算结果重复采动引起地表沉降的动态概率积分计算结果一边固支两边简支板挠度分布图一边固支两边简支板挠度分布图一边固支两边简支板最大主应力分布图一边固支两边简支板最大主应力分布图一边固支一边简支板挠度分布图一边固支一边简支板挠度分布图一边固支一边简支板最大主应力布图一边固支一边简支板最大主应力布图一边固支两边简支板挠度分布图一边固支两边简支板挠度分布图一边固支两边简支板最大主应力分布图一边固支两边简支板最大主应力分布图