井巷工程-岩石力学与工程分级1.ppt

井巷工程 叶洲元yezhouyuan南科技大学能源与安全工程学院 第一章岩石性质及其工程分级 井巷工程 主要内容 井巷工程 第一节概述 第二节岩石的物理性质 第三节岩石的力学性质 第四节岩石的工程分级 基本概念 1 岩石 2 岩块 3 岩体 组成地壳的基本物质 由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律而形成的自然地质体 包括岩浆岩 沉积岩 变质岩 从地壳中切取出来的小块体 不包含软弱面 岩体中的地质遗迹 层理 节理 断层 裂隙面 近似认为各向同性的连续介质 地下工程周围较大范围内的自然地质体 第一节概述 4 表土 5 基岩 覆盖在地壳上部的第四纪沉积物成为表土 也称为松散性岩石 如 黄土 流沙 粘土等 表土以下的固结性岩石称为基岩 岩浆岩 沉积岩 变质岩 主要内容 井巷工程 第一节概述 第二节岩石的物理性质 第三节岩石的力学性质 第四节岩石的工程分级 一 岩石的密度 相对密度 第二节岩石物理性质 1 密度岩石单位体积 包括岩石内孔隙体积 的质量 称为岩石的密度 亦称质量密度 两种 干密度和湿密度 前者是单位体积岩石绝对干燥后的质量 后者是天然含水或饱水状态下的密度 2 相对密度 比重 岩石的相对密度是指岩石固体实体积 不包括孔隙体积 的质量与同体积水的质量的比值 计算公式为 3 重度 重力密度 单位体积岩石质量所受的重力 g式中 岩石的重度 N m3 岩石密度 kg m3 g 重力加速度 9 8m s2 二 岩石的孔隙性 岩石的孔隙性是指岩石的孔隙和裂隙的发育程度 它通常用孔隙度n和孔隙比e来表示 孔隙度是指岩石试件内各种裂隙 孔隙的体积总和与试件总体积V之比 常以百分数表示 孔隙比是岩石试件内各种裂隙 孔隙的体积总和与试件内固体矿物颗粒体积Vc之比 三 岩石的水理性质 1 岩石吸水率 W是指岩石试件在标准大气压下吸入水的质量与试件烘干后质量G之比值 影响吸水率的因素 岩石所含孔隙 裂隙的数量 大小 开闭程度及其分布情况有关 试验条件 试验表明 整体岩石试件的吸水率要比同一岩石的碎块试样吸水率小 随着吸水时间的增加 吸水率也会有所增大 吸水率对岩石力学性质有影响 2 岩石的透水性地下水存在于岩石的孔隙和裂隙之中 而且大多数岩石的孔隙和裂隙是相互贯通的 因而 在一定水压作用下 地下水可在岩石中渗透 这种岩石能被水透过的性质 称为岩石的透水性 Q 渗水量 A 渗透面积 I 水力坡度 K 渗透系数 影响因素 地下水压力 岩体应力状态 孔隙发育程度 连通程度等 3 岩石的溶蚀性由于水的化学作用而把岩石中某些组成物质带走的现象称为岩石的溶蚀性 导致岩石致密程度降低 孔隙度增大 强度降低 4 岩石的软化性岩石浸水饱和后强度降低的性质 称为软化性 用软化系数 c 表示 c定义为岩石试件的饱和抗压强度 Rcw 与干抗压强度 Rc 的比值 即 喀斯特地貌 膨润土 5 岩石的膨胀性和崩解性 膨胀性 软岩浸水后体积增大和相应的引起压力增大的性质 用膨胀应力和膨胀率来表示 膨胀应力 岩石与水进行物理化学反应 随时间变化产生体积增大的现象 此时使试件体积保持不变所需的压力称膨胀应力 膨胀率 岩石与水进行物理化学反应增大后的体积与原体积的比率 崩解性 岩石浸水后发生解体的性质 耐崩解指数 岩石试件在承受干燥和湿润两个标准循环后 岩样对软化和崩解表现出来的抵抗能力 用耐崩解仪测定 膨润土 四 岩石的碎胀性 岩石的碎胀性岩石破碎后因岩块间空隙增多而总体积增大的性质称为碎胀性 碎胀程度的大小可用碎胀系数表示 K 岩石的碎胀系数 V1 岩石破碎膨胀后的体积 V 岩石处于整体状态下的体积 爆破空孔 留矿法 主要内容 井巷工程 第一节概述 第二节岩石的物理性质 第三节岩石的力学性质 第四节岩石的工程分级 第二节岩石力学性质 动静载荷的区别 按应变率分级的载荷状态 单轴应力应变曲线 I OA阶段裂隙压密闭合阶段 AB阶段线弹性阶段 BC段破裂发展阶段 CD 软化阶段 一 岩石的变形特征 体积应变 体积改变率 岩石的体积改变量 V与原体积V的比值 一般岩石具有在弹性阶段体积变小和塑性阶段体积增大的特点 转折点在附近 岩石在塑性阶段体积增大的性质称为扩容现象 对于研究巷道变形和围岩对支护造成的压力等问题有重要意义 三种破坏形式 脆性破坏 塑性破坏 过渡状态 永久变形或全变形小于3 者为脆性破坏 具有这种特性的岩石称为脆性岩石 永久变形或全变形大于5 者为塑性破坏 具有这种特性的岩石称为塑性岩石 永久变形或全变形在3 5 间 特点 弹性段与单轴压缩基本相同 岩石表现出明显塑性变形 屈服极限 强度峰值 残余强度与围压大小成正比 大部分岩石在一定临界围压下出现屈服平台 呈现塑性流动现象 达到临界围压后 继续提高围压 不再出现峰值 应力 应变曲线出现单调增长趋势 三轴应力应变曲线 德国大理岩单轴和三轴试验结果 5 动载荷下岩石变形特征 外力是时间函数 随时间发生变化 岩石中的力或变形是以波的形式传递的 服从冲量定理 能力守恒定律 力的平衡等规律 二 岩石的强度特征 1 岩石在静荷载下的强度测定 将岩石制成一定形状和尺寸的试件 在材料试验机或三轴压力试验机上进行拉 压 剪 弯等强度试验 或利用点载荷仪进行点载荷试验 或在现场进行岩体试验 1 静载荷下岩石强度 大多数情况下 岩石表现为脆性破坏 同种岩石强度并非常数 不同受力情况下 岩石的极限强度相差悬殊 2 岩石在静荷载下的强度分布规律 三向等压抗压强度 三向不等压抗压强度 双向抗压强度 单向抗压强度 单向抗剪强度 单向抗弯强度 单向抗拉强度 将岩石制成一定形状和尺寸的试件 在冲击试验机或特殊三轴压力试验机上进行动载荷强度试验 2 动载荷下岩石强度 与加载速率有关 在冲击载荷作用下 岩石强度比静载荷下的岩石强度大 1 岩石在动荷载下的强度测定 2 主要性质 三 岩石的硬度 1 静压入硬度 岩石硬度是指岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力 根据载荷不同分为静压入硬度和回弹硬度 硬度测定方法 不小于50 50 50mm3的立方体或50 50mm的圆柱体 上下端面平行度不大于0 1mm 压模高度 一般为16mm 用底面积为1 5mm2的圆柱形平底压模压入岩石试件中 直至眼时产生脆性破坏或屈服 以此时的强度作为硬度指标 实质是静载荷下的硬度 岩石试件尺寸要求 2 回弹高度 以重物撞击岩石表面后的回弹高度表示 常用肖氏硬度计或施米特锤测定 实质是动载荷下的硬度 肖氏硬度计是利用在一定长度的玻璃管内 一定质量的冲头从某以高度自由下落回弹的高度来表示岩石的回弹硬度 施米特锤可测定混凝土硬度 我国生产的施米特锤叫回弹仪 四 岩石的可钻性和可爆性 用来表示岩石钻眼或爆破的难易程度 是岩石物理力学性质在具体工程条件下的综合反映 常用工艺指标表示 可用钻速 钻进每米炮眼所需时间 钻头进尺 钻每米炮眼所磨钝的钎头数目等 1 岩石的可钻性 可钻性测试 利用重锤自由下落时产生的固定冲击功冲击钎头 破碎岩石 然后量测破碎的体积 常用以下两项指标表示凿岩比功 破碎单位体积岩石所作的功 J cm3 钎刃磨钝宽度 钎刃两端向内4mm处的磨钝宽度 mm 目前 使用便携式岩石凿测器 测定岩石的凿碎比能和凿480次后钎刃磨钝的宽度 凿测器图1 钎头 2 承击台 3 销钉 4 导向杆 5 落锤 6 卡套 7 转动手柄 可用炸药单耗 爆破单位体积岩石所需炮眼长度 单位炸药的爆破量 每米炮眼的爆破量等 2 岩石可爆性 主要内容 井巷工程 第一节概述 第二节岩石的物理性质 第三节岩石的力学性质 第四节岩石的工程分级 岩石工程分级的意义 不同的岩石 其物理力学性质都不相同 施工时 选用的方法 设备及参数都有不同 耗损的材料也不一样 故要对岩石进行工程分级 二 分级方法 1 普氏分级法 普氏岩石坚固性系数f 优点 普氏岩石分级法简明 便于使用 故在前苏联及一些东欧国家获得广泛应用 缺点 没有反映岩体的特征 关于岩石坚固性正各方面表现趋于一致的观点 对少数岩石也不适用 如粘土就钻眼容易 而爆破困堆 根据f的大小将岩石分为10级15种 见p13