1-井巷工程 第一章 岩石性质极其工程分级

1、第页 1 2021-6-9 第一章岩石的性质及其工程分级第一章岩石的性质及其工程分级 井巷工程井巷工程 第页 2 2021-6-9 第一章岩石的性质及其工程分级第一章岩石的性质及其工程分级 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 第一章 习 题 第页 3 2021-6-9 第一节 概述 基本概念基本概念 1. 岩石 2. 岩块 3.岩体 4.表土 5.基岩 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,强

2、度低，易变形）， 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。从煤矿采掘工程 角度：包括岩石、地下水、瓦斯。岩体的性质复杂，是我 们研究的主要对象。 建井工作者把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。 第页 4 2021-6-9 岩块： 第页 5 2021-6-9 岩体 第页 6 2021-6-9 表土和基岩 第页 7 2021-6-9 第二节第二节 岩石的物理性质岩石的物理性质 一、岩石的相对密度、密度 二、岩石的孔隙性 三、岩石的水理性质 四、岩石的碎胀性 第页 8

3、 2021-6-9 1相对密度相对密度(曾称比重曾称比重) 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： 式中： d岩石的相对密度(无量纲量); G绝对干燥时体积为VC的岩石质量，g； VC岩石固体实体积，cm3； W水的密度，gcm3。 一、岩石的相对密度、密度一、岩石的相对密度、密度 Wc V G d 第页 9 2021-6-9 V G c V G1 2密度密度 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：干密度干密度和湿密度湿密度。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

4、度。 C岩石的干密度，gcm3； 岩石的湿密度，gcm3； G岩石试件烘干后的质量，g； G1岩石试件的质量(天然含水或饱水) ，g； V岩石试件的体积，cm3。 3重度重度(重力密度重力密度) 单位体积岩石质量所受的重力。 =g 式中：岩石的重度，Nm3； 岩石密度，kgm3； g重力加速度，9.8ms2。 第页 10 2021-6-9 二、岩石的孔隙性二、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，它通常用孔隙度孔隙度 n和孔隙比孔隙比e来表示。 孔隙度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)， 孔隙比孔隙比是岩石试件内各种裂隙、孔隙

5、的体积总和与试件内固体矿 物颗粒体积Vc之比。 %100)1 (111 w C w CCCC ddV G G V V V V VV n 11 C W CC C d V V V VV e 第页 11 2021-6-9 三、岩石的水理性质三、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。 表1-1为岩石密度、孔隙比及吸水率的指标。 G g W 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，随着吸水水时间的增加，吸水 率也会有所增大。吸水

6、率对岩石力学性质有影响。 第页 12 2021-6-9 三、岩石的水理性质三、岩石的水理性质 第页 13 2021-6-9 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。 AI Q K 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。 表1-2为岩石渗透系数 第页 14 2021-6-9 三、岩石的水理性质 第页 15 2021-6-9 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

7、带走的现象 称为岩石的溶湿性。导致岩石致密程度降低，孔隙度增大， 强度降低,贵州761矿巷道中的钟乳石、石笋。 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 1 Rc Rcw c 第页 16 2021-6-9 5岩石的膨胀性和崩解性。 膨胀性：软岩浸水后体积增大和响应的引起压力增大 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后，随时间变化 会产生体积增大的现象，这时，使试件体积保持不变所需要 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

8、原体 积的比率。 崩解性：软岩浸水后发生解体的性质。 用耐崩解指数表示：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力。用耐崩解仪 测定。 第页 17 2021-6-9 四、岩石的碎胀性四、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。 V V K 1 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。 表1-4为常见岩石碎胀系数。 第页 18 2021-6-9 第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 一、岩石的变形特征 二、岩石的强度特征 三、岩石的硬度 四、岩

9、石的可钻性和可爆性 第页 19 2021-6-9 静载荷下岩石的变形特征（单向压缩） 第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 一、岩石的变形特征 岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征 动压条件下岩石的变形特征 第页 20 2021-6-9 静载荷下岩石的变形特征（单向压缩） 一、岩石的变形特征一、岩石的变形特征 应力应变曲线 体积应变, 三种破坏形式 第页 21 2021-6-9 材料实验机材料实验机 第页 22 2021-6-9 应力应变曲线应力应变曲线 IOA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， B点为屈服点点为屈服点 一CD，软化阶段 第页 23 2021-

10、6-9 体积应变,岩石的体积改变量V与原体积 V的比值, 也称体积改变率。 zyxv 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。 2 c R 第页 24 2021-6-9 三种破坏形式 脆性破坏：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； 塑性破坏：永久变形或全变形大于5%者塑性破坏。具有 这种特性的岩石称为塑性岩石； 过度状态：永久变形或全变形在3%到5%之间。 第页 25 2021-6-9 （二）岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特

11、征（二）岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征 真三轴试验 123 常规三轴试验 12=3 第页 26 2021-6-9 （二）岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征（二）岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征 TAM2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机微机控制电液伺服岩石三轴试验机 第页 27 2021-6-9 （二）岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征（二）岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征 真三轴刚性伺服试验机 第页 28 2021-6-9 特点：弹性段与单轴压 缩基本相同； 岩石表现出明显的塑性 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

12、现屈服平台， 呈塑性流动现象； 达到临界围压后，继续 提高围压，不在出现峰值， 应力应变出现单调增长 趋势。 第页 29 2021-6-9 （三）动压条件下岩石的变形特征（三）动压条件下岩石的变形特征 动荷载的特点 岩石在动荷载作用下的变形特征 波的反射和投射 第页 30 2021-6-9 动荷载的特点 第页 31 2021-6-9 L质点扰动位移，CP质点扰动的传播速度（波速）， t波的传播时间，CPt在t时间内变形范围。 F 岩石在动荷载作用下的变形特征岩石在动荷载作用下的变形特征 L 第页 32 2021-6-9 表面波(勒夫波) ：沿介质边界传播c； 体积波：在介质内部传播，分为横波和

13、纵波 横波：介质振动方向和波的传播方向垂直，产生剪切变形b； 纵波：质点振动方向和波的传播方向一致，产生压缩、拉伸变形a； 瑞利波：质点运动轨迹为椭圆的波，为地震波的主要形式 d 波的反射和投射 第页 33 2021-6-9 pPV C p 为介质密度；区段截面积；CP为波阻抗。介质密度 和波速的乘积，表征介质对于应力波的阻尼作用。 当1CP1=2CP2时，r=0，t=i，不 产生波的反射。 当2CP21CP1时，r0，t0，说明交界面 上既有透射波、又有反射波。 当2CP2=0或2CP21CP1时，即当应力波到达的交界面为自由面时， r=-i，t=0，叠加结果是交界面的应力值为零。 当2CP

14、2三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。 38 1 5 1 C t R R 15 1 2 1 C R 3 Ct RR 单向抗压强度RC、单向抗剪强度、单向抗拉强度Rt之间有下列关 系： ； ； 二、岩石的强度特征二、岩石的强度特征 1岩石在静荷载作用下的强度 岩石强度：指岩石在外载荷作用下抵抗破坏的能力。 第页 35 2021-6-9 2动荷载作用下的强度 从表中可以看出，岩在冲击荷载作用下，无论是抗压还是从表中可以看出，岩在冲击荷载作用下，无论是抗压还是 抗拉强度都比静荷载作用下要大。抗拉强度都比静荷载作用下要大。 第页 36 2021-6-9 三

15、、岩石的硬度三、岩石的硬度 岩石的硬度是岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力。 1静压入硬度： 2回弹高度 以重物落于岩石表面后的回弹高度来表示。岩石越 硬， 回弹高度越大。常用肖氏硬度计和施米特锤来测定。 施米特锤用来测定混凝土硬度，我国生产的施米特锤叫 回弹仪。 岩石的硬度是岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力。 硬度与强度又有区别。 h 第页 37 2021-6-9 四、岩石的可钻性和可爆性四、岩石的可钻性和可爆性 1凿碎比功：即破碎单位体积岩石所作的功现以a表示,单位 为J厘米3。 2钎刃磨钝宽：即岩石的磨蚀性，量出钎刃两端向内4处的 磨钝宽度，以b表示，单位为。 目前，使用便携式岩石凿测器，测定

16、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 第页 38 2021-6-9 、岩石工程分级的必要性 第四节岩石的工程分级第四节岩石的工程分级 二、分级方法 第页 39 2021-6-9 、岩石工程分级的必要性： 按成因不同，将岩石分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三类， 对于采掘工程来说，又要求要求对岩石进行定量的区分，以 便能正确地进行工程设计，合理地选用施工方法、施工设 备、机具与器材，准确地制定生产定额和材抖消耗定额等。 因此，提出了岩石工程分级与岩体工程分类问题。 第页 40 2021-6-9 二、分

17、级方法二、分级方法 10 C R f 岩石单向抗压强度，MPa； 10单位为MPa； 普氏分级的优点普氏分级的优点： 普氏岩石分级法简明，便于使用，因而多年来在苏联及 一些东欧国家获得广泛应用。 缺点：缺点：它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。 1普氏分级法：普氏分级法： 用一个综合性的指标” 坚固性系数坚固性系数f f”来表示岩石破坏 的相对难易程度，通常称f为普氏岩石坚固性系数。 根据f的大小将岩石分为10级15种 第页 41 2021-6-9 岩石按坚固性分级岩石按坚固性分级 第页 42 2021-6-9 2根据锚喷支护需要，按照煤矿岩层特点制根据锚喷支护需要，按照煤矿岩层特点制 定的围岩分类。定的围岩分类。 第页 43 2021-6-9 即钻探时将钻孔中直接获取的岩心的总长度，扣除破碎即钻探时将钻孔中直接获取的岩心的总长度，扣除破碎 岩心和软弱夹泥的长度，再与钻孔总进尺相比