井巷工程1第1章岩石性质及工程分级

1、井巷工程1第1章岩石性质及工程分级第一页，共44页。22022/10/11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二页，共44页。32022/10/11第一节 概述基本概念 1. 岩块 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。第三页，共44页。42022/10/11基本概念 2.岩体 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。 岩体大量岩块（岩石材料） 大量弱面（层理、节理

2、、断层）第四页，共44页。52022/10/11基本概念 3. 岩石 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。第五页，共44页。62022/10/11表土和基岩4.表土 5.基岩 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。第六页，共44页。6. 构造 7. 结构 第七页，共44页。82022/10/11第二节 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、岩石的碎胀性第八页，共44页。92022

3、/10/11 1相对密度(或称比重) 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 第九页，共44页。102022/10/112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。 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

4、质量(天然含水或饱水) ，g；V岩石试件的体积，cm3。3重度(重力密度) （容重）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。第十页，共44页。112022/10/11二、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。第十一页，共44页。122022/10/11三、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

5、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。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。 第十二页，共44页。132022/10/112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

6、力、岩体应力状态、孔隙发育程度、连通程度等。 表1-2为岩石渗透系数第十三页，共44页。142022/10/11 3岩石的溶蚀性 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,贵州761矿巷道中的钟乳石、石笋。第十四页，共44页。152022/10/115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

7、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。第十五页，共44页。162022/10/11四、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。表1-4为常见岩石碎胀系数。岩石的碎胀应变第十六页，共44页。17202

8、2/10/11第三节 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、岩石的可钻性和可爆性第十七页，共44页。182022/10/11静载荷下岩石的变形特征（单向压缩）第三节 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十八页，共44页。192022/10/11静载荷下岩石的变形特征（单向压缩）一、岩石的变形特征 应力应变曲线 体积应变 三种破坏形式 第十九页，共44页。202022/10/11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 一CD，软化阶段 第二十页，共44页。212022

9、/10/11 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。 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. 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。第二十一页，共44页。222022/10/11三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。 第二十二页，共44页。232022/10/11（二）岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征真三轴

10、试验 123 常规三轴试验 12=3 第二十三页，共44页。242022/10/11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。 第二十四页，共44页。252022/10/11（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透射 第二十五页，共44页。262022/10/11动荷载的特点第二十六页，共44页。272022/10/11 L质点扰动位移，CP质点扰动的传播速度（波

11、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L端面质点位移和平衡状态变化扰动连锁反应另一端面质点扰动波(应力波和应变波)CPt第二十七页，共44页。282022/10/11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。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。 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1岩石在静荷载作用下的强度 第二十八页，共44页。292022/10/112动荷载作用下的强度 第二十九页，共44

12、页。302022/10/11第三节 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、岩石的可钻性和可爆性第三十页，共44页。312022/10/11三、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第三十一页，共44页。322022/10/11第三节 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

13、 四、岩石的可钻性和可爆性第三十二页，共44页。332022/10/11四、岩石的可钻性和爆破性 1）基本概念：岩石的可钻性表示在岩石上钻眼的难易程度。 2）可钻性主要分级类别：凿碎比功分级、点载荷强度可钻性分级、岩石硬度、切削强度和磨蚀性分级。 3）研究岩石可钻性的意义：是合理选择钻进方法、钻头规格及钻进规程参数的依据，同时也是制定钻进生产定额和编制钻进生产计划的基础以及考核生产效率和成本消耗的根据。 岩石的可钻性 第三十三页，共44页。342022/10/11四、岩石的可钻性和爆破性 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

14、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 第三十四页，共44页。352022/10/11四、岩石的可钻性和爆破性 1）基本概念： 岩石的爆破性是岩石物理力学性质和炸药性能、爆破参数和爆破工艺的综合效应。它是以能量平衡为准则的。 2）衡量指标：岩石的可爆性指数F。 当爆破器材、参数、工艺条件一定时，根据爆破漏斗的体积、大块率、平均合格率和岩石波阻抗等数据，可得出岩石的可爆性指数F。岩石的爆破性 第三十五页，共44页。362022/10

15、/11 一、岩石工程分级的必要性第四节岩石的工程分级二、分级方法第三十六页，共44页。372022/10/11一、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。第三十七页，共44页。382022/10/11二、分级方法 岩石单向抗压强度，MPa； 10单位为MPa；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：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 用一个综合性的指标“坚固性系数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种第三十八页，共44页。 煤岩的坚固性系数测试仪器第三十九页，共44页。捣碎前捣碎后尺寸：1.52.0cm的煤岩块；数量：5块重锤重量：23.