采矿课件岩石性质及其工程分级

第一章岩石的性质及其工程分级井巷工程2022/12/251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2022/12/252第一节概述基本概念

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），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。2022/12/253

岩块：2022/12/254岩体2022/12/255

表土和基岩2022/12/256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2022/12/257

1．相对密度(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；

ρW——水的密度，g／cm3。一、岩石的相对密度、密度

2022/12/2582．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。

ρC——岩石的干密度，g／cm3；ρ——岩石的湿密度，g／cm3；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(重力密度)

单位体积岩石质量所受的重力。

γ=ρg式中：γ——岩石的重度，N／m3；

ρ——岩石密度，kg／m3；

g——重力加速度，9.8m／s2。2022/12/259二、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。2022/12/2510三、岩石的水水理性质1．岩石吸水率率：W是指岩石试件件在标准大气气压下吸入入水的质量与与试件烘干后后质量G之比值。表1-1为岩石密度、、孔隙比及吸吸水率的指标标。影响吸水率的的因素：⑴岩石所含孔孔隙，裂隙的的数量、大小小、开闭程度度及其分布情情况有关；⑵试验条件，，试验表明，，整体岩石试试件的吸水率率要比同一岩岩石的碎块试试样吸水率小小，随着吸水水水时间的增增加，吸水率率也会有所增增大。吸水率率对岩石力学学性质有影响响。2022/12/2011三、岩石的水水理性质2022/12/20122．岩石的透水水性地下水存在于于岩石的孔隙隙和裂隙之中中，而且大多多数岩石的孔隙和裂裂隙是相互贯贯通的，因而而，在一定水水压作用下，地下水可可在岩石中渗渗透，这种岩石能被被水透过的性性质，称为岩石石的透水性。。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、、岩体应力状状态、孔隙发发育程度、连连通程度等。。表1-2为岩石渗透系系数2022/12/2013三、岩石的水水理性质2022/12/20143．岩石的溶蚀蚀性由于水的化学学作用而把岩岩石中某些组组成物质带走走的现象称为为岩石的溶湿湿性。导致岩岩石致密程度度降低，孔隙隙度增大，强度度降降低低,贵州州761矿巷巷道道中中的的钟钟乳乳石石、、石石笋笋。。4．岩岩石石的的软软化化性性岩石石浸浸水水饱饱和和后后强强度度降降低低的的性性质质，，称称为为软软化化性性，，用用软软化化系数数(ηηc)表示示。。ηc定义义为为岩岩石石试试件件的的饱饱和和抗抗压压强强度度(Rcw)与干抗抗压压强强度度(Rc)的比比值值，，即即2022/12/20155．岩岩石石的的膨膨胀胀性性和和崩崩解解性性。。⑴膨膨胀胀性性：：软岩岩浸浸水水后后体体积积增增大大和和响响应应的的引引起起压压力力增增大大的的性性质质，，用用膨膨胀胀应应力力和和膨膨胀胀率率来来表表示示。。膨胀胀应应力力：：岩石石与与水水进进行行物物理理化化学学反反应应后后，，随随时时间间变变化化会会产产生生体体积积增增大大的的现现象象，，这这时时，，使使试试件件体体积积保保持持不不变变所所需需要要的的压压力力称称膨膨胀胀应应力力。。膨胀胀率率：：岩石石与与水水进进行行物物理理化化学学反反应应增增大大后后的的体体积积与与原原体体积积的的比比率率。。⑵崩崩解解性性：软软岩岩浸浸水水后后发发生生解解体体的的性性质质。。用耐耐崩崩解解指指数数表表示示：：岩岩石石试试件件在在承承受受干干燥燥和和湿湿润润两两个个标标准准循循环环后后，，岩岩样样对对软软化化和和崩崩解解表表现现出出来来的的抵抵抗抗力力。。用用耐耐崩崩解解仪仪测测定定。。2022/12/2016四、、岩岩石石的的碎碎胀胀性性岩石石的的碎碎胀胀性性岩石石破破碎碎后后因因岩岩块块间间空空隙隙增增多多而而总总体体积增增大大的的性性质质称称为为碎碎胀胀性性。。碎碎胀胀程程度度的的大大小小可可用用碎碎胀胀系系数数表表示示。。K——岩石石的的碎碎胀胀系系数数；；V1—岩石破碎膨胀胀后的体积；；V—岩石处于整体体状态下的体体积。表1-4为常见岩石碎碎胀系数。2022/12/2017第三节岩石石的力学性质质一、岩石的变形特特征二、岩石的强度特特征三、岩石的硬度四、岩石的可钻性性和可爆性2022/12/2018㈠静载荷下岩岩石的变形特特征（单向压压缩）第三节岩石石的力学性质质一、岩石的变变形特征㈡岩石在三向向静荷载压缩缩条件下的变变形特征㈢动压条件下下岩石的变形形特征2022/12/2019㈠静载荷下岩岩石的变形特特征（单向压压缩）一、岩石的变变形特征⑴应力应变曲线线⑵体积应变,⑶三种破坏形式式2022/12/2020⑴应力应变曲曲线I—OA阶段裂隙压密密闭合阶段Ⅱ—AB阶段线弹性阶阶段Ⅲ—BC段破裂发展阶阶段Ⅳ一CD，软化化阶段段2022/12/2021⑵体积积应变变,岩石的的体积积改变变量ΔV与原体体积V的比值值,也称体体积改改变率率。一般岩岩石具具有在在弹性性阶段段体积积变小小和塑塑性阶阶段体体积增增大的特特点、、转折折点在在附近近。岩石在在塑性性阶段段体积积增大大的性性质称称为扩扩容现现象,对于研研究巷道道变形形和围围岩对对支护护造成成的压压力等等问题题有重重要意意义。。2022/12/2022⑶三种种破坏坏形式式脆性破破坏：：永久久变形形或全全变形形小于于3%者为脆脆性破破坏。。具有这种种特性性的岩岩石称称为脆脆性岩岩石；；塑性破破坏：：永久久变形形或全全变形形大于于5%者塑性性破坏坏。具具有这种特特性的的岩石石称为为塑性性岩石石；过度状状态：：永久久变形形或全全变形形在3%到5%之间。。2022/12/2023（二））岩石石在三三向静静荷载载压缩缩条件件下的的变形形特征征真三轴轴试验验1>2>3常规三三轴试试验1>2=32022/12/2024特点：⑴弹性段段与单轴轴压缩基本相相同；⑵岩石表表现出明明显的塑塑性变形；⑶屈服极极限，强强度峰值值、残余强度度与围压压大小成正比比；⑷大部分分岩石在在一定临临界围压下出出现屈服服平台，，呈塑性流流动现象象；⑸达到临临界围压压后，继继续提高围压压，不在在出现峰峰值，应力—应变出现现单调增增长趋势。2022/12/2025（三）动动压条件件下岩石石的变形形特征⑴动荷载的的特点⑵岩石在动动荷载作作用下的的变形特特征⑶波的反射射和投射射2022/12/2026⑴动荷载载的特点点2022/12/2027ΔL—质点扰动动位移，，CP—质点扰动动的传播播速度（（波速）），Δt—波的传播播时间，，CPΔt—在Δt—时间内变变形范围围。F⑵岩石在在动荷载载作用下下的变形形特征ΔL2022/12/2028表面面波波(勒夫夫波波)：沿沿介介质质边边界界传传播播c；体积积波波：：在在介介质质内内部部传传播播，，分分为为横横波波和和纵纵波波横波波：：介介质质振振动动方方向向和和波波的的传传播播方方向向垂垂直直，，产产生生剪剪切切变变形形b；纵波波：：质质点点振振动动方方向向和和波波的的传传播播方方向向一一致致，，产产生生压压缩缩、、拉拉伸伸变变形形a；瑞利利波波：：质质点点运运动动轨轨迹迹为为椭椭圆圆的的波波，，为为地地震震波波的的主主要要形形式式d⑶波波的的反反射射和和投投射射2022/12/2029ρ——为介介质质密密度度；；ω——区段段截截面面积积；；ρCP—为波波阻阻抗抗。。介介质质密密度度和和波波速速的的乘乘积积，，表表征征介介质质对对于于应应力力波波的的阻阻尼尼作作用用。。①当当ρ1CP1=ρ2CP2时，，σr=0，σt=σσi，不不产生生波波的的反反射射。。②当当ρ2CP2>ρ1CP1时，，σr>0，σt>0，说说明明交交界界面面上上既既有有透透射射波波、、又又有有反反射射波波。。③当当ρ2CP2=0或ρ2CP2≤ρ1CP1时，，即即当当应应力力波波到到达达的的交交界界面面为为自自由由面面时时，，σr=-σσi，σt=0，叠叠加加结结果果是是交交界界面面的的应应力力值值为为零零。。④当当ρ2CP2<ρ1CP1时，，交交界界面面既既有有透透射射压压缩缩波波又又有有反反射射拉拉伸伸波波，，也也能能破破碎岩岩石石。。为垂垂直直反反射射系系数数为垂垂直直透透射射系系数数AB介质1ρ1，CP1σi，viσr，vr介质2ρ2，CP2σt，vt2022/12/2030⑴大多数情况况下，岩石表表现为脆性破破坏；⑵同种岩石强强度并非常数数；⑶不同受力情情况下，岩石石的极限强度度相差悬殊。。三向等压抗压压强度>三向不等压抗抗压强度>双向抗压强度度>单向抗压强度>单向抗剪强度度>单向抗弯强度度>单向抗拉强度度。单向抗压强度度RC、单向抗剪强强度τ、单向抗拉强强度Rt之间有下列关关系：；；二、岩石的强强度特征1．岩石在静荷荷载作用下的的强度2022/12/20312．动荷载作用用下的强度2022/12/2032三、岩石的硬硬度岩石的硬度是是岩石抵抗其其他较硬物体体侵入的能力力。1．静压入硬度度：2．回弹高度以重物落于岩岩石表面后的的回弹高度来来表示。岩石石越硬硬，回回弹高度越大大。常用肖氏氏硬度计和施施米特锤来测测定。施米特锤用来来测定混凝土土硬度，我国国生产的施米米特锤叫回弹仪。岩石的硬度是是岩石抵抗其其他较硬物体体侵入的能力力。硬度与强度又又有区别。h2022/12/2033四、岩石的可可钻性和可爆爆性1．凿碎比功：：即破碎单位位体积岩石所所作的功．现现以a表示,单位为J／厘米3。2．钎刃磨钝宽宽：即岩石的的磨蚀性，量量出钎刃两端端向内4㎜处的磨钝宽度，以以b表示，单位为为㎜。目前，使用便便携式岩石凿凿测器，测定定岩石的凿碎碎比能和凿480次后钎刃刃磨钝的宽度度凿测器图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2022/12/2034、岩石石工工程程分分级级的的必必要要性性第四四节节岩岩石石的的工工程程分分级级二、、分级级方方法法2022/12/2035、岩岩石石工工程程分分级级的的必必要要性性：：按成成因因不不同同，，将将岩岩石石分分为为岩岩浆浆岩岩、、沉沉积积岩岩、、变变质质岩岩三三类类，，对于于采采掘掘工工程程来来说说，，又又要要求求要要求求对对岩岩石石进进行行定定量量的的区区分分，，以以便能能正正确确地地进进行行工工程程设设计计，，合合理理地地选选用用施施工工方方法法、、施施工工设设备、、机机具具与与器器材材，，准准确确地地制制定定生生产产定定额额和和材材抖抖消消耗耗定定额额等等。。因此此，，提提出出了了岩岩石石工工程程分分级级与与岩岩体体工工程程分分类类问问题题。。2022/12/2036二、、分分级级方方法法ＲＣ—岩石石单单向向抗抗压压强强度度，，MPa；10——单位位为为MPa；普氏氏分分级级的的优优点点：普氏氏岩岩石石分分级级法法简简明明，，便便于于使使用用，，因因而而多多年年来来在在苏苏联联及及一一些些东东欧欧国国家家获获得得广广泛泛应应用用。。缺点点：：它没没有有反反映映岩岩体体的的特特征征。。关关于于岩岩石石坚坚固固性性正正各各方方面面表表现现趋趋于于一一致致的的观观点点，，对对少少数数岩岩石石也也不不适适用用，，如如粘粘土土就就钻钻眼眼容容易易，，而而爆爆破破困困堆堆。。1．普氏氏分级