第一章岩石的性质及工程分级

本章重点内容1、岩石的力学性质；2、岩石的工程分级；（应掌握的内容）

第一章岩石的性质及其工程分级研究岩石的实际意义：

1·可以对岩石材料作出正确评价，合理选用建筑材料，岩石强度是岩石分级的重要指标。

2·研究岩石的力学性质，可以有效地破碎岩石，利用岩石。

3·可以进一步了解岩体性质，确定围岩的稳定性。

井巷施工最基本的过程就是将岩石从岩体上破碎下来，形成所需的井巷空间，这个过程称为破岩。破碎下来的岩石，用装岩设备装入矿车或输送机运出，这个过程称为装岩运输。接着对这些空间进行必要的维护，防止围岩的破坏和垮落，这个过程称为支护。因此破岩和井巷维护成为井巷工程的主要问题。为了合理和有效地进行破岩和井巷维护，就要对岩石与岩体的物理力学性质有所了解，研究岩石的工程特性，为设计和施工提供依据。岩石是由一种或多种矿物组成的天然结构体，每种矿物都有其一定的内部结构和比较固定的化学成分，因而也各具有一定的物理性质和形态。不同的岩石，具有不同的力学特性。1·岩石性质与它的矿物组成有关。一般说来，岩块中所含硬度大的粒状和柱状矿物（石英、长石、角闪石、辉石、橄榄石等）越多，岩块强度越高。含硬度小的矿物（云母、绿泥石、滑石、蒙脱石、伊犁石、高岭石）越多，其强度越低。2·岩石性质与其结构和构造有关。

如岩石中矿物的结晶程度、颗粒形状和大小、颗粒之间的胶结程度等。当矿物成分一定时，呈细晶、隐晶结构时，岩块强度较高；反之则低。3·岩石性质与胶结物的性质有关。

如硅质胶结的强度最大、铁质、钙质、泥质、凝灰质胶结相继次之。如花岗岩、黄铁矿、石灰岩、泥岩等。4·岩石强度与其成因有关。

火成岩的强度一般大于沉积岩和变质岩。5·岩石强度与变质和风化程度有关。

变质程度越高，强度越大、反之越低；风化程度越高，而强度越低。

研究岩石性质时，常用到岩石、岩块与岩体这三个术语。第一节概述一、岩块:（岩体内由弱面分割包围的即是岩块）

晶体+晶间质层理;沉积形成岩块泥质胶结节理;受力形成颗粒+胶结质钙质胶结劈理;造岩形成硅质胶结岩块(结构体)二、岩体:

层理面弱面(结构面)节理面断层面三、岩石:

岩块和岩体不加区别时的统称.四、表土：建井工作者把覆盖于基岩之上的第四纪冲积层及其风化带称为表土.五、基岩：

表土以下的固结性岩石称为基岩.铁质胶结第二节岩石的物理性质一.岩石的相对密度和密度1.相对密度（比重）:d＝(G/VC)/ρW

(1--1)d-----岩石的相对密度（比重），无量纲;G-----绝对干燥时的体积为VC的岩石试件质量,g;VC-----岩石试件的固体实体体积（不包含空隙体积）,cm3

;

ρW

-----水的重力密度,g/cm3;2·密度:

单位体积（包含岩石内空隙体积）岩石的质量称为岩石的密度。

干密度：ρC

＝G/V(1--2)

湿密度：ρ

＝G1/V (1--3)

ρC-----岩石试件的干密度,g/cm3;

ρ-----岩石试件的湿密度,g/cm3;

G、G1-----分别为绝对干燥时及天然含水或饱和水时的岩石试件质量,g;V-----岩石试件的体积,cm3

。

3.重度:单位体积岩石所受的重力为重度,亦称为重力密度或容重;用γ表示;二.岩石的孔隙性1.孔隙度:n＝(V－VC)/V＝1－VC/V＝1－(VC/G).(G/V)

＝1－ρc/（d·ρw

）＝(1－ρC/dρW)x100%(1--4)2.孔隙比

e＝(V－VC)/VC＝(V/VC)－1＝d·ρw

/ρC

－1

(1--5)三.岩石的水理性

1.岩石的吸水率：岩石试件吸入水的质量与试件干质量之比；

W＝g/G

(1--6)W-----岩石的吸水率，无量纲;g-----标准大气压下岩石试件吸入水的质量,g;G-----绝对干燥时的岩石试件质量,g;2.岩石的透水性：岩石能透过水的性能称为岩石的透水性。达西公式:Q＝K.A.IQ-----单位时间内的渗水量,m³/h；

A-----渗透面积,m2

；

K-----渗透系数,

cm/S

；

I-----水力坡度；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.第二节岩石的物理性质4.岩石的软化性:

岩石浸水后其强度明显降低的特性为之岩石软化。岩石软化性用软化系数表示：

ηC

＝RCW/RC

≤1(1－7)

ηc----岩石的软化系数，无量纲;RCW----水饱和状态下岩石试件的单向抗压强度,MPa;RC----干燥状态下岩石试件的单向抗压强度,MPa;5.岩石的膨胀性和崩解性

膨胀性：指软岩吸水后体积增大的现象。崩解性：指软岩吸水后解体的现象。四.岩石的碎胀性

K＝V1/V>1（1·8－2·0）

(1－8)K----岩石的碎胀系数;V1----岩石破碎后的体积,m3;V----岩石破碎前的体积,m3;

第三节岩石的力学性质一.岩石的变形特性(一).静荷载作用下岩石的变形特性1.－OA段,裂隙压密闭合段;2.－AB段,线弹性变形阶段;3.－BC段,破裂发展阶段;PQR称为塑性滞环。4.－CD段,曲线软化阶段。

OB段为弹性变形阶段,B点为弹性极限;BC段为塑性变形阶段,C点为极限抗压强度;QS段为弹性变形,卸载后可恢复;OQ段为塑性变形,卸载后不能恢复;

第三节岩石的力学性质(二)岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征(1)弹性段与单轴压缩基本相同。(2)岩石表现出明显的塑性变形。(3)屈服极限,强度峰值和残余强度与围压大小成正比;(4)大部分岩石在一定的围岩压力下出现屈服平台,呈现塑性流动现象;(5)达到临界围压以后继续提高围压,不再出现峰值,应力应变关系呈单调增长趋势。(三)动荷载下岩石的变形特征1.波:

质点的扰动传播形成波;(不是质点本身的位移).2.应力波和应变波;

变形将引起质点间的应力－应变的变化,这种应力－应变的传播叫做应力波和应变波.波分为体积波和表面波;3.体积波:

即在介质内部传播的波,又分为纵波和横波.4.表面波:

即沿介质体的边界面传播的波;5.纵波:

介质质点振动方向同波的传播方向一致的叫纵波.它可以引起介质体积的压缩或膨胀(拉伸)变形,故又叫压缩波或拉伸波.6.横波:

介质质点振动方向同波的传播方向垂直的叫横波.它可以引起介质体形状改变的纯剪切变形,故又称剪切波.

通常应力波专指纵波.应力σ，波速Cp，路程CP·Δt根据动量守恒原理:PΔt＝MVP

式中:M---为某区段CPΔt的质量,M＝ρ.ω.

CP.Δt;

P＝ρωCP.VP;

б＝p/ω＝ρ·CP·VP;

(1－9)式中:ρ----介质的密度；CP－波速；VP

－质点振动速度；

ω---为某区段的截面积,

ρ·CP---波阻抗;由于界面处应力波具有连续性,若不考虑应力波的衰减和损失,则质点的震动速度相等:Vi

–Vr

＝Vt

(1－10)

由于界面处的作用力与反作用力相等,即界面处的应力状态相等,则:бi+бr＝бt

(1－11)

式中:

бi---入射应力;

бｒ---反射应力;

бｔ---透射应力；根据公式（1－9）得：

σi＝ρ1·ＣP1·vivi＝σi/（ρ1ＣP1）

σr＝ρ1·ＣP1·vrvr＝σ

r

/（ρ1ｃp1）

（1－12）

σt＝ρ2·ＣP2·vtvt＝σ

t

/（ρ2ＣP2）将公式（1－12）代人公式（1－10）得：σi/（ρ1ＣP1）－σ

r

/（ρ1ｃp1

）＝σ

t

/（ρ2ＣP2）（1－13）将公式(1－13)与公式(1－11)联立求解得:

σr＝Rrσi,(1－14)

σｔ＝Rｔσi,(1－15)Rｒ---应力波的垂直反射系数,

Rｒ＝(ρ2ＣP2－ρ1ＣP1)/(ρ2ＣP2＋ρ1ＣP1)

(1－16)Rｔ---应力波的垂直透射系数,Rｔ＝2ρ2ＣP2/(ρ2ＣP2＋ρ1ＣP1)(1－17)公式(1－14)至公式(1－17)表明：反射应力波和透射应力波的大小是界面两侧介质波阻抗(ρc)的函数.(1)当界面两侧介质的波阻抗相等,即ρ1ＣP1＝ρ2ＣP2时,σｒ＝0,σｔ=σi,说明透射波和入射波性质完全一样,并全部通过界面进入第二介质,不产生波的反射.(2)当ρ2ＣP2>ρ1ＣP1时,σｒ>0,σｔ>0说明在界面上有反射波也有透射波.如果ρ2ＣP2>>ρ1ＣP1时,ρ1ＣP1可忽略不计,界面为固定端,则σｒ=σi,σｔ=2σi,这说明在界面上的反射应力波的符号、大小和入射应力波完全一样,透射应力波是入射应力波的两倍,这是叠加的结果.(3)当ρ2ＣP2=0或ρ2ＣP2<<ρ1ＣP1时,即当应力波到达的交界面是自由面时,σｒ=-σi,σｔ=0,这时反射波与入射波的符号相反,大小相等,叠加的结果使界面处的应力值为零.即入射应力波(压缩波)全部反射成拉伸波而没有透射波产生.这种情况对岩石的破碎极为有利.(4)当ρ2ＣP2<ρ1ＣP1时,σｒ<0,σｔ>0,说明在界面上既有透射压缩波又有反射拉伸波,这样也可造成岩石的破碎.几种材料和岩石的密度,纵波波速和波阻抗见表1--5第三节岩石的力学性质二.岩石的强度特征

岩石强度:在外荷载作用下岩石抵抗破坏的能力称为岩石强度1.静荷载下岩石的强度性质(1)在大多数情况下,岩石表现为脆性破坏.(2)同一种岩石的强度并非常数.(3)在不同受力状态下,岩石的极限强度相差悬殊.

其规律是: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

Rｔ/Rc=1/5---1/38;ז/Rc=1/2----1/15，ז＝√（Rｔ·Rc）/3式中:Rｔ----单向抗拉强度;Rc-----单向抗压强度;

ז-----抗剪强度;2.动荷载下岩石的强度性质

岩石在动荷载作用下,其强度的增加与加载速度有关.在冲击荷载作用下,岩石的抗压强度和抗拉强度都比静载作用下要大。三.岩石的硬度岩石的硬度:即岩石抵抗其他坚硬物体侵入的能力.硬度与抗压强度既有联系又有区别.

岩石的硬度分为静压入硬度和回弹硬度两类(1)静压入硬度:

采用底面积1---5mm²的圆柱形平底压模压入岩石试件,以岩石产生脆性破坏(脆性岩石)或屈服时(塑性岩石)的强度作为岩石的硬度指标.

岩石试件可采用50×50×50mm的立方体

Φ50×50mm的圆柱体.岩石试件表面不平度不大于0.1mm.压模高度为16mm.(2)回弹硬度:

以重物落于岩石表面后的回弹高度表示.岩石越硬,回弹高度越大.

回弹硬度可用肖氏硬度计和施米特锤来测定;我国生产的HS－19型肖氏硬度计属于D型，冲头下落高度19mm，我国生产的施密特锤叫回弹仪。四.岩石的可钻性和可爆性可钻性和可爆性:表示岩石的钻眼或爆破的难易程度.一般用工艺性指标表示,如钻速,单位炸药消耗量等.可钻性可用以下两项指标表示:1.凿碎比功:

（即凿碎单位体积岩石所作的功，单位是J/cm³）

α=4ΝΑ/πd2HJ/cm³(1--18)

式中:N---冲击次数;A----单次冲击功,40J;d----实际钻孔直径,cm;H----为纯凿深,cm;2.钎刃磨钝宽度:

即量出钎刃两端向内4mm处的磨钝宽度,表明岩石的磨蚀性用

b(mm)表示.岩石的可爆性可用单位炸药消耗量、单位炮眼长度、每米炮眼破岩量等表示。第四节岩石的工程分级一.普氏分级法:

前苏联科学院院士MM·普罗托吉雅克诺夫,1906年提出了“岩石坚固性”的概念,于1926年完成岩石分级表.他的基本观点是:岩石的坚固性在各方面的表现是趋于一致的,岩石的坚固性具有同样的比值.f=Rc/10(1－19)

式中:f---普氏岩石坚固性系数;（无量纲）

Rc----岩石的单向抗压强度,MРa;10----岩石的单向抗压强度为10MРa的岩石;

根据f值的大小,将岩石分为10级共15种:见表1—7二.我国原煤炭部的五类围岩分类表:

根据我国煤矿锚喷支护设计和施工的需要,结合煤矿岩层特点将我国煤矿岩层分为五类;见表1---8;第四节岩石的工程分级三.美国岩心质量指标(R.Q.D)分类法:

即钻探时将钻孔中直接获取的岩心长度大于10cm的岩心的总长度,扣除破碎岩心和软弱夹泥的长度,再与钻孔总长度相比.

R.Q.D=10cm以上的岩心的累计长度/钻孔总长度(1--20)四.中国矿业大