1、第一章岩石的性质及其工程第一章岩石的性质及其工程分级分级井巷工程井巷工程1 岩石性质与工程分级引 子 井巷施工最基本的工作 破岩与井巷维护 为什么要了解岩石与岩体的物理力学性质?如何在开挖和支护中利用岩石的强度？为什么要对岩石进行工程分级?1.1 概概 述述1.2 岩石的物理性质岩石的物理性质1.3 岩石的力学性质岩石的力学性质1.4岩石的工程分级岩石的工程分级 习习 题题1.1 概述（1）岩石岩石l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自然地质体，包括岩浆岩、沉积岩、变质岩。“两相”、“三相”。“最复杂的材料之一”l岩石的性质：岩石的性质：与其矿物组成有关，
2、与结构、构造有关。（2）岩体岩体 地下工程周围较大范围内的自然地质体。特点：非均质、各向异性、不连续、赋存地质因子。（3）岩块岩块 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1.1概述（4）弱面：弱面：层理、节理、断面及裂隙面与所研究岩体的岩块比较,具有强度低、易变形的特点,称为弱面。岩体与岩块的差异岩体与岩块的差异：岩体的强度小，岩块的强度大；岩块的各向同性与岩体的各向异性。岩石是不分岩块和岩体的泛称。（5）围岩围岩 井巷附近受到扰动的岩体。岩块：岩块：岩体岩体（6）表土表土：覆盖在地壳上部的第三纪、第四纪沉积物,如黄土、
3、粘土、流砂、淤泥、砾石的统称。（7）基岩：基岩：表土以下的固结性岩石统称为基岩。（8）煤系地层：煤系地层：煤层周围一定范围内的地层。多为沉积岩，如砂岩、灰岩、页岩、泥岩等。1.1 概述l表土和基岩表土和基岩l1.2.1 岩石的相对密度和密度岩石的相对密度和密度l1.2.2 岩石的孔隙性岩石的孔隙性l1.2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质l1.2.4 岩石的碎胀性岩石的碎胀性 1.2 岩石的物理性质岩石的物理性质 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
4、体积为VC的岩石质量，g；VC岩石固体实体积(不包括孔隙体积)，cm3；W水的密度，gcm3。1.2.1 岩石的相对密度和密度岩石的相对密度和密度 2）密度密度l岩石单位体积包括岩石内孔隙体积在内的质量，又称质量密度，具有干密度与湿密度之分。la 干密度：干密度：是单位体积岩石绝对干燥后的质量。lb 湿密度：湿密度：是天然含水或饱和水状态下的密度。3）重度（容重）重度（容重）：指单位体积岩石所受的重力，又称重力密度。=g 1.2.1 岩石的相对密度和密度岩石的相对密度和密度1.2.2 岩石的孔隙性岩石的孔隙性l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，常用孔隙度（率）n和孔隙比
5、e来表示。1）孔隙度孔隙度n 岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积之和与试件总体积之比。2）孔隙比孔隙比e 岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积总和与试件内固体矿物体积之比。1.2.2 岩石的孔隙性岩石的孔隙性3）孔隙度）孔隙度n和孔隙比和孔隙比e的关系的关系4）孔隙性的作用）孔隙性的作用 对岩石其它性质有显著影响，如：密度和强度；风化程度，透水性，力学强度等。吸水、透水、软化、溶蚀、膨胀、崩解吸水、透水、软化、溶蚀、膨胀、崩解。1）岩石的）岩石的吸水率吸水率w：岩石试件在大气压力下吸入水的质量g与试件烘干质量G之比。*表1-1列出一些岩石的比重、密度、孔隙比和吸水率等指标1.2.3 岩石的水理性质岩石的
6、水理性质1.2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质2）岩石的）岩石的软化性软化性：l岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数k表示。lk定义为水饱和岩石试件的单向抗压强度(Rb)与干燥试件的单向抗压强度(Rc)的比值，即表1.2（7页）1.2.4 岩石的碎胀性岩石的碎胀性（1）碎胀性：）碎胀性：岩石破碎后因孔隙或裂隙增多而总体积增大的性质。（2）碎胀系数碎胀系数K：岩石破碎后的总体积V1与原岩破碎前整体状态下的体积V之比。（3）影响碎胀系数大小的因素）影响碎胀系数大小的因素 岩石的物理性质、破碎后的块度大小及其排列状态。（4）残余碎胀系数残余碎胀系数K 岩石破碎后经过压实的总体积V1
7、 与原岩破碎前整体状态下的体积V之比。（5）碎胀系数的意义）碎胀系数的意义 选择装岩、运输、提升设备；爆破空间大小；直接顶垮落后的高度。1.2.4 岩石的碎胀性岩石的碎胀性1.2.4 岩石的碎胀性岩石的碎胀性（6）岩石的碎胀应变（体积应变）岩石的碎胀应变（体积应变）几种岩石的体积应变数据，见表几种岩石的体积应变数据，见表1.4（第（第8页）页）1.3 岩石的岩石的力学性质力学性质 外载作用下：“变形变形”、“破坏破坏”、“运动运动”。l1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征l1.3.2 岩石的强度特征岩石的强度特征l1.3.3 岩石的硬度岩石的硬度l1.3.4 岩石的可钻性与可爆性岩石的可钻
8、性与可爆性1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征*荷载（力）与应力：*变形与应变：*应力与应变：*刚度：或力学性能的几个关系：力学性能的几个关系：1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征l1）岩石的弹性和塑性）岩石的弹性和塑性l岩石是兼有弹性和塑性的材料。l岩石受力后既可能出现弹性变形，也可能出现塑性变形，而且弹性变形和塑性变形往往同时出现而且弹性变形和塑性变形往往同时出现。l岩石的弹性弹性是指在力的作用下，岩石改变形状和体积，而卸载后能完全恢复其原始状态的性质卸载后能完全恢复其原始状态的性质。l如煤化程度较高的煤、砂岩、砾岩、石灰岩都具有较好的弹性。l塑性塑性是指在力的作用下，岩石改变形状
9、和体积，而卸卸载后仍保留残余变形的性质载后仍保留残余变形的性质。如页岩、粘土岩塑性比较强。l岩石的变形特性用岩石的弹性模量E、变形模量EB以及泊松比等参数来表示。表1-3 几种岩石的弹性模量和泊松比1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征2）岩石的脆性和流变性）岩石的脆性和流变性l岩石的脆性脆性是指岩石在破裂前几乎没有或仅有很短的塑性阶段。l如煤化程度较高的煤、砂岩、石灰岩都具有脆性。l流变流变：通常把随时间因素而变化的应力应变现象：通常把随时间因素而变化的应力应变现象统称为流变统称为流变。许多岩石有流变性，而不同岩石的流变性差异很大。l流变性表现在蠕变和松弛两个方面。l蠕变蠕变是在应力一定的
10、条件下，变形随时间的持续而逐渐增长；l松弛松弛是在变形量一定的条件下，应力随时间的持续而逐渐减少。l 静载荷静载荷下岩石的变形特征（单向压缩）下岩石的变形特征（单向压缩）l1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征 应力应变曲线应力应变曲线 体积应变体积应变 三种破坏形式三种破坏形式 l应力应变曲应力应变曲线线lIOA阶段 裂隙压密闭合阶段 AB阶段 线弹性阶段 lBC段 破裂发展阶段l 或称 变形屈服阶段 一CD段 软化阶段 l静荷载下岩石变形特征静荷载下岩石变形特征 *一般岩石在室温和大气压条件下的单向压缩试验曲线（P9图1-1）a、OA段：曲线斜率逐渐增大；称为“裂隙压密闭合阶段”（变弹模
11、）。b、AB段：曲线近似直线；称为“线弹性阶段”。c、BC段：曲线的斜率逐渐缩小；称为“破裂发展阶段”，达到极限C。d、CD段：刚性试验机时可见曲线上应力随应变而下降直至D，这说明了什么？*CD曲线的存在说明岩石在达到极限强度后，仍然具有相当的承载能力。体积应变体积应变l岩石的体积改变量V与原体积 V的比值,也称体积改变率。l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。l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。图1.1（9页）三种破坏形式三种破坏形式l脆性破坏：脆性破坏：l永久变形或全变形小于3%者为脆性破坏。
12、具有这种特性的岩石称为脆性岩石；l塑性破坏：塑性破坏：l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；l过度状态：过度状态：l永久变形或全变形在3%到5%之间。(4)有围压作用时的岩石变形特性有围压作用时的岩石变形特性图1.2（10页）l破坏前的应变增加；l脆性塑性，出现硬化现象；l变形模量和泊松比有一定程度提高。（二）动载荷下岩石变形特征（二）动载荷下岩石变形特征 *动荷载动荷载 外荷载不是常数，而是时间的函数。如冲击凿岩和爆破落岩等，如图12所示为凿岩机活塞冲击钎尾时，作用力随时间变化的实测曲线。从图可见，作用力在几十微秒内零骤增到数万牛顿，再经数百微秒重新下降到零。
13、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时间内的变形范围。lFl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 L*动荷载下岩石变形特征：动荷载下岩石变形特征：a 在动荷载作用下，岩石变形不是整体的均匀变形；b 质点的运动速度也不是整体一致的。“变形和速度”都有一个传播的过程。*表13列出了几种材料的密度、纵波波速及波阻抗值。l表面波表面波(勒夫波勒夫波)：沿介质边界传播c；l体积波：体积波：在介质内部传播，分为横波和纵波l横波：横波：介质振动方向和波的传播方向垂直，产生剪切变形b；l纵波纵波：质点振动方向和波的传播方向一致，产生压缩、拉伸变形a；
14、l瑞利波：瑞利波：质点运动轨迹为椭圆的波，为地震波的主要形式 dl波的反射和透射波的反射和透射 波阻抗波阻抗cp 介质密度与纵波速度的乘积，它表示介质对应力波传播的阻尼作用。*表13列出了几种材料的密度、纵波波速及波阻抗值。岩石强度岩石强度：在外荷载作用下岩石抵抗破坏的能力（静、动荷载作用）。*瞬时强度岩石在动荷载作用下的强度，又叫动荷载强度 *长时强度岩石在静荷载作用下的强度的强度，又叫做静荷载强度 表15列出了几种岩石的动静荷载强度值1.3.2 岩石的强度特征岩石的强度特征（一）（一）静荷载静荷载下岩石的强度特征下岩石的强度特征 （1）静荷载下岩石大多表现为脆性破坏。（2）同一种岩石的强度
15、并非常数。（3）不同受力状态下岩石的各种强度极限相差悬殊。a、从荷载性质来看：单向抗压强度单向抗剪强度单向抗弯强度单向抗拉强度；b、从应力状态来看：三向抗压强度双向抗压强度 单向抗压强度；*部分岩石强度试验结果列于表14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：（一）（一）静荷载静荷载下岩石的强度特征下岩石的强度特征（二）动荷载下岩石的强度特征（二）动荷载下岩石的强度特征 动载：随着时间变化。（1）外部动荷载解除，质点由运动恢复到静止状态需要一个持续过程，而非立即恢复到位。（2）岩石的动荷载强度（瞬时强度）大于静荷载强度（长时强度）。（3）分析围岩稳定性时，静载强度；分析
16、开挖问题时，动载强度。（三）（三）强度理论强度理论l强度理论（强度准则）l1）莫尔）莫尔-库伦强度准则库伦强度准则l思想：在不同正应力和剪应力的组合下发生破坏l图1.41.5（13页）l不足；破坏机理；中间主应力。l2）格里菲斯强度准则）格里菲斯强度准则l思想：破裂原因；裂纹扩展方向；裂纹扩展所需能量。*硬度硬度 抵抗其它较硬物体侵入的能力。根据试验方式可分为：（1）静压入硬度：）静压入硬度：采用底面积为15mm2的圆柱形平底压模压入岩石试件，该岩石产生脆性破坏或屈服时的强度强度，作为岩石的硬度指标。（2）回弹硬度：）回弹硬度：以重物落于岩石表面后回弹高度回弹高度来表示，常用回弹仪即施米特锤。
17、1.3.3 岩石的硬度岩石的硬度*岩石的可钻性岩石的可钻性 表示岩石钻眼难易程度，是岩石的物理力学性质在钻眼条件下的综合反映。*岩石的可爆性岩石的可爆性 表示岩石爆破难易程度，是岩石的物理力学性质在爆破条件下的综合反映。*岩石的可钻性和可爆性度量岩石的可钻性和可爆性度量 常用工艺性指标来表示。1.3.4 岩石的可钻性与可爆性岩石的可钻性与可爆性岩石的可钻性：岩石的可钻性：钻速；钻每米炮眼所需时间；钻头在变钝之前的进尺；钻每米炮眼磨钝的钎头数等。岩石的可爆性：岩石的可爆性：爆破单位体积岩石所消耗的炸药；爆破单位体积岩石所需的炮眼长度；单位重量的炸药的爆破量；每米炮眼的爆破量等。岩石岩石“最复杂的
18、材料最复杂的材料”。岩块、结构面、地质环境等。分级的目的：分级的目的：给出具有代表性的、单一的性质参数，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，准确的制定生产定额和材料消耗定额等。1.4 岩石的工程分级岩石的工程分级 1）普氏分级法 2）中国煤炭部门围岩分类法 3）岩石质量指标（RQD）分类 4）Q分类 5）围岩松动圈分类1.4.2 工程分级方法工程分级方法 普罗托奇雅克诺夫 1926年提出用“坚固性”作为岩石工程分级的依据，即用一个综合性指标“坚固性系数坚固性系数f”来表示岩石破坏的相对难易程度。f=Rc/10 据f值，分为十级十五种（如表1-6所示）。*级岩石（
19、最坚固，如石英、玄武岩）普氏系数f20 *级岩石（中等坚固，如页岩）普氏系数f34 *级岩石（如无烟煤）普氏系数f2 *a级岩石（如坚固烟煤）普氏系数f1.5 *级岩石（如软的烟煤）普氏系数f1.0 *级岩石（如采下的煤）普氏系数f0.5l普氏岩石分级法的不足：普氏岩石分级法的不足：l没有反映岩体岩体的特征。l井巷围岩稳定性主要取决于岩体的结构和岩石的强度，而不只是岩石试件的强度，因此，国内外提出了各种“岩石工程分类方法”。l根据井巷锚喷支护设计与施工需要，按照煤矿岩层的特点，分为五类，如表1-7所示。类类 稳定岩层：稳定岩层：完整、坚硬，层间胶结好，Rb（饱和抗压强度）60Mpa；类类 较稳
20、定较稳定：完整、比较坚硬，层间胶结较好，Rb4060Mpa；类类 中等稳定中等稳定：完整、中硬，夹有软弱夹层 Rb2040Mpa；类类 稳定性较差稳定性较差：较软的完整岩层 Rb强度围岩破坏三向应力平衡状态。（2）特点：变形和强度 软化和残余强度范围。（3）测量：声测、地质雷达测量。围岩类别松动圈支护方法备注小小I稳定300二次支护无稳定期（4）围岩松动圈分类）围岩松动圈分类 5）围岩松动圈分类）围岩松动圈分类（5）围岩松动圈分类的特点：松动圈厚度是一个综合指标；松动圈厚度直观，且容易测量；分类和支护参数直接联系，应用方便。复习思考题复习思考题岩石与岩块的特点及其力学性质差异？岩体、基岩、表土相对密度、密度、孔隙性、吸水率、软化性岩石的碎胀性及其表示？在井巷工程实践中有何意义？岩石静载荷作用下变形特征，用单向压缩实验曲线说明这个阶段意义动荷载下岩石的变形特征？岩石在动荷载下的强度特征？岩石的可钻性与可爆性？如何表示？岩石工程分级的目的与意义？岩石工程分级方法有几种，什么是普氏系数,普氏系数分级法及其的优缺点。
