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1、第三章 岩石的力学性质与分类,学习目的：掌握岩石和岩体的基本力学性质；掌握岩体的分类方法，特别是RMR和SMR方法；掌握现场评价指标的获取方法（RQD）；学会RMR法在矿山岩体分类中的具体应用。,主 要 内 容 1 岩石（岩体）的基本力学性质 2 矿山工程岩体分类 概述 岩体坚固性分级 工程地质RMR分类 边坡稳定的SMR分级 岩体分类实例 作业,第一节 岩石（岩体）的基本力学性质 基本物理力学性质主要有强度、弹性、塑性、脆性、硬度、磨蚀性等。一、强度 岩石的强度是指岩石承受外加载荷的能力，即开始破坏的极限临界应力值。岩石的强度有抗拉强度、抗剪强度、抗压强度等。单向抗拉强度单向抗剪强度单向抗压
2、强度二向抗压强度三向抗压强度。岩体内存在节理等构造，它们的存在使强度降低；岩石的各向异性造成加载方向不同，其强度也不同。,二、弹性、塑性和脆性弹性是岩石除去外力后，恢复其原来形状和体积的性能。弹性大的岩石，在凿岩爆破时不易破坏。在破坏前具有明显残余变形的岩石称为塑性岩石，几乎没有残余变形的岩石叫脆性岩石。金属矿山经常遇到的岩石大多数属于脆性岩石。岩石的变形性质不仅与岩石种类有关，还与受力条件有关：在三向受压或高温条件下，塑性会显著增加，在常态下具有脆性的岩石，在上述条件下也可能变成塑性体。在冲击载荷作用下，岩石脆性会显著增加，如岩石在凿岩、爆破等冲击载荷作用下，大多数呈脆性破坏。,三、硬度硬度
3、是岩石抵抗工具侵入的能力。凡是用刃具切削或挤压的方法凿岩，首先必须使工具侵入岩石才能达到钻进的目的。因此，研究硬度具有重要意义。岩石的硬度取决于岩石的组成，即取决于矿物颗粒的硬度、形状、大小、晶体结构以及颗粒间胶结物的情况等，硬度越大凿岩越困难。,四、磨蚀性 磨蚀性一般指岩石表面与工具作用过程中，岩石对工具的磨损程度。磨蚀性越大，对工具的磨损越大，对凿岩工作越不利。影响磨蚀性的主要因素有：（1）岩石成份。岩石中石英的含量、粒度的大小及分布对磨蚀性影响很大。一般来说，石英的含量越高，磨蚀性越大。（2）岩石的结构。这主要表现为岩石的不均匀性，它对岩石磨蚀性有明显的影响。由于不同矿物可能在岩石中形成
4、软硬相间的不均匀状态，造成局部应力集中，使其磨蚀性增大。（3）岩石的强度。岩石的强度越高，磨蚀性越强。,主 要 内 容 1 岩石（岩体）的基本力学性质 2 矿山工程岩体分类 概述 岩体坚固性分级 工程地质RMR分类 边坡稳定的SMR分级 岩体分类实例 作业,第二节 矿山工程岩体分类一、概述（一）工程岩体分类的目的 工程类比法的需要；为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额等，提供必要的基本依据。根据用途的不同，工程岩体分类有通用分类和专门分类两种。通用分类是指针对性较少的、原则上的和大致的一种分类，是供各学科领域及国民经济各部门笼统使用的分类。专门分类是指专为某类工程目的服务而编制的分类，所
5、涉及的面窄一些，考虑的影响因素少一些，但更深入一些，细致一些。,（二）工程岩体分类的原则 1.工程岩体的分类应该与所涉及的工程性质联系在一起。2.分类应该尽可能采用定量的参数。3.分类的级数应合适，一般分为46级。4.工程岩体分类方法与步骤应简单明了，分类的参数在工程现场容易获取，参数所赋予的数字便于记忆，便于应用。5.各个因素应有明确的物理意义，并且还应该是独立的影响因素。,（三）代表性分类简表,接下表,续表,二、岩体坚固性分级 前苏联学者普罗特基雅柯诺夫(.)按当时采掘工业水平提出的要求，对岩石进行定量分级的，被称为普氏分级。根据岩石坚固性的不同，将岩石划分为十级。普氏分级的指标为坚固性系
6、数f，是由岩石在当时各种采掘工艺中的坚固性表现指标综合起来确定的。目前f值是按岩石单轴抗压强度来确定的。分为15级。式中岩石的轴向极限抗压强度，MPa。参看王青主编采矿学p59页，表2-1,三、岩体地质力学RMR分类（岩体指标CSIR）由毕昂斯基(Bieniawski)在1973年首次提出。岩体的RMR值取决于五个通用参数和一个修正参数，这五个通用参数为：岩石抗压强度R1 岩石质量指标R2 节理间距R3 节理面状态R4 地下水状态R5 节理方向对工程影响修正参数R6把上述各个参数的岩体评分值相加起来就得到岩体的RMR值：RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6,（1）由“岩石抗压强度”确定的
7、岩体质量评分值R1（15）,对照上表查出R1=?,（2）由“岩石质量指标RQD”确定的岩体质量评分值R2（20）,对照上表查出R2=?,RQD值的确定方法见下页,单项指标RQD值的确定：RQD值：即修正的岩芯采取率，是选用坚固完整的、其长度等于或大于10cm的岩芯总长度与钻孔在岩层中的长度之比，并用百分数表示。,例如，某钻孔在岩层中的长度为250cm，其中，岩芯采取总长度为200cm，而大于10cm的岩芯总长度为157cm。,（3）由“节理间距”确定的岩体质量评分值R3（20）,对照上表查出R3=?,（4）由“节理面壁几何状态”确定的岩体质量评分值R4（30）,对照上表查出R4=?,（5）由“
8、地下水”确定的岩体质量评分值R5（15）,对照上表查出R5=?,（6）由“节理的空间方位”确定的岩体质量评分值R6,对照上表查出R6=?,（7）岩体的地质力学分类,（8）分类结果的应用,四、边坡稳定的SMR分级 Romana(1985)将RMR分类系统推广应用到边坡。当然，RMR系统法中使用的6个参数与边坡稳定性是相关的，但是评分值则需要根据不同的工程环境进行调整。Romana教授通过考虑以下四个因素对RMR值在数值上进行了调整。(1)F1因素：与边坡面和非连续面走向之间的平行度有关。(2)F2因素：与发生平面破坏的非连续面的倾角有关。(3)F3因素：相对于非连续面倾角的边坡角度有关。(4)F
9、4因素：与开挖模式相关。,分类评分值可从以下公式得出:RMRSLOPE=RMRBASIC-F1F2F3F4下表指出了从RMRBASIC到RMRSLOPE需要调整的四个因素的数值，以及SMR等级、预期破坏的类型和提高稳定性所需的治理措施。,五、采矿工程应用实例实例1：埋深200m的包含三组弱面的泥岩。一组为层理面，强风化，表面稍粗糙，连续，方向为18010；另一组是节理面，微风化，稍粗糙，方向为18575；第三组也是节理面，微风化和稍粗糙，方向为9080。原岩强度为55MPa，RQD值60%，平均弱面间距是0.4m。采用RMR系统对该岩体进行分类，并评价从东到西开挖的10m宽洞室的稳定性。,答：
10、(1)岩体分类基础等级值R1：原岩强度为55MPa，因此强度等级的保守值是6；R2：对于平均RQD值为60%，其等级值约为12；R3：平均弱面间距0.4m，其等级值约为10；R5：开挖位于200m深度的岩体为泥岩。在200m的深度，垂直应力分量为5MPa左右(假设岩石的单位重量为25kN.m-3)，这个应力可能足以使断裂面处于紧密闭合状态。加之泥岩具有很低的主、次渗透性，可以推断地下水条件可能在潮湿和湿润范围内，等级值范围为710。将这四个等级值加在一起得到总的等级值为6+(710)+12+10=3538。,(2)用第一组层理面数据进行分类 R4：层理面强风化，表面稍粗糙，且分布有连续。这些特
11、定性质的等级值分别是1、3和0。在开挖处原位应力状态的基础上可以对开挖进行评价，5MPa的应力意味着弱面的开度较低，因此合理的等级值为5。没有充填物的信息，也没有证据表明存在任何充填的物质，因此假设等级值为6。所以这些弱面的总的等级值为1+3+0+5+6=15。R6：层理的倾斜方向是180，开挖是沿着走向方向，这被认为是一般条件，相应的等级值调整为-5。因而，基于第一组弱面的全部的RMR值是(3538)+15=5053，考虑到弱面方向进行-5的等级调整，RMR值减少到4548，该分类定为较好岩体，即类。,(3)用第二组节理面数据进行分类 R4：节理面是微风化，稍粗糙，方向为18575。将这些性
12、质对应的等级值赋值为5、3和-12。泥岩中的弱面是节理，它们的存在将可能在12m，与此对应的合适等级值为2。同第一组断裂面一样，分别对断裂面开度和充填物赋值5和6。这些节理面总的等级值是5+3+2+5+6=21。R6：考虑到断裂面方向进行-12的方向调整。全部的RMR值是(3538)+21-12=4447，该分类也定为较好岩体，即类。,(4)用第三组节理面数据进行分类 第三组节理面与第二组有同样的力学特征，因此等级值为21，全部的RMR值为5659，分类为一般的岩体。现在方向等级调整是-5(走向垂直于开挖轴向，将开挖逆倾向定义为一般)，这将使RMR值减少到5154。该分类也定为较好岩体，即类。
13、,(5)总体评价 可以看出第二组弱面导致岩体最危险的分类，可能的RMR值为4447。用RMR、开挖跨度与自稳时间结合的图表显示，在这样的岩体中10m宽的开挖将导致立即塌陷。因此工程设计中将需要采取岩石稳定措施(比如支护和加固)。另外，可能也需要采用某种台阶法开挖形式，在小的导洞开挖成形后再进行系统的全尺寸的开挖。当采用这些增强稳定性措施后，岩体的工程特性可得到稳定的改善。,五、作业1在勘探巷道的铅垂岩壁上进行详测线测量。岩体包括两组平行的不连续面，在岩壁上的迹线夹倾角75，如图所示。A组迹线与水平详测线夹角为55。大量量测值分别给出A组和B组不连续面沿详测线的表观平均间距分别为0.450m和0
14、.800m。,a.计算每组的平均法向间距。b.所有不连续面沿详测线方向的平均间距是多少?c.假定组合不连续面的间距按负指数分布，估算岩体沿详测线方向的岩石质量指标RQD。,2开挖直径为7m的隧道依次通过页岩和玄武岩，最大埋深为61m。页岩向东倾斜，玄武岩形成接近垂直的岩脉。层理面倾角为1520，节理面倾角为7090。页岩中的节理面粗糙，而且大多数很薄且被方解石充填，整个岩体被描述为块状的和有裂缝的。地下水水位在隧道仰拱上50m。页岩的平均单轴抗压强度是53MPa，玄武岩的单轴抗压强度是71MPa。垂直应力约为1.0MPa，水平应力约为3.4MPa。弯曲的隧道线路意味着，隧道可能沿长度某些地方在方向90180前进。使用RMR系统对开挖中岩石的特性进行预测。,
