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1、1.岩石的性质与工程分级,1.岩石性质与工程分级,井巷施工基本过程：破岩形成空间维护1.1 概述1.2 岩石的物理性质 1.3 岩石的力学性质 1.4 岩石的工程分级,2,1.岩石性质与工程分级,1.1 概述影响岩石性质的因素矿物结构和构造岩石、岩体和岩块，弱面的影响，层理、节理、断层和裂隙面。各向异性、非均质性和不连续性。表土和基岩，煤系地层常见石灰岩、砂岩、砂质页岩和页岩等，局部岩浆岩。,3,1.2 岩石物理性质,一、相对密度和密度相对密度：实体积（不包括空隙）质量与同体积水之比。密度又可分为干、湿两种密度。干指单位体积岩石绝对干燥时密度，湿天然含水或饱水状态下密度重度指单位体积岩石所受的
2、重力，又称重力密度，用表示。,4,岩石物理性质,二、岩石的孔隙性岩石中裂隙和孔隙的发育程度，指标为孔隙比和孔隙度。孔隙度：各种裂隙、孔隙的体积总和与总体积V之比；孔隙比：各种裂隙、孔隙的体积总和与固体矿物颗粒体积Vc之比。常根据相对密度d和干密度c计算求得。,5,岩石物理性质,三、岩石的水理性质吸水性：吸水率在大气压力下吸入水的质量g与试件烘干质量G之比值。透水性：岩石能被水透过的性能，指标为渗透系数。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。围岩为石灰岩的矿井中常见。软化性：常用软化系数来表示，水饱和岩石试件的单向抗压强度与干燥试件之比。膨胀性和崩解性：膨胀应力和膨胀率、耐崩
3、解指数,6,岩石物理性质,四、岩石的碎胀性破碎以后的体积将比整体状态下增大，碎胀系数表示，Tab1.4,7,1.3 岩石的力学性质,8,岩石风化程度,B,D,岩石的变形特征,C,岩石的强度特性,弹性模量E,泊松比,抗剪强度,弹性,塑性,脆性,（Elastic modulus）,（Poissons ratio）,力学性质,单轴抗压强度,单轴抗拉强度,一、岩石的变形特征,变形和破坏是岩石在荷载作用下的两个发展阶段。变形中包含着破坏的因素，而破坏是变形发展所致。(一)静荷载下岩石的变形特征I0A段，曲线呈上凹型，这是原有裂隙和孔隙受压后逐渐闭合所致，称为裂隙压密闭合阶段。对于致密岩石这个阶段很小甚至
4、没有。AB段，呈直线型，即斜率近似为常数，称为线弹性阶段。在I、段内，如果卸除荷载，变形能完全恢复。B点应力称为弹性极限或屈服应力，B点称为屈服点。,9,(一)静荷载下岩石的变形特征,BC段，呈下凹型，斜率逐渐减小，局部破损逐渐增大而导致岩石达到强度极限c点，称为破裂发展阶段。刚性试验机，由于加载系统储存的弹性能量大大减少和试验机及时地减少荷载，则可以观察到应力应变曲线第阶段。如果在BC段内任一点P卸载，曲线按PQ变化；重新加载，曲线按QR变化。PQR称为塑性滞环。QS为弹性变形，卸载时可恢复；OQ为塑性变形，卸载时不能恢复。C点对应的应力称为极限抗压强度。,10,(一)静荷载下岩石的变形特征
5、,CD段，为软化阶段。仍保持一整体继续抵抗荷载；直到D点才最终破裂；以后应力基本不变而应变无限增长。D点应力为残余强度。CD存在，说明在达到极限强度后，仍有承载能力。这符合一部分矿山工程的实际情况，如巷道围岩多数平稳地破裂，破裂后仍然具有一定的强度。因此，在岩体已经开裂破坏而尚未垮落的情况下，如能采取措施制止或缓和岩体变形，则岩体破坏就会停止而仍然保持相当大的承载能力。锚喷支护就是制止岩体变形的十分有效的措施。,11,(一)静荷载下岩石的变形特征,岩石受单轴压缩时，体积变化一般规律是在弹性阶段体积减小而在塑性阶段体积膨胀。通常将体积改变量v与原体积V的比值称为体积应变，也称体积改变率。体积由减
6、小到增大的转折点大约 处。塑性阶段的体积膨胀称为扩容现象，主因为变形裂隙发展和张开。它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。岩石受载后变形很小即破裂的性质称为脆性。小于3为脆性，大于5为塑性，35为过渡状态。,12,(一)静荷载下岩石的变形特征,弹性、塑性和脆性随受力状态、加载速度、温度等条件变化而变化。岩石在弹性和塑性变形中消耗能量，冲击凿岩和爆破不利。如果凿岩冲击功不大，弹性大的岩石会使钎杆在孔底跳动而影响钻进速度。爆破时，药包爆炸能量中有相当大的一部分要消耗在岩石的弹性震动上。相反，脆性较大时，变形所耗能量较小，对局部应力敏感而易于冲击破碎；脆性大易于爆破碎岩并适于选用
7、高猛度炸药。塑性显著的岩石，对剪切应力抵抗能力差，宜使用旋转式钻眼法破岩，并可选用低猛度、低静力作用力炸药。,13,(二)三向静荷载下岩石变形特征,(1)弹性段与单轴压缩下基本相同。这一特性具有重要意义，因为可以通过简易的单轴试验确定复杂应力状态下的弹性常数。(2)表现出明显的塑性变形。(3)屈服极限、强度峰值和残余强度都与围压大小成正变关系。(4)大部分岩石在一定的临界围压下出现屈服平台，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。,14,(三)动荷载下岩石的变形特征,无论是冲击式凿岩机，爆破岩石，岩石承受是一种冲击荷载。它是关于时间的函数
8、。变形将引起质点之间的应力和应变。这种应力应变的变化的传播叫做应力波或应变波。,15,波的性质与分类,16,勒夫波,瑞利波,纵 波,横 波,根据波的传播位置,体积波,表面波,在介质内部传播的波,只沿介质体的边界面传播的波,根据介质质点振动方向,波,同扰动传播方向垂直，又叫剪切波,同波的传播方向一致，又叫压缩波或拉伸播,介质质点沿椭圆形轨迹运动,介质体表面质点在垂直于波的传播方向成水平横向振动,应力波反射和透射（1）,17,(A)应力波从交界面垂直入射,不产生波的反射。,有反射波，也有透射波,既有透射压缩波，又有反射拉伸波。,叠加的结果使交界面处的应力值为入射应力波的两倍，此交界面即为固定端。,
9、纵 波 垂 直 入 射,应力波反射和透射（2）,18,(B)应力波向交界面倾斜入射,纵 波 倾 斜 入 射,二、岩石的强度特征,1静荷载下岩石的强度性质(1)在大多数情况表现为脆性破坏。(2)同一岩石的强度并非常数。影响因素很多。例如组成成分、颗粒大小、胶结情况、生成条件、层理构造、孔隙度、温度、湿度、重度、风化程度、受力状态和时间等。(3)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。,19,2.动荷载下岩石的强度性质,岩石承受静荷载达到强度极限前，外荷载卸除后岩石可立即恢复到原来静止状态。在动荷载作用下，虽然外荷载已解除，但岩石的质点由运动
10、恢复到静止状态还需要有一个持续过程。所以，岩石动荷载强度不同于静荷载强度。在动荷载作用下，其强度的增加与加载速度有关。岩石在冲击荷载作用下，无论是抗压强度还是抗拉强度都比静荷载作用下要大。,20,三、岩石的硬度,岩石的硬度，一般理解为岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力。硬度与抗压强度既有联系又有区别。对于凿岩而言，岩石的硬度比岩石单向抗压强度更具有实际意义，因为钻具对孔底岩石的破碎方式多数情况下是局部压碎。所以，硬度指标更接近于反映钻凿岩石的实质和难易程度。岩石硬度因试验方式不同，有静压入硬度和回弹硬度两类。,21,四、岩石的可钻性和可爆性,用来表示钻眼或爆破岩石的难易程度。常用工艺性指标来表示。
11、钻速、钻每米炮眼所需时间、钻头进尺(钎头在变钝以前的进尺数)、钻每米炮眼磨钝钎头数或破碎单位体积岩石消耗的能量等来表示可钻性；采用爆破单位体积岩石所消耗的炸药、爆破单位体积岩石所需炮眼长度或单位重量炸药的爆破量、每米炮眼的爆破量等来表示岩石的可爆性。显而易见，上述工艺性指标，必须在相同条件下(除岩石条件外)来测定，才能进行比较。,22,1.4 岩石工程分级,（1）按成因可分岩浆岩、沉积岩和变质岩。（2）按固体矿物颗粒间的结合特征，可分为固结性、粘结性、散粒状和流动性岩石四大类。煤矿中多遇到固结性岩石，常见的有砂岩、砂质泥岩、砂质页岩、石灰岩、泥岩等。（3）按岩石力学强度和坚实性，可分为坚硬岩石
12、和松软岩石。,23,普氏分级,1926年，MM普洛托古雅可诺夫(简称普氏)提出综合性指标“坚固性系数”f来划分岩石等级。f值为岩石的单向抗压强度R(MPa)除以10(MPa)，将岩石分为10级15种。Table1.7。简明便于使用，在前苏联和一些东欧国家广泛应用；但没有反映岩体的特征，岩石坚固性的各方面表现趋于一致的观点对少数岩石也不适用，如在粘土中就是钻眼容易爆破困难。,24,煤炭部门围岩分类,煤炭部门根据锚喷支护设计和施工需要，按照煤矿岩层的特点制定了围岩的分类。稳定、稳定性较好、中等稳定、稳定性较差、不稳定。,25,“岩芯质量指标”（RQD）分类,优质、良好、好、差、很差。,26,思考题,1岩体的组成部分有哪些?岩石和岩体有什么区别?2什么是岩石的密度和表现密度?并说明它们有什么不同?3岩石的流变性质有哪些?4普氏岩石分级法的实质是什么?它有什么优缺点?5围岩分类法与普氏岩石分级法在应用上有什么区别?,27,
