1、1 岩石的性质引言 井巷施工最基本的过程破岩、装运与井巷维护； 所以首先要了解岩石的物理力学性质； 并要对岩石进行工程分级。以便正确地进行井巷工程设计，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。,1.1 概述（1）岩 石：由一种或多种矿物组成。 而每种矿物都有一定的内部结构和比较固定的化学成分,因而也各具一定的物理性质与形态。 （2）岩石的性质与其矿物组成有关 （3）岩石的结构与构造 a、岩石的结构：即岩石微观的组织特征,是指岩石中矿物的结晶程度、颗粒大小、形状和颗粒之间的联结方式等。 b、岩石的构造：即岩石宏观的组织特征,（4）岩体：是指地下工程周围较大范
2、围内的自然地质体 （5）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（6）岩体与岩块的强度差异：各向异性与各向同性（7）表土：覆盖在地壳上部的第四纪沉积物,如黄土、粘土、流砂、淤泥、砾石的统称（8）基岩：表土以下的固结性岩石统称为基岩,1.2 岩石的物理性质 *岩石由固体、水、空气三相组成,具有比重、密度、重度等指标 （1）比重：岩石固体实体积的质量与同体积水的质量之比 （不包含空隙） （2）密度：岩石单位体积包括孔隙体积在内的质量 ，又称质量密度： a、干密度：是单位体积岩石绝对干燥后的质量，,b、湿密度：是天然含水或饱和水状态下的密度， （3）
3、重度：指单位体积岩石所受的重力，又称重 力密度 1.2.2 岩石的孔隙性 （1）岩石的孔隙性：指岩石的孔隙和裂隙的发育程度，常用孔隙度n和孔隙比e来表示： a、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；,b、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。 *为什么要研究岩石的空隙性？1.2.3 岩石的吸水率 （1）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11列出一些岩石的比重、密度等指标,1.2.4 岩石的碎胀性 （1）碎胀性：岩石破碎后因孔隙增多而总体积增大的性质； （2）碎胀系数：岩石破碎后的总体积V1与原岩破碎前
4、体积V之比， *为什么要研究岩石的碎胀性？1.3 岩石的变形特征 *荷载（力）与应力： *变形与应变： *应力与应变：,1.3.1 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（图11） a、OA段：曲线斜率逐渐增大；变形Elim ， 称为裂隙压密闭合阶段 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“裂隙发展阶段“，达到极限C d、CD段：应力随应变而下降：（刚性试验机），直至D。说明什么情况？ *CD曲线的存在说明岩石在达到极限强度以后，仍然具有相当的承载能力。,三向压缩下的变形性质,设侧向应力2=3（最小主应力），1-
5、垂直应力（最大主应力）。结论：（ 1-3 ） 强度极限 且破坏时的变形量极限状态1= 2= 3时，岩石不破坏（即1-3 =0）,1.3.2 动载荷下岩石变形特征 * 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从零骤增到数万牛顿，再经数百微秒重新下降到零。 *几个基本概念： （1）波质点扰动的传播，分为“体积波和表面波”； （2）体积波沿介质内部传播的波，分为“纵波（P波）和横波（S波）”； 纵波（P）介质质点震动方向同波的传播方向一致的叫纵波，它可引起介质体积的压缩或拉伸变形，故叫做
6、压缩波（p波）或拉伸波。,横波（s）介质质点震动方向同波的传播方向垂 直的叫横波，它可引起介质体形状改变的纯剪切变形，故又称剪切波（s） * 这些波又叫做应力波或应变波，但通常应力波是指纵波。（3）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。 *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。,1.4 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。在静、动荷载作用下的强度是不同的。1.4.1 静荷载下岩石
7、的强度性质（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,*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，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。1.4.2 动荷载下岩石的强度特征 （1）外动荷载解除，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（
8、瞬时强度）大于静荷载强度（长时强度）。,1.5 岩石的硬度 * 硬度岩石抵抗他物侵入的能力 根据试验方式不同可分为： （1）静压入硬度：采用底面积为15 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，作为岩石的硬度指标。 （2）回弹硬度：以重物落于岩石表面后回弹高度来表示，常用回弹仪即施米特锤测定。一般地：硬度小 塑性大如，硬度大于400kg/cm2，称为脆性岩石； 硬度=100400kg/cm2，称为弹塑性岩石； 硬度小于100kg/cm2，称为塑性岩石。,1.6 岩石的可钻性与可爆性,* 岩石的可钻性表示岩石钻眼的难易程度，是岩石的物理力学性质在钻眼条件下的综合反映；*
9、岩石的可爆性表示岩石爆破的难易程度，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的度量常用工艺性指标来表示，如：岩石的可钻性可表示为钻速 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； 岩石的可爆性可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的炮眼长度 单位重量炸药的爆破量 单位长度炮眼的爆破量等表示。,1.7 岩石的工程分级 （1）分级的目的 以便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。,（2）分级方法 1）普氏分级法 前苏联M.M.普罗托奇雅克诺夫于1926年提出用“坚固性
10、”作为岩石工程分级的依据，他发现，岩石在各种外载作用下，其破坏的难易程度相似或趋于一致，易（难以）破坏的岩石用各种方法都易（难以）破坏，因此，可用一个综合性指标“坚固性系数f”来表示岩石破坏的相对难易程度。f值可用岩石的单向抗压强度Ra（Mpa）除以10（Mpa）求得：,根据f值（普氏系数）的大小，将岩石分为十级共十五种（如表16所示） * 级岩石（最坚固，如石英、玄武岩） f20 * 级岩石（中等坚固，如页岩） f34 * 级岩石（如无烟煤） f2 * a级岩石（如坚固烟煤） f1.5 * 级岩石（如软的烟煤） f1.0 * 级岩石（如采下的煤） f0.5,* 对此评价方法的评价：普氏岩石分
11、级法没有反映岩石的特征，大量工程实践和理论研究表明，井巷围岩稳定性主要取决于岩石的结构、应力和岩石的强度，而不只是岩石的强度，因此，国内外提出了各种“岩石工程分类方法”，如： 2）中国煤炭行业围岩分类法： 根据井巷支护设计与施工需要，按照煤矿岩层的特点，分为五类：稳定、较稳定、中等稳定、稳定性较差、不稳定岩层。如表17所示,类：稳定岩层：完整、坚硬，层间胶结好，Rb（饱和抗压强度）60Mpa；类：较稳定：完整、比较坚硬，层间胶结较好，Rb4060Mpa； 类： 中等稳定 ：完整、中硬，夹有软弱夹层 Rb2040Mpa； 类：较不稳定 ：较软的完整岩层 Rb20Mpa； 类: 不稳定 ：易风化潮
12、解剥落的软岩和各类破碎岩层。* 岩层描述： 完整的层理和裂隙的间距大于1.5m； 层状的层间距小于1.5m； 块状的节理裂隙间距小于1.5m，大于0.3m； 破碎的节理裂隙间距小于0.3m。,3） 岩芯质量指标（R.Q.D）分类（美国，Rock Quality Designation Index）： 钻探时将钻孔中直接获取的长度大于10cm的坚硬完整岩芯的累计长度，与钻孔总进尺之比，即， 具体分类指标如下： 优质 R.Q.D90100 良好 R.Q.D7590 好 R.Q.D5075 差 R.Q.D2550 很差 R.Q.D025,复习思考题（1）岩石与岩块的特点及其力学性质差异？（2）岩石的碎胀性及其表示？在井巷工程实践中有何意义？（3）静荷载下岩石的变形特征？（4）动荷载下岩石的变形特征？（5）岩石在动荷载下的强度特征？（6）岩石的可钻性与可爆性？如何表示？（7）岩石工程分级的目的与意义？（8）常用岩石工程分级方法？,返回首页,
