矿山岩石和岩体的基本性质.ppt

1,矿山压力与岩层控制,主讲：王旭宏 太原理工大学阳泉学院,2,第一章 矿山岩石和岩体的基本性质,3,主要研究内容： 矿山压力的形成与巷硐开掘后围岩的力学性质有密切关系。介绍矿山岩石、岩体的基本概念；岩石的基本物理性质；岩石的破坏机理和强度理论；岩体的基本特征和类型.,4,本章的重点 1、岩石与岩体的区别 2、岩石的碎胀性和压实性 3、岩体结构的类型 本章的难点：无,5,第一节 矿山岩石的基本概念 第二节 岩石的基本理性质 第三节 岩石的破坏机理和 第四节 岩体的基本特征和类型,本 章 目 录,6,第一节 矿山岩石的基本概念,岩石:构成岩体的基本单位 岩体=岩石+结构面 岩块:从岩体中取出,尺寸不大的岩石,7,岩石： 由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体 。,构造: 组成成分的空间分布及其相互间排列关系,矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性 质的自然元素和化合物。,结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及 其相互结合的情况。,影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素：,8,岩石分类,变质岩：不稳定与变质程度和原 岩性质有关,岩浆岩：强度高、均质性好,沉积岩：强度不稳定，各向异性,（煤矿多见）,9,第二节 岩石的基本物理性质,一 、岩石的碎胀性和压实性 岩石破碎以后的体积将比整体状态下增大，这种性质称为岩石的碎胀性。 岩石的碎胀性可用岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比来表示，该值称为碎胀系数，即,式中 Kp 岩石的碎胀系数； V岩石破碎膨胀后的体积，V 岩石处于整体状态下的体积,岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。,10,岩石的碎胀系数对矿压控制，尤其是对回来工作面的顶板管理有重要意义。 碎胀系数与岩石的物理性质、破碎后块度的大小及其排列状态等因素有关。例如坚便岩石破碎后块度较大且排列整齐时，碎胀系数较小，反之，如破碎后块度较小且排列较杂乱，则碎胀系数较大。 煤矿中常见的岩石碎胀系数见表。,11,岩石破碎后，在其自重和外加裁荷的作用下会逐渐压实，体积随之减少，碎胀系数比初始破碎时相应地变小，这种性质称为岩石的压实性。 压实后的体积与破碎前原始体积之比，称为残余碎胀系数Kp。,在工作面后方50-60m处，矸石带的总压缩量达到了其原始高度40-50%,12,二、密度与比重 岩石的密度：单位体积内岩石的质量。 岩石含固相、液相、气相，三相比例不同而密度不同。,（2）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单 位体积质量（水中浸48小时）,（1）天然密度：自然状态下，单位体积质量,G岩石总质量；V总体积。,VV孔隙体积,13,（3）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（108烘24h）,岩石的比重：岩石固体质量（G1）与同体积水在4时的质量比 VC固体体积； 水的比重,G1岩石固体的质量。,（KN/m3）,14,三、岩石的软化性 岩石浸水后其强度明显降低，通常用软化系数来表示水分对岩石强度的影响程度。 软化系数是指水饱和岩石试件的单向抗压强度与干燥岩石试件单向抗压强度之比，可表示为,式中 c 岩石的软化系数， R cW 水饱和岩石试件的单向抗压强度，MPa； Rc 干燥岩石试件的单向抗压强度，MPa。,研究岩石的软化系数对于用高压注水软化岩体方法去控制坚硬难冒落项板有重要意义。煤矿中几种常见岩石的软化软化系数都小于l，说明岩石普遍具有软化性,软化系数的变动幅度很大，对于强度较小的岩石其变化幅度更大。,15,16,第三节 岩石的破坏机理和强度理论,岩石在不同受载条件下可能出现不同的破坏形式，在工程实践中就要求了解岩石的破坏条件，即处于什么样的应力状态下岩石要发生破坏，出此提出了各种不同的岩石强度理论.由于岩石的特点，常采用以下两种强度理论。,莫尔强度理论,格里菲斯强度理论,17,莫尔强度理论 莫尔(Mohr)强度理论认为，材料的破坏主要是与该点处的剪应力及正应力有关，在极限状态其关系为： 此曲线由试验而得，曲线上的每一点表示该处的与值是处于破坏的极限状态，因而此曲线称为岩石的强度曲线，也称莫尔包络线。 经过实验，此曲线有人认为是抛物线、也有人认为可按双曲线或摆线考虑。 库伦(coulomb)则认为采用斜直线型包络线足以供实践中应用，其关系式为：,式中 c、-岩石的内聚力与内摩擦角。 上述关系式又称为“库伦莫尔”强度条件,18,19,根据实验煤矿岩层各种岩石的c、值如表。,20,格里菲斯强度理论 对于脆性材料，格里菲斯(AAGriffith)提出的破坏机理与“库伦莫尔”准则不同，他认为，不论物体受力状态如何(压、拉都可)，本质上最终是由于拉伸应力引起材料破坏。 该理论认为物体内均匀地、随机地分布着许多窄缝形的微裂隙。当物体受力时在微裂隙的端部产生高度的应力集中，超出了计算出的理论抗拉强度，于是裂隙就沿其长度方向扩张直至材料整体破坏。因此认为脆性材料是由于拉伸而破坏，并非由于剪切而破坏。 根据格里菲斯的假定，岩石内的裂隙形状近似一扁平的椭圆孔，它在双向应力作用下裂缝张开的条件为,21,第四节 岩体的基本特征和类型,(一)岩体的基本特征 概括来说，岩体与实验室内制作的岩石试件有显著不同： 1)岩体以自然状态埋藏在地下一定深度处，处于特定的天然物理环境(地应地下水等)之中，这些因素无疑将对岩体的物理力学性质有很大影响； 2)岩体由一定数量的岩石组成，没有特定的自然边界。岩体的范围常根据解决问题的需要来圈定； 3)岩体中存在各种地质构造和弱面。岩体在自然状态下经历了漫长的地质作用过程。在地应力作用下，岩体内部保留了各种永久变形的形态和各种地质构造形迹，如不整合、褶皱、断层、节理、裂隙等等。 根据上述特征，岩体定义为自然界中由各种岩性和各种结构特征的岩石所组成的集合体。,22,(二)岩体结构面 所谓“结构面”，是指在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的，具有一定方向、延展较大、厚度较小的二维面状地质界面，它包括岩石物质的分界面和不连续面，如岩体中存在的层面、节理、断层、软弱夹层等，可统称为结构面。,岩体不连续性，各向异性 反映区域性地质构造 降低岩体强度,结构面影响,(1)岩体结构面分析,23,(2)结构面的分类,中等结构面 110m巨大结构面 10m,细小结构面 延长 1m,1绝对分类,2相对分类相对工程而言的分类见表。,24,3按力学观点分类,破坏面 破坏带 过渡型,充填 非充填,按力学观点的破坏面和破坏带分类,单节理,节理组,节理群,羽毛状节理,破碎带,无充填,有充填,有粘性充填物,按地质破坏特点分五大类,十五小类,25,(三)岩体的力学特征 1岩体的非均质性：岩体可以由一种或几种岩石组成，而且以后者居多。对于由多种岩石组成的岩体，由于在自然条件下组成岩石的物质成分、组织结构及其组合状况经常变化，所以一般认为岩体是非均质的。 2岩体的各向异性：各向异性是指物体的全部或部分物理力学特性随方向不同而表现出一定差异的性质。岩体的许多物理力学性质，如弹性模量，抗压、抗拉强度，声波传播速度等, 随加载或测试方向不同而有显著差别。 岩体的各向异性也和非均质性类似，不仅由于物质成分、结构致密程度不同而造成，而且也受到各种结构面的影响。 3岩体的非连续性：由于岩体被各种结构面所切割，因此从原则上说岩体属于非连续体。,26,(四)岩体结构的类型 由于岩体中结构面性质、规模和切割密度等因素不同，岩体的力学性质和稳定性也就不同。按结构特征的不同，岩体可划分为以下5种基本类型： 1整体结构 它是指末受或仅受轻微构造变动的厚层沉积岩，岩层多呈水平或缓斜状，节理不发育，很少有断层，通常可认为是均质、连续介质。 这类岩体本身有很高的力学强度和抗变形能力，岩体的整体强度接近于岩石的强度，因而常具有很好的自稳性能。,27,2块状结构 它是指遭受中等构造变动的厚层、中厚层沉积岩，岩层多为水平或倾斜状，节理发育，有小断层及偶有层间偌动，岩石一般比较坚硬。 这类沉积岩通常由岩体单一或强度相近的岩层组合而成，根据构造变动程度，可认为是连续介质或非连续介质。这类岩体的整体强度也较高，岩体的变形、破坏受结构面控制，它对一般跨度的巷硐是稳定的，开挖后在短时间内应力即能达到平衡。,28,3层状结构 它是指构造比较简单的沉积岩，岩层可以成水平或倾斜陡急状。它可以由单一岩性或不同岩性的互层或夹层组合而成，岩层的单层厚度一般在0.5m左右。 这类岩体的特点是各个单层具有比较完整的层状组合同时常含有粘结力很小的层理面、极簿层或薄层状的原生软弱夹层以及轻微的层间错动面，其节理发育程度不等。岩体的完整性随岩层变位程度而定，介质类型属于各向异性，非连续介质，其变形、破坏受岩层组合和结构面所控制，在跨度较大的巷硐顶部可能产生弯曲拆断，而平行于巷硐侧壁的急斜岩层可能发生臌出及胀裂。,29,4碎裂结构 它是指岩层受强烈构造变动后产生严重变形和破裂的岩体。在这类岩体中，褶皱、断层、层间错动、节理十分发育，而且断层与节理经常互相切割，使岩层完整性受到强烈破坏，所以属于非连续介质或似连续介质。 这类岩体比较破碎，整体强度低，受力后的变形、破坏受结构面控制。当在巷硐中悬露时经常会发生片帮、冒顶、侧向挤出和底臌等现象。如果碎裂岩体中泥质含量较高时，也可以呈现与时间效应有关的塑性变形。,30,5松散结构 它是指经受十分剧烈的构造变动后由断层泥、岩粉、压碎的岩石碎屑、碎块等所组成的岩体。它往往出现在大断层交汇处，形成破碎带，沿走向和沿倾斜的厚度变化极不规则。此外，近代未经胶结的松散沉积，如砂卵石层等也属松散岩体。 这类岩体的结构体呈颗粒状、碎屑粉状、角砾状，属于非连续介质。它受力后的变形、滑移，主要取决于散粒体之间的摩擦阻力和泥质物的控制作用，故常呈现明显的塑性或流变性。这类岩体的整体强度极低，几乎没有自稳能力，悬露时极不稳定，在掘进巷道时，如不进行超前支护，会立即冒落。,31,第五节 岩体的基本力学性能与分级标准,一、岩体的变形特征 岩体在外力作用，变形将不断发展直至破坏。岩体是具有弹性、塑性和粘性的裂隙非连续介质，因此变形非常复杂，其力学性质是天然岩块和结构弱面力学性质的综合反映，即岩体总变形包括以压缩和变形为主的结构体变形及以压密和剪切滑移变形为主的结构面变形。 1、岩体的应力应变曲线分析 压密阶段 弹性阶段 塑性阶段 破坏阶段,32,33,2、影响岩体变形的因素,岩体结构的影响： 整体结构岩体：变形曲线与岩石的变形曲线基本类似，但其强度较低，原因是裂隙较多，体积较大。 块状结构岩体：“块式结构”变形主要是沿结构面滑动和压缩，以及结构体的内在变形。“砌块结构”变形不仅包括结构面的压缩和滑移变形，又包括结构体的变形和扩容，造成“假塑性变形”，现象。 层状结构岩体：表现出明显的各项异性 裂隙结构岩体：结构面的压缩和滑移变形其主导作用。 散体结构岩体：由于碎屑和颗粒间的孔隙减少，其体积将缩小。,34,岩体结构面的影响： 结构面性质的影响：结构面的张开与闭合程度、充填物的性质与充填程度及粗