矿山压力与岩层控制第一章岩石性质1NO课件

第一章矿山岩石和岩体

的基本性质11.0概述1.1岩石的物理性质

1.2岩石的强度1.3岩石的破坏准则1.4岩石的变形1.5岩体的基本特征与力学性能21.0概述岩石是组成地壳的基本物质，它由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律（通过结晶联结或借助于胶结物粘结）组合而成。它可以是尺寸很小的矿物颗粒，也可以是相当大的岩体。31.0概述自然状态下的岩石，按其固体矿物颗粒之间的结合特征，可以分为固结性岩石、粘结性岩石、散粒状岩石、流动性岩石（如流砂）等。所谓固结性岩石是指造岩矿物的固体颗粒之间成刚性联系，破碎后可以保持其一定形状的岩石。在煤矿中遇到的大多是固结性岩石，常见的有砂岩、石灰岩、砂质页岩、泥质页岩、泥岩、粉砂岩等，比校少见的有砾岩、泥灰岩等。所以对于采矿工程，重点是研究固结性岩石的有关性质。51.0概述按照岩石的力学强度和坚实性，常把矿山岩石分为坚硬岩石和松软岩石。一般将饱水状态下单向抗压强度大于5MPa的岩石叫做坚硬岩石，而把低于该值的胶结岩石（如泥岩、泥质页岩、泥灰岩、硅化粘土等）称为松软岩石。（实践中常把单向抗压强度小于10MPa的岩石看作是松软岩石）。松软岩石具有结构疏松，视密度小，孔隙率大，强度低，遇水易于膨胀及有明显流变性等特点。从矿压控制的角度来看，这类岩石往往会给采掘工作造成很大困难。61.0概述按照岩石的构成特征，可以区分出岩石的结构和岩石的构造这两个概念。岩石的结构是指决定岩石组织的各种特征的总合，通常是指岩石中矿物颗粒的结晶程度，矿物或岩石碎屑颗粒的形状和大小，颗粒之间相互连结状况，以及胶结物的胶结类型等特征。71.0概述组成岩石的物质颗粒大小差异程度，决定着岩石的非均质性。颗粒愈均匀，岩石的力学性质也愈均匀。颗粒大小也影响到岩石的力学性质，一般来说，组成岩石的物质颗粒愈小，则该岩石的强度愈大。81.0概述岩石的构造是指岩石中矿物颗粒集合体之间，以及它与其它组成部分之间的排列方式和充填方式。从矿山岩石力学观点来看，最重要的是以下几种构造：1)整体构造——岩石的颗粒互相严密地紧贴在一起，没有固定的排列方向。2)多孔状构造——岩石颗粒彼此相接并不严密，颗粒之间有许多小空隙（微孔）；3)层状构造——岩石颗粒互相交替，表现出层次叠置现象（层理）。101.0概述在大多数岩石力学文献中，所谓岩石一般是指小块岩石，有时称之为岩块，以表示区别于自然状态下的岩体。所以，岩块是指从岩体中取出的、尺寸不大的岩石，如实验室试验过程中所用的岩石试件就属于岩块。121.0概述工程中所涉及的是岩体，在设计前必须取得—定数量的岩体力学性质指标，然而，做大量岩体的力学性质试验是很不经济的。既然同种类的岩石与岩体的区别是体积大小和有无弱面存在，那么它们之间必然有一定的内在联系，因此，目前还是多以岩块的性质通过一定的转换关系找出岩体的力学性质，这样，既节约费用又节省时问。141.0概述与岩体工程有关的岩石性质有物理性质和力学性质，表征这些性质的参数和指标是岩石力学计算中不可缺少的重要数据。因此，岩体工程中总要做大量的岩石物理力学性质的测量工作。当然，测试方法是否科学、所得的结果是否反映岩石客观存在的性质天很重要的。随着岩石力学理论和测试技术的发展，测试方法将不断更新，测得的有关指标将会更接近岩石实际状况。151.1岩石的物理性质1.1.1岩石的密度1.1.2岩石的孔隙性1.1.3岩石的碎胀性和压实性1.1.4岩石的吸水性1.1.5岩石的透水性1.1.6岩石的软化性1.1.7岩石的膨胀性与崩解性1.1.8岩石的热学性质161.1岩石的物理性质用某种数值来描述岩石的某种物理性质，这些数值就是岩石的物理性质指标。在工程上常用到的物理性质指标有密度、视密度、孔隙性、碎胀性和压实性、吸水性、透水性、软化性、膨胀性和崩解性等等。

171.1岩石的物理性质为了测定这些指标，一般都采用岩样在室内作试验，必要时也可以在天然露头上或探洞(井)中进行现场试验。在选用岩样时应考虑到它们对所研究地质单元的代表性，并尽可能地保持其天然结构。最好采用同一岩样逐次地测定岩石的各种物理性质指标。下面分述各种物理性质指标。181.1.1岩石的密度岩石密度的大小取决于组成岩石的矿物密度，而与岩石的空隙和吸水多少无关。一般来说，岩石的密度接近于岩石矿物成分的密度。例如，硅质胶结的石英砂岩的密度接近于石英(SiO2)的密度，而石灰岩的密度接近于方解石(CaCO3)的密度。所以矿物的密度愈大，则岩石的密度也愈大。岩石的密度一般在左右，煤矿中常见岩石的密度见表3-1。20岩石的视密度

岩石的视密度是指单位体积的岩石(包括空隙)的质量，可表示为：式中，—岩石的密度，；—岩石实体的质量，kg；—岩石实体的体积，。

211.1.1岩石的密度天然视密度是指岩石在天然含水状态下的视密度；干视密度()是指岩石在105～110℃温度下干燥24h后的视密度；饱和视密度()是指岩石在吸水饱和状态下的视密度。231.1.1岩石的密度当岩石中能进入水的空隙不多时，岩石的三种视密度之间差值很小。实验室测定一般只提供干视密度指标，而且如果不说明含水状态时，通常即指干视密度。对于遇水易于膨胀的某些松软岩石，区分干视密度和饱和视密度有重要意义。24所谓岩石的容重应指单位体积(包括空隙体积)内岩石的质量所受的重力()。

应当指出，长期以来，在岩石力学文献中广泛地应用了岩石的容重这个术语，并常以符号表示（体积力）1.1.1岩石的密度26岩石的容重可在一定程度上反映出岩石的力学性质情况。通常，岩石的容重愈大，则它的性质就愈好，反之愈差。在图上绘有各种碳酸盐类岩石的单轴抗压强度与容重的相关关系。从图上可以看出，随着岩石容重的增加，极限抗压强度也相应地增大。1.1.1岩石的密度271.1.1岩石的密度281.1.2岩石的孔隙性岩石的孔隙率通常根据岩石的密度和干视密度经计算而求得，其关系式为301.1.2岩石的孔隙性有时，岩石的孔隙性也用孔隙比表示。孔隙比是指岩石中各种孔洞和裂隙体积的总和与岩石内固体部分实体积之比，可表示为：311.1.2岩石的孔隙性孔隙比与孔隙率之间有如下关系：岩石的孔隙性对岩石的其他性质也有显著影响。一般来说，孔隙率增大可使岩石的视密度和强度降低，同时使塑性变形和透水性增大。煤矿中常见岩石的孔隙率和孔隙比见表3-2。

321.1.2岩石的孔隙性孔隙率为开口孔隙率和封闭孔隙率，两者之和总称孔隙率。由于岩石的孔隙主要是由岩石内的粒间孔隙和熹微裂隙所构成，所以孔隙率是反映岩石致密程度和岩石质量的重要参数。33上图表示几种碳酸盐类岩石的孔隙率与极限抗压强度的相关关系。孔隙率愈大表示空隙和细微裂隙愈多，岩石的抗压强度随之降低。1.1.2岩石的孔隙性341.1.3岩石的碎张性和压实性

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351.1.3岩石的碎张性和压实性岩石的碎胀系数对矿压控制，尤其是对回采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。例如坚硬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3-3。36岩石破碎后，在其自重和外加载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。这种压实后的体积与破碎前原始体积之比，称为残余碎胀系数，常以表示，其值见表3-3。破碎岩石被压实的程度与岩石本身的物理力学性质、外加载荷大小及破碎后经历的时间长短有关。1.1.3岩石的碎张性和压实性37图3-1回采工作面后方矸石带的压实情况离煤壁距离，m如图3-1的例子表明，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的40～50%。1.1.3岩石的碎张性和压实性381.1.4岩石的吸水性

岩石的吸水性是指遇水不崩解的岩石在一定的试验条件下(规定的试样尺寸和试验压力)吸入水分的能力，通常以岩石的自然吸水率和强制吸水率表示。391.1.4岩石的吸水性岩石的自然吸水率是试件在大气压力作用下吸入水分的质量与试件的干质量之比。岩石的强制吸水率是试件在真空或加压(一般为15MPa)条件下吸入水分的质量与试件的干质量之比，它也称饱和吸水率。如果不专门指明，则岩石的吸水率即指自然吸水率。岩石的两种吸水率可表示为401.1.4岩石的吸水性岩石吸水率的大小，取决于岩石所含孔洞、裂隙的数量、大小及其张开程度，同时也受吸水率试验方法和时间因素的影响。一般随着试验时间增加，吸水率也会有所增大。在工程上往往用吸水率的大小来评价岩石的抗冻性能。当吸水率小于0.5%时，一般认为该岩石是耐冻的。由于吸水率能有效地反映岩石中孔隙的发育程度，因此它是评定岩石性质的一个重要指标。有关几种岩石的吸水率见表3-4。411.1.4岩石的吸水性岩石吸水能力大小，一般取决于岩石所含孔隙的多少以及孔隙和细微裂隙的连通情况。岩石中包含的孔隙和细微裂隙愈多，连通情况愈好，则岩石吸入的水量就愈多。因此有时也把岩石吸水率这项指标称为孔隙指数，用符号i表示。孔隙指数与岩石的种类和岩石的生成年代有关。42上图分别绘有砂岩和页岩的孔隙指数随地质年代不同而变化的情况。1.1.4岩石的吸水性431.1.4岩石的吸水性在工程上常用岩石吸水率作为判断岩石的抗冻性及风化程度的指标，并广泛地与其它物理力学特征值建立关系，例如图即表示纵波速度与吸水率之间的关系。从图中可以看出，随着岩石吸水率的增加，弹性波在介质中的传播速度cp相应地降低。441.1.5岩石的透水性

地下水存在于岩石的孔隙和裂隙中，而且大多数岩石的孔隙和裂隙是相互连通的。因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中通过(渗透)。这种岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性。岩石透水性的大小除了与地下水水头和岩体内的应力状态有关外，主要与岩石的孔隙率、孔隙大小及其连通程度有关。451.1.5岩石的透水性衡量岩石透水性的指标为渗透系数，其单位与速度相同。由达西定律可知()，单位时间内的渗水量Q与渗透面积A和水力坡度I有正比关系，其中的比例系数K就称为渗透系数。渗透系数一般是通过在钻孔中进行抽水试验或压水试验来测定。461.1.5岩石的透水性47不同岩石的透水性差别极大，对于某些岩石来说，即使是同一种类型的岩石，其透水性也可以在很大范围内变化。有关几种岩石的渗透系数见表3-5。这里应当特别强调岩石的渗透系数不仅与岩石及水的物理性质有关，而且有时与岩石的应力状态也有很大关系。1.1.5岩石的透水性481.1.6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。所谓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：491.1.6岩石的软化性岩石浸水后的软化程度，与岩石中亲水性矿物和易溶性矿物的含量、空隙发育的情况、水的化学成分、以及岩石浸水时间的长短等因素有关。亲水矿物和易溶矿物含量愈多，开口空隙愈发育，则岩石浸水后强度降低程度愈大。此外，岩石浸水时间愈长，其强度降低程度也愈大，如某些砂岩浸水3d后单向抗压强度降低32～35%，而浸水9d后降低51～59%。501.1.6岩石的软化性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顶板有重要意义。软化系数值愈接近于1，表示岩石的软化性愈小。表3-6为煤矿中几种常见岩石的软化系数值。由该表看出，各种岩石的软化系数都小于1，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。511.1.7岩石的膨胀性和崩解性

岩石的膨胀性和崩解性主要取决于其胶结程度及造岩矿物的亲水性，一般含有大量粘土矿物(如蒙脱石、高岭土和水云母等)的软岩遇水后极易产生膨胀和崩解。52岩石的膨胀性可用膨胀应力和膨胀率来表示。岩石与水进行物理化学反应后，随时间变化会产生体积增大现象，这时使试件体积保持不变所需要的压力称为岩石的膨胀应力，而增大后的体积与原体积的比率称为岩石的膨胀率。这些指标是在实验室内借助于膨胀应力测定仪和膨胀仪按规定的测定方法加以确定。1.1.7岩石的膨胀性和崩解性

53在试验过程中不断加压，使试样体积始终保持不变，所测得的最大应力就是岩石的最大膨胀力。然后，做逐级减压直至荷载退到零，测定其最大膨胀变形量，膨胀变形量与试样原始厚度的比值即为岩石的膨胀率。平衡加压法1.1.7岩石的膨胀性和崩解性

54岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联络引起的。常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。岩石的崩解性是用耐崩解性指数表示，它是指岩样在承受干燥和湿润两个标准循环之后，岩样对软化和崩解作用所表现出的抵抗能力。这个指数也可在实验室内借助耐崩解仪按有关规定。1.1.7岩石的膨胀性和崩解性

55图为试验所用的仪器装置。试验选用10块有代表性的岩石试样，每块质量约40-60g，磨去棱角使其近于球粒状。将试样放进带筛的圆筒内(筛眼直径为2mm)，在温度105℃下烘至恒重后称重，然后再将圆筒支承在水槽上，并向槽中注入蒸馏水，使水面达到低于圆筒轴20mm的位置用，20r/min的均匀速度转动圆筒，历时10min后取下圆筒作第二次烘干称重，这样就完成了一次于湿循环试验；重复上述试验步骤就可以完成多次干湿循环试验。规范建议以第二次干湿循环的数据作为计算耐崩解性指数的根据。1.1.7岩石的膨胀性和崩解性

561.1.8岩石的热学性质1．容热性岩石的容热性就是进行热交换时岩石吸收热量的能力。当传导给岩石的热量为Q，由此而引起的岩石温度升高为t时，则岩石的容热性可用使其温度升高1℃所需的热量来度量。通常采用岩石的比热和容积热容两项指标表示。571.1.8岩石的热学性质(1)比热：在不存在相转变条件下，为使单位质量岩石温度变化1时所需输入的热量。用符号C表示，单位为J／(g·℃)或cal/(g．℃)；．(2)容积热容：单位体积的岩石，在温度变化1℃时所需要的热量。用符号Cv表示，单位为J／m’·℃或则／(cm，·℃)．581.1.8岩石的热学性质比热和容积热容均表示岩石储热的能力，二者之间的关系可用Cv=ρC表示,式中ρ为岩石密度。岩石的比热大小决定于矿物成分及其含量，大多数的矿物比热介于0.5-1.0J/(g．℃)之间，尤其是以0.70-0.95J／(g．℃)