【采矿】岩石性质及其工程分级

第一章岩石的性质及其工程分级井巷工程2023/12/251第一章岩石的性质及其工程分级第一节概述第二节岩石的物理性质第三节岩石的力学性质第四节岩石的工程分级第一章习题2023/12/252第一节概述根本概念1.岩石2.岩块3.岩体4.表土5.基岩组成地壳的根本物质，由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律而构成的自然地质体，包括岩浆岩、堆积岩、蜕变岩。从地壳中切取出来的小块体，不包含脆弱面〔岩体中的地质遗址、层理、节理、断层、裂隙面〕，近似以为各向同性的延续介质,。地下工程周围较大范围内的自然地质体。从煤矿采掘工程角度：包括岩石、地下水、瓦斯。岩体的性质复杂，是我们研讨的主要对象。建井任务者把覆盖在地壳上部的第四纪堆积物成为表土，也称为松散性岩石，如：黄土、流沙、粘土等。表土以下的固结性岩石称为基岩、岩浆岩、堆积岩、蜕变岩。2023/12/253岩块：2023/12/254岩体2023/12/255表土和基岩2023/12/256第二节岩石的物理性质一、岩石的相对密度、密度二、岩石的孔隙性三、岩石的水理性质四、岩石的碎胀性2023/12/2571．相对密度(曾称比重)岩石的相对密度是指岩石固体实体积(不包括孔隙体积)的质量与同体积水的质量的比值。计算公式为：式中：d——岩石的相对密度(无量纲量);G—绝对枯燥时体积为VC的岩石质量，g；VC—岩石固体实体积，cm3；ρW——水的密度，g／cm3。一、岩石的相对密度、密度

2023/12/2582．密度岩石单位体积(包括岩石内孔隙体积)的质量，称为岩石的密度，亦称质量密度。两种：干密度和湿密度。前者是单位体积岩石绝对干燥后的质量，后者是天然含水或饱水形状下的密度。

ρC——岩石的干密度，g／cm3；ρ——岩石的湿密度，g／cm3；G——岩石试件烘干后的质量，g；G1——岩石试件的质量(天然含水或饱水)，g；V——岩石试件的体积，cm3。3．重度(重力密度)单位体积岩石质量所受的重力。γ=ρg式中：γ——岩石的重度，N／m3；ρ——岩石密度，kg／m3；g——重力加速度，9.8m／s2。2023/12/259二、岩石的孔隙性岩石的孔隙性是指岩石的孔隙和裂隙的发育程度，它通常用孔隙度n和孔隙比e来表示。孔隙度是指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与试件总体积V之比(常以百分数表示)，孔隙比是岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与试件内固体矿物颗粒体积Vc之比。2023/12/2510三、岩石的水理性质1．岩石吸水率：W是指岩石试件在规范大气压下吸入水的质量与试件烘干后质量G之比值。表1-1为岩石密度、孔隙比及吸水率的目的。影响吸水率的要素：⑴岩石所含孔隙，裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况有关；⑵实验条件，实验阐明，整体岩石试件的吸水率要比同一岩石的碎块试样吸水率小，随着吸水水时间的添加，吸水率也会有所增大。吸水率对岩石力学性质有影响。2023/12/2511三、岩石的水理性质2023/12/25122．岩石的透水性地下水存在于岩石的孔隙和裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙和裂隙是相互贯穿的，因此，在一定水压作用下，地下水可在岩石中浸透，这种岩石能被水透过的性质，称为岩石的透水性。Q—渗水量;A—浸透面积；I—水力坡度; K-浸透系数 影响要素：地下水压力、岩体应力形状、孔隙发育程度、连通程度等。表1-2为岩石浸透系数2023/12/2513三、岩石的水理性质2023/12/25143．岩石的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景象称为岩石的溶湿性。导致岩石致密程度降低，孔隙度增大，强度降低,贵州761矿巷道中的钟乳石、石笋。4．岩石的软化性岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数(ηc)表示。ηc定义为岩石试件的饱和抗压强度(Rcw)与干抗压强度(Rc)的比值，即2023/12/25155．岩石的膨胀性和崩解性。⑴膨胀性：软岩浸水后体积增大和呼应的引起压力增大的性质，用膨胀应力和膨胀率来表示。膨胀应力：岩石与水进展物理化学反响后，随时间变化会产生体积增大的景象，这时，使试件体积坚持不变所需求的压力称膨胀应力。膨胀率：岩石与水进展物理化学反响增大后的体积与原体积的比率。⑵崩解性：软岩浸水后发生解体的性质。用耐崩解指数表示：岩石试件在接受枯燥和潮湿两个规范循环后，岩样对软化和崩解表现出来的抵抗力。用耐崩解仪测定。2023/12/2516四、岩石的碎胀性岩石的碎胀性岩石破碎后因岩块间空隙增多而总体积增大的性质称为碎胀性。碎胀程度的大小可用碎胀系数表示。K—岩石的碎胀系数；V1—岩石破碎膨胀后的体积；V—岩石处于整体形状下的体积。表1-4为常见岩石碎胀系数。2023/12/2517第三节岩石的力学性质一、岩石的变形特征二、岩石的强度特征三、岩石的硬度四、岩石的可钻性和可爆性2023/12/2518㈠静载荷下岩石的变形特征〔单向紧缩〕第三节岩石的力学性质一、岩石的变形特征㈡岩石在三向静荷载紧缩条件下的变形特征㈢动压条件下岩石的变形特征2023/12/2519㈠静载荷下岩石的变形特征〔单向紧缩〕一、岩石的变形特征⑴应力应变曲线⑵体积应变,⑶三种破坏方式2023/12/2520⑴应力应变曲线I—OA阶段裂隙压密闭合阶段Ⅱ—AB阶段线弹性阶段Ⅲ—BC段破裂开展阶段Ⅳ一CD，软化阶段2023/12/2521⑵体积应变,岩石的体积改动量ΔV与原体积V的比值,也称体积改动率。普通岩石具有在弹性阶段体积变小和塑性阶段体积增大的特点、转机点在附近。岩石在塑性阶段体积增大的性质称为扩容景象,对于研究巷道变形和围岩对支护呵斥的压力等问题有重要意义。2023/12/2522⑶三种破坏方式脆性破坏：永久变形或全变形小于3%者为脆性破坏。具有这种特性的岩石称为脆性岩石；塑性破坏：永久变形或全变形大于5%者塑性破坏。具有这种特性的岩石称为塑性岩石；过度形状：永久变形或全变形在3%到5%之间。2023/12/2523〔二〕岩石在三向静荷载紧缩条件下的变形特征真三轴实验1>2>3常规三轴实验1>2=32023/12/2524特点：⑴弹性段与单轴压缩根本一样；⑵岩石表现出明显的塑性变形；⑶屈服极限，强度峰值、剩余强度与围压大小成正比；⑷大部分岩石在一定临界围压下出现屈服平台，呈塑性流动景象；⑸到达临界围压后，继续提高围压，不在出现峰值，应力—应变出现单调增长趋势。2023/12/2525〔三〕动压条件下岩石的变形特征⑴动荷载的特点⑵岩石在动荷载作用下的变形特征⑶波的反射和投射2023/12/2526⑴动荷载的特点2023/12/2527ΔL—质点扰动位移，CP—质点扰动的传播速度〔波速〕，Δt—波的传播时间，CPΔt—在Δt—时间内变形范围。F⑵岩石在动荷载作用下的变形特征ΔL2023/12/2528外表波(勒夫波)：沿介质边境传播c；体积波：在介质内部传播，分为横波和纵波横波：介质振动方向和波的传播方向垂直，产生剪切变形b；纵波：质点振动方向和波的传播方向一致，产生紧缩、拉伸变形a；瑞利波：质点运动轨迹为椭圆的波，为地震波的主要方式d⑶波的反射和投射2023/12/2529ρ—为介质密度；ω—区段截面积；ρCP—为波阻抗。介质密度和波速的乘积，表征介质对于应力波的阻尼作用。①当ρ1CP1=ρ2CP2时，σr=0，σt=σi，不产生波的反射。②当ρ2CP2>ρ1CP1时，σr>0，σt>0，阐明交界面上既有透射波、又有反射波。③当ρ2CP2=0或ρ2CP2≤ρ1CP1时，即当应力波到达的交界面为自在面时，σr=-σi，σt=0，叠加结果是交界面的应力值为零。④当ρ2CP2<ρ1CP1时，交界面既有透射紧缩波又有反射拉伸波，也能破碎岩石。为垂直反射系数为垂直透射系数AB介质1ρ1，CP1σi，viσr，vr介质2ρ2，CP2σt，vt2023/12/2530⑴大多数情况下，岩石表现为脆性破坏；⑵同种岩石强度并非常数；⑶不同受力情况下，岩石的极限强度相差悬殊。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。单向抗压强度RC、单向抗剪强度τ、单向抗拉强度Rt之间有以下关系：；；二、岩石的强度特征1．岩石在静荷载作用下的强度2023/12/25312．动荷载作用下的强度2023/12/2532三、岩石的硬度岩石的硬度是岩石抵抗其他较硬物体侵入的才干。1．静压入硬度：2．回弹高度以重物落于岩石外表后的回弹高度来表示。岩石越硬，回弹高度越大。常用肖氏硬度计和施米特锤来测定。施米特锤用来测定混凝土硬度，我国消费的施米特锤叫回弹仪。岩石的硬度是岩石抵抗其他较硬物体侵入的才干。硬度与强度又有区别。h2023/12/2533四、岩石的可钻性和可爆性1．凿碎比功：即破碎单位体积岩石所作的功．现以a表示,单位为J／厘米3。2．钎刃磨钝宽：即岩石的磨蚀性，量出钎刃两端向内4㎜处的磨钝宽度，以b表示，单位为㎜。目前，运用便携式岩石凿测器，测定岩石的凿碎比能和凿480次后钎刃磨钝的宽度凿测器图1-钎头；2-承击台；3-销钉；4-导向杆；5-落锤；6-卡套；7-转动手柄2023/12/2534、岩石工程分级的必要性第四节岩石的工程分级二、分级方法2023/12/2535、岩石工程分级的必要性：按成因不同，将岩石分为岩浆岩、堆积岩、蜕变岩三类，对于采掘工程来说，又要求要求对岩石进展定量的区分，以便能正确地进展工程设计，合理地选用施工方法、施工设备、机具与器材，准确地制定消费定额和材抖耗费定额等。因此，提出了岩石工程分级与岩体工程分类问题。2023/12/2536二、分级方法ＲＣ—岩石单向抗压强度，MPa；10—单位为MPa；普氏分级的优点：普氏岩石分级法简明，便于运用，因此多年来在苏联及一些东欧国家获得广泛运用。缺陷：它没有反映岩体的特征。关于岩石巩固性正各方面表现趋于一致的观念，对少数岩石也不适用，如粘土就钻眼容易，而爆破困堆。1．普氏分级法：用一个综合性的目的〞巩固性系数f〞来表示岩石破坏的相对难易程度，通常称f为普氏岩石巩固性系数。根据f的大小将岩石分为10级15种2023/12/2537岩石按巩固性分级2023/12/25382．根据锚喷支护需求，按照煤矿岩层特点制定的围岩分类。2023/12/2539即钻探时将钻孔中直接