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1、山东科技大学学生毕业设计（论文）1 第一篇 矿压测试技术正文第 1 章 岩石及岩体的基本性质1.1 岩石及其性质岩石是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成的。自然状态下的岩石，按其固体矿物的固体颗粒之间的组合特征，可分为固结性岩石、粘结性岩石、散粒状岩石和流动性岩石等。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，破碎后可以保持一定形状的岩石。煤矿中遇到的大多是固结性岩石。按岩石的力学强度和坚实性不同，常把矿山岩石分为坚硬岩石和松软岩石两类。实践中常把饱和状态下单向抗压强度大于 10Mpa 的岩石叫做坚硬岩石；而把低于该值的胶结岩石称为松软岩石。岩石的强度与岩石的结构和构造
2、有关。岩石的结构是指决定岩石组织的各种特征的总和，通常是指岩石中矿物颗粒的结晶程度，颗粒的大小、形状，颗粒之间连接特征，存在孔隙的情况以及胶结物的胶结类型。一般来说，组成岩石的物质颗粒越小，则该岩石的强度越大；颗粒均匀，岩石的力学性质也均匀。岩石的构造是指岩石矿物颗粒集合体之间，以及它与其他组成部分之间的排列方式和充填方式。常见的构造有整体构造、多孔状构造和层状构造等。山东科技大学学生毕业设计（论文）2 1.1.1 岩石的物理性质1.岩石的密度岩石的密度是指单位体积（包括孔隙体积）岩石的质量。根据试件含水状态的不同，岩石的密度分为天然密度、干密度和饱和密度。天然密度是岩石在含水状态下的密度。干
3、密度是试件在 105110烘箱内烘至恒重时的密度。饱和密度是试件在吸水饱和状态下的密度。干密度、饱和密度和天然密度的表达式如下:a=Ga Vsat=GsatV （1-1）=GV式中 Ga、 Gsat、G-分别是干燥岩石、水饱和岩石和天然含水状态下岩石的质量，g；a、 sat、-岩石的干密度、饱和密度和天然密度，g 3；V-岩石的体积， 3。通常不说明含水状态时，即指岩石的干密度。常见岩石的密度如表 1-1 所示。表 1-1 煤矿常见岩石的密度、孔隙率和孔隙比岩石种类 密度，g 3 孔隙率 n， % 孔隙比 e砂岩 22.6 330 0.0310.429页岩 22.4 1035 0.1111.5
4、38石灰岩 2.22.6 520 0.0530.25煤 1.21.4 2.岩石的孔隙性山东科技大学学生毕业设计（论文）3 岩石的孔隙性是反映岩石中孔隙和微裂隙发育程度的指标。岩石的孔隙率是指岩石中各种空隙、裂隙体积的总和与岩石总体积之比。其值按下式计算：n=(VVV)100(%) （1-2） 式中 n-岩石试件的孔隙率；VV-岩石中试件孔隙和裂隙体积的总和， 3；V-岩石试件总体积， 3。有时，岩石的孔隙性也用孔隙比表示。孔隙比是指岩石中孔隙和裂隙体积的总和与岩石固体部分实体积之比。其关系式如下：e= VVV S （1-3）式中 e-岩石试件的孔隙比；VS -岩石试件固体部分实体积， 3。 根
5、据试件中三相体的相互关系，孔隙比 e 与孔隙率 n 存在如下关系：e=n（1-n ） （1-4）1.岩石的膨胀性和压实性岩石破碎以后的体积比整体状态下增大，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破碎前处于整体状态下的体积之比来表示，改值称为碎胀系数。其关系式为：KP=V/V （1-5）式中 KP-岩石的碎胀系数；山东科技大学学生毕业设计（论文）4 V/-岩石破碎后处于松散状态下的体积， 3；V-岩石处于整体状态下的体积， 3。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。这种压实后体积与破碎前原体积之比，称为
6、残余碎胀系数，以 KP/表示。煤矿常见岩石的碎胀系数及残余碎胀系数见表 1-2。表 1-2 煤矿常见岩石的碎胀系数值岩石种类 碎胀系数 残余碎胀系数砂 1.061.15 1.011.03粘土 1.20 1.031.07碎煤 1.20 1.05粘土页岩 1.4 1.10砂质页岩 1.061.80 1.101.15硬砂岩 1.501.80 1.岩石的水理性质（1）岩石的吸水性。岩石的吸水性是指不崩解的岩石，在一定实验条件下（规定的实验尺寸和试验压力）吸入水分的能力，通常以岩石的在自然吸水率和强制吸水率表示。岩石的自然吸水率是指试件在大气压力作用下吸入水分质量与试件烘干质量之比。岩石的强制吸水率有时
7、也称为饱和吸水率，是试件在加压（150 个大气压）条件下吸入水分的质量与烘干质量之比。如果不专门说明，岩石的吸水率即指自然吸水率。两种吸水率可用下式表示：W=(GW/Ga)100%Wsat=(Gwg/Ga)100% （1-山东科技大学学生毕业设计（论文）5 6）式中 W、W sat-岩石的自然吸水率和强制吸水率；GW-岩石试件在大气压力下吸入水分的质量，Kg；Ga-岩石试件烘干后的质量， Kg；Gwg-岩石试件强制饱和吸水后的质量，Kg 。（2）岩石的透水性。地下水在水力坡度(压力差)下，岩石能被水透过的性质称为岩石的透水性。用渗透系数来表示岩石透水性能的大小。岩石的渗透系数大小取决于岩石的孔
8、隙的大小、数量和相互贯通情况。根据达西定律：Q=KAI （1-7）式中 Q-单位时间透水量；K-渗透系数；I-水力坡度（压力差） ；A-渗透面积。岩石的岩石的软化性。岩石进水后的强度明显降低，可用软化系数表示水分对强度的影响程度。软化系数是水饱和岩石试件的单向抗压强度与干燥岩石试件的单向抗压强度比值，其关系式如下：c=Rcw/Rc(1) （1-8）式中 Rcw-水饱和岩石试件的单向抗压强度；c-岩石的软化系数；Rc-干燥岩石试件的单向抗压强度。山东科技大学学生毕业设计（论文）6 1.1.2 岩石的变形性质1.岩石的弹性和塑性岩石受力后既可出现弹性变形，也可出现塑性变形。但岩石与一般固体材料不同
9、，它的弹性变形和塑性变形往往是同时出现的。例如，岩石在弹性变形阶段就已伴随有或多或少的塑性变形，甚至在刚开始出现的弹性变形时刻，便出现了塑性变形。因此岩石是兼有弹性和塑性的材料。2.岩石在单向压缩下的变形特性（1）脆性岩石的变形性质。图 1-1a 为脆性岩石的应力应变曲线。其特点是岩石在破坏前没有明显的塑性变形，总应变量也较小。通常把在外力作用下破坏前总应变小于 3%的岩石，叫做脆性岩石。可将图 1-1a 所示曲线分为三段： OA 段表示岩石受载初期，由于岩石中的各种空隙受压闭合，曲线出现上弯，OA 段称为岩石的压密阶段；AB段接近于直线，可近似地称为线弹性阶段，这时可以认为岩石处于弹性状态；
10、在 BC 段内，自 B 点开始岩石内部已有微破裂不断发生，到 C 点发生破坏，故 BC 段称为破裂发展阶段。C 点即为岩石的强度极限。山东科技大学学生毕业设计（论文）7 图 1-1a 是利用具有普通刚度的试验机所得的结果，岩石破碎时发出巨大的声响，岩石碎块强烈弹出，这就是一般所说的脆性破坏。如果采用刚度很大的材料试验机（常称为刚性试验机）加压就可以使原先呈炸裂性破坏的岩石试件平静的产生破坏，从而可以使实验继续进行下去，并得出应力应变全过程曲线（图 1-1b） 。它说明岩石应力达到最大值以后，并不立即完全丧失承载能力，而是要达到 D 点才完全破坏。 D 点称为完全破坏点，而该点保持的某一较小的应
11、力值称为残余强度。岩石具有残余强度的特性，对地下开采过程中合理地利用已经受到破坏的围岩（或煤体）的自承能力具有重要意义。（2）塑性岩石的变形性质。图 1-2 为塑性岩石的应力应变曲线。它的特点是岩石在破坏之前的应变量较大。通常把外力作用下破坏前总应变大于 5%的岩石叫做塑性岩石。由图 1-2 可知，塑性岩石应变曲线的斜率开始较陡，以后逐渐平缓。工程上把开始变缓的转折点称为屈服点，该点的应力值称为称为屈服极限sT。有时为方便起见，也将 OEF 曲线简化为 OEG 折线。认为岩石在达到屈服极限前处于近似弹性状态，而 sT 表示塑性流动开始。塑性岩石产生的塑性变形要比弹性变形大得多。山东科技大学学生
12、毕业设计（论文）8 3.岩石在三相压缩下的变形特性图 1-3a、b 为干砂岩和湿砂岩在常温和不同侧压（或称围压）三向压缩下的变形曲线。图中的纵坐标表示最大的主应力 s1（一般为垂直应力）与最小应力 s3（一般为侧向应力）之差，横坐标表示轴向应变实验室侧向应力 s2=s3。由图可知：（1）当岩石受三向压缩时。其应力应变的开始阶段，有一段近似于直线的关系，说明在主应力差值（s 1-s3）的峰值前不远的范围内，岩石属弹性变形。（2）岩石的脆性和塑性是相对的，在单向应力或较低的三向应力状态下表现为脆性的岩石，在三向高压应力状态下破坏前也表现出很大的塑性。（3）三向压缩时，随着侧向应力 s3 和主应力差
13、值（s 1-s3）的增加，强度极限（峰值）也随之增大。山东科技大学学生毕业设计（论文）9 （4）岩石在三向压缩条件下破坏以后，虽然其结构发生变化，但仍然保留一定的承载能力。这对于井下控制煤柱和岩体的稳定性很有实际意义。4.岩石的蠕变性在恒定荷载的持续作用下，应变随时间增长而变化的现象称为蠕变，表示这一特征的曲线，叫做蠕变曲线。图 1-4 是岩石的典型蠕变曲线。图1-4 是岩石的典型蠕变曲线。由图可知，在开始加载时，试件立即产生一个瞬时应变(图中 OA 段) ，由于这一段作用的时间极短，故可近似认为是弹性变形。在 AB 段，应变不断增加，但应变速率不断降低，故曲线呈下凹型，这个阶段的蠕变称为第一
14、阶段蠕变或短暂蠕变。在 BC 段，应变以稳定恒速增长，这个阶段的蠕变称为第二阶段蠕变或定常蠕变，且这个阶段的时间延续最长。在 CD 段，应变以加速增长，曲线呈上凹型，这个阶段的蠕变称为第三阶段蠕变或加速蠕变。当应变达到某数值 D 时，最终引起试件破坏。1.1.3 岩石的强度性质在载荷的作用下岩石变形达到一定程度就会破坏。岩石发生破坏时所能承受的最大荷载叫做极限荷载，用单位面积表示则称为极限强度。在不同应力条件下岩石有不同的极限强度，所以岩石的强度分为单向抗压强度、单向抗拉强度、抗剪强度以及三向抗压强度等。1.岩石的单向抗压强度岩石试件在单向压缩时所能承受的最大压应力值，称为岩石的单向抗压强度，通常用直径 5cm 和高径比为 2 的圆柱形试件，在压力机上以50100N/s 的速度加载，直到试件破坏，然后按下式计算：Rc=P/A （1-山东科技大学学生毕业设计（论文）10 9）式中 Rc-岩石试件的单向抗压强度，kPa；P-试件破坏时施加的荷载，kN；A-试件初始截面积，m 2。2.岩石的单向抗拉强度岩石试件在单向拉伸时所能承受的最大拉应
