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1、1 岩石性质与工程分级岩石性质与工程分级引子引子:井巷施工最基本的工程井巷施工最基本的工程破岩与井巷维护破岩与井巷维护 为什么要了解岩石与岩体的物理力学性质？为什么要了解岩石与岩体的物理力学性质？ 为什么要对岩石进行工程分级？为什么要对岩石进行工程分级？11.1 概述概述 （1）岩岩石石：由由一一种种或或多多种种矿矿物物组组成成，每每种种矿矿物物都都有有一一定定的的内内部部结结构构和和比比较较固固定定的的化化学学成成分分 （2）岩石的性质：与它的矿物组成有关岩石的性质：与它的矿物组成有关 （3）岩石的结构与构造）岩石的结构与构造 a、岩岩石石的的结结构构：岩岩石石微微观观的的组组织织特特征征,
2、是是指指岩岩石石中中矿矿物物的的结结晶晶程程度度、颗颗粒粒大大小小、形形状状之之间间的的联联结结方式；方式； b、岩石的构造：岩石宏观的组织特征。、岩石的构造：岩石宏观的组织特征。2 （4）岩体：地下工程周围较大范围内的自然地质体）岩体：地下工程周围较大范围内的自然地质体 （5）弱弱面面：层层理理、节节理理、断断面面及及裂裂隙隙面面与与所所研研究究岩岩体的岩抉比较体的岩抉比较,具有强度低、易变形的特点具有强度低、易变形的特点,称为弱面称为弱面 （6）岩体与岩块的强度差异）岩体与岩块的强度差异：各向同性与各向异性：各向同性与各向异性 （7）表表土土：覆覆盖盖在在地地壳壳上上部部的的第第四四纪纪沉
3、沉积积物物,如如黄黄土土、粘土、流砂、淤泥、砾石的统称粘土、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）基岩：表土以下的固结性岩石统称为基岩 31.2 岩石的物理性质岩石的物理性质 *岩岩石石的的组组成成：由由固固体体、水水、空空气气三三相相组组成成,具具有有比比重重、 密度、重度等指标密度、重度等指标 （1）比比重重：岩岩石石固固体体实实体体积积的的质质量量与与同同体体积积水水的的质质量之比量之比 （不包含空隙）（不包含空隙） （2）密度：岩石单位体积）密度：岩石单位体积包括岩石内孔隙体积在包括岩石内孔隙体积在 内内的质量的质量 ，又称质量密度：，又称质量密度： a、
4、干密度：是单位体积岩石绝对干燥后的质量、干密度：是单位体积岩石绝对干燥后的质量 4 b、湿密度：是天然含水或饱和水状态下的密度，、湿密度：是天然含水或饱和水状态下的密度，（3）重度：指单位体积岩石所受的重力，又称）重度：指单位体积岩石所受的重力，又称重力密度重力密度 1.2.2 岩石的空隙性岩石的空隙性 （1）岩石的空隙性：指岩石的孔隙和裂隙的发育）岩石的空隙性：指岩石的孔隙和裂隙的发育程度，常用孔隙度程度，常用孔隙度n和孔隙比和孔隙比e来表示：来表示： a、孔隙度、孔隙度n：岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积：岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积之和与试件总体积之比；之和与试件总体积之比；5b、孔隙比
5、、孔隙比e：岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积总：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。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？为什么要研究岩石的空隙性？1.2.3 岩石的吸水率岩石的吸水率 （1）吸水率）吸水率w：岩石试件在大气压力下吸入水的：岩石试件在大气压力下吸入水的质量质量g与试件烘干质量与试件烘干质量G之比。之比。*表表11列出一些岩石的比重、密度等指标列出一些岩石的比重、密度等指标61.2.4 岩石的碎胀性岩石的碎胀性 （1）碎胀性：岩石破碎后因孔隙增多而总体积增大；）碎胀性：岩石破碎后因孔隙增多而总体积增大； （2）碎胀系数：岩石破碎后的总体积）
6、碎胀系数：岩石破碎后的总体积V1与原岩破与原岩破 碎前碎前体积体积V之比之比 *为什么要研究岩石的碎胀性？为什么要研究岩石的碎胀性？1.3 岩石的变形特征岩石的变形特征 *荷载（力）与应力：荷载（力）与应力： *变形与应变：变形与应变： *应力与应变：应力与应变：71.3.1.1 静荷载下岩石变形特征静荷载下岩石变形特征岩石在室温和大气压条件下单向压缩试验岩石在室温和大气压条件下单向压缩试验 曲线（曲线（图图11）OA段段：曲曲线线斜斜率率逐逐渐渐增增大大，称称为为裂裂隙隙压压密密闭闭合合阶阶度度AB段：段：曲线近似直线；称为曲线近似直线；称为“线弹性阶段线弹性阶段”，BC段段：曲曲线线的的斜
7、斜率率逐逐渐渐缩缩小小；称称为为“裂裂隙隙发发展展阶段阶段“，达到极限，达到极限CCD段段：（刚刚性性试试验验机机），应应力力随随应应变变而而下下降降，直直至至D。说明什么情况？。说明什么情况？CD曲曲线线的的存存在在说说明明岩岩石石在在达达到到极极限限强强度度以以后后，仍仍然然具具有有相当的承载能力。相当的承载能力。81.3.1.2 动载荷下岩石变形特征动载荷下岩石变形特征 * 动荷载动荷载外荷载不是常数，而是时间的函数，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，如如冲击凿岩和爆破落岩等，如图图12所示为凿岩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机活塞冲击钎尾时，
8、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零骤增到数线。从图可见，作用力在几十微秒内零骤增到数万牛顿，再经数百微秒重新下降到零。万牛顿，再经数百微秒重新下降到零。9*动荷载下岩石变形特征：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、在动荷载作用下，岩石变形不是整体的均匀变形变形;b、质点的运动速度也不是整体一致的。、质点的运动速度也不是整体一致的。“变形和速度变形和速度”都有一个传播的过程。都有一个传播的过程。*表表13列出了几种材料的密度、纵波波速及波阻列出了几种材料的密度、纵波波速及波阻抗值。抗值。101.3.2 岩石的强度特征岩石的强度特征 *岩石强
9、度岩石强度在外荷载作用下岩石抵抗破坏的能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。力，在静、动荷载作用下的强度是不同的。1.3.2.1 静荷载下岩石的强度性质（特征）静荷载下岩石的强度性质（特征） （1）静荷载下岩石大多表现为脆性破坏；）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；）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）不同受力状态下岩石的各种强度极限相差悬殊：悬殊： a、从荷载性质来看：、从荷载性质来看：单向抗压强度单向抗压强度单向抗单向抗剪强度剪强度单向抗弯强度单向抗弯强度单向抗拉强度；单向抗拉强度； b、从
10、应力状态来看：三向抗压强度、从应力状态来看：三向抗压强度双向抗双向抗压强度压强度单向抗压强度；单向抗压强度；11*瞬时强度瞬时强度岩石在动荷载作用下的强度，又叫动荷载强度；岩石在动荷载作用下的强度，又叫动荷载强度；*长时强度长时强度岩石在静荷载作用下的强度的强度，又叫做静荷岩石在静荷载作用下的强度的强度，又叫做静荷载强度；载强度； 表表15列出了几种岩石的动静荷载强度值。列出了几种岩石的动静荷载强度值。1.3.2.2 动荷载下岩石的强度特征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）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；续过
11、程，而非立即恢复到位；（2）岩石的动荷载强度（瞬时强度）大于静荷载强度（长时）岩石的动荷载强度（瞬时强度）大于静荷载强度（长时强度）。强度）。1.3.3 岩石的硬度岩石的硬度 * 硬度硬度抵抗他物侵入的能力抵抗他物侵入的能力 根据试验方式分：根据试验方式分：121.3.4 岩石的可钻性与可爆性岩石的可钻性与可爆性岩岩石石的的可可钻钻性性表表示示岩岩石石钻钻眼眼难难易易程程度度，是是岩岩石石的物理力学性质在钻眼条件下的总和反映；的物理力学性质在钻眼条件下的总和反映；岩岩石石的的可可爆爆性性表表示示岩岩石石爆爆破破难难易易程程度度，是是岩岩石石的物理力学性质在爆破条件下的总和反映。的物理力学性质在
12、爆破条件下的总和反映。岩岩石石的的可可钻钻性性和和可可爆爆性性度度量量常常用用工工艺艺性性指指标标来表示来表示131.4 岩石的工程分级岩石的工程分级 （p12）工程分级的目的工程分级的目的 以便能正确地进行工程设计，合理地选用施以便能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。定生产定额和材料消耗定额等。工程分级方法工程分级方法14 1）普氏分级法）普氏分级法 苏联苏联M.M.普罗托奇雅克诺夫于普罗托奇雅克诺夫于1926年提出用年提出用“坚固性坚固性”作为岩石工程分级的依据，即用一个综作为岩石工程分级
13、的依据，即用一个综合性指标合性指标“坚固性系数坚固性系数f”来表示岩石破坏的相对来表示岩石破坏的相对难易程度，难易程度，f值是用岩石的单行抗压强度值是用岩石的单行抗压强度Ra（Mpa）除以）除以10（Mpa）求得：）求得： 15 根据根据f值（普氏岩石坚固性系数）的大小，将岩石分为十级值（普氏岩石坚固性系数）的大小，将岩石分为十级共十五种（如共十五种（如表表16所示）所示）p13 * 级岩石级岩石（最坚固，如石英、玄武岩）（最坚固，如石英、玄武岩）普氏系数普氏系数f20 * 级岩石级岩石（中等坚固，如页岩）（中等坚固，如页岩）普氏系数普氏系数f34 * 级岩石级岩石（如无烟煤）（如无烟煤）普氏
14、系数普氏系数f2 * a级岩石级岩石（如坚固烟煤）（如坚固烟煤）普氏系数普氏系数f1.5 * 级岩石级岩石（如软的烟煤）（如软的烟煤）普氏系数普氏系数f1.0 * 级岩石级岩石（如采下的煤）（如采下的煤）普氏系数普氏系数f0.5162）中国煤炭部门围岩分类法：）中国煤炭部门围岩分类法： 根据井巷锚喷支护设计与施工需要，按照煤矿岩层的特点，根据井巷锚喷支护设计与施工需要，按照煤矿岩层的特点，分为五类。如分为五类。如表表17所示，所示，P1314类类 稳定岩层：完整、坚硬，层间胶结好，稳定岩层：完整、坚硬，层间胶结好，Rb60Mpa；类类 较稳定：完整、比较坚硬，层间胶结较好，较稳定：完整、比较坚
15、硬，层间胶结较好，Rb4060Mpa；类类 中等稳定中等稳定 ：完整、中硬，夹有软弱夹层：完整、中硬，夹有软弱夹层 Rb2040Mpa；类类 较不稳定较不稳定 ：较软的完整岩层：较软的完整岩层 Rb20Mpa；类类 不稳定不稳定 ：易风化潮解剥落的软岩和各类破碎岩层。：易风化潮解剥落的软岩和各类破碎岩层。17 3）岩石质量指标（）岩石质量指标（R.Q.D）分类：）分类： 钻探时将钻孔中直接获取的长度大于钻探时将钻孔中直接获取的长度大于10cm的坚硬完整岩芯的坚硬完整岩芯的累计长度，与钻孔总进尺之比，即，的累计长度，与钻孔总进尺之比，即， 具体分类指标如下：具体分类指标如下： 优质的优质的 R.
16、Q.D90100 良好的良好的 R.Q.D7590 好的好的 R.Q.D5075 差的差的R.Q.D 2550 很差的很差的 R.Q.D02518复习思考题复习思考题 （1）岩石与岩块的特点及其力学性质差异？）岩石与岩块的特点及其力学性质差异？ （2）岩石的碎胀性？在井巷工程实践中有何意义？）岩石的碎胀性？在井巷工程实践中有何意义？ （3）静荷载下岩石的变形特征？）静荷载下岩石的变形特征？ （4）动荷载下岩石的变形特征？）动荷载下岩石的变形特征？ （5）岩石在动荷载下的强度特征？）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？）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？）岩石工程分级的目的与意义？ （8）常用岩石工程分级方法？）常用岩石工程分级方法？返回首页19
