1巖石的性質(zhì)與分級(jí)

1、2022/8/131巖石的分類與性質(zhì)項(xiàng)目一 巖石的性質(zhì)與分級(jí)任 務(wù)1 :進(jìn)一步了解巖石的物理性質(zhì)任 務(wù)2 : 掌握巖石的力學(xué)特征任 務(wù)3 :掌握巖石分級(jí)和圍巖分類 崗位知識(shí):掌握巖石力學(xué)特征、分級(jí)與 圍 巖分類方法崗位能力:具有鑒別圍巖種類、對(duì)圍巖進(jìn)行分級(jí)和分類的初步能力重 點(diǎn):圍巖分類難 點(diǎn):鑒別巖石的種類課堂類型:理實(shí)一體教 具:巖石標(biāo)本 、顯微鏡、多媒體設(shè)備等任務(wù)1 復(fù)習(xí)巖石的物理性質(zhì)一、 概述 （一） 巖體的組成巖體是指地下工程較大范圍內(nèi)的巖石，它可由一種或幾種巖石組成。巖體內(nèi)存在的層理、節(jié)理、不規(guī)則裂紋等稱為結(jié)構(gòu)。在張口裂紋中，往往充填有水或其他礦物雜質(zhì)。因此，巖體也可以看作是由巖塊

2、組成的地質(zhì)體。黃山巖體一角層理節(jié)理裂紋任務(wù)1 復(fù)習(xí)巖石的物理性質(zhì)從煤礦采掘角度來(lái)看，巖體包括以下三部分：1.巖石：巖石是指顆粒間牢固聯(lián)結(jié)、呈整體或具有節(jié)理、裂隙，并由各種造巖礦物顆粒組成的集合體。巖石是組成整體地殼的自然材料巖石的特性，很大程度上取決于它的礦物成分 . 2.地下水：地下水充填于巖石的孔隙、層理、節(jié)理、裂隙、斷層甚至溶洞之中。不僅對(duì)井巷工程的設(shè)計(jì)方案、施工方法與工期有著密切的關(guān)系，而且若對(duì)地下水處理不當(dāng)，會(huì)發(fā)生工程事故。3.瓦斯任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)（二） 巖石的生成及結(jié)構(gòu)、構(gòu)造 1.巖石的生成:巖石按其生成原因不同，可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類。 沉積巖是在地表或近地

3、表的條件下形成的，它占據(jù)了地球表面的大部分面積。從分布來(lái)看，大陸表面70%以上是沉積巖蓋層 任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)一、火成巖稱巖漿巖火成巖根據(jù)巖漿冷卻條件的不同，又分為： 1.深成巖 深成巖是巖漿在地殼深處，在很大的覆蓋壓力下緩慢冷卻而成的巖石，其特性是：構(gòu)造致密，容重大，抗壓強(qiáng)度高，吸水率小，抗凍性好、耐磨性和耐久性好。例如，花崗巖、正長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、檄攬巖等。 2.噴出巖 噴出巖是熔融的巖漿噴出地表后，在壓力降低、迅速冷卻的條件下形成的巖石，如建筑上使用的玄武巖、安山巖等。當(dāng)噴出巖形成較厚的巖層時(shí)，其結(jié)構(gòu)致密特性近似深成巖，若形成的巖層較薄時(shí)，則形成的巖石常呈多孔結(jié)構(gòu)，近于火山巖

4、。 3.火山巖 火山巖又稱火山碎屑巖。是火山爆發(fā)時(shí)，巖漿被噴到空中，經(jīng)急速冷卻后落下而形成的碎屑巖石，如火山灰、浮石等?；鹕綆r都是輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)的材料，其中火山灰被大量用作水泥的混合材，而浮石可用作輕質(zhì)骨料，以配制輕骨料混凝土用作墻體材料。任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)二、沉積巖 稱水成巖沉積巖是由原來(lái)的母巖風(fēng)化后，經(jīng)過(guò)風(fēng)吹搬遷、流水沖移而沉積和再造巖等作用，在離地表不太深處形成的巖石。沉積巖為層狀構(gòu)造，其各層的成分、結(jié)構(gòu)、顏色、層厚等均不相同，與火成巖相比，其特性是：結(jié)構(gòu)致密性較差，容重較小，孔隙率及吸水率均較大，強(qiáng)度較低，耐久性也較差。 1.機(jī)械沉積巖 風(fēng)化后的巖石碎屑在流水、風(fēng)、冰川等作用下，

5、經(jīng)搬遷、沉積、固結(jié)(多為自然膠結(jié)物固結(jié))而成。如常用的砂巖、礫巖、火山凝灰?guī)r、粘土巖等。此外，還有砂、卵石等(未經(jīng)固結(jié))。 任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)2.化學(xué)沉積巖 由巖石風(fēng)化后溶于水而形成的溶液、膠體經(jīng)搬遷沉淀而成。如常用的石膏、菱鎂礦、某些石灰?guī)r等。 3.生物沉積巖 由海水或淡水中的生物殘骸沉積而成。常用約有石灰?guī)r、硅藻土等。沉積巖雖僅占地殼總質(zhì)量的5%，但在地球上分布極廣，約占地殼表面積的75%，加之藏于地表不太深處，故易于開(kāi)采。沉積巖用途廣泛，其中最重要的是石灰?guī)r。石灰?guī)r是燒制石灰和水泥的主要原料，更是配制普通混凝土的重要組成材料。石灰?guī)r也是修筑堤壩和鋪筑道路的原材料。任務(wù)1 了解巖石

6、的物理性質(zhì)三、變質(zhì)巖1.變質(zhì)巖是由原生的火成巖或沉積巖，經(jīng)過(guò)地殼內(nèi)部高溫、高壓等變化作用后而形成的巖石。沉積巖變質(zhì)后，性能變好，結(jié)構(gòu)變得致密，堅(jiān)實(shí)耐久，如石灰?guī)r(沉積巖)變質(zhì)為大理石；火成巖經(jīng)變質(zhì)后，性質(zhì)反而變差，如花崗巖(深成巖)變質(zhì)成的片麻巖，易產(chǎn)生分層剝落，使耐久性變差。 任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)2.巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 (1)巖石的結(jié)構(gòu)巖石的結(jié)構(gòu)是指決定巖石組織的各種特征的總合，即巖石中礦物顆粒的結(jié)晶程度.對(duì)于煤礦中常見(jiàn)的碎屑沉積巖來(lái)說(shuō)，根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)可分為以下幾種： 礫狀結(jié)構(gòu)：指粒徑大于2 mm的巖石碎屑膠結(jié)而成的碎屑結(jié)構(gòu)類型，如礫巖.任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì) 砂質(zhì)結(jié)構(gòu)：指粒徑變化在2

7、0.05 mm之間的碎屑結(jié)構(gòu)類型，如砂巖； 粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)：指粒徑變化在0.050.005 mm之間的碎屑結(jié)構(gòu)類型，如粉砂巖、頁(yè)巖等； 泥質(zhì)結(jié)構(gòu):指粒徑小于0.0039毫米的細(xì)碎屑含量大于50、并含有大量粘土礦物的沉積巖。又稱粘土巖，疏松的稱為粘土，固結(jié)的稱為頁(yè)巖和泥巖。泥質(zhì)巖是分布最廣的一類沉積巖如泥巖、粘土巖等。沉積巖，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)(2） 巖石的構(gòu)造。巖石的構(gòu)造是指巖石中礦物顆粒集合體之間，以及它與其他組成部分之間的排列方式和充填方式。常見(jiàn)的巖石構(gòu)造有下列三種： 整體構(gòu)造：巖石的顆?；ハ鄧?yán)密地緊貼在一起，沒(méi)有固定的排列方向； 多孔狀構(gòu)造：巖石顆粒彼此相接并不嚴(yán)密，顆粒之間

8、有許多小空隙(微孔)； 層狀構(gòu)造：巖石顆?；ハ嘟惶妫憩F(xiàn)出層次疊置現(xiàn)象(層理)。任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)二、 巖石的密度和表觀密度巖石的密度是指在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。巖石的密度按下式計(jì)算： m/V （1-1）式中巖石的密度，gcm3 ； m巖石在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g； V巖石在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的體積，指不包含巖石內(nèi)部孔隙的實(shí)體積，cm3。任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)巖石的表觀密度是指在自然狀態(tài)下，單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。 0m/V0 （1-2）式中0巖石的表觀密度，kgm3 ； m巖石在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量，kg； V0巖石在自然狀態(tài)下的體積，指包括實(shí)體積和孔隙體積在內(nèi)的體積，m3。

9、煤礦中常見(jiàn)巖石的密度和表觀密度見(jiàn)表1-1。表1-1煤礦中常見(jiàn)巖石的密度和表觀密度任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)三、巖石的空隙比巖石的空隙比是指巖石中各種孔隙、裂隙體積占巖石內(nèi)固體部分實(shí)體總體積的百分比。它反映巖石中孔隙和裂隙的發(fā)育程度，用P來(lái)表示 P(1-/)100 （1-3）四、 巖石的碎脹性和壓實(shí)性巖石的碎脹性是指巖石破碎以后的體積將比整體狀態(tài)下的體積增大的性質(zhì)。 V/ V0 （1-4）式中巖石的碎脹系數(shù)； V巖石破碎膨脹后的堆積體積，m3。任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)巖石破碎后，在其自重和外加載荷的作用下將逐漸壓實(shí)，體積隨之減小，這種壓實(shí)后的體積與破碎前原始體積之比，稱為殘余碎脹系數(shù)。殘余碎脹

10、系數(shù)反映破碎巖石被壓實(shí)的程度，它與巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)、外加載荷大小及破碎后經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。 五、 巖石與水有關(guān)的性質(zhì)（一） 巖石的水脹性和水解性巖石的水脹性是指軟巖遇水而膨脹的性質(zhì)，常以試件浸入水中后，厚度膨脹量與原始厚度之比作為水脹性指標(biāo)。巖石的水解性是指軟巖遇水崩解、破裂的性質(zhì)，將試樣浸入水中，崩解后剩余的試樣質(zhì)量與原始質(zhì)量之比可作為水解性指數(shù)。 任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)（二） 巖石的軟化性巖石的軟化性是指巖石浸水后的強(qiáng)度明顯降低的特征，用軟化系數(shù)來(lái)表示。 KRRb/Rg （1-5）式中KR巖石的軟化系數(shù)； Rb吸水飽和狀態(tài)下巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度，MPa； Rg巖石試件在干燥狀

11、態(tài)下的單向抗壓強(qiáng)度，MPa 。任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)六、 巖石的硬度和耐磨性巖石的硬度是指巖石表面抵抗其他較硬物體壓入或刻劃的能力。巖石的硬度常采用刻劃法測(cè)定，硬度越大，則其耐磨性越好，加工越困難。巖石的耐磨性是指巖石表面抵抗磨損的能力。巖石的耐磨性用磨損率來(lái)表示： N（m1-m2）/A （1-6)式中N巖石的磨損率，g/cm2； m1巖石磨損前的質(zhì)量，g； m2巖石磨損后的質(zhì)量，g； A巖石試件受磨面積，cm2。任務(wù)1 了解巖石的物理性質(zhì)一、 巖石的變形特性巖石受到外部載荷時(shí)首先發(fā)生變形，當(dāng)載荷增加超過(guò)極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致巖石破壞。所以巖石的變形和破壞是巖石在載荷作用下力學(xué)性質(zhì)變化過(guò)程中

12、的兩個(gè)階段。（一） 巖石的彈性和塑性巖石的彈性是指在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)取消外力后，能完全恢復(fù)到原形狀的性質(zhì)。巖石的塑性是指在外力作用下產(chǎn)生的變形，當(dāng)取消外力后，仍保持變形后的形狀和尺寸的性質(zhì)。這種不能恢復(fù)的永久變形，稱為塑性變形。塑性變形具有不可逆性。任務(wù)2 掌握巖石的力學(xué)特征（二） 巖石的流變性質(zhì)巖石的變形性與巖石類型、加載方式、載荷大小、巖石的物理狀態(tài)等因素有關(guān)。巖石的流變指巖石的應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間因素而變化的特性。 (1） 蠕變。在恒定載荷持續(xù)作用下，應(yīng)變隨時(shí)間變化而增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱蠕變。蠕變有兩種情況：一是當(dāng)巖石應(yīng)力較小時(shí)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，應(yīng)變能穩(wěn)定下來(lái)，不再增加，稱穩(wěn)定蠕變；二是當(dāng)巖石應(yīng)力

13、較大時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間變化而不斷增加，直至巖石破碎，稱不穩(wěn)定蠕變。 任務(wù)2 掌握巖石的力學(xué)特征(2） 后效彈性變形。巖石在彈性變形階段，卸載以后，有一部分變形立刻恢復(fù)，還有一部分變形不能立刻恢復(fù)，但是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間仍能完全恢復(fù)。 (3） 松弛。 在應(yīng)變保持一定的條件下，應(yīng)力將隨時(shí)間而逐漸減小的現(xiàn)象稱為松弛。研究巖石變形的松弛性質(zhì)可以更合理地選擇井下支護(hù)形式 任務(wù)2 掌握巖石的力學(xué)特征任務(wù)2 掌握巖石的力學(xué)特征二、 巖石的強(qiáng)度特性在載荷的作用下巖石變形，達(dá)到一定程度就會(huì)破壞。巖石發(fā)生破壞時(shí)所能承受的最大載荷叫極限載荷，用單位面積表示則稱為極限強(qiáng)度。對(duì)巷道面言，如圍巖強(qiáng)度小于所受應(yīng)力，則圍巖要破壞，可能

14、發(fā)生冒頂、片幫和底鼓等現(xiàn)象；如圍巖強(qiáng)度大于所受應(yīng)力，則巷道可不支護(hù)而長(zhǎng)期穩(wěn)定。影響巖石強(qiáng)度的因素：巖石性質(zhì)（巖石本身礦物成分、顆粒大小及膠結(jié)物的種類不同）、巖石的構(gòu)造特征、試件的幾何尺寸、巖石所處的物理狀態(tài)、加載速率和巖石的受力狀態(tài)等。任務(wù)2 掌握巖石的力學(xué)特征二、 巖石的強(qiáng)度特性（一） 巖石的抗壓強(qiáng)度巖石的抗壓強(qiáng)度：指巖石試件在壓縮時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力值。單向抗壓強(qiáng)度：巖石試件在單向壓縮時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力值。三向抗壓強(qiáng)度：巖石試件在三向壓應(yīng)力作用下所能承受的最大軸向應(yīng)力（或稱最大的主應(yīng)力任務(wù)2 掌握巖石的力學(xué)特征（二）巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度：巖石試件在拉伸時(shí)能承受的最大拉應(yīng)力值。

15、巖石的抗拉強(qiáng)度主要受其內(nèi)部因素的影響，如果組成巖石的礦物強(qiáng)度高、顆粒之間的聯(lián)接力強(qiáng)且空隙不發(fā)育，則其抗拉強(qiáng)度高。（三） 巖石的抗剪強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度：巖石抵抗剪切作用的能力，它也是反映巖石力學(xué)性質(zhì)的主要參數(shù)之一。任務(wù)2 掌握巖石的力學(xué)特征（四） 巖石各種強(qiáng)度之間的關(guān)系巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)下的各種強(qiáng)度值不同，一般符合下列順序：三向等壓抗壓強(qiáng)度三向不等壓抗壓強(qiáng)度雙向抗壓強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明，各種強(qiáng)度值有以下數(shù)量關(guān)系：抗拉強(qiáng)度/單向抗壓強(qiáng)度=1/51/38抗剪強(qiáng)度/單向抗壓強(qiáng)度=1/21/15針對(duì)巖石強(qiáng)度的特點(diǎn)，在破巖時(shí)應(yīng)使巖石單向或雙向受力處于拉伸或剪切的狀態(tài)，在井巷維護(hù)時(shí)應(yīng)使

16、巖石處于受壓狀態(tài)。任務(wù)2 掌握巖石的力學(xué)特征任務(wù)3 掌握巖石分級(jí)和圍巖分類分類的目的為了滿足巖體工程設(shè)計(jì)、施工和管理工作的需要，對(duì)巖石進(jìn)行分級(jí)和對(duì)圍巖進(jìn)行分類是十分必要的。對(duì)于采掘工程來(lái)說(shuō)，是以破碎巖石和維護(hù)圍巖穩(wěn)定為目的的，需要對(duì)巖石按其工程性質(zhì)加以量的區(qū)分，即巖石分級(jí)和圍巖分類。在采掘工程中，為了提高破巖效率，合理地選擇鉆眼爆破參數(shù)，對(duì)小范圍內(nèi)的巖石加以量的區(qū)分，稱為巖石分級(jí)；為了判定巷道周圍巖體的穩(wěn)定性并合理選擇支護(hù)類型，對(duì)較大范圍內(nèi)的巖體加以量的區(qū)分，稱為圍巖分類。我國(guó)煤礦普遍應(yīng)用的是以堅(jiān)固性為基礎(chǔ)的普氏巖石分級(jí)法和以圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的圍巖分類法。1、 普氏巖石分級(jí)法用巖石的堅(jiān)固性系數(shù)

17、來(lái)表示巖石被破壞的相對(duì)難易程度，用f表示, f稱為普氏系數(shù)。f值的計(jì)算，是用巖石的單向抗壓強(qiáng)度R（MPa）除以標(biāo)準(zhǔn)巖石的抗壓強(qiáng)度10（MPa）,即 fR/10 （1-8）堅(jiān)固性系數(shù)不同于巖石的硬度、強(qiáng)度、可鉆性和可爆性等指標(biāo)，它表示巖石在各種采礦作業(yè)(如鍬、鎬、鉆機(jī)、炸藥爆破等)以及地壓等外力作用下被破壞的相對(duì)難易程度。該方法是以巖塊的強(qiáng)度為基礎(chǔ)的，適用于巖石破碎方面的應(yīng)用。任務(wù)2 掌握巖石的力學(xué)特征普氏巖石分級(jí)法的分析：優(yōu)點(diǎn)是：指標(biāo)單一簡(jiǎn)便，分類方法簡(jiǎn)單易行，給設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)了方便，在我國(guó)礦山工程中得到應(yīng)用。存在的問(wèn)題是：只是反映了巖石開(kāi)挖的難易程度；由于定級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)是以巖塊強(qiáng)度為基礎(chǔ)的，不能

18、說(shuō)明巖體的穩(wěn)定性和完整性等特征，而決定巖體穩(wěn)定性的主要因素是巖體的完整性；由于分類等級(jí)較多，使用起來(lái)不很方便。一般來(lái)講，普氏巖石分級(jí)法對(duì)于松散巖體比較適用，而在堅(jiān)固的裂隙發(fā)育較少的巖體中因計(jì)算結(jié)果偏大則不適用。表1-6普氏巖石堅(jiān)固性系數(shù)分類表任務(wù)2 掌握巖石的力學(xué)特征二、 圍巖分類法（一） 煤礦錨噴支護(hù)巷道圍巖分類法因此，大多圍繞圍巖穩(wěn)定性來(lái)劃分，以選擇合理支護(hù)方式為目的。他們的共同特點(diǎn)是：不僅考慮了巖塊的強(qiáng)度，而且考慮了巖體的完整性，即地質(zhì)構(gòu)造的影響程度、節(jié)理和裂隙的發(fā)育程度、風(fēng)化程度、層狀巖層的層厚等。煤礦錨噴支護(hù)巷道的圍巖分類。根據(jù)錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)需要，結(jié)合煤礦巖體的特點(diǎn)，將圍巖劃分為五類 ，表1-7煤礦錨噴支護(hù)巷道圍巖分類表。（二）圍巖松動(dòng)圈分類法巷道開(kāi)挖后，由于受地壓作用和巖石性質(zhì)不同等多種因素（巷道斷面的形狀和大小、施工方法和