【采礦】巖石性質(zhì)及其工程分級(jí)

第一章巖石的性質(zhì)及其工程分級(jí)井巷工程2023/12/251第一章巖石的性質(zhì)及其工程分級(jí)第一節(jié)概述第二節(jié)巖石的物理性質(zhì)第三節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)第四節(jié)巖石的工程分級(jí)第一章習(xí)題2023/12/252第一節(jié)概述根本概念1.巖石2.巖塊3.巖體4.表土5.基巖組成地殼的根本物質(zhì)，由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律而構(gòu)成的自然地質(zhì)體，包括巖漿巖、堆積巖、蛻變巖。從地殼中切取出來(lái)的小塊體，不包含脆弱面〔巖體中的地質(zhì)遺址、層理、節(jié)理、斷層、裂隙面〕，近似以為各向同性的延續(xù)介質(zhì),。地下工程周?chē)^大范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體。從煤礦采掘工程角度：包括巖石、地下水、瓦斯。巖體的性質(zhì)復(fù)雜，是我們研討的主要對(duì)象。建井任務(wù)者把覆蓋在地殼上部的第四紀(jì)堆積物成為表土，也稱(chēng)為松散性巖石，如：黃土、流沙、粘土等。表土以下的固結(jié)性巖石稱(chēng)為基巖、巖漿巖、堆積巖、蛻變巖。2023/12/253巖塊：2023/12/254巖體2023/12/255表土和基巖2023/12/256第二節(jié)巖石的物理性質(zhì)一、巖石的相對(duì)密度、密度二、巖石的孔隙性三、巖石的水理性質(zhì)四、巖石的碎脹性2023/12/2571．相對(duì)密度(曾稱(chēng)比重)巖石的相對(duì)密度是指巖石固體實(shí)體積(不包括孔隙體積)的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量的比值。計(jì)算公式為：式中：d——巖石的相對(duì)密度(無(wú)量綱量);G—絕對(duì)枯燥時(shí)體積為VC的巖石質(zhì)量，g；VC—巖石固體實(shí)體積，cm3；ρW——水的密度，g／cm3。一、巖石的相對(duì)密度、密度

2023/12/2582．密度巖石單位體積(包括巖石內(nèi)孔隙體積)的質(zhì)量，稱(chēng)為巖石的密度，亦稱(chēng)質(zhì)量密度。兩種：干密度和濕密度。前者是單位體積巖石絕對(duì)干燥后的質(zhì)量，后者是天然含水或飽水形狀下的密度。

ρC——巖石的干密度，g／cm3；ρ——巖石的濕密度，g／cm3；G——巖石試件烘干后的質(zhì)量，g；G1——巖石試件的質(zhì)量(天然含水或飽水)，g；V——巖石試件的體積，cm3。3．重度(重力密度)單位體積巖石質(zhì)量所受的重力。γ=ρg式中：γ——巖石的重度，N／m3；ρ——巖石密度，kg／m3；g——重力加速度，9.8m／s2。2023/12/259二、巖石的孔隙性巖石的孔隙性是指巖石的孔隙和裂隙的發(fā)育程度，它通常用孔隙度n和孔隙比e來(lái)表示?？紫抖仁侵笌r石試件內(nèi)各種裂隙、孔隙的體積總和與試件總體積V之比(常以百分?jǐn)?shù)表示)，孔隙比是巖石試件內(nèi)各種裂隙、孔隙的體積總和與試件內(nèi)固體礦物顆粒體積Vc之比。2023/12/2510三、巖石的水理性質(zhì)1．巖石吸水率：W是指巖石試件在規(guī)范大氣壓下吸入水的質(zhì)量與試件烘干后質(zhì)量G之比值。表1-1為巖石密度、孔隙比及吸水率的目的。影響吸水率的要素：⑴巖石所含孔隙，裂隙的數(shù)量、大小、開(kāi)閉程度及其分布情況有關(guān)；⑵實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)闡明，整體巖石試件的吸水率要比同一巖石的碎塊試樣吸水率小，隨著吸水水時(shí)間的添加，吸水率也會(huì)有所增大。吸水率對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)有影響。2023/12/2511三、巖石的水理性質(zhì)2023/12/25122．巖石的透水性地下水存在于巖石的孔隙和裂隙之中，而且大多數(shù)巖石的孔隙和裂隙是相互貫穿的，因此，在一定水壓作用下，地下水可在巖石中浸透，這種巖石能被水透過(guò)的性質(zhì)，稱(chēng)為巖石的透水性。Q—滲水量;A—浸透面積；I—水力坡度; K-浸透系數(shù) 影響要素：地下水壓力、巖體應(yīng)力形狀、孔隙發(fā)育程度、連通程度等。表1-2為巖石浸透系數(shù)2023/12/2513三、巖石的水理性質(zhì)2023/12/25143．巖石的溶蝕性由于水的化學(xué)作用而把巖石中某些組成物質(zhì)帶走的景象稱(chēng)為巖石的溶濕性。導(dǎo)致巖石致密程度降低，孔隙度增大，強(qiáng)度降低,貴州761礦巷道中的鐘乳石、石筍。4．巖石的軟化性巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱(chēng)為軟化性，用軟化系數(shù)(ηc)表示。ηc定義為巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(Rcw)與干抗壓強(qiáng)度(Rc)的比值，即2023/12/25155．巖石的膨脹性和崩解性。⑴膨脹性：軟巖浸水后體積增大和呼應(yīng)的引起壓力增大的性質(zhì)，用膨脹應(yīng)力和膨脹率來(lái)表示。膨脹應(yīng)力：巖石與水進(jìn)展物理化學(xué)反響后，隨時(shí)間變化會(huì)產(chǎn)生體積增大的景象，這時(shí)，使試件體積堅(jiān)持不變所需求的壓力稱(chēng)膨脹應(yīng)力。膨脹率：巖石與水進(jìn)展物理化學(xué)反響增大后的體積與原體積的比率。⑵崩解性：軟巖浸水后發(fā)生解體的性質(zhì)。用耐崩解指數(shù)表示：巖石試件在接受枯燥和潮濕兩個(gè)規(guī)范循環(huán)后，巖樣對(duì)軟化和崩解表現(xiàn)出來(lái)的抵抗力。用耐崩解儀測(cè)定。2023/12/2516四、巖石的碎脹性巖石的碎脹性巖石破碎后因巖塊間空隙增多而總體積增大的性質(zhì)稱(chēng)為碎脹性。碎脹程度的大小可用碎脹系數(shù)表示。K—巖石的碎脹系數(shù)；V1—巖石破碎膨脹后的體積；V—巖石處于整體形狀下的體積。表1-4為常見(jiàn)巖石碎脹系數(shù)。2023/12/2517第三節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)一、巖石的變形特征二、巖石的強(qiáng)度特征三、巖石的硬度四、巖石的可鉆性和可爆性2023/12/2518㈠靜載荷下巖石的變形特征〔單向緊縮〕第三節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)一、巖石的變形特征㈡巖石在三向靜荷載緊縮條件下的變形特征㈢動(dòng)壓條件下巖石的變形特征2023/12/2519㈠靜載荷下巖石的變形特征〔單向緊縮〕一、巖石的變形特征⑴應(yīng)力應(yīng)變曲線⑵體積應(yīng)變,⑶三種破壞方式2023/12/2520⑴應(yīng)力應(yīng)變曲線I—OA階段裂隙壓密閉合階段Ⅱ—AB階段線彈性階段Ⅲ—BC段破裂開(kāi)展階段Ⅳ一CD，軟化階段2023/12/2521⑵體積應(yīng)變,巖石的體積改動(dòng)量ΔV與原體積V的比值,也稱(chēng)體積改動(dòng)率。普通巖石具有在彈性階段體積變小和塑性階段體積增大的特點(diǎn)、轉(zhuǎn)機(jī)點(diǎn)在附近。巖石在塑性階段體積增大的性質(zhì)稱(chēng)為擴(kuò)容景象,對(duì)于研究巷道變形和圍巖對(duì)支護(hù)呵斥的壓力等問(wèn)題有重要意義。2023/12/2522⑶三種破壞方式脆性破壞：永久變形或全變形小于3%者為脆性破壞。具有這種特性的巖石稱(chēng)為脆性巖石；塑性破壞：永久變形或全變形大于5%者塑性破壞。具有這種特性的巖石稱(chēng)為塑性巖石；過(guò)度形狀：永久變形或全變形在3%到5%之間。2023/12/2523〔二〕巖石在三向靜荷載緊縮條件下的變形特征真三軸實(shí)驗(yàn)1>2>3常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)1>2=32023/12/2524特點(diǎn)：⑴彈性段與單軸壓縮根本一樣；⑵巖石表現(xiàn)出明顯的塑性變形；⑶屈服極限，強(qiáng)度峰值、剩余強(qiáng)度與圍壓大小成正比；⑷大部分巖石在一定臨界圍壓下出現(xiàn)屈服平臺(tái)，呈塑性流動(dòng)景象；⑸到達(dá)臨界圍壓后，繼續(xù)提高圍壓，不在出現(xiàn)峰值，應(yīng)力—應(yīng)變出現(xiàn)單調(diào)增長(zhǎng)趨勢(shì)。2023/12/2525〔三〕動(dòng)壓條件下巖石的變形特征⑴動(dòng)荷載的特點(diǎn)⑵巖石在動(dòng)荷載作用下的變形特征⑶波的反射和投射2023/12/2526⑴動(dòng)荷載的特點(diǎn)2023/12/2527ΔL—質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)位移，CP—質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)的傳播速度〔波速〕，Δt—波的傳播時(shí)間，CPΔt—在Δt—時(shí)間內(nèi)變形范圍。F⑵巖石在動(dòng)荷載作用下的變形特征ΔL2023/12/2528外表波(勒夫波)：沿介質(zhì)邊境傳播c；體積波：在介質(zhì)內(nèi)部傳播，分為橫波和縱波橫波：介質(zhì)振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直，產(chǎn)生剪切變形b；縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波的傳播方向一致，產(chǎn)生緊縮、拉伸變形a；瑞利波：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓的波，為地震波的主要方式d⑶波的反射和投射2023/12/2529ρ—為介質(zhì)密度；ω—區(qū)段截面積；ρCP—為波阻抗。介質(zhì)密度和波速的乘積，表征介質(zhì)對(duì)于應(yīng)力波的阻尼作用。①當(dāng)ρ1CP1=ρ2CP2時(shí)，σr=0，σt=σi，不產(chǎn)生波的反射。②當(dāng)ρ2CP2>ρ1CP1時(shí)，σr>0，σt>0，闡明交界面上既有透射波、又有反射波。③當(dāng)ρ2CP2=0或ρ2CP2≤ρ1CP1時(shí)，即當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)的交界面為自在面時(shí)，σr=-σi，σt=0，疊加結(jié)果是交界面的應(yīng)力值為零。④當(dāng)ρ2CP2<ρ1CP1時(shí)，交界面既有透射緊縮波又有反射拉伸波，也能破碎巖石。為垂直反射系數(shù)為垂直透射系數(shù)AB介質(zhì)1ρ1，CP1σi，viσr，vr介質(zhì)2ρ2，CP2σt，vt2023/12/2530⑴大多數(shù)情況下，巖石表現(xiàn)為脆性破壞；⑵同種巖石強(qiáng)度并非常數(shù)；⑶不同受力情況下，巖石的極限強(qiáng)度相差懸殊。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>單向抗剪強(qiáng)度>單向抗彎強(qiáng)度>單向抗拉強(qiáng)度。單向抗壓強(qiáng)度RC、單向抗剪強(qiáng)度τ、單向抗拉強(qiáng)度Rt之間有以下關(guān)系：；；二、巖石的強(qiáng)度特征1．巖石在靜荷載作用下的強(qiáng)度2023/12/25312．動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)度2023/12/2532三、巖石的硬度巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的才干。1．靜壓入硬度：2．回彈高度以重物落于巖石外表后的回彈高度來(lái)表示。巖石越硬，回彈高度越大。常用肖氏硬度計(jì)和施米特錘來(lái)測(cè)定。施米特錘用來(lái)測(cè)定混凝土硬度，我國(guó)消費(fèi)的施米特錘叫回彈儀。巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的才干。硬度與強(qiáng)度又有區(qū)別。h2023/12/2533四、巖石的可鉆性和可爆性1．鑿碎比功：即破碎單位體積巖石所作的功．現(xiàn)以a表示,單位為J／厘米3。2．釬刃磨鈍寬：即巖石的磨蝕性，量出釬刃兩端向內(nèi)4㎜處的磨鈍寬度，以b表示，單位為㎜。目前，運(yùn)用便攜式巖石鑿測(cè)器，測(cè)定巖石的鑿碎比能和鑿480次后釬刃磨鈍的寬度鑿測(cè)器圖1-釬頭；2-承擊臺(tái)；3-銷(xiāo)釘；4-導(dǎo)向桿；5-落錘；6-卡套；7-轉(zhuǎn)動(dòng)手柄2023/12/2534、巖石工程分級(jí)的必要性第四節(jié)巖石的工程分級(jí)二、分級(jí)方法2023/12/2535、巖石工程分級(jí)的必要性：按成因不同，將巖石分為巖漿巖、堆積巖、蛻變巖三類(lèi)，對(duì)于采掘工程來(lái)說(shuō)，又要求要求對(duì)巖石進(jìn)展定量的區(qū)分，以便能正確地進(jìn)展工程設(shè)計(jì)，合理地選用施工方法、施工設(shè)備、機(jī)具與器材，準(zhǔn)確地制定消費(fèi)定額和材抖耗費(fèi)定額等。因此，提出了巖石工程分級(jí)與巖體工程分類(lèi)問(wèn)題。2023/12/2536二、分級(jí)方法ＲＣ—巖石單向抗壓強(qiáng)度，MPa；10—單位為MPa；普氏分級(jí)的優(yōu)點(diǎn)：普氏巖石分級(jí)法簡(jiǎn)明，便于運(yùn)用，因此多年來(lái)在蘇聯(lián)及一些東歐國(guó)家獲得廣泛運(yùn)用。缺陷：它沒(méi)有反映巖體的特征。關(guān)于巖石鞏固性正各方面表現(xiàn)趨于一致的觀念，對(duì)少數(shù)巖石也不適用，如粘土就鉆眼容易，而爆破困堆。1．普氏分級(jí)法：用一個(gè)綜合性的目的〞鞏固性系數(shù)f〞來(lái)表示巖石破壞的相對(duì)難易程度，通常稱(chēng)f為普氏巖石鞏固性系數(shù)。根據(jù)f的大小將巖石分為10級(jí)15種2023/12/2537巖石按鞏固性分級(jí)2023/12/25382．根據(jù)錨噴支護(hù)需求，按照煤礦巖層特點(diǎn)制定的圍巖分類(lèi)。2023/12/2539即鉆探時(shí)將鉆孔中直接