第一章岩石性质与工程分级1

随着世界经济的快速发展，全球能源需求的不断增加，煤炭在能源结构中30%，是全球经济发展的重要动力。我国是全球最大的煤炭消费国,能源消费结构中煤炭占70%(油气为20%,其它为10%)，2010年煤炭消费量达到31亿t,占全球消费总量的50%。据预测，2050年我国煤炭消费需求量将分别达到42亿t,仍将占居重要地位，具有不可替代性。因此，煤炭开采是关系到国家能源安全和国民经济持续发展的重要基础产业。第一章岩石的性质及工程分级岩体：指岩石工程周围较大范围内的自然地质体岩体=岩块+弱面（层理、节理、断层）第一节岩块、岩体和岩石1.岩块、岩体和岩石岩块：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指岩石材料。岩石：不分岩块与岩体时的泛称。岩块性质：矿物：矿物成分、颗粒大小、结构等；物理性质：密度、水理性、孔隙性等。强度：抗压强度、抗拉强度、剪切强度等；变形：弹性模量、泊松比；弱面性质弱面包括层理、节理、断层等。性质包括：剪切强度、方位、距离、硬度、张开度、充填性、风化性、粗糙性等岩石材料的性质对岩体性质影响很小，而弱面控制着岩体的性质例如：岩体压缩时，破坏是沿着已存在的弱面发生的；在拉伸时，由于弱面的存在，强度很小。2.岩体和一般建筑材料的比较常用建筑材料的特性岩体的特性连续的不连续的均质的非均质的各向同性的各向异性的线弹性的非线弹性的第二节岩石物理性质一.岩石的比重与密度1.相对密度（比重）：2.密度（容重）（kN/m3）：一般地，岩石容重越大，其力学性质越好。VGVGc1G--干燥岩石质量，VC-----实体岩石体积ρWV水的密度wcVGdρC岩石干密度，ρ岩石湿密度，G1岩石试件质量，V岩石试件体积二.岩石的孔隙性-----密度与强度降低，风化速度加快1.孔隙度（率）n2.孔隙比e影响强度及风化速度%1001wccdVVVn1cwccdVVVe1.吸水率2.透水性(Darcy定律)qx－沿x方向的流量；h－水头的高度；A－垂直于x方向的截面面积；k－渗透系数。（水库、地热、储存等）试件干质量量大气压力下吸入水的质吸水率Adxdhkqx三.岩石的水理性质-----孔隙量、大小、开闭及分布尺度、浸水时间地下水水头、应力场3.软化性Rcw－水饱和岩石的单向抗压强度；Rc－干燥岩石的单向抗压强度；4.膨胀性和崩解性1ccwcRR强度越大，软化系数越大膨胀压力治水四.岩石的碎胀性-----选用装载、运输、提升等设备原岩体积破碎后总体积碎胀系数岩石名称砂、砾岩砂质粘土中硬岩石坚硬岩石煤碎胀系数k1.05~1.21.2~1.251.3~1.51.5~2.51.2坚硬程度、块度大小、堆积排列情况第三节岩石力学性质试验所需的试件应该加工成标准的圆柱形，其高与直径之比应该介于2.0~3.0之间，试件的直径最好不要超过50mm。试件的直径应该至少是岩石最大颗粒直径的20倍。1.岩石的单轴压缩全应力—应变曲线单轴压缩试验设备静载岩石的变形特征（1）O-A段Ⅰ：裂隙压密闭合阶段，（2）A-B段Ⅱ：线弹性阶段，B点-屈服点（3）B-C段Ⅲ：破裂发展阶段，C点-极限抗压强度（4）C-D段Ⅳ、Ⅴ:软化阶段，为巷道支护作用阶段35.0~15.0125.0弹模值：E=20~50GPa，为软钢弹模（206GPa）的10~24%；泊松比：，理想塑性材料2.岩石在三轴压缩条件下的力学性质从应力状态看：三向抗压强度＞双向抗压强度＞单向抗压强度3.岩石的强度（P10）研究岩石的强度的意义⑴岩石的强度是各种岩石分类（级）中的重要数量指标。⑵作为强度(安全)准则，判别所计算或测定的岩土工程是否稳定.岩石的强度特征⑴多数情况下，岩石表现为脆性破坏（小于3％的应变）；⑵强度影响因素：成分、颗粒大小、胶结、生成条件、层理结构、孔隙度、温度、湿度、重度、风化程度、受力状态和时间。⑶在不同的应力状态下，岩石的各种强度极限不同，相差悬殊从荷载性质看：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≈10倍单向抗拉强度）。从应力状态看：三向抗压强度＞双向抗压强度＞单向抗压强度5、岩石的硬度静压入硬度----压入法，回弹硬度----物落法6、岩石的可钻性（钻头进尺、每米炮眼磨钝钻头数）7、岩石可爆性（单位体积岩石炸药消耗量）第四节岩体工程分类分级目的：评价围岩的稳定性，确定支护方案和支护参数，选择施工方法，进行施工预算。遵循的主要原则（1）分类形式要简单，含义要明确。（2）分类应具科学意义和实用价值。（3）分类指标不易过多并应容易获得。（4）分类表达出岩体的基本特性和影响岩体稳定性的主要因素。（5）分类方案应体现超前预报性，提前了解巷道开挖后围岩稳定状态。分类指标：（1）岩石强度：单轴抗压强度为岩体稳定性评价的重要指标。（2）结构面：组数、密度、产状、延展性、结构面内物质成分等。（3）水对岩体的影响：岩体遇水后可以发生泥化、崩解、碎裂，致使岩体膨胀并大大降低强度。（4）原岩地应力状态：对岩体稳定性影响最大的是最大主应力。在缺乏地应力资料时，可选用γH值。普罗托奇亚可夫于1926年提出：共划分为10级15种。表达形式简单，使用非常方便。因此1954年至1972年这一阶段，我国铁道、水电、冶金、煤炭、机械、建工、军工等部门都采用了普氏分类。存在问题：仅考虑的是岩石强度（单轴抗压强度），没有考虑岩体的完整性、岩体结构、弱面特征因素，不能完整地评价围岩的稳定性。1.普氏系数分类法10cf根据f值的大小，我国煤炭系统按岩石坚固性将煤岩分类为：软煤：f＝1～1.5硬煤：f＝2～3软岩：f＝2～3中硬岩：f＝4～6硬岩：f＝8～10坚硬岩石：f＝12～14最坚硬岩石：f＝15～202、RQD岩芯质量指标法美国伊利诺斯大学狄勒（Deere）在1964年形成该标准，但直到1967年才以出版的形式首次提出该概念。RQD是一修正的岩芯取出率，仅考虑长度大于100mm的完整岩芯。R.Q.D=（10cm以上岩芯累计长度/钻芯长度）×100%RQD指标在美国及欧洲有广泛应用，它是评估岩芯质量的简单、费用省并能再现的方法。尽管RQD是一简易的花费不多的标准，但由于它并不考虑不连续面的刚度、方向、连续性及充填材料的影响，因而不能单独提供对岩体的充分描述。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100岩石质量很差差一般好优秀（1）概念开巷后：（1）巷道周边应力集中；（2）围岩强度降低(三向应力状态→两向应力状态）（3）开挖扰动等围岩应力与围岩强度的关系发生变化（超过则破坏，等于为极限平衡，小于则稳定）；3.围岩松动圈分类法（中国矿大董房庭教授提出）（2）理论分析（3）松动圈声测方法及原理声测法测试围岩松动圈的物理基础，是各类岩石中声波速度不同，同种岩石则随破裂程度的增加，声速降低。（4）围岩松动圈分类围岩松动圈分类有三个突出优点：（1）绕过了地应力、围岩强度、结构面性质测定等困难问题，但又着重抓住了它们的影响结果，即松动圈是一个综合指标；（2）松动圈系实测所得，未在重要方面作任何假设；（3）松动圈大小很容易用声测法获得，确定支护参数时直观简单，现场应用十分方便。4.按围岩变形量分类陆士良教授根据围岩变形量的大小和维护的难易程度，将回采巷道围岩分为五类：巷道维护状况围岩平均变形速度，mm/d围岩变形量，mm容易中等困难极难＜11~22~4＞4＜200200~500500~1000＞1000中国煤炭科学研究院建井所段振西教授提出以围岩的变形量大小分类围岩的理论及方法5.按施工需要分类1988年，煤炭工业部根据全国58条试验巷道的地质特征、井巷开拓后围岩的稳定状态。共为五类：国家技术监督局与建设部于1995年联合发布《工程岩体分级标准》，适用于各类型岩石工程，计涵盖103个岩石工程案例。该分级标准主要以“岩体基本质量”代表岩体品质，并据此进行岩体优劣分级。主要考量岩石坚硬程度与完整程度两个基本因素，进行岩体基本质量定性特征分级描述，以及岩体基本质量指标－BQ值的计算，依此做为岩体初步分级基准。BQ＝90＋3Rc+250KVRc－岩石单轴饱和抗压强度，MPa；KV－岩体完整性指数＝（岩体弹性纵波速度/岩石弹性横波速度）26.《工程岩体分级标准》针对各类工程岩体特点，考虑其他环境条件下影响，对前阶段已获取的BQ值进行修正，获得岩体基本质量指标修正值－[BQ]值，并据此进行各类工程岩体之详细分级。[BQ]＝BQ－100×（K1+K2+K3）K1－地下水影响修正系数；K2－主要软弱结构面产状影响修正系数；K3－初始应力状态影响修正系数。岩体基本质量级别岩体基本质量的定性特征岩体基本质量指标BQ值或[BQ]值I坚硬岩：岩体完整＞550II坚硬岩，岩体较完整较坚硬岩，岩体完整550～451III坚硬岩，岩体较破碎较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整较软岩，岩体完整450～351Ⅳ坚硬岩，岩体破碎较坚硬岩，岩体较破碎～破碎较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎软岩，岩体完整至较完整350～251Ⅴ较软岩，岩体破碎软岩，岩体较破碎～破碎全部极软岩及全部极破碎岩＜250《工程岩体分级标准》将岩体分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等五级，并针对不同跨度地下工程，概述各级岩体稳定能力。本章思考题1．岩石、岩块、岩体的区别与联系。2．表示岩石物理性质的主要指标有哪些？各对岩体力学性质的有什么影响？3．什么是岩石的全应力－应变曲线？简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征？4．在三轴压缩条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？4．简述岩石的强度特征。5．如何得到岩石的坚固性系数f？什么是RQD分级法？6．根据围岩松动圈的大小，围岩可划分为几类？这种分级法有何优点？