第一章岩石的性质及其工程分级

山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系绪论回顾背景知识（我国煤炭工业和井巷施工技术的发展）井巷工程的几个概念《井巷工程》课程简介山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系第1章岩石的性质及其工程分级井巷工程山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1岩石性质与工程分级引子井巷施工最基本的工作——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?如何在开挖和支护中利用岩石的强度？为什么要对岩石进行工程分级?山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系第1章岩石的性质及其工程分级1.1概述1.2岩石的物理性质1.3岩石的力学性质1.4岩石的工程分级习题山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.1概述（1）岩石——组成地壳的基本物质，由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律而形成的自然地质体，包括岩浆岩、沉积岩、变质岩。“两相”、“三相”。“最复杂的材料之一”岩石的性质：与其矿物组成有关，与结构、构造有关。（2）岩体——地下工程周围较大范围内的自然地质体。特点：非均质、各向异性、不连续、赋存地质因子。（3）岩块——从地壳中切取出来的小块体，不包含软弱面（岩体中的地质遗迹、层理、节理、断层、裂隙面），近似认为各向同性的连续介质山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.1概述（4）弱面：——层理、节理、断面及裂隙面与所研究岩体的岩块比较,具有强度低、易变形的特点,称为弱面。岩体与岩块的差异：岩体的强度小，岩块的强度大；岩块的各向同性与岩体的各向异性。岩石是不分岩块和岩体的泛称。（5）围岩——井巷附近受到扰动的岩体。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系岩块：山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系岩体山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系（6）表土：——覆盖在地壳上部的第三纪、第四纪沉积物,如黄土、粘土、流砂、淤泥、砾石的统称。（7）基岩：——表土以下的固结性岩石统称为基岩。（8）煤系地层：——煤层周围一定范围内的地层。多为沉积岩，如砂岩、灰岩、页岩、泥岩等。1.1概述山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系表土和基岩山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.2.1岩石的相对密度和密度1.2.2岩石的孔隙性1.2.3岩石的水理性质1.2.4岩石的碎胀性1.2岩石的物理性质山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1）相对密度(曾称比重)岩石的相对密度是指岩石固体实体积(不包括孔隙体积)的质量与同体积水的质量的比值。计算公式为：式中：d—岩石的相对密度(无量纲量);G—绝对干燥时体积为VC的岩石质量，g；VC—岩石固体实体积(不包括孔隙体积)，cm3；ρW—水的密度，g／cm3。1.2.1岩石的相对密度和密度WcVGd山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系2）密度ρ岩石单位体积〈包括岩石内孔隙体积在内〉的质量，又称质量密度ρ，具有干密度与湿密度之分。a干密度：是单位体积岩石绝对干燥后的质量。b湿密度：是天然含水或饱和水状态下的密度。3）重度（容重）γ：指单位体积岩石所受的重力，又称重力密度。γ=ρgVGcVG11.2.1岩石的相对密度和密度山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.2.2岩石的孔隙性岩石的孔隙性——是指岩石的孔隙和裂隙的发育程度，常用孔隙度（率）n和孔隙比e来表示。1）孔隙度n岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积之和与试件总体积之比。2）孔隙比e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。%100)1(111wCwCccCddVGGVVVVVVn11CWCCCdVVVVVe山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.2.2岩石的孔隙性3）孔隙度n和孔隙比e的关系een1nne14）孔隙性的作用——对岩石其它性质有显著影响，如：密度和强度；风化程度，透水性，力学强度等。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系吸水、透水、软化、溶蚀、膨胀、崩解。1）岩石的吸水率w：—岩石试件在大气压力下吸入水的质量g与试件烘干质量G之比。*表1-1列出一些岩石的比重、密度、孔隙比和吸水率等指标Ggw1.2.3岩石的水理性质山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.2.3岩石的水理性质2）岩石的软化性：岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数k表示。k定义为水饱和岩石试件的单向抗压强度(Rb)与干燥试件的单向抗压强度(Rc)的比值，即1bRcRk表1.2（7页）山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.2.4岩石的碎胀性（1）碎胀性：岩石破碎后因孔隙或裂隙增多而总体积增大的性质。（2）碎胀系数K：岩石破碎后的总体积V1与原岩破碎前整体状态下的体积V之比。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系（3）影响碎胀系数大小的因素岩石的物理性质、破碎后的块度大小及其排列状态。（4）残余碎胀系数K'—岩石破碎后经过压实的总体积V1'与原岩破碎前整体状态下的体积V之比。（5）碎胀系数的意义选择装岩、运输、提升设备；爆破空间大小；直接顶垮落后的高度。1.2.4岩石的碎胀性山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.2.4岩石的碎胀性（6）岩石的碎胀应变（体积应变）几种岩石的体积应变数据，见表1.4（第8页）vVV1Vv山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.3岩石的力学性质外载作用下：“变形”、“破坏”、“运动”。1.3.1岩石的变形特征1.3.2岩石的强度特征1.3.3岩石的硬度1.3.4岩石的可钻性与可爆性山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.3.1岩石的变形特征SPσld△ε＝Eσε*荷载（力）与应力：*变形与应变：*应力与应变：*刚度：FKσE或力学性能的几个关系：山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.3.1岩石的变形特征1）岩石的弹性和塑性岩石是兼有弹性和塑性的材料。岩石受力后既可能出现弹性变形，也可能出现塑性变形，而且弹性变形和塑性变形往往同时出现。岩石的弹性是指在力的作用下，岩石改变形状和体积，而卸载后能完全恢复其原始状态的性质。如煤化程度较高的煤、砂岩、砾岩、石灰岩都具有较好的弹性。塑性是指在力的作用下，岩石改变形状和体积，而卸载后仍保留残余变形的性质。如页岩、粘土岩塑性比较强。岩石的变形特性用岩石的弹性模量E、变形模量EB以及泊松比μ等参数来表示。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系表1-3几种岩石的弹性模量和泊松比山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系1.3.1岩石的变形特征2）岩石的脆性和流变性岩石的脆性是指岩石在破裂前几乎没有或仅有很短的塑性阶段。如煤化程度较高的煤、砂岩、石灰岩都具有脆性。流变：通常把随时间因素而变化的应力应变现象统称为流变。许多岩石有流变性，而不同岩石的流变性差异很大。流变性表现在蠕变和松弛两个方面。蠕变是在应力一定的条件下，变形随时间的持续而逐渐增长；松弛是在变形量一定的条件下，应力随时间的持续而逐渐减少。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系㈠静载荷下岩石的变形特征（单向压缩）1.3.1岩石的变形特征⑴应力应变曲线⑵体积应变⑶三种破坏形式山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系⑴应力应变曲线I—OA阶段裂隙压密闭合阶段Ⅱ—AB阶段线弹性阶段Ⅲ—BC段破裂发展阶段或称变形屈服阶段Ⅳ一CD段软化阶段山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系静荷载下岩石变形特征*一般岩石在室温和大气压条件下的单向压缩试验曲线（P9图1-1）a、Ⅰ—OA段：σ～ε曲线斜率逐渐增大；称为“裂隙压密闭合阶段”（变弹模）。b、Ⅱ—AB段：σ～ε曲线近似直线；称为“线弹性阶段”。c、Ⅲ—BC段：σ～ε曲线的斜率逐渐缩小；称为“破裂发展阶段”，达到极限C。d、Ⅳ—CD段：刚性试验机时可见σ～ε曲线上应力随应变而下降直至D，这说明了什么？*CD曲线的存在——说明岩石在达到极限强度后，仍然具有相当的承载能力。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系⑵体积应变—岩石的体积改变量ΔV与原体积V的比值,也称体积改变率。一般岩石具有在弹性阶段体积变小和塑性阶段体积增大的特点、转折点在附近。岩石在塑性阶段体积增大的性质称为扩容现象,对于研究巷道变形和围岩对支护造成的压力等问题有重要意义。图1.1（9页）VVv2cR山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系⑶三种破坏形式脆性破坏：永久变形或全变形小于3%者为脆性破坏。具有这种特性的岩石称为脆性岩石；塑性破坏：永久变形或全变形大于5%者塑性破坏。具有这种特性的岩石称为塑性岩石；过度状态：永久变形或全变形在3%到5%之间。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系(4)有围压作用时的岩石变形特性图1.2（10页）破坏前的应变增加；脆性塑性，出现硬化现象；变形模量和泊松比有一定程度提高。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系（二）动载荷下岩石变形特征*动荷载—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，如图1－2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。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系ΔL—质点扰动位移，CP—质点扰动的传播速度（波速），Δt—波的传播时间，CPΔt—在Δt时间内的变形范围。F⑵岩石在动荷载作用下的变形特征ΔL山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系*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变形；b质点的运动速度也不是整体一致的。“变形和速度”都有一个传播的过程。*表1－3列出了几种材料的密度、纵波波速及波阻抗值。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系表面波(勒夫波)：沿介质边界传播c；体积波：在介质内部传播，分为横波和纵波横波：介质振动方向和波的传播方向垂直，产生剪切变形b；纵波：质点振动方向和波的传播方向一致，产生压缩、拉伸变形a；瑞利波：质点运动轨迹为椭圆的波，为地震波的主要形式d⑶波的反射和透射山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系波阻抗ρcp—介质密度与纵波速度的乘积，它表示介质对应力波传播的阻尼作用。*表1－3列出了几种材料的密度、纵波波速及波阻抗值。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系岩石强度：—在外荷载作用下岩石抵抗破坏的能力（静、动荷载作用）。*瞬时强度—岩石在动荷载作用下的强度，又叫动荷载强度*长时强度—岩石在静荷载作用下的强度的强度，又叫做静荷载强度表1－5列出了几种岩石的动静荷载强度值1.3.2岩石的强度特征山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系（一）静荷载下岩石的强度特征（1）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。（3）不同受力状态下岩石的各种强度极限相差悬殊。a、从荷载性质来看：单向抗压强度单向抗剪强度单向抗弯强度单向抗拉强度；b、从应力状态来看：三向抗压强度双向抗压强度单向抗压强度；*部分岩石强度试验结果列于表1－4山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系381~51CtRR151~21CR3CtRR单向抗压强度RC、单向抗剪强度τ、单向抗拉强度Rt之间有下列关系：（一）静荷载下岩石的强度特征山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系（二）动荷载下岩石的强度特征动载：随着时间变化。（1）外部动荷载解除，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。（2）岩石的动荷载强度（瞬时强度）大于静荷载强度（长时强度）。（3）分析围岩稳定性时，静载强度；分析开挖问题时，动载强度。山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系山东科技大学资源与环境工程学院资源工程系（三）强度理论强度理论（强度准则）1）莫尔-库伦强度准则思想：在不同正应力和剪应力的组合下发生破坏图1.4