井巷工程PPT課件-巖石的性質(zhì)及其工程分級VIP

1.巖石的性質(zhì)與工程分級,1.巖石性質(zhì)與工程分級,井巷施工基本過程：破巖形成空間維護(hù)1.1概述1.2巖石的物理性質(zhì)1.3巖石的力學(xué)性質(zhì)1.4巖石的工程分級,2,1.巖石性質(zhì)與工程分級,1.1概述影響巖石性質(zhì)的因素礦物結(jié)構(gòu)和構(gòu)造巖石、巖體和巖塊，弱面的影響，層理、節(jié)理、斷層和裂隙面。各向異性、非均質(zhì)性和不連續(xù)性。表土和基巖，煤系地層常見石灰?guī)r、砂巖、砂質(zhì)頁巖和頁巖等，局部巖漿巖。,3,1.2巖石物理性質(zhì),一、相對密度和密度相對密度：實體積（不包括空隙）質(zhì)量與同體積水之比。密度又可分為干、濕兩種密度。干指單位體積巖石絕對干燥時密度，濕天然含水或飽水狀態(tài)下密度重度指單位體積巖石所受的重力，又稱重力密度，用表示。,4,巖石物理性質(zhì),二、巖石的孔隙性巖石中裂隙和孔隙的發(fā)育程度，指標(biāo)為孔隙比和孔隙度?？紫抖龋焊鞣N裂隙、孔隙的體積總和與總體積V之比；孔隙比：各種裂隙、孔隙的體積總和與固體礦物顆粒體積Vc之比。常根據(jù)相對密度d和干密度c計算求得。,5,巖石物理性質(zhì),三、巖石的水理性質(zhì)吸水性：吸水率在大氣壓力下吸入水的質(zhì)量g與試件烘干質(zhì)量G之比值。透水性：巖石能被水透過的性能，指標(biāo)為滲透系數(shù)。溶蝕性：由于水的化學(xué)作用而把巖石中某些組成物質(zhì)帶走的現(xiàn)象。圍巖為石灰?guī)r的礦井中常見。軟化性：常用軟化系數(shù)來表示，水飽和巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度與干燥試件之比。膨脹性和崩解性：膨脹應(yīng)力和膨脹率、耐崩解指數(shù),6,巖石物理性質(zhì),四、巖石的碎脹性破碎以后的體積將比整體狀態(tài)下增大，碎脹系數(shù)表示，Tab1.4,7,1.3巖石的力學(xué)性質(zhì),8,巖石風(fēng)化程度,B,D,巖石的變形特征,C,巖石的強(qiáng)度特性,彈性模量E,泊松比,抗剪強(qiáng)度,彈性,塑性,脆性,（Elasticmodulus）,（Poissonsratio）,力學(xué)性質(zhì),單軸抗壓強(qiáng)度,單軸抗拉強(qiáng)度,一、巖石的變形特征,變形和破壞是巖石在荷載作用下的兩個發(fā)展階段。變形中包含著破壞的因素，而破壞是變形發(fā)展所致。(一)靜荷載下巖石的變形特征I0A段，曲線呈上凹型，這是原有裂隙和孔隙受壓后逐漸閉合所致，稱為裂隙壓密閉合階段。對于致密巖石這個階段很小甚至沒有。AB段，呈直線型，即斜率近似為常數(shù)，稱為線彈性階段。在I、段內(nèi)，如果卸除荷載，變形能完全恢復(fù)。B點應(yīng)力稱為彈性極限或屈服應(yīng)力，B點稱為屈服點。,9,(一)靜荷載下巖石的變形特征,BC段，呈下凹型，斜率逐漸減小，局部破損逐漸增大而導(dǎo)致巖石達(dá)到強(qiáng)度極限c點，稱為破裂發(fā)展階段。剛性試驗機(jī)，由于加載系統(tǒng)儲存的彈性能量大大減少和試驗機(jī)及時地減少荷載，則可以觀察到應(yīng)力應(yīng)變曲線第階段。如果在BC段內(nèi)任一點P卸載，曲線按PQ變化；重新加載，曲線按QR變化。PQR稱為塑性滯環(huán)。QS為彈性變形，卸載時可恢復(fù)；OQ為塑性變形，卸載時不能恢復(fù)。C點對應(yīng)的應(yīng)力稱為極限抗壓強(qiáng)度。,10,(一)靜荷載下巖石的變形特征,CD段，為軟化階段。仍保持一整體繼續(xù)抵抗荷載；直到D點才最終破裂；以后應(yīng)力基本不變而應(yīng)變無限增長。D點應(yīng)力為殘余強(qiáng)度。CD存在，說明在達(dá)到極限強(qiáng)度后，仍有承載能力。這符合一部分礦山工程的實際情況，如巷道圍巖多數(shù)平穩(wěn)地破裂，破裂后仍然具有一定的強(qiáng)度。因此，在巖體已經(jīng)開裂破壞而尚未垮落的情況下，如能采取措施制止或緩和巖體變形，則巖體破壞就會停止而仍然保持相當(dāng)大的承載能力。錨噴支護(hù)就是制止巖體變形的十分有效的措施。,11,(一)靜荷載下巖石的變形特征,巖石受單軸壓縮時，體積變化一般規(guī)律是在彈性階段體積減小而在塑性階段體積膨脹。通常將體積改變量v與原體積V的比值稱為體積應(yīng)變，也稱體積改變率。體積由減小到增大的轉(zhuǎn)折點大約處。塑性階段的體積膨脹稱為擴(kuò)容現(xiàn)象，主因為變形裂隙發(fā)展和張開。它對于研究巷道變形和圍巖對支護(hù)造成的壓力等問題有重要意義。巖石受載后變形很小即破裂的性質(zhì)稱為脆性。小于3為脆性，大于5為塑性，35為過渡狀態(tài)。,12,(一)靜荷載下巖石的變形特征,彈性、塑性和脆性隨受力狀態(tài)、加載速度、溫度等條件變化而變化。巖石在彈性和塑性變形中消耗能量，沖擊鑿巖和爆破不利。如果鑿巖沖擊功不大，彈性大的巖石會使釬桿在孔底跳動而影響鉆進(jìn)速度。爆破時，藥包爆炸能量中有相當(dāng)大的一部分要消耗在巖石的彈性震動上。相反，脆性較大時，變形所耗能量較小，對局部應(yīng)力敏感而易于沖擊破碎；脆性大易于爆破碎巖并適于選用高猛度炸藥。塑性顯著的巖石，對剪切應(yīng)力抵抗能力差，宜使用旋轉(zhuǎn)式鉆眼法破巖，并可選用低猛度、低靜力作用力炸藥。,13,(二)三向靜荷載下巖石變形特征,(1)彈性段與單軸壓縮下基本相同。這一特性具有重要意義，因為可以通過簡易的單軸試驗確定復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的彈性常數(shù)。(2)表現(xiàn)出明顯的塑性變形。(3)屈服極限、強(qiáng)度峰值和殘余強(qiáng)度都與圍壓大小成正變關(guān)系。(4)大部分巖石在一定的臨界圍壓下出現(xiàn)屈服平臺，呈現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象。(5)達(dá)到臨界圍壓以后繼續(xù)提高圍壓，不再出現(xiàn)峰值，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈單調(diào)增長趨勢。,14,(三)動荷載下巖石的變形特征,無論是沖擊式鑿巖機(jī)，爆破巖石，巖石承受是一種沖擊荷載。它是關(guān)于時間的函數(shù)。變形將引起質(zhì)點之間的應(yīng)力和應(yīng)變。這種應(yīng)力應(yīng)變的變化的傳播叫做應(yīng)力波或應(yīng)變波。,15,波的性質(zhì)與分類,16,勒夫波,瑞利波,縱波,橫波,根據(jù)波的傳播位置,體積波,表面波,在介質(zhì)內(nèi)部傳播的波,只沿介質(zhì)體的邊界面?zhèn)鞑サ牟?根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點振動方向,波,同擾動傳播方向垂直，又叫剪切波,同波的傳播方向一致，又叫壓縮波或拉伸播,介質(zhì)質(zhì)點沿橢圓形軌跡運(yùn)動,介質(zhì)體表面質(zhì)點在垂直于波的傳播方向成水平橫向振動,應(yīng)力波反射和透射（1）,17,(A)應(yīng)力波從交界面垂直入射,不產(chǎn)生波的反射。,有反射波，也有透射波,既有透射壓縮波，又有反射拉伸波。,疊加的結(jié)果使交界面處的應(yīng)力值為入射應(yīng)力波的兩倍，此交界面即為固定端。,縱波垂直入射,應(yīng)力波反射和透射（2）,18,(B)應(yīng)力波向交界面傾斜入射,縱波傾斜入射,二、巖石的強(qiáng)度特征,1靜荷載下巖石的強(qiáng)度性質(zhì)(1)在大多數(shù)情況表現(xiàn)為脆性破壞。(2)同一巖石的強(qiáng)度并非常數(shù)。影響因素很多。例如組成成分、顆粒大小、膠結(jié)情況、生成條件、層理構(gòu)造、孔隙度、溫度、濕度、重度、風(fēng)化程度、受力狀態(tài)和時間等。(3)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。,19,2.動荷載下巖石的強(qiáng)度性質(zhì),巖石承受靜荷載達(dá)到強(qiáng)度極限前，外荷載卸除后巖石可立即恢復(fù)到原來靜止?fàn)顟B(tài)。在動荷載作用下，雖然外荷載已解除，但巖石的質(zhì)點由運(yùn)動恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)還需要有一個持續(xù)過程。所以，巖石動荷載強(qiáng)度不同于靜荷載強(qiáng)度。在動荷載作用下，其強(qiáng)度的增加與加載速度有關(guān)。巖石在沖擊荷載作用下，無論是抗壓強(qiáng)度還是抗拉強(qiáng)度都比靜荷載作用下要大。,20,三、巖石的硬度,巖石的硬度，一般理解為巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力。硬度與抗壓強(qiáng)度既有聯(lián)系又有區(qū)別。對于鑿巖而言，巖石的硬度比巖石單向抗壓強(qiáng)度更具有實際意義，因為鉆具對孔底巖石的破碎方式多數(shù)情況下是局部壓碎。所以，硬度指標(biāo)更接近于反映鉆鑿巖石的實質(zhì)和難易程度。巖石硬度因試驗方式不同，有靜壓入硬度和回彈硬度兩類。,21,四、巖石的可鉆性和可爆性,用來表示鉆眼或爆破巖石的難易程度。常用工藝性指標(biāo)來表示。鉆速、鉆每米炮眼所需時間、鉆頭進(jìn)尺(釬頭在變鈍以前的進(jìn)尺數(shù))、鉆每米炮眼磨鈍釬頭數(shù)或破碎單位體積巖石消耗的能量等來表示可鉆性；采用爆破單位體積巖石所消耗的炸藥、爆破單位體積巖石所需炮眼長度或單位重量炸藥的爆破量、每米炮眼的爆破量等來表示巖石的可爆性。顯而易見，上述工藝性指標(biāo)，必須在相同條件下(除巖石條件外)來測定，才能進(jìn)行比較。,22,1.4巖石工程分級,（1）按成因可分巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。（2）按固體礦物顆粒間的結(jié)合特征，可分為固結(jié)性、粘結(jié)性、散粒狀和流動性巖石四大類。煤礦中多遇到固結(jié)性巖石，常見的有砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁巖、石灰?guī)r、泥巖等。（3）按巖石力學(xué)強(qiáng)度和堅實性，可分為堅硬巖石和松軟巖石。,23,普氏分級,1926年，MM普洛托古雅可諾夫(簡稱普氏)提出綜合性指標(biāo)“堅固性系數(shù)”f來劃分巖石等級。f值為巖石的單向抗壓強(qiáng)度R(MPa)除以10(MPa)，將巖石分為10級15種。Table1.7。簡明便于使用，在前蘇聯(lián)和一些東歐國家廣泛應(yīng)用；但沒有反映巖體的特征，巖石堅固性的各方面表現(xiàn)趨于一致的觀點對少數(shù)巖石也不適用，如在粘土中就是鉆眼容易爆破困難。,24,煤炭部門圍巖分類,煤炭部門根據(jù)錨噴支護(hù)設(shè)計和施工需要，按照煤礦巖層的特點制定