井巷工程巖石性質(zhì)極其工程分級(jí)實(shí)用教案

1、12021-12-8第一章巖石(ynsh)的性質(zhì)及其工程分級(jí)第一節(jié) 概 述第二節(jié) 巖石(ynsh)的物理性質(zhì)第三節(jié) 巖石的力學(xué)(l xu)性質(zhì)第四節(jié)巖石的工程分級(jí)第一章 習(xí) 題第1頁/共41頁第一頁，共42頁。22021-12-8第一節(jié) 概述(i sh)基本概念 1. 巖石(ynsh) 2. 巖塊 3.巖體 4.表土(biot) 5.基巖 組成地殼的基本物質(zhì)，由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律而形成的自然地質(zhì)體，包括巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。從地殼中切取出來的小塊體，不包含軟弱面（巖體中的地質(zhì)遺跡、層理、節(jié)理、斷層、裂隙面,強(qiáng)度低，易變形），近似認(rèn)為各向同 性的連續(xù)介質(zhì),。地下工程周圍較大范圍內(nèi)

2、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，是我們研究的主要對(duì)象。 建井工作者把覆蓋在地殼上部的第四紀(jì)沉積物成為表土，也稱為松散性巖石，如：黃土、流沙、粘土等。表土以下的固結(jié)性巖石稱為基巖、巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。第2頁/共41頁第二頁，共42頁。32021-12-8巖塊：第3頁/共41頁第三頁，共42頁。42021-12-8巖體第4頁/共41頁第四頁，共42頁。52021-12-8表土(biot)和基巖第5頁/共41頁第五頁，共42頁。62021-12-8第二節(jié) 巖石(ynsh)的物理性質(zhì)一、巖石(ynsh)的相對(duì)密度、密度 二、巖石(ynsh)的孔隙性三、巖石

3、的水理性質(zhì)四、巖石的碎脹性第6頁/共41頁第六頁，共42頁。72021-12-8 1相對(duì)密度(曾稱比重) 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(zhling)與同體積水的質(zhì)量(zhling)的比值。 計(jì)算公式為： 式中： d巖石的相對(duì)密度(無量綱量); G絕對(duì)干燥時(shí)體積為VC的巖石質(zhì)量(zhling)，g； VC巖石固體實(shí)體積，cm3； W水的密度，gcm3。一、巖石的相對(duì)(xingdu)密度、密度WcVGd 第7頁/共41頁第七頁，共42頁。82021-12-8VGcVG12密度 巖石單位體積(包括巖石內(nèi)孔隙體積)的質(zhì)量，稱為巖石的密度，亦稱質(zhì)量密度。兩種：干密度和濕密度

4、。前者(qin zh)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狀態(tài)下的密度。 C巖石的干密度，gcm3；巖石的濕密度，gcm3；G巖石試件烘干后的質(zhì)量，g；G1巖石試件的質(zhì)量(天然(tinrn)含水或飽水) ，g；V巖石試件的體積，cm3。3重度(重力密度) 單位(dnwi)體積巖石質(zhì)量所受的重力。 =g 式中：巖石的重度，Nm3； 巖石密度，kgm3； g重力加速度，9.8ms2。第8頁/共41頁第八頁，共42頁。92021-12-8二、巖石(ynsh)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(tngchng)用孔隙度n和孔隙比e來表示。 孔隙度是指巖石試件內(nèi)

5、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。%100)1 (111wCwCCCCddVGGVVVVVVn11CWCCCdVVVVVe第9頁/共41頁第九頁，共42頁。102021-12-8三、巖石(ynsh)的水理性質(zhì)1巖石吸水率：W是指巖石試件在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 下吸入水的質(zhì)量與試件烘干后質(zhì)量G之比值(bzh)。表1-1為巖石密度、孔隙比及吸水率的指標(biāo)。GgW 影響吸水率的因素： 巖石所含孔隙，裂隙的數(shù)量、大小、開閉程度及其分布情況有關(guān)； 試驗(yàn)(shyn)條件，試驗(yàn)(shyn)表明，整體巖石試件的吸水

6、率要比同一巖石的碎塊試樣吸水率小，隨著吸水水時(shí)間的增加，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。 第10頁/共41頁第十頁，共42頁。112021-12-8三、巖石(ynsh)的水理性質(zhì)第11頁/共41頁第十一頁，共42頁。122021-12-82巖石的透水性 地下水存在于巖石的孔隙(kngx)和裂隙之中，而且大多數(shù)巖石的孔隙(kngx)和裂隙是相互貫通的，因而，在一定水壓作用 下，地下水可在巖石中滲透，這種巖石能被水透過的性質(zhì)，稱為巖石的透水性。AIQK Q滲水量;A滲透面積(min j)；I水力坡度; K-滲透系數(shù)影響因素：地下水壓力(yl)、巖體應(yīng)力狀態(tài)、孔隙發(fā)育程度、連通程度等

7、。 表1-2為巖石滲透系數(shù)第12頁/共41頁第十二頁，共42頁。132021-12-8三、巖石(ynsh)的水理性質(zhì)第13頁/共41頁第十三頁，共42頁。142021-12-8 3巖石的溶蝕性 由于(yuy)水的化學(xué)作用而把巖石中某些組成物質(zhì)帶走的現(xiàn)象稱為巖石的溶濕性。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(qingd)降低的性質(zhì)，稱為軟化性，用軟化系數(shù)(c)表示。c定義為巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(qingd)(Rcw)與干抗壓強(qiáng)度(qingd)(Rc)的比值，即1RcRcwc第14頁/共41頁第十四頁，共42頁。152

8、021-12-85巖石的膨脹性和崩解性。膨脹性：軟巖浸水(jn shu)后體積增大和響應(yīng)的引起壓力增大的性質(zhì)，用膨脹應(yīng)力和膨脹率來表示。膨脹應(yīng)力：巖石與水進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)后，隨時(shí)間變化會(huì)產(chǎn)生體積增大的現(xiàn)象，這時(shí)，使試件體積保持不變所需要的壓力稱膨脹應(yīng)力。膨脹率：巖石與水進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)增大后的體積與原體積的比率。 崩解性：軟巖浸水后發(fā)生解體的性質(zhì)。用耐崩解指數(shù)(zhsh)表示：巖石試件在承受干燥和濕潤兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，巖樣對(duì)軟化和崩解表現(xiàn)出來的抵抗力。用耐崩解儀測定。第15頁/共41頁第十五頁，共42頁。162021-12-8四、巖石(ynsh)的碎脹性 巖石的碎脹性 巖石破碎后因巖塊間空隙增多

9、而總體積增大的性質(zhì)稱為(chn wi)碎脹性。碎脹程度的大小可用碎脹系數(shù)表示。VVK1K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(zhngt)狀態(tài)下的體積。表1-4為常見巖石碎脹系數(shù)。第16頁/共41頁第十六頁，共42頁。172021-12-8第三節(jié) 巖石(ynsh)的力學(xué)性質(zhì)一、巖石的變形(bin xng)特征二、巖石的強(qiáng)度(qingd)特征三、巖石的硬度 四、巖石的可鉆性和可爆性第17頁/共41頁第十七頁，共42頁。182021-12-8靜載荷下巖石的變形特征（單向(dn xin)壓縮）第三節(jié) 巖石的力學(xué)(l xu)性質(zhì)一、巖石的變形(bin xng)特征巖石在三向靜荷載壓

10、縮條件下的變形特征動(dòng)壓條件下巖石的變形特征第18頁/共41頁第十八頁，共42頁。192021-12-8靜載荷下巖石的變形特征(tzhng)（單向壓縮）一、巖石(ynsh)的變形特征應(yīng)力應(yīng)變(yngbin)曲線 體積應(yīng)變, 三種破壞形式 第19頁/共41頁第十九頁，共42頁。202021-12-8應(yīng)力(yngl)應(yīng)變曲線IOA階段裂隙(li x)壓密閉合階段 AB階段(jidun)線彈性階段(jidun) BC段破裂發(fā)展階段 一CD，軟化階段 第20頁/共41頁第二十頁，共42頁。212021-12-8 體積(tj)應(yīng)變,巖石的體積(tj)改變量V與原體積(tj) V的比值,也稱體積(tj)改變

11、率。zyxv 一般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)折點(diǎn)在附近。 巖石在塑性階段體積增大的性質(zhì)稱為擴(kuò)容現(xiàn)象,對(duì)于研究巷道變形和圍巖對(duì)支護(hù)造成的壓力(yl)等問題有重要意義。2cR第21頁/共41頁第二十一頁，共42頁。222021-12-8三種(sn zhn)破壞形式脆性(cuxng)破壞：永久變形或全變形小于3%者為脆性(cuxng)破壞。具有這種特性的巖石稱為脆性(cuxng)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為塑性巖石；過度狀態(tài)：永久變形或全變形在3%到5%之間。 第22頁/共41頁第二十二頁，共42頁。232021-12-8（二

12、）巖石(ynsh)在三向靜荷載壓縮條件下的變形特征真三軸試驗(yàn)(shyn) 123 常規(guī)(chnggu)三軸試驗(yàn) 12=3 第23頁/共41頁第二十三頁，共42頁。242021-12-8特點(diǎn)：彈性段與單軸壓縮基本相同；巖石表現(xiàn)出明顯的塑性變形；屈服極限，強(qiáng)度峰值、殘余強(qiáng)度與圍壓大小 成正 比；大部分巖石在一定臨界圍壓下出現(xiàn)(chxin)屈服平臺(tái)，呈塑性流動(dòng)現(xiàn)象；達(dá)到臨界圍壓后，繼續(xù)提高圍壓，不在出現(xiàn)(chxin)峰值，應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)(chxin)單調(diào)增長趨勢。 第24頁/共41頁第二十四頁，共42頁。252021-12-8（三）動(dòng)壓條件(tiojin)下巖石的變形特征動(dòng)荷載(hzi)的特點(diǎn)巖石(y

13、nsh)在動(dòng)荷載作用下的變形特征波的反射和投射 第25頁/共41頁第二十五頁，共42頁。262021-12-8動(dòng)荷載(hzi)的特點(diǎn)第26頁/共41頁第二十六頁，共42頁。272021-12-8 L質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)位移，CP質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)的傳播速度（波速），t波的傳播時(shí)間，CPt在t時(shí)間內(nèi)變形(bin xng)范圍。 F巖石在動(dòng)荷載(hzi)作用下的變形特征 L第27頁/共41頁第二十七頁，共42頁。282021-12-8表面波(勒夫波) ：沿介質(zhì)邊界傳播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(chuzh)，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)生壓

14、縮、拉伸變形a；瑞利波：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓的波，為地震波的主要形式 d波的反射(fnsh)和投射第28頁/共41頁第二十八頁，共42頁。292021-12-8pPVCp為介質(zhì)密度；區(qū)段截面積；CP為波阻抗。介質(zhì)密度和波速的乘積，表征介質(zhì)對(duì)于(duy)應(yīng)力波的阻尼作用。 當(dāng)1CP1=2CP2時(shí)，r=0，t=i，不產(chǎn)生(chnshng)波的反射。 當(dāng)2CP21CP1時(shí)，r0，t0，說明交界面上既有透射(tu sh)波、又有反射波。 當(dāng)2CP2=0或2CP21CP1時(shí)，即當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)的交界面為自由面時(shí)，r=-i，t=0，疊加結(jié)果是交界面的應(yīng)力值為零。 當(dāng)2CP2三向不等壓抗壓強(qiáng)度雙向抗壓強(qiáng)度單向抗壓

15、強(qiáng)度單向抗剪強(qiáng)度單向抗彎強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度。38151CtRR15121CR3CtRR 單向抗壓強(qiáng)度RC、單向抗剪強(qiáng)度、單向抗拉強(qiáng)度Rt之間有下列(xili)關(guān)系：；二、巖石的強(qiáng)度(qingd)特征1巖石在靜荷載作用下的強(qiáng)度 第30頁/共41頁第三十頁，共42頁。312021-12-82動(dòng)荷載(hzi)作用下的強(qiáng)度 第31頁/共41頁第三十一頁，共42頁。322021-12-8三、巖石(ynsh)的硬度巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入(qnr)的能力。 1靜壓入硬度(yngd)： 2回彈高度 以重物落于巖石表面后的回彈高度來表示。巖石越 硬，回彈高度越大。常用肖氏硬度計(jì)和施米特錘來測定。施米

16、特錘用來測定混凝土硬度，我國生產(chǎn)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能力。硬度與強(qiáng)度又有區(qū)別。 h第32頁/共41頁第三十二頁，共42頁。332021-12-8四、巖石(ynsh)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(lin dun)向內(nèi)4處的磨鈍寬度，以b表示，單位為。 目前，使用便攜式巖石鑿測器，測定巖石的鑿碎比能和鑿480次后 釬刃磨鈍的寬度 鑿測器圖1-釬頭；2-承擊臺(tái)；3-銷釘；4-導(dǎo)向(do xin)桿；5-落錘；6-卡套；7-轉(zhuǎn)動(dòng)手柄 第33頁/共41頁第三十三頁，共

17、42頁。342021-12-8、巖石(ynsh)工程分級(jí)的必要性第四節(jié)巖石的工程(gngchng)分級(jí)二、分級(jí)(fn j)方法第34頁/共41頁第三十四頁，共42頁。352021-12-8、巖石(ynsh)工程分級(jí)的必要性： 按成因不同，將巖石分為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖三類，對(duì)于采掘工程(gngchng)來說，又要求要求對(duì)巖石進(jìn)行定量的區(qū)分，以便能正確地進(jìn)行工程(gngchng)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)確地制定生產(chǎn)定額和材抖消耗定額等。因此，提出了巖石工程(gngchng)分級(jí)與巖體工程(gngchng)分類問題。第35頁/共41頁第三十五頁，共42頁。362021-

18、12-8二、分級(jí)(fn j)方法10CRf 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)法簡明，便于使用，因而多年來在蘇聯(lián)及一些東歐國家獲得廣泛應(yīng)用。 缺點(diǎn)：它沒有反映巖體的特征。關(guān)于巖石堅(jiān)固性正各方面表現(xiàn)趨于一致的觀點(diǎn)，對(duì)少數(shù)巖石也不適用(shyng)，如粘土就鉆眼容易，而爆破困堆。1普氏分級(jí)(fn j)法： 用一個(gè)綜合性的指標(biāo)” 堅(jiān)固性系數(shù)f”來表示巖石破壞的相對(duì)難易程度，通常稱f為普氏巖石堅(jiān)固性系數(shù)。 根據(jù)f的大小將巖石分為10級(jí)15種第36頁/共41頁第三十六頁，共42頁。372021-12-8巖石(ynsh)按堅(jiān)固性分級(jí)第37頁/共41頁第三十七頁，共42頁。382021-12-8 2根據(jù)(gnj)錨噴支護(hù)需要，按照煤礦巖層特點(diǎn)制定的圍巖分類。第38頁/共41頁第三十八頁，共42頁。392021-12-