礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)課件

第一章礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)巖石：是由一種或多種礦物組成的。每種礦物都有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和固定的化學成份，因而各具有一定的物理性質(zhì)和形態(tài)。

巖體＝巖塊（巖石材料）＋弱面（層理、節(jié)理、斷層）巖塊：從地殼巖層中切取出來的小塊體，通常是指巖石材料。巖體：指巖石工程周圍較大范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體。第一章礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)巖石：是由一種或多種礦物組成1、巖石的密度和體積力密度（容重）：kg/m3。分為天然密度、飽和密度和干密度。體積力：（kN/m3）。

說明：巖石由固體、空氣和水組成；干濕密度的區(qū)分對粘土類礦物意義重大。取決于礦物成分、孔隙度和含水量。與埋深也有關(guān)。一、巖石的質(zhì)量指標第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)1、巖石的密度和體積力密度（容重）：kg/m3。分為天然密度2、巖石的相對密度相對密度（比重）：取決于組成巖石的礦物的相對密度。2、巖石的相對密度相對密度（比重）：取決于組成巖石的礦物的相指巖石裂隙和孔隙發(fā)育的程度，用孔隙度n和孔隙比e來表示。隨著巖石孔隙度增大，一方面消弱了巖石的整體穩(wěn)定性，使其密度和強度降低，透水性增大；另一方面會增加風化速度。進一步降低力學強度和增大透水性。1、巖石的孔隙性二、巖石的體積指標指巖石裂隙和孔隙發(fā)育的程度，用孔隙度n和孔隙比e來表示。2、巖石的碎脹性和壓實性巖石名稱砂、礫巖砂質(zhì)粘土中硬巖石堅硬巖石煤碎脹系數(shù)k1.05~1.21.2~1.251.3~1.51.5~2.5<1.2意義：采場管理、提升運輸、充填效果、圍巖壓力等。2、巖石的碎脹性和壓實性巖石名稱砂、礫巖砂質(zhì)粘土中硬巖石堅1、吸水性和抗凍性吸水性通常用自然吸水率、飽和吸水率和飽水系數(shù)表示。飽水系數(shù)：自然吸水率與飽和吸水率之比?？箖鲂裕簬r石抵抗凍融破壞的能力。常用抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率表示。三、巖石的水理性質(zhì)吸水性通常用自然吸水率、飽和吸水率和飽水系數(shù)表示。1、吸水性和抗凍性吸水性通常用自然吸水率、飽和吸水率2、透水性：巖石能被水透過的性能。與地下水水頭、巖體應(yīng)力、孔隙度、孔隙大小及其連通程度有關(guān)。滲透系數(shù)（m/s）：通過在鉆孔中進行抽水實驗或壓水實驗測定。巖石樣品滲透性的確定對實際問題的意義，例如：將水、油或氣泵入多孔的巖層中，或從其中抽出來；在多孔巖層中處理鹵水廢物；為了能量轉(zhuǎn)換而在地下洞穴中貯存液體；評價水庫的不透水性；排除深處洞室的海水，或預(yù)估流入隧洞的水量等。2、透水性：巖石能被水透過的性能。與地下水水頭、巖體應(yīng)力、孔3、膨脹性和崩解性：前者是指巖石浸水后體積增大和壓力增大的性能；后者是指浸水后發(fā)生解體的現(xiàn)象。4、軟化性3、膨脹性和崩解性：前者是指巖石浸水后體積增大和壓力增大的性1、巖石的容熱性和熱膨脹性熱膨脹性：巖石受熱后其長度和體積發(fā)生膨脹的性質(zhì)。用線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)來表征。四、巖石的熱性和電磁性容熱性：巖石進行熱交換時所吸收熱量的能力。用比熱容和比定容熱容表示。2、巖石的電磁特性1、巖石的容熱性和熱膨脹性熱膨脹性：巖石受熱后其長度和體積發(fā)1、彈性變形一、變形性質(zhì)的類別和指標第二節(jié)巖石的強度和變形特性線彈性完全彈性（非線性）滯彈性1、彈性變形一、變形性質(zhì)的類別和指標第二節(jié)巖石的強度和變形2、塑性變形理想的塑性變形應(yīng)變硬化現(xiàn)象2、塑性變形理想的塑性變形應(yīng)變硬化現(xiàn)象一般巖石的變形曲線塑性變形后效彈性變形瞬時彈性變形一般巖石的變形曲線塑性變形后效彈性變形瞬時彈性變形巖石的黏性是指巖石在外力作用下變形不能在瞬間完成，且應(yīng)變的速率隨應(yīng)力的變化而改變，當外力撤去后，不能恢復(fù)其原始狀態(tài)的性質(zhì)。理想的黏性巖石材料，其應(yīng)力應(yīng)變速率曲線呈直線關(guān)系，并且通過原點。這種應(yīng)變速率隨應(yīng)力而改變的變形稱之為流變變形或流動變形。巖石的黏性是指巖石在外力作用下變形不能在瞬間完成，且應(yīng)變的速2、巖石變形指標密度（容重）：kg/m3。分為天然密度、飽和密度和干密度。體積力：（kN/m3）。2、巖石變形指標密度（容重）：kg/m3。分為天然密度、飽和1、彈性變形密度（容重）：kg/m3。分為天然密度、飽和密度和干密度。體積力：（kN/m3）。一、變形性質(zhì)的類別和指標第二節(jié)巖石的強度和變形特性1、彈性變形密度（容重）：kg/m3。分為天然密度、飽和密度第三節(jié)巖石力學性質(zhì)巖石力學性質(zhì)：分為變形和強度性質(zhì)。變形性質(zhì)體現(xiàn)尺寸效應(yīng)；強度性質(zhì)表現(xiàn)抵抗外力破壞的能力。研究巖石的力學性質(zhì)主要研究巖石的變形、破壞和強度等性質(zhì)。第三節(jié)巖石力學性質(zhì)巖石力學性質(zhì)：分為變形和強度性1.巖石的單軸壓縮全應(yīng)力—應(yīng)變曲線裂隙閉合階段、線彈性階段、塑性階段、軟化階段、擴容。1.巖石的單軸壓縮全應(yīng)力—應(yīng)變曲線裂隙2.巖石在三軸壓縮條件下的力學性質(zhì)2.巖石在三軸壓縮條件下的力學性質(zhì)礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)課件3.巖石的強度：巖石抵抗外力破壞的能力。單向抗壓強度單向抗拉強度剪切強度三軸壓縮4.巖石的硬度：巖石抵抗其它較硬物體侵入的能力。5.巖石的可鉆性與可爆性3.巖石的強度：巖石抵抗外力破壞的能力。單向抗壓強度4.巖石第四節(jié)巖體工程分類為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)。便于施工方法的總結(jié)、交流、推廣。便于行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革和管理。第四節(jié)巖體工程分類為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計、施工巖石強度：單軸抗壓強度為巖體穩(wěn)定性評價的重要指標。結(jié)構(gòu)面：結(jié)構(gòu)面的研究應(yīng)包括組數(shù)、密度、產(chǎn)狀、延展性、結(jié)構(gòu)面內(nèi)物質(zhì)成分等。水對巖體的影響：水對巖體穩(wěn)定性有著重要的影響。巖體遇水后可以發(fā)生泥化、崩解、碎裂，致使巖體膨脹并大大降低強度。原巖應(yīng)力狀態(tài)：對巖體穩(wěn)定性影響最大的是最大主應(yīng)力。在缺乏地應(yīng)力資料時，可選用γH值。分類指標：巖石強度：單軸抗壓強度為巖體穩(wěn)定性評價的重要指標。分類指標：普羅托奇亞可夫于1926年提出：共劃分為10級15種1.普氏系數(shù)分類法我國煤炭系統(tǒng)按巖石堅固性將煤巖分類為：軟煤：f＝1～1.5硬煤：f＝2～3軟巖：f＝2～3中硬巖：f＝4～6硬巖：f＝8～10堅硬巖石：f＝12～14最堅硬巖石：f＝15～20普羅托奇亞可夫于1926年提出：2.巖芯質(zhì)量指標美國伊利諾斯大學狄勒（Deere）在1964年形成該標準，但直到1967年才以出版的形式首次提出該概念。2.巖芯質(zhì)量指標美國伊利諾斯大學狄勒（Deere）在19RQD是一修正的巖芯取出率，僅考慮長度大于100mm的完整巖芯。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100巖石質(zhì)量很差差一般好優(yōu)秀RQD是一修正的巖芯取出率，僅考慮長度大于100mm的完整巖掘巷后：（1）巷道周邊應(yīng)力集中；（2）圍巖強度降低(三向應(yīng)力狀態(tài)→兩向應(yīng)力狀態(tài)）（3）開挖擾動等。圍巖應(yīng)力與圍巖強度的關(guān)系發(fā)生變化（超過則破壞，等于為極限平衡，小于則穩(wěn)定）；3.圍巖松動圈分類法掘巷后：（1）巷道周邊應(yīng)力集中；（2）圍巖強度降低(三向應(yīng)力圍巖類別分類名稱圍巖松動圈/cm支護機理及方法備注小松動圈I穩(wěn)定圍巖0～40噴混凝土支護圍巖整體性好，不易風化的可不支護中松動圈Ⅱ較穩(wěn)定圍巖40～100錨桿懸吊理論，噴層局部支護局部錨桿支護Ⅲ一般圍巖100～150錨桿懸吊理論，噴層局部支護剛性支護有局部破壞，采用可縮性支護大松動圈Ⅳ一般不穩(wěn)定圍巖(軟巖)150～200錨桿組合拱理論，噴層、金屬網(wǎng)局部支護剛性支護大面積破壞，采用可縮性支護Ⅴ不穩(wěn)定圍巖(較軟圍巖)200～300錨桿組合拱理論，噴層、金屬網(wǎng)局部支護圍巖變形有穩(wěn)定期Ⅵ極不穩(wěn)定圍巖(極軟圍巖)>300組合拱理論聯(lián)合支護圍巖變形在一般支護下無穩(wěn)定期圍巖類別分類名稱圍巖松動圈/cm支護機理及方法備注小松動圈圍巖松動圈分類有三個突出優(yōu)點：（1）繞過了地應(yīng)力、圍巖強度、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)測定等困難問題，但又著重抓住了它們的影響結(jié)果，即松動圈是一個綜合指標；（2）松動圈系實測所得，未在重要方面作任何假設(shè)；（3）松動圈大小很容易用聲測法獲得，確定支護參數(shù)時直觀簡單，現(xiàn)場應(yīng)用十分方便。圍巖松動圈分類有三個突出優(yōu)點：（1）繞過了地應(yīng)力、圍巖強度、煤巷圍巖塑性區(qū)分布煤巷圍巖塑性區(qū)分布4.按圍巖變形量分類

陸士良教授根據(jù)圍巖變形量的大小和維護的難易程度，將回采巷道圍巖分為五類：巷道維護狀況圍巖平均變形速度，mm/d圍巖變形量，mm容易中等困難極難＜11~22~4＞4＜200200~500500~1000＞10004.按圍巖變形量分類陸士良教授根據(jù)圍巖變形量的大小和維護中國煤炭科學研究院建井所段振西教授提出以圍巖的變形量大小分類圍巖的理論及方法中國煤炭科學研究院建井所段振西教授提出以圍巖的變形量大小分類5.按施工需要分類1988年，煤炭工業(yè)部根據(jù)全國58條試驗巷道的地質(zhì)特征、井巷開拓后圍