第一章岩石性质及其工程分级.ppt

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1、第一章第一章 岩石的性质岩石的性质及其工程分级及其工程分级第一节第一节 概概 述述 n岩岩 石石n概念：概念：岩石是由一种或多种矿物组成的集合体岩石是由一种或多种矿物组成的集合体n分类：分类：岩浆岩岩浆岩 具有块状构造具有块状构造n 岩石岩石 沉积岩沉积岩 具有层状构造具有层状构造n 变质岩变质岩 具有片状或块状构造具有片状或块状构造n岩块：岩块：是指从地壳岩层中切取出来的小块体是指从地壳岩层中切取出来的小块体n岩体：岩体：是指地下工程周围较大范围的自然地质体，它是由一是指地下工程周围较大范围的自然地质体，它是由一种或几种岩石组成。种或几种岩石组成。n表土：表土：建井工作者常把覆盖在地壳上部第

2、四纪沉淀物如黄土，建井工作者常把覆盖在地壳上部第四纪沉淀物如黄土，粘土，流沙，淤泥，砾石等统称为表土。粘土，流沙，淤泥，砾石等统称为表土。n基岩：基岩：表土以下的固结性岩石建井工作者统称为基岩。表土以下的固结性岩石建井工作者统称为基岩。第二节第二节 岩石的物理性质岩石的物理性质 n一岩石的相对密度和密度一岩石的相对密度和密度n 1 1、相对密度：、相对密度：是指岩石固体类体积的质量与同体积水的质量之比值。是指岩石固体类体积的质量与同体积水的质量之比值。n 固体实体积：是指不包括空隙体积在内的实在体积。固体实体积：是指不包括空隙体积在内的实在体积。n 其中：其中：G G岩层质量岩层质量n VcV

3、c岩石固体实体积岩石固体实体积n 水的密度水的密度n 2 2、密度：、密度：岩石单位体积的质量称为岩石的密度。岩石单位体积的质量称为岩石的密度。n 岩石岩石的的密度分为：密度分为：n（1 1）干密度：干密度：单位体积岩石绝对干燥时的密度：单位体积岩石绝对干燥时的密度：Pc=G/VPc=G/Vn（2 2）湿密度：）湿密度：是指天然含水或饱水状态下的是指天然含水或饱水状态下的密度：密度：3、重度：、重度：单位体积的岩石所受的重力称为重度又称为重力密度，用单位体积的岩石所受的重力称为重度又称为重力密度，用r表表n 二、岩石的孔隙性二、岩石的孔隙性 岩石岩石的孔隙性：的孔隙性：是指岩石的裂隙和孔隙发育

4、程度，通常用孔隙是指岩石的裂隙和孔隙发育程度，通常用孔隙度度n n和孔隙比和孔隙比e e来表示。来表示。岩石岩石的孔隙度的孔隙度n n：是指岩石试件内各种裂隙，孔隙的体积总和是指岩石试件内各种裂隙，孔隙的体积总和与试件与试件总体积之比。总体积之比。岩石岩石的孔隙比的孔隙比e e：是指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和是指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与试件与试件内固体矿物颗粒体积之比。内固体矿物颗粒体积之比。意义意义：岩石的孔隙度增大岩石的孔隙度增大 岩体本身整体性下降岩体本身整体性下降 强度降低强度降低 透水性透水性增大增大 由于存在着孔隙由于存在着孔隙 加快加快岩石的风化速度，从而又增

5、大岩石的风化速度，从而又增大 了了岩石的透水性岩石的透水性三、岩石的水理性质三、岩石的水理性质n 1.概念：岩石在水作用下表现出来的性质概念：岩石在水作用下表现出来的性质n 2.分类指标：透水性、分类指标：透水性、吸水性、吸水性、溶蚀性、溶蚀性、软软化性、化性、膨胀性和崩解性。膨胀性和崩解性。n（1）岩石的吸水率）岩石的吸水率n 岩石的吸水率岩石的吸水率w是指岩石试件在大气压力下是指岩石试件在大气压力下吸入水的质量吸入水的质量g与试件烘干质量与试件烘干质量G之比值。之比值。n w=g/Gn（2）岩石的透水性）岩石的透水性n 在一定的压力下，地下水可在岩石中在一定的压力下，地下水可在岩石中渗透。

6、这种岩石能被水透过的性能称为渗透。这种岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性。岩石的透水性。n（3 3）岩石的溶蚀性）岩石的溶蚀性n 由于水的化学作用而把岩石中某些组成物质带走由于水的化学作用而把岩石中某些组成物质带走的现象称为岩石的溶蚀。的现象称为岩石的溶蚀。n 溶蚀作用可使岩层密度降低，空袭度增大。溶蚀作用可使岩层密度降低，空袭度增大。n例例如：有些石灰岩矿井可见类似钟乳石或石笋的溶蚀如：有些石灰岩矿井可见类似钟乳石或石笋的溶蚀沉淀物。沉淀物。n（4 4）岩石的软化性）岩石的软化性n 岩石浸水后其强度明显降低，通常用软化系数来岩石浸水后其强度明显降低，通常用软化系数来表示表示 Rw Rw为水

7、饱和岩石试件的单向抗压强度为水饱和岩石试件的单向抗压强度n RcRc为干燥岩石试件的单向抗压强度为干燥岩石试件的单向抗压强度n （5 5）岩石的膨胀性）岩石的膨胀性n 是软岩石表现出来的特征，是指软岩石浸水后是软岩石表现出来的特征，是指软岩石浸水后体积增大和相应的引起压力增大的性质。体积增大和相应的引起压力增大的性质。n （6 6）岩石的崩解性）岩石的崩解性n 是指软岩浸水后发生的解体现象。是指软岩浸水后发生的解体现象。n四、四、.岩石的碎胀性岩石的碎胀性n 岩石破碎以后的体积将比整体状态下岩石破碎以后的体积将比整体状态下增大，这种性质成为岩石的碎胀性增大，这种性质成为岩石的碎胀性n 用碎胀系

8、数表示用碎胀系数表示 n V1岩石破碎后处于松散状态下的体岩石破碎后处于松散状态下的体积积n V岩石破碎前处于整体状态下的体积岩石破碎前处于整体状态下的体积n 在井巷掘进时选用机械，装载，运输，在井巷掘进时选用机械，装载，运输，提升的设备容器时必须考虑岩石的碎胀提升的设备容器时必须考虑岩石的碎胀系数。系数。几种常见岩石的碎胀系数岩石名称砂、砾石砂质粘土中硬岩石坚硬岩石煤碎胀系数k1.051.21.21.251.31.51.31.51.2第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质n一、岩石的变形特征一、岩石的变形特征n（一）静载荷作用下两个发展阶段（一）静载荷作用下两个发展阶段n变形：变形：岩石

9、在外荷载作用下，首先是组成岩石的基本微粒之岩石在外荷载作用下，首先是组成岩石的基本微粒之间的相对位置的变形，可称为变形。间的相对位置的变形，可称为变形。n破坏：破坏：随着作用的荷载不断增大，或者荷载达到某一数值而随着作用的荷载不断增大，或者荷载达到某一数值而恒定保持下去，便会导致岩石的破坏。恒定保持下去，便会导致岩石的破坏。n外荷载的分类外荷载的分类n 静荷载：岩石本身周围的压力静荷载：岩石本身周围的压力n按外荷载的作用性质按外荷载的作用性质 n 动荷载：风钻破岩动荷载：风钻破岩 爆破破碎岩石等爆破破碎岩石等n 脆性：脆性：岩石受载后变形很小就破裂的性质称为脆性。岩石受载后变形很小就破裂的性质

10、称为脆性。n（二）、岩石在静荷载情况下单向受压的变形（二）、岩石在静荷载情况下单向受压的变形特征特征 nOAOA段段 理解为岩石裂隙的压密阶段理解为岩石裂隙的压密阶段n 特点：单向应力的增加所引起的应变增量值随应特点：单向应力的增加所引起的应变增量值随应力的加大逐渐减小。曲线呈上凹型，主要是岩石中原力的加大逐渐减小。曲线呈上凹型，主要是岩石中原有裂隙和孔隙受压后逐渐闭合所致，称为裂隙压密闭有裂隙和孔隙受压后逐渐闭合所致，称为裂隙压密闭合阶段。合阶段。n 对于一些裂隙不太发育的岩石中这个阶段很小甚对于一些裂隙不太发育的岩石中这个阶段很小甚至没有。至没有。nABAB段：段：压缩变形阶段压缩变形阶段

11、n 特点：随着应力的增加，其应变基本上按比特点：随着应力的增加，其应变基本上按比例增加，曲线的斜率例增加，曲线的斜率 da/dda/d 常数，显然常数，显然ABAB接近接近直线，称为线弹性阶段。在直线，称为线弹性阶段。在，阶段内如果荷阶段内如果荷载卸除，岩石的变形能完全恢复，载卸除，岩石的变形能完全恢复，B B点称为屈服点，点称为屈服点，对应的应力称为屈服应力或弹性极限。对应的应力称为屈服应力或弹性极限。BCBC阶段阶段：屈服变形阶段：屈服变形阶段 特点：达到这段时，应力应变曲线发生由直线向曲特点：达到这段时，应力应变曲线发生由直线向曲线的转变，应力变为曲线呈下凹型，曲线斜率逐渐减少。线的转变

12、，应力变为曲线呈下凹型，曲线斜率逐渐减少。岩石受荷载达到屈服点岩石受荷载达到屈服点B B时，岩石内裂隙扩展加速，变形时，岩石内裂隙扩展加速，变形速度明显增加，最后导致岩石试件的破坏。速度明显增加，最后导致岩石试件的破坏。C C点是岩石抵抗外载荷的极限能力，此时应力达到极限值，点是岩石抵抗外载荷的极限能力，此时应力达到极限值，称为该岩石单向抗压强度，过了这一点，强度则大大降低。称为该岩石单向抗压强度，过了这一点，强度则大大降低。nCDCD阶段：阶段：应力应变曲线的软化应力应变曲线的软化阶段阶段n特点：特点：岩石仍保持一整体继续抵抗岩石仍保持一整体继续抵抗荷载，直到荷载，直到D D点才最终破裂。点

13、才最终破裂。D D点以点以后应力基本不变而应变无限增长，后应力基本不变而应变无限增长，D D点保持为一常数称为残余强度。点保持为一常数称为残余强度。n举例：举例：CDCD的存在说明岩石在达到极的存在说明岩石在达到极限强度以后，仍然存在着承载能力，限强度以后，仍然存在着承载能力，例如矿山围岩为什么多数平稳的破例如矿山围岩为什么多数平稳的破碎，而破碎后仍对围岩有一定的强碎，而破碎后仍对围岩有一定的强度。因此，岩石巷道爆破后，岩石度。因此，岩石巷道爆破后，岩石已开始破坏尚未垮落，采取措施制已开始破坏尚未垮落，采取措施制止或缓和岩体变形，则岩体破坏就止或缓和岩体变形，则岩体破坏就会停止仍然维持相当大的

14、承载能力。会停止仍然维持相当大的承载能力。锚喷支护就是根据这一原理发明的。锚喷支护就是根据这一原理发明的。（三）、岩石在三向静荷载压缩条三）、岩石在三向静荷载压缩条件下变形特征件下变形特征 1、岩石的弹性阶段与单向压力情况基、岩石的弹性阶段与单向压力情况基本相同本相同 2、岩石表现出明显的塑性变形、岩石表现出明显的塑性变形 卸载后可以复形的弹性变形卸载后可以复形的弹性变形岩石变形分为岩石变形分为 卸载后不可变形的塑性变形卸载后不可变形的塑性变形3、屈服极限（、屈服极限（C）强度峰值（强度峰值（C点对应点对应的力）和残余强度（的力）和残余强度（D）都与围岩大小）都与围岩大小成正变关系成正变关系4

15、、大部分岩石在一定的临界围压下出、大部分岩石在一定的临界围压下出现屈服平台，呈现塑性流动现象现屈服平台，呈现塑性流动现象5、达到临界围压以后继续提高围压，、达到临界围压以后继续提高围压，不再出现峰值，应力应变关系呈单调增不再出现峰值，应力应变关系呈单调增长趋势。长趋势。（四）、动荷载下岩石的变形特征（四）、动荷载下岩石的变形特征n无论是冲击式凿岩机凿碎还是爆破破碎岩石，岩石承无论是冲击式凿岩机凿碎还是爆破破碎岩石，岩石承受的外力都不是静荷载而是一种冲击荷载。受的外力都不是静荷载而是一种冲击荷载。n 在动荷载作用下的岩石变形不是整体的均匀变形，质在动荷载作用下的岩石变形不是整体的均匀变形，质点的

16、运动速度也不是整体一致的。变形和速度都有一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过程，因此岩石的动荷载变形特征同静荷载变个传播过程，因此岩石的动荷载变形特征同静荷载变形特征有本质区别。形特征有本质区别。二、岩石的强度特征二、岩石的强度特征 n 岩石变形达到一定程度就要破坏，这给巷道维护造成岩石变形达到一定程度就要破坏，这给巷道维护造成很大困难，因此必须了解岩石的破坏形式及岩石抵抗很大困难，因此必须了解岩石的破坏形式及岩石抵抗破坏的能力。破坏的能力。n1 1、岩石的强度：、岩石的强度：在外荷载情况下岩石抵抗破坏的能力在外荷载情况下岩石抵抗破坏的能力n2 2、静荷载下岩石的强度性质、

17、静荷载下岩石的强度性质 n（1 1）在大多数情况下，岩石表现为脆性变形，即岩石）在大多数情况下，岩石表现为脆性变形，即岩石在荷载作用下没有明显的变形或突然破坏。在荷载作用下没有明显的变形或突然破坏。n（2 2）同种岩石的强度并非常数，即受岩石内部因素的）同种岩石的强度并非常数，即受岩石内部因素的影响，其强度会发生变化。（例如岩石孔隙度影响，其强度会发生变化。（例如岩石孔隙度 风化程风化程度等）度等）n（3 3）在不同受力情况下，岩石的极限强度相差）在不同受力情况下，岩石的极限强度相差悬殊。悬殊。n岩石在不同应力状态下的强度值符合如下规律岩石在不同应力状态下的强度值符合如下规律n三向等压抗压强度

18、三向不等压抗压强度双三向等压抗压强度三向不等压抗压强度双向抗压强度单向抗压强度单向抗剪切强度向抗压强度单向抗压强度单向抗剪切强度单向抗弯强度单向抗拉强度单向抗弯强度单向抗拉强度n3 3、动荷载下的岩石强度性质、动荷载下的岩石强度性质n（1 1）岩石的强度的增加与加载速度有关）岩石的强度的增加与加载速度有关n（2 2）岩石的强度值比静荷载作用下大）岩石的强度值比静荷载作用下大三、岩石的硬度，可钻性和可爆性三、岩石的硬度，可钻性和可爆性n 1.1.岩石的硬度一般理解为岩石抵抗其他较硬岩石的硬度一般理解为岩石抵抗其他较硬物体的侵入的能力。物体的侵入的能力。n n 2.2.可钻性和可爆性用来表示钻眼或

19、爆破岩石可钻性和可爆性用来表示钻眼或爆破岩石的难易程度。的难易程度。第四节第四节 岩石的工程分级岩石的工程分级n一、苏联的一、苏联的“普代分级法普代分级法”n 苏联科学家普托雅克夫与苏联科学家普托雅克夫与19261926年提出的，其实质是按岩年提出的，其实质是按岩石的坚固性进行分级的方法（即普氏分级法）我国至今在石的坚固性进行分级的方法（即普氏分级法）我国至今在用用n1 1、普氏分级法的实质：、普氏分级法的实质：n（1 1）、认为岩石的坚固性在各方面的表现是大体一致的）、认为岩石的坚固性在各方面的表现是大体一致的n（2 2）、难破碎的岩石用各种方法都难以破碎，）、难破碎的岩石用各种方法都难以破

20、碎，容易破碎容易破碎 的的岩石用那种方法都容易破碎岩石用那种方法都容易破碎n（3 3）、用坚固性系数）、用坚固性系数f f来表示岩石破坏的相对难易程度来表示岩石破坏的相对难易程度n 即用岩石的单向抗压强度即用岩石的单向抗压强度RcRc（MPaMPa）除以）除以1010（MPaMPa）求得。根据求得。根据f f值的大小来把岩石进行分级，共分值的大小来把岩石进行分级，共分1010级级1515种，种，2 2对岩石坚固性分级法的评价对岩石坚固性分级法的评价n普氏岩石分级法十分简明，便于使用。在一定程度普氏岩石分级法十分简明，便于使用。在一定程度上尚能反映出采掘岩石的难易程度的客观规律。上尚能反映出采掘

21、岩石的难易程度的客观规律。n没有反映岩体的特征，对岩体中裂隙多少，风化程没有反映岩体的特征，对岩体中裂隙多少，风化程度及含水量大小对坚固性的影响，缺乏定量度及含水量大小对坚固性的影响，缺乏定量标准。关标准。关于岩石坚固性在各方面表现于一致的观点，对少数岩于岩石坚固性在各方面表现于一致的观点，对少数岩石也不适用，例如粘土就是钻研容易而爆破困难。石也不适用，例如粘土就是钻研容易而爆破困难。n（3 3）、围岩稳定性主要取决于岩体的结构和岩体强度）、围岩稳定性主要取决于岩体的结构和岩体强度而不只是岩石试件的强度，普氏分级法是用岩石试件而不只是岩石试件的强度，普氏分级法是用岩石试件在实验室的单向抗压强度

22、，只是理论参考。因此，国在实验室的单向抗压强度，只是理论参考。因此，国内外提出了各种各样的岩体等级分类方法。内外提出了各种各样的岩体等级分类方法。3 3、我国煤矿根据岩层的特点确定的围岩的分类、我国煤矿根据岩层的特点确定的围岩的分类二、美国用：二、美国用：“岩心质量指标岩心质量指标”（R R，Q Q，D D）进）进行分类行分类 n即钻探时将钻孔中直接获取的岩心的总长度，扣除即钻探时将钻孔中直接获取的岩心的总长度，扣除破碎岩心和软弱夹泥的长度，再与钻孔总进尺相比。破碎岩心和软弱夹泥的长度，再与钻孔总进尺相比。n RQD=10cmRQD=10cm以上岩心累计长度以上岩心累计长度/钻孔长度钻孔长度100%100%n把岩石分为优质的、良好的、好的把岩石分为优质的、良好的、好的 、差的、差的n n 岩心质量指标岩心质量指标 分类优质的 良好的 好的 差的 很差R.Q.D/%90100759050752550025n复习思考题n1、解释岩石、岩体和岩块三者的特点和力学性质的差异。n2、影响岩石性质的因素有哪些?n3、解释岩石碎胀性的意义和表示方式。n4、三向压力作用下岩石的变形和强度特征有哪些?n 5、解释岩石可钻性和可爆性。n 6、岩石工程分级的目的和意义是什么?常用哪些表示方法?n 7、画出岩石在静荷载情况下单向受压应力应变关系示意图，并叙述其特性？