井巷工程巖石性質極其工程分級學習教案

1、會計學1井巷工程巖石性質井巷工程巖石性質(xngzh)極其工程分級極其工程分級第一頁，共42頁。22021-12-5第一章巖石的性質及其工程(gngchng)分級第一節(jié) 概 述第二節(jié) 巖石(ynsh)的物理性質第三節(jié) 巖石的力學(l xu)性質第四節(jié)巖石的工程分級第一章 習 題第1頁/共41頁第二頁，共42頁。32021-12-5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，由礦物或巖屑在地質作用下按一定規(guī)律而形成的自然地質體，包括巖漿巖、沉積巖、變質巖。從地殼中切取出來的小塊體，不包含軟弱面（巖體中的地質遺

2、跡、層理、節(jié)理、斷層、裂隙面,強度低，易變形），近似認為各向同 性的連續(xù)介質,。地下工程周圍較大范圍內的自然地質體。從煤礦采掘工程角度：包括巖石、地下水、瓦斯。巖體的性質復雜，是我們研究的主要對象。 建井工作者把覆蓋在地殼上部的第四紀沉積物成為表土，也稱為松散性巖石，如：黃土、流沙、粘土等。表土以下的固結性巖石稱為基巖、巖漿巖、沉積巖、變質巖。第2頁/共41頁第三頁，共42頁。42021-12-5巖塊：第3頁/共41頁第四頁，共42頁。52021-12-5巖體第4頁/共41頁第五頁，共42頁。62021-12-5表土(biot)和基巖第5頁/共41頁第六頁，共42頁。72021-12-5第二節(jié)

3、 巖石(ynsh)的物理性質一、巖石的相對(xingdu)密度、密度 二、巖石(ynsh)的孔隙性三、巖石的水理性質四、巖石的碎脹性第6頁/共41頁第七頁，共42頁。82021-12-5 GVC巖石質量，g； VC巖石固體實體積，cm3； W水的密度，gcm3。一、巖石(ynsh)的相對密度、密度WcVGd 第7頁/共41頁第八頁，共42頁。92021-12-5VGcVG12密度 巖石單位(dnwi)體積(包括巖石內孔隙體積)的質量，稱為巖石的密度，亦稱質量密度。兩種：干密度和濕密度。前者是單位(dnwi)體積巖石絕對干燥后的質量，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；

4、巖石的濕密度，gcm3；G巖石試件烘干后的質量，g；G1巖石試件的質量(天然含水(hn shu)或飽水) ，g；V巖石試件的體積，cm3。3重度(重力密度) 單位體積(tj)巖石質量所受的重力。 =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頁第九頁，共42頁。102021-12-5二、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，它通常用孔隙度n和孔隙比e來表示(biosh)。 孔隙度是指巖石試件內各種裂隙、孔隙的體積總和與試件總體積V之比(常以百分數(shù)表示(biosh)， 孔隙比是巖石試件內各種裂隙、孔隙的體積總和與

5、試件內固體礦 物顆粒體積Vc之比。%100)1 (111wCwCCCCddVGGVVVVVVn11CWCCCdVVVVVe第9頁/共41頁第十頁，共42頁。112021-12-5三、巖石(ynsh)的水理性質1巖石吸水率：W是指巖石試件在標準大氣壓 下吸入水的質量與試件烘干后質量G之比值(bzh)。表1-1為巖石密度、孔隙比及吸水率的指標。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(fnb)情況有關； 試驗條件，試驗表明，整體巖石試件的吸水率要比同一巖石的碎塊試樣吸水率小，隨著吸水水時間的增加，吸水率也會有所增大。吸水率對巖石力學性質有影響。 第10頁/共41

6、頁第十一頁，共42頁。122021-12-5三、巖石(ynsh)的水理性質第11頁/共41頁第十二頁，共42頁。132021-12-52巖石的透水性 地下水存在于巖石的孔隙和裂隙之中，而且大多數(shù)巖石的孔隙和裂隙是相互(xingh)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，稱為巖石的透水性。AIQK Q滲水量;A滲透(shntu)面積；I水力坡度; K-滲透(shntu)系數(shù)影響因素：地下水壓力、巖體應力狀態(tài)(zhungti)、孔隙發(fā)育程度、連通程度等。 表1-2為巖石滲透系數(shù)第12頁/共41頁第十三頁，共42頁。142021-12-5三、巖石(ynsh)

7、的水理性質第13頁/共41頁第十四頁，共42頁。152021-12-5 3巖石的溶蝕性 由于水的化學作用而把巖石中某些組成物質帶走的現(xiàn)象稱為巖石的溶濕性。導致巖石致密(zhm)程度降低，孔隙度增大，強度降低,貴州761礦巷道中的鐘乳石、石筍。 4巖石的軟化性 巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性，用軟化系數(shù)(c)表示。c定義(dngy)為巖石試件的飽和抗壓強度(Rcw)與干抗壓強度(Rc)的比值，即1RcRcwc第14頁/共41頁第十五頁，共42頁。162021-12-55巖石的膨脹性和崩解性。膨脹性：軟巖浸水后體積增大和響應的引起壓力增大的性質，用膨脹應力(yngl)和膨脹率來表示。膨脹

8、應力(yngl)：巖石與水進行物理化學反應后，隨時間變化會產生體積增大的現(xiàn)象，這時，使試件體積保持不變所需要的壓力稱膨脹應力(yngl)。膨脹率：巖石與水進行物理化學反應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。用耐崩解指數(shù)表示：巖石試件在承受干燥和濕潤兩個標準循環(huán)后，巖樣對軟化和崩解表現(xiàn)出來(ch li)的抵抗力。用耐崩解儀測定。第15頁/共41頁第十六頁，共42頁。172021-12-5四、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而總體(zngt)積增大的性質稱為碎脹性。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

9、脹后的體積(tj)；V巖石處于整體狀態(tài)下的體積(tj)。表1-4為常見巖石碎脹系數(shù)。第16頁/共41頁第十七頁，共42頁。182021-12-5第三節(jié) 巖石(ynsh)的力學性質一、巖石(ynsh)的變形特征二、巖石的強度(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頁第十八頁，共42頁。192021-12-5靜載荷下巖石的變形(bin xng)特征（單向壓縮）第三節(jié) 巖石(ynsh)的力學性質一、巖石(ynsh)的變形特征巖石在三向靜荷載壓縮條件下的變形特征動壓條件下巖石的變形特征第18頁/共41頁第十九頁，共42頁。202021-12-5靜載荷下巖石的變形特征(

10、tzhng)（單向壓縮）一、巖石(ynsh)的變形特征應力應變(yngbin)曲線 體積應變, 三種破壞形式 第19頁/共41頁第二十頁，共42頁。212021-12-5應力(yngl)應變曲線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頁第二十一頁，共42頁。222021-12-5 體積應變,巖石的體積改變(gibin)量V與原體積 V的比值,也稱體積改變(gibin)率。zyxv 一般巖石具有在彈性階段體積變小和塑性(sxng)階段體積增大的特點、轉折點在附近。 巖石在塑性(sxng)階段體積

11、增大的性質稱為擴容現(xiàn)象,對于研究巷道變形和圍巖對支護造成的壓力等問題有重要意義。2cR第21頁/共41頁第二十二頁，共42頁。232021-12-5三種(sn zhn)破壞形式脆性破壞：永久變形或全變形小于3%者為脆性破壞。具有這種特性的巖石稱為脆性巖石；塑性破壞：永久變形或全變形大于5%者塑性破壞。具有(jyu)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頁第二十三頁，共42頁。242021-12-5（二）巖石在三向靜荷載壓縮條件下的變形(bin xng)特征真三軸試驗(shyn) 123 常規(guī)(chnggu)三軸試驗 12=3 第23頁/共41

12、頁第二十四頁，共42頁。252021-12-5特點：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，強度峰值、殘余強度與圍壓大小 成正 比；大部分巖石在一定臨界圍壓下出現(xiàn)屈服平臺，呈塑性流動現(xiàn)象；達到臨界圍壓后，繼續(xù)提高(t go)圍壓，不在出現(xiàn)峰值，應力應變出現(xiàn)單調增長趨勢。 第24頁/共41頁第二十五頁，共42頁。262021-12-5（三）動壓條件下巖石(ynsh)的變形特征動荷載(hzi)的特點巖石在動荷載(hzi)作用下的變形特征波的反射和投射 第25頁/共41頁第二十六頁，共42頁。272021-12-5動荷載(hzi)的特點第26頁/共41頁第二十七頁，共42頁。2

13、82021-12-5 L質點擾動位移，CP質點擾動的傳播速度（波速），t波的傳播時間，CPt在t時間內變形(bin xng)范圍。 F巖石(ynsh)在動荷載作用下的變形特征 L第27頁/共41頁第二十八頁，共42頁。292021-12-5表面波(勒夫波) ：沿介質邊界傳播c；體積波：在介質內部傳播，分為橫波(hngb)和縱波橫波(hngb)：介質振動方向和波的傳播方向垂直，產生剪切變形b；縱波：質點振動方向和波的傳播方向一致，產生壓縮、拉伸變形a；瑞利波：質點運動軌跡為橢圓的波，為地震波的主要形式 d波的反射(fnsh)和投射第28頁/共41頁第二十九頁，共42頁。302021-12-5pP

14、VCp為介質密度；區(qū)段截面積；CP為波阻抗。介質密度和波速的乘積，表征介質對于(duy)應力波的阻尼作用。 當1CP1=2CP2時，r=0，t=i，不產生(chnshng)波的反射。 當2CP21CP1時，r0，t0，說明(shumng)交界面上既有透射波、又有反射波。 當2CP2=0或2CP21CP1時，即當應力波到達的交界面為自由面時，r=-i，t=0，疊加結果是交界面的應力值為零。 當2CP2三向不等壓抗壓強度雙向抗壓強度單向抗壓強度單向抗剪強度單向抗彎強度單向抗拉強度。38151CtRR15121CR3CtRR 單向(dn xin)抗壓強度RC、單向(dn xin)抗剪強度、單向(dn

15、 xin)抗拉強度Rt之間有下列關系：；二、巖石(ynsh)的強度特征1巖石在靜荷載作用下的強度 第30頁/共41頁第三十一頁，共42頁。322021-12-52動荷載(hzi)作用下的強度 第31頁/共41頁第三十二頁，共42頁。332021-12-5三、巖石(ynsh)的硬度巖石的硬度(yngd)是巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力。 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。常用肖氏硬度計和施米特錘來測定。施米特錘用來測定混凝土硬度，我國生產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。硬度與強度又有區(qū)別。 h

16、第32頁/共41頁第三十三頁，共42頁。342021-12-5四、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(l m)3。2釬刃磨鈍寬：即巖石的磨蝕性，量出釬刃兩端向內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；3-銷釘；4-導向(do xin)桿；5-落錘；6-卡套；7-轉動手柄 第33頁/共41頁第三十四頁，共42頁。352021-12-5、巖石(ynsh)工程分級的必要性第四節(jié)巖石的工程(gngchng)分級二、分級(fn j)方法第3

17、4頁/共41頁第三十五頁，共42頁。362021-12-5、巖石工程(gngchng)分級的必要性： 按成因不同，將巖石分為巖漿巖、沉積巖、變質巖三類，對于采掘工程來說，又要求要求對巖石進行定量的區(qū)分，以便能正確地進行工程設計，合理地選用施工方法、施工設備、機具與器材，準確地制定生產定額和材抖消耗定額等。因此，提出了巖石工程分級與巖體工程分類(fn li)問題。第35頁/共41頁第三十六頁，共42頁。372021-12-5二、分級(fn j)方法10CRf 巖石單向抗壓強度，MPa； 10單位(dnwi)為MPa；普氏分級的優(yōu)點： 普氏巖石分級法簡明，便于使用，因而多年來在蘇聯(lián)及一些東歐國家獲

18、得廣泛應用。 缺點：它沒有反映巖體的特征。關于巖石堅固性正各方面表現(xiàn)趨于一致的觀點，對少數(shù)巖石也不適用，如粘土就鉆眼容易，而爆破困堆。1普氏分級(fn j)法： 用一個綜合性的指標” 堅固性系數(shù)f”來表示巖石破壞的相對難易程度，通常稱f為普氏巖石堅固性系數(shù)。 根據(jù)f的大小將巖石分為10級15種第36頁/共41頁第三十七頁，共42頁。382021-12-5巖石(ynsh)按堅固性分級第37頁/共41頁第三十八頁，共42頁。392021-12-5 2根據(jù)錨噴支護需要，按照煤礦巖層(yncng)特點制定的圍巖分類。第38頁/共41頁第三十九頁，共42頁。402021-12-5 即鉆探時將鉆孔中直接獲取的巖心的總長度(chngd)，扣除破碎巖心和軟弱夾泥的長度(chngd)，再與鉆孔總進尺相比。具體計算巖心長度(chngd)時，只計算大于10cm的堅硬和完整的巖心，既： %10010鉆孔長度以上巖心累及長度cm 3巖心(ynxn)質量指標分級法（RQD） RQD=第39頁/共41頁第四十頁，共42頁。412021-12-51.巖石、巖快、巖體、基巖、表土2.相對密度、密度、孔隙性、吸水率、軟化性、巖石碎脹性3.巖石靜載荷作用下變形特征，用單向壓縮實驗曲線說明(shumng)這個階段意義