巖石的性質(zhì)與分級(jí)（45頁清楚明了）

1、井巷工程多媒體課件第一章 巖石的性質(zhì)與分級(jí)第一節(jié) 巖石的物理性質(zhì)第三節(jié) 巖石分級(jí)和圍巖分類第二節(jié) 巖石的力學(xué)變形和強(qiáng)度特性第四節(jié) 井巷地壓理論第一節(jié) 巖石的物理性質(zhì)一、概述21（一）巖體的組成31巖石2地下水3瓦斯（二）巖石的生成及結(jié)構(gòu)、構(gòu)造1.巖石的生成巖石按其生成原因不同，可分為巖漿巖，沉積巖和變質(zhì)巖等三大類。 沉積巖是由沉積物經(jīng)過壓緊、膠結(jié)等作用而形成的巖石，是一種經(jīng)過一系列地質(zhì)作用的產(chǎn)物。 隨著地殼不斷地沉降，沉積物由下而上，逐層逐層地堆積起來而不斷增厚，經(jīng)過壓實(shí)、脫水、脫結(jié)等固結(jié)成巖作用，松散的沉積物就形成了堅(jiān)硬的沉積巖。 2.巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造砂質(zhì)結(jié)構(gòu)指粒徑大于2mm的巖石碎屑膠結(jié)而

2、成的碎屑結(jié)構(gòu)類型，如礫巖； 指粒徑變化在20.05mm之間的碎屑結(jié)構(gòu)類型，如砂巖； 指粒徑變化在0.050.005mm之間的碎屑結(jié)構(gòu)類型，如粉砂巖、頁巖等； 指粒徑小于0.005mm的碎屑結(jié)構(gòu)類型，如泥巖、粘土巖等。 礫狀結(jié)構(gòu)粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)泥質(zhì)結(jié)構(gòu)1）巖石的結(jié)構(gòu)整體構(gòu)造巖石的構(gòu)造是指巖石中礦物顆粒集合體之間，以及它與其他組成部分之間的排列方式和充填方式。 巖石的顆?；ハ鄧?yán)密地緊貼在一起，沒有固定的排列方向 巖石顆粒彼此相接并不嚴(yán)密，顆粒之間有許多小空隙(微孔) 巖石顆粒互相交替，表現(xiàn)出層次疊置現(xiàn)象(層理) 多孔狀構(gòu)造層狀構(gòu)造2）巖石的構(gòu)造二、巖石的密度和表觀密度巖石的密度是指在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位

3、體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。 巖石的表觀密度是指在自然狀態(tài)下，單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。 表1-1 煤礦中常見巖石的密度和表觀密度 巖石名稱空 隙 比板 巖0.0010.0101石 灰 巖0.0530.25砂 巖0.0310.429頁 巖0.1110.538三、巖石的空隙比巖石的空隙比是指巖石中各種孔隙、裂隙體積占巖石內(nèi)固體部分實(shí)體總體積的百分比。它反映巖石中孔隙和裂隙的發(fā)育程度，用p來表示。表1-2 煤礦中常見巖石的空隙比巖石名稱密度（g/cm3）表觀密度（/m3）砂 巖2.62.7520002600頁 巖2.572.7720002400石 灰 巖2.482.8522002600煤12001400四、巖石

4、的碎脹性和壓實(shí)性 巖石的碎脹性是指巖石破碎以后的體積將比整體狀態(tài)下的體積增大的性質(zhì)。兩種狀態(tài)下的體積比稱為碎脹系數(shù)，用來表示，按下式計(jì)算：巖石的碎脹系數(shù)； V巖石破碎膨脹后的堆積體積（m3） 表1-3 煤礦中常見巖石的碎脹系數(shù)巖石名稱碎脹系數(shù)殘余碎脹系數(shù)砂1.061.151.011.03粘 土1.201.031.07碎 煤1.201.05泥質(zhì)頁巖1.401.10砂質(zhì)頁巖1.601.801.101.15硬 砂 巖1.501.80五、巖石與水有關(guān)的性質(zhì)（一）巖石的水脹性和水解性21巖石的水脹性是指軟巖遇水而膨脹的性質(zhì)。常以試件浸入水中后，厚度膨脹量與原始厚度之比作為水脹性指標(biāo)。 巖石的水解性是指軟

5、巖遇水崩解、破裂的性質(zhì)。 （二）巖石的軟化性 巖石的軟化性是指巖石浸水后的強(qiáng)度明顯降低的特征，用軟化系數(shù)來表示。即吸水飽和狀態(tài)下巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度與干燥巖石試件單向抗壓強(qiáng)度的比值表示水分對(duì)巖石強(qiáng)度的影響程度。 巖石浸水后的軟化程度，與巖石中親水性礦物和易溶性礦物的含量、空隙發(fā)育情況、水的化學(xué)成分以及巖石浸水時(shí)間的長短等因素有關(guān)，親水礦物和易溶礦物含量愈多，開口空隙愈發(fā)育，巖石浸水時(shí)間愈長，則巖石浸水后強(qiáng)度降低程度愈大。表1-4 煤礦中常見巖石的軟化系數(shù)巖石名稱干試件抗壓強(qiáng)度(Mpa)水飽和試件抗壓強(qiáng)度(Mpa)軟化系數(shù)粘土巖20.759.02.431.80.080.87頁 巖57.0136

6、.013.775.10.240.55砂 巖17.5250.85.7245.50.440.97石灰?guī)r13.4206.77.8189.20.580.94六、巖石的硬度和耐磨性巖石的硬度是指巖石表面抵抗其他較硬物體壓入或刻劃的能力。 巖石的耐磨性指巖石表面抵抗磨損的能力。 N巖石的磨損率（g/2）；m1巖石磨損前的質(zhì)量（g）；m2巖石磨損后的質(zhì)量（g）；A巖石試件受磨面積（2）。 第二節(jié) 巖石的力學(xué)變形和強(qiáng)度特性一、巖石的變形特性（一）巖石的彈性和塑性巖石的彈性是指在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)取消外力后，能完全恢復(fù)到原形狀的性質(zhì)。巖石的塑性是指在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)取消外力后，仍保持變形后的形狀和尺寸

7、的性質(zhì)。 （二）巖石的流變性質(zhì)1）蠕變：是指在恒定載荷持續(xù)作用下，應(yīng)變隨時(shí)間變化而增長的現(xiàn)象稱蠕變。 2）后效彈性變形：是指巖石在彈性變形階段，卸載以后，有一部分變形立刻恢復(fù)，還有一部分變形不能立刻恢復(fù)，但是經(jīng)過一定時(shí)間仍能完全恢復(fù)。這部分變形，不是塑性變形，這種現(xiàn)象稱為后效彈性變形。 3）松弛：是指在應(yīng)變保持一定的條件下，應(yīng)力將隨時(shí)間而逐漸減小的現(xiàn)象稱為松弛。 二、巖石的強(qiáng)度特性（一）巖石的抗壓強(qiáng)度1.定義：巖石試件在壓縮時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力值，稱為巖石的抗壓強(qiáng)度。2.分類：巖石的單向抗壓強(qiáng)度 和巖石的三向抗壓強(qiáng)度。3.影響因素：巖石中含強(qiáng)度高的礦物多，礦物顆粒間的連結(jié)力大，空隙度小則巖石

8、抗壓強(qiáng)度大，反之亦然。此外，在一定變化范圍內(nèi)，試件尺寸愈小，加載速度愈大，則抗壓強(qiáng)度愈大。 （二）巖石的抗拉強(qiáng)度1.定義：巖石試件在拉伸時(shí)能承受的最大拉應(yīng)力值稱為巖石的抗拉強(qiáng)度。2.影響因素：巖石的抗拉強(qiáng)度，主要受其內(nèi)部因素的影響，如果組成巖石的礦物強(qiáng)度高，顆粒之間的連結(jié)力強(qiáng)，且空隙不發(fā)育，則其抗拉強(qiáng)度高。（三）巖石的抗剪強(qiáng)度1.定義：巖石的抗剪強(qiáng)度是指巖石抵抗剪切作用的能力 表1-5 煤礦中常見巖石強(qiáng)度值（kg/2）巖石名稱抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度煤50500205011165砂巖類細(xì)砂巖1060146056180178 545中砂巖875136061143136372粗砂巖58012605

9、5119126310粉砂巖370560142570117礫巖類砂礫巖7101240299972294礫 巖8209604112067269頁巖類砂質(zhì)頁巖49092040121210305頁 巖1904002855160238灰?guī)r類石灰?guī)r540161079141100310（四）巖石各種強(qiáng)度之間的關(guān)系三向等壓抗壓強(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)度抗剪強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度順序關(guān)系抗拉強(qiáng)度/單向抗壓強(qiáng)度=1/51/38抗剪強(qiáng)度/單向抗壓強(qiáng)度=1/21/15數(shù)量關(guān)系抗剪強(qiáng)度= 針對(duì)巖石強(qiáng)度的特點(diǎn)，在破巖時(shí)應(yīng)使巖石單向或雙向受力井處于拉伸或剪切的狀態(tài)。在井巷維護(hù)時(shí)使巖石處于受壓狀態(tài)。第三節(jié) 巖石分級(jí)

10、和圍巖分類一、普氏巖石分級(jí)法1926年前蘇聯(lián)采礦工程師MM普洛托吉雅可諾夫(簡稱普氏)提出用一個(gè)綜合性的指標(biāo)“堅(jiān)固性系數(shù)”來劃分巖石等級(jí)。堅(jiān)固性系數(shù)不同于巖石的硬度、強(qiáng)度、可鉆性和可爆性等指標(biāo)，它表示巖石在各種采礦作業(yè)(如鍬、鎬、鉆機(jī)、炸藥爆破等)以及地壓等外力作用下被破壞的相對(duì)難易程度。該方法是以巖塊的強(qiáng)度為基礎(chǔ)的，適用于巖石破碎方面的應(yīng)用。普氏認(rèn)為，巖石的堅(jiān)固性在各方面的表現(xiàn)是趨于一致的，難破碎的巖石用各種方法都難于破碎，容易破碎的巖石用各種方法都易于破碎。 巖石的堅(jiān)固性系數(shù)表示巖石破壞的相對(duì)難易程度，用f來表示, f亦稱為普氏系數(shù)。根據(jù)f值的大小，普氏將巖石分為十級(jí)共十五種。 二、圍巖分

11、類法（一）煤礦錨噴支護(hù)巷道圍巖分類隨著采礦業(yè)、水電工程和其它地下工程技術(shù)的迅速發(fā)展，單純采用巖石堅(jiān)固性系數(shù)分級(jí)帶有一定的局限性,不能全面反映工程煤礦錨噴支護(hù)巷道的圍巖分類巖體的質(zhì)量。由此逐步建立了一些綜合考慮工程地質(zhì)構(gòu)造特征的分類方法，大多圍繞圍巖穩(wěn)定性來劃分，以選擇合理支護(hù)方式為明確目的。他們的共同特點(diǎn)是：不僅考慮了巖塊的強(qiáng)度，而且考慮了巖體的完整性，即地質(zhì)構(gòu)造的影響程度；節(jié)理和裂隙的發(fā)育程度；風(fēng)化程度；層狀巖層的層厚等。以調(diào)查研究為基礎(chǔ)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)各類巖體提出了維護(hù)措施，便于應(yīng)用。表1-7 煤礦錨噴支護(hù)巷道圍巖分類表圍巖分類巖 層 描 述巷道開掘后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)（35m跨度）巖 種

12、舉 例類別名稱穩(wěn)定巖層1.完整堅(jiān)硬巖層，Rb60MPa，不易風(fēng)化，2.層狀巖層層間狡結(jié)好，無軟弱夾層圍巖穩(wěn)定，長期不支護(hù)無碎塊掉落現(xiàn)象完整的玄武巖;石英質(zhì)砂巖;奧陶紀(jì)灰?guī)r;茅口灰?guī)r，大冶厚層灰?guī)r穩(wěn)定性較好巖層1.完整比較堅(jiān)硬巖層，Rb=4060 MPa2.層狀巖層，膠結(jié)較好3.堅(jiān)硬塊狀巖層，裂隙面閉合，無泥質(zhì)充填物Rb60 MPa圍巖基本穩(wěn)定，較長時(shí)間不支護(hù)會(huì)出現(xiàn)小塊掉落膠結(jié)好的砂巖、礫巖；大冶薄層灰?guī)r中等穩(wěn)定巖層1.完整的中硬巖層，Rb2040 MPa2.層狀巖層,以堅(jiān)硬巖層為主,夾有少數(shù)軟巖層3.比較堅(jiān)硬的塊狀巖層，Rb=4060 MPa圍巖能維持一個(gè)月以上穩(wěn)定, 有時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部巖塊掉落砂

13、巖、砂質(zhì)頁巖、粉砂巖、石灰?guī)r、硬質(zhì)疑灰?guī)r穩(wěn)定性較差巖層1.較軟的完整巖層，Rb20 MPa2.中硬的層狀巖層3.中硬的塊狀巖層，Rb=2040 MPa圍巖的穩(wěn)定時(shí)間僅有幾天頁巖、泥巖、膠結(jié)不好的砂巖、硬煤不穩(wěn)定巖層1.易風(fēng)化潮解剝落的松軟巖層2.各類破碎巖層圍巖很容易產(chǎn)生冒頂片幫炭質(zhì)頁巖、花斑泥巖、軟質(zhì)凝灰?guī)r、煤、破碎的各類巖石（二）按圍巖松動(dòng)圈的分類方法 經(jīng)過大量的現(xiàn)場松動(dòng)圈測試及其與巷道支護(hù)難易程度相關(guān)關(guān)系的調(diào)研之后，結(jié)合錨噴支護(hù)機(jī)理，依據(jù)圍巖松動(dòng)圈的大小將圍巖分成小松動(dòng)圈（040cm)，中松動(dòng)圈(40150cm),大松動(dòng)圈(150cm)三大類，六小類， 該分類法的主要特點(diǎn)是按錨噴支護(hù)機(jī)理

14、劃分圍巖類別，分類區(qū)間是以支護(hù)的難易程度及錨噴支護(hù)機(jī)理而確定的；錨噴支護(hù)是指錨桿，錨、噴、網(wǎng)，錨網(wǎng)、網(wǎng)梁等以錨桿為支護(hù)主體的支護(hù)的總稱。表1-8 巷道支護(hù)圍巖松動(dòng)圈分類表圍巖類別分類名稱圍巖松動(dòng)圈（）支護(hù)機(jī)理及方法備 注小松動(dòng)圈穩(wěn)定圍巖040噴混凝土支護(hù)圍巖整體性好，不易風(fēng)化的可不支護(hù)中松動(dòng)圈較穩(wěn)定圍巖40100錨桿懸吊理論噴層局部支護(hù)一般圍巖100150錨桿懸吊理論噴層局部支護(hù)剛性支護(hù)有局部破壞采用可縮性支護(hù)大松動(dòng)田lV一般不穩(wěn)定圍巖（軟巖）150200錨桿組合拱理論，噴層，金屬網(wǎng)局部支護(hù)剛性支護(hù)大面積破壞，采用可縮性支護(hù)V不穩(wěn)定圍巖（較軟圍巖）200300錨桿組合拱理論，噴層，金屬網(wǎng)局部支

15、護(hù)圍巖變形有穩(wěn)定期極不穩(wěn)定圍巖（極軟圍巖）300圍巖變形在一般支護(hù)下無穩(wěn)定期第四節(jié) 井巷地壓理論一、井巷地壓概念地壓現(xiàn)象 采掘工作破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，直到形成一個(gè)新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，產(chǎn)生巷道圍巖二次應(yīng)力。若二次應(yīng)力大于巖體強(qiáng)度極限，就產(chǎn)生變形松動(dòng)，造成巷道頂板下沉，片幫冒頂，底板鼓起的這種力學(xué)現(xiàn)象，稱地壓現(xiàn)象。 地壓 作用在圍巖和支架上的力稱為地壓。 （一）原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力主要是由于巖體（包括覆蓋的巖體）的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用引起的。顯然，這與巖體的特性（如裂隙的方向、分布密度、巖體的流變性等）有密切的關(guān)系；還與斷層、褶皺等地壓構(gòu)造現(xiàn)象有密切的關(guān)系。因此，巖體中每

16、一個(gè)單元的原巖應(yīng)力狀態(tài)隨該單元的位置不同而有所變化。1.自重應(yīng)力定義影響因素處于一定深度的原巖體，承受著上部巖體的重量，由于這個(gè)重量所引起的單位面積上的內(nèi)力，就是自重應(yīng)力。 巖體的自重應(yīng)力隨著深度呈線性增長，在一定深度范圍內(nèi)巖體的自重應(yīng)力數(shù)值不大，巖體基本上處于彈性狀態(tài)。當(dāng)埋深較大且超過某一極限深度時(shí)，巖體的自重應(yīng)力就會(huì)超過巖體的彈性限度，巖體將處于塑性狀態(tài)。 方向巖體自重應(yīng)力的方向是指向地心的。但巷道開挖后，自重應(yīng)力不但能產(chǎn)生頂板壓力，同樣可產(chǎn)生側(cè)壓，并且根據(jù)巖性不同而產(chǎn)生的水平壓力約等于垂直壓力的25%40%。2.構(gòu)造應(yīng)力定義地質(zhì)構(gòu)造作用在巖體內(nèi)積存著的應(yīng)力稱為構(gòu)造應(yīng)力。 構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的原

17、因是巖體中儲(chǔ)存的彈性變形能很大。巖體的彈性變形能越大，若巖體中的應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限，巖體就破壞，產(chǎn)生地質(zhì)構(gòu)造。 不規(guī)則形狀2.構(gòu)造應(yīng)力常見的是：向、背斜、逆斷層，他們的共同特點(diǎn)是構(gòu)造應(yīng)力的方向與構(gòu)造走向垂直，若巷道穿越壓應(yīng)力構(gòu)造帶，巷道圍巖不產(chǎn)生拉應(yīng)力。 壓應(yīng)力構(gòu)造最明顯常見的是張性斷層（正斷層），構(gòu)造應(yīng)力的方向與走向一致，若在構(gòu)造應(yīng)力場內(nèi)布置巷道，巷道圍巖將遭受拉應(yīng)力作用，支護(hù)非常困難。 拉應(yīng)力構(gòu)造常見的是平推斷層和剪切縫，構(gòu)造應(yīng)力的方向是剪切縫銳角平分線方向。構(gòu)造應(yīng)力值的主要獲取手段是實(shí)測，并輔以麥克庫欽理論加以驗(yàn)證。 剪應(yīng)力構(gòu)造（二）巷道支承壓力的分布規(guī)律及對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響在巖體內(nèi)開掘巷

18、道后，巷道上方懸露巖層的質(zhì)（重）量將要轉(zhuǎn)移到兩幫的煤（巖）體上，在巷道兩側(cè)形成應(yīng)力升高區(qū)，而在巷道底板出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，在應(yīng)力升高區(qū)以外，仍保持原始應(yīng)力狀態(tài) 。開掘后，巷道周邊巖石的受力狀態(tài)由三向壓縮轉(zhuǎn)為雙向壓縮，巖石強(qiáng)度有很大減弱。在集中應(yīng)力的作用下，巷道兩側(cè)邊緣的圍巖就要被壓裂甚至壓碎，此處應(yīng)力也隨之降低。由于這種破碎區(qū)的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致應(yīng)力再一次重新分布，支承壓力向巖體深部發(fā)展，巷道周圍即被應(yīng)力降低區(qū)（即破碎區(qū)）所包圍 。二、圍巖壓力及其影響因素井巷地壓包括變形地壓和松動(dòng)地壓兩類。變形地壓又分為彈性變形壓力和塑性變形壓力。彈性變形壓力，不是支護(hù)的對(duì)象。 塑性變形壓力。如果能及時(shí)地進(jìn)行支護(hù),不

19、會(huì)造成巷道失穩(wěn)。 減小應(yīng)力集中和避免采動(dòng)影響是控制變形壓力的首要措施。 圍巖壓力松動(dòng)壓力按成因劃分為巷道的頂壓、側(cè)壓和底壓三種類型。 巷道開掘以后，暴露出來的頂板巖石，類似雙支梁一樣支承上部巖石的壓力。受力后的頂板梁將向下彎曲，靠近巷道頂板線的巖石承受拉力而裂開 。隨著裂隙的增多、擴(kuò)大，巖石就開始冒落，它的壓力也將逐漸降低，而作用在巷道兩幫巖石上的壓力卻逐漸增加 當(dāng)頂板破碎巖石冒落到一定范圍而形成自然平衡拱時(shí)，就停止冒落。這時(shí)頂板又處于新的平衡狀態(tài)，巷道上部的壓力，通過拱頂傳到巷道兩幫巖石上。頂板下沉變形和頂板冒落的巖石作用在支承物上的壓力稱為頂壓。 （a）頂板下沉兩幫擠進(jìn) （b）頂板起尖兩幫擠進(jìn) （c）頂?shù)装逡平鼉蓭蛿D進(jìn)巷道側(cè)壓引起的兩幫擠進(jìn)圖巷道產(chǎn)生的側(cè)壓得到新的平衡之后，新的自然平衡拱仍將上部的壓力傳給巷道兩幫，再傳給底板。當(dāng)巷道底板結(jié)構(gòu)為軟弱巖層時(shí)，底板在水平集中壓力作用下的底鼓變形十分明顯，圍巖控制的重點(diǎn)將是底鼓。 根據(jù)上述三種圍巖松動(dòng)壓力產(chǎn)生的原因可知，側(cè)壓和底壓都是由頂壓引起的，而頂壓與巷道的掘進(jìn)及支護(hù)關(guān)系更為密切。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)于頂壓所引起的圍巖變形移