第一章 礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)

第一章礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)1第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四第一章

礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)2第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四主要研究?jī)?nèi)容：

礦山壓力的形成與巷硐開(kāi)掘后圍巖的力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系。介紹礦山巖石、巖體的基本概念；巖石的基本物理性質(zhì)；巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論；巖體的基本特征和類型.3第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四本章的重點(diǎn)1、巖石與巖體的區(qū)別2、巖石的碎脹性和壓實(shí)性3、巖體結(jié)構(gòu)的類型本章的難點(diǎn)：無(wú)4第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四第一節(jié)礦山巖石的基本概念

第二節(jié)巖石的基本理性質(zhì)

第三節(jié)巖石的破壞機(jī)理和

第四節(jié)巖體的基本特征和類型本章目錄5第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四第一節(jié)礦山巖石的基本概念巖石:構(gòu)成巖體的基本單位巖體=巖石+結(jié)構(gòu)面巖塊:從巖體中取出,尺寸不大的巖石

巖體結(jié)構(gòu)面巖塊不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面6第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四巖石：由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而形成的自然物體。構(gòu)造:組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系礦物：存在地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物。結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及其相互結(jié)合的情況。影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個(gè)重要因素：7第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四巖石分類變質(zhì)巖：不穩(wěn)定與變質(zhì)程度和原巖性質(zhì)有關(guān)巖漿巖：強(qiáng)度高、均質(zhì)性好沉積巖：強(qiáng)度不穩(wěn)定，各向異性（煤礦多見(jiàn)）8第八頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)一、巖石的碎脹性和壓實(shí)性

巖石破碎以后的體積將比整體狀態(tài)下增大，這種性質(zhì)稱為巖石的碎脹性。巖石的碎脹性可用巖石破碎后處于松散狀態(tài)下的體積與巖石破碎前處于整體狀態(tài)下的體積之比來(lái)表示，該值稱為碎脹系數(shù)，即式中Kp

——巖石的碎脹系數(shù)；V′——巖石破碎膨脹后的體積，V——巖石處于整體狀態(tài)下的體積巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。

9第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四巖石的碎脹系數(shù)對(duì)礦壓控制，尤其是對(duì)回來(lái)工作面的頂板管理有重要意義。碎脹系數(shù)與巖石的物理性質(zhì)、破碎后塊度的大小及其排列狀態(tài)等因素有關(guān)。例如堅(jiān)便巖石破碎后塊度較大且排列整齊時(shí)，碎脹系數(shù)較小，反之，如破碎后塊度較小且排列較雜亂，則碎脹系數(shù)較大。煤礦中常見(jiàn)的巖石碎脹系數(shù)見(jiàn)表。10第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四巖石破碎后，在其自重和外加裁荷的作用下會(huì)逐漸壓實(shí)，體積隨之減少，碎脹系數(shù)比初始破碎時(shí)相應(yīng)地變小，這種性質(zhì)稱為巖石的壓實(shí)性。壓實(shí)后的體積與破碎前原始體積之比，稱為殘余碎脹系數(shù)Kp′。在工作面后方50-60m處，矸石帶的總壓縮量達(dá)到了其原始高度40-50%11第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、密度與比重巖石的密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)巖石的質(zhì)量。巖石含固相、液相、氣相，三相比例不同而密度不同。（2）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時(shí)的單位體積質(zhì)量（水中浸48小時(shí)）

（1）天然密度：自然狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量

G——巖石總質(zhì)量；V——總體積。VV——孔隙體積12第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四（3）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量（108℃烘24h）

巖石的比重：巖石固體質(zhì)量（G1）與同體積水在4℃時(shí)的質(zhì)量比VC——固體體積；——水的比重G1——巖石固體的質(zhì)量。（KN/m3）13第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四三、巖石的軟化性巖石浸水后其強(qiáng)度明顯降低，通常用軟化系數(shù)來(lái)表示水分對(duì)巖石強(qiáng)度的影響程度。軟化系數(shù)是指水飽和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)度之比，可表示為

式中ηc——巖石的軟化系數(shù)，Rc．W——水飽和巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度，MPa；Rc——干燥巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度，MPa。研究巖石的軟化系數(shù)對(duì)于用高壓注水軟化巖體方法去控制堅(jiān)硬難冒落項(xiàng)板有重要意義。煤礦中幾種常見(jiàn)巖石的軟化軟化系數(shù)都小于l，說(shuō)明巖石普遍具有軟化性,軟化系數(shù)的變動(dòng)幅度很大，對(duì)于強(qiáng)度較小的巖石其變化幅度更大。14第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四15第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三節(jié)巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論

巖石在不同受載條件下可能出現(xiàn)不同的破壞形式，在工程實(shí)踐中就要求了解巖石的破壞條件，即處于什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下巖石要發(fā)生破壞，出此提出了各種不同的巖石強(qiáng)度理論.由于巖石的特點(diǎn)，常采用以下兩種強(qiáng)度理論。莫爾強(qiáng)度理論格里菲斯強(qiáng)度理論16第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四莫爾強(qiáng)度理論莫爾(Mohr)強(qiáng)度理論認(rèn)為，材料的破壞主要是與該點(diǎn)處的剪應(yīng)力τ及正應(yīng)力σ有關(guān)，在極限狀態(tài)其關(guān)系為：

此曲線由試驗(yàn)而得，曲線上的每一點(diǎn)表示該處的τ與σ值是處于破壞的極限狀態(tài)，因而此曲線稱為巖石的強(qiáng)度曲線，也稱莫爾包絡(luò)線。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，此曲線有人認(rèn)為是拋物線、也有人認(rèn)為可按雙曲線或擺線考慮。庫(kù)倫(coulomb)則認(rèn)為采用斜直線型包絡(luò)線足以供實(shí)踐中應(yīng)用，其關(guān)系式為：式中c、ψ----巖石的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角。上述關(guān)系式又稱為“庫(kù)倫—莫爾”強(qiáng)度條件17第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四18第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四根據(jù)實(shí)驗(yàn)煤礦巖層各種巖石的c、ψ值如表。19第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四格里菲斯強(qiáng)度理論

對(duì)于脆性材料，格里菲斯(A．A．Griffith)提出的破壞機(jī)理與“庫(kù)倫—莫爾”準(zhǔn)則不同，他認(rèn)為，不論物體受力狀態(tài)如何(壓、拉都可)，本質(zhì)上最終是由于拉伸應(yīng)力引起材料破壞。該理論認(rèn)為物體內(nèi)均勻地、隨機(jī)地分布著許多窄縫形的微裂隙。當(dāng)物體受力時(shí)在微裂隙的端部產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中，超出了計(jì)算出的理論抗拉強(qiáng)度，于是裂隙就沿其長(zhǎng)度方向擴(kuò)張．直至材料整體破壞。因此認(rèn)為脆性材料是由于拉伸而破壞，并非由于剪切而破壞。根據(jù)格里菲斯的假定，巖石內(nèi)的裂隙形狀近似一扁平的橢圓孔，它在雙向應(yīng)力作用下裂縫張開(kāi)的條件為20第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四節(jié)巖體的基本特征和類型(一)巖體的基本特征概括來(lái)說(shuō)，巖體與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作的巖石試件有顯著不同：1)巖體以自然狀態(tài)埋藏在地下一定深度處，處于特定的天然物理環(huán)境(地應(yīng)地下水等)之中，這些因素?zé)o疑將對(duì)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)有很大影響；2)巖體由一定數(shù)量的巖石組成，沒(méi)有特定的自然邊界。巖體的范圍常根據(jù)解決問(wèn)題的需要來(lái)圈定；3)巖體中存在各種地質(zhì)構(gòu)造和弱面。巖體在自然狀態(tài)下經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用過(guò)程。在地應(yīng)力作用下，巖體內(nèi)部保留了各種永久變形的形態(tài)和各種地質(zhì)構(gòu)造形跡，如不整合、褶皺、斷層、節(jié)理、裂隙等等。根據(jù)上述特征，巖體定義為自然界中由各種巖性和各種結(jié)構(gòu)特征的巖石所組成的集合體。21第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四(二)巖體結(jié)構(gòu)面

所謂“結(jié)構(gòu)面”，是指在地質(zhì)發(fā)展歷史中，尤其是地質(zhì)構(gòu)造變形過(guò)程中形成的，具有一定方向、延展較大、厚度較小的二維面狀地質(zhì)界面，它包括巖石物質(zhì)的分界面和不連續(xù)面，如巖體中存在的層面、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等，可統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面。巖體不連續(xù)性，各向異性反映區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造降低巖體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面影響(1)巖體結(jié)構(gòu)面分析22第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四(2)結(jié)構(gòu)面的分類

中等結(jié)構(gòu)面

≤1～10m巨大結(jié)構(gòu)面≥10m

細(xì)小結(jié)構(gòu)面延長(zhǎng)≤1m1．絕對(duì)分類2．相對(duì)分類——相對(duì)工程而言的分類見(jiàn)表。23第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四3．按力學(xué)觀點(diǎn)分類破壞面破壞帶過(guò)渡型

充填非充填

按力學(xué)觀點(diǎn)的破壞面和破壞帶分類單節(jié)理節(jié)理組節(jié)理群羽毛狀節(jié)理破碎帶無(wú)充填有充填有粘性充填物按地質(zhì)破壞特點(diǎn)分五大類十五小類24第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四(三)巖體的力學(xué)特征1．巖體的非均質(zhì)性：巖體可以由一種或幾種巖石組成，而且以后者居多。對(duì)于由多種巖石組成的巖體，由于在自然條件下組成巖石的物質(zhì)成分、組織結(jié)構(gòu)及其組合狀況經(jīng)常變化，所以一般認(rèn)為巖體是非均質(zhì)的。2．巖體的各向異性：各向異性是指物體的全部或部分物理力學(xué)特性隨方向不同而表現(xiàn)出一定差異的性質(zhì)。巖體的許多物理力學(xué)性質(zhì)，如彈性模量，抗壓、抗拉強(qiáng)度，聲波傳播速度等,隨加載或測(cè)試方向不同而有顯著差別。巖體的各向異性也和非均質(zhì)性類似，不僅由于物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)致密程度不同而造成，而且也受到各種結(jié)構(gòu)面的影響。3．巖體的非連續(xù)性：由于巖體被各種結(jié)構(gòu)面所切割，因此從原則上說(shuō)巖體屬于非連續(xù)體。25第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四(四)巖體結(jié)構(gòu)的類型由于巖體中結(jié)構(gòu)面性質(zhì)、規(guī)模和切割密度等因素不同，巖體的力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性也就不同。按結(jié)構(gòu)特征的不同，巖體可劃分為以下5種基本類型：1．整體結(jié)構(gòu)它是指末受或僅受輕微構(gòu)造變動(dòng)的厚層沉積巖，巖層多呈水平或緩斜狀，節(jié)理不發(fā)育，很少有斷層，通?？烧J(rèn)為是均質(zhì)、連續(xù)介質(zhì)。這類巖體本身有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，巖體的整體強(qiáng)度接近于巖石的強(qiáng)度，因而常具有很好的自穩(wěn)性能。26第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四2．塊狀結(jié)構(gòu)它是指遭受中等構(gòu)造變動(dòng)的厚層、中厚層沉積巖，巖層多為水平或傾斜狀，節(jié)理發(fā)育，有小斷層及偶有層間偌動(dòng)，巖石一般比較堅(jiān)硬。這類沉積巖通常由巖體單一或強(qiáng)度相近的巖層組合而成，根據(jù)構(gòu)造變動(dòng)程度，可認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)或非連續(xù)介質(zhì)。這類巖體的整體強(qiáng)度也較高，巖體的變形、破壞受結(jié)構(gòu)面控制，它對(duì)一般跨度的巷硐是穩(wěn)定的，開(kāi)挖后在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)力即能達(dá)到平衡。27第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四

3．層狀結(jié)構(gòu)它是指構(gòu)造比較簡(jiǎn)單的沉積巖，巖層可以成水平或傾斜陡急狀。它可以由單一巖性或不同巖性的互層或夾層組合而成，巖層的單層厚度一般在0.5m左右。這類巖體的特點(diǎn)是各個(gè)單層具有比較完整的層狀組合同時(shí)常含有粘結(jié)力很小的層理面、極簿層或薄層狀的原生軟弱夾層以及輕微的層間錯(cuò)動(dòng)面，其節(jié)理發(fā)育程度不等。巖體的完整性隨巖層變位程度而定，介質(zhì)類型屬于各向異性，非連續(xù)介質(zhì)，其變形、破壞受巖層組合和結(jié)構(gòu)面所控制，在跨度較大的巷硐頂部可能產(chǎn)生彎曲拆斷，而平行于巷硐側(cè)壁的急斜巖層可能發(fā)生臌出及脹裂。28第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四4．碎裂結(jié)構(gòu)它是指巖層受強(qiáng)烈構(gòu)造變動(dòng)后產(chǎn)生嚴(yán)重變形和破裂的巖體。在這類巖體中，褶皺、斷層、層間錯(cuò)動(dòng)、節(jié)理十分發(fā)育，而且斷層與節(jié)理經(jīng)常互相切割，使巖層完整性受到強(qiáng)烈破壞，所以屬于非連續(xù)介質(zhì)或似連續(xù)介質(zhì)。這類巖體比較破碎，整體強(qiáng)度低，受力后的變形、破壞受結(jié)構(gòu)面控制。當(dāng)在巷硐中懸露時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生片幫、冒頂、側(cè)向擠出和底臌等現(xiàn)象。如果碎裂巖體中泥質(zhì)含量較高時(shí)，也可以呈現(xiàn)與時(shí)間效應(yīng)有關(guān)的塑性變形。29第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四

5．松散結(jié)構(gòu)它是指經(jīng)受十分劇烈的構(gòu)造變動(dòng)后由斷層泥、巖粉、壓碎的巖石碎屑、碎塊等所組成的巖體。它往往出現(xiàn)在大斷層交匯處，形成破碎帶，沿走向和沿傾斜的厚度變化極不規(guī)則。此外，近代未經(jīng)膠結(jié)的松散沉積，如砂卵石層等也屬松散巖體。這類巖體的結(jié)構(gòu)體呈顆粒狀、碎屑粉狀、角礫狀，屬于非連續(xù)介質(zhì)。它受力后的變形、滑移，主要取決于散粒體之間的摩擦阻力和泥質(zhì)物的控制作用，故常呈現(xiàn)明顯的塑性或流變性。這類巖體的整體強(qiáng)度極低，幾乎沒(méi)有自穩(wěn)能力，懸露時(shí)極不穩(wěn)定，在掘進(jìn)巷道時(shí)，如不進(jìn)行超前支護(hù)，會(huì)立即冒落。30第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五節(jié)巖體的基本力學(xué)性能與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一、巖體的變形特征巖體在外力作用，變形將不斷發(fā)展直至破壞。巖體是具有彈性、塑性和粘性的裂隙非連續(xù)介質(zhì)，因此變形非常復(fù)雜，其力學(xué)性質(zhì)是天然巖塊和結(jié)構(gòu)弱面力學(xué)性質(zhì)的綜合反映，即巖體總變形包括以壓縮和變形為主的結(jié)構(gòu)體變形及以壓密和剪切滑移變形為主的結(jié)構(gòu)面變形。1、巖體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線分析⑴壓密階段⑵彈性階段⑶塑性階段⑷破壞階段31第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓密階段彈性階段塑性階段破壞階段轉(zhuǎn)化點(diǎn)屈服點(diǎn)極限強(qiáng)度巖體應(yīng)力應(yīng)變曲線32第三十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期四