礦山巖石和巖體的基本性質(zhì).ppt

1、1,礦山壓力與巖層控制,主講：王旭宏 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院,2,第一章礦山巖石和巖體的基本性質(zhì),3,主要研究內(nèi)容： 礦山壓力的形成與巷硐開掘后圍巖的力學(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)；巖石的破壞機理和強度理論；巖體的基本特征和類型.,4,本章的重點 1、巖石與巖體的區(qū)別 2、巖石的碎脹性和壓實性 3、巖體結(jié)構(gòu)的類型 本章的難點：無,5,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) 巖石的破壞機理和第四節(jié) 巖體的基本特征和類型,本 章 目 錄,6,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

2、巖石,7,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)的三個重要因素：,8,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：強度高、均質(zhì)性好,沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性,（煤礦多見）,9,第二節(jié) 巖石的基本物理性質(zhì),一 、巖石的碎脹性和壓實性 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

3、與巖石破碎前處于整體狀態(tài)下的體積之比來表示，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。,10,巖石的碎脹系數(shù)對礦壓控制，尤其是對回來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)。例如堅便巖石破碎后塊度較大且排列整齊時，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。 煤礦中常見的巖石碎脹系數(shù)見表。,11,巖石破碎后，在其自重和外加裁荷的作用下會逐漸壓實，體積隨之減少

4、，碎脹系數(shù)比初始破碎時相應(yīng)地變小，這種性質(zhì)稱為巖石的壓實性。 壓實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到了其原始高度40-50%,12,二、密度與比重 巖石的密度：單位體積內(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的單 位體積質(zhì)量（水中浸48小時）,（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,13,（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時的質(zhì)量比 VC固

5、體體積； 水的比重,G1巖石固體的質(zhì)量。,（KN/m3）,14,三、巖石的軟化性 巖石浸水后其強度明顯降低，通常用軟化系數(shù)來表示水分對巖石強度的影響程度。 軟化系數(shù)是指水飽和巖石試件的單向抗壓強度與干燥巖石試件單向抗壓強度之比，可表示為,式中 c 巖石的軟化系數(shù)， R cW 水飽和巖石試件的單向抗壓強度，MPa； Rc 干燥巖石試件的單向抗壓強度，MPa。,研究巖石的軟化系數(shù)對于用高壓注水軟化巖體方法去控制堅硬難冒落項板有重要意義。煤礦中幾種常見巖石的軟化軟化系數(shù)都小于l，說明巖石普遍具有軟化性,軟化系數(shù)的變動幅度很大，對于強度較小的巖石其變化幅度更大。,15,16,第三節(jié) 巖石的破壞機理和強

6、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度理論.由于巖石的特點，常采用以下兩種強度理論。,莫爾強度理論,格里菲斯強度理論,17,莫爾強度理論 莫爾(Mohr)強度理論認(rèn)為，材料的破壞主要是與該點處的剪應(yīng)力及正應(yīng)力有關(guān)，在極限狀態(tài)其關(guān)系為： 此曲線由試驗而得，曲線上的每一點表示該處的與值是處于破壞的極限狀態(tài)，因而此曲線稱為巖石的強度曲線，也稱莫爾包絡(luò)線。 經(jīng)過實驗，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。 庫倫(coulomb)則認(rèn)為采用斜直線型包絡(luò)線足以供實踐中應(yīng)

7、用，其關(guān)系式為：,式中 c、-巖石的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角。 上述關(guān)系式又稱為“庫倫莫爾”強度條件,18,19,根據(jù)實驗煤礦巖層各種巖石的c、值如表。,20,格里菲斯強度理論 對于脆性材料，格里菲斯(AAGriffith)提出的破壞機理與“庫倫莫爾”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、隨機地分布著許多窄縫形的微裂隙。當(dāng)物體受力時在微裂隙的端部產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中，超出了計算出的理論抗拉強度，于是裂隙就沿其長度方向擴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

8、形狀近似一扁平的橢圓孔，它在雙向應(yīng)力作用下裂縫張開的條件為,21,第四節(jié) 巖體的基本特征和類型,(一)巖體的基本特征 概括來說，巖體與實驗室內(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，沒有特定的自然邊界。巖體的范圍常根據(jù)解決問題的需要來圈定； 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)歷了漫長的地質(zhì)作用過程。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

9、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。,22,(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 降低巖體強度,結(jié)構(gòu)面影響,(1)巖體結(jié)構(gòu)面分析,23,(2)結(jié)構(gòu)面的分類,中等結(jié)構(gòu)面 110m巨大結(jié)構(gòu)面 10m,細小結(jié)構(gòu)面 延長 1m,1絕對分類,2相對分類相對工程而言的分類見表。,24,3按力學(xué)觀點分類,破壞面 破壞帶 過渡型,充填 非充填,按力學(xué)觀點

10、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,無充填,有充填,有粘性充填物,按地質(zhì)破壞特點分五大類,十五小類,25,(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、抗拉強度，聲波傳播速度等, 隨加載或測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

11、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，因此從原則上說巖體屬于非連續(xù)體。,26,(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，通常可認(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)強度和抗變形能力，巖體的整體強度接近于巖石的強度，因而常具有很好的自穩(wěn)性能。,27,2塊狀結(jié)構(gòu) 它是指遭受中等構(gòu)造變動的厚層、中厚層沉積巖，巖層多為水平或傾斜狀，

12、節(jié)理發(fā)育，有小斷層及偶有層間偌動，巖石一般比較堅硬。 這類沉積巖通常由巖體單一或強度相近的巖層組合而成，根據(jù)構(gòu)造變動程度，可認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)或非連續(xù)介質(zhì)。這類巖體的整體強度也較高，巖體的變形、破壞受結(jié)構(gòu)面控制，它對一般跨度的巷硐是穩(wěn)定的，開挖后在短時間內(nèi)應(yīng)力即能達到平衡。,28,3層狀結(jié)構(gòu) 它是指構(gòu)造比較簡單的沉積巖，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。 這類巖體的特點是各個單層具有比較完整的層狀組合同時常含有粘結(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動面，其節(jié)理發(fā)育程度不等。巖體的完整性隨巖層變位程

13、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。,29,4碎裂結(jié)構(gòu) 它是指巖層受強烈構(gòu)造變動后產(chǎn)生嚴(yán)重變形和破裂的巖體。在這類巖體中，褶皺、斷層、層間錯動、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)在巷硐中懸露時經(jīng)常會發(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，也可以呈現(xiàn)與時間效應(yīng)有關(guān)的塑性變形。,30,5松散結(jié)構(gòu) 它是指經(jīng)受十分劇烈

14、的構(gòu)造變動后由斷層泥、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。這類巖體的整體強度極低，幾乎沒有自穩(wěn)能力，懸露時極不穩(wěn)定，在掘進巷道時，如不進行超前支護，會立即冒落。,31,第五節(jié) 巖體的基本力學(xué)性能與分級標(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)

15、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 壓密階段 彈性階段 塑性階段 破壞階段,32,33,2、影響巖體變形的因素,巖體結(jié)構(gòu)的影響： 整體結(jié)構(gòu)巖體：變形曲線與巖石的變形曲線基本類似，但其強度較低，原因是裂隙較多，體積較大。 塊狀結(jié)構(gòu)巖體：“塊式結(jié)構(gòu)”變形主要是沿結(jié)構(gòu)面滑動和壓縮，以及結(jié)構(gòu)體的內(nèi)在變形。“砌塊結(jié)構(gòu)”變形不僅包括結(jié)構(gòu)面的壓縮和滑移變形，又包括結(jié)構(gòu)體的變形和擴容，造成“假塑性變形”，現(xiàn)象。 層狀結(jié)構(gòu)巖體：表現(xiàn)出明顯的各項異性 裂隙結(jié)構(gòu)巖體：結(jié)構(gòu)面的壓縮和滑移變形其主導(dǎo)作用。 散體結(jié)構(gòu)巖體：由于碎屑和顆粒間的孔隙減少，其體積將縮小。,34,巖體結(jié)構(gòu)面的影響： 結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的影響：結(jié)構(gòu)面的張開與閉合程度、充填物的性質(zhì)與充填程度及粗糙