第一章

礦山巖石和巖體的基本性質1主要探討內容：礦山壓力的形成與巷硐開掘后圍巖的力學性質有親密關系。介紹礦山巖石、巖體的基本概念；巖石的基本物理性質；巖石的破壞機理和強度理論；巖體的基本特征和類型.2本章的重點1、巖石與巖體的區分2、巖石的碎脹性和壓實性3、巖體結構的類型本章的難點：無3第一節礦山巖石的基本概念

其次節巖石的基本理性質

第三節巖石的破壞機理和

第四節巖體的基本特征和類型本章目錄4第一節礦山巖石的基本概念巖石:構成巖體的基本單位巖體=巖石+結構面巖塊:從巖體中取出,尺寸不大的巖石

巖體結構面巖塊不連續面：包括節理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面5巖石：由礦物或巖屑在地質作用下按確定規律聚集而形成的自然物體。構造:組成成分的空間分布及其相互間排列關系礦物：存在地殼中的具有確定化學成分和物理性質的自然元素和化合物。結構：組成巖石的物質成分、顆粒大小和形態以及其相互結合的狀況。影響巖石力學性質和物理性質的三個重要因素：6巖石分類變質巖：不穩定與變質程度和原巖性質有關巖漿巖：強度高、均質性好沉積巖：強度不穩定，各向異性（煤礦多見）7其次節巖石的基本物理性質一、巖石的碎脹性和壓實性巖石裂開以后的體積將比整體狀態下增大，這種性質稱為巖石的碎脹性。巖石的碎脹性可用巖石裂開后處于松散狀態下的體積與巖石裂開前處于整體狀態下的體積之比來表示，該值稱為碎脹系數，即式中Kp——巖石的碎脹系數；V′——巖石裂開膨脹后的體積，V——巖石處于整體狀態下的體積巖石的基本物理力學性質是巖體最基本、最重要的性質之一，也是巖石力學學科中探討最早、最完善的內容之一。8巖石的碎脹系數對礦壓限制，尤其是對回來工作面的頂板管理有重要意義。碎脹系數與巖石的物理性質、裂開后塊度的大小及其排列狀態等因素有關。例如堅便巖石裂開后塊度較大且排列整齊時，碎脹系數較小，反之，如裂開后塊度較小且排列較雜亂，則碎脹系數較大。煤礦中常見的巖石碎脹系數見表。9巖石裂開后，在其自重和外加裁荷的作用下會漸漸壓實，體積隨之削減，碎脹系數比初始裂開時相應地變小，這種性質稱為巖石的壓實性。壓實后的體積與裂開前原始體積之比，稱為殘余碎脹系數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%10二、密度與比重巖石的密度：單位體積內巖石的質量。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量（水中浸48小時）

（1）自然密度：自然狀態下，單位體積質量

G——巖石總質量；V——總體積。VV——孔隙體積11（3）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發后的單位體積質量（108℃烘24h）

巖石的比重：巖石固體質量（G1）與同體積水在4℃時的質量比VC——固體體積；——水的比重G1——巖石固體的質量。（KN/m3）12三、巖石的軟化性巖石浸水后其強度明顯降低，通常用軟化系數來表示水分對巖石強度的影響程度。軟化系數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ηc——巖石的軟化系數，

Rc．W——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。探討巖石的軟化系數對于用高壓注水軟化巖體方法去限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都小于l，說明巖石普遍具有軟化性,軟化系數的變動幅度很大，對于強度較小的巖石其變更幅度更大。1314第三節巖石的破壞機理和強度理論巖石在不同受載條件下可能出現不同的破壞形式，在工程實踐中就要求了解巖石的破壞條件，即處于什么樣的應力狀態下巖石要發生破壞，出此提出了各種不同的巖石強度理論.由于巖石的特點，常接受以下兩種強度理論。莫爾強度理論格里菲斯強度理論15莫爾強度理論莫爾(Mohr)強度理論認為，材料的破壞主要是與該點處的剪應力τ及正應力σ有關，在極限狀態其關系為：

此曲線由試驗而得，曲線上的每一點表示該處的τ與σ值是處于破壞的極限狀態，因而此曲線稱為巖石的強度曲線，也稱莫爾包絡線。經過試驗，此曲線有人認為是拋物線、也有人認為可按雙曲線或擺線考慮。庫倫(coulomb)則認為接受斜直線型包絡線足以供實踐中應用，其關系式為：式中c、ψ----巖石的內聚力與內摩擦角。上述關系式又稱為“庫倫—莫爾”強度條件1617依據試驗煤礦巖層各種巖石的c、ψ值如表。18格里菲斯強度理論對于脆性材料，格里菲斯(A．A．Griffith)提出的破壞機理與“庫倫—莫爾”準則不同，他認為，不論物體受力狀態如何(壓、拉都可)，本質上最終是由于拉伸應力引起材料破壞。該理論認為物體內勻整地、隨機地分布著很多窄縫形的微裂隙。當物體受力時在微裂隙的端部產生高度的應力集中，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。因此認為脆性材料是由于拉伸而破壞，并非由于剪切而破壞。依據格里菲斯的假定，巖石內的裂隙形態近似一扁平的橢圓孔，它在雙向應力作用下裂縫張開的條件為19第四節巖體的基本特征和類型(一)巖體的基本特征概括來說，巖體與試驗室內制作的巖石試件有顯著不同：1)巖體以自然狀態埋藏在地下確定深度處，處于特定的自然物理環境(地應地下水等)之中，這些因素無疑將對巖體的物理力學性質有很大影響；2)巖體由確定數量的巖石組成，沒有特定的自然邊界。巖體的范圍常依據解決問題的須要來圈定；3)巖體中存在各種地質構造和弱面。巖體在自然狀態下經驗了漫長的地質作用過程。在地應力作用下，巖體內部保留了各種永久變形的形態和各種地質構造形跡，如不整合、褶皺、斷層、節理、裂隙等等。依據上述特征，巖體定義為自然界中由各種巖性和各種結構特征的巖石所組成的集合體。20(二)巖體結構面所謂“結構面”，是指在地質發展歷史中，尤其是地質構造變形過程中形成的，具有確定方向、延展較大、厚度較小的二維面狀地質界面，它包括巖石物質的分界面和不連續面，如巖體中存在的層面、節理、斷層、懦弱夾層等，可統稱為結構面。巖體不連續性，各向異性反映區域性地質構造降低巖體強度結構面影響(1)巖體結構面分析21(2)結構面的分類

中等結構面

≤1～10m巨大結構面≥10m

細小結構面延長≤1m1．確定分類2．相對分類——相對工程而言的分類見表。223．按力學觀點分類破壞面破壞帶過渡型

充填非充填

按力學觀點的破壞面和破壞帶分類單節理節理組節理群羽毛狀節理裂開帶無充填有充填有粘性充填物按地質破壞特點分五大類十五小類23(三)巖體的力學特征1．巖體的非均質性：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成分、組織結構及其組合狀況常常變更，所以一般認為巖體是非均質的。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特性隨方向不同而表現出確定差異的性質。巖體的很多物理力學性質，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性類似，不僅由于物質成分、結構致密程度不同而造成，而且也受到各種結構面的影響。3．巖體的非連續性：由于巖體被各種結構面所切割，因此從原則上說巖體屬于非連續體。24(四)巖體結構的類型由于巖體中結構面性質、規模和切割密度等因素不同，巖體的力學性質和穩定性也就不同。按結構特征的不同，巖體可劃分為以下5種基本類型：1．整體結構它是指末受或僅受稍微構造變動的厚層沉積巖，巖層多呈水平或緩斜狀，節理不發育，很少有斷層，通常可認為是均質、連續介質。這類巖體本身有很高的力學強度和抗變形實力，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性能。252．塊狀結構它是指遭遇中等構造變動的厚層、中厚層沉積巖，巖層多為水平或傾斜狀，節理發育，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，依據構造變動程度，可認為是連續介質或非連續介質。這類巖體的整體強度也較高，巖體的變形、破壞受結構面限制，它對一般跨度的巷硐是穩定的，開挖后在短時間內應力即能達到平衡。263．層狀結構它是指構造比較簡潔的沉積巖，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力很小的層理面、極簿層或薄層狀的原生懦弱夾層以及稍微的層間錯動面，其節理發育程度不等。巖體的完整性隨巖層變位程度而定，介質類型屬于各向異性，非連續介質，其變形、破壞受巖層組合和結構面所限制，在跨度較大的巷硐頂部可能產生彎曲拆斷，而平行于巷硐側壁的急斜巖層可能發生臌出及脹裂。274．碎裂結構它是指巖層受猛烈構造變動后產生嚴峻變形和裂開的巖體。在這類巖體中，褶皺、斷層、層間錯動、節理特別發育，而且斷層與節理常常相互切割，使巖層完整性受到猛烈破壞，所以屬于非連續介質或似連續介質。這類巖體比較裂開，整體強度低，受力后的變形、破壞受結構面限制。當在巷硐中懸露時常常會發生片幫、冒頂、側向擠出和底臌等現象。假如碎裂巖體中泥質含量較高時，也可以呈現與時間效應有關的塑性變形。285．松散結構它是指經受特別猛烈的構造變動后由斷層泥、巖粉、壓碎的巖石碎屑、碎塊等所組成的巖體。它往往出現在大斷層交匯處，形成裂開帶，沿走向和沿傾斜的厚度變更極不規則。此外，近代未經膠結的松散沉積，如砂卵石層等也屬松散巖體。這類巖體的結構體呈顆粒狀、碎屑粉狀、角礫狀，屬于非連續介質。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物的限制作用，故常呈現明顯的塑性或流變性。這類巖體的整體強度極低，幾乎沒有自穩實力，懸露時極不穩定，在掘進巷道時，如不進行超前支護，會馬上冒落。29第五節巖體的基本力學性能與分級標準一、巖體的變形特征巖體在外力作用，變形將不斷發展直至破壞。巖體是具有彈性、塑性和粘性的裂隙非連續介質，因此變形特別困難，其力學性質是自然巖塊和結構弱面力學性質的綜合反映，即巖體總變形包括以壓縮和變形為主的結構體變形及以壓密和剪切滑移變形為主的結構面變形。1、巖體的應力－應變曲線分析⑴壓密階段⑵彈性階段⑶塑性階段⑷破壞階段30壓密階段彈性階段塑性階段破壞階段轉化點屈服點極限強度巖體應力應變曲線31

2、影響巖體變形的因素巖體結構的影響：①整體結構巖體：變形曲線與巖石的變形曲線基本類似，但其強度較低，緣由是裂隙較多，體積較大。②塊狀結構巖體：“塊式結構”變形主要是沿結構面滑動和壓縮，以及結構體的內在變形。“砌塊結構”變形不僅包括結構面的壓縮和滑移變形，又包括結構體的變形和擴容，造成“假塑性變形”，現象。③層狀結構巖體：表現出明顯的各項異性④裂隙結構巖體：結構面的壓縮和滑移變形其主導作用。⑤散體結構巖體：由于碎屑和顆粒間的孔隙削減，其體積將縮小。32巖體結構面的影響：①結構面性質的影響：結構面的張開與閉合程度、充填物的性質與充