第一章 矿山岩石和岩体的基本性质.docx

第一章 矿山岩石和岩体的基本性质.docx

《第一章 矿山岩石和岩体的基本性质.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章 矿山岩石和岩体的基本性质.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第一章矿山岩石和岩体的基本性质

第一章矿山岩石和岩体的基本性质

第一节岩石的基本物理性质

一、岩石的基本概念

岩石是组成地壳的基本物质,由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律组合而成。

岩石是指从岩体中取出的，但其尺寸却不大，有时称为岩块。

岩石按不同的标准可分为不同类型，常见的分类有：

（1）按岩石成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。

（2）按岩石固体矿物颗粒间的结合特征，可分为固结性、粘结性、散粒状和流动性岩石四大类。

（3）按岩石的构成特征，可以区分岩石的结构和岩石的构造。

岩石的结构是决定岩石组织的各种特征（如矿物颗粒的组成成分、结晶程度、形状和大小以及它们之间的连接状况等）的总合；而岩石的构造则指岩石中组成成分的空间分布以及他们相互间的排列关系，如整体构造，多孔状构造和层状构造。

（4）按岩石的力学强度和坚实性，可分为坚硬岩石和松软岩石。

工程中常把饱水状态下单压强度大于10MPa的岩石称为坚硬岩石；而把低于该值的岩石称为松软岩石。

二、岩石的质量指标

（一）岩石的比重

岩石的比重是指岩石固体部分的实体积（不包括空隙体积）重量与4℃时同体积水重量和岩石固体部分实体积的比值。

其表达式为

（1-1）

式中——岩石的比重；

Gd——绝对干燥时岩石固体实体积的重量，kN；

Vc——岩石固体部分实体积，m3；

——水的容重，4℃时等于10（kN/m3）；

岩石比重取决于组成岩石的矿物比重，与岩石的空隙和吸水多少无关，且随岩石中重矿物含量的增多而增大。

煤矿中常见的岩石比重见表1-1。

（二）岩石的密度和容重

岩石的密度是指单位体积的岩石（包括空隙体积）质量，表达式为

（1-2）

式中——岩石的密度，kg/m3；

M——岩石的质量，kg；

V——岩石的体积，m3。

岩石的密度与组成岩石矿物密度、空隙和吸水多少有关。

根据岩石试样含水状态不同，岩石的密度可分为天然密度、饱和密度和干密度三种，前两种一般称为岩石的湿密度。

天然密度是指岩石在天然含水状态下的密度；饱和密度（）是指岩石在吸水饱和状态下的密度；干密度（）是指在105～110℃下干燥24h后的密度。

煤矿中常见的岩石密度见表1-1。

岩石的容重是指单位体积（包括空隙体积）内岩石的质量所受的重力（kN/m3）。

为便于计算，工程实践中,可根据岩石的密度换算出岩石的容重，其公式为

（1-3）

式中——岩石的容重，kN/m3；

——重力加速度，kN/kg；

——岩石的密度，kg/m3。

三、岩石的体积指标

（一）岩石的孔隙性

岩石的孔隙度指岩石中各种孔洞、裂隙体积的总和与岩石总体积之比，也称孔隙率

（1-4）

式中n——岩石的孔隙率，%；

V0——岩石中孔隙的总体积，m3；

V——岩石的总体积，m3。

岩石的孔隙比指岩石中各种孔洞和裂隙体积的总和与岩石内固体部分实体积之比，可表示为

（1-5）

式中——岩石的孔隙比；

——岩石内各种孔洞和裂隙体积的总和，m3；

——岩石内固体部分实体积，m3。

孔隙比与孔隙度之间的关系为

（1-6）

一般孔隙率愈大，岩石中孔隙和裂隙就愈多，岩石的密度和强度愈低，同时使塑性变形和渗透性增大。

煤矿中常见岩石的孔隙率和孔隙比见表1-1。

表1-1煤矿中常见岩石的比重、密度、孔隙率以及孔隙比

岩石种类

砂岩

页岩

石灰岩

板岩

煤

比重

2.60～2.75

2.57～2.77

2.48～2.85

—

—

密度（kg/m3）

（2～2.6）×103

（2～2.4）×103

（2.2～2.6）×103

—

（1.2～1.4）×103

一般（1.3～1.35）×103

孔隙率（%）

3～30

10～35

5～20

0.1～1.0

—

孔隙比

0.031～0.429

0.111～0.538

0.053～0.25

0.001～0.0101

—

（二）岩石的碎胀性和压实性

岩石的碎胀性指岩石破碎以后的体积比之前体积增大的性质。

常用岩石的碎胀系数来表示，即岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比，其表达式为

（1-7）

式中KP——岩石的碎胀系数；

V'——岩石破碎膨胀后的体积，m3；

V——岩石处于整体状态下的体积，m3。

煤矿中常见的岩石的碎胀系数见表1-2。

表1-2煤矿中常见岩石的碎胀系数和残余碎胀系数

岩石种类

碎胀系数

残余碎胀系数

砂

1.06～1.15

1.01～1.03

粘土

<1.2

1.03～1.07

碎煤

<1.2

1.05

粘土页岩

1.4

1.10

砂质页岩

1.6～1.8

1.1～1.15

硬砂岩

1.5～1.8

—

岩石的压实性可用残余碎胀系数（）来表示，即压实后的体积与破碎前体积之比，煤矿中常见岩石残余碎胀系数见表1-2。

破碎岩石被压实的程度与岩石本身的物理力学性质、外加载荷及破碎后经历的时间有关。

四、岩石的水理性质

（一）岩石的透水性

岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性，其原因是岩石中存在大量的孔隙和裂隙，且大多数相互连通，在一定压力作用下，岩石孔隙和裂隙中的地下水就可以在岩石中通过（渗透）。

衡量岩石透水性的指标为渗透系数。

由于目前对于水在岩石中的渗流规律还不完全清楚，其研究方法也不够完善，通常近似其服从达西（Darcy）定律。

按此规律，渗透系数的表达式为

（1-8）

式中K——渗透系数，m/s；

Q——单位时间内的渗水量，m3/s；

A——渗透面积，m2；

I——水力坡度。

煤矿中常见岩石的渗透系数见表1-3。

表1-3煤矿中常见岩石的渗透系数

岩石种类

渗透系数（m/s）

备注

泥岩

10-4

现场测定

粉砂岩

10-9～10-8

实验室测定

细砂岩

2×10-7

实验室测定

坚硬砂岩

4.4×10-5～3.9×10-4

砂岩或多裂隙页岩

>10-3

致密的石灰岩

<10-10

有裂隙的石灰岩

2～4

（二）岩石的软化性

岩石的软化性是指岩石浸水后其强度降低的性质，通常用软化系数表示水对岩石强度的影响程度，即水饱和岩石试件的单轴抗压强度与干燥岩石试件单轴抗压强度之比

（1-9）

式中——岩石的软化系数；

——水饱和岩石试件的单轴抗压强度，MPa；

——干燥岩石试件的单轴抗压强度，MPa。

煤矿中常见岩石的软化系数见表1-4。

表1-4煤矿中常见岩石的软化系数

岩石种类

干试件抗压强度（MPa）

水饱和试件抗压强度（MPa）

软化系数

粘土岩

20.3～57.8

2.35～31.2

0.08～0.87

页岩

55.8～133.3

13.4～73.6

0.24～0.55

砂岩

17.1～245.8

5.6～240.6

0.44～0.97

石灰岩

13.1～202.6

7.6～185.4

0.58～0.94

（三）岩石的膨胀性和崩解性

岩石的膨胀性是指软岩浸水后体积增大和相应地引起压力增大的性质。

岩石遇水膨胀的特性可用膨胀应力和膨胀率这两个指标来表示。

岩石的崩解性是指软岩浸水后发生的解体现象，用耐崩解性指数表示，即岩样在承受干燥和湿润两个标准循环之后，岩样对软化和崩解作用所表现出的抵抗能力。

它直接反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗水侵蚀作用的能力。

（四）岩石的吸水性和抗冻性

岩石的自然吸水率是试件在常温常压下吸入水分的质量与试件的干质量之比，如不专门指明，岩石的吸水率即指自然吸水率，其表达式为

（1-10）

式中——岩石的（自然）吸水率

Mw——岩石试件在大气压力下吸入水分的质量，kg；

Md——岩石试件干燥时的质量，kg。

岩石的饱和吸水率是试件在真空、加压（一般为15MPa）条件下吸入水分的质量与试件的干质量之比，简称饱水率，即

（1-11）

式中——岩石的饱和吸水率；

——岩石试件的饱和吸水后的质量，kg。

饱水系数则是指岩石的吸水率与饱水率之比，即为

（1-12）

式中J——饱水系数，一般（0.5～0.8）。

岩石的吸水率见表1-5。

表1-5几种岩石的吸水率

岩石种类

花岗岩

砂岩

页岩

石灰岩

板岩

吸水率

0.1～0.92

0.20～12.19

1.8～3.0

0.10～4.45

0.10～0.95

岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的能力，常用的评价指标有岩石的抗冻系数和质量损失率。

岩石的抗冻系数是指岩石冻融试验后的干抗压强度与之前的干抗压强度之比，即

（1-13）

式中——岩石的抗冻系数；

——冻融前岩石干抗压强度，MPa；

——冻融后岩石干抗压强度，MPa。

岩石冻融前后干试件的质量差与冻融前干试件的质量之比，称为岩石的质量损失率，即

（1-14）

式中——岩石的质量损失率；

——岩石试件冻融前的质量，kg；

——岩石试件冻融后的质量，kg。

五、岩石的热性和电磁性

（一）岩石的容热性

岩石的容热性指岩石进行热交换时所吸收热量的能力，用岩石的比热（C）和容积热容（CV）表示。

（二）岩石的电磁特性

岩石的导电性是指岩石介质传导电流的能力，常用电阻率或电导率来表示。

岩石的磁性包括感应磁性及剩余磁性，前者指岩石被现代地磁场磁化而产生的磁性，后者则指岩石形成过程中被当时地磁场磁化所保留下的磁性。

感应磁化强度和剩余磁化强度是表征这两种磁性强弱的常用指标，其二者之和可反映岩石所具有的总磁性，称为总磁化强度。

第二节岩石的强度和变形特性

一、岩石变形性质的类别及其指标

（一）岩石变形性质的类别

岩石的变分为弹性变形、塑性变形和粘性变形三种。

岩石的弹性是指岩石在外力作用下产生变形，当撤去外力后岩石变形能完全恢复到其原始状态的性质，随岩石性质的不同可分为三种不同的弹性特征（见图1-1）

①线弹性——应力-应变关系呈直线关系；

完全弹性——应力-应变关系不是直线关系，卸载时应力应变沿原来曲线返回原点；

滞弹性——应力-应变关系为曲线关系、无残余变形，但卸载时应力应变沿另一条曲线返回原点。

理想的岩石塑性变形应力-应变关系曲线如图1-2a所示。

应变硬化（图1-2b）。

图1-3为一般岩石的变形曲线，从中可看出，在外力达到屈服应力时，开始卸载初期，应力-应变曲线比较陡，但当卸载接近结束时则较平缓，甚至当完全除去应力后，还有部分变形恢复，此即弹性后效现象。

（二）岩石变形指标

泊松比是指岩石在单轴压缩条件下横向应变和轴向应变的比值，也称横向变形系数，其表达式为

（1-16）

式中——岩石的泊松比；

、——岩石试件的横向应变和轴向应变。

（1）当岩石在单向受压条件下，其轴向应力-应变曲线呈直线时（见图1-4），其弹性模量的表达式为

（1-17）

式中——岩石的弹性模量，kPa；

——轴向应力-应变曲线上任一点的轴向应力，kPa；

——对应于的轴向应变。

（2）当其轴向应力-应变曲线为非线性关系时，则有三种弹性模量的定义（如图1-5），即

初始模量：

曲线过原点的切线斜率，即

（1-18）

切线模量：

曲线上某一点M的切线斜率，即

（1-19）

割线模量：

曲线上某一点M的纵横坐标之比，即

（1-20）

（3）当岩石在受力后既有弹性又有塑性变形时（如图1-3），用岩石的变形模量来表征其总变形，

（1-2