第一章礦山巖石和巖體

的基本性質(zhì)11.0概述1.1巖石的物理性質(zhì)

1.2巖石的強(qiáng)度1.3巖石的破壞準(zhǔn)則1.4巖石的變形1.5巖體的基本特征與力學(xué)性能21.0概述巖石是組成地殼的基本物質(zhì)，它由各種造巖礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律（通過結(jié)晶聯(lián)結(jié)或借助于膠結(jié)物粘結(jié)）組合而成。它可以是尺寸很小的礦物顆粒，也可以是相當(dāng)大的巖體。31.0概述自然狀態(tài)下的巖石，按其固體礦物顆粒之間的結(jié)合特征，可以分為固結(jié)性巖石、粘結(jié)性巖石、散粒狀巖石、流動性巖石（如流砂）等。所謂固結(jié)性巖石是指造巖礦物的固體顆粒之間成剛性聯(lián)系，破碎后可以保持其一定形狀的巖石。在煤礦中遇到的大多是固結(jié)性巖石，常見的有砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖、泥巖、粉砂巖等，比校少見的有礫巖、泥灰?guī)r等。所以對于采礦工程，重點(diǎn)是研究固結(jié)性巖石的有關(guān)性質(zhì)。51.0概述按照巖石的力學(xué)強(qiáng)度和堅(jiān)實(shí)性，常把礦山巖石分為堅(jiān)硬巖石和松軟巖石。一般將飽水狀態(tài)下單向抗壓強(qiáng)度大于5MPa的巖石叫做堅(jiān)硬巖石，而把低于該值的膠結(jié)巖石（如泥巖、泥質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r、硅化粘土等）稱為松軟巖石。（實(shí)踐中常把單向抗壓強(qiáng)度小于10MPa的巖石看作是松軟巖石）。松軟巖石具有結(jié)構(gòu)疏松，視密度小，孔隙率大，強(qiáng)度低，遇水易于膨脹及有明顯流變性等特點(diǎn)。從礦壓控制的角度來看，這類巖石往往會給采掘工作造成很大困難。61.0概述按照巖石的構(gòu)成特征，可以區(qū)分出巖石的結(jié)構(gòu)和巖石的構(gòu)造這兩個(gè)概念。巖石的結(jié)構(gòu)是指決定巖石組織的各種特征的總合，通常是指巖石中礦物顆粒的結(jié)晶程度，礦物或巖石碎屑顆粒的形狀和大小，顆粒之間相互連結(jié)狀況，以及膠結(jié)物的膠結(jié)類型等特征。71.0概述組成巖石的物質(zhì)顆粒大小差異程度，決定著巖石的非均質(zhì)性。顆粒愈均勻，巖石的力學(xué)性質(zhì)也愈均勻。顆粒大小也影響到巖石的力學(xué)性質(zhì)，一般來說，組成巖石的物質(zhì)顆粒愈小，則該巖石的強(qiáng)度愈大。81.0概述巖石的構(gòu)造是指巖石中礦物顆粒集合體之間，以及它與其它組成部分之間的排列方式和充填方式。從礦山巖石力學(xué)觀點(diǎn)來看，最重要的是以下幾種構(gòu)造：1)整體構(gòu)造——巖石的顆?；ハ鄧?yán)密地緊貼在一起，沒有固定的排列方向。2)多孔狀構(gòu)造——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）；3)層狀構(gòu)造——巖石顆粒互相交替，表現(xiàn)出層次疊置現(xiàn)象（層理）。101.0概述在大多數(shù)巖石力學(xué)文獻(xiàn)中，所謂巖石一般是指小塊巖石，有時(shí)稱之為巖塊，以表示區(qū)別于自然狀態(tài)下的巖體。所以，巖塊是指從巖體中取出的、尺寸不大的巖石，如實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)過程中所用的巖石試件就屬于巖塊。121.0概述工程中所涉及的是巖體，在設(shè)計(jì)前必須取得—定數(shù)量的巖體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，然而，做大量巖體的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)是很不經(jīng)濟(jì)的。既然同種類的巖石與巖體的區(qū)別是體積大小和有無弱面存在，那么它們之間必然有一定的內(nèi)在聯(lián)系，因此，目前還是多以巖塊的性質(zhì)通過一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系找出巖體的力學(xué)性質(zhì)，這樣，既節(jié)約費(fèi)用又節(jié)省時(shí)問。141.0概述與巖體工程有關(guān)的巖石性質(zhì)有物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，表征這些性質(zhì)的參數(shù)和指標(biāo)是巖石力學(xué)計(jì)算中不可缺少的重要數(shù)據(jù)。因此，巖體工程中總要做大量的巖石物理力學(xué)性質(zhì)的測量工作。當(dāng)然，測試方法是否科學(xué)、所得的結(jié)果是否反映巖石客觀存在的性質(zhì)天很重要的。隨著巖石力學(xué)理論和測試技術(shù)的發(fā)展，測試方法將不斷更新，測得的有關(guān)指標(biāo)將會更接近巖石實(shí)際狀況。151.1巖石的物理性質(zhì)1.1.1巖石的密度1.1.2巖石的孔隙性1.1.3巖石的碎脹性和壓實(shí)性1.1.4巖石的吸水性1.1.5巖石的透水性1.1.6巖石的軟化性1.1.7巖石的膨脹性與崩解性1.1.8巖石的熱學(xué)性質(zhì)161.1巖石的物理性質(zhì)用某種數(shù)值來描述巖石的某種物理性質(zhì)，這些數(shù)值就是巖石的物理性質(zhì)指標(biāo)。在工程上常用到的物理性質(zhì)指標(biāo)有密度、視密度、孔隙性、碎脹性和壓實(shí)性、吸水性、透水性、軟化性、膨脹性和崩解性等等。

171.1巖石的物理性質(zhì)為了測定這些指標(biāo)，一般都采用巖樣在室內(nèi)作試驗(yàn)，必要時(shí)也可以在天然露頭上或探洞(井)中進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。在選用巖樣時(shí)應(yīng)考慮到它們對所研究地質(zhì)單元的代表性，并盡可能地保持其天然結(jié)構(gòu)。最好采用同一巖樣逐次地測定巖石的各種物理性質(zhì)指標(biāo)。下面分述各種物理性質(zhì)指標(biāo)。181.1.1巖石的密度巖石密度的大小取決于組成巖石的礦物密度，而與巖石的空隙和吸水多少無關(guān)。一般來說，巖石的密度接近于巖石礦物成分的密度。例如，硅質(zhì)膠結(jié)的石英砂巖的密度接近于石英(SiO2)的密度，而石灰?guī)r的密度接近于方解石(CaCO3)的密度。所以礦物的密度愈大，則巖石的密度也愈大。巖石的密度一般在左右，煤礦中常見巖石的密度見表3-1。20巖石的視密度

巖石的視密度是指單位體積的巖石(包括空隙)的質(zhì)量，可表示為：式中，—巖石的密度，；—巖石實(shí)體的質(zhì)量，kg；—巖石實(shí)體的體積，。

211.1.1巖石的密度天然視密度是指巖石在天然含水狀態(tài)下的視密度；干視密度()是指巖石在105～110℃溫度下干燥24h后的視密度；飽和視密度()是指巖石在吸水飽和狀態(tài)下的視密度。231.1.1巖石的密度當(dāng)巖石中能進(jìn)入水的空隙不多時(shí)，巖石的三種視密度之間差值很小。實(shí)驗(yàn)室測定一般只提供干視密度指標(biāo)，而且如果不說明含水狀態(tài)時(shí)，通常即指干視密度。對于遇水易于膨脹的某些松軟巖石，區(qū)分干視密度和飽和視密度有重要意義。24所謂巖石的容重應(yīng)指單位體積(包括空隙體積)內(nèi)巖石的質(zhì)量所受的重力()。

應(yīng)當(dāng)指出，長期以來，在巖石力學(xué)文獻(xiàn)中廣泛地應(yīng)用了巖石的容重這個(gè)術(shù)語，并常以符號表示（體積力）1.1.1巖石的密度26巖石的容重可在一定程度上反映出巖石的力學(xué)性質(zhì)情況。通常，巖石的容重愈大，則它的性質(zhì)就愈好，反之愈差。在圖上繪有各種碳酸鹽類巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與容重的相關(guān)關(guān)系。從圖上可以看出，隨著巖石容重的增加，極限抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)地增大。1.1.1巖石的密度271.1.1巖石的密度281.1.2巖石的孔隙性巖石的孔隙率通常根據(jù)巖石的密度和干視密度經(jīng)計(jì)算而求得，其關(guān)系式為301.1.2巖石的孔隙性有時(shí)，巖石的孔隙性也用孔隙比表示?？紫侗仁侵笌r石中各種孔洞和裂隙體積的總和與巖石內(nèi)固體部分實(shí)體積之比，可表示為：311.1.2巖石的孔隙性孔隙比與孔隙率之間有如下關(guān)系：巖石的孔隙性對巖石的其他性質(zhì)也有顯著影響。一般來說，孔隙率增大可使巖石的視密度和強(qiáng)度降低，同時(shí)使塑性變形和透水性增大。煤礦中常見巖石的孔隙率和孔隙比見表3-2。

321.1.2巖石的孔隙性孔隙率為開口孔隙率和封閉孔隙率，兩者之和總稱孔隙率。由于巖石的孔隙主要是由巖石內(nèi)的粒間孔隙和熹微裂隙所構(gòu)成，所以孔隙率是反映巖石致密程度和巖石質(zhì)量的重要參數(shù)。33上圖表示幾種碳酸鹽類巖石的孔隙率與極限抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系?？紫堵视蟊硎究障逗图?xì)微裂隙愈多，巖石的抗壓強(qiáng)度隨之降低。1.1.2巖石的孔隙性341.1.3巖石的碎張性和壓實(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)下的體積之比來表示，該值稱為碎脹系數(shù)，即351.1.3巖石的碎張性和壓實(shí)性巖石的碎脹系數(shù)對礦壓控制，尤其是對回采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)硬巖石破碎后塊度較大且排列整齊時(shí)，碎脹系數(shù)較?。环粗?，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3-3。36巖石破碎后，在其自重和外加載荷的作用下會逐漸壓實(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)，常以表示，其值見表3-3。破碎巖石被壓實(shí)的程度與巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)、外加載荷大小及破碎后經(jīng)歷的時(shí)間長短有關(guān)。1.1.3巖石的碎張性和壓實(shí)性37圖3-1回采工作面后方矸石帶的壓實(shí)情況離煤壁距離，m如圖3-1的例子表明，在工作面后方50～60m處，矸石帶的總壓縮量達(dá)到了其原始高度的40～50%。1.1.3巖石的碎張性和壓實(shí)性381.1.4巖石的吸水性

巖石的吸水性是指遇水不崩解的巖石在一定的試驗(yàn)條件下(規(guī)定的試樣尺寸和試驗(yàn)壓力)吸入水分的能力，通常以巖石的自然吸水率和強(qiáng)制吸水率表示。391.1.4巖石的吸水性巖石的自然吸水率是試件在大氣壓力作用下吸入水分的質(zhì)量與試件的干質(zhì)量之比。巖石的強(qiáng)制吸水率是試件在真空或加壓(一般為15MPa)條件下吸入水分的質(zhì)量與試件的干質(zhì)量之比，它也稱飽和吸水率。如果不專門指明，則巖石的吸水率即指自然吸水率。巖石的兩種吸水率可表示為401.1.4巖石的吸水性巖石吸水率的大小，取決于巖石所含孔洞、裂隙的數(shù)量、大小及其張開程度，同時(shí)也受吸水率試驗(yàn)方法和時(shí)間因素的影響。一般隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，吸水率也會有所增大。在工程上往往用吸水率的大小來評價(jià)巖石的抗凍性能。當(dāng)吸水率小于0.5%時(shí)，一般認(rèn)為該巖石是耐凍的。由于吸水率能有效地反映巖石中孔隙的發(fā)育程度，因此它是評定巖石性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。有關(guān)幾種巖石的吸水率見表3-4。411.1.4巖石的吸水性巖石吸水能力大小，一般取決于巖石所含孔隙的多少以及孔隙和細(xì)微裂隙的連通情況。巖石中包含的孔隙和細(xì)微裂隙愈多，連通情況愈好，則巖石吸入的水量就愈多。因此有時(shí)也把巖石吸水率這項(xiàng)指標(biāo)稱為孔隙指數(shù)，用符號i表示。孔隙指數(shù)與巖石的種類和巖石的生成年代有關(guān)。42上圖分別繪有砂巖和頁巖的孔隙指數(shù)隨地質(zhì)年代不同而變化的情況。1.1.4巖石的吸水性431.1.4巖石的吸水性在工程上常用巖石吸水率作為判斷巖石的抗凍性及風(fēng)化程度的指標(biāo)，并廣泛地與其它物理力學(xué)特征值建立關(guān)系，例如圖即表示縱波速度與吸水率之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著巖石吸水率的增加，彈性波在介質(zhì)中的傳播速度cp相應(yīng)地降低。441.1.5巖石的透水性

地下水存在于巖石的孔隙和裂隙中，而且大多數(shù)巖石的孔隙和裂隙是相互連通的。因而在一定的壓力作用下，地下水可以在巖石中通過(滲透)。這種巖石能被水透過的性能稱為巖石的透水性。巖石透水性的大小除了與地下水水頭和巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，主要與巖石的孔隙率、孔隙大小及其連通程度有關(guān)。451.1.5巖石的透水性衡量巖石透水性的指標(biāo)為滲透系數(shù)，其單位與速度相同。由達(dá)西定律可知()，單位時(shí)間內(nèi)的滲水量Q與滲透面積A和水力坡度I有正比關(guān)系，其中的比例系數(shù)K就稱為滲透系數(shù)。滲透系數(shù)一般是通過在鉆孔中進(jìn)行抽水試驗(yàn)或壓水試驗(yàn)來測定。461.1.5巖石的透水性47不同巖石的透水性差別極大，對于某些巖石來說，即使是同一種類型的巖石，其透水性也可以在很大范圍內(nèi)變化。有關(guān)幾種巖石的滲透系數(shù)見表3-5。這里應(yīng)當(dāng)特別強(qiáng)調(diào)巖石的滲透系數(shù)不僅與巖石及水的物理性質(zhì)有關(guān)，而且有時(shí)與巖石的應(yīng)力狀態(tài)也有很大關(guān)系。1.1.5巖石的透水性481.1.6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)來表示水分對巖石強(qiáng)度的影響程度。所謂軟化系數(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：491.1.6巖石的軟化性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)育的情況、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，則巖石浸水后強(qiáng)度降低程度愈大。此外，巖石浸水時(shí)間愈長，其強(qiáng)度降低程度也愈大，如某些砂巖浸水3d后單向抗壓強(qiáng)度降低32～35%，而浸水9d后降低51～59%。501.1.6巖石的軟化性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(jiān)硬難冒落頂板有重要意義。軟化系數(shù)值愈接近于1，表示巖石的軟化性愈小。表3-6為煤礦中幾種常見巖石的軟化系數(shù)值。由該表看出，各種巖石的軟化系數(shù)都小于1，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(qiáng)度較小的巖石其變化幅度更大。511.1.7巖石的膨脹性和崩解性

巖石的膨脹性和崩解性主要取決于其膠結(jié)程度及造巖礦物的親水性，一般含有大量粘土礦物(如蒙脫石、高嶺土和水云母等)的軟巖遇水后極易產(chǎn)生膨脹和崩解。52巖石的膨脹性可用膨脹應(yīng)力和膨脹率來表示。巖石與水進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)后，隨時(shí)間變化會產(chǎn)生體積增大現(xiàn)象，這時(shí)使試件體積保持不變所需要的壓力稱為巖石的膨脹應(yīng)力，而增大后的體積與原體積的比率稱為巖石的膨脹率。這些指標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)借助于膨脹應(yīng)力測定儀和膨脹儀按規(guī)定的測定方法加以確定。1.1.7巖石的膨脹性和崩解性

53在試驗(yàn)過程中不斷加壓，使試樣體積始終保持不變，所測得的最大應(yīng)力就是巖石的最大膨脹力。然后，做逐級減壓直至荷載退到零，測定其最大膨脹變形量，膨脹變形量與試樣原始厚度的比值即為巖石的膨脹率。平衡加壓法1.1.7巖石的膨脹性和崩解性

54巖石的崩解性是指巖石與水相互作用時(shí)失去粘結(jié)性并變成完全喪失強(qiáng)度的松散物質(zhì)的性能。這種現(xiàn)象是由于水化過程中削弱了巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)聯(lián)絡(luò)引起的。常見于由可溶鹽和粘土質(zhì)膠結(jié)的沉積巖地層中。巖石的崩解性是用耐崩解性指數(shù)表示，它是指巖樣在承受干燥和濕潤兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)之后，巖樣對軟化和崩解作用所表現(xiàn)出的抵抗能力。這個(gè)指數(shù)也可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)借助耐崩解儀按有關(guān)規(guī)定。1.1.7巖石的膨脹性和崩解性

55圖為試驗(yàn)所用的儀器裝置。試驗(yàn)選用10塊有代表性的巖石試樣，每塊質(zhì)量約40-60g，磨去棱角使其近于球粒狀。將試樣放進(jìn)帶篩的圓筒內(nèi)(篩眼直徑為2mm)，在溫度105℃下烘至恒重后稱重，然后再將圓筒支承在水槽上，并向槽中注入蒸餾水，使水面達(dá)到低于圓筒軸20mm的位置用，20r/min的均勻速度轉(zhuǎn)動圓筒，歷時(shí)10min后取下圓筒作第二次烘干稱重，這樣就完成了一次于濕循環(huán)試驗(yàn)；重復(fù)上述試驗(yàn)步驟就可以完成多次干濕循環(huán)試驗(yàn)。規(guī)范建議以第二次干濕循環(huán)的數(shù)據(jù)作為計(jì)算耐崩解性指數(shù)的根據(jù)。1.1.7巖石的膨脹性和崩解性

561.1.8巖石的熱學(xué)性質(zhì)1．容熱性巖石的容熱性就是進(jìn)行熱交換時(shí)巖石吸收熱量的能力。當(dāng)傳導(dǎo)給巖石的熱量為Q，由此而引起的巖石溫度升高為t時(shí)，則巖石的容熱性可用使其溫度升高1℃所需的熱量來度量。通常采用巖石的比熱和容積熱容兩項(xiàng)指標(biāo)表示。571.1.8巖石的熱學(xué)性質(zhì)(1)比熱：在不存在相轉(zhuǎn)變條件下，為使單位質(zhì)量巖石溫度變化1時(shí)所需輸入的熱量。用符號C表示，單位為J／(g·℃)或cal/(g．℃)；．(2)容積熱容：單位體積的巖石，在溫度變化1℃時(shí)所需要的熱量。用符號Cv表示，單位為J／m’·℃或則／(cm，·℃)．581.1.8巖石的熱學(xué)性質(zhì)比熱和容積熱容均表示巖石儲熱的能力，二者之間的關(guān)系可用Cv=ρC表示,式中ρ為巖石密度。巖石的比熱大小決定于礦物成分及其含量，大多數(shù)的礦物比熱介于0.5-1.0J/(g．℃)之間，尤其是以0.70-0.95J／(g．℃)