隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球能源需求的不斷增加，煤炭在能源結(jié)構(gòu)中30%，是全球經(jīng)濟發(fā)展的重要動力。我國是全球最大的煤炭消費國,能源消費結(jié)構(gòu)中煤炭占70%(油氣為20%,其它為10%)，2010年煤炭消費量達到31億t,占全球消費總量的50%。據(jù)預(yù)測，2050年我國煤炭消費需求量將分別達到42億t,仍將占居重要地位，具有不可替代性。因此，煤炭開采是關(guān)系到國家能源安全和國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。第一章巖石的性質(zhì)及工程分級

巖體：指巖石工程周圍較大范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體

巖體=巖塊+弱面（層理、節(jié)理、斷層）第一節(jié)巖塊、巖體和巖石1.巖塊、巖體和巖石

巖塊：從地殼巖層中切取出來的小塊體，通常是指巖石材料。

巖石：不分巖塊與巖體時的泛稱。巖塊性質(zhì)：礦物：礦物成分、顆粒大小、結(jié)構(gòu)等；物理性質(zhì)：密度、水理性、孔隙性等。強度：抗壓強度、抗拉強度、剪切強度等；變形：彈性模量、泊松比；弱面性質(zhì)弱面包括層理、節(jié)理、斷層等。性質(zhì)包括：剪切強度、方位、距離、硬度、張開度、充填性、風

化性、粗糙性等巖石材料的性質(zhì)對巖體性質(zhì)影響很小，而弱面控制著巖體的性質(zhì)例如：巖體壓縮時，破壞是沿著已存在的弱面發(fā)生的；在拉伸時，由于弱面的存在，強度很小。

2.巖體和一般建筑材料的比較常用建筑材料的特性巖體的特性連續(xù)的不連續(xù)的均質(zhì)的非均質(zhì)的各向同性的各向異性的線彈性的非線彈性的第二節(jié)巖石物理性質(zhì)

一.巖石的比重與密度

1.相對密度（比重）：

2.密度（容重）（kN/m3）：

一般地，巖石容重越大，其力學性質(zhì)越好。G--干燥巖石質(zhì)量，VC-----實體巖石體積ρWV水的密度ρC巖石干密度，ρ巖石濕密度，G1巖石試件質(zhì)量，V巖石試件體積

二.巖石的孔隙性-----密度與強度降低，風化速度加快

1.孔隙度（率）n

2.孔隙比e

影響強度及風化速度1.吸水率

2.透水性(Darcy定律)

qx－沿x方向的流量；h－水頭的高度；A－垂直于x方向的截面面積；k－滲透系數(shù)。（水庫、地熱、儲存等）

三.巖石的水理性質(zhì)-----孔隙量、大小、開閉及分布尺度、浸水時間地下水水頭、應(yīng)力場3.軟化性

Rcw－水飽和巖石的單向抗壓強度；Rc－干燥巖石的單向抗壓強度；4.膨脹性和崩解性強度越大，軟化系數(shù)越大膨脹壓力治水

四.巖石的碎脹性-----選用裝載、運輸、提升等設(shè)備巖石名稱砂、礫巖砂質(zhì)粘土中硬巖石堅硬巖石煤碎脹系數(shù)k1.05~1.21.2~1.251.3~1.51.5~2.5<1.2堅硬程度、塊度大小、堆積排列情況第三節(jié)巖石力學性質(zhì)

試驗所需的試件應(yīng)該加工成標準的圓柱形，其高與直徑之比應(yīng)該介于2.0~3.0之間，試件的直徑最好不要超過50mm。試件的直徑應(yīng)該至少是巖石最大顆粒直徑的20倍。

1.巖石的單軸壓縮全應(yīng)力—應(yīng)變曲線

單軸壓縮試驗設(shè)備靜載巖石的變形特征

（1）O-A段Ⅰ：

裂隙壓密閉合階段，（2）A-B段Ⅱ：

線彈性階段，B點-屈服點（3）B-C段Ⅲ：破裂發(fā)展階段，C點-極限抗壓強度（4）C-D段Ⅳ、Ⅴ:

軟化階段，為巷道支護作用階段彈模值：E=20~50GPa，為軟鋼彈模（206GPa）的10~24%；泊松比：，理想塑性材料2.巖石在三軸壓縮條件下的力學性質(zhì)從應(yīng)力狀態(tài)看：三向抗壓強度＞雙向抗壓強度＞單向抗壓強度

3.巖石的強度（P10）研究巖石的強度的意義

⑴巖石的強度是各種巖石分類（級）中的重要數(shù)量指標。⑵作為強度(安全)準則，判別所計算或測定的巖土工程是否穩(wěn)定.巖石的強度特征⑴多數(shù)情況下，巖石表現(xiàn)為脆性破壞（小于3％的應(yīng)變）；⑵強度影響因素：成分、顆粒大小、膠結(jié)、生成條件、層理結(jié)構(gòu)、孔隙度、溫度、濕度、重度、風化程度、受力狀態(tài)和時間。⑶在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的各種強度極限不同，相差懸殊

從荷載性質(zhì)看：單向抗壓強度＞單向抗剪強度＞單向抗彎強度＞單向抗拉強度

（單向抗壓強度≈10倍單向抗拉強度）。

從應(yīng)力狀態(tài)看：三向抗壓強度＞雙向抗壓強度＞單向抗壓強度

5、巖石的硬度

靜壓入硬度----壓入法，回彈硬度----物落法6、巖石的可鉆性（鉆頭進尺、每米炮眼磨鈍鉆頭數(shù)）7、

巖石可爆性（單位體積巖石炸藥消耗量）第四節(jié)巖體工程分類

分級目的：評價圍巖的穩(wěn)定性，

確定支護方案和支護參數(shù)，

選擇施工方法，

進行施工預(yù)算。

遵循的主要原則

（1）分類形式要簡單，含義要明確。（2）分類應(yīng)具科學意義和實用價值。（3）分類指標不易過多并應(yīng)容易獲得。（4）分類表達出巖體的基本特性和影響巖體穩(wěn)定性的主要因素。（5）分類方案應(yīng)體現(xiàn)超前預(yù)報性，提前了解巷道開挖后圍巖穩(wěn)

定狀態(tài)。分類指標：（1）巖石強度：單軸抗壓強度為巖體穩(wěn)定性評價的重要指標。（2）結(jié)構(gòu)面：組數(shù)、密度、產(chǎn)狀、延展性、結(jié)構(gòu)面內(nèi)物質(zhì)成分等。（3）水對巖體的影響：巖體遇水后可以發(fā)生泥化、崩解、碎裂，

致使巖體膨脹并大大降低強度。（4）原巖地應(yīng)力狀態(tài)：

對巖體穩(wěn)定性影響最大的是最大主應(yīng)力。

在缺乏地應(yīng)力資料時，可選用γH值。普羅托奇亞可夫于1926年提出：

共劃分為10級15種。表達形式簡單，使用非常方便。因此1954年至1972年這一階段，我國鐵道、水電、冶金、煤炭、機械、建工、軍工等部門都采用了普氏分類。存在問題：僅考慮的是巖石強度（單軸抗壓強度），沒有考慮巖體的完整性、巖體結(jié)構(gòu)、弱面特征因素，不能完整地評價圍巖的穩(wěn)定性。1.普氏系數(shù)分類法根據(jù)f值的大小，我國煤炭系統(tǒng)按巖石堅固性將煤巖分類為：軟煤：f＝1～1.5硬煤：f＝2～3軟巖：f＝2～3中硬巖：f＝4～6硬巖：f＝8～10堅硬巖石：f＝12～14最堅硬巖石：f＝15～202、RQD巖芯質(zhì)量指標法美國伊利諾斯大學狄勒（Deere）在1964年形成該標準，但直到1967年才以出版的形式首次提出該概念。RQD是一修正的巖芯取出率，僅考慮長度大于100mm的完整巖芯。R.Q.D=（10cm以上巖芯累計長度/鉆芯長度）×100%RQD指標在美國及歐洲有廣泛應(yīng)用，它是評估巖芯質(zhì)量的簡單、費用省并能再現(xiàn)的方法。盡管RQD是一簡易的花費不多的標準，但由于它并不考慮不連續(xù)面的剛度、方向、連續(xù)性及充填材料的影響，因而不能單獨提供對巖體的充分描述。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100巖石質(zhì)量很差差一般好優(yōu)秀

（1）概念

開巷后：（1）巷道周邊應(yīng)力集中；（2）圍巖強度降低(三向應(yīng)力狀態(tài)→兩向應(yīng)力狀態(tài)）（3）開挖擾動等圍巖應(yīng)力與圍巖強度的關(guān)系發(fā)生變化（超過則破壞，等于為極限平衡，小于則穩(wěn)定）；

3.

圍巖松動圈分類法（中國礦大董房庭教授提出）（2）理論分析（3）松動圈聲測方法及原理

聲測法測試圍巖松動圈的物理基礎(chǔ)，是各類巖石中聲波速度不同，同種巖石則隨破裂程度的增加，聲速降低。（4）圍巖松動圈分類圍巖松動圈分類有三個突出優(yōu)點：（1）繞過了地應(yīng)力、圍巖強度、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)測定等困難問題，但又著重抓住了它們的影響結(jié)果，即松動圈是一個綜合指標；（2）松動圈系實測所得，未在重要方面作任何假設(shè)；（3）松動圈大小很容易用聲測法獲得，確定支護參數(shù)時直觀簡單，現(xiàn)場應(yīng)用十分方便。4.按圍巖變形量分類陸士良教授根據(jù)圍巖變形量的大小和維護的難易程度，將回采巷道圍巖分為五類：巷道維護狀況圍巖平均變形速度，mm/d圍巖變形量，mm容易中等困難極難＜11~22~4＞4＜200200~500500~1000＞1000

中國煤炭科學研究院建井所段振西教授提出以圍巖的變形量大小分類圍巖的理論及方法5.按施工需要分類

1988年，煤炭工業(yè)部根據(jù)全國58條試驗巷道

的地質(zhì)特征、井巷開拓后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。

共為五類：

國家技術(shù)監(jiān)督局與建設(shè)部于1995年聯(lián)合發(fā)布《工程巖體分級標準》，適用于各類型巖石工程，計涵蓋103個巖石工程案例。該分級標準主要以“巖體基本質(zhì)量”代表巖體品質(zhì)，并據(jù)此進行巖體優(yōu)劣分級。主要考量巖石堅硬程度與完整程度兩個基本因素，進行巖體基本質(zhì)量定性特征分級描述，以及巖體基本質(zhì)量指標－BQ值的計算，依此做為巖體初步分級基準。BQ＝90＋3Rc+250KVRc－巖石單軸飽和抗壓強度，MPa；KV－巖體完整性指數(shù)＝（巖體彈性縱波速度/巖石彈性橫波速度）26.《工程巖體分級標準》

針對各類工程巖體特點，考慮其他環(huán)境條件下影響，對前階段已獲取的BQ值進行修正，獲得巖體基本質(zhì)量指標修正值－[BQ]值，并據(jù)此進行各類工程巖體之詳細分級。[BQ]＝BQ－100×（K1+K2+K3）K1－地下水影響修正系數(shù)；K2－主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3－初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。巖體基本質(zhì)量級別巖體基本質(zhì)量的定性特征巖體基本質(zhì)量指標BQ值或[BQ]值I堅硬巖：巖體完整＞550II堅硬巖，巖體較完整較堅硬巖，巖體完整550～451III堅硬巖，巖體較破碎較堅硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整較軟巖，巖體完整450～351Ⅳ堅硬巖，巖體破碎較堅硬巖，巖體較破碎～破碎較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整～較破碎軟巖，巖體完整至較完整350～251Ⅴ較軟巖，巖體破碎軟巖，巖體較破碎～破碎全部極