井巷工程 第一章 岩石的性质及工程分类

第一节 概述 第二节 岩石物理性质 第三节 岩石力学性质 第四节 岩体工程分类 本章思考题 目录 CONTENTS

第一章 岩石的性质及工程分类 井巷工程的最基本工作就是破岩与维护。因此，在这一章主要讲述岩石的一些基本性质，包括岩石的物理性质和力学性质，为破岩与维护的基础知识；另外，围岩的工程分级一直是工程设计的基本依据之一。本章的重点应是围岩分级。

本章主要参考书

第一节 概述 岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。

1、岩石 岩石是由一种或几种矿物所组成的集合体，它是岩体的基本组成部分，一般将岩石分为表土和基岩两个部分。 （1）表土：覆盖在地壳上部的第四纪沉积物称为表土或松散性岩石，如黄土、流砂、粘土、淤泥、砾石等。 （2）基岩：表土层以下的各种固结性岩石，如岩浆岩、沉积岩、变质岩。

地壳的组成

 岩块（Rock）：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指岩石材料（Rock Materials）。 1. 岩块、岩体和岩石  岩块（Rock）：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指岩石材料（Rock Materials）。  岩体（Rock Mass） ：指岩石工程周围较大范围内的自然地质体 岩体= 岩块（岩石材料） + 弱面（层理、节理、断层） Rock mass = Rock material + Rock discontinuities  岩石：不分岩块与岩体时的泛称。

岩块（Rock）性质： 强度：抗压强度、抗拉强度、剪切强度等； 变形：弹性模量、泊松比； 矿物：矿物成分、颗粒大小、结构等； 物理性质：密度、水理性、孔隙性等。 弱面(Discontinuities)性质 弱面包括层理、节理、断层等。 性质包括：剪切强度、方位、距离、硬度、张开度、充填性、风化性、粗糙性等 岩石材料的性质对岩体性质影响很小，而弱面控制着岩体的性质 例如：岩体压缩时，破坏是沿着已存在的弱面发生的； 在拉伸时，由于弱面的存在，强度很小。

沉积岩 砂岩 泥质砾岩 泥岩

2. 岩体和一般建筑材料的比较 岩石和土壤类似，与其它工程材料有显著的区别。 钢筋混凝土结构的设计，工程师首先计算外荷裁，然后根据所要求的强度选择材料（采取措施以保证其强度），同时相应地确定出结构的几何尺寸。 然而，在岩体结构中，作用荷载往往难于确定。此外，由于地下洞室一类的岩体结构有许多可能的破坏模式，材料“强度”的确定既需要量测，也需要判断。还有最后一点，地下结构的几何尺寸至少在一定程度上由地质构造来决定。

常用建筑材料的特性 连续的 Continuous 均质的 Homogeneous 各向同性的 Isotropic 线弹性的 Lineraly Elastic C.H.I.L.E. 岩体的特性（具有尺度效应） 不连续的 Discontinuous 非均质的 Inhomogeneous 各向异性的 Anisotropic 非线弹性的 Non-Lineraly Elastic D.I.A.N.E.

第二节 岩石物理性质 岩石物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。 一. 岩石的比重与密度 第二节 岩石物理性质 岩石物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。 一. 岩石的比重与密度 1. 相对密度（比重）： 2. 密度（容重）（kN/m3）： 2.30~2.80，组成岩石的矿物的比重 矿物成份、孔隙、含水量、埋藏深度 容重大，力学性质好 比重与密度在数值上大体相等。 一般地，岩石密度越大，其力学性质越好。

二. 岩石的孔隙性-----密度与强度降低，风化速度加快 1. 孔隙度（率）n 2. 孔隙比e 影响强度及风化速度 e~n关系

三. 岩石的水理性质-----孔隙量、大小、开闭及分布 1. 吸水率 2. 透水性 (Darcy定律) qx－沿x方向的流量； h－水头的高度； A－垂直于x方向的截面面积； k－渗透系数。（ 水库、地热、储存等） 于是，当水温在20℃ ，渗透系数k具有速度的量纲（m/s）。 尺度、浸水时间 地下水水头、应力场 岩石样品渗透性的确定对实际问题有直接的意义，例如：将水、油或气泵入多孔的岩层中，或从其中抽出来；在多孔岩层中处理卤水废物；为了能量转换而在地下洞穴中贮存液体；评价水库的不透水性；排除深处洞室的海水，或预估流入隧洞的水量等。

Rcw－水饱和岩石的单向抗压强度； Rc－干燥岩石的单向抗压强度； 3. 软化性 Rcw－水饱和岩石的单向抗压强度； Rc－干燥岩石的单向抗压强度； 4. 膨胀性和崩解性 强度越大，软化系数越大 膨胀压力 治水

四. 岩石的碎胀性-----选用装载、运输、提升等设备 坚硬程度、块度大小、堆积排列情况 岩石名称 砂、砾岩 砂质粘土 中硬岩石 坚硬岩石 煤 碎胀系数 k 1.05~1.2 1.2~1.25 1.3~1.5 1.5~2.5 < 1.2

第三节 岩石力学性质 Strength, Deformation and Failure of Rock Material 第三节 岩石力学性质 Strength, Deformation and Failure of Rock Material 试验所需的试件应该加工成标准的圆柱形，其高与直径之比应该介于2.0~3.0之间，试件的直径最好不要超过50mm。试件的直径应该至少是岩石最大颗粒直径的20倍。

1. 岩石的单轴压缩全应力—应变曲线 单轴压缩试验设备

弹模值：E=20~50GPa，为软钢弹模（206GPa）的10~24%； 泊松比： ，理想塑性材料

2. 岩石在三轴压缩条件下的力学性质

从图分析围压对岩石变形影响，得出如下结论： 首先，破坏前岩石的应变随围压增大而增加；另外，随围压增大，岩石的塑性也不断增大，且由脆性逐渐转化为延性。围压增加时，试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓应变硬化现象。 围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。 从图分析围压对岩石变形影响，得出如下结论： ①随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加； ②随着围压的增大，岩石的变形显著增大； ③随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大； ④随着围压的增大，岩石的应力一应变曲线形态发生明显改变，岩石的性质发生了变化：由弹脆性一弹塑性一应变硬化。

3. 岩石的强度（P10） 强度 研究岩石的强度的意义 单向抗压强度 单向抗拉强度 剪切强度 三轴压缩 真三轴 假三轴 ⑴ 岩石的强度是各种岩石分类（级）中的重要数量指标。 ⑵ 作为强度(安全)准则，判别所计算或测定的岩土工程是否稳定. ⑶ 在简单的工程条件下，可作为极限平衡条件（塑性条件），求解弹塑性问题的塑性区范围、弹性区和塑性区应力与应变。

从荷载性质看：单向抗压强度＞单向抗剪强度＞单向抗弯强度＞单向抗拉强度（单向抗压强度≈10倍单向抗拉强度）。 岩石的强度特征 ⑴ 多数情况下，岩石表现为脆性破坏（小于3％的应变）； ⑵ 同一种岩石的强度并非常数； ⑶ 在不同的应力状态下，岩石的各种强度极限不同，相差悬殊 从荷载性质看：单向抗压强度＞单向抗剪强度＞单向抗弯强度＞单向抗拉强度（单向抗压强度≈10倍单向抗拉强度）。 从应力状态看：三向抗压强度＞双向抗压强度＞单向抗压强度

第四节 岩体工程分类 分类的目的 （1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。 第四节 岩体工程分类 分类的目的 （1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。 （2）便于施工方法的总结,交流,推广。 （3）便于行业内技术改革和管理。

遵循的主要原则 （1）分类形式要简单，含义要明确。 （2）分类应具科学意义和实用价值。 （3）分类指标不易过多并应容易获得。指标过多，必须增加研究 工作量，不便推广和应用。 （4）分类应明确表达出岩体的基本特性和影响岩体稳定性的主要 因素。 （5）分类方案应体现超前预报性，即在巷道设计、施工之前，人 们要了解到未来巷道开挖后围岩稳定状态和不同稳定类型岩体的空间分 布。这一分类方案不仅便于设计、施工部门应用，而且应当被勘探部门 所接受。

分类指标： （1）岩石强度 各力学指标之间有着内在的联系，因此可确定岩石的单轴抗压强度为岩体稳定性评价的重要指标。 （1）岩石强度 各力学指标之间有着内在的联系，因此可确定岩石的单轴抗压强度为岩体稳定性评价的重要指标。 （2）结构面 结构面的研究应包括组数、密度、产状、延展性、结构面内物质成分等。对于地表裸露的岩体来说，上述的研究是能够实现的；对于地下隐伏的岩体，按上述要求进行全面而详细的研究往往非常困难，有时要用大量资金才能实现。 （3）水对岩体的影响 水对岩体稳定性有着重要的影响。岩体遇水后可以发生泥化、崩解、碎裂，致使岩体膨胀并大大降低强度。 （4）原岩地应力状态 对岩体稳定性影响最大的是最大主应力。在缺乏地应力资料时，可选用γH值。

1. 普氏系数分类法 普罗托奇亚可夫于1926年提出： 共划分为10级15种 提出以 f 计算围岩压力的公式。形成了为坑道施工、设计服务的一整套理 论和方法。而且表达形式简单，使用非常方便。因此1954年至1972年这一阶段， 我国铁道、水电、冶金、煤炭、机械、建工、军工等部门都采用了普氏分类。 存在问题：这一分类主要考虑的是岩石强度（单轴抗压强度），对岩体的完整性、岩体结构特征等对围岩稳定有决定影响的因素在分类中没有表达出来，因此不能正确地评价围岩的稳定性。

最坚固、最致密的石英岩及玄武岩，其它最坚固的岩石 20 级别 坚固性程度 岩石 坚固性系数f I 最坚固的岩石 最坚固、最致密的石英岩及玄武岩，其它最坚固的岩石 20 II 很坚固的岩石 很坚固的花岗岩类：石英斑岩，很坚固的花岗岩，硅质片岩；坚固程度较I级岩石稍差的石英岩；最坚固的砂岩及石灰岩 15 III 坚固的岩石 致密的花岗岩及花岗岩类岩石，很坚固的砂岩及石灰岩，石英质矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石 10 IIIa 坚固的石灰岩，不坚固的花岗岩，坚固的砂岩，坚固的大理岩，白云岩，黄铁矿 8 IV 相当坚固的岩石 一般的砂岩，铁矿石 6 IVa 砂质页岩，泥质砂岩 5 V 坚固性中等的岩石 坚固的页岩，不坚固的砂岩及石灰岩，软的砾岩 4 Va 各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩， 3 VI 相当软的岩石 软的页岩，很软的石灰岩，白垩，岩盐，石膏，冻土，无烟煤，普通泥灰岩，破碎的砂岩，胶结的卵石及粗沙砾，多石块的土 2 VIa 碎石土，破碎的页岩，结块的卵石及碎石，坚硬的烟煤，硬化的粘土 1.5 VII 软岩 致密的粘土，软的烟煤，坚固的表土层 1.0 VIIa 微砂质粘土，黄土，细砾石 0.8 VIII 土质岩石 腐植土，泥煤，微砂质粘土，湿砂 0.6 IX 松散岩石 砂，细砾，松土，采下的煤 0.5 X 流沙状岩石 流砂，沼泽土壤，包含水的黄土既包含水的土壤 0.3

根据 f 值的大小，将岩石分为10级共15种。我国煤炭系统按岩石坚固性将煤岩分类为：

2. 岩芯质量指标 Rock quality designation index --RQD 美国伊利诺斯大学狄勒（Deere）在1964年形成该标准，但直到1967年才以出版的形式首次提出该概念。

RQD是一修正的岩芯取出率，仅考虑长度大于100mm的完整岩芯。

尽管RQD是一简易的花费不多的标准，但由于它并不考虑不连续面的刚度、方向、连续性及充填材料的影响，因而不能单独提供对岩体的充分描述。 ﹤25 25～50 50～75 75～90 90～100 岩石质量 很差 差 一般 好 优秀 RQD指标在美国及欧洲有广泛应用，它是评估岩芯质量的简单、费用省并能再现的方法。尽管其本身并不是岩体的充分描述，但该指标仍然作为分类参数，在隧道工程中用作选择隧道支护时的参考，发现非常有用。 尽管RQD是一简易的花费不多的标准，但由于它并不考虑不连续面的刚度、方向、连续性及充填材料的影响，因而不能单独提供对岩体的充分描述。 今天，RQD被用作钻孔岩芯记录的标准参数，并成为两类主要岩体分类系统的基本元素：RMR系统和Q系统。

（1）概念 3. 围岩松动圈分类法 开巷后：（1）巷道周边应力集中；（2）围岩强度降低(三向应力状态→两向应力状态）（3）开挖扰动等 3. 围岩松动圈分类法 （1）概念 开巷后：（1）巷道周边应力集中；（2）围岩强度降低(三向应力状态→两向应力状态）（3）开挖扰动等 围岩应力与围岩强度的关系发生变化（超过则破坏，等于为极限平衡，小于则稳定）； （2）理论分析

（3）松动圈声测方法及原理 声测法测试围岩松动圈的物理基础，是各类岩石中声波速度不同，同种岩石则随破裂程度的增加，声速降低。

（4）围岩松动圈分类 围岩类别 分类名称 围岩松动圈 /cm 支护机理及方法 备注 小松动圈 I 稳定围岩 0～40 喷混凝土支护 围岩整体性好，不 易风化的可不支护 中松 动圈 Ⅱ 较稳定围岩 40～100 锚杆悬吊理论，喷层局部支护 局部锚杆支护 Ⅲ 一般围岩 100～150 刚性支护有局部破 坏，采用可缩性支护 大松 Ⅳ 一般不稳定围岩 (软岩) 150～200 锚杆组合拱理论，喷层、 金属网局部支护 刚性支护大面积破 Ⅴ 不稳定围岩 (较软围岩) 200～300 围岩变形有稳定期 Ⅵ 极不稳定围岩 (极软围岩) >300 组合拱理论 联合支护 围岩变形在一般支 护下无稳定期

围岩松动圈分类有三个突出优点： （1）绕过了地应力、围岩强度、结构面性质测定等困难问题，但又着重抓住了它们的影响结果，即松动圈是一个综合指标； （2）松动圈系实测所得，未在重要方面作任何假设； （3）松动圈大小很容易用声测法获得，确定支护参数时直观简单，现场应用十分方便。

陆士良教授根据围岩变形量的大小和维护的难易程度，将回采巷道围岩分为五类： 4. 按围岩变形量分类 陆士良教授根据围岩变形量的大小和维护的难易程度，将回采巷道围岩分为五类： 巷道维护状况 围岩平均变形速度，mm/d 围岩变形量，mm 容易 中等 困难 极难 ＜1 1~2 2~4 ＞4 ＜200 200~500 500~1000 ＞1000

中国煤炭科学研究院建井所段振西教授提出以围岩的变形量大小分类围岩的理论及方法

5. 按施工需要分类 1988年，煤炭工业部根据全国58条试验巷道的地质特征、井巷开拓后围岩的稳定状态，共为五类：

本章思考题 1．岩石、岩块、岩体的区别与联系。 2．表示岩石物理性质的主要指标有哪些？各对岩体力学性质的有什么影响？ 3．什么是岩石的全应力－应变曲线？简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征？ 4．在三轴压缩条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？ 4．简述岩石的强度特征。 5．如何得到岩石的坚固性系数f ？ 6．根据围岩松动圈的大小，围岩可划分为几类？这种分级法有何优点？

课间休息

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