矿山压力与岩层控制

第 一 章 矿 山 岩 石 和 岩 体 的 基 本 性 质 岩 石 的 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 中 研 究 最 早 、 最 完 善 的 内 容 之 一 。本 章 介 绍 ： 岩 石 的 地 质 构 成 及 分 类 ； 岩 石 物 理 、 力 学 性 质 及 测 定 ； 岩 石 的 破 坏 机 理 和 强 度 理 论 ； 岩 体 及 其 力 学 特 征 。 第 一 节 岩 石 的 基 本 物 理 性 质 1.概 念 岩 石 ： 矿 物 或 岩 屑 在 地 质 作 用 下 按 一 定 规 律 聚 集 形 成 的 自 然 物 体 。 （ 岩 石 = 矿 物 颗 粒 + 胶 结 物 + 孔 隙 + 水 ） 矿 物 ： 存 在 地 壳 中 的 具 有 一 定 化 学 成 分 和 物 理 性 质 的 自 然 元 素 和 化 合 物 。 结 构 ： 组 成 岩 石 的 物 质 成 分 、 颗 粒 大 小 和 形 状 以 及 其 相 互 结 合 的 情 况 。 (结 晶 、 胶 结 ) 构 造 : 组 成 成 分 的 空 间 分 布 及 其 相 互 间 排 列 关 系 。 （ 节 理 、 裂 隙 、 孔 隙 、 边 界 、 缺 陷 ） 矿 物 、 结 构 、 构 造 是 影 响 岩 石 力 学 性 质 和 物 理 性 质 的 三 个 重 要 因 素 。一 、 岩 石 的 基 本 概 念 岩 浆 岩 ： 强 度 高 、 均 质 性 好2.岩 石 地 质 分 类 沉 积 岩 ： 强 度 不 稳 定 ， 各 向 异 性 变 质 岩 ： 不 稳 定 ， 与 变 质 程 度 和 岩 性 有 关3.沉 积 岩 石 的 力 学 特 性 ： 不 连 续 性 ； （ 物 质 不 能 充 满 空 间 ， 有 孔 隙 存 在 ） 各 向 异 性 ； （ 任 一 点 的 物 理 、 力 学 性 质 沿 不 同 方 向 均 不 相 同 ） 不 均 匀 性 ； （ 由 不 同 物 质 组 成 ， 各 点 物 理 力 学 性 质 都 不 相 同 ） 岩 块 单 元 的 可 移 动 性 ； 地 质 因 素 影 响 特 性 （ 水 、 气 、 热 、 初 应 力 ） （ 上 述 特 性 导 致 岩 石 力 学 的 研 究 方 法 以 实 验 测 试 为 主 ） 岩 石 由 固 体 ， 水 ， 空 气 等 三 相 组 成 。（ 一 ） 密 度 （ ） 和 重 度 (体 积 力 )： 单 位 体 积 的 岩 石 的 质 量 称 为 岩 石 的 密 度 。 单 位 体 积 的岩 石 的 重 力 称 为 岩 石 的 重 度 。 所 谓 单 位 体 积 就 是 包 括 孔 隙体 积 在 内 的 体 积 。 （ g/cm3） ， g(kN /m3) 岩 石 的 密 度 可 分 为 天 然 密 度 、 干 密 度 和 饱 和 密 度 。 相应 地 ， 岩 石 的 重 度 可 分 为 天 然 重 度 、 干 重 度 和 饱 和 重 度 。VW二 、 岩 石 的 基 本 物 理 性 质 固 体水空 气 1、 天 然 密 度 （ ） 和 天 然 重 度 （ ） 指 岩 石 在 天 然 状 态 下 的 密 度 和 重 度 。 VW （ g/cm3）(kN /m3)g式 中 ： W 天 然 状 态 下 岩 石 试 件 的 质 量 (g； ) V 岩 石 试 件 的 体 积 (cm 3)； g 重 力 加 速 度 （ N/g） 。 干 密 度 是 指 岩 石 孔 隙 中 的 液 体 全 部 被 蒸 发 后 单 位 体 积岩 石 的 质 量 ， 相 应 的 重 度 即 为 干 重 度 。 VWsd 2、 干 密 度 （ d） 和 干 重 度 ( d )（ g/cm3）(kN/m3)gdd 式 中 ： Ws 岩 石 试 件 烘 干 后 的 质 量 (g)； V 岩 石 试 件 的 体 积 (cm3)； g 重 力 加 速 度 。 3、 饱 和 密 度 （ ） 和 饱 和 重 度 ( w)饱 和 密 度 就 是 饱 水 状 态 下 岩 石 试 件 的 密 度 。VWww 式 中 ： W W 饱 水 状 态 下 岩 石 试 件 的 质 量 (g)； V 岩 石 试 件 的 体 积 (cm3)； g 重 力 加 速 度 。 gww （ g/cm3）(kN /m3) （ 二 ） 比 重 （ 相 对 密 度 ） ( ) 岩 石 的 比 重 就 是 指 岩 石 固 体 的 质 量 与 同 体 积 水 的质 量 之 比 值 。 岩 石 固 体 体 积 ， 就 是 指 不 包 括 孔 隙 体 积 在内 的 体 积 。 岩 石 的 比 重 可 在 实 验 室 进 行 测 定 ， 其 计 算 公式 为 ： 式 中 ： 岩 石 的 比 重 ； W s干 燥 岩 石 的 质 量 (g); Vs岩 石 固 体 体 积 (cm3); W 40C时 水 的 密 重 。 ws sVW （ 三 ） 岩 石 的 孔 隙 性 孔 隙 ： 岩 石 中 孔 隙 和 裂 隙 的 总 称 。小 开 型 孔 隙孔 隙 闭 型 孔 隙开 型 孔 隙 大 开 型 孔 隙 闭 型 孔 隙 ： 岩 石 中 不 与 外 界 相 通 的 孔 隙 。 开 型 孔 隙 ： 岩 石 中 与 外 界 相 通 的 孔 隙 。 包 括 大 开 型 孔 隙 和小 开 型 孔 隙 。 在 常 温 下 水 能 进 入 大 开 型 孔 隙 ， 而 不 能 进 入 小 开 型 孔 隙 。只 有 在 真 空 中 或 在 150个 大 气 压 以 上 ， 水 才 能 进 入 小 开 型 孔 隙 。 孔 隙 度 ： 指 岩 石 的 裂 隙 和 孔 隙 发 育 程 度 ， 其 衡 量 指 标为 孔 隙 率 (n)或 孔 隙 比 （ e） 。 根 据 岩 石 孔 隙 类 型 不 同 ， 岩 石 的 孔 隙 率 分 为 ： (1)总 孔 隙 率 n (2)大 开 孔 隙 率 nb (3)小 开 孔 隙 率 nl (4)总 开 孔 隙 率 n0 (5)闭 孔 隙 率 nc一 般 提 到 岩 石 的 孔 隙 率 时 系 指 岩 石 的 总 孔 隙 率 。1、 孔 隙 率 (1)总 孔 隙 率 n: 即 岩 石 试 件 内 孔 隙 的 体 积 （ VV)占 试 件总 体 积 (V)的 百 分 比 。 (2)大 开 孔 隙 率 nb:即 岩 石 试 件 内 大 开 型 孔 隙 的 体 积 （ Vnb)占 试 件 总 体 积 (V)的 百 分 比 。 %100 VVn V %100 VVn nbb(3)小 开 孔 隙 率 nl:即 岩 石 试 件 内 小 开 型 孔 隙 的 体 积 （ Vnl)占 试 件 总 体 积 (V)的 百 分 比 。 %100 VVn nll (4)总 开 孔 隙 率 （ 孔 隙 率 ） n0: 即 岩 石 试 件 内 开 型 孔 隙 的总 体 积 （ Vn0)占 试 件 总 体 积 (V)的 百 分 比 。 (5)闭 孔 隙 率 nc: 即 岩 石 试 件 内 闭 型 孔 隙 的 体 积 （ Vnc)占试 件 总 体 积 (V)的 百 分 比 。 %10000 VVn n %100 VVn ncc 所 谓 孔 隙 比 是 指 岩 石 试 件 内 孔 隙 的 体 积 （ V V)与岩 石 试 件 内 固 体 矿 物 颗 粒 的 体 积 （ Vs)之 比 。 nnVVVVVe s ssV 12 、 孔 隙 比 (e) （ 四 ） 岩 石 的 水 理 性 质 岩 石 遇 水 后 会 引 起 某 些 物 理 、 化 学 和 力 学 性质 的 改 变 ， 岩 石 的 这 种 性 质 称 为 岩 石 的 水 理 性 。1、 岩 石 的 吸 水 性 岩 石 吸 收 水 分 的 性 能 称 为 岩 石 的 吸 水 性 ， 其吸 水 量 的 大 小 取 决 于 岩 石 孔 隙 体 积 的 大 小 及 其 密闭 程 度 。 岩 石 的 吸 水 性 指 标 有 吸 水 率 、 饱 水 率 和饱 水 系 数 。 （ 1） 岩 石 吸 水 率 ( 1)： 是 指 岩 石 试 件 在 标 准 大 气 压 力 下 吸 入 水 的 重 量W 1与 岩 石 干 重 量 Ws之 比 。 岩 石 的 吸 水 率 的 大 小 ， 取 决 于 岩 石 所 含 孔 隙 、 裂 隙的 数 量 、 大 小 、 开 闭 程 度 及 其 分 布 情 况 ， 并 且 还 与 试 验条 件 （ 整 体 和 碎 块 ， 浸 水 时 间 等 ） 有 关 。 根 据 岩 石 的 吸 水 率 可 求 得 岩 石 的 大 开 孔 隙 率 n b：%10011 sWW snbsnbb WVVWVVn 式 中 ： W s为 干 燥 岩 石 的 重 量 ； d, w分 别 为 干 燥 岩 石 和 水 的 重 度 。wdnbs WVVW 111 （ 2） 岩 石 的 饱 水 率 （ 2） 岩 石 的 饱 水 率 指 在 高 压 （ 150个 大 气 压 ） 或 真 空条 件 下 ， 岩 石 吸 入 水 的 重 量 W 2与 岩 石 干 重 量 Ws之 比 ，即 ： %10022 sWW 根 据 饱 水 率 求 得 岩 石 的 总 开 孔 隙 率 n0：wdsnsn WVVWVVn 2000 式 中 ： Ws为 干 燥 岩 石 重 量 ； d, w干 燥 岩 石 和 水 的 重 度 。 （ 3） 岩 石 的 饱 水 系 数 （ Ks） 岩 石 吸 水 率 与 饱 水 率 之 比 称 为 岩 石 的 饱 水 系 数 ， 即 21sK 饱 水 系 数 反 映 了 岩 石 中 大 开 孔 隙 和 小 开 孔 隙 的 相 对含 量 。 饱 水 系 数 越 大 ， 岩 石 中 的 大 开 孔 隙 越 多 ， 而 小 开孔 隙 越 少 。 吸 水 性 较 大 的 岩 石 吸 水 后 往 往 会 产 生 膨 胀 ， 给 井 巷支 护 造 成 很 大 压 力 。 2、 岩 石 的 软 化 性 岩 石 的 软 化 性 是 指 岩 石 在 饱 水 状 态 下 其 强 度 相 对于 干 燥 状 态 下 降 低 的 性 能 ， 可 用 软 化 系 数 表 示 。 软 化 系 数 指 岩 石 试 样 在 饱 水 状 态 下 的 抗 压 强 度 cb与 在 干 燥 状 态 下 的 抗 压 强 度 c之 比 ， 即 ccbc 各 类 岩 石 的 c=0.45 0.9之 间 。 c 0.75,岩 石 软 化 性 弱 、 抗 水 、 抗 风 化 能 力 强 ； c 0.75， 岩 石 的 工 程 地 质 性 质 较 差 。 3、 岩 石 的 膨 胀 性 岩 石 的 膨 胀 性 是 指 岩 石 浸 水 后 体 积 增 大 的 性 质 。 岩 石的 膨 胀 性 大 小 一 般 用 膨 胀 力 和 膨 胀 率 指 标 表 示 。 其 测 定 方法 是 平 衡 加 压 法 。 试 验 中 不 断 加 压 ， 并 保 持体 积 不 变 ， 所 测 得 的 最 大 压 力 即为 岩 石 的 最 大 膨 胀 力 ； 然 后 逐 级减 压 ， 直 至 荷 载 为 0， 测 定 其 最大 膨 胀 变 形 量 ， 膨 胀 变 形 量 与 试件 原 始 厚 度 的 比 值 即 为 膨 胀 率 。 4、 岩 石 的 崩 解 性 岩 石 的 崩 解 性 是 指 岩 石 与 水 相 互 作 用 时 失 去 粘 结 性 并变 为 完 全 丧 失 强 度 的 松 散 物 质 的 性 质 。 岩 石 的 崩 解 性 一 般 用 耐 崩 解 指 数 Id2 的 表 示 。 其 指 标可 在 实 验 室 用 干 湿 循 环 试 验 确 定 。 试 验 过 程 ： 将 经 过 烘 干 的 试块 （ 500g,分 成 约 10块 ） ， 放 在带 有 筛 孔 的 圆 筒 内 ， 使 该 圆 筒 在水 槽 中 以 20r/min,连 续 旋 转 10 min,然 后 将 留 在 圆 筒 内 的 岩 块 取出 烘 干 称 重 ， 如 此 反 复 进 行 两 次 ， 按 下 试 计 算 耐 崩 解 指 数 。 %10001 022 WW WWmmI drd式 中 ：Id2 两 次 循 环 试 验 求 得 的 耐 崩 解 指 数 ， 在 0 100% 之 间 变 化 ；md试 验 前 试 块 的 烘 干 质 量 ；mr残 留 在 圆 筒 内 试 块 的 烘 干 质 量 ；W1 试 验 前 试 件 和 圆 筒 的 烘 干 重 量 ；W2第 二 次 循 环 后 试 件 和 圆 筒 的 烘 干 重 量 ；W 0试 验 结 束 冲 洗 干 净 后 圆 筒 的 烘 干 重 量 。 岩 石 的 崩 解 性 指 数 反 映 了 岩 石 在 浸 水 和 温 度 变化 的 环 境 下 抵 抗 风 化 作 用 的 能 力 。 5、 岩 石 的 抗 冻 性 岩 石 的 抗 冻 性 是 指 岩 石 抵 抗 冻 融 破 坏 的 性 能 ， 是 评 价岩 石 抗 风 化 稳 定 性 的 重 要 指 标 。 岩 石 的 抗 冻 性 用 抗 冻 系 数 Cf表 示 ， 指 岩 石 试 样 在 250C的 温 度 期 间 内 ， 反 复 降 温 、 冻 结 、 融 解 、 升 温 ， 然后 测 量 其 抗 压 强 度 的 下 降 值 （ c- cf） ,以 此 强 度 下 降 值与 融 冻 试 验 前 的 抗 压 强 度 c之 比 的 百 分 比 代 表 抗 冻 系 数C f ， 即 %100 c cfcfC 可 见 ： 抗 冻 系 数 Cf 越 小 ， 岩 石 抗 冻 融 破 坏 的 能 力 越 强 。 6、 岩 石 的 透 水 性 地 下 水 存 在 于 岩 石 孔 隙 、 裂 隙 之 中 ， 而 且 大 多 数 岩石 的 孔 隙 裂 隙 是 连 通 的 ， 因 而 在 一 定 的 压 力 作 用 下 ， 地下 水 可 以 在 岩 石 中 渗 透 。 岩 石 的 这 种 能 透 水 的 性 能 称 为岩 石 的 透 水 性 。 岩 石 的 透 水 性 大 小 不 仅 与 岩 石 的 孔 隙 度大 小 有 关 ， 而 且 还 与 孔 隙 大 小 及 其 贯 通 程 度 有 关 。 衡 量 岩 石 透 水 性 的 指 标 为 渗 透 系 数 (K)。 一 般 来 说 ，完 整 密 实 的 岩 石 的 渗 透 系 数 往 往 很 小 。 岩 石 的 渗 透 系 数一 般 是 在 钻 孔 中 进 行 抽 水 或 压 水 试 验 而 测 定 的 。 （ 五 ） 岩 石 的 碎 胀 性 岩 石 破 碎 后 的 体 积 VP比 原 体 积 V增 大 的 性 能 称 为 岩 石的 碎 胀 性 ， 用 碎 胀 系 数 来 表 示 。VVP 碎 胀 系 数 不 是 一 个 固 定 值 ， 是 随 时 间 而 变 化 的 。 永 久 碎 胀 系 数 （ 残 余 碎 胀 系 数 ） 不 能 再 压 密 时的 碎 胀 系 数 称 为 永 久 碎 胀 系 数 . 弹 性 ： 指 物 体 在 外 力 作 用 下 发 生 变 形 ， 当 外 力 撤 出 后 变 形能 够 恢 复 的 性 质 。塑 性 ： 指 物 体 在 外 力 作 用 下 发 生 变 形 ， 当 外 力 撤 出 后 变 形不 能 恢 复 的 性 质 。粘 性 （ 流 变 性 ） ： 物 体 受 力 后 变 形 不 能 在 瞬 间 完 成 ， 且 应变 速 度 （ d /dt） 随 应 力 大 小 而 变 化 的 性 质 。脆 性 ： 物 体 在 外 力 作 用 下 变 形 很 小 时 就 发 生 破 坏 的 性 质 。延 性 ： 物 体 能 够 承 受 较 大 的 塑 性 变 形 而 不 丧 失 其 承 载 能 力的 性 质 。 第 二 节 岩 石 的 强 度 和 变 形 特 性 岩 石 的 力 学 性 质 包 括 ： 变 形 性 质 ： 研 究 岩 石 在 受 力 情 况 下 的 变 形 规 律 强 度 特 性 ： 研 究 岩 石 受 力 破 坏 的 规 律 一 、 岩 石 的 弹 性 和 塑 性 ： 变 形 分 析 的 重 要 性 （ 直 观 、 易 测 、 建 立 模 型 、 准 则 ） 1、 弹 性 变 形 ：线 弹 性 非 线 弹 性 滞 弹 性 线 弹 性 直 线 型 ； 当 岩 石 致 密 ， 强 度 大 ， 压 力 不 高 时 ， 为 此 状 态 。 非 线 弹 性 单 向 曲 线 型 ； 基 本 没 有 。 滞 弹 性 双 向 曲 线 型 ， 岩 石 多 属 滞 弹 性 ：滞 弹 性 应 力 应 变 不 是 唯 一 的 对 应 关 系 ， 应 变 的 产 生 （ 变 化 ） 较 应 力 的 变 化 有 一 段 时 间 的 滞 后 。 原 因 ： 物 理 学 认 为 ， 当 作 用 在 滞 弹 性 体 上 的 力 发 生 改 变 时 ， 由 于 受 力 体 内 部 物质 的 粘 性 或 内 摩 擦 的 原 因 ， 引 起 变 形 效 应 滞 后 和 迟 延 。 滞 弹 性 体 具 有 两 个 重 要 性 质 ： 弹 性 滞 后 由 于 内 摩 擦 原 因 ， 岩 石 随 应 力 变 化 出 现 的 变 形 滞 后 。 弹 性 后 效 由 于 热 传 导 等 原 因 ， 外 力 停 止 变 化 ， 而 变 形 仍 随 时 间 而 缓慢 变 化 。 理 想 塑 性 具 有 应 变 硬 化 的 塑 性 2、 塑 性 变 形 ： 岩 石 塑 性 普 遍 存 在 ； 岩 石 塑 性 与 岩 石 的 组 成 、 结 构 、 构 造 及 外 界 环 境 有 关 。 （ 颗 粒 及 胶 结 物 物 质 成 分 、 排 列 结 合 、 含 水 、 温 度 、 应 力 等 ） 理 想 塑 性 超 过 弹 性 极 限 ， 进 入 完 全 塑 性 状 态 （ 极 少 ） ； 应 变 硬 化 超 过 弹 性 极 限 ， 承 载 能 力 随 应 变 增 加 而 增 加 。 3、 一 般 岩 石 的 变 形 ： 瞬 时 弹 性 变 形 后 效 弹 性 变 形 塑 性 变 形 岩 石 与 其 它 金 属 及 晶 体 矿 物 不 同 ， 因 其 有 节 理 、 裂 隙 存 在 ， 在 应力 不 高 阶 段 ， 内 部 结 构 即 有 破 坏 ， 在 产 生 弹 性 变 形 的 同 时 ， 产 生 塑 性变 形 。 岩 石 不 是 理 想 的 弹 性 体 、 塑 性 体 、 粘 性 体 ， 是 混 合 体 。 有 弹 塑 ； 塑 弹 ； 弹 粘 塑 ； 粘 弹 等 多 种 变 形 特 性 。 （ 粘 性 变 形 不 能 在 瞬 间 完 成 ， 变 形 速 率 随 应 力 变 化 。 ）典 型 变 形 性 质 ：直 线 型弹 脆 弹 塑下 凹 型 塑 弹上 凹 型弹 粘 平 缓 型 塑 弹 塑S 型 二 、 岩 石 单 向 压 缩 变 形 性 质 ： 1、 轴 向 变 形 ：2、 横 向 变 形 ： E 1 E 12 普 通 试 验 机 下 岩 石 应 力 、 应 变 曲 线 刚 性 试 验 机 下 岩 石 应 力 、 应 变 曲 线 刚 性 试 验 机 （ 1） 0A段 ： 微 裂 隙 闭 合 阶 段 ,微 裂 隙 压 密 极 限 A。 （ 2） AB段 ： 近 似 直 线 ， 弹 性 阶 段 ， B 为 弹 性 极 限 。 （ 3） BC段 ： 屈 服 阶 段 ， C为 屈 服 极 限 。 （ 4） CD段 ： 破 坏 阶 段 ， D为 强 度 极 限 ， 即 单 轴 抗 压 强 度 。 （ 5） DE段 ： 即 破 坏 后 阶 段 , E为 残 余 强 度 。 3、 全 应 力 应 变 曲 线 ：