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第一章　岩石的性质及其工程分级

井巷工程

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　第一章　　　　岩石的性质及其工程分级

第一节　 概 述

第二节 　岩石的物理性质

第三节　 岩石的力学性质

第四节　岩石的工程分级

第一章　 习 题

3第 页 06/26/11 资环学院 王 猛 资环学院 王 猛 1 3841 8758001 3841 875800

第一节　 概述

基本概念

1. 岩石

2. 岩块

3. 岩体

4. 表土

5. 基岩

组成地壳的基本物质，由矿物或岩屑在地质作用下按一定

规律而形成的自然地质体，包括岩浆岩、沉积岩、变质岩。

从地壳中切取出来的小块体，不包含软弱面（岩体中的地

质遗迹、层理、节理、断层、裂隙面 , 强度低，易变形），近似认为各向同 性的连续介质 , 。

地下工程周围较大范围内的自然地质体。从煤矿采掘工程角度：包括岩石、地下水、瓦斯。岩体的性质复杂，是我们研究的主要对象。

建井工作者把覆盖在地壳上部的第四纪沉积物成为表土，

也称为松散性岩石，如：黄土、流沙、粘土等。

　　表土以下的固结性岩石称为基岩、岩浆岩、沉积岩、变质岩。

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　　岩块：

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　　岩体

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　　　表土和基岩

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第二节 岩石的物理性质

一、岩石的相对密度、密度

二、岩石的孔隙性

三、岩石的水理性质

四、岩石的碎胀性

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1 ．相对密度 ( 曾称比重 ) 岩石的相对密度是指岩石固体实体积 ( 不包括孔隙体积 ) 的质量与同体积水的质量的比值。

计算公式为：

式中：

d—— 岩石的相对密度 ( 无量纲量 );

G— 绝对干燥时体积为 VC的岩石质量， g ；

VC— 岩石固体实体积， cm3；

ρW—— 水的密度， g ／ cm3。

一、岩石的相对密度、密度

WcV

Gd

ρ=

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V

Gc =ρ

V

G1=ρ

2 ．密度 岩石单位体积 ( 包括岩石内孔隙体积 ) 的质量，称为岩石的密度，亦称质量密度。两种：干密度和湿密度。前者是单位体积岩石绝对干燥后的质量，后者是天然含水或饱水状态下的密度。

ρC—— 岩石的干密度， g ／ cm3 ；

ρ—— 岩石的湿密度， g ／ cm3 ；G—— 岩石试件烘干后的质量， g ；

G1—— 岩石试件的质量 ( 天然含水或饱水 ) ， g ；V—— 岩石试件的体积， cm3 。

3 ．重度 ( 重力密度 ) 单位体积岩石质量所受的重力。

γ=ρg

式中： γ—— 岩石的重度， N ／ m3 ；

ρ—— 岩石密度， kg ／ m3 ；

g—— 重力加速度， 9.8m ／ s2 。

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二、岩石的孔隙性 岩石的孔隙性是指岩石的孔隙和裂隙的发育程度，它通常用孔隙度

n 和孔隙比 e 来表示。

孔隙度是指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与试件总体积

V 之比 ( 常以百分数表示 ) ，

孔隙比是岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与试件内固体矿

物颗粒体积 Vc 之比。

%100)1(111 ×−=−=−=−=−

=w

C

w

CCCC

ddV

G

G

V

V

V

V

VVn

ρρ

ρρ

11 −=−=−

=C

W

CC

C d

V

V

V

VVe

ρρ

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三、岩石的水理性质

1 ．岩石吸水率： W 是指岩石试件在标准大气压 下吸入水的质量与试件烘干后质量 G 之比值。

表1-1为岩石密度、孔隙比及吸水率的指标。G

gW =

影响吸水率的因素：

⑴岩石所含孔隙，裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况有关；

⑵试验条件，试验表明，整体岩石试件的吸水率要比同一岩石的碎块试样吸水率小，随着吸水水时间的增加，吸水率也会有所增大。吸水率对岩石力学性质有影响。

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三、岩石的水理性质

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2 ．岩石的透水性

地下水存在于岩石的孔隙和裂隙之中，而且大多数岩

石的孔隙和裂隙是相互贯通的，因而，在一定水压作用

下，地下水可在岩石中渗透，这种岩石能被水透过的性

质，称为岩石的透水性。

AI

QK =

Q— 渗水量 ;A— 渗透面积； I— 水力坡度 ; K- 渗透系数

影响因素：

地下水压力、岩体应力状态、孔隙发育程度、连通程度等。

表1-2为岩石渗透系数

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三、岩石的水理性质

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3 ．岩石的溶蚀性

由于水的化学作用而把岩石中某些组成物质带走的现象称为岩石的溶湿性。导致岩石致密程度降低，孔隙度增大，

强度降低 , 贵州 761矿巷道中的钟乳石、石笋。

4 ．岩石的软化性 岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数 (η

c)表示。η

c定义为岩石试件的饱和抗压强度 (R

cw)

与干抗压强度 (R

c)的比值，即

1≤=Rc

Rcwcη

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5 ．岩石的膨胀性和崩解性。

⑴膨胀性：软岩浸水后体积增大和响应的引起压力增大的性质，用膨胀应力和膨胀率来表示。

膨胀应力：岩石与水进行物理化学反应后，随时间变化会产生体积增大的现象，这时，使试件体积保持不变所需要的压力称膨胀应力。

膨胀率：岩石与水进行物理化学反应增大后的体积与原体

积的比率。

⑵崩解性：软岩浸水后发生解体的性质。

用耐崩解指数表示：岩石试件在承受干燥和湿润两个标准循环后，岩样对软化和崩解表现出来的抵抗力。用耐崩解仪测定。

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四、岩石的碎胀性 岩石的碎胀性 岩石破碎后因岩块间空隙增多而总体积增大的性质称为碎胀性。碎胀程度的大小可用碎胀系数表示。

V

VK 1=

K— 岩石的碎胀系数；

V1— 岩石破碎膨胀后的体积；

V— 岩石处于整体状态下的体积。

表 1-4 为常见岩石碎胀系数。

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第三节 岩石的力学性质

一、岩石的变形特征

二、岩石的强度特征

三、岩石的硬度

四、岩石的可钻性和可爆性

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㈠静载荷下岩石的变形特征（单向压缩）

第三节 岩石的力学性质

一、岩石的变形特征

㈡岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征

㈢动压条件下岩石的变形特征

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㈠静载荷下岩石的变形特征（单向压缩）

一、岩石的变形特征

⑴应力应变曲线

⑵体积应变,

⑶三种破坏形式

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⑴ 应力应变曲线

I—OA阶段裂隙压密闭合阶

段

—Ⅱ AB阶段线弹性阶段

—Ⅲ BC段破裂发展阶段

Ⅳ一 CD ，软化阶段

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⑵体积应变 , 岩石的体积改变量 ΔV 与原体积 V 的比值 ,也称体积改变率。

zyxv εεεε ++= 一般岩石具有在弹性阶段体积变小和塑性阶段体

积增大的特点、转折点在附近。

岩石在塑性阶段体积增大的性质称为扩容现象 ,对于研

究巷道变形和围岩对支护造成的压力等问题有重要意义。

2cR

=σ

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⑶三种破坏形式

脆性破坏：永久变形或全变形小于 3% 者为脆性破坏。具

有这种特性的岩石称为脆性岩石；

塑性破坏：永久变形或全变形大于 5% 者塑性破坏。具有

这种特性的岩石称为塑性岩石；

过度状态：永久变形或全变形在 3%到 5% 之间。

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（二）岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征

•真三轴试验 σ1>σ2>σ3

常规三轴试验

σ1>σ2=σ3

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特点：⑴弹性段与单轴压缩基本相同；⑵岩石表现出明显的塑性变形；⑶屈服极限，强度峰值、残余强度与围压大小 成正 比；⑷大部分岩石在一定临界围压下出现屈服平台，呈塑性流动现象；⑸达到临界围压后，继续提高围压，不在出现峰值，

—应力 应变出现单调增长趋势。

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（三）动压条件下岩石的变形特征

⑴动荷载的特点

⑵岩石在动荷载作用下的变形特征

⑶波的反射和投射

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⑴动荷载的特点

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ΔL— 质点扰动位移， CP— 质点扰动的传播速度（波速），

Δt—波的传播时间， CPΔt— 在 Δt— 时间内变形范围。

F

⑵ 岩石在动荷载作用下的变形特征

ΔL

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表面波 (勒夫波 ) ：沿介质边界传播 c ；

体积波：在介质内部传播，分为横波和纵波

横波：介质振动方向和波的传播方向垂直，产生剪切变形 b ；

纵波：质点振动方向和波的传播方向一致，产生压缩、拉伸变形a ；

瑞利波：质点运动轨迹为椭圆的波，为地震波的主要形式 d

⑶波的反射和投射

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pPVCp ρω

σ ==

ρ— 为介质密度； ω—区段截面积； ρCP— 为波阻抗。介质密

度和波速的乘积，表征介质对于应力波的阻尼作用。

①当 ρ1CP1=ρ2CP2 时， σr=0 ， σt=σi ，不

产生波的反射。

②当 ρ2CP2>ρ1CP1 时， σr>0 ， σt>0 ，说明交界

面上既有透射波、又有反射波。

③当 ρ2CP2=0 或 ρ2CP2≤ρ1CP1 时，即当应力波到达的交界面为自由面时，

σr=-σi ， σt=0 ，叠加结果是交界面的应力值为零。

④当 ρ2CP2<ρ1CP1 时，交界面既有透射压缩波又有反射拉伸波，也能破

碎岩石。

itt R σσ =

irr R σσ =1122

1122

pp

ppr cc

ccR

ρρρρ

+−

=

1122

222

pp

pt cc

cR

ρρρ

+=

为垂直反射系数

为垂直透射系数

A

B

介质 1

ρ1 ， CP1

σi ， vi

σr ， vr

介质 2

ρ2 ， CP2

σt ， vt

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⑴大多数情况下，岩石表现为脆性破坏；

⑵同种岩石强度并非常数；

⑶不同受力情况下，岩石的极限强度相差悬殊。

三向等压抗压强度 > 三向不等压抗压强度 >双向抗压强度 > 单向抗压强

度 > 单向抗剪强度 > 单向抗弯强度 > 单向抗拉强度。

38

1~

5

1=C

t

R

R15

1~

2

1=CR

τ3

Ct RR ⋅=τ

单向抗压强度 RC 、单向抗剪强度 τ 、单向抗拉强度 Rt 之间有下

列关系：

；

；

　　　　　二、岩石的强度特征

1 ．岩石在静荷载作用下的强度

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2 ．动荷载作用下的强度

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　　　三、岩石的硬度

岩石的硬度是岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力。

1 ．静压入硬度：

2 ．回弹高度

以重物落于岩石表面后的回弹高度来表示。岩石越 硬，回弹高度越大。常用肖氏硬度计和施米特锤来测定。施米特锤用来测定混凝土硬度，我国生产的施米特锤叫回弹仪。

岩石的硬度是岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力。硬度与强度又有区别。

h

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四、岩石的可钻性和可爆性 1 ．凿碎比功：即破碎单位体积岩石所作的功．现以 a 表示 , 单位

为 J ／厘米 3 。

　 2 ．钎刃磨钝宽：即岩石的磨蚀性，量出钎刃两端向内 4㎜处的

磨钝宽度，以 b 表示，单位为㎜。

目前，使用便携式岩石凿测器，测定岩石的凿碎比能和凿 480

次后 钎刃磨钝的宽度 凿测器图

1-钎头； 2-承击台； 3-销

钉； 4-导向杆； 5-落锤；

6-卡套； 7-转动手柄

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a.、岩石工程分级的必要性

第四节　岩石的工程分级

二、分级方法

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a.、岩石工程分级的必要性：

按成因不同，将岩石分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三类，

对于采掘工程来说，又要求要求对岩石进行定量的区分，以

便能正确地进行工程设计，合理地选用施工方法、施工设

备、机具与器材，准确地制定生产定额和材抖消耗定额等。

因此，提出了岩石工程分级与岩体工程分类问题。

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二、分级方法

10CR

f =

ＲＣ—岩石单向抗压强度， MPa ；

10— 单位为 MPa ；普氏分级的优点： 普氏岩石分级法简明，便于使用，因而多年来在苏联及一些东欧国家获得广泛应用。 缺点：它没有反映岩体的特征。关于岩石坚固性正各方面表现趋于一致的观点，对少数岩石也不适用，如粘土就钻眼容易，而爆破困堆。

1 ．普氏分级法： 用一个综合性的指标” 坚固性系数 f”来表示岩石破坏的相对难易程度，通常称 f为普氏岩石坚固性系数。

根据 f 的大小将岩石分为 10 级 15 种

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岩石按坚固性分级

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2 ．根据锚喷支护需要，按照煤矿岩层特点制定的围岩分类。

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即钻探时将钻孔中直接获取的岩心的总长度，扣除破碎岩心和软弱夹泥的长度，再与钻孔总进尺相比。具体计算岩心长度时，只计算大于 10cm 的坚硬和完整的岩心，既：

%10010 ×

钻孔长度

以上岩心累及长度cm

3 ．岩心质量指标分级法

（ R ． Q ． D ）

R ． Q ． D=

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1. 岩石、岩快、岩体、基岩、表土

2. 相对密度、密度、孔隙性、吸水率、软化性、岩石碎胀性

3. 岩石静载荷作用下变形特征，用单向压缩实验曲线说明这个阶段意义

4. 岩石工程分级方法有几种，什么是普氏系数 ,普氏系数分级法及其的优

缺点。

　　　第一章 复习题