第一章 矿山岩石和岩体的基本性质 3
矿山岩石力学(1)
矿山岩石力学(1)
1.岩体力学研究的内容：
• 岩体的地质特征 • 岩块、结构面的力学性质 • 岩体的力学性质 • 岩体中天然应力 • 岩体中重分布应力 • 地下硐室围岩稳定性计算与评价 • 工程处理与加固
矿山岩石力学(1)
六、岩体力学与其他学科的关系
1、岩体力学与材料力学、弹塑性力学和流变力学等有着纵 向联系。人们运用这些理论使岩体力学得到发展。 2、岩体工程的围岩赋存在一定的地质环境之中。因此，岩 体力学与工程地质学、构造地质学和地质力学有着十分密 切的联系。 3.岩体力学是为解决岩体工程中的力学问题服务的，这些 工程学科包括：采矿和其它地下空间工程、交通工程、水 电工程和基础工程等。因此，岩体力学是各1)
2.岩体力学的研究方法
•工程地质研究法 研究岩块和岩体的地质与结构特征, 为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。
•试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理 力学参数。
•数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适当的 分析方法, 预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性, 为设计和施工提供定量依据 。
矿山岩石力学(1)
二、岩体的特征
岩体既不是理想的弹性体, 也不是典型的塑 性体, 既不是连续介质, 又不是松散介质, 而是 一种特殊的复杂的地质体, 这就造成了研究它的 困难性和复杂性。因此, 只用一般的固体力学理 论尚不能完善解决岩体工程中的所有问题。
矿山岩石力学(1)
三、岩体力学的研究内容与研究方法
在此阶段更加深入地研究岩石的破坏机理。
矿山岩石力学(1)
第一章岩石性质
状的性质。
E
岩石的塑性是指在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形 状和尺寸的性质。
1）蠕变：是指在恒定载荷持续作用下，应变随时间变化而增 长的现象称蠕变。
2）后效弹性变形：是指岩石在弹性变形阶段，卸载以后，有 一部分变形立刻恢复，还有一部分变形不能立刻恢复，但是经 过一定时间仍能完全恢复。这部分变形，不是塑性变形，这种 现象称为后效弹性变形。
岩石名称
煤
细砂岩
砂岩类
中砂岩 粗砂岩
粉砂岩
砾岩类
砂砾岩 砾岩
页岩类
砂质页岩 页岩
灰岩类
石灰岩
抗压强度 50～500 1060～1460 875～1360 580～1260 370～560 710～1240 820～960 490～920 190～400 540～1610
抗拉强度 20～50 56～180 61～143 55～119 14～25 29～99 41～120 40～121 28～55 79～141
软岩层
3.比较坚硬的块状岩层，Rb=40～60 MPa
围岩能维持一个月以上稳 定, 有时会产生局部岩块 掉落
砂岩、砂质页岩、粉砂 岩、石灰岩、硬质疑灰 岩
Ⅳ
稳定性较 差岩层
1.较软的完整岩层，Rb＜20 MPa 2.中硬的层状岩层
3.中硬的块状岩层，Rb=20～40 MPa
围岩的稳定时间仅有几天
页岩、泥岩、胶结不好 的砂岩、硬煤
岩石的碎胀性是指岩石破碎以后的体积将比整体状态下的体积增大 的性质。两种状态下的体积比称为碎胀系数，用α来表示，按下式计算：
V" V0
——岩石的碎胀系数；
V″——岩石破碎膨胀后的堆积体积（m3）
矿山压力与岩层控制课后习题
第一章 矿山岩石和岩体的基本性质1、岩石的孔隙性、孔隙度和孔隙比有什么不同？研究它们有何意义？2、岩石受载时会产生哪些类型的变形？岩石的塑性和流变性有什么不同？3、将某矿的页岩岩样做成5cm ×5cm ×5cm 的三块立方体试件，分别作剪切角度为45°、55°和65°的抗剪强度实验，施加的最大载荷相应地为22.4、15.3和12.3KN ，求该页岩的内聚力C 和内摩擦角值，并绘出该页岩的抗剪强度曲线图。
4、对某矿石灰岩进行抗剪强度实验结果，当时，当时。
如果已知该岩石的单向抗压强度,求侧压力时其三轴抗压强度是什么？5、莫尔强度理论和格里菲斯强度理论在本质上有何区别？为什么莫尔强度理论较广泛地用作岩石强度条件？他可用来解释那些问题？6、试叙述单向拉伸、单向压缩、双向拉伸、双向压缩、双向不等拉压、纯剪、三向等拉、三向等压和三向不等压的应力圆（设压应力为正，、、分别为最大、中间和最小应力）。
7、岩石强度的压性能有何意义？如何根据莫尔应力圆和斜直线型强度包络线求解岩石试件在单向受力条件下的压拉比？8、如果某种岩石的强度条件为试求：（1）这种岩石的单轴抗压强度；（2）设压应力为正，单位为MPa ，则下列应力状态的各点是否会产生破坏，（40，30，20）；（53，7，30，6.3）；（53.7，30，1）；（1000，1000，1000）。
9、某种岩石在单轴压缩过程中，其压应力达到28MPa 时即发生破坏，破坏面与最大主平面的夹角为60°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化，计算，（1）这种岩石的内摩擦角；（2）在正应力为零的平面上的抗剪强度；（3）上述试验中与最大主平面成30°夹角的平面上的抗剪强度；（4）破坏面上的正应力和剪应力。
10、解释岩体强度变化曲线图的含义，是考虑是否有其他方式能更多的反映岩体ϕMPa n 8.41=σMPa 8.151=τMPa n 2.81=σMPa 181=τMPa R 6.821=MPa 53=σ1σ2σ3σ)MPa (tan 10300+=ατ321σσσ>>强度特征？11、某矿按双千斤顶法对主井井口表土层下基岩中制取的四个试体进行了原地剪切试验，每次先施加法线力N 到一定值且稳定不变后再施加倾斜15°的推力P ，直到试体沿底板岩面发生剪切破坏，试验结果如下：擦角υ值。
矿山压力与岩层控制1
《矿山压力与岩层控制》课程教学大纲课程中文名称：矿山压力与岩层控制课程英文名称：Mine Pressure and Strata control课程类别：专业基础课课程归属单位：河南理工大学万方科技学院制定时间：2013年3月18日一、课程的性质、任1. 课程设置的性质、任务《矿山压力及岩层控制》是研究煤矿开采过程中矿山压力分布及其显现规律，探讨矿山压力控制措施和控制方法的一门工程技术学科，是采矿工程专业学生的主要专业课，也是其它井下工程类专业的专业基础课程。
通过对本门课程的学习，要求对煤矿中采场和采区巷道周围煤(岩)体内矿山压力分布及其显现有比较完整的认识和了解，基本掌握控制采场和井下巷道矿山压力的方法和措施。
结合实验课和实践性教学，使学生得到有关研究和解决煤矿生产现场矿山压力问题基本技能的训练。
2. 通过教学达到下列基本要求通过本课程的教学，一方面使学生掌握有关矿山压力及其控制的基本概念、巷道围岩变形、应力、破坏的分布规律、采场周围的应力分布状态、采场顶底板的变形破坏规律、工作面来压规律及确定方法、巷道与采场的围岩控制理论与控制方法、煤矿动压现象、矿山压力测试技术；另一方面使学生达到能够根据具体条件，进行采场和巷道围岩控制设计、解决有关矿山压力控制方面问题的能力。
3. 专业和学时数采矿工程专业、矿井通风与安全专业、岩土工程专业，共56学时4. 与其它课程的关系⑴ 《煤矿地质学》、《矿山岩体力学》、《煤矿通风与安全》、《采掘机械》在本课程之前教授；⑵ 本课程应在《开采方法》、《井巷工程》之前或同时讲授；5. 教材与参考资料(1)《矿山压力与岩层控制》蒋金泉王国际等编(2)《矿山压力及岩层控制》钱鸣高、石平五等编(3)《矿山压力及岩层控制》姜福兴等编(4)《矿压测控技术》阎海鹏张公开编6、教学方法本课程以课堂讲授为主，部分内容配合实验课程和实践性教学环节进行，并辅以课外作业，课堂答疑等形式进行。
第一章 矿山岩石和岩体的基本性质
第一章 矿山岩石和岩体的基本性质第一节 岩石的基本物理性质一、岩石的基本概念岩石是组成地壳的基本物质,由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律组合而成。
岩石是指从岩体中取出的，但其尺寸却不大，有时称为岩块。
岩石按不同的标准可分为不同类型，常见的分类有：（1）按岩石成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。
（2）按岩石固体矿物颗粒间的结合特征，可分为固结性、粘结性、散粒状和流动性岩石四大类。
（3）按岩石的构成特征，可以区分岩石的结构和岩石的构造。
岩石的结构是决定岩石组织的各种特征（如矿物颗粒的组成成分、结晶程度、形状和大小以及它们之间的连接状况等）的总合；而岩石的构造则指岩石中组成成分的空间分布以及他们相互间的排列关系，如整体构造，多孔状构造和层状构造。
（4）按岩石的力学强度和坚实性，可分为坚硬岩石和松软岩石。
工程中常把饱水状态下单压强度大于10MPa 的岩石称为坚硬岩石；而把低于该值的岩石称为松软岩石。
二、岩石的质量指标（一）岩石的比重岩石的比重是指岩石固体部分的实体积（不包括空隙体积）重量与4℃时同体积水重量和岩石固体部分实体积的比值。
其表达式为（1-1）式中 ——岩石的比重；G d ——绝对干燥时岩石固体实体积的重量，kN ； V c ——岩石固体部分实体积，m 3；——水的容重，4℃时等于10（kN/m 3）；岩石比重取决于组成岩石的矿物比重，与岩石的空隙和吸水多少无关，且随岩石中重矿物含量的增多而增大。
煤矿中常见的岩石比重见表1-1。
（二）岩石的密度和容重岩石的密度是指单位体积的岩石（包括空隙体积）质量，表达式为（1-2）式中 ——岩石的密度，kg/m 3； M ——岩石的质量，kg ；V ——岩石的体积，m 3。
岩石的密度与组成岩石矿物密度、空隙和吸水多少有关。
根据岩石试样含水状态不同，岩石的密度可分为天然密度、饱和密度和干密度三种，前两种一般称为岩石的湿密度。
天然密度是指岩石在天然含水状态下的密度；饱和密度（）是指岩石在吸水饱和状态下的密度；干密度（）是指在105～110℃下干燥24h 后的密度。
第一章岩石的性质及其工程分级优秀课件
0.20~5.00 0.20~12.19 1.80~3.10 0.10~4.45 0.10~3.15 0.08~0.55 0.10~1.46 0.10~0.80
1.2.3 岩石的水理性质
2）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
表 1—2 几种岩石的碎胀系数
岩石名称 胀碎系数K
砂、砾石 1.05~1.2
砂质粘土 1.2~1.25
中硬岩石 1.3~1.5
习题
1.1 概述
（1）岩石 • ——组成地壳的基本物质，由一种或多种矿物或岩屑在地
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。 • 岩石的性质：与其矿物组成、结构有关。 （2）岩体
——地下工程周围较大范围内的自然地质体。 特点：非均质、各向异性、不连续、赋存地质因子。
（3）岩块 ——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），近似认为 各向同性的连续介质。
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：
G d
VcW
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(不包括孔隙体积) ，cm3；
ρW—水的密度，g／cm3。
1.2.1 岩石的相对密度和密度
2）孔隙比e 岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积总和与试件内固体矿 物体积之比。
eVV C VCV VC1dC W1
1.2.2 岩石的孔隙性
3）孔隙度n和孔隙比e的关系
矿山压力及其控制习题及解答
矿山压力及其控制习题及解答第一章矿山岩石和岩体的基本性质一、什么叫岩石的应力应变全程曲线？为什么说它真实的反映了岩石的破坏过程？认识这一过程对研究岩石性质有何意义？岩石的应力应变全程曲线，又称全应力—应变曲线，是在刚性实验机上得到的、反映岩石加载后变形和破坏全过程的实验曲线。
如图1-1，它与在一般普通的材料实验机上所得的曲线不同，可分为以下几段：1、OA段，为岩石的压密阶段，由于岩石内部各种裂隙受压闭合而形成；2、AB段，接近于直线，为线弹性阶段，B 点为弹性极限；3、BC段，为塑性段，与普通材料实验机上脆性岩石发生破坏前塑性段很短相比，它的塑性段较为明显。
由于这一阶段岩石内部有微破裂不断发生，又称为破裂发展阶段。
岩石到C点发生破坏，C点即为强度极限；4、CD段、岩石的破坏是一个渐进的发展过程，即岩石在C 点达到强度极限以后仍有一定的承载能力，在低于强度极限的压力下应变继续扩大，直到压力降到某一较小值，岩石在 D 点达到完全破坏。
这一段卸载曲线CD，称为后破坏曲线或峰后特性曲线。
岩石的应力—应变全程曲线真实地反映了岩石破坏的全过程。
过去在普通的材料实验机上得不到这一曲线，是由于普通的材料实验机具有“柔性”，在对岩石试块加载过程中它本身也相应地产生变形，不断地聚积一部分变形能。
当岩石达到强度极限后，随试件破裂。
图1 岩石的应力应变全程曲线二、莫尔强度理论和格里菲斯强度理论提出的基本思想是什么？它们在本质上有何区别？为什么目前莫尔强度理论较广泛地用作岩石的强度条件？莫尔强度理论认为，材料破坏主要是由于破坏面上的剪应力达到一定程度，但此剪应力还与破坏面上由于正应力造成的摩擦阻力有关。
也就是说，材料某一点发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时取决于正应力，即沿某一面剪断时剪应力与正应力存在着一定的函数关系，τ=f（σ）。
格里菲斯强度理论则认为，任何材料内部都存在各种细微的裂缝，当材料处于一定的应力状态时，在这些裂缝的端部便会产生应力集中。
[井巷工程]第一章 岩石的性质及工程分类
![[井巷工程]第一章 岩石的性质及工程分类](https://img.taocdn.com/s3/m/1cb08d3a83c4bb4cf7ecd12d.png)
3
VI
相当软的岩石
2
VIa VII VIIa VIII IX X
相当软的岩石 软岩 软岩 土质岩石 松散岩石 流沙状岩石
1.5 1.0 0.8 0.6 0.5 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：
软煤： f ＝1～1.5 硬煤： f ＝2～3 软岩： f ＝2～3 中硬岩： f ＝4～6 硬岩： f ＝8～10 坚硬岩石： f ＝12～14 最坚硬岩石： f ＝15～20
⑶ 自润滑
⑷ 可钻硬岩、大直径深眼 ⑸ 环卫好（噪音低10~15分贝，90分贝以下，没有油雾水气） 。
五. 旋转式钻眼机械
⑴ 适用条件：煤及 f＜3 的岩层。
煤电钻
⑵ 构造：散热风扇 + 开关手柄 + 电动机 + 减速器 + 钎套筒
电压127v，功率1.2~2.0kW（多为1.2kW），转速2700转/分。
按其支架方式分为：
手持式——目前很少使用。 气腿式——目前应用比较广泛。 向上式——专用于反井和打锚杆眼施工。 导轨式——与凿岩台车和钻装机配合使用。 按冲击频率分为： 低频——冲击频率<2000次/min 中频——冲击频率为2000~2500次/min 高频—— 冲击频率>2500次/min 按重量分为： 轻型 重型
伞形钻架 凿岩台车
导轨式 机重30kg以下
导轨式 机重130～360kg 机重30kg以下 手持式 机重18kg ，功率1.2kw 导轨式 台车式（4~6吨），架钻式（150～360kg）
电钻 岩石电钻 导轨式 机重35~40kg 功率1.2kw
三.风动凿岩机的构造与工作原理
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如图的几何关系，有： 其中：
（五）格里菲斯强度理论（Griffith的脆性断裂理论）
1921年格里菲斯在 研究脆性材料的基础上 ，提出了评价脆性材料 的强度理论。该理论大 约在上世纪70年代末80 年代初引入到岩石力学 研究领域。
1、格里菲斯强度理论的基本思想：
（1）在脆性材料内部存 在着许多杂乱无章的扁平 微小张开裂纹。 在外力 作用下，这些裂纹尖端附 近产生很大的拉应力集中 ，导致新裂纹产生，原有 裂纹扩展、贯通，从而使 材料产生宏观破坏。
（2）裂纹将沿着与最大拉应力作用方向相垂直的方向扩展。
式中： γ——新裂纹长轴与原裂纹 长轴的夹角； β——原裂纹长轴与最大主 应力的夹角。
2、格里菲斯强度判据
根据椭圆孔应力状态的解析解，得出了格里菲斯的强 度判据： （1）
破裂条件为：
危险裂纹方位角： （2） 破裂条件为：
危险裂纹方位角：
Griffith准则图解
第一章 矿山岩石和岩 体的基本性质 3
2020年4月23日星期四
（四）莫尔强度理论
1、莫尔强度理论的基本思想 ： 莫尔强度理论是建立在试验数据的统计分析基础之
上的。 1910年莫尔提出材料的破坏是剪切破坏，材料在 复杂应力状态下，某一斜面上的剪应力达到一极限值， 造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏，且破坏面平行于 中间主应力σ2作用方向（即σ2不影响材料的剪切破坏） ，破坏面上的剪应力τf 是该面上法向应力σ的函数,即 ：
破坏后，由于岩体尺寸大，仍能够靠块体间摩擦承受一定载荷。
三、岩体的强度特征
岩体强度——是岩块、弱面强度的综合反映，介于岩块、弱面强度之间 。
包括：抗压、抗剪、抗拉 （受结构面影响很大，现场主要测抗压、抗剪强度）
1、 结构面及其强度：
1）结构面分类： 按成因 ： 原生结构面——成岩阶段形成的结构面 ； 构造结构面——在构造运动作用下形成的结构面 ； 次生结构面——在地表由于外力作用形成的结构面；
讨论： （1）单轴拉伸应力状态下
σ1=0,σ3 ＜0,满足σ1+3σ3 ≤ 0, 破裂条件为： 危险裂纹方位角：
（2）双向拉伸应力状态下 σ1＜0,σ3＜0,满足σ1+3σ3 ＜ 0, 破裂条件为：
危险裂纹方位角：
（3）单轴压缩应力状态下
σ1＞0,σ3 = 0, 满足σ1+3σ3 ＞0
破裂条件为：
莫尔强度包络线与应力圆
3、莫尔－库仑强度理论
τf = f(σ)所表达的是一条曲线，该曲线的型式有： 直线型、抛物线型、双曲线型、摆线型。而直线型与库伦准 则表达式相同，因此，也称为库伦－莫尔强度理论。由库仑 公式表示莫尔包络线的强度理论，称为莫尔－库仑强度理论 。
用主应力表示：
上式也称为极限平衡方程。 莫尔－库仑强度理论不适合剪切 面上正应力为拉应力的情况。
岩体力学性质取决于岩石、结构面的力学性质及结构面的空间组 合状况。
1、岩体实验： 主要测定：变形曲线、弹性常数、强度 试 件：现场切割制作，保护原结构不受破坏。 设 备：现场安装，主要为剪切实验。
2、岩体变形特征： （1）总变形量大 （2）在变形的过程中体积明显增大（扩容） （3）破坏后仍能承受一定载荷而继续变形 （4）层状岩体可呈现比较明显的各向异性
3、岩体变形曲线：
压密阶段：裂隙被压闭合，纵向变形明显，侧向变形不明显（1为转化点）； 弹性阶段：结构体开始承载变形，应力应变正比，呈弹性（2为屈服点） ； 塑性阶段：过屈服点，结构体变形，结构面产生滑移变形，扩容、应变强化（3为 极限强度） ； 破坏阶段：强度限后，出现沿结构面滑移和结构体转动，扩容，出现新裂缝。
。
（坚硬无充填结构面、软弱有充填结构面、夹层）
结构体（岩块）——被各类结构面切割成的岩石块体。
（块状、板状）
岩体 = 岩块 + 结构面
岩体的力学处理：
完整性很好——连续介质力学方法； 非常破碎——土力学方法； 两者之间——裂隙体力学方法。
岩体结构基本类型：
（按结构面切割状况及结构体类型分为六种）
β
危险裂纹方位角： β= ±π/6
（4）双向压缩应力状态下 σ1＞0,σ3 ＞ 0, 满足σ1+3σ3 ＞0
破裂条件为：
危险裂纹方位角： 0 ＜ β＜ π/4
第六节 岩体基本特征和类型
一、岩体概念：
岩体——赋存于一定地质环境中的自然地质体。（一般>1m3 ）
岩体 = 岩块 + 结构面
结构面（弱面）——地质界面，如断层、裂隙、层理、节理、片理
3、岩体强度：
介于结构面、岩快之间。满足无拉力准则（受 拉处即破坏）
完整结构 块状结构
层状结构
碎裂结构 断续结构
构
碎裂结构
断续结构
散体结构
岩体的基本特征
1 非均质性：岩体物理力学性质随空间位置的不同，其性 质也不相同的性质；
2 各向异性：岩体全部或部分物理力学特征随方向而表现 不同性质的特征；
3非连续性：岩体被结构面所切割而非连续
二、岩体的变形特征
τf ＝ f (σ)
2、莫尔强度包络线： 指各极限应力圆的破坏点所组成的轨迹线。τf ＝
f(σ) 在τf ～σ坐标中是一条曲线，称为莫尔包络线， 表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上的 法向应力σ与剪应力τf 的关系。极限应力圆上的某点与 强度包络线相切，即表示在该应力状态下材料发生破坏。
按工程要求：细小结构面 延长L≤1m 中等结构面 1m≤延长L≤10m 巨大结构面 延长L≥10m
2）结构面的接触类型：
3）结构面强度特征： 不能承受拉应力； 可承受垂直面的压应力； 可承受沿面剪应力（与其上正应力有关）； 以剪切破坏为主。
压缩性质
剪切性质
2、岩块的强度： 可承受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主：
用极限应力表示的莫尔圆称为极限莫尔应力圆（简称极 限应力圆）。
莫尔强度包络线的意义：包络线上任意一点的坐标都 代表岩石沿某一剪切面剪切破坏所需的剪应力和正应力， 即任意一点都对应了一个与之相切的极限应力圆。
莫尔强度包络线的应用：运用强度曲线可以直接判断岩 石能否破坏。将应力圆与强度曲线放在同一个坐标系中，若 莫尔应力圆在包络线之内，则岩石不破坏；若莫尔应力圆与 强度曲线相切，则岩石处于极限平衡状态；若莫尔应力圆与 强度曲线相交，则岩石肯定破坏。