礦山壓力與巖層控制(第一章)課件

礦山壓力與巖層控制一、課程性質(zhì)及任務(wù)：

《礦山壓力及其控制》是煤礦開采技術(shù)專業(yè)的必修專業(yè)課。任務(wù)：應(yīng)力分布規(guī)律1、掌握三個(gè)規(guī)律巖層移動規(guī)律礦壓顯現(xiàn)規(guī)律2、掌握二個(gè)原理工作面支架與圍巖相互作用原理巷道支架與圍巖相互作用原理

3、掌握一套方法：礦壓控制方法礦山壓力與巖層控制1二、課程學(xué)習(xí)基本要求：

了解各類圍巖事故產(chǎn)生的條件、原因和特點(diǎn)；

了解礦山壓力現(xiàn)場研究的基本方法；

初步具備解決、分析礦山壓力問題的能力；

能針對具體煤層和圍巖條件布置巷道和回采工作面；能合理設(shè)計(jì)回采工作面、巷道的圍巖控制方式。二、課程學(xué)習(xí)基本要求：2第一章礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)

巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。本章介紹：巖石的地質(zhì)構(gòu)成及分類；巖石物理、力學(xué)性質(zhì)及測定；巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論；巖體及其力學(xué)特征。

第一章礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)巖3第一節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)

一、巖石：巖石：礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集形成的自然物體。

（巖石=礦物顆粒+膠結(jié)物+孔隙+水）礦物：存在地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物。結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及其相互結(jié)合的情況。(結(jié)晶、膠結(jié))構(gòu)造:

組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系。

（節(jié)理、裂隙、空隙、邊界、缺陷）礦物、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個(gè)重要因素。第一節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)一、巖石：4巖漿巖：強(qiáng)度高、均質(zhì)性好

二、巖石地質(zhì)分類沉積巖：強(qiáng)度不穩(wěn)定，各向異性(示例)

變質(zhì)巖：不穩(wěn)定，與變質(zhì)程度和巖性有關(guān)三、沉積巖石的力學(xué)特性：①不連續(xù)性；（物質(zhì)不能充滿空間，有空隙存在）②各向異性；（任一點(diǎn)的物理、力學(xué)性質(zhì)沿不同方向均不相同）③不均勻性；（由不同物質(zhì)組成，各點(diǎn)物理力學(xué)性質(zhì)都不相同）④巖塊單元的可移動性；⑤地質(zhì)因素影響特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）（上述特性導(dǎo)致巖石力學(xué)的研究方法以實(shí)驗(yàn)測試為主）

5礦山壓力與巖層控制(第一章)6四、巖石的密度與體積力（容重）

巖石含：固相、液相、氣相。

Vo三相比例不同而密度不同。

Vc

V

1、巖石的真密度ρ：

真密度——單位體積巖石（不包含空隙）的質(zhì)量：

其中：ρ—巖石真密度，kg/m3

—巖石實(shí)體干質(zhì)量（不含水分），kg—巖石實(shí)體體積（不含孔隙），m3四、巖石的密度與體積力（容重）7

2、巖石的視密度ρ′：視密度——單位體積巖石（包括孔隙）的質(zhì)量式中：ρ′—巖石的視密度，kg/m3—巖石的質(zhì)量，kg—巖石的體積（含孔隙），m3

分為：天然視密度、飽和視密度和干密度3、巖石的容重（體積力）γ：

容重——巖石單位體積（含孔隙體積）的重力，kN/m3

式中：W——被測巖樣的重量,（）kN；

V——被測巖樣的體積，m3

天然容重——天然含水狀態(tài)下,γ

干容重———105—110℃烘干24小時(shí)（至恒重）,γd

飽和容重——巖石孔隙吸水飽和（水浸48小時(shí)）狀態(tài)下,γw2、巖石的視密度ρ′：84、巖石的相對密度（比重）Δ：

比重——巖石固體部分的重量和4℃同體積純水重量的比值。

式中：WS——體積為V的巖石，固體部分重量，kN

VC——巖石固體部分（不含孔隙）體積，m3

γW——4℃同體積純水重量，kN/m3

礦山壓力與巖層控制(第一章)9五、巖石的孔隙性——反映裂隙賦存于發(fā)育狀態(tài)。1、孔隙率n——孔隙體積占總體積的百分比。

2、孔隙比e——巖石中各類孔隙總體積與巖石實(shí)體體積之比。

n—e關(guān)系：

巖石的孔隙性對圍巖強(qiáng)度、變形、含水影響很大。五、巖石的孔隙性——反映裂隙賦存于發(fā)育狀態(tài)。10六、巖石的碎脹性——巖石破碎后自然堆積體積大于原體積的性質(zhì)。

1、初始碎脹系數(shù)——破碎后樣自然堆積體積與原體積之比。

2、殘余碎脹系數(shù)——破碎并被壓實(shí)后的體積與原體積之比。

式中：分別為原體積/破碎自然堆積體積/被壓實(shí)體積。

巖石碎脹性對地下采礦圍巖控制、礦產(chǎn)及土石方運(yùn)輸?shù)扔兄匾饬x。

六、巖石的碎脹性——巖石破碎后自然堆積體積大于原體積的性質(zhì)。11礦山壓力與巖層控制(第一章)12七、巖石的軟化性

——巖石浸水后強(qiáng)度降低的性質(zhì)。

軟化系數(shù)——飽水巖樣抗壓強(qiáng)度與自然風(fēng)干巖樣抗壓強(qiáng)度的比值。

（）越小，表示巖石受水的影響越大。

巖石軟化性在地下開采圍巖管理、地面邊坡管理等方面有重要意義。七、巖石的軟化性——巖石浸水后強(qiáng)度降低的性質(zhì)。13八、巖石的膨脹性——巖石浸水后體積膨脹的性質(zhì)。（用于評價(jià)膨脹性巖體工程穩(wěn)定性）自由膨脹率——無約束條件下浸水后膨脹變形與原尺寸之比。軸向自由膨脹（%）

H——試件高度

徑向自由膨脹

（%）

D——直徑

膨脹性和崩解性對礦井開拓施工和巷道穩(wěn)定性有不利影響。八、巖石的膨脹性——巖石浸水后體積膨脹的性質(zhì)。14九、巖石耐崩解性——巖石抵抗水浸后結(jié)構(gòu)破壞的性能。耐崩解指數(shù)——巖石試件進(jìn)行烘干、浸水循環(huán)試驗(yàn)。

（測試：將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20r／s速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次，按下式計(jì)算耐崩解性指數(shù)。）九、巖石耐崩解性——巖石抵抗水浸后結(jié)構(gòu)破壞的性能。15第二節(jié)巖石的強(qiáng)度和變形特性工程師對工程材料提出兩個(gè)問題：

1最大承載力——許用應(yīng)力[]？2最大允許變形－－許用應(yīng)變[]？

在巖石工程中要使：實(shí)際參數(shù)≤允許指標(biāo)巖石的力學(xué)性質(zhì)包括：

變形性質(zhì)：研究巖石在受力情況下的變形規(guī)律（本節(jié)）。強(qiáng)度特性：研究巖石受力破壞的規(guī)律（下節(jié)）。

第二節(jié)巖石的強(qiáng)度和變形特性16一、巖石的彈性和塑性：

變形分析的重要性（直觀、易測、建立模型、準(zhǔn)則）

1、彈性變形：（縮短為正，壓應(yīng)力為正）線彈性非線彈性

滯彈性線彈性———應(yīng)力—應(yīng)變呈直線關(guān)系；當(dāng)巖石致密，強(qiáng)度大，壓力不高時(shí)，為此狀態(tài)。非線彈性——應(yīng)力—應(yīng)變不是直線關(guān)系，卸載時(shí)應(yīng)力應(yīng)變沿原來的曲線返回原點(diǎn)。呈單向曲線型。基本沒有。

滯彈性———應(yīng)力—應(yīng)變?yōu)殡p向曲線型，卸載后應(yīng)力應(yīng)變沿另一條曲線返回原點(diǎn)。

巖石多屬滯彈性：一、巖石的彈性和塑性：線彈性非線彈性滯彈性線彈性———應(yīng)17滯彈性——應(yīng)力應(yīng)變不是唯一的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)變的產(chǎn)生（變化）較應(yīng)力的變化有一段時(shí)間的滯后。

原因：物理學(xué)認(rèn)為，當(dāng)作用在滯彈性體上的力發(fā)生改變時(shí)，由于受力體內(nèi)部物質(zhì)的粘性或內(nèi)摩擦的原因，引起變形效應(yīng)滯后和遲延。滯彈性體具有兩個(gè)重要性質(zhì)：彈性滯后——由于內(nèi)摩擦原因，巖石隨應(yīng)力變化出現(xiàn)的變形滯后。

彈性后效——由于熱傳導(dǎo)等原因，外力停止變化，而變形仍隨時(shí)間而緩慢變化。

滯彈性——應(yīng)力應(yīng)變不是唯一的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)變的產(chǎn)生（變化）較應(yīng)18理想塑性具有應(yīng)變硬化的塑性2、塑性變形：巖石的塑性變形是指巖石在外力作用下當(dāng)超過其屈服極限應(yīng)力時(shí)仍能發(fā)生變形，撤去外力后不能完全恢復(fù)其原始狀態(tài)的性質(zhì)，亦稱殘余變形。

巖石塑性普遍存在；巖石塑性與巖石的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及外界環(huán)境有關(guān)。（顆粒及膠結(jié)物物質(zhì)成分、排列結(jié)合、含水、溫度、應(yīng)力等）

理想塑性——超過彈性極限，進(jìn)入完全塑性狀態(tài)（極少）；

應(yīng)變硬化——超過彈性極限，承載能力隨應(yīng)變增加而增加。理想塑性具有應(yīng)變硬化的塑性2、塑性變形：19

3、一般巖石的變形：

瞬時(shí)彈性變形

后效彈性變形

塑性變形

巖石與其它金屬及晶體礦物不同，因其有節(jié)理、裂隙存在，在應(yīng)力不高階段，內(nèi)部結(jié)構(gòu)即有破壞，在產(chǎn)生彈性變形的同時(shí)，產(chǎn)生塑性變形。3、一般巖石的變形：20巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。有彈—塑；塑—彈；彈—粘—塑；粘—彈等多種變形特性。典型變形性質(zhì)：直線型彈脆彈塑下凹型塑彈上凹型彈粘平緩型塑彈塑S型巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。直線型彈脆彈21二、巖石單向壓縮變形性質(zhì)：

1、軸向變形：2、橫向變形；普通試驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線脆性巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線塑性巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線二、巖石單向壓縮變形性質(zhì)：普通試驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線脆性22試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)233、全應(yīng)力應(yīng)變曲線：

四個(gè)階段：

OA——原有裂隙壓密階段。彈性模量較小且不是一個(gè)常數(shù)。AC——線彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系，B點(diǎn)為彈性極限。CD——彈塑性過渡階段，應(yīng)力達(dá)到2/3峰值強(qiáng)度時(shí)，巖石開始有微破裂不斷產(chǎn)生，巖石體積有壓縮轉(zhuǎn)向膨脹，C點(diǎn)為屈服點(diǎn)。DE——破裂后階段（應(yīng)力降低階段、殘余應(yīng)力階段）

剛性試驗(yàn)機(jī)下巖石全程應(yīng)力、應(yīng)變曲線3、全應(yīng)力應(yīng)變曲線：四個(gè)階段：剛性試驗(yàn)機(jī)下巖石全程應(yīng)力、應(yīng)變244、巖石的變形指標(biāo)及其確定：

①彈性摸量E：（抵抗變形的能力、應(yīng)力應(yīng)變比值）線彈性：直線斜率非線彈性：切線斜率（變形曲線導(dǎo)數(shù)）；

割線斜率（割線斜率）；彈塑性：彈性摸量：E=加載曲線段切線斜率=卸載曲線段割線斜率；

變形摸量：4、巖石的變形指標(biāo)及其確定：①彈性摸量E：（抵抗變形的能力25礦山壓力與巖層控制(第一章)26②泊松比μ：（變形傳遞能力）

泊松比μ——巖石橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。

在彈性階段：其為常數(shù)。在塑性階段：不為常數(shù)。

（嚴(yán)格講，μ僅在彈性范圍適用，對塑性部分不適用,

由于引入變形摸量，塑性區(qū)可用，μ最大為0.5。)

③剪切摸量G——剪切虎克定律比例系數(shù)。④拉梅常數(shù)λ——將應(yīng)力應(yīng)變聯(lián)系起來的彈性常數(shù)。⑤體積摸量Kv——體積彈性摸量。②泊松比μ：（變形傳遞能力）275、巖石變形中的擴(kuò)容現(xiàn)象：

①擴(kuò)容現(xiàn)象——巖石破壞前，因微裂隙產(chǎn)生及內(nèi)部小塊體相對滑移，導(dǎo)致體積擴(kuò)大的現(xiàn)象。

②體應(yīng)變——變形后的體積增量與變形前體積之比。

③體應(yīng)變曲線：三個(gè)階段：體積減小階段0F體積不變階段F體積擴(kuò)大階段FT縱向橫向體積T5、巖石變形中的擴(kuò)容現(xiàn)象：縱向橫向體積T28三、巖石三軸壓縮變形性質(zhì)：1、三軸實(shí)驗(yàn)：（真三軸、假三軸）

2、三軸抗壓強(qiáng)度：

3、三軸變形特征：

與單軸試驗(yàn)結(jié)果基本類似（E、μ基本相同）；

圍壓增加——三向抗壓強(qiáng)度增加；峰值變形增加；彈性極限增加；巖石由彈脆性—彈塑性—應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變

三、巖石三軸壓縮變形性質(zhì)：29礦山壓力與巖層控制(第一章)30礦山壓力與巖層控制(第一章)31干砂巖濕砂巖干砂巖濕砂巖32四、巖石流變性質(zhì)：

1、巖石流變性質(zhì)——巖石隨時(shí)間增長而變化的性質(zhì)。2、流變現(xiàn)象：

蠕變——應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增長的現(xiàn)象。

（當(dāng)時(shí)）

松弛——應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象。（當(dāng)時(shí)）

彈性后效——停止加、卸載，應(yīng)變需經(jīng)一段時(shí)間達(dá)到應(yīng)有值的現(xiàn)象。粘性流動——蠕變后卸載，部分變形不能恢復(fù)的現(xiàn)象。四、巖石流變性質(zhì)：33

與巖石類別有關(guān)（粘土礦物巖石蠕變顯著）

巖石蠕變與應(yīng)力大小有關(guān)（高應(yīng)力蠕變明顯，超過極限應(yīng)力，蠕變進(jìn)入不穩(wěn)定階段）

蠕變試驗(yàn)：時(shí)間長；測量要求精度高（用千分表）；載荷恒定。

研究蠕變的意義：了解巖石的長時(shí)強(qiáng)度。長時(shí)強(qiáng)度———巖石蠕變破壞時(shí)的最低應(yīng)力值。長時(shí)強(qiáng)度對巖土工程更為重要。

長時(shí)強(qiáng)度<強(qiáng)度<瞬時(shí)強(qiáng)度

34典型蠕變曲線瞬時(shí)應(yīng)變初始應(yīng)變定長蠕變加速蠕變典型蠕變曲線瞬時(shí)應(yīng)變初始應(yīng)變定長蠕變加速蠕變354、粘性—巖石的粘性是指巖石在外力作用下變形不能在瞬間完成，且應(yīng)變的速率隨應(yīng)力的變化而改變，當(dāng)外力撤去后，不能恢復(fù)其原始狀態(tài)的性質(zhì)。理想的粘性巖石材料，其應(yīng)力—應(yīng)變速率曲線呈直線關(guān)系，并且通過原點(diǎn)。這種應(yīng)變速率隨應(yīng)力而改變的變形稱之為流變變形或流動變形。(a)完全彈性體(b)完全粘性體(c)剛-塑性體4、粘性—巖石的粘性是指巖石在外力作用下變形不能在瞬間完成，363、蠕變曲線：

巖石蠕變的類型：

穩(wěn)定蠕變（低應(yīng)力）

不穩(wěn)定蠕變（高應(yīng)力）

典型蠕變曲線：（蠕變?nèi)A段）

初始蠕變階段——應(yīng)變增加，但應(yīng)變增加速率降低；

定常蠕變階段——應(yīng)變增加速率保持不變；

加速蠕變階段——應(yīng)變增加速率迅速增加，直至破壞。穩(wěn)定蠕變不穩(wěn)定蠕變3、蠕變曲線：穩(wěn)定蠕變不穩(wěn)定蠕變37第三節(jié)巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論

本節(jié)介紹：巖石試件抗壓、抗拉、抗剪、三向抗壓強(qiáng)度及測定

巖石的極限強(qiáng)度——巖石破壞時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。

研究巖石強(qiáng)度的意義：

①作為巖石分類以及巷道、采煤工作面，頂板分類的主要指標(biāo)；②判斷工程穩(wěn)定性的強(qiáng)度準(zhǔn)則的基本參數(shù)；③地下工程變形區(qū)域計(jì)算的判據(jù)。

第三節(jié)巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論38一、巖石的采樣與加工：

實(shí)驗(yàn)所測巖石的各種強(qiáng)度均不是巖石的固有性質(zhì)。強(qiáng)度指標(biāo)要受試件尺寸大小、三維比例、形狀規(guī)格、含水、加載速率等因素影響。

國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）對標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行了規(guī)定，不標(biāo)準(zhǔn)的要予以修正。

要確保試驗(yàn)巖樣的天然狀態(tài)。

巖樣應(yīng)具有一定的代表性。

鉆孔采樣時(shí)應(yīng)盡量垂直于層面打孔，偏斜角不大于0.5°。

采取的巖(煤)塊規(guī)格大體為長×寬×高=20×20×15cm。

上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直徑差不大于0.2mm。

試件端面垂直于試件軸的偏差不大于0.001rad。

圓柱形試件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

長方體試件：邊長L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

一、巖石的采樣與加工：39二、巖石的單向抗壓強(qiáng)度：

單軸抗壓強(qiáng)度——巖石在單軸壓縮下，破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力。1、試驗(yàn)測試：

試驗(yàn)設(shè)備：普通壓力機(jī)（60t、100t、200t）

試件：φ5cm，高徑比為2的圓柱體（或5*5*5立方體），每組不少于3塊；（國際ISRM規(guī)定高徑比為2.5—3，我國為1—2—2.5）

加載：0.5—1.0MPa/s；

2、試件破壞形式：X型共軛斜面剪切破壞—軟塑性巖石多發(fā)生，屬壓剪破壞；單斜面剪切破壞————偶爾發(fā)生，屬壓剪破壞；拉伸（劈裂）破壞———脆硬型巖石多發(fā)生，為泊松效應(yīng)引起。二、巖石的單向抗壓強(qiáng)度：40單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)41單軸壓縮巖石試件破壞形態(tài)

單軸壓縮巖石試件破壞形態(tài)423、數(shù)據(jù)處理：

測巖石強(qiáng)度時(shí)，需對同一巖樣的多個(gè)試塊進(jìn)行測試（數(shù)量多少依據(jù)精度，經(jīng)濟(jì)確定），用統(tǒng)計(jì)方法，求得平均抗壓強(qiáng)度，作為該種巖石的強(qiáng)度指標(biāo)。單一試件：

平均值：各試件偏差：單一測值與平均值的差值

標(biāo)準(zhǔn)方差：反映正負(fù)偏差的絕對大小

離散系數(shù)：反映平均值的可靠程度（單一強(qiáng)度偏離平均強(qiáng)度的程度），要求小于15—20%3、數(shù)據(jù)處理：43三、巖石單向抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度——在單軸拉伸載荷作用下，破壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力。試驗(yàn)設(shè)備：

直接拉伸——萬能材料試驗(yàn)機(jī)（試件的夾固、軸力共線困難，少用）間接拉伸——巴西試驗(yàn)裝置（劈裂法）試件破壞形式：拉斷、劈裂

抗拉強(qiáng)度：（巴西法）

式中：———試件破壞時(shí)最大壓力，N——分別為試件的直徑與厚度，m三、巖石單向抗拉強(qiáng)度：44巴西法σyσx巖石的抗拉強(qiáng)度最小，約為抗壓強(qiáng)度的3—30%

巴西法σyσx巖石的抗拉強(qiáng)度最小，約為抗壓強(qiáng)度的3—30%45四、抗剪切強(qiáng)度：抗剪強(qiáng)度——巖石在剪切載荷作用下，破壞時(shí)所能承受的最大剪應(yīng)力。1、試驗(yàn)裝置：非限制性剪切（單、雙面、沖剪、扭剪）（無正應(yīng)力）限制性剪切（直剪儀、角摸壓剪試驗(yàn)儀）2、試件破壞形式：沿剪切面剪斷四、抗剪切強(qiáng)度：463、抗剪強(qiáng)度：純剪強(qiáng)度（抗切）——剪切面上無法向應(yīng)力時(shí)；純剪強(qiáng)度==內(nèi)聚力C壓剪強(qiáng)度（抗剪）——剪切面受法向壓應(yīng)力作用時(shí)；抗剪強(qiáng)度==內(nèi)聚力+內(nèi)摩擦力重剪強(qiáng)度（摩擦）——已有裂面受法向壓力，再剪切時(shí)；摩擦強(qiáng)度==內(nèi)摩擦力一般情況下，巖石抵抗剪切的能力由兩部分組成：

抗剪能力==內(nèi)聚力+內(nèi)摩擦力

（C、φ為巖石固有）

顯然：

抗剪強(qiáng)度是一個(gè)變化量3、抗剪強(qiáng)度：474、抗剪強(qiáng)度測試：傾斜壓摸法——用兩個(gè)鋼制的變角剪切夾具改變剪切面的方向，強(qiáng)制剪斷，得到該面上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力，描點(diǎn)得到抗剪強(qiáng)度曲線。

依據(jù)強(qiáng)制剪切面上的全應(yīng)力、及剪切面傾角也可得到抗剪強(qiáng)度曲線。4、抗剪強(qiáng)度測試：依據(jù)強(qiáng)制剪切面上的全應(yīng)力、及剪切面傾角也可48五、三軸抗壓強(qiáng)度：

三軸抗壓強(qiáng)度——三向壓縮作用下，破壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力。試驗(yàn)設(shè)備：真三軸試驗(yàn)機(jī)：偽三軸試驗(yàn)機(jī)：試件破壞形式：壓剪破壞——隨側(cè)壓力增大，可表現(xiàn)為明顯的塑性變形。強(qiáng)度計(jì)算：MPa強(qiáng)度指標(biāo)：

經(jīng)測試：三向抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大，是一個(gè)變量。

一系列實(shí)驗(yàn)可得巖石的三向抗壓曲線礦山壓力與巖層控制(第一章)49常規(guī)（偽）三軸實(shí)驗(yàn)裝置常規(guī)（偽）三軸實(shí)驗(yàn)裝置50六、影響巖石強(qiáng)度的因素：

1、巖石的組織結(jié)構(gòu)——礦物類別、顆粒大小、分布狀態(tài)、膠結(jié)物；

2、巖石構(gòu)造裂隙———延展規(guī)模、裂隙性質(zhì)、壁面強(qiáng)度、充填物；

3、試件尺寸—————尺寸增大，強(qiáng)度降低；

4、含水———————含水量大，強(qiáng)度低；

5、加載速率—————加載速率增加，強(qiáng)度加大（變形不充分）；

6、受載狀態(tài)——三等壓＞三不等＞雙壓＞單壓＞剪切＞彎曲＞拉伸

六、影響巖石強(qiáng)度的因素：51第四節(jié)巖體的基本特征和類型一、巖體概念：

巖體——賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中的自然地質(zhì)體。（一般>1m3）巖體=巖塊+結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面（弱面）——在地質(zhì)歷史形成的具有一定方向、厚度較小和一定延展長度的地址界面。如斷層、裂隙、層理、節(jié)理、片理。

（堅(jiān)硬無充填結(jié)構(gòu)面、軟弱有充填結(jié)構(gòu)面、夾層）

結(jié)構(gòu)體（巖塊）——被各類結(jié)構(gòu)面切割成的巖石塊體。

（塊狀、板狀）

第四節(jié)巖體的基本特征和類型一、巖體概念：52

結(jié)構(gòu)面的接觸類型：

結(jié)構(gòu)面的接觸類型：53巖體=巖塊+弱面巖體=巖塊+弱面54二、巖體結(jié)構(gòu)基本類型：

（按結(jié)構(gòu)面切割狀況及結(jié)構(gòu)體類型分為六種）

完整結(jié)構(gòu)

塊狀結(jié)構(gòu)

層狀結(jié)構(gòu)

碎裂結(jié)構(gòu)

斷續(xù)結(jié)構(gòu)

散體結(jié)構(gòu)二、巖體結(jié)構(gòu)基本類型：55整體結(jié)構(gòu)塊狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)斷續(xù)結(jié)構(gòu)散體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)塊狀結(jié)構(gòu)56壓密階段：裂隙被壓閉合，縱向變形明顯，側(cè)向變形不明顯；彈性階段：結(jié)構(gòu)體開始承載變形，應(yīng)力應(yīng)變正比，呈彈性；塑性階段：過屈服點(diǎn)，結(jié)構(gòu)體變形，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移變形，擴(kuò)容、應(yīng)變強(qiáng)化；破壞階段：強(qiáng)度限后，出現(xiàn)沿結(jié)構(gòu)面滑移和結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動，擴(kuò)容，出現(xiàn)新裂縫。破壞后，由于巖體尺寸大，仍能夠靠塊體間摩擦承受一定載荷。一、巖體變形曲線：

第五節(jié)巖體的基本力學(xué)性質(zhì)與分級標(biāo)準(zhǔn)壓密階段：裂隙被壓閉合，縱向變形明顯，側(cè)向變形不明顯；一、巖571、巖塊的強(qiáng)度：

可承受壓、剪或低值拉應(yīng)力，以剪切破壞為主：2、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度特征：

不能承受拉應(yīng)力；可承受垂直面的壓應(yīng)力；可承受沿面剪應(yīng)力（與其上正應(yīng)力有關(guān)）；以剪切破壞為主。二、巖體的強(qiáng)度特征巖體強(qiáng)度——是巖塊、弱面強(qiáng)度的綜合反映，介于巖塊、弱面強(qiáng)度之間。壓縮性質(zhì)剪切性質(zhì)1、巖塊的強(qiáng)度：二、巖體的強(qiáng)度特征巖體強(qiáng)度——是巖塊、弱面強(qiáng)583、巖體強(qiáng)度：

介于結(jié)構(gòu)面、巖塊之間。滿足無拉力準(zhǔn)則（受拉處即破壞）巖體結(jié)構(gòu)面3、巖體強(qiáng)度：巖體結(jié)構(gòu)面591、結(jié)構(gòu)面對巖體強(qiáng)度的影響：結(jié)構(gòu)面方位對巖體強(qiáng)度的影響

結(jié)構(gòu)面與主應(yīng)力方向不同，對巖體強(qiáng)度影響不同。

結(jié)構(gòu)面位于剪切面位置時(shí)，巖體強(qiáng)度最小。三、巖體的強(qiáng)度影響因素1、結(jié)構(gòu)面對巖體強(qiáng)度的影響：結(jié)構(gòu)面方位對巖體強(qiáng)度的影響60L1具有兩組相互垂直節(jié)理時(shí)巖體強(qiáng)度的變化曲線L2L2L1多組結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致巖體各項(xiàng)同性。最小強(qiáng)度域L1具有兩組相互垂直節(jié)理時(shí)巖體強(qiáng)度的變化曲線L2L2L1多組61結(jié)構(gòu)面組數(shù)越多，巖體強(qiáng)度越接近結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面組數(shù)越多，巖體越呈現(xiàn)各向同性。對現(xiàn)場松散破碎巖體，不能使用巖塊強(qiáng)度，只能使用弱面強(qiáng)度或弱面摩擦強(qiáng)度研究破壞問題。

結(jié)構(gòu)面組數(shù)越多，巖體強(qiáng)度越接近結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。622、試件尺寸

各種巖體變形實(shí)驗(yàn)表明，巖體強(qiáng)度隨試驗(yàn)件尺寸的增大而減?。?、環(huán)境圍壓環(huán)境圍壓對巖體(尤其是節(jié)理化巖體)變形和強(qiáng)度都產(chǎn)生很大的影響。（1）圍壓的大小影響巖體的破壞方式。高圍壓時(shí)形成穿切巖石材料的共軛剪切面破壞，低圍壓時(shí)，沿結(jié)構(gòu)面滑動或松脹解體，形成軸向劈裂破壞。（2）巖體抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大，但不是直線關(guān)系，在低圍壓情況下增大得快，高圍壓增大得饅。（3）圍壓增大，巖體的變形模量也明顯提高。（4）巖體中結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)隨圍壓的增大而減小，當(dāng)圍壓達(dá)到某一臨界值時(shí)，巖體中結(jié)構(gòu)面效應(yīng)完全消失．此時(shí)巖體從脆性破壞變?yōu)檠有云茐摹?、孔隙水壓由于孔隙水壓的存在，使巖體中固體顆粒或骨架所承受的壓力隨之減小。巖體強(qiáng)度也就相應(yīng)地降低。2、試件尺寸63四、巖體的分級標(biāo)準(zhǔn)1、RQD分類法其中巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值是迪爾（1964）提出的．它是鉆孔中直接獲取的巖心總長度L，扣除破碎巖心和軟弱夾泥的長度后的長度，與鉆孔總進(jìn)尺H之比，即RQD＝(L-)/H。根據(jù)它可將巖石劃分為五個(gè)質(zhì)量等級。四、巖體的分級標(biāo)準(zhǔn)1、RQD分類法642、RMR分類法

比尼奧斯基利用巖體的“綜合特征值”對其進(jìn)行質(zhì)量等級劃分，考慮完整巖石強(qiáng)度、RQD值、節(jié)理間距和產(chǎn)狀以及地下水等因素的影響下對巖體質(zhì)量進(jìn)行評定，簡稱RMR（RockMassRating）。當(dāng)采用RMR值對巖體進(jìn)行工程分類時(shí)、先按教材表l-16中所列的5個(gè)因素逐一進(jìn)行單項(xiàng)評分，而各項(xiàng)因素的評分依據(jù)是其對巖體工程質(zhì)量的影響程度，得分越高，表示其在RMR中所占份額越大并且越受重視。由5個(gè)單項(xiàng)因素評分累計(jì)得到的總分最大，則表示巖體的質(zhì)量越好。然后按教材表l-17中的規(guī)定，根據(jù)節(jié)理產(chǎn)狀與巷道掘進(jìn)施工時(shí)的相互關(guān)系對初評所得總分進(jìn)行修正，然后對照教材表1-18進(jìn)行巖體分類。2、RMR分類法65礦山壓力與巖層控制(第一章)66礦山壓力與巖層控制(第一章)67演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！68礦山壓力與巖層控制一、課程性質(zhì)及任務(wù)：

《礦山壓力及其控制》是煤礦開采技術(shù)專業(yè)的必修專業(yè)課。任務(wù)：應(yīng)力分布規(guī)律1、掌握三個(gè)規(guī)律巖層移動規(guī)律礦壓顯現(xiàn)規(guī)律2、掌握二個(gè)原理工作面支架與圍巖相互作用原理巷道支架與圍巖相互作用原理

3、掌握一套方法：礦壓控制方法礦山壓力與巖層控制69二、課程學(xué)習(xí)基本要求：

了解各類圍巖事故產(chǎn)生的條件、原因和特點(diǎn)；

了解礦山壓力現(xiàn)場研究的基本方法；

初步具備解決、分析礦山壓力問題的能力；

能針對具體煤層和圍巖條件布置巷道和回采工作面；能合理設(shè)計(jì)回采工作面、巷道的圍巖控制方式。二、課程學(xué)習(xí)基本要求：70第一章礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)

巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。本章介紹：巖石的地質(zhì)構(gòu)成及分類；巖石物理、力學(xué)性質(zhì)及測定；巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論；巖體及其力學(xué)特征。

第一章礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)巖71第一節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)

一、巖石：巖石：礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集形成的自然物體。

（巖石=礦物顆粒+膠結(jié)物+孔隙+水）礦物：存在地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物。結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及其相互結(jié)合的情況。(結(jié)晶、膠結(jié))構(gòu)造:

組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系。

（節(jié)理、裂隙、空隙、邊界、缺陷）礦物、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個(gè)重要因素。第一節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)一、巖石：72巖漿巖：強(qiáng)度高、均質(zhì)性好

二、巖石地質(zhì)分類沉積巖：強(qiáng)度不穩(wěn)定，各向異性(示例)

變質(zhì)巖：不穩(wěn)定，與變質(zhì)程度和巖性有關(guān)三、沉積巖石的力學(xué)特性：①不連續(xù)性；（物質(zhì)不能充滿空間，有空隙存在）②各向異性；（任一點(diǎn)的物理、力學(xué)性質(zhì)沿不同方向均不相同）③不均勻性；（由不同物質(zhì)組成，各點(diǎn)物理力學(xué)性質(zhì)都不相同）④巖塊單元的可移動性；⑤地質(zhì)因素影響特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）（上述特性導(dǎo)致巖石力學(xué)的研究方法以實(shí)驗(yàn)測試為主）

73礦山壓力與巖層控制(第一章)74四、巖石的密度與體積力（容重）

巖石含：固相、液相、氣相。

Vo三相比例不同而密度不同。

Vc

V

1、巖石的真密度ρ：

真密度——單位體積巖石（不包含空隙）的質(zhì)量：

其中：ρ—巖石真密度，kg/m3

—巖石實(shí)體干質(zhì)量（不含水分），kg—巖石實(shí)體體積（不含孔隙），m3四、巖石的密度與體積力（容重）75

2、巖石的視密度ρ′：視密度——單位體積巖石（包括孔隙）的質(zhì)量式中：ρ′—巖石的視密度，kg/m3—巖石的質(zhì)量，kg—巖石的體積（含孔隙），m3

分為：天然視密度、飽和視密度和干密度3、巖石的容重（體積力）γ：

容重——巖石單位體積（含孔隙體積）的重力，kN/m3

式中：W——被測巖樣的重量,（）kN；

V——被測巖樣的體積，m3

天然容重——天然含水狀態(tài)下,γ

干容重———105—110℃烘干24小時(shí)（至恒重）,γd

飽和容重——巖石孔隙吸水飽和（水浸48小時(shí)）狀態(tài)下,γw2、巖石的視密度ρ′：764、巖石的相對密度（比重）Δ：

比重——巖石固體部分的重量和4℃同體積純水重量的比值。

式中：WS——體積為V的巖石，固體部分重量，kN

VC——巖石固體部分（不含孔隙）體積，m3

γW——4℃同體積純水重量，kN/m3

礦山壓力與巖層控制(第一章)77五、巖石的孔隙性——反映裂隙賦存于發(fā)育狀態(tài)。1、孔隙率n——孔隙體積占總體積的百分比。

2、孔隙比e——巖石中各類孔隙總體積與巖石實(shí)體體積之比。

n—e關(guān)系：

巖石的孔隙性對圍巖強(qiáng)度、變形、含水影響很大。五、巖石的孔隙性——反映裂隙賦存于發(fā)育狀態(tài)。78六、巖石的碎脹性——巖石破碎后自然堆積體積大于原體積的性質(zhì)。

1、初始碎脹系數(shù)——破碎后樣自然堆積體積與原體積之比。

2、殘余碎脹系數(shù)——破碎并被壓實(shí)后的體積與原體積之比。

式中：分別為原體積/破碎自然堆積體積/被壓實(shí)體積。

巖石碎脹性對地下采礦圍巖控制、礦產(chǎn)及土石方運(yùn)輸?shù)扔兄匾饬x。

六、巖石的碎脹性——巖石破碎后自然堆積體積大于原體積的性質(zhì)。79礦山壓力與巖層控制(第一章)80七、巖石的軟化性

——巖石浸水后強(qiáng)度降低的性質(zhì)。

軟化系數(shù)——飽水巖樣抗壓強(qiáng)度與自然風(fēng)干巖樣抗壓強(qiáng)度的比值。

（）越小，表示巖石受水的影響越大。

巖石軟化性在地下開采圍巖管理、地面邊坡管理等方面有重要意義。七、巖石的軟化性——巖石浸水后強(qiáng)度降低的性質(zhì)。81八、巖石的膨脹性——巖石浸水后體積膨脹的性質(zhì)。（用于評價(jià)膨脹性巖體工程穩(wěn)定性）自由膨脹率——無約束條件下浸水后膨脹變形與原尺寸之比。軸向自由膨脹（%）

H——試件高度

徑向自由膨脹

（%）

D——直徑

膨脹性和崩解性對礦井開拓施工和巷道穩(wěn)定性有不利影響。八、巖石的膨脹性——巖石浸水后體積膨脹的性質(zhì)。82九、巖石耐崩解性——巖石抵抗水浸后結(jié)構(gòu)破壞的性能。耐崩解指數(shù)——巖石試件進(jìn)行烘干、浸水循環(huán)試驗(yàn)。

（測試：將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20r／s速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次，按下式計(jì)算耐崩解性指數(shù)。）九、巖石耐崩解性——巖石抵抗水浸后結(jié)構(gòu)破壞的性能。83第二節(jié)巖石的強(qiáng)度和變形特性工程師對工程材料提出兩個(gè)問題：

1最大承載力——許用應(yīng)力[]？2最大允許變形－－許用應(yīng)變[]？

在巖石工程中要使：實(shí)際參數(shù)≤允許指標(biāo)巖石的力學(xué)性質(zhì)包括：

變形性質(zhì)：研究巖石在受力情況下的變形規(guī)律（本節(jié)）。強(qiáng)度特性：研究巖石受力破壞的規(guī)律（下節(jié)）。

第二節(jié)巖石的強(qiáng)度和變形特性84一、巖石的彈性和塑性：

變形分析的重要性（直觀、易測、建立模型、準(zhǔn)則）

1、彈性變形：（縮短為正，壓應(yīng)力為正）線彈性非線彈性

滯彈性線彈性———應(yīng)力—應(yīng)變呈直線關(guān)系；當(dāng)巖石致密，強(qiáng)度大，壓力不高時(shí)，為此狀態(tài)。非線彈性——應(yīng)力—應(yīng)變不是直線關(guān)系，卸載時(shí)應(yīng)力應(yīng)變沿原來的曲線返回原點(diǎn)。呈單向曲線型?；緵]有。

滯彈性———應(yīng)力—應(yīng)變?yōu)殡p向曲線型，卸載后應(yīng)力應(yīng)變沿另一條曲線返回原點(diǎn)。

巖石多屬滯彈性：一、巖石的彈性和塑性：線彈性非線彈性滯彈性線彈性———應(yīng)85滯彈性——應(yīng)力應(yīng)變不是唯一的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)變的產(chǎn)生（變化）較應(yīng)力的變化有一段時(shí)間的滯后。

原因：物理學(xué)認(rèn)為，當(dāng)作用在滯彈性體上的力發(fā)生改變時(shí)，由于受力體內(nèi)部物質(zhì)的粘性或內(nèi)摩擦的原因，引起變形效應(yīng)滯后和遲延。滯彈性體具有兩個(gè)重要性質(zhì)：彈性滯后——由于內(nèi)摩擦原因，巖石隨應(yīng)力變化出現(xiàn)的變形滯后。

彈性后效——由于熱傳導(dǎo)等原因，外力停止變化，而變形仍隨時(shí)間而緩慢變化。

滯彈性——應(yīng)力應(yīng)變不是唯一的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)變的產(chǎn)生（變化）較應(yīng)86理想塑性具有應(yīng)變硬化的塑性2、塑性變形：巖石的塑性變形是指巖石在外力作用下當(dāng)超過其屈服極限應(yīng)力時(shí)仍能發(fā)生變形，撤去外力后不能完全恢復(fù)其原始狀態(tài)的性質(zhì)，亦稱殘余變形。

巖石塑性普遍存在；巖石塑性與巖石的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及外界環(huán)境有關(guān)。（顆粒及膠結(jié)物物質(zhì)成分、排列結(jié)合、含水、溫度、應(yīng)力等）

理想塑性——超過彈性極限，進(jìn)入完全塑性狀態(tài)（極少）；

應(yīng)變硬化——超過彈性極限，承載能力隨應(yīng)變增加而增加。理想塑性具有應(yīng)變硬化的塑性2、塑性變形：87

3、一般巖石的變形：

瞬時(shí)彈性變形

后效彈性變形

塑性變形

巖石與其它金屬及晶體礦物不同，因其有節(jié)理、裂隙存在，在應(yīng)力不高階段，內(nèi)部結(jié)構(gòu)即有破壞，在產(chǎn)生彈性變形的同時(shí)，產(chǎn)生塑性變形。3、一般巖石的變形：88巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。有彈—塑；塑—彈；彈—粘—塑；粘—彈等多種變形特性。典型變形性質(zhì)：直線型彈脆彈塑下凹型塑彈上凹型彈粘平緩型塑彈塑S型巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。直線型彈脆彈89二、巖石單向壓縮變形性質(zhì)：

1、軸向變形：2、橫向變形；普通試驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線脆性巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線塑性巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線二、巖石單向壓縮變形性質(zhì)：普通試驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線脆性90試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)913、全應(yīng)力應(yīng)變曲線：

四個(gè)階段：

OA——原有裂隙壓密階段。彈性模量較小且不是一個(gè)常數(shù)。AC——線彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系，B點(diǎn)為彈性極限。CD——彈塑性過渡階段，應(yīng)力達(dá)到2/3峰值強(qiáng)度時(shí)，巖石開始有微破裂不斷產(chǎn)生，巖石體積有壓縮轉(zhuǎn)向膨脹，C點(diǎn)為屈服點(diǎn)。DE——破裂后階段（應(yīng)力降低階段、殘余應(yīng)力階段）

剛性試驗(yàn)機(jī)下巖石全程應(yīng)力、應(yīng)變曲線3、全應(yīng)力應(yīng)變曲線：四個(gè)階段：剛性試驗(yàn)機(jī)下巖石全程應(yīng)力、應(yīng)變924、巖石的變形指標(biāo)及其確定：

①彈性摸量E：（抵抗變形的能力、應(yīng)力應(yīng)變比值）線彈性：直線斜率非線彈性：切線斜率（變形曲線導(dǎo)數(shù)）；

割線斜率（割線斜率）；彈塑性：彈性摸量：E=加載曲線段切線斜率=卸載曲線段割線斜率；

變形摸量：4、巖石的變形指標(biāo)及其確定：①彈性摸量E：（抵抗變形的能力93礦山壓力與巖層控制(第一章)94②泊松比μ：（變形傳遞能力）

泊松比μ——巖石橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。

在彈性階段：其為常數(shù)。在塑性階段：不為常數(shù)。

（嚴(yán)格講，μ僅在彈性范圍適用，對塑性部分不適用,

由于引入變形摸量，塑性區(qū)可用，μ最大為0.5。)

③剪切摸量G——剪切虎克定律比例系數(shù)。④拉梅常數(shù)λ——將應(yīng)力應(yīng)變聯(lián)系起來的彈性常數(shù)。⑤體積摸量Kv——體積彈性摸量。②泊松比μ：（變形傳遞能力）955、巖石變形中的擴(kuò)容現(xiàn)象：

①擴(kuò)容現(xiàn)象——巖石破壞前，因微裂隙產(chǎn)生及內(nèi)部小塊體相對滑移，導(dǎo)致體積擴(kuò)大的現(xiàn)象。

②體應(yīng)變——變形后的體積增量與變形前體積之比。

③體應(yīng)變曲線：三個(gè)階段：體積減小階段0F體積不變階段F體積擴(kuò)大階段FT縱向橫向體積T5、巖石變形中的擴(kuò)容現(xiàn)象：縱向橫向體積T96三、巖石三軸壓縮變形性質(zhì)：1、三軸實(shí)驗(yàn)：（真三軸、假三軸）

2、三軸抗壓強(qiáng)度：

3、三軸變形特征：

與單軸試驗(yàn)結(jié)果基本類似（E、μ基本相同）；

圍壓增加——三向抗壓強(qiáng)度增加；峰值變形增加；彈性極限增加；巖石由彈脆性—彈塑性—應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變

三、巖石三軸壓縮變形性質(zhì)：97礦山壓力與巖層控制(第一章)98礦山壓力與巖層控制(第一章)99干砂巖濕砂巖干砂巖濕砂巖100四、巖石流變性質(zhì)：

1、巖石流變性質(zhì)——巖石隨時(shí)間增長而變化的性質(zhì)。2、流變現(xiàn)象：

蠕變——應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增長的現(xiàn)象。

（當(dāng)時(shí)）

松弛——應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象。（當(dāng)時(shí)）

彈性后效——停止加、卸載，應(yīng)變需經(jīng)一段時(shí)間達(dá)到應(yīng)有值的現(xiàn)象。粘性流動——蠕變后卸載，部分變形不能恢復(fù)的現(xiàn)象。四、巖石流變性質(zhì)：101

與巖石類別有關(guān)（粘土礦物巖石蠕變顯著）

巖石蠕變與應(yīng)力大小有關(guān)（高應(yīng)力蠕變明顯，超過極限應(yīng)力，蠕變進(jìn)入不穩(wěn)定階段）

蠕變試驗(yàn)：時(shí)間長；測量要求精度高（用千分表）；載荷恒定。

研究蠕變的意義：了解巖石的長時(shí)強(qiáng)度。長時(shí)強(qiáng)度———巖石蠕變破壞時(shí)的最低應(yīng)力值。長時(shí)強(qiáng)度對巖土工程更為重要。

長時(shí)強(qiáng)度<強(qiáng)度<瞬時(shí)強(qiáng)度

102典型蠕變曲線瞬時(shí)應(yīng)變初始應(yīng)變定長蠕變加速蠕變典型蠕變曲線瞬時(shí)應(yīng)變初始應(yīng)變定長蠕變加速蠕變1034、粘性—巖石的粘性是指巖石在外力作用下變形不能在瞬間完成，且應(yīng)變的速率隨應(yīng)力的變化而改變，當(dāng)外力撤去后，不能恢復(fù)其原始狀態(tài)的性質(zhì)。理想的粘性巖石材料，其應(yīng)力—應(yīng)變速率曲線呈直線關(guān)系，并且通過原點(diǎn)。這種應(yīng)變速率隨應(yīng)力而改變的變形稱之為流變變形或流動變形。(a)完全彈性體(b)完全粘性體(c)剛-塑性體4、粘性—巖石的粘性是指巖石在外力作用下變形不能在瞬間完成，1043、蠕變曲線：

巖石蠕變的類型：

穩(wěn)定蠕變（低應(yīng)力）

不穩(wěn)定蠕變（高應(yīng)力）

典型蠕變曲線：（蠕變?nèi)A段）

初始蠕變階段——應(yīng)變增加，但應(yīng)變增加速率降低；

定常蠕變階段——應(yīng)變增加速率保持不變；

加速蠕變階段——應(yīng)變增加速率迅速增加，直至破壞。穩(wěn)定蠕變不穩(wěn)定蠕變3、蠕變曲線：穩(wěn)定蠕變不穩(wěn)定蠕變105第三節(jié)巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論

本節(jié)介紹：巖石試件抗壓、抗拉、抗剪、三向抗壓強(qiáng)度及測定

巖石的極限強(qiáng)度——巖石破壞時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。

研究巖石強(qiáng)度的意義：

①作為巖石分類以及巷道、采煤工作面，頂板分類的主要指標(biāo)；②判斷工程穩(wěn)定性的強(qiáng)度準(zhǔn)則的基本參數(shù)；③地下工程變形區(qū)域計(jì)算的判據(jù)。

第三節(jié)巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論106一、巖石的采樣與加工：

實(shí)驗(yàn)所測巖石的各種強(qiáng)度均不是巖石的固有性質(zhì)。強(qiáng)度指標(biāo)要受試件尺寸大小、三維比例、形狀規(guī)格、含水、加載速率等因素影響。

國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）對標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行了規(guī)定，不標(biāo)準(zhǔn)的要予以修正。

要確保試驗(yàn)巖樣的天然狀態(tài)。

巖樣應(yīng)具有一定的代表性。

鉆孔采樣時(shí)應(yīng)盡量垂直于層面打孔，偏斜角不大于0.5°。

采取的巖(煤)塊規(guī)格大體為長×寬×高=20×20×15cm。

上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直徑差不大于0.2mm。

試件端面垂直于試件軸的偏差不大于0.001rad。

圓柱形試件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

長方體試件：邊長L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

一、巖石的采樣與加工：107二、巖石的單向抗壓強(qiáng)度：

單軸抗壓強(qiáng)度——巖石在單軸壓縮下，破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力。1、試驗(yàn)測試：

試驗(yàn)設(shè)備：普通壓力機(jī)（60t、100t、200t）

試件：φ5cm，高徑比為2的圓柱體（或5*5*5立方體），每組不少于3塊；（國際ISRM規(guī)定高徑比為2.5—3，我國為1—2—2.5）

加載：0.5—1.0MPa/s；

2、試件破壞形式：X型共軛斜面剪切破壞—軟塑性巖石多發(fā)生，屬壓剪破壞；單斜面剪切破壞————偶爾發(fā)生，屬壓剪破壞；拉伸（劈裂）破壞———脆硬型巖石多發(fā)生，為泊松效應(yīng)引起。二、巖石的單向抗壓強(qiáng)度：108單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)109單軸壓縮巖石試件破壞形態(tài)

單軸壓縮巖石試件破壞形態(tài)1103、數(shù)據(jù)處理：

測巖石強(qiáng)度時(shí)，需對同一巖樣的多個(gè)試塊進(jìn)行測試（數(shù)量多少依據(jù)精度，經(jīng)濟(jì)確定），用統(tǒng)計(jì)方法，求得平均抗壓強(qiáng)度，作為該種巖石的強(qiáng)度指標(biāo)。單一試件：

平均值：各試件偏差：單一測值與平均值的差值

標(biāo)準(zhǔn)方差：反映正負(fù)偏差的絕對大小

離散系數(shù)：反映平均值的可靠程度（單一強(qiáng)度偏離平均強(qiáng)度的程度），要求小于15—20%3、數(shù)據(jù)處理：111三、巖石單向抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度——在單軸拉伸載荷作用下，破壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力。試驗(yàn)設(shè)備：

直接拉伸——萬能材料試驗(yàn)機(jī)（試件的夾固、軸力共線困難，少用）間接拉伸——巴西試驗(yàn)裝置（劈裂法）試件破壞形式：拉斷、劈裂

抗拉強(qiáng)度：（巴西法）

式中：———試件破壞時(shí)最大壓力，N——分別為試件的直徑與厚度，m三、巖石單向抗拉強(qiáng)度：112巴西法σyσx巖石的抗拉強(qiáng)度最小，約為抗壓強(qiáng)度的3—30%

巴西法σyσx巖石的抗拉強(qiáng)度最小，約為抗壓強(qiáng)度的3—30%113四、抗剪切強(qiáng)度：抗剪強(qiáng)度——巖石在剪切載荷作用下，破壞時(shí)所能承受的最大剪應(yīng)力。1、試驗(yàn)裝置：非限制性剪切（單、雙面、沖剪、扭剪）（無正應(yīng)力）限制性剪切（直剪儀、角摸壓剪試驗(yàn)儀）2、試件破壞形式：沿剪切面剪斷四、抗剪切強(qiáng)度：1143、抗剪強(qiáng)度：純剪強(qiáng)度（抗切）——剪切面上無法向應(yīng)力時(shí)；純剪強(qiáng)度==內(nèi)聚力C壓剪強(qiáng)度（抗剪）——剪切面受法向壓應(yīng)力作用時(shí)；抗剪強(qiáng)度==內(nèi)聚力+內(nèi)摩擦力重剪強(qiáng)度（摩擦）——已有裂面受法向壓力，再剪切時(shí)；摩擦強(qiáng)度==內(nèi)摩擦力一般情況下，巖石抵抗剪切的能力由兩部分組成：

抗剪能力==內(nèi)聚力+內(nèi)摩擦力

（C、φ為巖石固有）

顯然：

抗剪強(qiáng)度是一個(gè)變化量3、抗剪強(qiáng)度：1154、抗剪強(qiáng)度測試：傾斜壓摸法——用兩個(gè)鋼制的變角剪切夾具改變剪切面的方向，強(qiáng)制剪斷，得到該面上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力，描點(diǎn)得到抗剪強(qiáng)度曲線。

依據(jù)強(qiáng)制剪切面上的全應(yīng)力、及剪切面傾角也可得到抗剪強(qiáng)度曲線。4、抗剪強(qiáng)度測試：依據(jù)強(qiáng)制剪切面上的全應(yīng)力、及剪切面傾角也可116五、三軸抗壓強(qiáng)度：

三軸抗壓強(qiáng)度——三向壓縮作用下，破壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力。試驗(yàn)設(shè)備：真三軸試驗(yàn)機(jī)：偽三軸試驗(yàn)機(jī)：試件破壞形式：壓剪破壞——隨側(cè)壓力增大，可表現(xiàn)為明顯的塑性變形。強(qiáng)度計(jì)算：MPa強(qiáng)度指標(biāo)：

經(jīng)測試：三向抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大，是一個(gè)變量。

一系列實(shí)驗(yàn)可得巖石的三向抗壓曲線礦山壓力與巖層控制(第一章)117常規(guī)（偽）三軸實(shí)驗(yàn)裝置常規(guī)（偽）三軸實(shí)驗(yàn)裝置118