巖石的基本物理性質(zhì)

巖石的基本物理性質(zhì)一、巖石的基本概念巖石是組成地殼的基本物質(zhì),由各種造巖礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定的規(guī)律組合而成。巖石是指從巖體中取出的，但其尺寸卻不大，有時稱為巖塊。巖石按不同的標(biāo)準(zhǔn)可分為不同類型，常見的分類有：（1）按巖石成因可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類。（2）按巖石固體礦物顆粒間的結(jié)合特征，可分為固結(jié)性、粘結(jié)性、散粒狀和流動性巖石四大類。（3）按巖石的構(gòu)成特征，可以區(qū)分巖石的結(jié)構(gòu)和巖石的構(gòu)造。巖石的結(jié)構(gòu)是決定巖石組織的各種特征（如礦物顆粒的組成成分、結(jié)晶程度、形狀和大小以及它們之間的連接狀況等）的總合；而巖石的構(gòu)造則指巖石中組成成分的空間分布以及他們相互間的排列關(guān)系，如整體構(gòu)造，多孔狀構(gòu)造和層狀構(gòu)造。（4）按巖石的力學(xué)強(qiáng)度和堅(jiān)實(shí)性，可分為堅(jiān)硬巖石和松軟巖石。工程中常把飽水狀態(tài)下單壓強(qiáng)度大于10MPa的巖石稱為堅(jiān)硬巖石；而把低于該值的巖石稱為松軟巖石。二、巖石的質(zhì)量指標(biāo)（一）巖石的比重巖石的比重是指巖石固體部分的實(shí)體積（不包括空隙體積）重量與4℃時同體積水重量和巖石固體部分實(shí)體積的比值。其表達(dá)式為（1-1）式中——巖石的比重；Gd——絕對干燥時巖石固體實(shí)體積的重量，kN；Vc——巖石固體部分實(shí)體積，m3；——水的容重，4℃時等于10（kN/m3）；巖石比重取決于組成巖石的礦物比重，與巖石的空隙和吸水多少無關(guān)，且隨巖石中重礦物含量的增多而增大。煤礦中常見的巖石比重見表1-1。（二）巖石的密度和容重巖石的密度是指單位體積的巖石（包括空隙體積）質(zhì)量，表達(dá)式為（1-2）式中——巖石的密度，kg/m3；M——巖石的質(zhì)量，kg；V——巖石的體積，m3。巖石的密度與組成巖石礦物密度、空隙和吸水多少有關(guān)。根據(jù)巖石試樣含水狀態(tài)不同，巖石的密度可分為天然密度、飽和密度和干密度三種，前兩種一般稱為巖石的濕密度。天然密度是指巖石在天然含水狀態(tài)下的密度；飽和密度（）是指巖石在吸水飽和狀態(tài)下的密度；干密度（）是指在105～110℃下干燥24h后的密度。煤礦中常見的巖石密度見表1-1。巖石的容重是指單位體積（包括空隙體積）內(nèi)巖石的質(zhì)量所受的重力（kN/m3）。為便于計(jì)算，工程實(shí)踐中,可根據(jù)巖石的密度換算出巖石的容重，其公式為(1-3)式中——巖石的容重，kN/m3；——重力加速度，kN/kg；——巖石的密度，kg/m3。三、巖石的體積指標(biāo)（一）巖石的孔隙性巖石的孔隙度指巖石中各種孔洞、裂隙體積的總和與巖石總體積之比，也稱孔隙率（1-4）式中n——巖石的孔隙率，%；V0——巖石中孔隙的總體積，m3；V——巖石的總體積，m3。巖石的孔隙比指巖石中各種孔洞和裂隙體積的總和與巖石內(nèi)固體部分實(shí)體積之比，可表示為（1-5）式中——巖石的孔隙比；——巖石內(nèi)各種孔洞和裂隙體積的總和，m3；——巖石內(nèi)固體部分實(shí)體積，m3?？紫侗扰c孔隙度之間的關(guān)系為（1-6）一般孔隙率愈大，巖石中孔隙和裂隙就愈多，巖石的密度和強(qiáng)度愈低，同時使塑性變形和滲透性增大。煤礦中常見巖石的孔隙率和孔隙比見表1-1。表1-1煤礦中常見巖石的比重、密度、孔隙率以及孔隙比巖石種類砂巖頁巖石灰?guī)r板巖煤比重2.60～2.752.57～2.772.48～2.85——密度（kg/m3）（2～2.6）×103（2～2.4）×103（2.2～2.6）×103—（1.2～1.4）×103一般（1.3～1.35）×103孔隙率（%）3～3010～355～200.1～1.0—孔隙比0.031～0.4290.111～0.5380.053～0.250.001～0.0101—（二）巖石的碎脹性和壓實(shí)性巖石的碎脹性指巖石破碎以后的體積比之前體積增大的性質(zhì)。常用巖石的碎脹系數(shù)來表示，即巖石破碎后處于松散狀態(tài)下的體積與巖石破碎前處于整體狀態(tài)下的體積之比，其表達(dá)式為（1-7）式中KP——巖石的碎脹系數(shù)；V'——巖石破碎膨脹后的體積，m3；V——巖石處于整體狀態(tài)下的體積，m3。煤礦中常見的巖石的碎脹系數(shù)見表1-2。表1-2煤礦中常見巖石的碎脹系數(shù)和殘余碎脹系數(shù)巖石種類碎脹系數(shù)殘余碎脹系數(shù)砂1.06～1.151.01～1.03粘土<1.21.03～1.07碎煤<1.21.05粘土頁巖1.41.10砂質(zhì)頁巖1.6～1.81.1～1.15硬砂巖1.5～1.8—巖石的壓實(shí)性可用殘余碎脹系數(shù)（）來表示，即壓實(shí)后的體積與破碎前體積之比，煤礦中常見巖石殘余碎脹系數(shù)見表1-2。破碎巖石被壓實(shí)的程度與巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)、外加載荷及破碎后經(jīng)歷的時間有關(guān)。四、巖石的水理性質(zhì)（一）巖石的透水性巖石能被水透過的性能稱為巖石的透水性，其原因是巖石中存在大量的孔隙和裂隙，且大多數(shù)相互連通，在一定壓力作用下，巖石孔隙和裂隙中的地下水就可以在巖石中通過（滲透）。衡量巖石透水性的指標(biāo)為滲透系數(shù)。由于目前對于水在巖石中的滲流規(guī)律還不完全清楚，其研究方法也不夠完善，通常近似其服從達(dá)西（Darcy）定律。按此規(guī)律，滲透系數(shù)的表達(dá)式為（1-8）式中K——滲透系數(shù)，m/s；Q——單位時間內(nèi)的滲水量，m3/s；A——滲透面積，m2；I——水力坡度。煤礦中常見巖石的滲透系數(shù)見表1-3。表1-3煤礦中常見巖石的滲透系數(shù)巖石種類滲透系數(shù)（m/s）備注泥巖10-4現(xiàn)場測定粉砂巖10-9～10-8實(shí)驗(yàn)室測定細(xì)砂巖2×10-7實(shí)驗(yàn)室測定堅(jiān)硬砂巖4.4×10-5～3.9×10-4砂巖或多裂隙頁巖>10-3致密的石灰?guī)r<10-10有裂隙的石灰?guī)r2～4（二）巖石的軟化性巖石的軟化性是指巖石浸水后其強(qiáng)度降低的性質(zhì)，通常用軟化系數(shù)表示水對巖石強(qiáng)度的影響程度，即水飽和巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度與干燥巖石試件單軸抗壓強(qiáng)度之比（1-9）式中——巖石的軟化系數(shù)；——水飽和巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；——干燥巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。煤礦中常見巖石的軟化系數(shù)見表1-4。表1-4煤礦中常見巖石的軟化系數(shù)巖石種類干試件抗壓強(qiáng)度（MPa）水飽和試件抗壓強(qiáng)度（MPa)軟化系數(shù)粘土巖20.3～57.82.35～31.20.08～0.87頁巖55.8～133.313.4～73.60.24～0.55砂巖17.1～245.85.6～240.60.44～0.97石灰?guī)r13.1～202.67.6～185.40.58～0.94（三）巖石的膨脹性和崩解性巖石的膨脹性是指軟巖浸水后體積增大和相應(yīng)地引起壓力增大的性質(zhì)。巖石遇水膨脹的特性可用膨脹應(yīng)力和膨脹率這兩個指標(biāo)來表示。巖石的崩解性是指軟巖浸水后發(fā)生的解體現(xiàn)象，用耐崩解性指數(shù)表示，即巖樣在承受干燥和濕潤兩個標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)之后，巖樣對軟化和崩解作用所表現(xiàn)出的抵抗能力。它直接反映了巖石在浸水和溫度變化的環(huán)境下抵抗水侵蝕作用的能力。（四）巖石的吸水性和抗凍性巖石的自然吸水率是試件在常溫常壓下吸入水分的質(zhì)量與試件的干質(zhì)量之比，如不專門指明，巖石的吸水率即指自然吸水率，其表達(dá)式為（1-10）式中——巖石的（自然）吸水率Mw——巖石試件在大氣壓力下吸入水分的質(zhì)量，kg；Md——巖石試件干燥時的質(zhì)量，kg。巖石的飽和吸水率是試件在真空、加壓（一般為15MPa）條件下吸入水分的質(zhì)量與試件的干質(zhì)量之比，簡稱飽水率，即（1-11）式中——巖石的飽和吸水率；——巖石試件的飽和吸水后的質(zhì)量，kg。飽水系數(shù)則是指巖石的吸水率與飽水率之比，即為（1-12）式中J——飽水系數(shù)，一般（0.5～0.8）。巖石的吸水率見表1-5。表1-5幾種巖石的吸水率巖石種類花崗巖砂巖頁巖石灰?guī)r板巖吸水率0.1～0.920.20～12.191.8～3.00.10～4.450.10～0.95巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍融破壞的能力，常用的評價指標(biāo)有巖石的抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率。巖石的抗凍系數(shù)是指巖石凍融試驗(yàn)后的干抗壓強(qiáng)度與之前的干抗壓強(qiáng)度之比，即（1-13）式中——巖石的抗凍系數(shù)；——凍融前巖石干抗壓強(qiáng)度，MPa；——凍融后巖石干抗壓強(qiáng)度，MPa。巖石凍融前后干試件的質(zhì)量差與凍融前干試件的質(zhì)量之比，稱為巖石的質(zhì)量損失率，即（1-14）式中——巖石的質(zhì)量損失率；——巖石試件凍融前的質(zhì)量，kg；——巖石試件凍融后的質(zhì)量，kg。五、巖石的熱性和電磁性（一）巖石的容熱性巖石的