井巷工程第一章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,井巷工程参考书,1,、崔云龙、简明建井工程手册（上、下）、北京：煤炭工业,出版社，,2003,。,2,、董方庭等、井巷设计与施工、徐州：中国矿业大学出版社，,1994,。,3,、翁家杰、井巷特殊施工、北京：煤炭工业出版社，,1991,。,4,、高尔新，杨仁树、爆破工程、徐州：中国矿业大学出版社,1999,。,5,、中国煤炭学会矿井建设委员会、立井井筒施工技术、北京,煤炭工业出版社，,1999,。,第一章 岩石的性质及其工程分级,第一节概述,一,.,岩块,:,晶体,+,晶间质 层理,;,沉积形成,岩块 泥质胶结 孔隙,(,水,)+,微小 节理,;,受力形成,颗粒,+,胶结质 钙质胶结 劈理,;,造岩形成,硅质胶结,岩块,(,结构体,),二,.,岩体,:,层面,弱面,(,结构面,),节理面,断层面,三,.,岩石,;,不分岩块和岩体时的统称,.,四,.,表土,;,建井工作者把覆盖于基岩之上的第四纪冲积层及其风化带称为表土,.,五,.,基岩,;,表土以下的固结性岩石称为基岩,.,第二节岩石的物理性质,一,.,岩石的相对密度和密度,1.,相对密度,:d =G/V,C,.,W,-(1-1),d-,岩石的相对密度,;,G-,绝对干燥时的岩石试件质量,g;,V,C,-,岩石试件的实体体积,cm,3,;,W,-,水的重力密度,g /cm,3,;,2.,密度,:,C,=G/V -(1-2),=G,1,/V-(1-3),C,-,岩石试件的干密度,g /cm,3;,-,岩石试件的湿密度,g /cm,3;,G-,绝对干燥时的岩石试件质量,g;,V-,岩石试件的体积,cm,3;,3.,重度,:,单位体积岩石所受的重力为重度,亦称为重力密度,;,用,r,表示,;,.,二,.,岩石的孔隙性,1.,孔隙度,:n=(V-V,C,)/V=1-V,C,/V=1-(V,C,/G).(G/V)=1-,c,/d,w,=(1-,C,/d,W,)x100%-(1-,4),第二节岩石的物理性质,2.,孔隙比,e=(V-V,C,)/V,C,=(V/V,C),-1=d,w,/,C,-1 -(1-5),三,.,岩石的水理性,1.,岩石的吸水性,W=g/G -(1-6),W-,岩石的吸水率,;,g-,标准大气压下岩石试件吸入水的质量,g;,G-,绝对干燥时的岩石试件质量,g;,2.,岩石的透水性,达西公式,:Q=K.A.I,Q-,单位时间内的渗水量,m,3 /h,A-,渗透面积,m,2,;,K-,渗透系数,1/cm.,S,-1 ;,I-,水力坡度,m,2,/S;,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蚀性,.,第二节岩石的物理性质,4.,岩石的软化性,:,C,=R,CW,/R,C,1 -(1-7),c,-,岩石的软化系数,;,R,CW,-,水饱和状态下岩石试件的单向抗压强度,MPa,;,R,C,-,干燥状态下岩石试件的单向抗压强度,MPa,;,5.,岩石的膨胀性和崩解性,四,.,岩石的碎胀性,K=V,1,/V -(1-8),K-,岩石的碎胀系数,;,V,1,-,岩石破碎后的体积,m,3;,V-,岩石破碎前的体积,m,3;,第三节岩石的力学性质,一,.,岩石的变形特性,(,一,).,静荷载作用下岩石的变形特性,1.-OA,段,裂隙压密闭合段,;,2.-AB,段,线弹性变形阶段,;,3.-BC,段,破裂发展阶段,;,PQR,称为塑性滞环,.,4.-CD,段,曲线软化阶段,.,OB,段为弹性变形阶段,B,点为弹性极限,;,BC,段为塑性变形阶段,C,点为极限抗压强度,;,QS,段为弹性变形,卸载后可恢复,;,OQ,段为塑性变形,卸载后不能恢复,;,第三节岩石的力学性质,(,二,),岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征,(1),弹性段与单轴压缩基本相同,.,(2),岩石表现出明显的塑性变形,.,(3),屈服极限,强度峰值和残余强度与围压大小 成正比,;,(4),大部分岩石在一定的围岩压力下出现屈服平台,呈现塑性流动现象,;,(5),达到临界围压以后继续提高围压,不再出现峰值,应力应变关系呈单调增长趋势,.,(,三,),动荷载下岩石的变形特征,第三节岩石的力学性质,1.,波,:,质点的扰动传播形成波,;(,不是质点本身的位移,).,2.,应力波和应变波,;,变形将引起质点间的应力,-,应变的变化,这种应力,-,应变的传播叫做应力波和应变波,.,波分为体积波和表面波,;,3.,体积波,:,即在介质内部传播的波,又分为纵波和横波,.,4.,表面波,:,即沿介质体的边界面传播的波,;,5.,纵波,:,介质质点振动方向同波的传播方向一致的叫纵波,.,它可以引起介质体积的压缩或膨胀,(,拉伸,),变形,故又叫压缩波或拉伸波,.,6.,横波,:,介质质点振动方向同波的传播方向垂直的叫横波,.,它可以引起介质体形状改变的纯剪切变形,故又称剪切波,.,通常应力波专指纵波,.,第三节岩石的力学性质,根据动量守恒原理,:P,t=MV,P,式中,:,M-,为某区段,C,P,t,的质量,M=,.,.,C,P.,t,;,P=,C,P.,V,P ;,=p/,=,C,P.,V,P;,(1-9),式中,:,-,介质的密度,-,为某区段的截面积,C,P,-,波阻抗,;,由于界面处应力波具有连续性,若不考虑应力波的衰减和损失,则质点的震动速度相等,:V,V,r,=,V,t,(1-10),由于界面处的作用力与反作用力相等,即界面处的应力状态相等,则,:,i,+,r,=,t,(1-11),式中,:,i-,入射应力,;,-,反射应力,;,-,透射应力,第三节岩石的力学性质,根据公式,(1-9),得,:,i,=,1,P1,V,i,V,i,=,i,/,1,P1;,=,1,P1,V,V,=,/,1,P1,;(1-12),=,2,P2,V,V,=,/,2,P2,;,将公式,(1-12),代入公式,(1-10),得,:,i,/,1,P1,-,/,1,P1,=,/,2,P2,(1-13),将公式,(1-13),与公式,(1-11),联立求解得,:,=R,i,(1-14),=,R,i,(1-15),R,-,应力波的垂直反射系数,R,=(,2,P2,-,1,P1,)/(,2,P2,+,1,P1,)(1-16),R,-,应力波的垂直透射系数,R,=2,2,P2,/(,2,P2,+,1,P1,)(1-17),公式,(1-14),至公式,(1-17),表明,反射应力波和透射应力波的大小是,界面两侧介质波阻抗,(,c,),的函数,.,第三节岩石的力学性质,(1),当界面两侧介质的波阻抗相等,即,1,P1,=,2,P2,时,=0,=,i,说明透射波和入射波性质完全一样,并全部通过界面进入第二介质,不产生波的反射,.,(2),当,2,P2,1,P1,时,0,0,说明在界面上有反射波也有透射波,.,如果,2,P2,1,P1,时,1,P1,可忽略不计,界面为固定端,则,=,i,=2,i,这说明在界面上的反射应力波的符号,大小和入射应力波完全一样,透射应力波是入射应力波的两倍,这是叠加的结果,.,(3),当,2,P2,=0,或,2,P2,1,P1,时,即当 应力波到达界面是自由面时,=-,i,=0,这时反射波与入射波的符号相反,大小相等,叠加的结果使界面处的应力值为零,.,即入射应力波,(,压缩波,),全部反射成拉伸波而没有透射波产生,.,这种情况对岩石的破碎极为有利,.,(4),当,2,P2,1,P1,时,0,说明在界面上既有透射压缩波又有反射拉伸波,这样也可造成岩石的破碎,.,几种材料和岩石的密度,纵波波速和波阻抗见表,1-5,第三节岩石的力学性质,二,.,岩石的强度特征,岩石强度,:,在外荷载作用下岩石抵抗破坏的能力称为岩石强度,.,1.,静荷载下岩石的强度性质,(1),在大多数情况下,岩石表现为脆性破坏,.,(2),同一种岩石的强度并非常数,.,(3),在不同受力状态下,岩石的极限强度相差悬殊,.,其规律是,:,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,R,/,Rc,=1/5-1/38;,/,Rc,=1/2-1/15,式中,:R,-,单向抗拉强度,;,Rc,-,单向抗压强度,;,-,抗剪强度,;,2.,动荷载下岩石的强度性质岩石在动荷载作用下,其强度的增加与,加载速度有关,.,在冲击荷载作用下,岩石的抗压强度和抗拉强度都,比静载作用下要大,.,第三节岩石的力学性质,表,16,几种岩石的动,静荷载下的强度值,三,.,岩石的硬度,岩石的硬度,:,即岩石抵抗其他坚硬物体侵入的能力,.,硬度与抗压强度既有联系又有区别,.,岩石的硬度分为静压入硬度和回弹硬度两类,(1),静压入硬度,:,采用底面积,1-5,mm,的圆柱形平底压模压入岩石试件,以岩石产生脆性破坏,(,脆性,岩石,),或屈服时,(,塑性,岩石,),的强度作为岩石的硬度指标,.,岩石试件可采用,505050mm,的立方体或,5050mm,的圆柱体,.,岩石试件表面不平度不大于,0.1mm.,压模高度为,16mm.,(2),回弹硬度,:,以重物落于岩石表面后的回弹高度表示,.,岩石越硬,回弹高度越大,.,第三节岩石的力学性质,回弹硬度可用肖氏硬度计和施米特锤来测定,;,四,.,岩石的可钻性和可爆性,可钻性和可爆性,:,表示岩石的钻眼或爆破的难易程度,.,一般用工艺性指标表示,如钻速,单位炸药消耗量等,.,可钻性可用以下两项指标表示,:,1.,凿碎比功,:,=4,/,d,2,H J/cm (1-18),式中,:N-,冲击次数,;,A-,单次冲击功,40J;,d-,实际钻孔直径,cm;,H-,为纯凿深,cm;,2.,钎刃磨钝宽度,:,即量出钎刃两端向内,4mm,处的磨钝宽度,表明岩石的磨蚀性,.,用,b(mm),表示,.,第四节 岩石的工程分级,一,.,普氏分级法,:,前苏联科学院院士,MM,普罗托吉雅克诺夫,1906,年提出了,“石坚固性”的概念,于,1926,年完成岩石分级表,.,他的基本观点是,:,岩石的坚固性在各方面的表现是趋于一致的,岩石的坚固性具有同样的比值,.,f=Rc/10 (1-19),式中,:f-,普氏岩石坚固性系数,;,Rc,-,岩石的单向抗压强度,M,a;,10-,岩石的单向抗压强度为,10M,a,的岩石,;,根据,f,值的大小,将岩石分为,10,级共,15,种,:,见表,17,二,.,我国原煤炭部的五类围岩分类表,:,根据我国煤矿锚喷支护设计和施工的需要,结合煤矿岩层特点将我国煤矿岩层分为五类,;,见表,1-8;,第四节 岩石的工程分级,三,.,美国岩心质量指标,(,R.Q.D,),分类法,:,即钻探时将钻孔中直接获取的岩心长度大于,10,cm,的岩心的总长度,扣除破碎岩心和软弱夹泥的长度,再与钻孔总长度相比,.,R.Q.D=,10,cm,以上,的岩心的累计长度,/,钻孔总长度,(1-20),四,.,中国矿业大学围岩松动圈分类法,