井巷工程课件 第一章

井巷工程刘刚第一章岩石的性质及工程分类

井巷工程的最基本工作就是破岩与维护。因此，在这一章主要讲述岩石的一些基本性质，包括岩石的物理性质和力学性质，为破岩与维护的基础知识；另外，围岩的工程分级一直是工程设计的基本依据之一，将在本章的最后进行讲授。本章的重点应是围岩分级。

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井巷工程刘刚本章主要参考书

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井巷工程刘刚第一节概述

Rock mechanics is the theoretical and applied science of the mechanical behaviourof rock and rock masses; it is that branch of mechanics concerned with the response of rock and rock masses to the force fields of their physical environment.岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。

US National Committee on Rock Mechanics, 1964

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井巷工程刘刚1. 岩块、岩体和岩石

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井巷工程刘刚

岩块（Rock）：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指岩石材料（Rock Materials）。岩体（Rock Mass）：指岩石工程周围较大范围内的自

然地质体

岩体= 岩块（岩石材料）+ 弱面（层理、节理、断层）

Rock mass = Rock material + Rock discontinuities

岩石：不分岩块与岩体时的泛称。中国矿业大学建筑工程学院6

井巷工程刘刚岩块（Rock）性质：

强度：抗压强度、抗拉强度、剪切强度等；变形：弹性模量、泊松比；矿物：矿物成分、颗粒大小、结构等；物理性质：密度、水理性、孔隙性等。弱面(Discontinuities)性质

弱面包括层理、节理、断层等。性质包括：剪切强度、方位、距离、硬度、张开度、充填性、风化性、粗糙性等岩石材料的性质对岩体性质影响很小，而弱面控制着岩体的性质例如：岩体压缩时，破坏是沿着已存在的弱面发生的；在拉伸时，由于弱面的存在，强度很小。中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚2. 岩体和一般建筑材料的比较

岩石和土壤类似，与其它工程材料有显著的区别。钢筋混凝土结构的设计，工程师首先计算外荷裁，然后根据所要求的强度选择材料（采取措施以保证其强度），同时相应地确定出结构的几何尺寸。然而，在岩体结构中，作用荷载往往难于确定。此外，由于地下洞室一类的岩体结构有许多可能的破坏模式，材料‚强度‛的确定既需要量测，也需要判断。还有最后一点，地下结构的几何尺寸至少在一定程度上由地质构造来决定。中国矿业大学建筑工程学院9

井巷工程刘刚常用建筑材料的特性

连续的均质的各向同性的线弹性的ContinuousHomogeneousIsotropicLineralyElasticC.H.I.L.E.

岩体的特性（具有尺度效应）

不连续的Discontinuous非均质的Inhomogeneous各向异性的Anisotropic非线弹性的Non-LineralyElastic中国矿业大学建筑工程学院

D.I.A.N.E.

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井巷工程刘刚第二节

一.岩石的比重与密度

岩石物理性质

岩石物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。绝对干燥时体积为Vc的岩石重量G1.相对密度（比重）：比重＝岩石固体实体积V水的密度cw2. 密度（容重）（kN/m3）：GcVG1V2.30~2.80，组成岩石的矿物的比重

矿物成份、孔隙、含水量、埋藏深度

容重大，力学性质好

比重与密度在数值上大体相等。

一般地，岩石密度越大，其力学性质越好。

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井巷工程刘刚二.岩石的孔隙性-----密度与强度降低，风化速度加快1.孔隙度（率）nVVccn1100%Vdw2. 孔隙比eVVcdwe1Vcc影响强度及风化速度

e~n关系VVVVeVCVCVV/VnVVVV/V1nVn1c/GW中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚三. 岩石的水理性质-----孔隙量、大小、开闭及分布1. 吸水率

大气压力下吸入水的质量吸水率试件干质量尺度、浸水时间

2. 透水性

dhqxkAdx(Darcy定律)

地下水水头、应力场

qx－沿x方向的流量；h－水头的高度；A－垂直于x方向的截面面积；k－渗透系数。（水库、地热、储存等）于是，当水温在20℃，渗透系数k具有速度的量纲（m/s）。气泵入多孔的岩层中，或从其中抽出来；在多孔岩层中处理卤水废物；为了能量转换而在地下洞穴中贮存液体；评价水库的不透水性；排除深处洞

室的海水，或预估流入隧洞的水量等。

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井巷工程刘刚3. 软化性强度；Rcw－水饱和岩石的单向抗压强度；Rc－干燥岩石的单向抗压4. 膨胀性和崩解性

Rcwc1Rc强度越大，软化系数越大

膨胀压力治水

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井巷工程刘刚四.岩石的碎胀性-----选用装载、运输、提升等设备

破碎后总体积碎胀系数原岩体积坚硬程度、块度大小、堆积排列情况

岩石名称碎胀系数k砂、砾岩1.05~1.2砂质粘土1.2~1.25中硬岩石1.3~1.5坚硬岩石1.5~2.5煤< 1.2中国矿业大学建筑工程学院17

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扁鹊的医术

最好呢？‛井巷工程刘刚魏文王问名医扁鹊说。‚你们家兄弟三人，都精于医术，到底哪一位扁鹊答：‘’长兄最好，中兄次之，我最差。‛文王再问：‚那么为什么你最出名呢？‛扁鹊答：‚长兄治病，是治病于病情发作之前。由于一般人不知道他事先能铲除病因，所以他的名气无法传出去；中兄治病，是治病于病情初起时，一般人以为他只能治轻微的小病，所以他的名气只及本乡里。而我是治病于病情严重之时。一般人都看到我在经脉上穿针管放血、在皮肤上敷药等大手术，所以以为我的医术高明，名气因此响遍全国。‛事后控制不如事中控制，事中控制不如事前控制，可惜大多数的人均未能体会到这一点，等到错误的决策造成了重大的损失才寻求弥补。中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚第三节岩石力学性质

Strength, Deformation and Failure

of Rock Material

试验所需的试件应该加工成标准的圆柱形，其高与直径之比应该介于2.0~3.0之间，试件的直径最好不要超过50mm。试件的直径应该至少是岩石最大颗粒直径的20倍。中国矿业大学建筑工程学院20

井巷工程刘刚1.岩石的单轴压缩全应力—应变曲线

单轴压缩试验设备

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井巷工程刘刚弹模值：E=20~50GPa，为软钢弹模（206GPa）的10~24%；泊松比：20.15~0.35，理想塑性材料0.51中国矿业大学建筑工程学院

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2. 岩石在三轴压缩条件下的力学性质

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井巷工程刘刚首先，破坏前岩石的应变随围压增大而增加；另外，随围压增大，岩石的塑性也不断增大，且由脆性逐渐转化为延性。围压增加时，试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓应变硬化现象。围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。从图分析围压对岩石变形影响，得出如下结论：①随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；②随着围压的增大，岩石的变形显著增大；③随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；

④随着围压的增大，岩石的应力一应变曲线形态发生明显改变，岩石的性质发生了变化：由弹脆性一弹塑性一应变硬化。

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3.岩石的强度（P10）

单向抗压强度井巷工程刘刚强度

单向抗拉强度剪切强度三轴压缩真三轴假三轴研究岩石的强度的意义

⑴岩石的强度是各种岩石分类（级）中的重要数量指标。⑵作为强度(安全)准则，判别所计算或测定的岩土工程是否稳定.⑶在简单的工程条件下，可作为极限平衡条件（塑性条件），求解弹塑性问题的塑性区范围、弹性区和塑性区应力与应变。中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚岩石的强度特征

⑴多数情况下，岩石表现为脆性破坏（小于3％的应变）；⑵同一种岩石的强度并非常数；⑶在不同的应力状态下，岩石的各种强度极限不同，相差悬殊从荷载性质看：单向抗压强度＞单向抗剪强度＞单向抗弯强度＞单向抗拉强度（单向抗压强度≈10倍单向抗拉强度）。从应力状态看：三向抗压强度＞双向抗压强度＞单向抗压强度中国矿业大学建筑工程学院28

4. 岩石的动力学性质

工程中岩石动力学问题的提出（工程背景）

井巷工程刘刚（1）高烈度地震区，山岩边坡、坝基、地下洞室口部，以及岩基上建（构）筑物的抗震。（2）战时常规轰炸或核袭击作用下，地下防护工程结构的抗爆动力响应。（3）石方、掘进工程中的爆破设计与施工。（4）高地应力条件下，脆/硬弹性岩体突发岩爆、某些矿山井巷深部冲击地压等地运动研究与工程处理。（5）岩基基础，承受动力机器振动。（6）结构隔震与减震。中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚在动荷载作用下的变形不是整体的均匀变形，质点的运动速度也不是整体一致的，变形和速度都有一个传播过程。因此，岩石的动荷载变形特征同静荷载变形特征有本质的区别。

动载作用下岩石强度与加载速度有关：jdKlg（1）岩石由弹塑性、塑性向脆性转变；

ddt（2）岩石的弹性模量增大；（3）岩石的强度提高。

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井巷工程刘刚学生上课迟到了，往往会向老师申述理由；有些老师也往往会追问学生迟到的理由。这种‚场景‛在学校里并不鲜见。迟到要不要解释原因呢？要不要追究理由呢？各人看法不同。在美国西点军校，规定新学员回答军官任何一个问题时，都只能在下面四种回答中选择一种：一、‚报告长官，是!”、二、‚报告长官，不是！‛三、‚报告长官，没有任何借口！‛四、‚报告长官，不知道！‛除此之外，不许多说一个字。假如军官向：‚你认为你的皮鞋这样就算擦亮了吗？‛学员若是为自己辨解：‚报告长官，我本来是擦得很亮的，但刚才排队时有人他只能在那四种回答中选择一种，如：‚报告长官，没有任何借口！‛军官要的是结果，而不是原因。中国矿业大学建筑工程学院

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不小心踩了我一脚，所以……”这种违反规定的回答必将遭受严厉的批语。井巷工程刘刚这听起来似乎太不讲理了，但我们不妨进一步想想，西点军校为什么要出台这样的规定呢？原来就是要让新学员学会忍受委屈，忍受不公平，从而学会信守职责，严格要求自己；要让新学员明白，平时一言一行，如果达不到纪律的要求而给自己找‚借口‛，是绝对不行的。西点军校认为这样的教育，才能锻造新学员坚强的性格，顽强的毅力。也许有人会说，他们是美国，我们是中国，他们是军校，我们是普通学校，因此不能照搬他们那一套。应该有我们自己的理念，如，允许学生为自己辩解。他们高兴怎么回答就怎么回答，应该多一点人文关怀，等等。但我们是否想到，他们的‚报告长官，没有任何借口‛之类的回答中，包含着严于律已、不为自己开脱责任的精神，不也值得我们学习吗？学生上课迟到，即便有冠冕堂皇的理由，也是不遵守纪律的表现。一般说，老师要的也是‚结果‛，而不是‚原因‛中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚你不必长篇大论地解释迟到的‚原因‛，再多的解释也不能改变你迟到的事实。一些从国外回来的老师，他们说西方国家学生上课迟到了，通常会说：‚对不起，我迟到了。‛他决不会当着老师和同学的面作任何解释，而我们的学生却可能说出许多理由。我想，老师首先想要的是你对待迟到的态度，而不是你迟到的理由。学生上课迟到，如若总要为自己找理由，恐怕就很难保证以后不再迟到。因此，冷静想想，会觉得西点军校的教育理念还是很不错的，比方说，让新学员学会接受别人的批评；哪怕觉得冤枉也不急于为自己辩解，善于自律，这对青年人的成长无疑是有好处的。中国矿业大学建筑工程学院34

井巷工程刘刚第四节

分类的目的

岩体工程分类

（1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。（2）便于施工方法的总结,交流,推广。（3）便于行业内技术改革和管理。中国矿业大学建筑工程学院35

井巷工程刘刚遵循的主要原则

（1）分类形式要简单，含义要明确。（2）分类应具科学意义和实用价值。（3）分类指标不易过多并应容易获得。指标过多，必须增加研究工作量，不便推广和应用。（4）分类应明确表达出岩体的基本特性和影响岩体稳定性的主要因素。（5）分类方案应体现超前预报性，即在巷道设计、施工之前，人们要了解到未来巷道开挖后围岩稳定状态和不同稳定类型岩体的空间分布。这一分类方案不仅便于设计、施工部门应用，而且应当被勘探部门所接受。中国矿业大学建筑工程学院36

井巷工程刘刚分类指标：

（1）岩石强度各力学指标之间有着内在的联系，因此可确定岩石的单轴抗压强度为岩体稳定性评价的重要指标。（2）结构面结构面的研究应包括组数、密度、产状、延展性、结构面内物质成分等。对于地表裸露的岩体来说，上述的研究是能够实现的；对于地下隐伏的岩体，按上述要求进行全面而详细的研究往往非常困难，有时要用大量资金才能实现。（3）水对岩体的影响水对岩体稳定性有着重要的影响。岩体遇水后可以发生泥化、崩解、碎裂，致使岩体膨胀并大大降低强度。（4）原岩地应力状态对岩体稳定性影响最大的是最大主应力。在缺乏地应力资料时，可选用γH值。中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚1. 普氏系数分类法P13

普罗托奇亚可夫于1926年提出：fc10共划分为10级15种提出以f计算围岩压力的公式。形成了为坑道施工、设计服务的一整套理论和方法。而且表达形式简单，使用非常方便。因此1954年至1972年这一阶段，我国铁道、水电、冶金、煤炭、机械、建工、军工等部门都采用了普氏分类。存在问题：这一分类主要考虑的是岩石强度（单轴抗压强度），对岩体的完整性、岩体结构特征等对围岩稳定有决定影响的因素，在分类中没有表达出来，因此不能正确地评价围岩的稳定性。中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚根据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中国矿业大学建筑工程学院39

井巷工程刘刚2.岩芯质量指标

Rock quality designation index --RQD

美国伊利诺斯大学狄勒（Deere）在1964年形成该标准，但直到1967年才以出版的形式首次提出该概念。中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚RQD是一修正的岩芯取出率，仅考虑长度大于100mm的完整岩芯。中国矿业大学建筑工程学院41

井巷工程刘刚RQD（%）岩石质量﹤25很差25～50差50～75一般75～90好90～100优秀RQD指标在美国及欧洲有广泛应用，它是评估岩芯质量的简单、费用省并能再现的方法。尽管其本身并不是岩体的充分描述，但该指标仍然作为分类参数，在隧道工程中用作选择隧道支护时的参考，发现非常有用。尽管RQD是一简易的花费不多的标准，但由于它并不考虑不连续面的刚度、方向、连续性及充填材料的影响，因而不能单独提供对岩体的充分描述。今天，RQD被用作钻孔岩芯记录的标准参数，并成为两类主要岩体分类系统的基本元素：RMR系统和Q系统。中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚3.围岩松动圈分类法

（1）概念

开巷后：（1）巷道周边应力集中；（2）围岩强度降低(三向应力状态→两向应力状态）（3）开挖扰动等围岩应力与围岩强度的关系发生变化（超过则破坏，等于为极限平衡，小于则稳定）；（2）理论分析

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井巷工程刘刚（3）松动圈声测方法及原理

声测法测试围岩松动圈的物理基础，是各类岩石中声波速度不同，同种岩石则随破裂程度的增加，声速降低。中国矿业大学建筑工程学院44

（4）围岩松动圈分类

井巷工程刘刚围岩类别小松动圈IⅡ中松动圈ⅢⅣ大松动圈分类名称稳定围岩较稳定围岩一般围岩围岩松动圈/cm0～4040～100100～150150～200支护机理及方法喷混凝土支护备注围岩整体性好，不易风化的可不支护局部锚杆支护刚性支护有局部破坏，采用可缩性支护锚杆悬吊理论，喷层局部支护锚杆悬吊理论，喷层局部支护一般不稳定围岩(软岩)不稳定围岩(较软围岩)极不稳定围岩(极软围岩)锚杆组合拱理论，喷层、金属网局部支护锚杆组合拱理论，喷层、金属网局部支护组合拱理论联合支护刚性支护大面积破坏，采用可缩性支护围岩变形有稳定期围岩变形在一般支护下无稳定期Ⅴ200～300Ⅵ>300中国矿业大学建筑工程学院45

井巷工程刘刚围岩松动圈分类有三个突出优点：（1）绕过了地应力、围岩强度、结构面性质测定等困难问题，但又着重抓住了它们的影响结果，即松动圈是一个综合指标；（2）松动圈系实测所得，未在重要方面作任何假设；（3）松动圈大小很容易用声测法获得，确定支护参数时直观简单，现场应用十分方便。中国矿业大学建筑工程学院46

井巷工程刘刚4. 按围岩变形量分类

陆士良教授根据围岩变形量的大小和维护的难易程度，将回采巷道围岩分为五类：巷道维护状况容易中等困难极难围岩平均变形速度，mm/d＜11~22~4＞4围岩变形量，mm＜200200~500500~1000＞1000中国矿业大学建筑工程学院47

井巷工程刘刚中国煤炭科学研究院建井所段振西教授提出以围岩的变形量大小分类围岩的理论及方法中国矿业大学建筑工程学院48

井巷工程刘刚5. 按施工需要分类

1988年，煤炭工业部根据全国58条试验巷道的地质特征、井巷开拓后围岩的稳定状态，共为五类：中国矿业大学建筑工程学院49

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井巷工程刘刚6.《工程岩体分级标准》

国家技术监督局与建设部于1995年联合发布《工程岩体分级标准》，适用于各类型岩石工程，涵盖103个岩石工程案例。该分级标准以‚岩体基本质量‛代表岩体品质，并据此进行岩体优劣分级。主要考量岩石坚硬程度与完整程度两个基本因素，进行岩体基本依此做为岩体初步分级基准。BQ＝90＋3Rc+250KV

Rc－岩石单轴饱和抗压强度，MPa；KV－岩体完整性指数＝（岩体弹性纵波速度/岩石弹性横波速度）2中国矿业大学建筑工程学院

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质量定性特征分级描述，以及岩体基本质量指标－BQ值的计算，井巷工程刘刚针对各类工程岩体特点，考虑其他环境条件下影响，对前阶段已获取的BQ值进行修正，获得岩体基本质量指标修正值－[BQ]值，并据此进行各类工程岩体之详细分级。[BQ]＝BQ －100 ×（K1+ K2+ K3）

K1－地下水影响修正系数；K2－主要软弱结构面产状影响修正系数；K3－初始应力状态影响修正系数。中国矿业大学建筑工程学院52

井巷工程刘刚《工程岩体分级标准》将岩体分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等五级，并针对不同跨度地下工程，概述各级岩体稳定能力。岩体基本质量级别岩体基本质量的定性特征坚硬岩：岩体完整坚硬岩，岩体较完整较坚硬岩，岩体完整坚硬岩，岩体较破碎较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整较软岩，岩体完整坚硬岩，岩体破碎较坚硬岩，岩体较破碎～破碎较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎软岩，岩体完整至较完整较软岩，岩体破碎软岩，岩体较破碎～破碎全部极软岩及全部极破碎岩中国矿业大学建筑工程学院

岩体基本质量指标BQ值或[BQ]值＞550IIIIII550～451450～351ⅣⅤ350～251＜25053

井巷工程刘刚7．南非RMR系统（Rock Mass Rating）

南非隧道工法之核心为RMR系统，主要由南非Bieniawski根据49个隧道案例之调查结果，于1973年提出，其后陆续增加地下工程案例。RMR随岩石质量而从0递增到100。这个评分值取决于5个通用参数：岩石强度、岩芯质量、地下水条件、节理和断裂的间距、以及节理的特征。另加第6个参数，即节理的方向，它专门应用于隧洞、采矿和地基工程中，但其作用的大小则因工程而有所不同。⑴岩体强度⑵岩石质量指标0～153～20⑶节理间距⑷节理状况⑸地下水情况5～200～300～15⑹节理状态－12～0 中国矿业大学建筑工程学院

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井巷工程刘刚本章思考题

1．岩石、岩块、岩体的区别与联系。2．表示岩石物理性质的主要指标有哪些？各对岩体力学性质的有什么影响？3．什么是岩石的全应力－应变曲线？简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征？4．在三轴压缩条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？4．简述岩石的强度特征。5．如何得到岩石的坚固性系数f？什么是RQD分级法？

6．根据围岩松动圈的大小，围岩可划分为几类？这种分级法有何

优点？

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