岩石基本力学特性与工程分级
岩石基本力学特性与工程分级 岩石是由一种或几种矿物颗粒组成的集合体。大范围的岩石称为岩体。 岩石是井巷施工的主要对象，它的物理力学性质对凿爆破及支护有很大影响。 一、构造 岩体的非均质性、岩石的层理性以及岩石的裂隙性是岩石最突出的结构特性。 均质性好的岩石强度高，透水性差，对掘进安全施工有利;均质性差的岩石则强度差，透水性好，对掘进施工安全利。 岩石的层理性是煤岩的重要构造特征。垂直层理面方向的岩石抗压强度大于平行层理面方向的岩石抗压强度，二者比值，岩石约为1.3，煤约为1.5。层理面方向不同，巷道冒顶的开关也不同。 岩体的裂隙性对巷道施工安全影响最大，岩体内由于存在着大大小小的裂隙（原生裂隙与次生裂隙），在岩体中就形成了明显的弱面，所以在掘进过程中，经常会在没有预兆的情况下，发生冒顶事故。同时，裂隙也是导水和泄出瓦斯的通道。 节理和裂隙发育的岩石，钻眼时很容易夹钎子并会不同程度地降低爆破效果等。 二、岩石的办学性质 岩石的办学性质是指岩石在静力或动力的作用下所产生的岩石的变形特征。包括：应力一应变一时间关系的全过程;岩石的强度特性，如抗拉强度、抗压强度、抗剪强度;岩石的动力性质，如波在岩石中传播的特征等所表现的一些性能。这些性能，不仅取决于的成分和结构等因素，还与岩石的受力条件有很大关系。 （一）岩石的变形特征 岩石的变形特征，反映岩石在载荷作用下改变自己的形状或体积直至破坏的情况。岩石在载荷作用下，首先发生变形，当载荷增大或者超过某一数值（极限强度）时，就会导致岩石的破坏。就是说，变形阶段包含着岩石破坏因素，而破坏则是不断变形的结果。 根据受力情况不同，岩石的变形有以下几种状态： （1）弹性变形。岩石在载荷作用下，改变自己的形状或体积，当去掉载荷以后，又能恢复其原来形状或体积，这种变形称作弹性变形。如井下石灰岩板受压弯曲，在岩层折断后，会出现弹性恢复。 （2）塑料变形。岩石在载荷作用下发生变形，当去掉载荷后变形不能恢复，这种变形称作塑料变形。如在软岩中掘进巷道时出现的底鼓，就是明显的塑性变形。 （3）脆性破坏。岩石在载荷作用下，没有明显的塑性变形就突然破坏，这种破坏称作脆性破坏，这种岩石称作脆性岩石。煤矿井下大部分岩石均为脆性岩石。 （4）弹、塑性变形。岩石同时具有弹性变形和塑变形，这种变形称作岩石的弹、塑性变形。煤矿巷道、硐室周围的煤或岩体处于三向（或双向）受力状态，发生破坏后，虽然其结构发生了变化，但仍然保留一定的承载能力，其侧向应力愈大，其残余强度也愈大。这个规律对于在井下控制煤柱和岩体的稳定性很有现实意义。 （5）流变。许多岩石的变形并非在一瞬间完成，它与时间有密切关系。通常把岩石在长期载荷作用下的应力应变随时间而变化的性质称为岩石的流变性。不同的岩石，其流变速率差异很大。如位于软岩中的巷道，由于软岩流变速率大，开掘后，巷道断面很快就会缩小到难以通行;而位于坚硬岩石（如石灰岩）中的巷道可以不支护，也能保证安全生产。 岩石的流变性质可分为蠕变、弹性后效和松弛几类。 ① 蠕变，是指在恒定载荷持续作用下，应变随时间增长而变化的现象。它又可分为稳定蠕变和不稳定蠕变两类。稳定蠕定是指岩石在恒定载荷作用下，应变量增加，然后逐渐减缓，最后趋于稳定值;不稳定蠕定是指岩石在恒定载荷作用下，应变量随时间增长而不断增加，直到岩石破坏。如立井井筒在马头门上10m～15m处经常裂，多是蠕变的结果。 ②弹性后效，是指岩石加载后需要经过一琮时间后，弹性变形才能完全恢复的现象。 ③松弛，是指在变形量一定的条件下，应力随时间的持续而逐渐减少的现象。 （二）岩石的强度特性 岩石的强度特性反映岩石抵抗破坏的能力。用单位面积上所受的力的大小来表示，其单位为Pa(帕)。岩石强度的大小，一般按下列顺序排列： 三向等压>三向非等压>双向等压>单向等压>剪切>弯曲>单向拉伸 一般岩石的单向抗拉强度仅为单向抗压强度的1/5～1/30，双向抗压强度为单向抗压强度的1.5～2.0倍。 岩石的强度越高，其抵抗外力使其变形、破坏的能力越强，则巷道就越稳定。有的巷道处在强度较高的围岩中，不支护（裸巷）就可维持巷道的稳定。 （三） 岩石的破坏特性 岩石的破坏方式主要是拉断、剪断、塑性变形等。在井巷掘进施工中，常见的破坏方式有：较软岩体出现曲线形破裂面，坚硬岩体沿结构面滑动，脆性岩体出现突然岩块工张拉破裂;坚固岩层内夹有软岩层时，软弱夹层呈现塑性挤出的破坏。 三、岩石的工程分级 为了能有效地破岩和合理地进行井巷维护，就必须在研究岩石与岩体的物理力学性质的基础上制定出岩石的工程分类，并以此作为选择破岩和井巷维护方法的科不这依据。 岩石工程分级方法较多。我国煤矿常用的是按岩石坚固性和围岩稳定性对岩石进行分级、分类。 按岩石坚固性进行分级的方法，即普氏分级方法，至今仍然使用。普氏认为，岩石的坚固性对于各种破岩方法的表现是趋于一致的，因此普氏提出一个表示岩石坚固性的综合指标“岩石的坚固系数ƒ”,并以此来表示岩石破坏的相对难易程度。
