巖石基本力學特性與工程分級
巖石基本力學特性與工程分級 巖石是由一種或幾種礦物顆粒組成的集合體。大范圍的巖石稱為巖體。 巖石是井巷施工的主要對象，它的物理力學性質對鑿爆破及支護有很大影響。 一、構造 巖體的非均質性、巖石的層理性以及巖石的裂隙性是巖石最突出的結構特性。 均質性好的巖石強度高，透水性差，對掘進安全施工有利;均質性差的巖石則強度差，透水性好，對掘進施工安全利。 巖石的層理性是煤巖的重要構造特征。垂直層理面方向的巖石抗壓強度大于平行層理面方向的巖石抗壓強度，二者比值，巖石約為1.3，煤約為1.5。層理面方向不同，巷道冒頂的開關也不同。 巖體的裂隙性對巷道施工安全影響最大，巖體內由于存在著大大小小的裂隙（原生裂隙與次生裂隙），在巖體中就形成了明顯的弱面，所以在掘進過程中，經常會在沒有預兆的情況下，發生冒頂事故。同時，裂隙也是導水和泄出瓦斯的通道。 節理和裂隙發育的巖石，鉆眼時很容易夾釬子并會不同程度地降低爆破效果等。 二、巖石的辦學性質 巖石的辦學性質是指巖石在靜力或動力的作用下所產生的巖石的變形特征。包括：應力一應變一時間關系的全過程;巖石的強度特性，如抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度;巖石的動力性質，如波在巖石中傳播的特征等所表現的一些性能。這些性能，不僅取決于的成分和結構等因素，還與巖石的受力條件有很大關系。 （一）巖石的變形特征 巖石的變形特征，反映巖石在載荷作用下改變自己的形狀或體積直至破壞的情況。巖石在載荷作用下，首先發生變形，當載荷增大或者超過某一數值（極限強度）時，就會導致巖石的破壞。就是說，變形階段包含著巖石破壞因素，而破壞則是不斷變形的結果。 根據受力情況不同，巖石的變形有以下幾種狀態： （1）彈性變形。巖石在載荷作用下，改變自己的形狀或體積，當去掉載荷以后，又能恢復其原來形狀或體積，這種變形稱作彈性變形。如井下石灰巖板受壓彎曲，在巖層折斷后，會出現彈性恢復。 （2）塑料變形。巖石在載荷作用下發生變形，當去掉載荷后變形不能恢復，這種變形稱作塑料變形。如在軟巖中掘進巷道時出現的底鼓，就是明顯的塑性變形。 （3）脆性破壞。巖石在載荷作用下，沒有明顯的塑性變形就突然破壞，這種破壞稱作脆性破壞，這種巖石稱作脆性巖石。煤礦井下大部分巖石均為脆性巖石。 （4）彈、塑性變形。巖石同時具有彈性變形和塑變形，這種變形稱作巖石的彈、塑性變形。煤礦巷道、硐室周圍的煤或巖體處于三向（或雙向）受力狀態，發生破壞后，雖然其結構發生了變化，但仍然保留一定的承載能力，其側向應力愈大，其殘余強度也愈大。這個規律對于在井下控制煤柱和巖體的穩定性很有現實意義。 （5）流變。許多巖石的變形并非在一瞬間完成，它與時間有密切關系。通常把巖石在長期載荷作用下的應力應變隨時間而變化的性質稱為巖石的流變性。不同的巖石，其流變速率差異很大。如位于軟巖中的巷道，由于軟巖流變速率大，開掘后，巷道斷面很快就會縮小到難以通行;而位于堅硬巖石（如石灰巖）中的巷道可以不支護，也能保證安全生產。 巖石的流變性質可分為蠕變、彈性后效和松弛幾類。 ① 蠕變，是指在恒定載荷持續作用下，應變隨時間增長而變化的現象。它又可分為穩定蠕變和不穩定蠕變兩類。穩定蠕定是指巖石在恒定載荷作用下，應變量增加，然后逐漸減緩，最后趨于穩定值;不穩定蠕定是指巖石在恒定載荷作用下，應變量隨時間增長而不斷增加，直到巖石破壞。如立井井筒在馬頭門上10m～15m處經常裂，多是蠕變的結果。 ②彈性后效，是指巖石加載后需要經過一琮時間后，彈性變形才能完全恢復的現象。 ③松弛，是指在變形量一定的條件下，應力隨時間的持續而逐漸減少的現象。 （二）巖石的強度特性 巖石的強度特性反映巖石抵抗破壞的能力。用單位面積上所受的力的大小來表示，其單位為Pa(帕)。巖石強度的大小，一般按下列順序排列： 三向等壓>三向非等壓>雙向等壓>單向等壓>剪切>彎曲>單向拉伸 一般巖石的單向抗拉強度僅為單向抗壓強度的1/5～1/30，雙向抗壓強度為單向抗壓強度的1.5～2.0倍。 巖石的強度越高，其抵抗外力使其變形、破壞的能力越強，則巷道就越穩定。有的巷道處在強度較高的圍巖中，不支護（裸巷）就可維持巷道的穩定。 （三） 巖石的破壞特性 巖石的破壞方式主要是拉斷、剪斷、塑性變形等。在井巷掘進施工中，常見的破壞方式有：較軟巖體出現曲線形破裂面，堅硬巖體沿結構面滑動，脆性巖體出現突然巖塊工張拉破裂;堅固巖層內夾有軟巖層時，軟弱夾層呈現塑性擠出的破壞。 三、巖石的工程分級 為了能有效地破巖和合理地進行井巷維護，就必須在研究巖石與巖體的物理力學性質的基礎上制定出巖石的工程分類，并以此作為選擇破巖和井巷維護方法的科不這依據。 巖石工程分級方法較多。我國煤礦常用的是按巖石堅固性和圍巖穩定性對巖石進行分級、分類。 按巖石堅固性進行分級的方法，即普氏分級方法，至今仍然使用。普氏認為，巖石的堅固性對于各種破巖方法的表現是趨于一致的，因此普氏提出一個表示巖石堅固性的綜合指標“巖石的堅固系數ƒ”,并以此來表示巖石破壞的相對難易程度。
