凿岩爆破之岩石性质及其分级
岩石性质与工程分级
1.4 岩石分级和围岩分类
岩体的结构和力学性都很复杂，为便于研究、 类比，有必要对岩体进行分类。
1.4.1 普氏岩石分级法（坚固性系数） 我国矿山长期使用的普氏岩石分类，是以普 氏岩石坚固性系数f（其值等于固结性岩石单 轴抗压强度 kg/cm2 数值的百分之一 { 十分之 一 } ）为准，按 f 值的变动范围将岩石划分为 10级。 表
d— 试件直径；cm；
t—试件厚度，cm； a，h—方形试件边长和厚度，cm。
1.3.2.3 岩石的剪切强度τf
1、剪切面上无压应力的剪切试验
2、剪切面上有压应力的剪切试验
试件尺寸：直径或边长不小于50mm，高度应等 于直径或边长。
P A
T A
3、斜剪试验
忽略端部摩擦力，根据力的 平衡原理，作用于剪切面上的 法向力N和切向力Q可按下式计 算：
井巷工程
采矿就是为了将地下的矿藏开采出来，要
达到这样的目的，就必须从地面到各煤层 开掘各种通道。 直立的通道称为竖井； 倾斜的通道称为斜井（上山、下山）； 水平或近似水平的通道称为平巷； 这些通道统称为井巷。
平硐开拓
斜井开拓
竖井开拓
在煤矿建设、生产中，常常说到的开拓开采，
1.4.2 围岩分类法
岩体的工程分类应当能反映出岩石的强度、 岩石破坏前后的变形特征和岩体结构等。这种分类在矿山ຫໍສະໝຸດ 采用。 表 表
1.4.3 岩石质量指标 10厘米以上岩芯累计长度与钻孔长度之比。
这种分类在石油系统采用。
表
思考题：
1. 岩石和岩体的概念？
就是开掘一系列井巷，并将煤炭从地层上采 下来的一系列工作。 而井巷工程就是其中开拓工作，它是煤矿建 设、生产中先行，没有开拓就没有开采。 井巷工程的对象：岩石。
第2章岩体隧道钻爆法施工技术(矿山法、新奥法)
（2）台阶开挖法
将设计断面分上半部断面和下半部断面两次开挖成 型；或采用上弧形导坑超前开挖和中核开挖及下部开挖 （即台阶分部开挖法）。
台阶开挖法特点：
（1）有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部 断面作业就较为安全；
（2）具有较大的工作空间和较快的施工速度，但上下部作 业有相互干扰影响；
（4）在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体 系的作用，保证隧道的稳定；
（5）二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修 筑的，围岩与支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安 全度；
（6）尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中； （7）通过施工中对围岩和支护结构的动态观察、量测，合理安排施
爆破附加知识：
• 地基加固 • 核武器当量 • 广岛原子弹
爆破作用指数
• 爆破作用指数（英译：index of blasting action），它是爆破漏斗半径r和最小抵抗 线W的比值，以n表示，可以用下式表示：
•
n=r/w
• 自由面——被爆破的岩石与空气接触的面 叫做自由面，又叫临空面。自由面在工程 爆破中起着非常重要的作用，有了自由面 ，爆破后的岩石才能向这个面破坏和移动 。在工程爆破中为了控制爆破作用人们常 常在爆破附近人为地创造自由面。在长期 爆破实践中人们总结下一条简单的经验， 即自由面多，爆破效果好。
锚杆
• 锚杆，英文“Bolt”；“bolting（准确称 谓）”；“anchor（早期称谓）”是当代 煤矿当中巷道支护的最基本的组成部分， 他将巷道的围岩加固在一起，使围岩自身 支护自身。现在锚杆不仅用于矿山，也用 于工程技术中，对边坡，隧道，坝体进行 主体加固。
新奥法施工程序流程:
第一章岩石的性质及工程分级
2· 岩石性质与其结构和构造有关。 如岩石中矿物的结晶程度、颗粒形状和大小、颗粒之间的胶结程 度等。当矿物成分一定时，呈细晶、隐晶结构时，岩块强度较高； 反之则低。 3· 岩石性质与胶结物的性质有关。 如硅质胶结的强度最大、铁质、钙质、泥质、凝灰质胶结相继次 之。如花岗岩、黄铁矿、石灰岩、泥岩等。 4· 岩石强度与其成因有关。 火成岩的强度一般大于沉积岩和变质岩。 5· 岩石强度与变质和风化程度有关。 变质程度越高，强度越大、反之越低；风化程度越高，而强度越 低。 研究岩石性质时，常用到岩石、岩块与岩体这三个术语。
井巷施工最基本的过程就是将岩石从岩体上破碎下来，形成所需 的井巷空间，这个过程称为破岩。破碎下来的岩石，用装岩设备装 入矿车或输送机运出，这个过程称为装岩运输。接着对这些空间进 行必要的维护，防止围岩的破坏和垮落，这个过程称为支护。因此 破岩和井巷维护成为井巷工程的主要问题。为了合理和有效地进行 破岩和井巷维护，就要对岩石与岩体的物理力学性质有所了解，研 究岩石的工程特性，为设计和施工提供依据。 岩石是由一种或多种矿物组成的天然结构体，每种矿物都有其一 定的内部结构和比较固定的化学成分，因而也各具有一定的物理性 质和形态。不同的岩石，具有不同的力学特性。 1· 岩石性质与它的矿物组成有关。 一般说来，岩块中所含硬度大的粒状和柱状矿物（石英、长石、 角闪石、辉石、橄榄石等）越多，岩块强度越高。含硬度小的矿物 （云母、绿泥石、滑石、蒙脱石、伊犁石、高岭石）越多，其强度 越低。
第二节岩石的物理性质
4.岩石的软化性: 岩石浸水后其强度明显降低的特性 为之岩石软化。岩石软化性用 软化系数表示： η C ＝RCW/RC ≤1 (1－7) ηc----岩石的软化系数，无量纲 ; R ----水饱和状态下岩石试件的单向抗压强度,MPa; R ----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 膨胀性：指软岩吸水后体积增大的现象。 崩解性：指软岩吸水后解体的现象。 四.岩石的碎胀性 K＝V1/ V >1 （1· 8－2· 0） (1－8) K----岩石的碎胀系数; V1----岩石破碎后的体积,m3; V----岩石破碎前的体积, m3;
1.1岩石的性质及其分级
密度（g/cm）
2.6~2.7 2.8~3.0 2.85~3.0 2.71~2.85 2.5~2.6 2.58~2.69 2.2~2.4 2.3~2.7 2.9~3.0 2.6~2.7 2.65~2.9 1.6~2.1 1.5~1.7
容重（t/m3）
2.56~2.67 2.75~2.90 2.8~2.9 2.46~2.65 2.3~2.4 2.47~2.56 2.0~2.3 2.1~2.57 2.65~2.85 2.5 2.54~2.85 1.6~2.0 1.4~1.6
视频1
视频2
ρ不包括孔隙在内的岩石密度。
M
V
V0
γ包括孔隙在内的岩石单位体积重 量，也称岩石的体重。
G V
视频1 视频2
岩石的孔隙度、密度、容重主要影 响岩石的抛掷、堆积和装运。 一般来说，密度和容重越大，就越 难破碎，在抛掷爆破时需消耗较多的能 量去克服重力的影响。 几种岩石孔隙度、密度、容重 见表1-1。
第1章 岩石的性质及其分级
岩石的物理性质 岩石的力学性质 岩石的分级
凿岩爆破的对象是岩石， 正确认识岩石的相关性质，并 在此基础上对岩石进行分级， 能为爆破设计、施工、制定生 产定额以及成本核算等提供依 据。
1
岩石的矿物成分和组织特性
1）矿物成分 三大类岩石(侵入岩、沉积岩、变质 岩)具有不同的矿物成分，含有方解石 CaCO3，长石K[AlSi3O6]，硅酸盐和氧化 物(SiO2)的岩石硬度高，如花岗岩、玄武 岩；含泥质矿物的岩石硬度低，如石炭 岩、泥页岩等。 硬度高低对凿岩效果有重要影响。
视频1 视频2
2）岩石的结构构造 结构 矿物晶粒的形状及晶粒之间的连结。 一般矿物晶粒愈细，愈致密，强度越 大，凿爆越难，沉积岩还与胶结成分有关； 硅质，泥质不同，硅质页岩与炭质页岩不 同。
第一章 岩石性质与工程分级1
岩石：不分岩块与岩体时的泛称。
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；
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
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， 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
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。
（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。
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。
⑵ 同一种岩石的强度并非常数；强度影响因素：成分、颗粒大小、胶结、生 成条件、层理结构、孔隙度、温度、湿度、重度、风化程度、受力状态和时间。 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
岩爆常识与分级标准
一般岩爆的预防及处理（1）岩爆产生条件①近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能；②围岩新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，属坚硬脆性介质，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，应力解除后，回弹变形很小；③具有足够的上覆岩体厚度，一般均远离沟谷切割的卸荷裂隙带，埋藏深度多大于200m；④无地下水，岩体干燥；⑤开挖断面形状不规则，造成局部应力集中。
⑥在溶孔较多的岩层里，则一般不会发生岩爆。
（2）岩爆的特点隧洞内的岩爆一般具有以下特点：①在未发生前，并无明显的征兆，虽经过仔细寻找，并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，也会突然发生岩石爆裂声响，石块有时应声而下，有时暂不坠下。
②岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近，个别的也有距新开挖工作面较远，常见的岩爆部位以拱部或拱腰部位为多；岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的2～3小时，24小时内最为明显，延续时间一般1～2个月，有的延长1年以上，事前一般无明显预兆。
③岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米厚，大者可多达几十吨重。
石块由母岩弹出，小者形状常呈中间厚、周边薄、不规则的片状脱落，脱落面多与岩壁平行。
④岩爆围岩的破坏过程，一般新鲜坚硬岩体均先产生声响，伴随片状剥落的裂隙出现，裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出，属于表部岩爆；在强度较低的岩体，则在离隧洞掌子面以里一定距离产生，造成向洞内临空面冲击力量最大，这种岩爆属于深部冲击型。
（3）岩爆的现场预测预报①地形地貌分析法及地质分析法认真查看其地形地貌，对该区的地形情况有一个总体的认识，在高山峡谷地区，谷地为应力高度集中区，另外根据地质报告资料初步确定辅助洞施工期间可能遇到的地应力集中和地应力偏大的地段。
依据地质理论，在地壳运动的活动区有较高的地应力，在地区上升剧烈，河谷深切，剥蚀作用很强的地区，自重应力也较大。
②AE法（声发射法）AE法主要利用岩石临近破坏前有声发射现象这一结果，通过声波探测器对岩石内部的情况进行检测，该方法的基本参量是能率E和大事件数频度N，它们在一定程度上反映出岩体内部的破裂程度和应力增长速度。
工程爆破中的岩石力学性质与分级
砂岩 砂质页岩 不坚固的砂岩和石灰岩 页岩、致密泥质岩
软页岩 无烟煤 致密粘土、软质煤岩 浮石、凝灰岩
—
2.2.3 爆破漏斗等综合分级
东北大学在上世纪80年代提出的岩石爆破性分级的判据，是在考虑 爆破材料、参数、工艺等一定的条件下进行现场爆破漏斗试验和声波测 定所获得的，通过计算出岩石爆破性指数，综合评价岩石的爆破性，并 进行岩石爆破性分级。
第2章 岩石力学性质与分级
2.1 影响岩石凿岩爆破性的因素 2.2 岩石凿岩爆破性的判据和分级 2.3 岩石的可钻性 2.4 可钻性与磨蚀性的关系
本章内容提要
岩石和矿岩是工程爆破的工作对象。要有效地开展工程爆 破工作，必须先了解岩石的基本性质，主要是与工程爆破有关 的物理性质和力学性质，同时 要掌握工程爆破中岩石性质的 表达方式—岩石的分级。
（1）测定方法
①爆破漏斗与块度的测定
②声测法
（2)岩石爆破性指数
根据爆破漏斗体积、大块率、小块率、平均合格率和岩体波 阻抗的大量数据，运用数理统计的多元回归分析，通过计算机运 算，最终求得岩石爆破性指数 N
N
ln
e67.22.K17.42 (1.01)(C)2.03
e K K 38.44V 1.89 4.75
表2-1 几种典型岩石的物理力学特性
2.1.1岩石的结构构造
矿物是构成岩石的主要成分，矿物颗粒愈细、密度愈大，愈坚固，则 愈难于爆破破碎。
岩石中矿物的结晶程度，晶粒大小，晶体形状及其之间的组合关系， 结构决定了岩石内部的连接情况，直接影响岩石的物理力学性质。
一般矿物晶粒愈细，愈致密，强度越大，凿爆越难，沉积岩还与胶结 成分有关；硅质，泥质不同，硅质页岩与炭质页岩不同。变质岩的组分和 结构与变质程度有关，一般变质程度高、致密的变质岩比较坚固，较难爆 破，反之则易爆破。
爆破工程地质优质内容
高级培训
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b.静载变形特性
岩石在外力作用下产生变形，其变形性质可用应力－应变曲
线表示。
非
线
性
弹
线 性 弹
性 变 形
性
变
脆
形比 例 极
性 破 坏
限
塑 性 屈 服 变 形
延 性 破 坏
弹性变形区 塑性变形区
岩石的应力－应变曲线 ①弹性—在弹性变形范围内，当外载去掉后，岩石恢复原形 的性质,遵守虎克定律。
G V
岩石的密度、容重主要影响岩石的抛掷、堆积和装运。 一般地说，岩石的密度和容重越大，就越难以破碎，在抛掷 爆破时需消耗较多的能量去克服重力的影响。
几种岩石孔隙度、密度、容重见表4-1。
高级培训
2
表4-1 几种岩石的孔隙度、密度、容重
岩石名称
花岗岩 玄武岩 辉绿岩 石灰岩 白云岩 砂岩 页岩 板岩 片麻岩 大理岩 石英岩 粘土 砂子
高级培训
7
②脆性—岩石没有产生显著的永久变形就开始破坏的性
质，一般岩石呈脆性破坏。
③塑性—与脆性相反，在破坏前有较明显的永久变形，
如泥页岩，高岭土矿，巷道底鼓。
④弹性模量：E=σ/ε。
⑤剪切模量：G=τ/γ
⑥泊松比：μ=ε2/ε1 ⑦G，E，μ的关系，根据材料力学的理论有：
G=E/2（1+μ）
⑧弹性后效：在弹性区内，应力消除后，应变并不能立
4.1岩石的物理力学性质
(1)岩石的物理性质 与爆破有关的岩石的物理性质主要包括孔隙率、容重、
密度、硬度、碎胀性、裂隙性等。
1)孔隙率
孔隙率η，是指岩石中孔隙的总体积V0与岩石的总体积V 之比，用百分率表示。
V V 100% 0
岩爆常识与分级标准
一般岩爆的预防及处理（1）岩爆产生条件 ①近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能； ②围岩新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，属坚硬脆性介质，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，应力解除后，回弹变形很小； ③具有足够的上覆岩体厚度，一般均远离沟谷切割的卸荷裂隙带，埋藏深度多大于200m； ④无地下水，岩体干燥； ⑤开挖断面形状不规则，造成局部应力集中。
⑥在溶孔较多的岩层里，则一般不会发生岩爆。
（2）岩爆的特点 隧洞内的岩爆一般具有以下特点： ①在未发生前，并无明显的征兆，虽经过仔细寻找，并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，也会突然发生岩石爆裂声响，石块有时应声而下，有时暂不坠下。
②岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近，个别的也有距新开挖工作面较远，常见的岩爆部位以拱部或拱腰部位为多；岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的2～3小时，24小时内最为明显，延续时间一般1～2个月，有的延长1年以上，事前一般无明显预兆。
③岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米厚，大者可多达几十吨重。
石块由母岩弹出，小者形状常呈中间厚、周边薄、不规则的片状脱落，脱落面多与岩壁平行。
④岩爆围岩的破坏过程，一般新鲜坚硬岩体均先产生声响，伴随片状剥落的裂隙出现，裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出，属于表部岩爆；在强度较低的岩体，则在离隧洞掌子面以里一定距离产生，造成向洞内临空面冲击力量最大，这种岩爆属于深部冲击型。
（3）岩爆的现场预测预报 ①地形地貌分析法及地质分析法 认真查看其地形地貌，对该区的地形情况有一个总体的认识，在高山峡谷地区，谷地为应力高度集中区，另外根据地质报告资料初步确定辅助洞施工期间可能遇到的地应力集中和地应力偏大的地段。
依据地质理论，在地壳运动的活动区有较高的地应力，在地区上升剧烈，河谷深切，剥蚀作用很强的地区，自重应力也较大。
②AE法（声发射法） AE法主要利用岩石临近破坏前有声发射现象这一结果，通过声波探测器对岩石内部的情况进行检测，该方法的基本参量是能率E和大事件数频度N，它们在一定程度上反映出岩体内部的破裂程度和应力增长速度。
岩石爆破性及其分级
岩石爆破性及其分级岩石是爆破的的对象，金属矿山的绝大部分、非金属及煤矿等矿山的不少矿岩都采用爆破方法进行和采掘。
为了取得良好的爆破效果，必须了解和掌握岩石的爆破性。
岩石的爆破破性是指岩石对爆破的抵抗力或可爆的难易程度。
爆破岩石的目的是根据爆破任务的要求，把岩石从岩体中脱离，破碎成一定的块度，移动或抛扔出一定的距离，并堆成一定的形状等等。
岩石的爆破性是岩石自身物理力学性质和炸药、爆破工艺的综合反映，它不仅是岩石的单一固有属性，而且是岩石一系列固有属性的复合体，它在爆破过程中表现出来，并影响着整个爆破效果。
岩石爆破性分级，是根据岩石爆破性的定量指标，将岩石划分为爆破难易的等级。
它是采矿方法或井巷掘进不同方案的选择、爆破定额的编制和爆破参数的确定等爆破设计的重要依据，并为建立统一的爆破工程的优化计算体系提供基础资料，而且，岩石爆破性分级也是矿山企业管理的科学根据之一。
表1-1 几种典型岩石的物理力学特性岩石容重g/cm3孔隙度（％）纵波速度（km/s）波阻抗（MPa/s）抗压强度（Mpa）抗拉强度（MPa）弹性模量（GPa）泊松比岩浆岩花岗岩 2.6~2.8 0.1~5 4.35~6.8 113~190 100~250 10~20 50~90 0.1~0.37 石英岩26.5~2.66 0.3 4.9~6.7 130~178 290~300 10~15 40~100 0.07~0.28 玄武岩 2.7~2.86 0.6~19 5.4~7.0 146~200 300~400 —70~120 0.2~0.3 辉绿岩 2.85~3.05 0.6~12 6.3~7.5 180~230 160~230 10~20 90~140 0.2~0.32 辉长岩 2.9~3.1 0.6~1 5.6~6.3 162~195 260~310 14~20 70~110 0.2~0.3沉积岩石煤 1.3~1.65 0.4 1.5~2.4 19.5~39.6 1~35 0.2~2.5 3~10 0.14~0.36 岩盐 2.0~2.2 — 4.2~5.6 90~121 20~40 1~4 16~36 0.25~0.45 板岩 2.3~2.7 — 2.5~6.0 57.5~162 50~150 4~25 15~43 0.22~0.25 砂岩 2.1~2.9 2.6 3.0~4.6 63~133 35~150 3~10 17~50 0.19~0.45 石灰岩 2.3~3.0 1.5~15 3.2~5.5 73.5~165 90~160 10~15 40~75 0.2~0.33 白云岩 2.3~2.8 3~20 5.2~6.7 120~188 100~190 30~40 50~95 0.2~0.4变质岩片麻岩 2.65~2.85 — 5.5~6.0 146~171 110~280 10~20 60~80 0.28~0.4 大理岩 2.7~2.88 0.1 4.4~5.9 119~170 60~190 6~16 60~90 0.34~0.4 石英岩 2.65~2.9 0.71 4.3~6.5 114~189 290~300 10~15 40~100 0.15~0.09。
第一章.岩石的性质及其工程分级
• 二、岩石的力学性质： • 1、岩石的强度特征： • 〈1〉静荷载下岩石的强度性质： • A、在大多数情况下，岩石表现为脆性破坏。 • B、同一中岩石的强度并非常数。影响岩石强度的因素有： 岩石的组成成分、颗粒大小、胶结情况、生成条件、层理构造、 孔隙度、温度、湿度、重度、风化程度、受力状态和时间等。 • C、在不同受力状态下，岩石的极限强度相差悬殊。 • 其规律为：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。 • 单向抗压强Rc；单向抗拉强度Rt；拉剪强度T之间的关系 为： • Rt/RC=5/1～1/38 • T/Rc=1/2～1/15 • T=﹙〈Rt-Rc〉/3﹚-2
岩石按坚固性分级一览表
• 在煤矿常见的岩石，坚固性系数4-8级居多。 • 优点：普氏岩石分级法简明，便于使用。 • 缺点：它没有反映岩体的特征，对少数岩石不适用。 如粘土，挖掘易，爆破难。 • 2、围岩分类法： • 根据岩体的结构和岩体强度来确定围岩的稳定 性。 • 其论点是：围岩稳定性主要取决于岩体的结构和 岩体强度，而不只是岩石试件的强度。 • 分为5类： • ﹙Ⅰ﹚稳定岩层； • ﹙Ⅱ﹚稳定性较好岩层； • ﹙Ⅲ﹚中等稳定岩层； • ﹙Ⅳ﹚稳定性较差岩层； • ﹙Ⅴ﹚不稳定岩层。 •
• • • • • • • • • •
问题： 1、井巷施工基本的过程是什么？ 2、岩石的水理性质有哪些？ 3、岩石的溶蚀性会对井下生产带来什么危害？ 4、岩石的膨胀性和崩解性有什么害处？ 5、什么是岩石的硬度？ 6、影响岩石强度的因素有哪些？ 7、岩石工程分级有何意义？ 8、普氏分级法的理论根据是什么？ 9、普氏分级法有何优缺点？
• 〈2〉岩石的透水性 • 岩石的透水性的大小与地下水头有关，与 岩体内的应力有关，与岩石的孔隙度、孔隙大小 及其连通情况有关。 • 不同岩石的透水性差别极大。 • 〈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。 • 溶蚀现象在石灰岩中常见。在矿井生产过 程中，遇到灰岩后常有溶洞或溶洞水，会对井下 施工生产带来水患，十分危险。因此，在石灰岩 中掘进时要编制防治水措施，并严格执行。
4 岩石爆破分级与凿岩机具
4.2.3 旋转冲击式钻孔法
旋转与冲击的联合作用，以柱齿式钻头使用 为多。
4.2.4 滚压式钻孔法
以牙轮钻机使用为多，多用于大直径钻凿。
总之，钻头侵入岩石、破碎岩石的过程 可以用压头静态侵入岩石来解释：
1）在荷载P的压力作用下加载，压头侵入岩石，在岩石表面 ——产生压痕； 2）增大P，压头下方a处受到压缩，压头边缘产生赫兹裂纹 ——产生裂隙区； 3）增大P，裂隙区岩石被压碎——形成承压核； 4）继续加压，承压核压实，并在承压核周围岩石膨胀 ——产生微裂隙：
f =σc / 10, σc ——岩石静态单轴抗压强度，（MPa）。
之后其学生巴隆进行了修正。f =σc / 30+
c 3
表4.1 普洛托奇雅可诺夫岩石坚固性分级表
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅲa Ⅳ Ⅳa Ⅴ Ⅴa Ⅵ 坚固性程度
最坚固
很坚固 坚固 坚固 较坚固 较坚固 中等 中等 较软弱
岩
石
f
20
15 10 8 6 5 4 3 2
5）P再增大，承压核破碎，周围岩石被剪切崩裂
—— 形成跃进式侵入； 6）压头卸压。
完成一个加载——卸载侵入循环过程，见图2.3所示 。
P
P
P
P
P
2a
﹡
a
﹡
﹡
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
图2.3 压头静态侵入过程
§4.3 浅孔钻孔机具
4.3.1 风动凿岩机的构造
风动凿岩机是以压缩空气为动力，驱动各机构运转，实
最坚固、致密和有韧性的石英岩和玄武岩，其它各种特别坚固的岩石
很坚固的花岗质岩石，石英斑岩，很坚固的花岗岩，矽质片岩，比上 一级较不坚固的石英岩，最坚固的砂岩和石灰岩
岩石性质与工程分级
3、溶蚀性：由于水化学作用而把岩石中某些物质带走的现象。
4、膨胀性和崩解性：前者是指岩石浸水后体积增大和压力增大的 性能；后者是指浸水后发生解体的现象。 5、软化性
水饱和岩石试件的单向 抗压强度Rcw 软化系数 c 1 干燥岩石试件的单向抗 压强度Rc
性、结构面内物质成分等。
（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。
20
1.普氏系数分类法
普罗托奇亚可夫于1926年提出：f
井巷施工技术
第一章 岩石的性质及其工程分级
胶州湾海底隧道
下穿胶州湾湾口海域。工程全长8800米，隧道全长约7800米，跨海 域部分约3950米，胶州湾隧道是继厦门翔安海底隧道之后内地第二条
2010.4.28全线贯通,南接黄岛区的薛家岛，北连青岛老市区团岛，
海底隧道，目前在海底隧道中长度排名国内第一、世界第三,预计于
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：
30
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
工程爆破中的岩石力学性质与分级
肖氏硬度计（图2-2）是1906年美国的肖 氏（A.E.Shore）研制的一种用以测定金属材 料硬度的仪器。其原理是用一带金刚石尖重 约4g的撞针，从25cm高外自由落下，撞击材 料表面，以撞针的回跳高度来表征硬度。硬 度值由0~140。这种方法后被用来测量磨光的 岩石表面。
图2-2 肖氏硬度计
表2-3 普氏分级与苏氏分级(爆破性)的对比参考表
普氏分级 坚固性 等
坚固程度 系数 f 级
20 Ⅰ 最坚固
18
15 Ⅱ 很坚固
12
10
Ⅲ
坚固
8 Ⅲa
6
Ⅳ 相当坚固
5 Ⅳa
4Ⅴ
中等
3 Ⅴa
2
Ⅵ 相当软弱
1.5 Ⅵa
1.0 Ⅶ
软弱
0.8 Ⅶa
0.6 Ⅷ 土质
0.5 Ⅸ 松散
0.3 Ⅸ 流沙
爆破性
最难爆
按凿碎比功的不同将岩石可钻性分成七级，见表2-5。
表2-5 岩石凿碎比功分级
级别 凿碎比功 可钻性
Ⅰ <186 极易
Ⅱ 187~284
易
Ⅲ 285~382
中等
Ⅳ 383~480
中难
Ⅴ 481~578
难
Ⅵ 579~676
很难
Ⅶ ≥677 极难
（2）钎刃磨钝宽度b
钎刃磨钝宽度是指落锤冲击480次后，钎刃上从刃锋两端各向 内4mm处的磨钝宽度平均值。钎刃磨钝宽度b时用读数显微镜和专用 卡具量得的。
2
3
式中:V—岩石爆破漏斗体积，m3 ； K1—大块率（＞30 cm），% ； K2—平均合格率，%； K3—小块率（＜5 cm），% ； (ρ C)—岩体波阻抗，KPa ； e—自然对数之底。
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岩石的碎胀性
岩石的碎胀性指岩石破碎后因碎片间孔隙增多而总体积增大的性 质
岩石的波阻抗
岩石的波阻抗指岩石的密度同纵波在岩石中传播速度的乘积
二、岩石的力学性质
• 岩石的强度性质
– – – – – 抗压强度 抗剪强度 抗拉强度 抗拉强度最小，抗压强度最大 都是静载条件下测出的，凿岩爆破都是动载，所以只 能做参考
和当时的生产条件相对应的。现在的生产条件已经和当时不同了， 不能再用当时的方法来确定。
•
现在的f值是用岩石的抗压强度值（MPa）除以10，这样就出现了
超过20的f值。与普氏当时的含义不完全相同。
•
普氏岩石坚固性分级仍被广泛采用。
六、岩石爆破性分级
• 东北大学钮强教授领导完成
•
标准试验条件下，以爆破漏斗体积、大块率、小块率、 平均合格率和岩石波阻抗为依据，算出岩石的爆破性指 数岩石爆破性指数F。公式不用记，知道含义就行。 F<38为I级，极易爆；
爆破技术的主要应用
• 爆破技术最主要的两大应用：采矿业和 战争，和平年代主要用于采矿 • 爆破是采矿的主要工艺，决定了采矿的 主要技术经济指标，所以矿山特别重视 爆破技术 • 爆破不仅用于采矿，可以广泛地应用于 各类岩土工程、拆除爆破、加工和材料 等领域。
第一讲
岩石性质及其分级
一、岩石的物理性质
F=38以上—53为II级，易爆； F=53以上—68为III级，中等；
•
• •
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• •
F=68以上—81为IV级；难爆；
F=81以上为V级，极难爆。 岩石爆破性分级没有得到广泛应用。
七、岩石的磨蚀性
•
•
岩石的磨蚀性指岩石对破岩工具的磨损强弱程度。
用于衡量岩石对钻头、钻杆、破碎机械、磨矿机械、各 种与岩石直接接触的设备的磨损。
• 岩石的变形性质
– 主要是弹性变形：金属矿山的岩石主要表现为弹性 – 塑性岩石最好不用凿岩爆破方式破碎
• 岩石的强度性质
– – – – – 抗压强度 抗剪强度 抗拉强度 抗拉强度最小，抗压强度最大 都是静载条件下测出的，凿岩爆破都是动载， 所以只能做参考
三、岩石的硬度
• 莫氏硬度——比较硬度，无数值换算关系
莫氏硬度将岩石硬度分为10级： 硬度 矿物 鉴定试验 1 滑石 指甲易刻划 2 石膏 指甲可刻划 3 方解石 小刀易刻划 4 萤石 小刀可刻划 5 磷灰石 小刀刻划有痕迹 6 长石 小刀刻划几乎不能刻划 7 石英 小刀不能刻划，可划玻 璃 8 黄玉 能刻玻璃 9 刚玉 能刻玻璃 10 金刚石 能刻玻璃
四、岩石可钻性
•
•
岩石的可钻性指在岩石上钻孔的难易程度，直接和 凿岩工艺相关
东北大学的凿碎法岩石可钻性分级比较实用
•
用4公斤的锤自由落下，冲击40mm的一字形钎头， 共480次，算出总冲击功，量出所凿孔的岩石体积， 算出凿碎单位体积岩石所消耗的功，称为凿碎比功， 即凿碎单位体积岩石所消耗的功。
用凿碎比功的大小将岩石的可钻性分为7级 20kgm/cm3以下为1级，70 kgm/cm3以上为7级，中 间每增减10kgm/cm3升降一级。 特点是直接指标，不用换算。
• • •
五、普氏岩石坚固性分级
• M.M普罗托基雅可诺夫提出，基本观点：岩石的坚固性在各方面的
表现是一致的。难凿岩的岩石，也难爆破，运输磨损也大。
• • 将岩石的坚固性分为10级，I最坚固，X级最不坚固。 将岩石在各类采掘作业中的坚固性表现换算成数值，综合起来用普
氏系数f 表示，最大的f 是20，f值愈大，岩石愈坚固。 当时的f值是
• 岩石的矿物成分和组织特征
岩石是一种或多种矿物组成的集合体，岩石的组织特征是指岩 石的结构和构造。
•
岩石的孔隙度、密度、容重
岩石的孔隙度η是指岩石中的各种孔隙的总体积对岩石的总体积 之比； 岩石的密度ρ是指构成岩石的物质集合相的质量对该物质集合相 所具有体积之比 岩石的容重γ，是指原岩重量G对包括孔隙在内的原岩体积之比。
凿岩爆破
Hale Waihona Puke 绪论爆破技术的根在中国——发明炸药
– 公元850年（唐朝）记述了中国人制造火药的配方， 实际应在此之前 – 唐朝末（公元1000年以前）已经用于军事 – 欧洲最早记载火药配方是1242年以后名叫罗杰.培根 的英国修道士，这种东西被称作爆破剂 – 普遍认为黑火药是从中国传到印度、阿拉伯，然后从 哪传到西方 – 黑火药是硝酸钾、硫黄、木炭三种固体粉末的物理混 合物。化学反应方程式 2KNO3+S+3C==N2↑+3CO2↑+K2S
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国内外曾提出过多种衡量岩石磨蚀性的指标，但得到实 际应用的很少。
东北大学曾进行过大量的研究工作，也提出过衡量岩石 磨蚀的指标。 对于象钻头（硬质合金）这类工具来讲，磨蚀性与岩石 中石英的含量有直接关系，石英含量愈高，岩石的磨蚀 性愈强，但当石英含量太高时，岩石的强度会降低（松 散），岩石的磨蚀性反而会降低。