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岩石及岩体的根本性质
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第一章 岩石及岩体的根本性质
第一节 概 述
岩石是组成地壳的根本物质，它由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律〔通过结晶或借助于胶结物粘结〕组合而成。
一、岩石的分类强度降低，使塑性变形和透水性增加。煤矿中常见岩石的空隙度和空隙比见表1-1。
四、岩石的碎胀性和压实性
岩石破碎以后的体积将比整体状态下增大，这种性质称为岩石的碎胀性。
碎胀系数——岩石的碎胀性可用岩石破碎后处于松散状态下的体积与破碎前处于整体状态下的体积之比来表示，该值称为碎胀系数。表达式如下：
〔1-6〕
式中 kp—岩石的碎胀系数；
V ’—岩石破碎膨胀后的体积，cm3；
V—岩石处于整体状态下的体积，cm3。
岩石的碎胀系数对矿山压力控制，特别是采煤工作面的顶板管理有重要意义。碎胀系数与岩石的物理性质、破碎后块度的大小及其排列状态等因素有关。例如，坚硬岩石成大块破坏且排列整齐时，碎胀系数较小，如破碎后块度较小且排列较杂乱，那么碎胀系数较大。煤矿中常见岩石的碎胀系数见表1-2。
岩石破碎后，在其自重和外加载荷的作用下会逐渐压实，体积随之减小，碎胀系数比初始破碎时相应变小。这种压实后的体积与破碎前原始体积之比，称为剩余碎胀系数，以k‘p 表示，其值见表1-2。
五、岩石的水理性质
。岩石的吸水性是指遇水不崩解的岩石，在一定试验条件下〔规定的试尺寸和试验压力〕吸入水分的能力。
通常以岩石的自然吸水率和强制吸水率表示。
岩石的自然吸水率是指试件在大气压力作用下吸入水分的质量与试件的烘干质量之比。
岩石的强制吸水率〔也称饱和吸水率〕是指试件在加压〔150个大气压〕条件下吸入水分的质量与烘干质量之比。两种吸水率表达式如下：
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〔1-7〕
式中 ω、ωsat—岩石的自然吸水率和强制吸水率；
Gw—岩石试件在大气压力下吸入水分的质量，g；
Gd—岩石试件烘干后质量，g；
Gw·s—岩石试件强制饱和吸水后质量，g。
。在地下水水力坡度〔压力差〕作用下，岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性。
用渗透系数来表征岩石透水性能的大小。渗透系数的大小取决于岩石孔隙的大小、数量和相互贯穿情况。根据达西定律：
〔1-8〕
式中 Q —单位时间透水量；
K—渗透系数；
A—渗透面积；
I—水力坡度〔压力差〕；
。岩石浸水后的强度明显降低，可用软化系数表示水分对岩石强度的影响程度。
软化系数是水饱和岩石试件的单向抗压强度与枯燥岩石试件单向抗压强度的比值，其关系式如下：
〔1-9〕
式中 ηc—岩石的软化系数；
Rcw—水饱和岩石试件的单向抗压强度，MPa；
Rc—枯燥岩石试件的单向抗压强度，MPa。
岩石浸水后的软化程度，与岩石中亲水矿物和易溶性矿物的含量、空隙的发育程度、水的化学成份，以及岩石浸水时间的长短等因素有关。亲水矿物和易溶矿物含量越多，张性裂隙越发育，那么岩石浸水后强度降低程度越大。此外，岩石浸水时间越长，其强度降低程度也越大。如某些砂岩浸水3天后，单向抗压强度降低32～35%，浸水9天后降低51～59%。
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研究岩石的软化性对用高压注水法控制坚硬难冒落顶板有重要意义。表1-3为煤矿中几种常见岩石的软化系数，由该表可看出，各种岩石的软化系数都小于1，说明岩石普遍具有软化性。
第三节 岩石的变形性质
变形是岩石的主要力学性质。岩石受载时将首先发生变形，当载荷超过一定数值〔极限强度〕时导致破坏。变形和破坏是载荷作用下岩石的力学性质开展变化的两个阶段。
一、岩石的弹性和塑性
岩石受力后既可出现弹性变形，也可出现塑性变形。但岩石与一般固体材料不同，它的弹性变形和塑性变形往往同时出现。岩石是兼有弹性和塑性的材料。
二、在单向压缩下岩石的变形特性
1. 脆性岩石的变形性质。
图l－la为脆性岩石的应力—应变曲线。其特点是岩石在破坏前没有明显的塑性变形，总应变量也较小。通常把在外力作用下破坏前总应变小于3%的岩石，叫做脆性岩石。
可将图l－la所示曲线分为三段：OA段表示岩石受载初期，由于岩石中的各种空隙受压闭合，曲线出现上弯，OA段称为岩石的压密阶段；AB段接近