巖石基本力學(xué)特性與工程分級(jí) 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(duì)象，它的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)鑿爆破及支護(hù)有很大影響。 一、構(gòu)造 巖體的非均質(zhì)性、巖石的層理性以及巖石的裂隙性是巖石最突出的結(jié)構(gòu)特性。 均質(zhì)性好的巖石強(qiáng)度高，透水性差，對(duì)掘進(jìn)安全施工有利;均質(zhì)性差的巖石則強(qiáng)度差，透水性好，對(duì)掘進(jìn)施工安全利。 巖石的層理性是煤巖的重要構(gòu)造特征。垂直層理面方向的巖石抗壓強(qiáng)度大于平行層理面方向的巖石抗壓強(qiáng)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?shù)拈_關(guān)也不同。 巖體的裂隙性對(duì)巷道施工安全影響最大，巖體內(nèi)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(jìn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)在沒(méi)有預(yù)兆的情況下，發(fā)生冒頂事故。同時(shí)，裂隙也是導(dǎo)水和泄出瓦斯的通道。 節(jié)理和裂隙發(fā)育的巖石，鉆眼時(shí)很容易夾釬子并會(huì)不同程度地降低爆破效果等。 二、巖石的辦學(xué)性質(zhì) 巖石的辦學(xué)性質(zhì)是指巖石在靜力或動(dòng)力的作用下所產(chǎn)生的巖石的變形特征。包括：應(yīng)力一應(yīng)變一時(shí)間關(guān)系的全過(guò)程;巖石的強(qiáng)度特性，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度;巖石的動(dòng)力性質(zhì)，如波在巖石中傳播的特征等所表現(xiàn)的一些性能。這些性能，不僅取決于的成分和結(jié)構(gòu)等因素，還與巖石的受力條件有很大關(guān)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(fā)生變形，當(dāng)載荷增大或者超過(guò)某一數(shù)值（極限強(qiáng)度）時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致巖石的破壞。就是說(shuō)，變形階段包含著巖石破壞因素，而破壞則是不斷變形的結(jié)果。 根據(jù)受力情況不同，巖石的變形有以下幾種狀態(tài)： （1）彈性變形。巖石在載荷作用下，改變自己的形狀或體積，當(dāng)去掉載荷以后，又能恢復(fù)其原來(lái)形狀或體積，這種變形稱作彈性變形。如井下石灰?guī)r板受壓彎曲，在巖層折斷后，會(huì)出現(xiàn)彈性恢復(fù)。 （2）塑料變形。巖石在載荷作用下發(fā)生變形，當(dāng)去掉載荷后變形不能恢復(fù)，這種變形稱作塑料變形。如在軟巖中掘進(jìn)巷道時(shí)出現(xiàn)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(méi)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(shí)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(tài)，發(fā)生破壞后，雖然其結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但仍然保留一定的承載能力，其側(cè)向應(yīng)力愈大，其殘余強(qiáng)度也愈大。這個(gè)規(guī)律對(duì)于在井下控制煤柱和巖體的穩(wěn)定性很有現(xiàn)實(shí)意義。 （5）流變。許多巖石的變形并非在一瞬間完成，它與時(shí)間有密切關(guān)系。通常把巖石在長(zhǎng)期載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間而變化的性質(zhì)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(huì)縮小到難以通行;而位于堅(jiān)硬巖石（如石灰?guī)r）中的巷道可以不支護(hù)，也能保證安全生產(chǎn)。 巖石的流變性質(zhì)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(xù)作用下，應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)而變化的現(xiàn)象。它又可分為穩(wěn)定蠕變和不穩(wěn)定蠕變兩類。穩(wěn)定蠕定是指巖石在恒定載荷作用下，應(yīng)變量增加，然后逐漸減緩，最后趨于穩(wěn)定值;不穩(wěn)定蠕定是指巖石在恒定載荷作用下，應(yīng)變量隨時(shí)間增長(zhǎng)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(jīng)常裂，多是蠕變的結(jié)果。 ②彈性后效，是指巖石加載后需要經(jīng)過(guò)一琮時(shí)間后，彈性變形才能完全恢復(fù)的現(xiàn)象。 ③松弛，是指在變形量一定的條件下，應(yīng)力隨時(shí)間的持續(xù)而逐漸減少的現(xiàn)象。 （二）巖石的強(qiáng)度特性 巖石的強(qiáng)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(lái)表示，其單位為Pa(帕)。巖石強(qiáng)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(qiáng)度僅為單向抗壓強(qiáng)度的1/5～1/30，雙向抗壓強(qiáng)度為單向抗壓強(qiáng)度的1.5～2.0倍。 巖石的強(qiáng)度越高，其抵抗外力使其變形、破壞的能力越強(qiáng)，則巷道就越穩(wěn)定。有的巷道處在強(qiáng)度較高的圍巖中，不支護(hù)（裸巷）就可維持巷道的穩(wěn)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(jìn)施工中，常見(jiàn)的破壞方式有：較軟巖體出現(xiàn)曲線形破裂面，堅(jiān)硬巖體沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，脆性巖體出現(xiàn)突然巖塊工張拉破裂;堅(jiān)固巖層內(nèi)夾有軟巖層時(shí)，軟弱夾層呈現(xiàn)塑性擠出的破壞。 三、巖石的工程分級(jí) 為了能有效地破巖和合理地進(jìn)行井巷維護(hù)，就必須在研究巖石與巖體的物理力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)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(hù)方法的科不這依據(jù)。 巖石工程分級(jí)方法較多。我國(guó)煤礦常用的是按巖石堅(jiān)固性和圍巖穩(wěn)定性對(duì)巖石進(jìn)行分級(jí)、分類。 按巖石堅(jiān)固性進(jìn)行分級(jí)的方法，即普氏分級(jí)方法，至今仍然使用。普氏認(rèn)為，巖石的堅(jiān)固性對(duì)于各種破巖方法的表現(xiàn)是趨于一致的，因此普氏提出一個(gè)表示巖石堅(jiān)固性的綜合指標(biāo)“巖石的堅(jiān)固系數(shù)ƒ”,并以此來(lái)表示巖石破壞的相對(duì)難易程度。