第九章 矿井工程地质

第九章矿井工程地质第一节岩土工程地质性质第二节潜蚀与流砂第三节滑坡及斜坡的稳定性第四节地下巷道稳定性简介第一节岩石工程地质性质一、土的组成土是岩石风化破坏后，再经搬运、沉积而形成的松散沉积物。在一般情况下，土不是由单一物质组成的，而是由固体（矿物和岩石碎屑为主）、液体（水为主）和气体（空气为主）三部分组成。岩土是坚硬、半坚硬岩石和松软土层的总称。由于岩石和土层的成因、组成、埋藏条件和周围地质环境的不同，它们的工程地质性质也是复杂多样的。许多不良的工程地质条件对建井和巷道施工影响很大，稍有不慎，会给国家造成巨大损失。例，华北某矿风井，开始采用板桩法施工，遇到流砂和卵石层，无法通过，使井筒报废。又如，安徽某矿使用震动沉井法施工，出现大量涌砂现象，井筒周围地面下沉，井壁侧压增大，把井筒挤环。还有的矿井出现井架歪斜、机器基础下沉、巷道底鼓等。这些现象的发生主要是当地的岩土层的工程地质条件不好和施工方法不当。土的固体颗粒组成固体颗粒的矿物：原生矿物次生矿物原生矿物：岩浆岩中原有的矿物，在土中的原生矿物碎屑主要有石英、长石和云母。次生矿物：原生矿物经过化学风化后生成的新矿物。它们的性质和特征完全不同于原生矿物，土中的次生矿物主要是粘土矿物如高岭石、蒙脱石、伊利石等。大块碎石类土（碎石、卵石等）常常是由多矿物成分的岩石碎屑所组成。随着分散度的增加（颗粒变细），砂类上的颗粒通常是由比较稳定的原生矿物所组成，其中主要矿物为石英，其次为长石和云母。在电子显微镜下，粘土矿物常呈鳞片状、粒状或针状晶体，其结晶格子的特点是呈层状构造。蒙脱石的层状晶格之间的联系很弱，能吸收大量的水（层间水nH2O）而其晶体格架并不破坏。因此，蒙脱石浸水后体积膨胀甚剧，而干燥失水后又剧烈收缩，所以这种土的工程地质条件较坏；高岭土的层状晶格结合得比较牢固，故呈较大的颗粒。由高岭土形成的粘土层，工程地质条件较好。伊利石的性质及水云母形成的粘土层的工程地质条件则界于两者之间。土的固体成分中还有有机质。它们由生物活动或生物残骸分解形成，其中主要的是泥炭及腐植质。有机质都是亲水的，即容易和水互相作用。有机质的存在，能增强土的吸水性、可塑性、膨胀性、压缩性，降低速水性等。这些性质对工程建筑是不利的。有机质的含量及分散度愈高，对土的性质影响就愈大。土中的水土中水对土的性质影响很大，特别是粘性土。一般土中的水可分为结晶水、结合水和自由水三种。结晶水：它存在于矿物晶格内部，构成矿物的一部分。这种水不移动，只有在较高的温度下才能脱离晶格。如石膏（CaSO3·2H2O）中的结晶水；结合水：水分子是偶极体，就是具有电荷相反的两极。因此，由于静电吸引作用，带有电荷的土粒便能吸引水分，而在颗粒表面形成结合水。根据结合的牢固程度，又可以分为强结合水与弱结合水两种；自由水：这部分水处于静电吸引力以外，它的运动受重力控制，能传递静水压力。自由水位于地下水位以上受到毛细管作用的毛细水；位于地下水位以下的是重力水；自由水是毛细水与重力水的总和。土中的气体土中的气体存在于孔隙未被水所占据的地方。在地下水位以下的土，一般不含或只含少量气体。与大气相通的气体，对土的性质影响不大，在土受压时，能很快逸出。若气体是封闭的气泡，则受压时不易排出，就会增加土的弹性与压缩性，透水性亦减弱。二、土的物理性质指标土是由固体、液体、气体工部分组成，一般称三相组成。土中三相组成的比例关系，反映着土的物理性质：干燥或潮湿、疏松或紧密、流态或固态、稳定或不稳定、承载力的大小等。这三相组成的比例关系就是土的物理性质指标，它对评价土的工程地质性质具有重要意义。物理性质指标容重：是保持天然结构的土的单位体积重量；干容重：指保持天然结构，完全不含水分的土的单位体积重量；饱和容重：是土中孔隙完全被水充满时土的容重。比重：土粒的比重是指土粒的重量与其同体积4℃时水的重量之比；土的比重是计算上的孔隙度、压缩系数的重要指标之一。含水量：是土中水的重量与干上重量之比，一般用百分率表示；土的含水量对土的工程地质性质影响很大，尤其是粘性土。土的孔隙率、孔隙比、饱和度孔隙率（或称孔隙度）：土中的孔隙体积与土的总体积之比；孔隙比：土中孔隙体积与土粒体积之比，常用小数表示；饱和度：主孔隙中水的体积与孔隙体积之比。表示粘土特征的指标液限、塑限和塑性指标由固态转变为可塑状态时的界限含水量；由可塑状态转变为流动状态时的界限含水量；液限与塑限的差为塑性指标。液性指标：确定天然状态时土的软硬程度坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑。土的膨胀：粘土层遇水后，其结构内部常引起向外扩张的趋势，致使体积增加。碎土类土粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50%的土。漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾；三、土的工程地质分类砂类土粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%的土。砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂；粘性土土的粒径很细；按工程地质特征分类：1）老粘性土：指第四纪晚更新世（Q3）及其以前沉积的粘性土，是压缩性低、强度高的稳定土层，良好的建筑物地基；2）一般粘性土：指第四纪全新世（Q4）沉积的粘性土；3）淤泥及淤泥质土：指静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成；4）红粘土：是碳酸盐类岩石在亚热带潮湿气候条件下，经风化后残积、坡积形成的褐红色（也有棕黄、黄褐色）粘土。在我国云、贵、川等省有广泛分布。按塑性指数分类：粘性土按塑性指数可分成粘土、亚粘土、轻亚粘土；第二节潜蚀与流砂潜蚀的形成主要是地下水流在土体中进行溶滤和冲刷作用的结果。如果土体内不含有可溶物质成分，而地下水流仅将细小从大颗粒间的孔隙中带走的这种现象，常称机械潜蚀。潜蚀作用进一步发展，使土洞顶上土体塌落，地表塌陷，形成漏斗地貌。防治方法——是设置反滤层。反滤层是保护渗流出口的有效措施，一般设置在下游坝脚附近。一、潜蚀作用流砂：松散未胶结的砂土层被水饱和后产生流动的现象。在井筒施工过程中，遇到流砂层后，流砂不断涌入井底，随挖随长，轻者增加土方开挖量，延迟成井时间；重者引起地面沉陷、地面建筑破坏、井筒偏斜移位后导致井筒产生裂缝。1．真流砂：砂类土中含有大量的亲水粘土胶体颗粒，这些亲水胶体颗粒与水作用并粘附在砂粒周围，形成一层较厚的薄膜，这样便降低了砂的比重，提高了砂粒的悬浮能力，在不大的水力坡度作用下，即产生悬浮和流动称为其流砂；2．假流砂：由于地下水水力坡度较大，地下水的流速增加，从而冲动了细小颗粒的砂而使之悬浮、流动，称为假流砂。二、流砂因为流砂的形成主要是砂土与水相互作用所致，所以判断流砂的方法应该从砂土本身的性质和水力坡度大小两方面入手。产生流砂的条件：1．容易产生流砂的通常是细砂、粉砂和塑性指数的轻亚粘土；2．砂土孔隙度越大，愈易形成流砂；3．砂土的渗透系数愈小，排水性能愈差时，愈易形成流砂；4.砂土中含有较多的片状矿物，如云母、绿泥石等，易形成流砂；5.水力坡度较大，动水压力大于土粒重量时，能使土粒悬浮，形成流砂。对流沙的治理：1.用抽水方法进行疏降，以减少地下水的水力坡度；2.改变砂土性质，采用冻结法、硅化法等使砂土固结；3.采用特殊方法建井。第三节滑坡及斜坡的稳定性滑坡是斜坡岩石或土体沿某一软弱面或软弱带整体地向下滑动。滑坡一般是缓慢的、长期的、间歇性间歇的，延续时间可有几年、几十年、上百年，甚至时间更长。有的滑坡开始时，很缓慢，但后来滑动速度突然加大，急剧滑落，这种滑坡叫“崩塌性滑坡”。一、滑坡的特征滑坡有其特殊的形态和一定的组成部分；1.滑坡体：斜坡向下滑动的那部分土石体；2.滑动面3.滑动后壁4.滑坡台地5.滑动舌二、滑坡的影响因素1．岩性沉积物和岩石是产生滑坡的物质基础。松散的沉积物尤其是粘土与黄土容易发生滑坡，而坚硬的岩石较难发生滑坡。基岩处的滑坡常和页岩、粘土岩、泥岩、泥灰岩、板岩、千枚岩、片岩等软弱岩石的存在有关。当组成斜坡的岩石性质不一，特别是当上层为松散堆积层，而下部是坚硬岩石时，则沿两者接触面最易产生滑动。2．地质构造滑坡的发生与地质构造关系密切。滑动面往往是构造软弱面，如层面、断层、断层破碎带、节理面、不整合面等。另外，岩石的产状也影响着滑坡的发育。如果岩石向斜坡内部倾斜，斜坡比较稳定；如果岩石的倾斜与斜坡坡向相同，就有利于滑动发育，特别是当倾斜岩石中有含水层存在时，滑坡最易形成。3.地形条件斜坡的高度、坡度和形态影响到斜坡的稳定性。高而陡峻的斜坡较不稳定，因为地形上的有效临空面提供了滑动的空间。是滑坡形成的重要条件。4.气候要素丰富的雨水或融雪水，可润湿斜坡上的土岩，导致滑坡的形成，故雨后常产生滑坡的现象。5.震动、地震、大爆炸和各种机械震动常诱发滑坡，因为地面震动不仅增加了土体下滑力，而且破坏了土体的内部结构。此外，人工切坡，开挖渠道，露采矿坑等人类的工程活动，如设计施工不当，也可破坏斜坡的平衡而引起滑坡。三、滑坡的分类据滑坡的滑动面的特征和岩性组成。覆盖性滑坡粘土性滑坡黄土滑坡碎石土滑坡基岩滑坡顺层滑坡切层滑坡四、滑坡的防治滑坡的预防加强工程地质勘察工作；对于具备滑坡形成条件的边坡或存在古滑坡的地段，不宜选作建筑场地；在施工中，尽量避免大挖大填，不要任意切割坡度，破坏坡角；施工前注意建筑场地的排水各种，防止各种水源的渗入地下；滑坡的治理排水：排除滑坡范围内的地表水和地下水；支挡：修筑挡土墙、设置阻滑桩；减重：将滑坡体上的坡度削缓，增加稳定性；护坡：保护斜坡的坡角；五、岩体结构与岩体稳定性岩体结构由于岩体经受了长期的地质构造运动和不同形式的外力作用，岩体的完整性破坏了，被许多不同性质的结构面切割成各式各样的结构体，构成了不同类型的岩体结构,包括两方面要素：结构面与结构体。1.结构面：岩体中一切分割面均称为结构面。结构面的类型很多，煤矿中常见的有如下三种：1）沉积结构面：这类结构面是沉积岩层在沉积、成岩过程中形成的，包括层理、层面、不整台面、像整合面、原生软弱夹层等。2）构造结构面：受构造应力作用在岩体中所产生的破裂面或破碎带，包括节理、断层、层间错动面等。3）次生结构面：由于岩体受风化、地下水等次生作用形成的结构面为次生结构面，如风化裂隙等。对结构面的研究，主要抓住结构面的物质组成、面的特征、密集程度与延展情况。一个矿区或一个来区有各种类型的结构面，必须依据巷道的位置、结构面与巷道的关系，找出控制性的主要结构面，作为稳定分析的基础。2．结构体：岩体受结构面切割形成不同形状的块体称结构体。煤矿中常见的结构体的形式有块状、菱形、板状、碎块状;也可形成鳞片状、碎屑状等。结构体形式的划分与岩体稳定评价很有关系，三方面的因素：①不同形式的结构体，稳定程度不同。板状结构体比块状的差，碎块状比板状差，而鳞片状、碎屑状最不稳定；②结构体的产状不同，稳定程度不同。③结构体在巷道岩体中的受力方向，对稳定性亦有很大影响。3.岩体结构类型：工程实践经验表明，大部分岩体在外力作用下的破坏过程，主要是结构体沿结构面的剪切滑移、拉开，以及整体的累积变形而破坏。所以，岩体的稳定性主要取决于结构面的性质和结构体的立体形式。不同的结构面和结构体的立体形式组成了各种岩体结构，不同的岩体结构其稳定性亦不相同。岩石的力学性质岩石的抗压强度——岩石在垂直压力作用下抵抗破坏的能力。岩石抗压强度与岩石性质有如下规律：1．岩石的抗压强度越高，坚固性越好；2．干燥的岩石抗压强度高，饱和的岩石常由于软化，因而抗压强度较低；3．岩石天然容重越小，岩石的抗压强度越低，这说明孔隙对岩石强度的影响；4．新鲜岩石抗压强度高，风化岩石抗压强度低；5．压力垂直层理或片理的抗压强度高，平行层理或片理的低；6．无裂隙的岩石抗压强度高，裂隙发育的岩石抗压强度低。岩石的抗剪强度——岩石抵抗剪切破坏的最大能力；岩石的抗拉强度岩石的抗折强度岩体稳定性岩体稳定性——研究岩体在应力作用下的变形破坏特性，即研究力和介质相互作用结果。岩石的裂隙性岩石裂隙破坏了岩石的整体性，降低岩石的力学强度和稳定性，增加了透水性，对地下工程影响较大，必须注意研究；对裂隙的研究主要包括裂隙发育程度、分布规律、主要裂隙系统的产状、裂隙的大小和性质