矿井工程地质(课件)

矿井工程地质2016年11月2020/3/72主要内容：1.岩石的工程地质性质2.岩体的工程地质特征3.岩体稳定性评价与分级4.井巷工程地质2020/3/73前言•概念•煤矿出现的工程事故中，大约49％以上都与工程地质问题有关。•井巷工程地质是调查、研究、解决与煤矿安全生产有关的工程地质条件的地质工作。•任务•主要研究岩体、岩石的物理力学性质，井巷与硐室的围岩稳定性及回采工作面煤层顶板稳定性的评价方法等。2020/3/74•1.1岩石的物理性质•1．岩石的密度、容重•真密度：岩石固体部分单位体积的质量。•视密度：岩石单位体积的质量，又称密度。•容重：岩石单位体积的重量（含孔隙）：朱集西矿透北14-5孔8煤~13煤层几种岩石视密度1.岩石的工程地质性质岩石种类中粒砂岩细砂岩粉砂岩泥岩11-2煤容重（kg/m3）26522626259826311430VW2020/3/751.岩石的工程地质性质•1.1岩石的物理性质•2.岩石的孔隙率•孔隙率是指岩石的孔隙体积与岩石总体积之比，用百分数表示。岩石孔隙中与大气连通的叫开孔隙，与大气不连通的叫闭孔隙。•在实际工作中，常用裂隙所占面积与岩石总面积之比来表示岩石裂隙率，这种表示方法称为面积裂隙率:VVnn1.岩石的工程地质性质•1.2岩石的水理性质•3．岩石的吸水性•（1）吸水率指岩石在通常的大气压力下吸入水的重量与岩石干重量之比。•（2）饱和吸水率岩石在一定的高压条件下（15Mpa）或在真空条件下吸水重量与岩石干重之比。•（3）饱水系数吸水率与饱和吸水率之比值，称为饱水系数。岩石的吸水能力越强，说明岩石的微裂隙越发育，岩石的强度也越低，稳定性越差。岩石的饱水系数一般为0.5～0.8。2020/3/761.岩石的工程地质性质•1.2岩石的水理性质•几种岩石的吸水性指标值1.岩石的工程地质性质1.2岩石的水理性质4．岩石的透水性在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，在压力作用下，地下水可以在岩石中渗透,岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。1.岩石的工程地质性质含/隔水层名称底板埋深(m)/钻孔号厚度(m)单位涌水量q(l/s.m)渗透系数k(m/d)赋水性一含17.25~38.70较强二含56.05~78.156.90~41.553.589~3.07111.437~9.105较强三含281.20~417.970.274~1.002中等～较强四含312.55~540.355.70~100.300.00324l0.04537较弱～中等13-1煤40-3孔4.0~27.740.0000210.000047弱11-2煤36-1孔3.5~23.00.0000050.000011弱8煤43-1孔1.0~26.00.000060.00015弱太灰1-4灰43-2孔18~210小~中等奥灰潘北水四53.81~96.780.585中等奥灰潘二五1152.670.200中等朱集西煤矿含水层水文地质特征1.岩石的工程地质性质•1.2岩石的水理性质•5．岩石的软化性•岩石浸在水中后，强度降低的性能称为岩石软化性。它一般用软化系数(浸水后岩石的抗压强度与浸水前抗压强度之比值)来表示：•岩石的软化性与岩石的孔隙、矿物成分、胶结物和风化程度有关，含有大量粘土物质的岩石，都易软化，浸水后抗压强度降低。•一般认为，岩石软化系数大于0．75时，属岩石的软化性弱，工程地质性质较好；小于0．75时，则属易软化的岩石，岩石软化性较强，工程地质性质较差。ccwRK2020/3/7111.岩石的工程地质性质•1.2岩石的水理性质•6．岩石的膨胀性•部分粘土岩（泥岩）受水浸湿后体积发生膨胀的性质。岩石（土）的膨胀性取决于粘土矿物（蒙脱石、高岭石、水云母等）的成分和含量。1.岩石的工程地质性质•1.2岩石的水理性质•7.碎胀系数（K）•岩石破碎膨胀后的体积与破碎前整体状态下的体积之比。•残余碎胀系数（K′）：破碎岩石压实后的体积与破碎前岩石处于整体状态下的体积之比。2020/3/7131.岩石的工程地质性质1.3岩石的力学性质•1．岩石的变形特性•岩石是标准的弹塑性体，即瞬时高压作用下表现为弹脆性体，而长期慢施高压下表现为塑性体，其变形可分为4个阶段。•（1）微裂隙压密阶段（OA）•（2）弹性变形阶段（AB）•（3）裂隙发展和破坏阶段（BC）（塑性阶段）•（4）峰值后阶段δε屈服点ACBO1.岩石的工程地质性质弹塑性变形--褶皱弹脆性变形--断层1.岩石的工程地质性质•1.3岩石的力学性质•2．岩石的变形特性指标•（1）弹性模量（有人认为岩石是准弹性体）单轴压缩条件下，轴向压变力与轴向应变之比：•（2）泊松比•单轴压缩条件下，横向应变与纵（轴）向应变之比：eEyx岩石种类E（104MPa）μ花岗岩2.9823-6.10870.17-0.36细砂岩2.7900-4.76220.15-0.52中砂岩2.5782-4.03080.10-0.22石英岩1.7946-6.93740.12-0.27粗砂岩1.6642-4.03060.10-0.45页岩1.2503-4.11790.09-0.35大理岩0.9620-7.48270.06-0.35炭质砂岩0.5482-2.07810.08-0.25泥灰岩0.3658-0.73160.30-0.40石膏0.1157-0.76980.30岩石的弹性模量E和泊松比μ的值1.岩石的工程地质性质•1.3岩石的力学性质•3．岩石的强度---岩石抵抗外力破坏的能力。•强度分抗压，抗拉和抗剪强度三类，对岩石而言，•抗压强度＞抗剪强度＞抗拉强度1.岩石的工程地质性质•1.3岩石的力学性质•3．岩石的强度•（1）抗压强度•岩石抵抗单向压力作用不被破坏所能承受的最大压力。•岩石的抗压强度取决于岩石的矿物成分、结构、构造、孔隙度和风化度。同种岩石，压力垂直层理或片理的抗压强度高，压力平行层理或片理的抗压强度低。新鲜岩石抗压强度高，风化岩石抗压强度低。无裂隙的岩石抗压强度高，裂隙发育的抗压强度低。岩石的抗压强度越高，坚固性越好。干燥的岩石抗压强度高，饱和的岩石软化后，抗压强度降低。岩石密度越大，抗压强度高。1.岩石的工程地质性质•1.3岩石的力学性质•3．岩石的强度•（2）抗剪强度岩石抵抗剪切破坏所能承受的最大剪应力，称为抗剪强度。岩石的抗剪强度由内摩擦力和内聚力组成。•（3）抗拉强度岩石抵抗单向拉伸的能力称为岩石抗拉强度。根据经验确定，平均抗拉强度是抗压强度3—5％。1.岩石的工程地质性质2020/3/7211.岩石的工程地质性质1.3岩石的力学性质4.坚固性普氏硬度系数：fkp=R/10(R——岩石单轴抗压强度，单位MPa)岩体是一种极其复杂的各向异性的非连续介质，岩石(块)的物理力学性质不能代表岩体的物理力学性质。就强度而言，由于岩体中存在裂隙、层理和弱面（结构面），岩体的强度比岩石的强度小得多(一般认为岩体强度只有岩石强度的1/5～1/20)。1.岩石的工程地质性质•1.4岩石的蠕变•应力δ不变的情况下，岩石的变形（或应变ε）随时间增大的现象，是岩层中形成褶皱构造的根本原因，结构越松软的岩石蠕变的量越大，可能性越高，如100kg/cm2应力下：ε页岩ε砂岩ε花岗岩岩石蠕变形成的香肠状构造1.岩石的工程地质性质•1.5围岩的变形•围岩变形受影响的因素较多，前苏联科学家研究得出围岩变形公式，即围岩变形系数等于岩石所受自重应力与岩石自身的抗压强度的比值：•变形系数γ=σ1/P•γ0.6，则围岩变形强烈；•0.3γ0.6，则围岩出现变形，系数越大，变形越大；•γ0.3，则围岩变形不明显或不变形。2020/3/7242.岩体的工程地质特征什么叫岩体：岩体是工程影响范围内的地质体，由处于一定应力状态的被各种结构面所切割的岩石组成。在各种类型各种规模的地质构造作用下，完整的岩石被切割成支离破碎的小块，所以同体积下的完整岩石与破碎岩石力学性质肯定是不同的，在井巷工程施工中，不能完全以岩石的力学性质来界定其工程地质性质。而这种影响到施工安全稳定性的，受各类结构面切割的破碎岩块就是岩体。2020/3/7252.岩体的工程地质特征2.1岩体结构面类型•指切割岩石的所有地质界面，如岩层面、断层面、节理面等。依据结构面成因将其分为三种类型。•1．原生结构面：与岩石同时形成，如层面、片理，收缩裂隙。•2．次生结构面：岩石形成后叠加形成的，节理面，断层面等。•3．软弱结构面：也叫软弱夹层，是一类特殊的结构面，特指岩体中具有一定厚度的结构面。它可以是原生的，也可以是次生的，工程地质勘察中应予以特别重视。如砂岩中的泥岩夹层，花岗岩中的裂隙风化带等。原生结构面——层面次生结构面——裂隙构造结构面—断层软弱结构面——夹层2020/3/7292.岩体的工程地质特征2.2岩体结构类型1．结构体形式依据岩石碎块的面、角特点可分为五种：（1）锥形：即由4个面构成的岩石块，类似于4面体。2020/3/7302.岩体的工程地质特征2.2岩体结构类型1．结构体形式（2）楔形：具有5个面的岩石块，类似于楔形，有一个面角远小于其余各面角的特点。2.岩体的工程地质特征•2.2岩体结构类型1．结构体形式（3）菱形：具有6个面的岩石块，类似棱形，各面角夹角大小不一。2.岩体的工程地质特征•2.2岩体结构类型•1．结构体形式•（4）方形：具有6个面的岩石块，但各面角均近似于90°。原生结构面——玄武岩柱状节理（岩浆岩方形结构体）2.岩体的工程地质特征•2.2岩体结构类型•1．结构体形式•（5）聚合形：多于6个面的岩石块上述结构体形式的稳定程度是：•聚合形菱形方形楔形锥形2.岩体的工程地质特征•2.2岩体结构类型•2．岩体结构类型•特指工程范围内由结构面围限起来的结构体的组合形式，依据岩石类型、结构面性质和结构体形式可将岩体结构分为6种类型：•（1）整体结构：即完整岩体，强度高、力学性质稳定。•（2）块状结构：整体强度高、块度均匀，与完整岩体相近。（如西轨、西矸迎头灰白色中厚层~块状砂岩，厚度大，整体强度高，裂隙发育较少，稳定性较好。）2.岩体的工程地质特征•2．岩体结构类型•（3）镶嵌结构：块度具有显著两分性，硬岩中有夹层，但整体强度仍较高。•（4）碎裂结构：岩石完整性差，强度受地质构造控制。•（5）层状结构：是沉积岩或变质沉积岩具有的结构，受层内软弱夹层或层间层面特点控制。•（6）散体结构：指相对于工程规模岩块块度小，细颗粒较多接近松散介质的岩体结构，一般是工程清挖的对象。碎裂结构层状结构2020/3/7403.岩体稳定性评价与分级1、什么叫围岩？围岩即指各种地下工程周围对工程有影响的那一部分岩体。2、什么叫围岩稳定性？岩体的稳定性是指在一定时间内，在一定的工程载荷条件下，岩体不产生破坏性的压缩变形、剪切滑移和拉张开裂的性质。2020/3/7413.岩体稳定性评价与分级3.1影响围岩稳定性的地质因素•1.岩石性质•岩石的矿物组成、岩层厚度不同，岩体稳定性不同。成分单一的砂岩、砾岩组成的岩体，强度大、稳定性好；含有软弱粘土岩夹层的岩体，遇水可能产生膨胀与滑动，导致其中的巷道变形破坏。2020/3/7423.岩体稳定性评价与分级3.1影响围岩稳定性的地质因素•2.地质构造•地质构造是岩体失稳的重要地质因素。构造变动轻微的缓倾岩体，整体强度较高，稳定性较好，巷道侧压小于垂直压力；构造变动强烈的陡倾、直立和倒转岩体，内部结构往往破碎，整体强度降低，巷道侧压大于垂直压力，巷道易坍塌滑移，片帮冒顶，稳定性较差；节理发育地带、断层破碎带、沿软弱夹层的层间滑动带、褶曲轴部等，岩体的稳定性均差，巷道压力大。现代地壳运动所表现出来的地震和地应力，常是岩体失稳的重要因素