矿井地质5_工程地质

第五章井巷工程地质,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。工程地质问题是与人类工程活动引起的边坡滑动、地基沉陷、岩体移动，以及井巷开裂、片帮、冒顶和膨胀等工程现象有关的地质问题。工程地质学研究与工程建筑有关的地质条件，岩土工程地质性质，岩体的工程地质力学特征和工程动力地质作用等内容；它是一门介于工程建筑学和地质学之间的应用性边缘学科，广泛应用于水利、港口、铁路、矿业和建筑等部门。,第五章井巷工程地质,一、岩体工程地质性质二、岩体稳定性评价三、矿井动力地质问题,一、岩体工程地质性质,岩体工程地质性质包括岩石物理性质、力学性质、结构特征等内容，是工程地质研究的基础。采掘工程设计与施工（井巷、硐室、采场）综采设备选型顶板支护水、火、瓦斯灾害治理工业广场建筑物设计与施工,（一）岩石物理力学性质1、岩石的物理性质(1)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。,(2)孔隙度岩石中孔隙的体积与岩石的总体积之比。(3)吸水性吸水率：普通大气压下，岩石吸收水分的重量与干燥岩石重量之比。饱和吸水率：高压(15MPa)下，岩石吸收水分的重量与干燥岩石重量之比。饱水系数：吸水率与饱和吸水率之比。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0.50.8。,(4)软化系数饱水岩石试样的抗压强度与干燥岩石试样的抗压强度之比。岩石软化性取决于岩石的碎屑成分、胶结物成分、孔隙度和风化程度。,(5)膨胀率人工制备的烘干土，在水中增加的体积与原体积之比。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。(6)耐冻性浸水饱和，在25下冷冻，冻后融化，反复1015次，观察是否出现裂缝、片落、脱角和其他破坏现象。,(7)碎胀系数（K）岩石破碎膨胀后的体积与破碎前岩石处于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。,2、岩石的力学性质(1)抗压强度岩石所能承受的最大压应力，单位：MPa(2)抗剪强度岩石所能承受的最大剪应力，单位：MPa(3)抗拉强度岩石所能承受的最大拉应力，单位：MPa,(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)(5)弹性模量和泊松比弹性模量是岩石应力与应变之比(E/)。泊松比是岩块横向应变与纵向应变之比。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，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1/51/20)。,（二）岩石的结构特性岩体由多种岩石类型组成，形成不同的岩石组合；岩体被各种结构面切割，形成不同形状大小的结构体，并组合成不同类型的岩体结构。天然岩体与完整岩石的工程地质性质存在很大的差异。1、工程地质岩组划分从工程稳定性观点研究岩体的岩石组合，称为工程地质岩石组合，简称工程地质岩组。,划分岩组的依据：(1)岩石的成因类型和岩性岩相变化沉积岩体的特征是具有层状构造，在垂直和水平方向上的工程地质性质变化较大，常含有层理、软弱夹层和沉积间断面等软弱结构面，因此沉积岩体的工程地质性质差异很大。沉积岩体包括：火山碎屑岩、碎屑岩、粘土岩和生物化学岩。,(2)岩石的成层条件和厚度变化一般情况下，层理越发育，层厚越薄的岩层稳定性越差，反之，稳定性越好。(3)岩层的构造破坏和风化情况在断层破碎带、节理发育带、层间滑动带和褶皱扭曲带，由于岩体破碎，地下水侵蚀，岩体强度显著降低，稳定性很差。风化作用可使岩体强度明显降低，稳定性变差。煤矿生产中根据施工要求分为：硬质岩组、软质岩组、构造岩组、风化岩组等基本类型。,2、岩体结构及其类型岩体结构要素包括结构面和结构体。结构面和结构体的组合类型称为岩体结构类型。(1)结构面结构面是指岩体中的一切分割面。它是岩体中相对薄弱的部位，决定着岩体的不连续性和不均一性，控制着岩体的稳定性。,煤矿中常见的结构面：沉积结构面：沉积岩层在其沉积和成岩过程中所形成的界面，如层面、层理面、假整合面、局部冲蚀面、成岩裂隙和原生软弱夹层等。构造结构面：在构造应力作用下，岩体中产生的破裂面或破碎带，如节理、劈理、断层、层间滑动面和层间破碎夹层等。次生结构面：岩体受风化和地下水等次生作用所形成的结构面，如风化裂隙、卸荷裂隙和软化或泥化夹层等。,(2)结构体不同产状的结构面，将岩体切割成不同形状的岩石、单元块体。煤矿中常见的结构体有：柱状、块状、板状、楔形、锥形、菱形等。(3)岩体结构类型表3-2岩体结构类型及特征,表3-2岩体结构类型及特征,二、岩体稳定性评价,（一）影响岩体稳定性的地质因素1、围岩性质围岩是指井巷周围一定范围内对工程稳定性产生影响的那一部分岩体。岩体的变形与破坏与组成岩体的岩石性质有密切关系。成分单一的砂岩、砾岩组成的岩体，强度大，稳定性好；含软弱粘土岩夹层的岩体，遇水可能产生膨胀遇滑动，容易引起巷道的变形破坏；风化岩体结构疏松、强度低、透水性强，开拓时容易沉陷、崩塌、溃水涌砂。,2、地质构造构造变动轻微的缓倾斜岩体，整体强度较高，稳定性好，巷道侧压小于垂直压力。构造变动强烈的陡倾、直立甚至倒转的岩体，内部结构往往破碎，整体强度低，巷道侧压大于垂直压力，巷道易坍塌滑移、片帮冒顶，稳定性差。节理发育带、断层破碎带、沿软弱夹层的层间滑动带、褶皱轴部，巷道压力大，岩体稳定性差。（教材图3-2、3-3）,淮北岱河矿断层带重大冒顶事故,教材图3-2,教材图3-3,围岩被小断层切割成破碎体,3、地下水地下水明显地改变着岩体的工程地质性质，严重地影响岩体的稳定性。地下水对软弱岩层和泥质充填的结构面起软化和泥化作用，引起某些岩石的膨胀、崩解和溶蚀，使围岩失稳。渗流动水压力可造成软弱结构面及软弱岩层的渗透变形，并使围岩受力不均，导致应力集中。渗流静水压力对滑动岩体的浮托与侧压，可引起岩体的滑动破坏。具有侵蚀性的地下水，对围岩和支护材料有腐蚀作用。,4、岩体结构岩体受力后，其变形和破坏的可能性、大小和规模，均受岩体结构控制。实践证明，散体结构最不稳定，碎裂结构和层状碎裂结构稳定性差，层状结构基本稳定，块状结构稳定性好。（图3-4、3-5、3-6）,单一结构面稳定性分析,教材图3-4、3-5、3-6,（二）岩体稳定性的定量评价1、岩体的完整性即岩体的开裂或破碎程度，他反映不同成因、不同规模、不同性质的结构面在岩体中的发育情况。评价指标：岩体中结构面的统计岩体完整性系数岩体质量指标（RQD）,评价指标：岩体中结构面的统计：单位长度（面积、体积）中结构面的条数，或结构面在单位面积（单位体积）中的所占的面积（体积）百分比。岩体完整性系数：I值越大，岩体越完整。岩体质量指标（RQD）：很好：RQD90100；良好：RQD7590；一般：RQD5075；差：RQD2550；极差：RQD025。,2、结构面的抗剪性即结构面对剪切运动的阻抗能力，受结构面的连续性、平整程度、光滑粗糙性质、张开或闭合状态、充填胶结情况、地下水的赋存和渗透压力等因素影响。一般以结构面的抗剪强度或摩擦系数f表示：f=tan（结构面的内摩擦角）3、岩块的坚固性以坚固性系数S（饱水岩石单轴抗压强度R的百分之一）表示。,4、岩体质量系数（Z）岩体质量系数（Z）为评价各类结构岩体质量的综合指标，以岩体完整性系数I、结构面摩擦系数F和岩块坚固性系数S三者的乘积表示：ZIFS极好：Z4.5；好：Z=4.52.5；一般：Z=2.50.3；差：Z=0.30.1；极差：Z0.1。,（三）岩体工程地质分类目前国内围岩分类方法很多，国家标准有三种围岩分类：锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB50086-2001)、工程岩体分级标准(GB50218-94)和地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范(GB50307-99)。另外，水电系统、铁路系统和公路系统均有自己的围岩分类。各种分类方法各有特点，各有用途，使用时应注意与设计采用的标准相一致。煤炭系统可参照武汉煤矿设计院提出的煤矿巷道、硐室围岩工程地质分类。,三、矿井动力地质问题,矿井动力地质问题是指由采掘活动诱发的动力地质现象，如冲击地压、矿震、岩爆、煤与瓦斯突出和突水等。矿井动力地质现象发生的强度和频度与区域稳定性和地壳表层岩体的应力状况密切相关。处于活动构造带内的矿区，不仅地震活动频繁，而且井下冲击地压、矿震、煤与瓦斯突出和突水等现象都远比一般矿区严重。,（一）区域稳定性区域稳定性是指工程建设地区现今地壳的总体稳定程度。活动构造是指现今正在活动的或第四纪以来继续活动的构造。活动构造研究的主要内容是鉴别与研究活动断层和活动构造体系，测量和分析现代构造应力场，并以此为基础，对区域稳定性做出综合评价和预测。,（二）地应力地壳天然应力状态是指未经人类工程扰动的地壳应力状态，通常称为天然应力或初始应力，在岩石力学中称为原岩应力或地应力。地应力主要是在重力场和构造应力场综合作用下产生的，有时也受地壳中的物理化学作用和岩浆活动的影响。,1、自重应力由重力场产生的应力。当地表近水平时，岩体内某点的垂直正应力v（最大主应力）和水平正应力h（最小主应力）为：vZ,大多数坚硬岩体0.20.3，N0=0.250.45；软弱岩体，如泥岩、页岩等，本身较大，加上覆岩长期荷载作用，岩石的蠕变，N0接近于1。,2、构造应力构造应力是由地壳运动在岩体内产生的应力。它包括现今地壳活动产生的现代地应力，以及古构造运动残留的古构造应力。构造应力的特点：（1）大多数地区地壳天然应力状态，最大主应力为水平应力。（2）垂直应力和水平应力均随深度的增加而增大。（3）地表沟谷、地下洞穴和断裂附近，由于应力重分布而导致应力集中，天然应力状态更加复杂。,地应力的研究意义：一方面，区域应力状态研究是较大工程建设场地稳定性评价之基础；另一方面，由于局部应力集中是工程建筑破坏的重要原因，因此，选择工程建设场地应避开应力集中区，或采用有利于稳定的布置方式。,地应力的应用：巷道的布置：巷道轴线应与最大主应力方向平行，或交角为：45/2。,（三）矿井地压矿井地压即矿山压力，简称矿压。由于井巷开挖，矿层采动引起初始应力状态改变、应力重新分布，而导致围岩变形和破坏的现象。诸如井巷围岩的开裂、塌落、滑移、膨胀和蠕变，采场顶板的下沉和冒落，煤壁的片帮（侧壁坍塌）和掉块，底板的隆起和冲溃，以及煤、岩、水、瓦斯的突出、涌出和冲击等。通常分为井巷地压、采场地压和冲击地压。,1、井巷地压井巷地压以井巷围岩的变形和破碎表现出来。前者称为变形地压，以围岩变形量的大小来衡量；后者称为破碎地压，以冒落岩块的重量和井巷四周破碎带的宽度来衡量。围岩变形和破碎最大的方向为来压的方向。自上而下作用于巷顶的称顶压；来自巷道两帮围岩的压力称侧压；自下而上作用于巷道底板的压力称底压。,巷道掘进后的底板隆起,教材图3-9,淮北涡北矿井下巷道变形素描,井巷地压的大小，主要决定于：围岩：物理力学性质和岩体结构特征地应力：自重应力和构造应力的大小地质构造的发育和展布情况地下水的赋存和水压大小等。减小井巷地压的最好办法是选择工程地质良好的层位布置巷道。,2、采场地压表现为回采工作面顶板的沉陷、破碎及冒落、片帮、底鼓等变形和破坏。重点是顶板的变形与破坏。（1）煤层顶板的类型及采动后活动规律按顶板岩层的组合层序和采动特征，可分为如下三类：伪顶直接顶老顶,伪顶指直接位于煤层之上，极易垮落的极薄岩层。通常是强度极低的炭质页岩，厚度0.10.5m，随采随落。直接顶位于伪顶之上，若无伪顶侧直接位于煤层之上，通常由泥质岩、粉砂岩等组成，厚度不等，一般随支柱的搬出而垮落。老顶位于直接顶之上，若缺直接顶时，也可直接位于煤层之上，由厚而坚硬的岩层组成。老顶可在采空区维持很大的悬露面积而不垮落，一般为砂岩、砾岩和石灰岩。,煤层顶底板的组合形式,教材图3-10,采场应力分布：,在工作面推进时，直接顶跨度不断增加，达到极限则开始垮落，称为初次垮落，垮落时的间距称为初次垮落步距。冒落的直接顶不能填满采空区，老顶悬空，这是工作面煤壁上所承受的支撑压力，随老顶跨度增加而增大，达到极限时断裂，工作面下沉速度、下沉量急剧增大，呈普遍来压现象，称为（老顶）初次来压；产生初次来压时采空区的长度（从切开眼至工作面的距离）称为初次来压步距。,老顶冒落后，岩石压力得到释放，煤壁和支架的支撑压力降低。当工作面继续推进时，压力再次逐渐加大，直至达到极限断裂，再次出现普遍来压现象，周而复始，称为周期性来压；相应的，两次周期来压工作面的推进距离称为周期来压步距。,（2）采场上覆岩层的移动煤层开采后，采空区上方的岩层呈现出分带性的岩石移动。自下而上形成三个不同的破坏带，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒落带煤层采出后，由于顶板岩层的平衡状态遭到破坏，从而导致顶板垮落，形成冒落带。冒落带的高度主要决定于煤层厚度、倾角和顶板岩石的碎胀系数。,裂隙带位于冒落带上方。由于顶板垮落，上覆岩层下沉而受到拉张，产生许多张性裂隙。裂隙带的高度一般为冒落带高度的23倍。弯曲下沉带位于裂隙带上方。由于远离采空区，岩层仅产生缓慢下沉，一般裂隙稀少，且互不沟通。,顶板岩层移动分带,教材图3-11,研究采场上覆岩层三带岩移特征，分析采动影响的范围和程度，对于进行三下采煤（水体、建筑物和铁路下采煤的简称），布置井上下工程设施，地面居民点的迁移，以及确定矿井水