井巷工程地质

第六章井巷工程地质,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。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。,第一节岩石的工程地质性质,岩石的工程地质主要是研究组成岩石的矿物颗粒联结方式，岩石的风化程度，岩石被断层和节理切割后的破碎情况，以及岩层的连续性等。一、岩石的物理性质指标（一）岩石的密度与相对密度1岩石的密度是指单位体积岩石的质量，分颗粒密度和块体密度。颗粒密度是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值；块体密度是指岩块单位体积的质量。2相对密度指岩石的固相部分的重量与同体积的4水的重量比值。,（二）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。（三）岩石的水理性质1岩石的吸水性岩石能吸收水的性质（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燥重量之比。（2）饱和吸水率指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。吸水率与饱和吸水率之比值，称为饱和系数。岩石的饱和系数可作为岩石抗冻性的间接指标，饱和系数愈大，岩石抗冻性愈差。,2岩石的透水性指岩石允许水透过的能力，用渗透系数表示。3岩石的软化性岩石浸在水中后，致使其内部联系削弱，强度降低的性能称为岩石软化性。它一般用软化系数(指浸水后岩石的抗压强度与浸水前的抗压强度之比值)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，岩石软化系数小于075时，属易软化的岩石；大于075时，则属不易软化的岩石。4岩石的膨胀性部分粘土岩受水浸湿后体积发生膨胀的性质。主要取决于岩石中矿物成分类型和含量，蒙脱石能吸收8倍体积的水并使其体积膨胀1030倍，其次是水云母，最次是高岭石。岩石的膨胀性表示度量单位有体积膨胀率（Fs）、线膨胀率（Fh）、膨胀力（pp）等。,5.岩石的可溶性岩石被水溶解的性质。6岩石的抗冻性岩石抵抗冰融破坏的能力。常用强度损失率和质量损失率表示。强度损失率：冰融前后岩石抗压强度差值与冰融前抗压强度的比值。质量损失率：冰融前后干试样的质量差与冰融前质量的比值。一般认为，岩石强度损失率小于25或质量损失率小于2的岩石为抗冻性好。,二、岩石的力学性质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。细结晶岩石比粗结晶岩石的抗压强度高。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。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岩石的抗拉强度与抗弯强度岩石抵抗单向拉伸的能力称为岩石抗拉强度。岩石在受弯状态下所能承受的最大张应力或压应力，称为岩石抗弯强度。根据经验确定，平均抗拉强度是抗压强度35。,三、岩石的强度特性1)脆性破坏岩石在荷载作用下没有明显的变形就突然破坏，称为脆性破坏。在多数情况下，岩石表现为脆性破坏。如岩层表面的张裂、坑道顶板的崩落，一般均属于这种脆性破坏。2)塑性破坏岩石受力后至破坏前变形较大，没有明显的屈服点，表现出较大的塑性，称为塑性破坏。如坑道软弱岩石的缩径和底隆起等3)岩体软弱面的剪切破坏岩体中存在层理、节理、裂隙或断层时，在荷载作用下，结构面上的剪应力超过其抗剪强度时，岩体即发生软弱面剪切破坏。,第二节岩体工程地质性质,岩体和岩石的物理力学性质，在物理含义及内容上都基本相同。认为岩石是连续的，均匀的各向同性介质。岩体的性质不仅取决组成岩体的岩石性质，而且与岩体的结构情况有直接关系。岩体是非均质的、各向异性的、多裂隙的、处于一定应力状态的岩石综合体。岩样的物理力学性质不能代表岩体物理力学性质，在分析地基稳定性、边坡稳定性及井巷工程围岩稳定性时，必须把岩石力学性质的研究和对整个岩体稳定性评价结合起来分析。研究岩体性质，应以研究岩体结构面和结构体为重点。,一、岩体的结构面（一）结构面分类结构面是在地质作用下形成的，存在于岩体内的各种具有一定方向、延展较大、厚度较小的一切分割的地质介面，如层面、层理面、断裂、节理、劈理等。这些结构面本身就是岩石内部力学性质的薄弱面，而且容易成为地下水活动的通道，由于地下水和风化等作用，使岩石变的松软，因而对岩体稳定性有显著影响。结构面按照成因可以分成三类：原生结构面、构造结构面、次生结构面。,（二）结构面特征结构面产状、连续性、结构面发育密集程度、结构面形态、张开度、结构面充填胶结特征等直接影响岩石抵抗破坏的能力，即岩体的稳定性。（三）软弱夹层岩体中夹有的软弱夹层也是岩体内力学性质最为薄弱的地方，容易沿之产生破坏，本身也是岩体内的结构面。,二、岩体的结构体类型及特征结构体是指由不同产状的结构面，将岩体切割成岩石单元块体。即结构面结构体岩体。结构体的基本形式分为柱状、块状，板状，楔形、锥形、菱形等六种。此外，由于岩体的强烈变形和破碎，也可形成片状、碎块状、鳞片状，碎屑状等形式。在岩体稳定性的评价中，结构体的形式很重要。如板状较块状稳定性差；楔形比菱形和锥形结构体的稳定性差。同时，稳定性与结构体产状也有关系，如板状结构体的稳定程度随其倾角不同而变化。,第三节围岩稳定性评价,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。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。一、影响围岩稳定性的地质因素从岩体本身而言，对其稳定性有影响的地质因素有：岩石性质、岩体结构、地质构造及地下水等。,（一）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。（二）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。,（三）岩体结构岩体受力后，其变形破坏的可能性、方式及规模，均受岩体结构的控制。实践表明：散体结构最不稳定；碎裂结构及层状碎裂结构稳定性差；层状结构基本稳定；块状结构稳定性较好。（四）地下水岩体内部的地下水在很大程度上改变着岩体的工程地质特性。地下水对软质岩石及为泥质物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，使围岩变形和失稳；渗流动水压力可造成软弱结构面及软弱岩体的渗透变形，由于围岩受力不均，导致应力集中；渗流静水压力，对滑动岩体的浮托和侧压，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。（五）风化作用风化岩体因结构疏松，强度降低，透水性强，因而开凿在风化岩体中的巷道容易沉陷、崩坍、片帮及掉块。,二、岩体稳定性评价方法（一）定性分析法1工程地质类比法2工程地质分析法（二）定量分析法1极限平衡法2力学解析法3数值计算法（三）试验分析法,三、围岩质量指标1.岩体完整性（I）即岩体的开裂或破碎程度。常以结构面统计、完整性系数和RQD表示。常用弹性波法测定岩体的完整性系数，即以原位岩体的纵波速度（Vm）与岩石试件的纵波速度（Vr）的平方比表示。I=Vm2/Vr2RQD指标是以钻孔的单位长度中大于10cm的岩芯所占的比例表示。RQD=10cm的岩芯累计长度/钻孔深度100RQD=（Vm2/Vr2）100,2.结构面的抗剪性表示结构面对剪切运动的阻抗能力，一般以结构面的抗剪强度或摩擦系数（f=tan）来表示。3.岩块的坚强性坚强性是指岩块对变形的抵抗能力，一般以岩石单向抗压强度（R）的百分之一表示。S=R/100岩体质量系数（Z）=IfS,岩体质量分级质量等级岩体质量系数（Z）特好4.5好4.5-2.5一般2.5-0.3坏0.3-0.1极坏0.1,三、岩体的工程地质类型武汉煤矿设计研究院拟定的煤矿巷道、硐室围岩工程地质分类方案，将岩体稳定性分为五类:类：稳定。单一岩性，均质块状火成岩、变质岩、巨厚层状沉积岩。类：稳定性较好。单一岩性，厚层状沉积岩，某些粗粒或斑状火成岩。类：中等稳定。岩性坚脆、节理发育的岩石，中厚层状为主的多韵律沉积岩，岩石强度变化大；层理、片理明显，有层间滑动。类：稳定性较差。以薄层为主的多韵律沉积岩层，煤系地层；受强烈褶皱、断层影响的陡倾或近直立岩层，层理、片理、劈理、层间滑动明显。类：不稳定。岩性复杂多样，构造变动强烈，断裂发育，以及严重的风化带，各级结构面发育，各种软质的粘土岩及遇水膨胀软化变形的岩层。,第四节煤矿井巷工程地质,一、地壳岩石的天然应力状态岩体未经人为破坏的原始应力状态主要是上覆岩体的自重作用和构造应力的平衡状态。（一）自重应力1为垂直正应力，2、3为水平正应力，当岩层为各向均质时，231z；23=上覆岩层的平均密度；z该点的深度；岩体的泊松比。,根据测定，如果岩石平均密度以2.5g/cm3计，自地表向下每延伸1km，1将增加0.025Mpa。井巷硐室是具有一定断面规格的，所以，其垂直剖面上各点的原始应力大小是不同的，即硐室在岩体中是处于一种非均匀的初始应力场中，但是，根据圣维南原理，由开挖硐室引起的应力重大变化主要局限在硐室周围一定范围内，此范围相当于硐室横剖面中最大尺寸的35倍，习惯上将此范围内的岩体称为硐室的围岩。为简化应力计算，将此范围内岩体的原始应力状态看作与硐室中心点是一样的，从而可以按照上式的均匀应力场进行计算。,（二）构造应力构造应力主要表现为水平压应力，在处于现代活动的构造体系的矿区，构造应力较大而且也比较复杂，并在不同构造部位其构造应力不同。不过，一个共性的现象是水平应力与垂直应力一样，也随深度增大而增加。二、矿山压力及其显现因采掘工程围岩的变形、移动和破坏而作用于支护工程上的压力，称为矿井地压，简称矿压或地压。,（一）井巷地压井巷地压是指因井巷工程围岩的变形、移动和破坏而作用于井巷支护工程上的压力。作用于井巷支护工程上的压力，随着井巷断面扩大和暴露作用时间的增长而增大，当压力增大到一定极限值后，若支护能承受此压力而不发生变形，此后支护承载的压力将不再增加变化，此压力称为“初次地压”。若支护工程不能承受初次地压，围岩将会产生裂缝甚至破碎，逐渐形成自然平衡拱，此时，一部分压力将由拱传递到两壁承受，支护工程承受的压力仅仅是平衡拱内破碎的岩石重量，因其值在一定时间内不变，称为“稳定地压”。井巷地压的大小，取决于围岩的物理力学性质、岩体结构、自重力和构造应力的大小、地质构造发育和展布情况，以及地下水的赋存和水压的大小等。减小井巷地压的方法是将井巷布置在工程地质条件良好的岩层内。,（二）采场地压指回采工作面开采时作用在支护和煤壁上的压力。当工作面开始回采并推进一定距离后，工作面压力不断增加，导致煤层顶板下沉、破坏、冒落的压力就是工作面初次来压。初次来压后，部分顶板垮落使工作面压力减小，但随着工作面继续向前推进，压力会又逐渐增大，每推进一定距离会再出现一次来压现象。这种周期性来压时作用于支架上的压力称为“周期性地压”。在周期性来压和初次来压时，工作面顶板都表现为剧烈下沉、破坏、垮落，因而把初次来压和周期性来压统称为动压，把平时的压力称为静压。采场地压大小和显现特征，与煤层顶板的岩石组成、物理力学性质、自重应力和构造应力的大小、地质构造的发育和展布情况有关。,1煤层顶板的类型根据顶板的强度和垮落难易程度，我国煤矿的煤层顶板可分为以下五种类型：1)易冒落的松软顶板一般由泥质岩、层理发育的粉砂岩、泥质胶结的薄层砂岩组成。顶板随回柱而垮落，基本上填满采空区，从工作面看不到采空区有明显空隙，顶板来压比较稳定。2)中等冒落性顶板直接顶为页岩、粉砂岩等，老顶为砂岩，砾岩、石灰岩等组成。直接顶随回柱而垮落，但采空区未填满，从工作面可看到有明显的空隙，老顶几天后才垮落。工作面顶板呈现周期性来压。3)难冒落的坚硬顶板顶板为普通中粒砂岩、粗砂岩、砂砾岩、砾岩、坚硬的粉砂岩或石灰岩等。老顶直接位于煤层之上，且不随回柱而垮落，在采空区悬伸一个相当长时间后才垮落。顶板周期来压明显且严重。,4)极难冒落的坚硬顶板由细砂岩、坚硬中砂岩、粗砂岩、砂砾岩，以及整体性的石灰岩等组成老顶直接位于煤层之上，回柱后采空区顶板在长时期内呈大面积悬露状态，常达几千平方米以上才突然垮落。平时工作面顶板压力很小，顶板大面积垮落时，形成暴风，极易摧垮工作面。5)塑性弯曲的顶板为节理、裂隙较为发育的石灰岩，老顶直接位于煤层之上，回柱后采空区顶板呈塑性弯曲而不冒落，至放顶线后1020m处降落到底板，工作面压力比较稳定。,2.煤层顶板岩层分类,1)直接顶板岩层按强度指数值分类以直接顶板岩石单向抗压强度为主，同时考虑裂隙间距I与分层厚h的岩性综合指标，强度指数D值的分类：,2）老顶来压强度分级老顶来压强度分级具体指标：直接顶厚度h与采高m之比N值和老顶初次来压步距L,2采场上覆岩层的基本运动规律,长壁工作面煤被采出后，直接顶会垮落充填采空区，这一部分岩层称为垮落带。在采空区，随着未垮落岩层的沉降断裂，采空区自由空间高度会越来越小，直到不能满足垮落的几何条件，裂隙发育会形成一种平衡结构，若该结构岩层的运动对矿压有明显影响，则该部分岩层相当于基本顶（裂隙带不一定全部属于基本顶）。裂隙带往上至地表为缓沉带，缓沉带一般认为对采场矿压无明显影响。,3对采场矿压有明显影响的范围一般采场需控制岩层厚度范围为采高的68倍。4直接顶的运动规律1）直接顶的垮落从工作面开始推进至直接顶初次垮落，这个阶段称为直接顶初次垮落阶段。垮落的剧烈程度用初次垮落步距（Lz）和直接顶厚度与采高之比（N）表示。2）直接顶的厚度冒落直接顶厚度为,h-采高Mz-直接顶厚度KA-岩层垮落后的碎胀系数，一般采场为1.25-1.35SA-未垮落岩层在触矸处的沉降量，一般采场为（0.25-0.3）h结果：Mz约为采高的23倍,5基本顶的基本运动规律1)基本顶的初次来压与周期来压直接顶进入正常垮落阶段后，基本顶开始发生离层、弯曲沉降、断裂、下沉，引起工作面压力急增。初次来压步距用Lo表示。初次来压完成后，工作面进入正常推进阶段，此阶段基本顶将随跨度的不断增加而再次发生断裂、下沉，引起工作面再次来压，称为周期来压。周期来压的强度一般较初次来压小，它由直接顶的厚度、岩石力学性质、几何参数决定。一般情况下，周期来压步距为初次来压步距的1/4-1/2。,影响采场地压的因素包括地质因素和采矿因素。地质因素包括煤层埋藏深度、厚度、倾角大小，顶板岩石性质、厚度、组合关系和裂隙发育程度，区域的稳定性和地质构造的破坏程度，地下水特征等。采矿因素包括开拓方式、巷道布置、开采顺序、开采方法、顶板管理和支护形式等。,（三）冲击地压冲击地压是煤矿生产中承受高应力的煤（岩）体突然破坏而释放弹性能的矿山压力动力现象。冲击地压发生，岩、煤层物理力学性质是物质条件，地应力是动力条件，采动影响是诱发条件。,三、井巷工程地质工作井巷设计阶段主要任务是开展矿区工程地质条件综合性评价，查明影响岩土层稳定性的各种地质、水文地质因素，提供井巷、硐室设计所需的工程地质资料。1.系统分析与矿区有关范围的区域稳定性（即研究构造活动、地震活动、岩浆活动、水热活动、物理地质作用及人类工程活动等），进而对矿区范围内的区域工程地质条件做出综合性、预测性的评价，编制矿区工程地质分布图。2.查明影响岩土层稳定性的各种地质、水文地质因素，分析和评价围岩稳定性。具体包括：,1）查明井巷、硐室范围内岩层层位、岩性、产状及岩层组合特征；2）查明新生界松散冲击层的土体结构、厚度、与下伏基岩的接触关系、基岩风化程度和深度；3）采集岩样、土样，进行实验室和现场的测定与试验，查明岩土层的物理力学性质和工程地质性质；4）查明褶曲、断层的类型、规模、产状和力学属性，破碎带的宽度、胶结情况及充水情况；5)查明节理的性质、组数、间距、产状、闭合程度、组合关系，以及由此造成的切割块体的形态、类型和大小；6)查明岩土层的富水性