第九章矿井工程地质

1、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,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

2、。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。,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。,?,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

3、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,nH,2,O,）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

4、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（,CaSO,3,2H,2,O,）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

5、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

6、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。,容重：是保持天然结构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。,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；,?,物理,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；,性质指标,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

7、，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。,三、土的工程地质分类,?,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

8、、卵石、碎石、圆砾和角砾；,?,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（,Q,3,）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（,Q,4,）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

9、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,一、潜蚀作用,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。,二、流砂,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

10、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。,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

11、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

12、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

13、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

14、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。,粘土性滑坡,覆盖性滑坡,黄土滑坡,碎石土滑坡,顺层滑坡,基岩滑坡,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

15、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

16、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：,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；,结构体的产状不同，稳定程度不同。,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

17、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

18、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、裂隙的大小和性质以及裂隙的充填情况；,如裂隙玫瑰花图研究,?,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。,?,岩体受力状态,岩体内部的受力状态，主要指：地应力、巷道围岩压力和矿压；,地

19、应力：,包括山体岩石自重力和构造应力；,巷道围岩压力：,在岩体中开挖巷道后，围岩中应力重新分布，形成应力集中状态；,矿压：,巷道围岩在集中应力作用下，产生塑性破坏或剪切滑动，并作用于工程支护,或衬砌上的力；,巷道围岩应力来源于地应力，但又决定于洞体规模、形态；而矿压来源于巷道围,岩应力，但巷道围岩应力转化为矿压，要通过岩体的变形破坏来实现；,近弹性变形：,应力与应变接近直线关系，岩体结构大都呈块状；,匀一完整，结构面呈闭合状，软弱结构面不发育；,岩石变形或强度受岩性控制，因而接近于弹性体、,强度较高，岩体稳定性好。,?,岩体变形类型,塑性变形：,当压力很小时，应力与应变也近直线关系，随着,应力增加，变形值增大，当应力超过一定限度，,虽应力增加很小，但应变仍然急剧增大。,当在塑性岩体中施工，容易产生边墙内鼓、底鼓，,地压显著增大，巷道破坏严重等；,弹塑性变形：,介于上述两者之间；,第四节,地下巷道稳