井巷建筑介质与材料

1、第一章第一章 井巷建筑介质与材料井巷建筑介质与材料1 概述一、井巷工程的概念一、井巷工程的概念通风及行人等工程。运输、排水、生产安全，开掘一系列矿井辅助工程：为保证开拓保证接替。筒延伸和新水平采煤层采完前，需要井矿井延伸工程：水平开程也叫开拓工程。或倾斜巷道，硐室等工要不断准备水平煤工作面、采区推进需矿井生产准备工程：采层而开掘的工程。筒、巷道、硐室到达煤矿山建设工程：开掘井井巷工程二、井巷设计与施工二、井巷设计与施工计风井设计和回风大巷设采区切眼采区平巷采区上下山主要运输大巷井底车场主副井设计按设计工程类型施工与劳动组织设计通信与照明设计通风设计支护设计钻眼爆破设计按设计内容地层中采用结合，

2、不稳定含水较大特殊施工法：钻爆机械最大程度自动化，机械破岩施工，实现机械施工法：机械破岩中采用，在稳定含水较少地层普通施工法：钻眼爆破井巷施工方法2 井巷建筑介质 一、岩石概述一、岩石概述 （一）概念 1岩块岩块：从岩层中切取出的小块体。 2岩体岩体：地下工程周围较大范围的自然地质体。 3岩石岩石：岩块与岩体统称。 4围岩围岩：开挖巷道会对周围岩石有应力和位移等扰动，扰动范围一般为5倍的巷道直径，巷道附近受扰动的岩石称为围岩。（二）地层划分（二）地层划分三大岩变质岩沉积岩岩浆岩基岩泥黄土、沙子、流砂、淤表土层二、物理性质二、物理性质 1比重比重：岩石物体实体质量和同体积水质量之比（无单无单位，

3、不包括孔隙体积位，不包括孔隙体积）。2密度密度：单位体积的岩石质量（包孔隙体积）。 质量。在天然含水或饱水状态湿密度：单位体积岩石量。绝对干燥后单位体积质干密度：单位体积岩石3重度重度 单位体积岩石所受重力mg/V（N/cm3）。4吸水率吸水率：岩石在大气压下能吸入水质量与岩石干质量之比。 =g/G 孔隙性孔隙性：岩石的裂隙和孔隙发育程度。 5碎胀性碎胀性：岩石碎后，体积变大，孔隙增多，这种性质叫碎胀性。岩石胀后体积与原体积之比。 碎胀系数：kV/V1 （充填采空区）。 6透水性透水性 水存在于岩石的孔隙和裂隙中，在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中通过(渗透)。这种岩石能被水透过的性能称为

4、岩石的透水性。岩石透水性的大小主要与地下水水头岩体内的应力状态岩石的孔隙率、孔隙大小及其连通程度有关。 衡量岩石透水性的指标为渗透系数。由达西定律QKAI可知，单位时间内的渗水量Q与渗透面积A和水力坡度有正比关系，其中的比例系数就称为渗透系数。 此外还有 崩解性膨胀性软化性二、力学性质 （一）变形特性（一）变形特性1单向压缩下的变形性质(静载荷) IOA段段，曲线的斜率逐渐增大，这是岩石中原有的裂隙受压后逐渐闭合所致。称为裂隙压密闭合阶段裂隙压密闭合阶段。 AB段段，曲线近似直线，即曲线的斜率近似为常数，称为线弹性阶段线弹性阶段。 岩石的弹性和塑性概念：岩石的弹性和塑性概念： 岩石的弹性弹性是

5、指卸载后岩石变形能完全恢复的性质，岩石性质不同可能出现以下三种不同的弹性特征： 岩石的不同弹性类型a线弹性；线弹性；b完全弹性完全弹性(非线性弹性非线性弹性)；c滞弹性滞弹性1加载过程；2卸载过程 岩石是由多种造岩矿物组合而成，由于岩石构造中总有某些缺陷，因此常使岩石卸载后其变形不能完全恢复而出现残余变形，也就是说岩石受载时具有塑性塑性特征。 岩石受载后变形很小就破裂的性质称为脆性脆性。 BC段段，曲线的斜率逐渐减小，此阶段内局部破损逐渐增大而导致岩石达到强度极限C，称为破裂发展阶破裂发展阶段段。 CD段段，应力随应变而下降，在这个阶段内，岩石仍保持一整体继续抵抗载荷，岩石破裂仍继续发展，直到

6、D点才最终破裂破裂。CD曲线的存在，说明岩石在达到极限强度以后，仍然存在着承载能力。 几个关键点和线路： UVTUOQQSPQRQRPQCBCBOB塑性变形弹性变形塑性滞环极限抗压强度弹塑性变形阶段，弹性极限弹性变形阶段，2岩石在三向压缩下的变形性质岩石在三向压缩下的变形性质 常规的三轴试验机是使岩石试件处于12(3)0的三向应力状态，其中最大主应力1一般为垂直应力，最小主应力3(2)为侧向应力，由于侧向应力是轴对称的，故也常称之为围压。 干砂岩在常温和不同侧压三向压缩下的 湿砂岩在常温和不同侧压三向压缩下的 变形曲线图 变形曲线 1）当岩石受三向压缩时，其应力应变曲线的开始阶段，有一段近似于

7、直线的关系，说明在主应力差值(13)的峰值前不远的范围内，岩石基本上处于弹性变形状态； 2）对于砂岩试件来说，在不同应力范围内受三向压缩时，其峰值的轴向应变大致相同。但随着侧向应力增大，岩石试件的塑性变形也相应增大。这说明岩石的脆性和塑性是相对的，在单向应力或较低的三向应力状态下表现为脆性的岩石，在高压三向应力状态下破坏前也能表现出很大的塑性； 3）三向压缩时，随着侧向应力3和主应力差值(13)的增加，强度极限(峰值应力)也随之增大； 4）岩石在三向压缩条件下发生破坏以后，虽然其结构发生了变化，但仍然保留一定的承载能力。由图可以明显看出，围压愈大，其残余强度也愈大。这个规律对于在井下控制煤、岩

8、体的稳定性很有实际意义。 （二）岩石的强度特性与理论（二）岩石的强度特性与理论 1）静荷载下岩石的强度性质 按外力性质不同，岩石强度分为： 岩石的单向抗压强度岩石的单向抗压强度 岩石试件在单向压缩时所能承受的最大压应力值，称为岩石的单向抗压强度。 岩石的单向抗拉强度岩石的单向抗拉强度 岩石试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力值，称为单向抗拉强度。 一般来说，岩石的抗拉强度约为抗压强度的330。 岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度岩石试件受到剪断时，剪切面上的切向应力值，即试件剪断时的极限强度，称为岩石的抗剪强度，岩石的抗剪强度分为以下几种： 摩擦强度抗剪强度抗切强度岩石剪切试验不同加载方式及强度特征a

9、一抗切试验；b一抗剪断试验；c摩擦试验；d重剪试验 实验表明，岩石的静荷载强度具有如下主要性质：实验表明，岩石的静荷载强度具有如下主要性质： （1）在大多数情况下，岩石表现为脆性破坏。 （2）同一种岩石的强度变化很大。 （3）在不同受力状态下，岩石的极限强度相差悬殊。 实验表明，岩石在不同应力状态下的强度值一般符合以下规律： 三向等压抗压强度三向不等压抗压强度双向三向等压抗压强度三向不等压抗压强度双向抗压强度单向抗压强度单向抗剪强度单向抗抗压强度单向抗压强度单向抗剪强度单向抗弯强度单向抗拉强度。弯强度单向抗拉强度。 4）莫尔强度理论）莫尔强度理论（1）基本思想）基本思想 莫尔强度理论建立在对试

10、验数据的统计分析基础之上。莫尔强度理论认为，材料发生破坏主要是由于破坏面上的剪应力达到一定限度的缘故，这个剪应力与材料本身性质有关，还与破坏面上由于正应力造成的摩擦阻力有关。即即某一点发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时也取决某一点发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时也取决于该点的正应力于该点的正应力。因此，岩石沿某一个面剪断时的剪应力，与该面上的正应力之间存在着某种函数关系，即f ( )（2）莫尔强度包络线）莫尔强度包络线 莫尔理论是要通过实验来确定。“ ”关系曲线，并在“ ”坐标平面上作出一系列代表这些极限应力状态的最大应力圆(即极限应力圆)，然后作出这些应力圆的包络曲线。 岩石强度曲

11、线和极限应力圆 利用岩石强度曲线可以说明以下一些问题：利用岩石强度曲线可以说明以下一些问题： 已知强度曲线后，可以直接判断岩石是否会产生剪切破坏。 利用强度曲线可以预测破坏面的方向。 在强度曲线的 坐标轴上，由原点向右为受压区，向左为受拉区。强度曲线的形状由受拉区向受压区逐渐张开，这反映了岩石抗拉强度小于抗压强度的规律。 根据岩石强度曲线判断岩石破坏状态示意图（3）库仑一莫尔强度理论）库仑一莫尔强度理论 为便于计算，当压力不大时(例如10MPa)，采用斜直线型包络线。这时破坏面上剪应力与正应力的关系，即一般条件下岩石的强度准则为： C tg 也称为“库仑莫尔”强度条件，是目前岩石力学中应用最广

12、的强度准则。利用斜直线型强度包络线可以求得以下一些关系： （1）确定剪切破坏角的大小确定剪切破坏角的大小。利用斜直线型强度包络线，确定出破坏面与最大主平面的夹角为45+ 。 （2）确定三轴应力状态下的抗压强度值确定三轴应力状态下的抗压强度值。在Ctg 这个关系式中，和是指破坏面上的极限应力。为便于计算，利用直角三角形关系，经过换算，可得： 1=2C 这就是以极限主应力1和3来表示的“库仑一莫尔”强度准则，当1与3的组合满足这个关系时，岩石就会产生破坏，故上式也称为极限平衡条件。211113sinsinsinsin（3）确定单向应力状态下的压、拉比确定单向应力状态下的压、拉比。 根据莫尔应力圆和

13、斜直线型强度包络线，可以求得岩石试件在单向应力状态下抗压强度与抗拉强度之比，其关系式为： RRCttg2()45205）格里菲斯强度理论 格里菲斯强度理论认为，脆性破坏是由于拉伸而破坏，并格里菲斯强度理论认为，脆性破坏是由于拉伸而破坏，并不是因剪切而破坏。不是因剪切而破坏。 格里菲斯假定岩石内部裂隙的形状近似于一个扁平的椭圆孔(椭圆裂缝)，将它作为半无限弹性介质中单个孔洞的平面应力问题来处理，根据对椭圆孔的应力分析，得出双向应力状态下裂隙开始扩张的条件如下：tRRc313312311331)(8)(31时，当时，当 如果受单向压缩，3=0及1=RC，于是可得下式，这也就是单向压缩时的破裂条件。

14、 RC = 8Rt 按、应力系统来表示。经过一定换算后可得： = 4Rt (Rty)式中xy、y椭圆裂缝周边上的剪应力和正应力； Rt岩石的单向抗拉强度。 上式也是另一种形式的格里菲斯破坏准则，它是“xyy”平面内的一个抛物线方程，抛物线的形状由参数Rt决定。 根据上式可以作出格里菲斯强度曲线。 xy2格里菲斯强度曲线四、岩石的分类1常见的岩石分类常见的岩石分类 1）普氏岩石分类）普氏岩石分类fRa/10 Ra岩石单向抗压强度，Mpa。 2）煤炭行业的围岩分类）煤炭行业的围岩分类 3）RQD岩石分类岩石分类 4）巴顿等人的）巴顿等人的Q岩石分类岩石分类 5）围岩松动圈岩石分类）围岩松动圈岩石分

15、类2软岩软岩 （1）软岩的地质学定义：按地质学的岩性划分，地质软岩是指强度低、孔隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著，或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱、胀岩层，这类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩。 （2）软岩的强度定义：国际岩石力学学会把单轴抗压强度小于25MPa的岩石称为软岩。 （3）软岩的工程学定义：在工程力作用下能够产生显著塑性变形和流变的工程岩体(巷道围岩)称为软岩。 3 井巷建筑材料一、水泥一、水泥二、混凝土二、混凝土三、钢材三、钢材三、木材三、木材一、一、 水泥水泥 水泥属水硬性胶凝材料，不但能在空气中或潮湿环境中硬化，而且还能在水中硬化，保持并增强强度。 水泥品种繁多，但应用最广泛的是硅酸盐类水泥，常用的硅酸盐类水泥有： 硅酸盐水泥、 普通硅酸盐水泥、 矿渣硅酸盐水泥、 火山灰质硅酸盐水泥、 粉煤灰硅酸盐水泥等。二、混凝土（骨料胶凝材料水）二、混凝土（骨料胶凝材料水） 混凝土材料的组成 1）水泥胶凝材料