井巷工程地质课件

井巷工程地质井巷地质简述

煤矿工程事故49%以上与工程地质问题有关。工程地质问题：边坡滑动地基沉陷岩体移动井巷开裂、变形片帮、冒顶、膨胀井巷地质简述井巷地质简述井巷地质简述第一节岩石的工程地质性质一、岩石的物理性质(1)岩石真密度和视密度、岩石比重(2)岩石的孔隙率：孔隙总体积/岩石总体积(3)岩石的吸水性：吸水能力(4)岩石的软化性：吸水后强度降低的性能吸水率Wa是指岩石在普通大气压下吸水能力，吸水质量/试件质量饱和吸水率Wp是在一定高压(15MPa)或真空下吸水能力。岩石饱水系数：Wa/Wp

一般0.5-0.8软化系数ka=岩石饱水试样的极限抗压强度/干燥试样的极限强度。临界值：0.75第一节岩石的工程地质性质一、岩石的物理性质(5)岩石的膨胀性(6)粘性土的可塑性(7)岩石的抗冻性是指岩石抗冻融破坏的性能。测定方法：将试样浸水使饱和，在-25度冷冻，融化后再冻，反复10-15次，如试样不出现裂缝、片落、脱角或其它破坏现象，则认为是抗冻。一般认为饱水系数小于0.8才是抗冻的。第一节岩石的工程地质性质二、岩石的力学性质(1)岩石抗压强度：是指岩石在垂直压力作用下抵抗外边破坏的能力，数值上等于岩石破坏时极限荷重。单位kg/cm2；MPa/KPa影响因素：压力垂直层理或片理，其值高，平行层理或片理则低；新鲜岩石高，风化岩石抗压强度低；有裂隙发育则低，无裂隙则高；饱水岩石抗压强度低于天然状态或干燥岩石；岩石比重、视密度大则抗压强度大；第一节岩石的工程地质性质二、岩石的力学性质(2)岩石抗剪强度：岩石在剪切力作用下抵抗剪切破坏的能力。(3)岩石抗拉与抗弯强度：是指岩石在单向拉力作用下抵抗拉断破坏的能力，最大拉应力。是指岩石在受弯状态下所承受的最大拉应力和压应力。抗压强度远远大于其它强度抗拉强度一般为抗压强度3-5%抗剪强度为抗压强度的6-8%抗弯强度为抗压强度的7-15%第一节岩石的工程地质性质二、岩石的力学性质(4)岩石坚固性：是指岩石抵抗外力作用的综合强度，用普氏硬度系数f值表示。岩石的单轴抗压强度100kgf/cm2(10MPa)，普氏硬度系数为1。各种岩石的硬度系数用下式表示：σc—岩石单轴抗压强度；f—普氏硬度系数；第一节岩石的工程地质性质二、岩石的力学性质岩石名称硬度系数f岩石名称硬度系数f石英岩、玄武岩20砂质页岩5花岗岩、灰岩、砂岩15不坚硬砂岩、砾岩4砂岩、砾岩、花岗岩、铁矿石10泥灰岩、页岩3灰岩、砂岩、大理岩、白云岩8页岩2普通砂岩6风化页岩1.5主要岩石的硬度系数参考值(5)岩石的弹性模量与泊松比：

岩块受压，依次发生弹性变形、塑性变形、破裂变形。

弹性模量E为应力与应变比值；泊松比μ是横向应变：纵向应变第一节岩石的工程地质性质第一节岩石的工程地质性质二、岩体的结构特性1.岩体结构：结构面和结构体大小、形状和组合方式(1)沉积结构面：层面、层理面、假整合面、局部冲蚀面、成岩裂隙、原生软弱夹层；(2)构造结构面：节理、劈理、断层、层间滑动面、层间破碎带；(3)次生结构面：风化或次生结构面，风化裂隙、卸荷裂隙、软化或泥化夹层。第一节岩石的工程地质性质岩体结构面分级I级结构面：区域断裂带、构造结构面破碎带宽度在数米以上。II级结构面：延展长而宽度有限有地质界面，如不整合面、假整合面、原生软弱夹层、层间错动带、接触破碎带、风化夹层等。III级结构面：局部断裂，小断层，延展数十米，宽度0.5米，仅公布在一个时代或一层中。IV级结构面：节理面，分布范围小，普遍存在于岩体中。V级结构面：延展差、随机分布、主要指细小的节理、劈理、片理、线理等。2.结构体结构体是由不同产状的结构面，将岩体切割成不同形状的岩石块体。影响因素：

(1)不同形式结构体，其稳定程度不同；

(2)结构体的产状不同，其稳定程度不同；

(3)结构体的受力方向影响巷道的稳定性；3.岩体结构类型：岩体在外力作用下破坏：沿结构面的剪切滑移或拉张开裂第一节岩石的工程地质性质岩体结构类型结构类型地质类型结构形式结构面发育情况工程地质评价块状结构厚、巨厚层石灰岩、砂岩、胶结好的砾岩块状

节理强度高、变形均、稳定、良好条件一般不支护层状结构薄层状、中厚层沉积岩板状、楔状层理、节理层越厚、越稳定，要求支护层状碎裂结构较强褶曲及破碎岩体碎块状、片状层理、节理、断层、层间错动整体强度低、软结构面发育、稳定性差碎裂结构构造破碎强裂的厚层岩体碎块状节理密集、断层发育易受地下水影响稳定性差巷道塌、冒顶要求支护、砌散体结构断层破碎带、风化破碎带碎块、磷片状1.岩体稳定性：是指在一定时间、一定工程荷载条件下，岩体不产生破坏的压缩变形、剪切滑移、拉张开裂的性能。2.影响因素：(1)围岩性质(2)地质构造(3)地下水(4)岩体结构(5)地壳岩体应力状态定性评价第二节岩体稳定性评价第二节岩体稳定性评价(1)围岩性质矿物成份：粘土矿物组成软、大硬度矿物级成岩石稳定。胶结类型：硅质胶结最硬，抗水性强；

铁质结次之，强度高，抗水性强，但易氧化分解；

钙质胶结强度较高，易水解；

泥质胶结强度弱，易软化和溶解。形状大小：大颗粒，不均匀，棱度越大，强度小，反之则越大风化情况：风化严重岩石强度低第二节岩体稳定性评价(2)地质构造构造变动：缓倾斜岩层强度大，急倾斜岩层强度小。断层：淮北岱河矿二水平北大巷道掘进时遇落差35m的断层，断层带宽6m，先后3次出现大的冒顶、煤、岩、水、气突出，停工4年，增开745m的绕道。第二节岩体稳定性评价(3)地下水软化软弱结构面和泥质填充结构面；引起岩石膨胀、崩解、溶蚀；动水压力引起软弱结构面渗透变形，应力集中；静水压力引起岩体滑动破坏；腐蚀支护材料；查明地下水水位、类型、水头压力和水质第二节岩体稳定性评价(4)岩体结构散体结构最不稳定；碎裂结构和层状碎裂结构性差；层状结构稳定性最好。考虑岩体结构面、结构体和岩体结构类型第二节岩体稳定性评价(5)地壳岩体的应力状态(1)岩体完整性定量评价a)岩体完整性系数II值越大，岩体越完整，反之则越破碎；

I>0.75完整性好岩体

I<0.45完整性差岩体

0.45<I<0.75完整性较好第二节岩体稳定性评价(1)岩体完整性定量评价b)RQD岩体质量指标级别岩体质量状态RQD%Ⅰ很好90-100Ⅱ良好75-90Ⅲ一般50-75Ⅳ坏的25-50Ⅴ极坏0-25第二节岩体稳定性评价(2)结构面抗剪性磨擦系数越大，抗剪强度越大，岩体质量愈好。表示结构面对剪切运动的阻抗能力。结构面状态磨擦系数f备注结构面充泥夹层，不含岩石碎块，不含大于泥厚的岩石碎块0.20泥厚越大，值越小结构面充泥化夹层，厚度小于岩石碎块块度0.30-0.50包括铁、锰薄膜闭合充填结构面0.50-0.70包含少量碎屑第二节岩体稳定性评价(3)岩块的坚固性I—岩体完整性系数；f—结构面磨擦系数；S—岩块坚固性系数。岩块对变形的抵抗能力，用饱水岩石单轴抗压强度的百分之一表示，即岩石普氏硬度。(4)岩体质量系数评价结果Z值评价结果Z值岩体质量特好>4.5岩体质量坏0.3-0.1岩体质量好4.5-2.5岩休质量极坏<0.1岩体质量一般2.5-0.3第二节岩体稳定性评价1、地壳表层天在应力状态(1)自重应力垂直应力水平应力N0—岩体侧压力系数，大多岩体0.25-0.45u—泊松比；0.2-0.3泥岩、页岩N0趋于1第三节矿井动力地质地壳中的应力以水平应力为主。(2)构造应力(1)世界上大多数地壳天然应力状态以水平应力为主；有些地区水平应力是垂直应力的20倍；地壳运动在岩体中产生的力。残余构造应力现今正在活动应力(2)垂直应力和水平应力随深度增加而增大；(3)各种成因形成的沟谷、地下洞室、断裂附近，应力集中，应力场复杂多变；第三节矿井动力地质2.矿井地压(矿山压力)

是由于井巷开挖，矿层采动引起初始应力状态改变，应力重新分布，导致围岩开裂、塌落、滑移、膨胀、蠕变、采场顶板下沉、冒落、煤壁片帮、煤岩水冲击等。(1)井巷地压：变形地压、破碎地压顶压侧压底压地压大小围岩物理性质和岩体结构特征自重应力和构造应力大小地质构造发育和展布情况第三节矿井动力地质第三节矿井动力地质(2)采场地压：工作面顶板沉陷、破碎、冒落、片帮、底鼓变形与破坏表现出来。煤层埋深、倾角岩石性质、组合关系区域稳定性和地质构造破坏程度地下水活动特点瓦斯赋存情况影响因素：开拓方式巷道布置方式开采顺序开采方法顶板管理方式支护型式第三节矿井动力地质采场应力分布第三节矿井动力地质第三节矿井动力地质初次跨落和初次跨落步距工作面推进，直接顶跨度增大，支撑压力集中(2-3)，当直接顶达到极限跨度时开始初次跨落，采空区初次放顶。自切眼到支架后排放顶线的距离为初次跨落步距。初次来压和初次来压步距跨落的直接顶不能充满采空区，老顶悬空，支撑压力随着老顶悬空距离增大而加大，当达到极限时，老顶跨落，工作面顶板下沉量和下沉速度急剧增加，呈普遍来压。老顶初次断裂引起的矿压现显，呈初次来压。自开切眼止煤壁的距离，呈初次来压步距。20-70m周期来压和周期来压步距基本顶周期跨落在工作引起的矿压显现呈周期来压，基本顶初次来压后，相邻再次周期来压间工作面推进的距离，呈周期来压步距。第三节矿井动力地质煤层顶板类型：伪顶：煤层之上，极薄的炭质页岩组成，0.1-0.5m。直接顶：泥岩和粉砂质泥岩组成，厚度不等，随支拄撤而落。老顶：直接顶之上，坚硬的砂岩、砾岩和石灰岩组成，悬空面积大。第三节矿井动力地质煤层顶板分类：(1)易冒落的松软顶板：泥岩，粉砂岩，薄层砂岩，强度20-40MPa，老顶弯曲可断裂，不会出现大面积老顶来压和切顶事故。(2)中等冒落顶板：直接顶为泥岩、砂岩和砂质泥岩，单轴抗压强度20-50MPa，老顶为砂岩、石灰岩、砾岩等，直接顶较薄，垮落后不能充满采空区，老顶悬空，出现老顶初次来压和周期来压。第三节矿井动力地质(3)难冒落的坚硬顶板：老顶为中等硬度的细砂岩、坚硬的中砂、粗砂和砾岩，70-100MPa，老顶位于煤层之上，不随支拄撤出而垮落，悬空时间长，压力大，周期来压明显。(4)极难冒落的坚硬顶板：老顶为泥岩、砂岩和整体石灰岩，单轴抗压强度100MPa，悬空时间长，来压小，突然来压大，可造成严重的冒顶事故。第三节矿井动力地质(5)塑性弯曲顶板：老顶为薄层石灰岩，大于50MPa，采空区塑性弯曲，周期性来压不明显，顶板稳定。第三节矿井动力地质采场上覆岩层活动弯曲下沉带裂隙带冒落带冒落带：裂隙带h2：h2=(2-3)h1弯曲下沉带：第三节矿井动力地质采场上覆岩层活动(3)冲击地压：聚积在煤(岩)层内巨大的弹性潜能突然释放所引起的一种突发地压活动。爆炸巨声巨大冲击波强烈弹性振动煤体挤压或粉碎底板下沉或底鼓表现方式：动力条件：地应力诱发条件：采动影响物质条件：煤岩力学性质第三节矿井动力地质岩石单位体积内应变能与压应力的平方成正比，与E成反比。坚硬岩层和新构造活动强烈区易发生。弹性应变>全部应变的7%易发生。岩体应力集中又变化大的区域易发生。随开采深度增加而增大。瓦斯压力高的区域易发生突出。产生原因分析：第三节矿井动力地质1.井巷设计阶段(1)分析矿区区域稳定性，评价区域工程地质条件；(2)测定岩体力学性质，查明地质、水文地质，确定围岩稳定性，进行工程地质区划；(3)提出井巷设计所需资料，指导施工设计。第四节井巷工程地质2.井巷施工阶段(1)划分和对比施