矿井工程地质课件.ppt

1、井巷工程地质 概念 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。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。任务 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。1.1 岩石的物理性质 1岩石的密度、容重岩石的密度、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（含孔隙）：朱集西矿透北14-5孔8煤13煤层几种岩石视密度岩石种类中粒砂岩细砂岩粉砂岩泥岩11-2煤容重（kg/m3）26522626259826311430VW1.1 岩石的物理性质2.

2、岩石的孔隙率岩石的孔隙率 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:VVnn 1.2 岩石的水理性质 3岩石的吸水性岩石的吸水性（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重量之比。（2）饱和吸水率 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。（3）饱水系数 吸水率与饱和吸水率之比值，称为饱水系数。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

3、0.50.8。1.2 岩石的水理性质 1.2 岩石的水理性质 4岩石的透水性岩石的透水性l在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，在压力作用下，地下水可以在岩石中渗透,岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。l衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完整完整密实的岩石的渗透系数往往很小。密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。含含/隔水层名隔水层名称称底板埋深底板埋深(m)/钻孔号钻孔号厚厚 度度(m)单位涌水量

4、单位涌水量q(l/s.m)渗透系数渗透系数k(m/d)k(m/d)赋水性赋水性一一 含含17.2538.70较较 强强二二 含含56.0578.156.9041.553.5893.07111.4379.10511.4379.105较较 强强三三 含含281.20417.970.2741.002中等较强中等较强四四 含含312.55540.355.70100.300.00324l0.045370.04537较弱中等较弱中等13-1煤煤40-3孔孔4.027.740.0000210.0000470.000047弱弱11-2煤煤36-1孔孔3.523.00.0000050.0000110.00001

5、1弱弱8 煤煤43-1孔孔1.026.00.000060.000150.00015弱弱太灰太灰1-4灰灰43-2孔孔18210小小中等中等奥奥 灰灰潘北水四潘北水四53.8196.780.585中等中等奥奥 灰灰潘二五潘二五1152.670.200中等中等朱集西煤矿含水层水文地质特征朱集西煤矿含水层水文地质特征 1.2 岩石的水理性质 5岩石的软化性岩石的软化性 岩石浸在水中后，强度降低的性能称为岩石软化性。它一般用软化系数(浸水后岩石的抗压强度与浸水前抗压强度之比值)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

6、为，岩石软化系数大于075时，属岩石的软化性弱，工程地质性质较好；小于075时，则属易软化的岩石，岩石软化性较强，工程地质性质较差。ccwRK 1.2 岩石的水理性质 6岩石的膨胀性岩石的膨胀性 部分粘土岩（泥岩）受水浸湿后体积发生膨胀的性质。岩石（土）的膨胀性取决于岩石（土）的膨胀性取决于粘土矿物（蒙脱石、高岭石、粘土矿物（蒙脱石、高岭石、水云母等）水云母等）的成分和含量。的成分和含量。1.2 岩石的水理性质 7.碎胀系数（碎胀系数（K）岩石破碎岩石破碎膨胀后的体积膨胀后的体积与破碎前与破碎前整体状态整体状态下的体积之比。下的体积之比。残余残余碎胀系数（碎胀系数（K）：）：破碎岩石破碎岩石压

7、实后的体积压实后的体积与破碎前岩与破碎前岩石处于石处于整体状态整体状态下的体积之比。下的体积之比。1岩石的变形特性岩石的变形特性 岩石是标准的弹塑性体，即瞬时高压作用下表现为弹脆性体，而长期慢施高压下表现为塑性体，其变形可分为4个阶段。（1）微裂隙压密阶段（OA）（2）弹性变形阶段（AB）（3）裂隙发展和破坏阶段（BC）（塑性阶段）（4）峰值后阶段屈服点屈服点ACBO弹塑性变形弹塑性变形-褶皱褶皱弹脆性变形弹脆性变形-断层断层 2岩石的变形特性指标岩石的变形特性指标（1）弹性模量（有人认为岩石是准弹性体）单轴压缩条件下，轴向压变力与轴向应变之比：（2）泊松比 单轴压缩条件下，横向应变与纵（轴）

8、向应变之比：eEyx岩石种类岩石种类E E（10104 4MPaMPa）花岗岩2.9823-6.10870.17-0.36细砂岩2.7900-4.76220.15-0.52中砂岩2.5782-4.03080.10-0.22石英岩1.7946-6.93740.12-0.27粗砂岩1.6642-4.03060.10-0.45页岩1.2503-4.11790.09-0.35大理岩0.9620-7.48270.06-0.35炭质砂岩0.5482-2.07810.08-0.25泥灰岩0.3658-0.73160.30-0.40石膏0.1157-0.76980.30岩石的弹性模量岩石的弹性模量E 和泊松比

9、和泊松比的值的值 3岩石的强度岩石的强度-岩石抵抗外力破坏的能力。岩石抵抗外力破坏的能力。强度分强度分抗压，抗拉抗压，抗拉和和抗剪抗剪强度三类，对岩石而言，强度三类，对岩石而言，抗压强度抗剪强度抗拉强度抗压强度抗剪强度抗拉强度 3岩石的强度岩石的强度（1）抗压强度）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。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

10、，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。3岩石的强度岩石的强度（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）抗拉强度 岩石抵抗单向拉伸的能力称为岩石抗拉强度。根据经验确定，平均抗拉强度是抗压强度35。4.坚固性坚固性 普氏硬度系数：fkp=R/10 (R岩石单轴抗压强度，单位MPa)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（结构面）裂隙、层理和弱面（结构面），岩体的强度比岩石的强度小得多(一般认为岩体强度岩体强度只

11、有岩石岩石强度强度的1/51/20)。应力不变的情况下，岩石的变形（或应变）随时间增大的现象，是岩层中形成褶皱构造的根本原因，结构越松软的岩石蠕变的量越大，可能性越高，如100 kg/cm2应力下：页岩页岩砂岩砂岩 花岗岩花岗岩岩石蠕变岩石蠕变形成的香形成的香肠状构造肠状构造 围岩变形受影响的因素较多，前苏联科学家研究得出围岩变形公式，即围岩变形系数变形系数等于岩石所受自重应力自重应力与岩石自身的抗压强度抗压强度的比值：变形系数=1/P 0.6，则围岩变形强烈；0.30.6，则围岩出现变形，系数越大，变形越大；菱形菱形 方形方形 楔形楔形 锥形锥形 2.2 岩体结构类型 2岩体结构类型岩体结构

12、类型 特指工程范围内由结构面围限起来的结构体的组合形式，依据岩石类型、结构面性质和结构体形式可将岩体结构分为6种类型：（1）整体结构：即完整岩体，强度高、力学性质稳定。（2）块状结构：整体强度高、块度均匀，与完整岩体相近。（如西轨、西矸迎头灰白色中厚层如西轨、西矸迎头灰白色中厚层块状砂岩，厚度块状砂岩，厚度大，整体强度高，裂隙发育较少，稳定性较好。）大，整体强度高，裂隙发育较少，稳定性较好。）2岩体结构类型岩体结构类型（3）镶嵌结构：块度具有显著两分性，硬岩中有夹层，但整体强度仍较高。（4）碎裂结构：岩石完整性差，强度受地质构造控制。（5）层状结构：是沉积岩或变质沉积岩具有的结构，受层内软弱夹

13、层或层间层面特点控制。（6）散体结构：指相对于工程规模岩块块度小，细颗粒较多接近松散介质的岩体结构，一般是工程清挖的对象。1、什么叫围岩？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。2、什么叫围岩稳定性？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。3.1 影响围岩稳定性的地质因素 1.岩石性质岩石性质 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。3.1 影响围岩稳定性的地质因素 2.地质构造地质构造

14、 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。3.1 影响围岩稳定性的地质因素 3.岩体结构岩体结构 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

15、性较好。3.1 影响围岩稳定性的地质因素 4.地下水地下水 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。3.1 影响围岩稳定性的地质因素 5.风化作用风化作用 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。3.2 岩体稳定性评价方法 1、岩体的

16、完整性、岩体的完整性 2、结构面的抗剪性、结构面的抗剪性 3、岩块的坚固性、岩块的坚固性 4、岩体质量系数（、岩体质量系数（Z）3.2 岩体稳定性评价方法 1、岩体的完整性、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中结构面的统计 岩体完整性系数岩体完整性系数 岩体质量指标（岩体质量指标（RQD）评价指标：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：为岩体与岩石的纵波速度之比的平方，用动力法可以测定完整性系

17、数。根据岩体完整性系数对岩体完整程度进行分类，可分完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎五类。I值越大，岩体越完整。岩体质量指标（RQD）：用75mm金刚石钻头连续取心，长度大于10cm岩心长度之和与进尺之比：很好：RQD90100；良好：RQD7590；一般：RQD5075；差：RQD2550；极差：RQD025。3.2 岩体稳定性评价方法 2、结构面的抗剪性、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）3.2 岩体稳

18、定性评价方法 3、岩块的坚固性、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。)(10)/(1002MPaRcmkgfRS 3.2 岩体稳定性评价方法 4、岩体质量系数、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：Z60603030151555坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩 3.4 工程岩体分级(2)岩体完整程度的确定岩体完整程度的确定定性划分 3.3工程岩体分级(2)

19、岩体完整程度的确定岩体完整程度的确定定量确定 岩体完整程度的定量指标采用岩体完整性指数(Kv)的实测值。当无条件取得实测值时，也可采用岩体体积节理数(Jv)按表76确定。4.1 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。1.自重应力自重应力 1为垂直正应力，2、3为水平正应力，当岩层为各向均质时，23 1z；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，自地表垂直向下每延深向下每延深1m，垂直正应力，垂直正应力1将增加将增加0.025Mpa。井巷硐室是具有一定断面规格的，所以，其

20、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。2.构造应力构造应力 构造应力主要表现为水平压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随深度增

21、大而增加。3.垂直应力与构造应力的关系：23=当泊松比=0.25时，水平应力为垂直应力的1/3，当泊松比值较高时，例如接近0.5时（理论上最大值），则水平应力趋于垂直静压力。过去的地应力测量大都是在几十米到几百米深的矿井里进行的,这是由于受到套心法测量技术的限制。七十年代初期以来,水压致裂技术运用于原地应力测量之后,才打开了测量深部应力状态的大门。目前在美国德国等国家已采用这一新技术,特别是美国进行了大量的试验研究,取得了几十米至几千米深的测量结果，最深的应力测量已达5000余米。那么深部的应力状态是什么样的呢？这里先说明一下在南非金矿深井中的应力测量结果，这是目前套心法应力测量的最深矿井。套

22、心法取得的由地表几十米到2500米的应力测量结果，水平应力和垂直应力随深度的变化关系，在较浅的深度600米以上，水平应力往往超过垂直应力，但是在比较深的地方600米以下，水平应力则小于垂直应力。美国学者用水压致裂法取得了深部应力测量结果，地壳上部的水平应力比垂直应力高，而1000米以下的垂直应力比水平应力高。4.2 矿山压力及其显现 1.井巷地压井巷地压 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

23、力称为“初次地压初次地压”。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“稳稳定地压定地压”。4.2 矿山压力及其显现 1.井巷地压井巷地压 井巷地压的大小，取决于：（1）围岩的物理力学性质）围岩的物理力学性质 （2）岩体结构）岩体结构（3）自重应力和构造应力的大小）自重应力和构造应力的大小（4）地质构造发育和展布情况）地质构造发育和展布情况（5）地下水的赋存和水压的大小等。）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

24、的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。岩层内。4.2 矿山压力及其显现 2.采场地压采场地压 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”。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“周期来压周期来压”。4.2 矿山压力及其显现 2.采场地压采场地压 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

25、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。4.2 矿山压力及其显现 3.冲击地压冲击地压 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。4.3 井巷地质工作 1.井巷设计阶段主要任务：井巷设计阶段主要任务：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

26、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。4.3 井巷地质工作 1.井巷设计阶段主要任务：井巷设计阶段主要任务：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、硐室范围内岩层岩层层位、岩性、产状及岩层组合特征；（2）查明新生界松散层松散层的土体结构、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）查明构造构造的类型、规模、产状和力

27、学属性，破碎带的宽度、胶结情况及充水情况；4.3 井巷地质工作 1.井巷设计阶段主要任务：井巷设计阶段主要任务：（5）查明节理节理的性质、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富水性、水理性质、水化学作用，地下水类型、储存、补给、泾流、排泄条件和水质、水位、水量情况；（7）查明围岩的结构特征、结构类型，尤其是软弱结构面和软弱夹层的特征和组合关系；分析和评价围岩的稳定性，对围岩进行工程地质分类；预测可能出现的不稳定地区并估算围岩压力；对井巷布置的位置和层位提出建议。对井巷布置的位置和层位提出建议。4.3 井巷地质工作 1.井巷设计

28、阶段主要任务：井巷设计阶段主要任务：3）.提供井巷、硐室设计所需的工程地质资料，预测施工时可能出现的工程地质问题，并对处理这些问题提出建议和措施。图件包括工程地质平面图、剖面图，重大工程基础柱状图。2.井巷施工阶段主要任务：井巷施工阶段主要任务：对井巷的施工进行工程地质编录，及时处理施工中出现的工程地质问题，开展工程地质预测预报。（1）划分和对比施工岩土层的岩性、层位及其中的软弱夹层；4.3 井巷地质工作 2.井巷施工阶段主要任务：井巷施工阶段主要任务：（2）确定各种软弱结构面软弱结构面所处的部位、性质、组合关系及充填胶结情况；（3）测量和统计各种性质、不同规模的褶曲、断层和褶曲、断层和主要裂

29、隙的产状要素主要裂隙的产状要素，并分析其组合关系；（4）观测井巷开挖后围岩的自撑时间围岩的自撑时间，并对井巷临空面各部位岩块的稳定状况作出判断；（5）记录施工过程中发生冒顶、片帮、软化、膨胀的冒顶、片帮、软化、膨胀的巷道部位巷道部位，测量、描述其性状和规模；4.3 井巷地质工作 2.井巷施工阶段主要任务：井巷施工阶段主要任务：（6）观测井巷、硐室的出水位置、出水形式、水压、水量、水质，分析水源及其对围岩稳定性的影响水源及其对围岩稳定性的影响；（7）进行必要的岩块力学性质测试，包括各种软弱结构面的强度、围岩应力变化、岩块相对位移、围岩松弛区的变化，以及支架承受的应力应变状态；（8）充分利用超前钻探、巷探、物探等手段，增加观测内容，积累更多资料，用工程类比法，对类似的后续工程作出工程地质预报工程地质预报。4.3 井巷地质工作 3.回采阶段主要任务：回采阶段主要任务：（1）查明回采工作面煤层和顶底板岩层的物理力学性质、组合特征和裂隙发育情况；（2）地质构造的规模、类型、展布特征和组合形式，以及对煤层和顶底板的影响；（3）地下水的赋存状况和活动规律，以及对煤层和顶底板的影响；（4）掌握采场地压产生原因、作用特点和显现规律，为顶板管理顶板管理提供工程地质资料。