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1、井巷工程,多媒体课件,第一章 岩石的性质与分级,第一节 岩石的物理性质,第三节 岩石分级和围岩分类,第二节 岩石的力学变形和强度特性,第四节 井巷地压理论,第一节 岩石的物理性质,一、概述,2,1,（一）岩体的组成,3,1岩石,2地下水,3瓦斯,（二）岩石的生成及结构、构造,1.岩石的生成,岩石按其生成原因不同，可分为岩浆岩，沉积岩和变质岩等三大类。,沉积岩是由沉积物经过压紧、胶结等作用而形成的岩石，是一种经过一系列地质作用的产物。,随着地壳不断地沉降，沉积物由下而上，逐层逐层地堆积起来而不断增厚，经过压实、脱水、脱结等固结成岩作用，松散的沉积物就形成了坚硬的沉积岩。,2.岩石的结构和构造,砂
2、质结构,指粒径大于2mm的岩石碎屑胶结而成的碎屑结构类型，如砾岩；,指粒径变化在20.05mm之间的碎屑结构类型，如砂岩；,指粒径变化在0.050.005mm之间的碎屑结构类型，如粉砂岩、页岩等；,指粒径小于0.005mm的碎屑结构类型，如泥岩、粘土岩等。,砾状结构,粉砂质结构,泥质结构,1）岩石的结构,整体构造,岩石的构造是指岩石中矿物颗粒集合体之间，以及它与其他组成部分之间的排列方式和充填方式。,岩石的颗粒互相严密地紧贴在一起，没有固定的排列方向,岩石颗粒彼此相接并不严密，颗粒之间有许多小空隙(微孔),岩石颗粒互相交替，表现出层次叠置现象(层理),多孔状构造,层状构造,2）岩石的构造,二、
3、岩石的密度和表观密度,岩石的密度是指在绝对密实状态下，单位体积内岩石的质量。,岩石的表观密度是指在自然状态下，单位体积内岩石的质量。,表1-1 煤矿中常见岩石的密度和表观密度,三、岩石的空隙比,岩石的空隙比是指岩石中各种孔隙、裂隙体积占岩石内固体部分实体总体积的百分比。它反映岩石中孔隙和裂隙的发育程度，用p来表示。,表1-2 煤矿中常见岩石的空隙比,四、岩石的碎胀性和压实性,岩石的碎胀性是指岩石破碎以后的体积将比整体状态下的体积增大的性质。两种状态下的体积比称为碎胀系数，用来表示，按下式计算：,岩石的碎胀系数；,V岩石破碎膨胀后的堆积体积（m3）,表1-3 煤矿中常见岩石的碎胀系数,五、岩石与
4、水有关的性质,（一）岩石的水胀性和水解性,2,1,岩石的水胀性是指软岩遇水而膨胀的性质。常以试件浸入水中后，厚度膨胀量与原始厚度之比作为水胀性指标。,岩石的水解性是指软岩遇水崩解、破裂的性质。,（二）岩石的软化性,岩石的软化性是指岩石浸水后的强度明显降低的特征，用软化系数来表示。即吸水饱和状态下岩石试件的单向抗压强度与干燥岩石试件单向抗压强度的比值表示水分对岩石强度的影响程度。,岩石浸水后的软化程度，与岩石中亲水性矿物和易溶性矿物的含量、空隙发育情况、水的化学成分以及岩石浸水时间的长短等因素有关，亲水矿物和易溶矿物含量愈多，开口空隙愈发育，岩石浸水时间愈长，则岩石浸水后强度降低程度愈大。,表1
5、-4 煤矿中常见岩石的软化系数,六、岩石的硬度和耐磨性,岩石的硬度,是指岩石表面抵抗其他较硬物体压入或刻划的能力。,岩石的耐磨性,指岩石表面抵抗磨损的能力。,N岩石的磨损率（g/2）；m1岩石磨损前的质量（g）；m2岩石磨损后的质量（g）；A岩石试件受磨面积（2）。,第二节 岩石的力学变形和强度特性,一、岩石的变形特性,（一）岩石的弹性和塑性,岩石的弹性是指在外力作用下产生变形，当取消外力后，能完全恢复到原形状的性质。,岩石的塑性是指在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质。,（二）岩石的流变性质,1）蠕变：是指在恒定载荷持续作用下，应变随时间变化而增长的现象称蠕变。
6、,2）后效弹性变形：是指岩石在弹性变形阶段，卸载以后，有一部分变形立刻恢复，还有一部分变形不能立刻恢复，但是经过一定时间仍能完全恢复。这部分变形，不是塑性变形，这种现象称为后效弹性变形。,3）松弛：是指在应变保持一定的条件下，应力将随时间而逐渐减小的现象称为松弛。,二、岩石的强度特性,（一）岩石的抗压强度,1.定义：岩石试件在压缩时所能承受的最大压应力值，称为岩石的抗压强度。2.分类：岩石的单向抗压强度 和岩石的三向抗压强度。3.影响因素：岩石中含强度高的矿物多，矿物颗粒间的连结力大，空隙度小则岩石抗压强度大，反之亦然。此外，在一定变化范围内，试件尺寸愈小，加载速度愈大，则抗压强度愈大。,（二
7、）岩石的抗拉强度,1.定义：岩石试件在拉伸时能承受的最大拉应力值称为岩石的抗拉强度。,2.影响因素：岩石的抗拉强度，主要受其内部因素的影响，如果组成岩石的矿物强度高，颗粒之间的连结力强，且空隙不发育，则其抗拉强度高。,（三）岩石的抗剪强度,1.定义：岩石的抗剪强度是指岩石抵抗剪切作用的能力,表1-5 煤矿中常见岩石强度值（kg/2）,（四）岩石各种强度之间的关系,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抗剪强度抗拉强度,顺序关系,抗拉强度/单向抗压强度=1/51/38抗剪强度/单向抗压强度=1/21/15,数量关系,抗剪强度=,针对岩石强度的特点，在破岩时应使岩石单向或双向受
8、力井处于拉伸或剪切的状态。在井巷维护时使岩石处于受压状态。,第三节 岩石分级和围岩分类,一、普氏岩石分级法,1926年前苏联采矿工程师MM普洛托吉雅可诺夫(简称普氏)提出用一个综合性的指标“坚固性系数”来划分岩石等级。坚固性系数不同于岩石的硬度、强度、可钻性和可爆性等指标，它表示岩石在各种采矿作业(如锹、镐、钻机、炸药爆破等)以及地压等外力作用下被破坏的相对难易程度。该方法是以岩块的强度为基础的，适用于岩石破碎方面的应用。普氏认为，岩石的坚固性在各方面的表现是趋于一致的，难破碎的岩石用各种方法都难于破碎，容易破碎的岩石用各种方法都易于破碎。,岩石的坚固性系数表示岩石破坏的相对难易程度，用f来表
9、示,f亦称为普氏系数。,根据f值的大小，普氏将岩石分为十级共十五种。,二、围岩分类法,（一）煤矿锚喷支护巷道围岩分类,随着采矿业、水电工程和其它地下工程技术的迅速发展，单纯采用岩石坚固性系数分级带有一定的局限性,不能全面反映工程煤矿锚喷支护巷道的围岩分类岩体的质量。由此逐步建立了一些综合考虑工程地质构造特征的分类方法，大多围绕围岩稳定性来划分，以选择合理支护方式为明确目的。他们的共同特点是：不仅考虑了岩块的强度，而且考虑了岩体的完整性，即地质构造的影响程度；节理和裂隙的发育程度；风化程度；层状岩层的层厚等。以调查研究为基础，根据经验总结，对各类岩体提出了维护措施，便于应用。,表1-7 煤矿锚喷
10、支护巷道围岩分类表,（二）按围岩松动圈的分类方法,经过大量的现场松动圈测试及其与巷道支护难易程度相关关系的调研之后，结合锚喷支护机理，依据围岩松动圈的大小将围岩分成小松动圈（040cm)，中松动圈(40150cm),大松动圈(150cm)三大类，六小类，,该分类法的主要特点是按锚喷支护机理划分围岩类别，分类区间是以支护的难易程度及锚喷支护机理而确定的；锚喷支护是指锚杆，锚、喷、网，锚网、网梁等以锚杆为支护主体的支护的总称。,表1-8 巷道支护围岩松动圈分类表,第四节 井巷地压理论,一、井巷地压概念,地压现象,采掘工作破坏了原岩应力的平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，直到形成一个新的应力平衡
11、状态，产生巷道围岩二次应力。若二次应力大于岩体强度极限，就产生变形松动，造成巷道顶板下沉，片帮冒顶，底板鼓起的这种力学现象，称地压现象。,地压,作用在围岩和支架上的力称为地压。,（一）原岩应力,原岩应力主要是由于岩体（包括覆盖的岩体）的自重和地质构造作用引起的。显然，这与岩体的特性（如裂隙的方向、分布密度、岩体的流变性等）有密切的关系；还与断层、褶皱等地压构造现象有密切的关系。因此，岩体中每一个单元的原岩应力状态随该单元的位置不同而有所变化。,1.自重应力,定义,影响因素,处于一定深度的原岩体，承受着上部岩体的重量，由于这个重量所引起的单位面积上的内力，就是自重应力。,岩体的自重应力随着深度呈
12、线性增长，在一定深度范围内岩体的自重应力数值不大，岩体基本上处于弹性状态。当埋深较大且超过某一极限深度时，岩体的自重应力就会超过岩体的弹性限度，岩体将处于塑性状态。,方向,岩体自重应力的方向是指向地心的。但巷道开挖后，自重应力不但能产生顶板压力，同样可产生侧压，并且根据岩性不同而产生的水平压力约等于垂直压力的25%40%。,2.构造应力,定义,地质构造作用在岩体内积存着的应力称为构造应力。,构造应力产生的原因是岩体中储存的弹性变形能很大。岩体的弹性变形能越大，若岩体中的应力达到强度极限，岩体就破坏，产生地质构造。,不规则形状,2.构造应力,常见的是：向、背斜、逆断层，他们的共同特点是构造应力的
13、方向与构造走向垂直，若巷道穿越压应力构造带，巷道围岩不产生拉应力。,压应力构造,最明显常见的是张性断层（正断层），构造应力的方向与走向一致，若在构造应力场内布置巷道，巷道围岩将遭受拉应力作用，支护非常困难。,拉应力构造,常见的是平推断层和剪切缝，构造应力的方向是剪切缝锐角平分线方向。构造应力值的主要获取手段是实测，并辅以麦克库钦理论加以验证。,剪应力构造,（二）巷道支承压力的分布规律及对巷道稳定性的影响,在岩体内开掘巷道后，巷道上方悬露岩层的质（重）量将要转移到两帮的煤（岩）体上，在巷道两侧形成应力升高区，而在巷道底板出现应力降低区，在应力升高区以外，仍保持原始应力状态。,开掘后，巷道周边岩石
14、的受力状态由三向压缩转为双向压缩，岩石强度有很大减弱。在集中应力的作用下，巷道两侧边缘的围岩就要被压裂甚至压碎，此处应力也随之降低。由于这种破碎区的产生，从而导致应力再一次重新分布，支承压力向岩体深部发展，巷道周围即被应力降低区（即破碎区）所包围。,二、围岩压力及其影响因素,井巷地压包括变形地压和松动地压两类。变形地压又分为弹性变形压力和塑性变形压力。弹性变形压力，不是支护的对象。,塑性变形压力。如果能及时地进行支护,不会造成巷道失稳。,减小应力集中和避免采动影响是控制变形压力的首要措施。,围岩压力松动压力按成因划分为巷道的顶压、侧压和底压三种类型。,巷道开掘以后，暴露出来的顶板岩石，类似双支
15、梁一样支承上部岩石的压力。受力后的顶板梁将向下弯曲，靠近巷道顶板线的岩石承受拉力而裂开。,随着裂隙的增多、扩大，岩石就开始冒落，它的压力也将逐渐降低，而作用在巷道两帮岩石上的压力却逐渐增加,当顶板破碎岩石冒落到一定范围而形成自然平衡拱时，就停止冒落。这时顶板又处于新的平衡状态，巷道上部的压力，通过拱顶传到巷道两帮岩石上。顶板下沉变形和顶板冒落的岩石作用在支承物上的压力称为顶压。,（a）顶板下沉两帮挤进（b）顶板起尖两帮挤进（c）顶底板移近两帮挤进巷道侧压引起的两帮挤进图,巷道产生的侧压得到新的平衡之后，新的自然平衡拱仍将上部的压力传给巷道两帮，再传给底板。当巷道底板结构为软弱岩层时，底板在水平
16、集中压力作用下的底鼓变形十分明显，围岩控制的重点将是底鼓。,根据上述三种围岩松动压力产生的原因可知，侧压和底压都是由顶压引起的，而顶压与巷道的掘进及支护关系更为密切。因此，在生产实践中，对于顶压所引起的围岩变形移动现象，应特别注意。,三、影响围岩压力因素的分析,（一）围岩变形位移特征,（1）巷道掘进后，围岩首先产生弹性变形。,（2）随掘进时间的延长，围岩变形速度将日趋缓和。,（3）当巷道周边岩石为较软岩层时，围岩变形从位移扩大到松软破裂带直至岩石冒落，此时围岩压力显著增大。,（4）围岩开始冒落到完成，围岩压力将从高峰值逐渐降低并趋于稳定。,由此可见，巷道围岩压力随围岩变形移动及破碎过程，将经过
17、掘巷期间从产生到明显增大缓慢增长趋向稳定岩石破碎冒落期间显著增大逐渐降低趋向稳定6个时期。认识到这种巷道围岩从掘进巷道到围岩破坏期间压力变化的动态过程，对于正确选择支护结构类型，及时发挥支护的作用，防止围岩的不利影响，是非常有用的。,（二）巷道埋深,围岩压力的大小，是由围岩的变形移动和破碎状况决定的。变形的大小首先决定于原岩应力，而原岩应力的大小与深度成正比。所以巷道埋深越大，变形越大，围岩压力也越大。在同一深度条件下，构造应力较大的地区，围岩压力因变形增大而显著增大。,（三）支架刚度,思考题1.岩体的组成部分有哪些？岩石和岩体有什么区别？2.地质构造对井巷工程稳定性有哪些主要影响？3.何谓岩石的密度和表观密度？4.何谓普氏系数？根据普氏系数煤炭行业把围岩划分为哪五类？5.根据锚喷与支护的需要，巷道围岩分哪几类？6.什么是原岩应力？它包括哪两个方面7.岩体的原始应力和围岩应力分布有什么区别？8.如何用变形量判别围岩的稳定性？9.什么是围岩压力？影响因素有哪些？10.巷道开掘后，支承压力对巷道稳定性产生哪些影响？,本章结束,
