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1、2023/8/17,1,授 课 人:沈国桂 副教授,巷道施工技术,2023/8/17,2,井巷工程的重要性井巷工程的要求本课程的主要内容,绪论,授课时间安排,2023/8/17,4,第一章岩石的性质与分级,1.1岩石的物理性质 1.2岩石的力学特征 1.3岩石分级和围岩分类,2023/8/17,5,破碎岩石和防止岩石破碎就成为井巷工程中要解决的一对主要矛盾。首先应了解岩石的性质，制订出科学的岩石分级和围岩分类方法，以此作为选择破岩和井巷维护方法的依据。,1.1 岩石的物理性质,2023/8/17,6,1.1 岩石的物理性质,一、概述（一）岩体的组成 从煤矿采掘角度来看，岩体包括以下三部分：1岩
2、石2地下水3瓦斯,2023/8/17,7,1.1 岩石的物理性质,1岩石 岩石是指颗粒间牢固联结、呈整体或具有节理、裂隙，并由各种造岩矿物颗粒组成的集合体。岩石是组成整体地壳的自然材料而非经搬运后的一块巨石。矿物是组成岩石的细胞，它是地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素或化合物。岩石的特性，很大程度上取决于它的矿物成分。组成岩石的矿物称为造岩矿物，分原生矿物和次生矿物两大类，常见的主要造岩矿物仅30多种。,2023/8/17,8,1.1 岩石的物理性质,2地下水 地下水充填于岩石的孔隙、层理、节理、裂隙、断层甚至溶洞之中。地下水可使岩质软化，强度降低，不仅对井巷工程的设计方案、施工方法与
3、工期、工程投资以及工程长期使用，有着密切的关系，而且若对地下水处理不当，还可能产生不良影响，甚至发生工程事故。在地下水中进行井巷工程施工时必须采取排水措施。,2023/8/17,9,1.1 岩石的物理性质,3瓦斯 瓦斯是指从井下煤体和围岩中涌出以及生产过程中产生的各种有害气体的总称。在煤系地层中，瓦斯主要是指沼气(CH4)，瓦斯易积聚于巷道顶部，易扩散，渗透性强，它产生于煤层而又扩散到附近岩体的裂隙或孔洞中。瓦斯爆炸是煤矿主要灾害之一，国内外已有不少由于瓦斯爆炸造成人员伤亡和严重破坏的惨痛教训。所以，必须很好地掌握瓦斯爆炸的发生、发展规律及其预防措施，杜绝此类事故，确保安全生产。,2023/8
4、/17,10,1.1 岩石的物理性质,(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、沉积岩和变质岩三大类。煤系地层多属沉积岩，只有局部地段才有岩浆岩的侵入。常见的沉积岩有角砾岩、砾岩、砂岩、泥岩、页岩和石灰岩等。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。建井工程中常把上述这些固结性岩石，统称为基岩；把覆盖在基岩上的松散性沉积物称为表土，如黄土、粘土、砂砾等。自然界长期暴露在地表的多种岩石，由于受到各种物理、化学风化和剥蚀等破坏作用，成为碎石、细砂、泥土及溶解于水的物质。这些风化剥蚀的产物，被流水或风搬运到海洋、湖泊及地表
5、其他低洼地带沉积下来，称为沉积物。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、胶结等固结成岩作用，松散的沉积物就形成了坚硬的沉积岩。沉积岩是煤矿井下最常见的岩石，煤层本身就是由植物遗体转变而成的沉积岩。煤层的顶板和底板多是由沉积岩组成的，煤矿的井巷工程绝大多数都布置在沉积岩中。因此，沉积岩与煤矿顶板管理关系极为密切。,2023/8/17,11,1.1 岩石的物理性质,(二)岩石的生成及结构、构造 2岩石的结构和构造(1)岩石的结构。岩石的结构是指决定岩石组织的各种特征的总合，即岩石中矿物颗粒的结晶程度，矿物或岩石碎屑颗粒的形状和大小，颗粒之间相互连结的状况
6、，以及胶结物的胶结类型等特征。对于煤矿中常见的碎屑沉积岩来说，根据岩石结构可分为以下几种：砾状结构：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；砂质结构：指粒径变化在20.05mm之间的碎屑结构类型，如砂岩；粉砂质结构：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；泥质结构：指粒径小于0.005mm的碎屑结构类型，如泥岩、粘土岩等。(2)岩石的构造。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。常见的岩石构造有下列三种：整体构造：岩石的颗粒互相严密地紧贴在一起，没有固定的排列方向；多孔状构造：岩石颗粒彼此相接并不严
7、密，颗粒之间有许多小空隙(微孔)；层状构造：岩石颗粒互相交替，表现出层次叠置现象(层理)。,2023/8/17,12,1.1 岩石的物理性质,二、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。岩石的密度按下式计算：m/V(11),岩石的密度，g/m3；m岩石在干燥状态下的质量，g；V岩石在绝对密实状态下的体积，指不包含岩石内部孔隙的实体积，cm3。,式中 0岩石的表观密度，g/m3；m岩石在干燥状态下的质量，kg；V0岩石在自然状态下的体积，指包括实体积和孔隙体积在内的体积，m3。,表11煤矿中常见岩石的密度和表观密度,岩石的表观密度是指在自然状态下，单位体积内岩
8、石的质量。岩石的表观密度按下式计算：0m/V0(12),2023/8/17,13,1.1 岩石的物理性质,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。岩石的空隙比按下式计算：P=（V0V）/V0100%=（1V/V0）/V0100%=（10/）(13),表12 煤矿中常见岩石的空隙比,2023/8/17,14,1.1 岩石的物理性质,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。岩石的碎胀系数按下式计算：V”/V0
9、式中岩石的碎胀系数；V”破碎膨胀后的堆积体积，m3。碎胀系数与岩石的物理性质、破碎后块度的大小及其排列状态等因素有关。岩石破碎后，在其自重和外加载荷的作用下将逐渐压实，体积随之减小，这种压实后的体积与破碎前原始体积之比，称为残余碎胀系数。残余碎胀系数反映破碎岩石被压实的程度，它与岩石本身的物理力学性质、外加载荷大小及破碎后经历的时间长短有关。煤矿中常见岩石约碎胀系数和残余碎胀系数见表13。,2023/8/17,15,1.1 岩石的物理性质,五、岩石与水有关的性质(一)岩石的水胀性和水解性 水胀性和水解性主要是松软岩石所表现的特征。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
10、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，将试样浸入水中，崩解后剩余的试样质量与原始质量之比可作为水解性指数。(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。即用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来表示水分对岩石强度的影响程度。岩石的软化系数按下式计算：KRRb/Rg(15)式中 KR岩石的软化系数；Rb吸水饱和状态下岩石试件的单向抗压强度，Mpa；Rg岩石试件在干燥状态下的单向抗压强度，MPa。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
11、浸水时间的长短等因素有关，亲水矿物和易溶矿物含量越多，开口空隙越发育，岩石浸水时间越长，则岩石浸水后强度降低程度越大。研究岩石的软化系数对用高压注水软化方法控制坚硬难冒顶板有着重要意义。煤矿中常见岩石的软化系数见表14。,2023/8/17,16,1.1 岩石的物理性质,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人或刻划的能力。岩石的硬度常采用刻划法测定，硬度越大，则其耐磨性越好，加工越困难。岩石的耐磨性是指岩石表面抵抗磨损的能力。岩石的耐磨性用磨损率来表示，可按下式计算：N(m1-m2)/A式中 N岩石的磨损率，g/cm2；ml岩石磨损前的质量，g；m2岩石磨损后的质量，
12、g；A岩石试件受磨面积，cm2。,2023/8/17,17,1.2 岩石的力学特征,一、岩石的变形特性(一)岩石的弹性和塑性(二)岩石的流变性质二、岩石的强度特性拉、压、剪、扭,2023/8/17,18,1.2 岩石的力学特征,一、岩石的变形特性岩石受到外部载荷时首先发生变形，当载荷增加超过极限强度时，就会导致岩石破坏。所以岩石的变形和破坏是岩石在载荷作用下力学性质变化过程中的两个阶段。(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。这种完全能恢复的变形，称为弹性变形。弹性变形是可逆的。岩石在弹性变形范围内，其应力与应变的比值是一个常数，这个比
13、值称为岩石的弹性模量，即 E/(17)弹性模量且是衡量岩石抵抗变形能力的一个指标，其值越大，则岩石越不易变形。岩石的塑性是指在外力作用下产生的变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质。这种不能恢复的永久变形，称为塑性变形。塑性变形具有不可逆性。岩石与一般固体材料不同，它的弹性变形和塑性变形往往是同时出现的。例如，岩石在弹性变形阶段就已伴随或多或少的塑性变形，甚至在刚开始出现弹性变形的时刻，便出现了塑性变形。因此，岩石是兼有弹性和塑性的材料。,2023/8/17,19,1.2 岩石的力学特征,一、岩石的变形特性(二)岩石的流变性质岩石的变形特性与岩石类型、加载方式、载荷大小、岩石的物理
14、状态等因素有关。另外，许多岩石的变形并非在一瞬间完成，它与时间因素有密切关系。岩石的流变就是指岩石的应力应变随时间因素而变化的特性。岩石的流变性质表现在以下几个方面：(1)蠕变。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。蠕变有两种情况：一是当岩石应力较小时，经过一定时间，应变能稳定下来，不再增加，称稳定蠕变；二是当岩石应力较大时，应变随时间变化而不断增加，直至岩石破碎，称不稳定蠕变。其间的临界应力即为岩石长期稳定的必要条件。井下某些含有粘土矿物的岩石，蠕变相当突出，如位于一些软岩中的巷道，可以经过几天甚至几小时以后，就使巷道断面缩小到难以通行的程度。(2)后效弹性变形。岩石在弹性
15、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。后效弹性变形的发展很缓慢，而且变形量所占的比重较小，通常只占弹性变形的百分之几，很少超过10。尽管如此，后效弹性变形在井下工程中仍有重要意义。(3)松弛。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。研究岩石变形的松弛性质可以更合理地选择井下支护形式。,2023/8/17,20,1.2 岩石的力学特征,二、岩石的强度特性在载荷的作用下岩石变形，达到一定程度就会破坏。岩石发生破坏时所能承受的最大载荷叫极限载荷，用单位面积表示则称为
16、极限强度。对巷道面言，如围岩强度小于所受应力，则围岩要破坏，可能发生冒顶、片帮和底鼓等现象；如围岩强度大于所受应力，则巷道可不支护而长期稳定。影响岩石强度的因素很多，如岩石性质(岩石本身矿物成分、颗粒大小及胶结物的种类不同)、岩石的构造特征、试件的几何尺寸、岩石所处的物理状态、加载速率和岩石的受力状态等。(一)岩石的抗压强度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。它是目前井下采掘工程中使用最广泛的岩石力学特性参数。岩石的抗压强度又分为两类：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；岩石试件在三向压应力作用下所能承受的最大轴向应力(或称最大的主应力)
17、，称为岩石的三向抗压强度。通常，岩石中含高强度的矿物多、矿物颗粒间的联接力大、空隙度小，则岩石抗压强度大；反之，岩石抗压强度小。此外，在一定变化范围内，试件尺寸越小，加载速度越大，则抗压强度越大。(二)岩石的抗拉强度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。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、颗粒之间的联接力强且空隙不发育，则其抗拉强度高。(三)岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度是指岩石抵抗剪切作用的能力，它也是反映岩石力学性质的主要参数之一。,2023/8/17,21,1.2 岩石的力学特征,煤矿中常见岩石的单向抗压强度、抗拉强度和抗剪强度见表15。,2
18、023/8/17,22,1.2 岩石的力学特征,(四)岩石各种强度之间的关系岩石受力状态不同，其极限强度亦不同。实验研究可知，岩石在不同应力状态下的各种强度值，一般符合下列顺序：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。此外，实验证明，各种强度值有以下数量关系：抗拉强度单向抗压强度15138抗剪强度单向抗压强度l2115针对岩石强度的特点，在破岩时应使岩石单向或双向受力处于拉伸或剪切的状态，在井巷维护时应使岩石处于受压状态。,2023/8/17,23,1.2 岩石的力学特征,(四)岩石各种强度之间的关系岩石受力状态不同，其极限强度亦不同。实验研究可知，岩石在不
19、同应力状态下的各种强度值，一般符合下列顺序：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。此外，实验证明，各种强度值有以下数量关系：抗拉强度单向抗压强度15138抗剪强度单向抗压强度l2115针对岩石强度的特点，在破岩时应使岩石单向或双向受力处于拉伸或剪切的状态，在井巷维护时应使岩石处于受压状态。,2023/8/17,24,1.3 岩石分级和围岩分类,为了满足岩体工程设计、施工和管理工作的需要，对岩石进行分级和对围岩进行分类是 十分必要的。由于组成岩体的岩石性质不同，岩体中裂隙发育情况存在差异，岩体力学性质比较复杂，而且因研究的目的不同，分类方法也不相同。各种岩石
20、按其成因和矿物成分划分种类，加以质的区别，只能满足地质工作的需要。对于采掘工程来说，则是以破碎岩石和维护围岩稳定为目的的，需要对岩石按其工程性质加以量的区分，即岩石分级和围岩分类。在采掘工程中，为了提高破岩效率，合理地选择钻眼爆破参数，对小范围内的岩石加以量的区分，称为岩石分级；为了判定巷道周围岩体的稳定性并合理选择支护类型，对较大范围内的岩体加以量的区分，称为围岩分类。我国煤矿普遍应用的是以坚固性为基础的普氏岩石分级法和以围岩稳定性为基础的围岩分类法。,2023/8/17,25,1.3 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普洛托古雅可诺夫(简称普氏)提出用一个
21、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。,2023/8/17,26,1.3 岩石分级和围岩分类,一、普氏岩石分级法 岩石的坚固性系数表示岩石被破坏的相对难易程度，用f表示，f称为普氏系数。f值的计算，是用岩石的单向抗压强度R(MPa)除以标准岩石的抗压强度10(MPa)
22、，即 f=R10(18)来表示的。根据f值的大小，普氏将岩石分为十级共十五种。普氏岩石坚固性系数见表16。普氏岩石分级法的优点是指标单一简便，分类方法简单易行，给设计与施工带来了方便，在我国矿山工程中得到应用。存在的问题是：只是反映了岩石开挖的难易程度；由于定级的标准是以岩块强度为基础的，不能说明岩体的稳定性和完整性等特征，而决定岩体稳定性的主要因素是岩体的完整性；由于分类等级较多，使用起来不很方便。一般来讲，普氏岩石分级法对于松散岩体比较适用，而在坚固的裂隙发育较少的岩体中因计算结果偏大则不适用。,2023/8/17,27,1.3 岩石分级和围岩分类,2023/8/17,28,1.3 岩石分
23、级和围岩分类,二、围岩分类法(一)煤矿锚喷支护巷道围岩分类法随着采矿业、水电工程和其他地下工程技术的迅速发展，单纯采用岩石坚固性系数分级有一定的局限性，不能全面反映煤矿巷道的围岩岩体的质量。因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。我国煤炭、冶金和铁路等系统，都提出了岩体稳定性分类方法。其中煤矿锚喷支护巷道的围岩分类，根据锚喷支护
24、设计需要，结合煤矿岩体的特点，将围岩划分为五类，见表17。煤矿锚喷支护巷道围岩分类法，是为选择锚喷支护类型和参数服务的。这种围岩分类法，充分考虑了围岩的节理、裂隙影响，为选择锚喷支护类型和确定锚喷支护参数提供了依据，弥补了普氏分级法的不足。但还缺少综合性的分类指标，仍然缺乏简单易行的现场实测手段，有待不断改进。,2023/8/17,29,1.3 岩石分级和围岩分类,2023/8/17,30,1.3 岩石分级和围岩分类,(二)围岩松动圈分类法井下巷道开挖后，围岩应力超过围岩强度，围岩即产生变形松动现象。围岩在原始状态，是一个被压密实的实体，处于应力平衡状态。巷道开挖后，破坏了围岩的原始应力平衡状
25、态，即产生松动变形，如不及时支护，任其发展，就会产生岩层破坏，围岩冒落。这种由于巷道开挖而使围岩应力平衡状态破坏，产生松动变形的范围被称为围岩松动圈。围岩松动圈的大小与工程因素(巷道断面的形状和大小、施工方法和支护形式等)有关，同时也和地质因素有关，都是围岩应力和围岩强度的函数。因此，它是一个综合指标。,2023/8/17,31,1.3 岩石分级和围岩分类,围岩松动圈是巷道开挖后，由于受地压作用和岩石性质不同等多种因素影响，在巷道周围形成的不同大小的破裂带，即围岩内部发生的松动现象，是一个定量的综合指标。用超声波仪测定松动圈范围值，简单、实用。用围岩松动圈进行围岩分类，确定支护结构和参数，是一
26、种行之有效的方法。按松动圈进行围岩分类的方法，是巷道支护理论的重要组成部分。围岩松动圈巷道支护理论，把岩石爆破后破裂发展过程中的岩石碎胀变形和碎胀力作为支护结构的重要对象。地应力与围岩相互作用会产生大小不同的围岩松动圈，松动圈越大，支护越困难。因而得出松动圈是围岩强度、地应力的函数的结论。这一分类方法，科学地反映了支护的难度，明确了支护的对象，提出了合理的支护结构及参数，促进了锚喷支护技术的发展。,2023/8/17,32,1.3 岩石分级和围岩分类,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研究，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(040 cm)、中松动圈
27、(40150cm)、大松动圈(150cm)共三大类、六小类，见表l8。围岩松动圈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。,2023/8/17,33,小结,第一章矿井设计依据与设计程序1.1煤炭工业基本建设与矿井设计1.2矿井设计依据1.3矿井设计程序,绪论矿井设计的重要性矿井设计的要求本课程的主要内容,2023/8/17,34,第一章思考题与作业,P101岩体的组成部分有哪些?岩石和岩体有什么区别?2什么是岩石的密度和表现密度?并说明它们有什么不同?3岩石的流变性质有哪些?4普氏岩石分级法的实质是什么?它有什么优缺点?5围岩分类法与普氏岩石分级法在应用上有什么区别?,
