井巷工程2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,井 巷 工 程,山东科技大学,绪论,一、在今后煤炭仍是我国的主要能源,煤炭占能源的比例为70%左右,我国煤炭的储量,能源类型,占全球储量的比例,全球可开采年限(,y),我国可采年限(,y),探明储量,煤炭,11.1%,230,110,10306亿,t(,全球),1145,亿,t(,我国),石油,4%,41,20.6,天然气,1.1%,61.9,55,分布特点:东贫西富、北多南少,二、井巷工程在煤炭采掘中的地位,60万的矿井，投产前需开掘的工程量10-13万立方,，投资占矿井总投资的40%。生产矿井每采1万吨煤需要掘进250多米巷道。,三、本课程的任务,使学生初步具有指导巷道施工和编制作业规程的能力，并能掌握巷道、交叉点等单位工程的设计,四、主要内容,五、学习方法：理论联系实际,第一章 岩石性质与分级,第一节 概述,1.组构概念和岩石的组构特征,1.1 组构概念,组构即,组织与构造,组织：成分与基本构成内容，构造：结构形式,1.2 岩石组构基本特征,岩是经过了漫长地质史的大自然产物,特点：地质作用影响（重力、侵入、构造、风化）,漫长历史演变作用（长期变性与交互性）,无规律特点,环境复杂,(,压力、水等；物理与化学影响),2.岩石的基本构成和地质分类,2.1 岩石基本构成,造岩矿物,种类：长石、石英、云母、方解石、高岭石等近3000种,颗粒大小：反映颗粒接触面多少和对性质的影响,颗粒形状和排列：各向异性,颗粒硬度和抗风化稳定,抗风化稳定性,非常稳定,稳定,较稳定,不稳定,矿物名称(例),石英,白云母,正长石,辉石,黑云母,橄榄石,斜长石,有机质（煤）：,变质程度差异影响；“超分子结构”与“胶体”结构；,颗粒间联系：,晶间质。紧密接触，结构相对完整；,晶间质的稳定性有区别,晶间质是晶体结构的缺陷：晶体排列换向,胶结质。性质：硅质、铁质、钙质、泥质(按强度排列),形式：基质型、接触型、孔隙胶结型,裂隙和孔隙,(多层次)含：晶格缺陷；晶间、胶结层、颗粒间；结构(层理、节理)面；,2.2 岩石的地质成因分类,谷德振：岩体工程地质力学基础；孙广忠：岩体结构力学,岩浆岩,分类：深成岩、浅成岩、喷出岩,力学性质特点：,1),一般可视为均质、同性体(除部分喷出岩)；物理力学指标比较高；,2),强度和抗风化性由强到弱的排列：深成-浅成-喷出；,3),经构造运动或侵入后形成复杂构造，有多裂隙破坏，易风化；,4),岩浆岩的侵入使周围岩性变坏，常会成为重要的软弱结构。,沉积岩,分类：碎屑岩、粘土岩、化学岩和生物岩,力学性质特点：,1),粘土类岩是软岩的主要内容，粘土矿物的亲水性是岩石性质恶化的重要因素，粘土矿物风化成次生矿物。,2),粘土质岩是隔水层，常是水压的持力层,3),（粉）砂岩层、灰岩层常是透水层，会有涌水和“流沙”的危险,4),沉积岩层常有构造作用和破坏影响（褶皱、断层）,5),以层状分布为特点，显示力学各向异性(横观同性),6),碎屑沉积岩较疏松，易风化,变质岩,分类：接触变质岩和动力变质(片理状岩石和块状岩石),力学性质特点：,1),变质岩的力学性质差别较大，和母岩性质、变质条件和程度等因素相关；一般沉积岩经变质后改善岩性,2),变质岩常具有定向性构造。如片理结构等不利于岩石结构的稳定,3),由于结构的定向性使其力学性质具有各向异性,2.3 岩体结构面,岩体结构面基本类型,3大类结构面：原生结构面、构造结构面、次生结构面,岩体结构面分类表,结构面分级：根据结构面规模分级(但：须与工程结合),成因,地质构造类型,主要特征,原生面,沉积,层理面,弱夹层,间断面,层间面,层面结合良好但易水化软化,火成,流层,岩浆接触面,蚀变带,呈流态,易风化开裂,变质,片理,板理,分布密集,延展性差,结合力弱,构造面,劈理,短小密集剪切破裂面,节理,延展有限,两种(张节理和剪节理)形成规律,断层,规模大,据剪力关系分正、逆、平推断层,次生面,卸荷裂隙,分布与卸荷面有关,延续差,分布有限,面粗糙,风化裂隙,与原生结构面有关,松碎,分布深度有限,爆破与工程裂隙,岩体呈松碎,延展与分布有限,岩溶与泥化层,空洞型/常为塑态,原生岩层遇地下水泥化而致,结构面形态,1),产状：走向、倾向-玫瑰图,2),延展度：考虑与工程结合的节理“分级”,3),贯通度/切割度：节理面面积(线长)占考察断面(线长)之比,4),密集度。,线密度或间距：,K,=,n,/,L,或,d,=1/,K,面密度：单位面积中节理面积,5),粗糙度,JRC（,三类10级）；,JRC,值由实验确定,平直形：（15）级；,波浪形：（68）级；,锯齿形：（910）级。,2.4 岩体结构和结构分类,谷德振分类：4大类，8亚类,谷氏分类的意义：工程分类的基础；分析模型基础,结构类型,结构亚类,结构体形态、特征,结构面间距,整体块状结构（,I）,整体结构,岩体单一，呈整体状态或巨型块状,1.0(米),块状结构,结构面轻度发育,呈立方或长方块等块状结构,0.51.0,层状结构（,II）,层状结构,各层相对比较完整，层间有一定结合力,0.30.5,薄层结构,层面结构发育，层间结合作用弱,0.3,碎裂结构（,III）,镶嵌结构,节理密度大，结构面粗糙，块间呈刚性接触,0.5,层状碎裂结构,近于平行的软(泥化结构)与硬岩层相间组成,0.5,碎裂结构,结构面发育，成形态多样碎块，岩性复杂,0.5,散体结构（,IV）,结构面高度密集,或为未胶结沉积物的混杂态,3.三个术语,岩块,岩体岩石,4.岩体的弱面及其非均质性,岩体被弱面切割,属于非均质、各向异性的不连续介质。,第二节 岩石的物理性质,1.岩石的比重和密度,岩石由固体、水、空气三相组成，具有比重、密度、重度等指标。,1.1比重,岩石的比重就是指岩石固体实体的质量与同体积水的质量之比值。所谓岩石固体实体积，就是指不包括孔隙体积在内的实在体积。其计算公式为,岩石比重；,G,绝对干燥时体积为的岩石质量,g；,V,C,岩石固体实在体积,；,w,水的密度，,g/cm,3,。,1.2,密度,1.2.1概念:岩石单位体积(包括岩石内孔隙体积在内)的质量，称为岩石的密度，又称质量密度。,干密度:是单位体积岩石绝对干燥后的质量;,湿密度:是天然含水或饱水状态下的密度。,1.2.2影响因素,岩石密度取决于岩石的,矿物成分、空隙及含水量,。当其他条件相同时，岩石的密度在一定程度上与,埋藏深度,有关，靠近地表的岩石密度往往较小，而深部的致密的岩石一般具有较大的密度。,1.3重度,单位体积岩石所受的重力称为重度。又称重力密度。重度用,表示,。,2.,岩石的孔隙性,概念:岩石的孔隙性系指岩石的裂隙和孔隙发育程度。,表示:通常用孔隙度和孔隙比来表示。,孔隙度:即岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和对于试件总体 积,V,之比；,孔隙比:即岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和对于试件内固体 矿物颗粒体积,V,C,之比。,岩石的孔隙性对岩石的其他性质的影响,随着岩石孔隙度的增大，一方面削弱了岩石的整体性，使得岩石的密度和强度随之降低，透水性增大；另一方面由于孔隙的存,在，又会加快风化速度，从而进一步增大透水性和降低力学强度。,3.岩石的水理性质,3.1岩石的吸水率(,),概念:就是岩石试件在大气压力下吸入水的质量,g,与试件烘干质量,G,之比值.,影响因素:孔隙、裂隙的数量、大小，开闭程度及其分布情况，随着浸水时间的长短，并且与试验条件有关。,3.2岩石的透水性,概念:就是岩石被水透过的性能。,表示：渗透系数,不同岩石的透水性差别极大。,3.3岩石的溶蚀性,概念:由于水的化学作用而把岩石中某些组成物质带走的现象称为岩石的溶蚀性。,危害：溶蚀作用使岩石致密程度降低、孔隙度增大，强度降低。,3.4岩石的软化性,概念:岩石浸水后强度降低的性能。,表示：软化系数,影响因素：岩石中亲水矿物和易溶性矿物的含量、孔隙发育情况、水的化学成分以及岩石浸水时间的长短。,3.5岩石的膨胀性和崩解性,膨胀性:软岩浸水后体积增大和相应地引起压力增大的性能。,表示:膨胀应力和膨胀力。,崩解性：软岩浸水后发生的解体现象。,表示:崩解指数,4.岩石的碎胀性,概念:岩石破碎后因碎片间孔隙增多而总体积增大的性质称为碎胀性。,表示:碎胀系数,碎胀系数是指岩石破碎后的总体积对原岩破碎前体积之比，即,工程意义:,井巷掘进中选用装载、运输、提升等设备的容器时，必须考虑岩石的碎胀系数。,第三节 岩石的力学性质,1.岩石的变形特征,岩石在外荷载作用下，因应力增加而发生相应的应变。当荷载增大到破坏值，或荷载超过某一数值而保持恒定，随着时间的推移，这两种情况均会导致岩石的破坏。变形和破坏是岩石在荷裁作用下的两个发展阶段。变形中包含着破坏的因素，而破坏是变形发展所致。,OA,段:裂隙压密阶段;,特点：曲线向上凹,说明：单位应力增加引起的应变随应力增加而减少，应变速度减慢。,实质：裂隙压密,AB,段:压缩变形阶段,特点：曲线近似为直线,说明：单位应力增加引起的应变不随应力增加而变化，应变速度相等。,实质：弹性变形,BC,段:屈服变形阶段,CD,段:残余变形,BC,段:屈服变形阶段,特点：曲线向下凹,说明：单位应力增加引起的应变不随应力增加而渐增，应变速度加快。,B,点：起始破坏点,B,点应力值：弹性极限强度,C,点：最终破坏点,C,点应力值：岩石的单向抗压强度,实质：屈服变形,CD,段:残余变形阶段,过了,C,点，岩石强度大大降低，至,D,点保持为一个常数，称为残余强度。,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。,岩石的蠕变性：是指在恒定荷载作用下，岩石变形随时间而增长的特性。,2.岩石的强度特征,岩石强度是指岩石在外荷载作用下抵抗破坏的能力。,岩石强度的测定方法，是将岩石做成规定的形状和尺寸的试件，在材料试验机或三铀压力试验机上进行拉、压、剪、弯等强度试验；或者是利用点荷仅进行点荷试验。,岩石的强度特点,多表现为脆性破坏,同一种岩石的强度并非常数,岩石强度与受力状态及受力性质有关,单向抗拉强度单向抗剪强度单向抗弯强度单向抗拉强度；,三向抗压强度双向抗压强度单向抗压强度。,在巷道中岩石破坏的形式,脆性破坏：岩石在荷载作用下，没有明显的变形就突然破坏。巷道顶部的张拉裂隙就属于此类。,弱面剪切破坏：由于岩层中存在弱面（层理、节理、软弱夹层），在外力作用下，当岩石在弱面上的剪切应力大于其抗剪能力时就要破坏。如巷道顶部岩石的冒落、两帮岩石的滑移。,塑性破坏：在双向或三向应力作用下岩石表现出明显的的塑性流动或挤出，这类破坏对黏土类岩石尤为突出，如巷道两帮的挤凸和底板的隆起，就是塑性破坏的例子。,3.岩石的硬度,岩石的硬度，一般理解为岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力。,对于凿岩,，,岩石的硬度比岩石单向抗压强度更具有实际意义,，因为钻具对孔底岩石的破碎方式多数情况下是局部压碎。所以，硬度指标更接近于反映钻凿岩石的实质和难易程度。,岩石硬度因试验方式不同，有,静压入硬度,与,回弹硬度,两类。,4.岩石的可钻性和可爆性,意义：,可钻性和可爆性是用来,表示钻眼或爆破岩石难易程度,的一种概念。,表示方法,:用工艺性指标来表示。,可钻性:可以采用钻速、钻每米炮眼所需要的时间、钻头的进尺、钻每米炮眼磨钝的钎头数、或破碎单位体积岩石消耗的能量等来；,可爆性:,采用爆破单位体积岩石所消耗的炸药、爆破单位体积岩石所需的炮跟长度、或单位重量炸药的爆破量、每米炮眼的爆破量等来表示岩石的。,测试方法:落锤法,指标为,a、b,值,第四节 岩石的工程分级和围岩分类,岩石分级：对小范围的岩石加以量的区分叫岩石分级，其目的是确定岩石破碎的难易程度，合理选择爆破参数。,围岩分类：对较大范围的岩石加以量的区分叫围岩分类，其目的是确定围岩的稳定性，合理选择支护形式及支护参数。,1.,岩石分级,:岩石工程分级的方法很多。我国主要应用的是普氏分级法-按“坚固性”系数分级.,坚固性的得来: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。,坚固性系数:钻眼时,甲种岩石较乙种岩石坚固多少倍，那么爆破或挖掘时，甲种岩石仍较乙种岩石坚固多少倍。,普氏岩石坚固性系数,f,的确定:,无量刚,按,f,值的大小分为10级15种.,工程设计和定额中做了简化,分为:,f=1.5、2-3、4-6、8-10、12-14、15-20,对普氏分级的评价：普氏系数十分简明，能在一是程度上反映采掘岩石难易程度的客观规律。它的问题是，由于定级标准是取代表性的小块岩石试压而得，反映不了岩体的特征。而且关于岩石坚固性在各方面表现是趋于一致的论点，对某些岩石也不适用。如在粘土中钻服很容易，而爆破就困难。这说明单纯用,f,值进行岩石分级，是概括不了各种破岩方法的具体规律的。生产的发展，要求继续研究制定更符合实际的岩石分级法。,2.围岩分类,近年来，由于各种地下工程的大量修建，国外在围岩分类方面发展很快，总的趋势是抛弃初期单一以岩石强度指标作为分级依据的一些方法，大多,围绕围岩稳定性来划分,，以,选择合理文护方式为明确目的,。,各分类法都不同程度的考虑了围岩的结构和裂隙、岩体的强度、地下水的影响等因素。,煤矿锚喷支护围岩分类:,煤炭部门为适应锚喷支护的需要提出了煤矿井巷工程锚杆支护围岩分类，根据锚喷支护设计的需要，考虑煤矿岩性的特点、构造情况和断面尺寸，将围岩划分为五类。,评价：它是为选择锚喷支护类型及其参数服务的。由于综合分类指标太少，在具体运用该分类法确定围岩类别时，仍然缺乏简单易行的实测手段，还有待进一步充实、完善。,按岩松动圈分类,经过大量的现场松动圈测试及松动圈与巷道支护难易程度相关关系的调研，结合锚喷支护机理，依据围岩松动圈的大小将围岩分为小松动圈稳定围岩,L,P,0,40,cm，,中松动圈一般稳定围岩,LP40,150,cm,和大松动圈不稳定围岩,L,P,150cm,三个大类。,评价:,1.绕过了原岩应力、围岩强度、结构面性质测定等困难问题，但又着重抓住了它们的影响结果，即松动圈,Lp,是一个包含多因素影响的综合指标。,2.松动圈,Lp,系现场实测所得，未在重要方面作任何假设。,3.Lp,大小很容易用声测法等多种方法获得，确定支护参数时直观简单，现场应用十分方便.,4.单一综合指标分类，分类的重复性、可靠性不以人们的经验不同而变化。,5.松动圈分类方法的理论基础较为坚实，它与锚杆支护设计形成了技术系列。,作业：,1.什么是岩体?从采矿角度看它由什么组成?,2.什么是岩石的孔隙度和孔隙比?,3.试画出岩石单向受压应力-应变曲线示意图并简述其特性?,4.,在静荷载作用下，岩石的强度有何特点？,5.什么是岩石的分级、围岩分类？其目的是什么？,6.有一种岩石，其单向抗压强度为800,kg/cm,2,，,问这种岩石的普氏系数为多少？,