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1、巷道掘进技术及顶板管理,（第一讲） 岩石的物理性质,1,巷道掘进技术及顶板管理,2,巷道掘进技术及顶板管理,一、岩石的物理性质,(一)岩石的密度 (二)岩石的孔隙性 (三)岩石的吸水性 (四)岩石的碎胀性,3,巷道掘进技术及顶板管理,(一)岩石的密度 岩石的密度是指单位体积的岩石(不包括空隙)的质量。岩石的密度取决于岩石的矿物成分。,岩石的种类 密度kgm3 石灰岩 (2.48-2.85)103 砂 岩 (2.6-2.75)103 页 岩 (2.57-2.77)103,4,巷道掘进技术及顶板管理,实验一：岩石密度试验,先用天平测出了干燥后岩石的质量m，用量杯盛有一定量的水V1，记下岩石放入量杯
2、饱和后量杯里水的体积V2，采取如下步骤： 器具与材料：密度量杯,水,天平 （1）记下岩石放入水中时，水和岩石的总体积V2 （2）把量杯的水里岩石拿出，再记下量杯内剩下的水的体积V1 （3）算出岩石的体积V=V2-V1 (4)计算岩石的密度p=m/V,5,巷道掘进技术及顶板管理,岩石的密度取决于岩石的矿物成分。一般地、岩石的密度接近岩石矿物成分的密度。 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、而深部的岩石一般具有较大的密度。,自然规律,6,巷道掘进技术及顶板管理,(二)岩石的孔隙性 岩石的孔隙性是指岩石中孔洞和裂隙的发育程度、它通常用孔隙度表示。孔隙度
3、就是岩中的各种孔洞、裂隙体积的总和与岩石总体积之比。,7,巷道掘进技术及顶板管理,岩石的孔隙性对岩石的其他性质有显著的影响。孔隙率增大可使岩石的密度和强度降低、塑性变形和透水性增大。在掘进施工中、裂隙常导致发生冒顶片帮；同时裂隙也是导水和泄出瓦斯的通道。,自然规律,8,巷道掘进技术及顶板管理,(三)岩石的吸水性 岩石的吸水性是指遇水不崩解的岩石在一定的试验条件下吸入水分的能力、通常用岩石的吸水率表示。岩石的吸水率就是岩石在大气压力下吸入水的质量与岩石烘干质量的比值。,9,巷道掘进技术及顶板管理,岩石的吸水率的大小、取决于岩石所含的孔隙、裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况。在工程上往往用吸水
4、率的大小来评价岩石的抗冻性能。当吸水率小于0.5时、一般认为岩石是耐冻的。,自然规律,10,巷道掘进技术及顶板管理,煤矿常见岩石的吸水率,岩石种类 吸水率 砂 岩 0.20-12.19 花 岗 岩 0.1-O.92 页 岩 1.8-3.0 石 灰 岩 O.1-4.45,11,巷道掘进技术及顶板管理,(四)岩石的碎胀性 岩石破碎后的体积将比整体状态下增大、这种性质称为岩石的碎胀性。岩石的碎胀性用碎胀系数表示、就是岩石破碎后处于松散状态的体积和破碎前处于整体状态下的体积之比,12,巷道掘进技术及顶板管理,分析：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。坚硬岩石破碎后块度较大
5、且排列整齐、碎胀系数较小；反之、如破碎后块度较小且排列较杂乱、则碎胀系数较大。,应用：在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。,13,巷道掘进技术及顶板管理,煤矿中常见的岩石的碎胀系数,岩石种类 碎胀系数 碎 煤 1.20砂 质 页 岩 1.60-1.80 砂 1.06-1.15 粘 土 1.20 硬 砂 岩 1.50-1.80 粘土页岩 1.40,14,巷道掘进技术及顶板管理,我们了解了岩石的与生产有关的物理性质，那么岩石在力学方面还存在那些性质呢？请听下一讲 岩石的力学性质及工程分级 谢谢大家！,15,巷道掘进技术及顶板管理,二、岩石的力学性质,(一)岩石的
6、变形性质 (二)岩石的强度性质 (三)岩石的硬度,（第二讲） 岩石的力学性质与工程分级,(一)岩石的变形性质 岩石的变形性质是岩石的主要力学性质。岩石受载时首先发生变形、当载荷增大超过某一数值(极限强度)时、就会导致岩石的破坏。所以岩石的变形和破坏是岩石在载荷的作用下力学性质变化过程中的两个阶段。,岩石的变形主要有以下几种状态,(1)岩石的弹性变形：岩石在载荷作用下发生变形、卸载后岩石变形能完全恢复的变形。 (2)岩石的塑性变形：岩石在载荷作用下发生变形、卸载后岩石变形仍然保留不能恢复的变形。 (3)岩石的脆性破坏：岩石在载荷作用下、在破坏前没有明显的塑性变形就突然破坏。 岩石的弹性、塑性和脆
7、性不是绝对的、可随受力状态、加载速度、温度等条件而变化。,(二)岩石的强度性质 在外荷载作用下岩石抵抗破坏的能力称为岩石的强度。岩石的强度性质也是岩石的主要力学性质。 岩石试件在单向压缩时能承受的最大压应力值叫做岩石的单向抗压强度；岩石试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力值叫做岩石的单向抗拉强度；岩石试件能承受的最大剪应力值叫做岩石的单向抗剪强度。,实验研究结论：,岩石在不同受力状态下的各种强度值、一般符合下列由大到小的顺序：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、单向抗拉强度。 岩石的强度越高、其抵抗外力使其变形、破坏的能力越强、则巷道越稳定。有的巷道可以利
8、用围岩本身的强度而不支护、就可以维持巷道的稳定。,(三)岩石的硬度（坚固性） 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。硬度与抗压强度有联系又有区别。对于凿岩、岩石的硬度比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、硬度指标更接近反映钻凿岩石的实质和难易程度。,坚固性系数的基本概念,大多数岩石的坚固性在各个方面的表现是趋于一致的，难破碎的岩石用各种方法都难破碎；容易破碎的岩石用各种方法都容易破碎。也叫做普氏系数的基本概念。岩石的坚固性是指岩石的爆破和凿岩的难易程度。分级指标f称普氏岩石坚固性系数，,普氏岩石分级表,最坚固的岩石最坚固、最致密的
9、石英岩及玄武岩，其它最坚固的岩石20 很坚固的岩石很坚固的花岗岩类：石英斑岩，很坚固的花岗岩，硅质片岩；坚固程度较I级岩石稍差的石英岩；最坚固的砂岩及石灰岩15 坚固的岩石致密的花岗岩及花岗岩类岩石，很坚固的砂岩及石灰岩，石英质矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石10 a坚固的岩石坚固的石灰岩，不坚固的花岗岩，坚固的砂岩，坚固的大理岩。白云岩，黄铁矿8 相当坚固的岩石一般的砂岩，铁矿石6 a相当坚固的岩石砂质页岩，泥质砂岩5 坚固性中等的岩石坚固的页岩，不坚固的砂岩及石灰岩，软的砾岩4 a坚固性中等的岩石各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩3 相当软的岩石软的页岩，很软的石灰岩，白垩，岩盐，石膏，冻土，
10、无烟煤，普通泥灰岩，破碎的砂岩，胶结的卵石及粗砂砾，多石块的土2 a相当软的岩石碎石土，破碎的页岩，结块的卵石及碎石，坚硬的烟煤，硬化的粘土1.5 软岩致密的粘土，软的烟煤，坚固的表土层1.0 a软岩微砾质粘土，黄土，细砾石0.8 土质岩石腐植土，泥煤，微砾质粘土，湿砂0.6 松散岩石砂，细砾，松土，采下的煤0.5 流砾状岩石流砂，沼泽土壤，包含水的黄土及包含水的土壤0.3,这个分法将岩石按坚固性分为10级15种，在现场使用不方便。为了简化，我国煤炭系统按坚固性将煤、岩分类为： 软煤 f=1-1.5 硬煤 f=2-3 软岩 f=2-3 中硬岩 f=4-6 硬岩 f=8-10 坚硬岩石 f=12
11、-14 最坚硬岩石 f=15-20,三、围岩的分类,根据成因的不同、岩石分为岩浆岩、沉积岩、变质岩。对于采掘工程来说、还要对岩石进行定量的区分、以便能正确地进行工程设计、合理地选用施工方法、施工设备、机具与器材。 工程实践与理论研究得出、围岩的稳定性主要取决于岩体的结构和岩体强度、煤矿部门根据锚喷支护与施工的需要、根据煤矿岩层的特点、制定了围岩分类表。,围 岩 分 类,一、矿山压力的基本概念,1、原始应力状态 地下岩体在采动以前、由于自重的作用在其内部引起的应力、通常称为原始应力。开采前的岩体处于静止状态、所以原来岩体处于应力平衡状态。井下采掘工作破坏了原来岩体应力的平衡状态、引起岩体内部的应
12、力重新分布。这种由于井下进行采掘活动而在采掘空间周围的岩体中、以及在支护物上所引起的力、叫做矿山压力。,（第三讲）巷道地压的形成,27,巷道掘进技术及顶板管理,岩石的原始应力状态示意图,X轴,Y轴,Z轴,28,巷道掘进技术及顶板管理,2、地压显现 开掘巷道后在矿山压力的作用下，当重新分布的应力超过煤、岩的强度时，就会使巷道围岩产生变形、移动和破坏。 现象：产生顶板下沉、井巷片帮、底鼓、支架折损、煤(岩)被抛出等现象。这种由于矿山压力的作用、使围岩和支护物产生的种种力学现象、统称为矿山压力显现、简称矿压显现。,29,巷道掘进技术及顶板管理,3、巷道地压的分类 巷道地压包括变形地压和松动地压两类。
13、,30,巷道掘进技术及顶板管理,二、巷道地压的形成过程,（一）巷道顶板受力分析,巷道开掘后围岩受力情况,31,巷道掘进技术及顶板管理,（二）巷道顶压的产生,32,巷道掘进技术及顶板管理,（三）巷道侧压的产生,巷道侧压产生的示意图,33,巷道掘进技术及顶板管理,（三）巷道底压的产生,巷道底压的产生示意图,34,巷道掘进技术及顶板管理,巷道地压包括：变形地压和松动地压两种。变形地压又分为弹性变形压力和塑性变形压力；围岩的松动压力按成因划分为巷道的顶压、侧压和底压。侧压和底压是由顶压引起的。那么巷道地压在巷道周围有什么样的分布规律呢？它们对巷道的稳定性又有什么影响呢？请听下一讲。 谢谢大家！,35,
14、巷道掘进技术及顶板管理,三、巷道支承压力的分布规律及对巷道稳定性的影响,巷道围岩应力分布曲线 a-应力降低区；b-应力升高区、c-原始应力区,（第四讲）巷道地压分布规律,36,巷道掘进技术及顶板管理,如上所述、由于岩石强度(包括地质和技术条件)的不同、在岩体内开掘巷道后、岩体内的应力要重新分布、其变形、移动和破坏的形式也不同。,巷道围岩应力再一次重新分布 a-应力降低区(破碎区)；b-应力升高区(塑性变形区)；,37,巷道掘进技术及顶板管理,(1)当围岩为比较稳定的坚硬砂岩或石灰岩时、巷道开掘后、在巷道两侧形成支承压力、既使加上回采所形成的支承压力、由于岩石强度高、巷道围岩仍在弹性变形范围内。
15、此时巷道甚至可以不必支护、就是架设支架、所受压力也极其有限。在这种情况下巷道就很稳定、极易维护。,巷道围岩只发生弹性变形的应力分布 1-垂直方向应力；3-水平方向应力,38,巷道掘进技术及顶板管理,(2)当围岩为中等稳定的砂岩、砂页岩以及比较坚硬的页岩时、巷道开掘后、在两侧形成的支承压力和受回采影响形成的支承压力作用下、顶板及两帮可能发生局部破碎和片落、支承压力最高点外移、巷道上方可以形成自然平衡拱。由于支架具有一定的工作阻力、巷道变形能够稳定下来、巷道围岩的应力分布、如图所示。,巷道围岩发生塑形变形的应力分布 1-垂直方向应力；3-水平方向应力,39,巷道掘进技术及顶板管理,(3)当围岩为不
16、稳定的煤、泥质页岩、炭质页岩时、由于岩石比较软弱、巷道开掘后、围岩即发生变形、移动和破坏、甚至可能发生冒落、底板也可能发生底臌。但由于支架的支撑作用、巷道围岩仍可处于极限平衡状态。有时虽有支架的支承作用也不能阻止其变形、移动和破坏、难于维持巷道的稳定性。假如再受到回采所形成的支承压力影响时、巷道围岩将急剧变形、移动和破坏。这时巷道用一般支架是无法进行维护的。巷道围岩的应力分布如图所示。,巷道围岩发生塑形变形的应力分布 1-垂直方向应力；3-水平方向应力,40,巷道掘进技术及顶板管理,结论： 在岩体开掘巷道后、巷道围岩的应力进行重新分布、其变形、移动和破坏可能是多次重复的。巷道周围形成的破碎区、塑性变形区以及弹性变形区、随着时间的延长、破碎区逐渐扩大、一直到新的平衡为止。在这个过程中、除了受岩石强度条件的影响外、还由于支架的支撑作用阻止了破碎岩块的冒落和破碎区的向外发展、使岩体深部抵抗破坏的能力增强、而且还由于已经破碎的岩块之间的摩擦力可以产生一定的抵抗力量。,41,巷道掘进技术及顶板管理,四、采区巷道变形破坏的基本规律,(一)采区平巷沿走向的矿压显现规律 现以本区段工作面采完后留下供下
