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1、第三章 井巷工程地质 统计资料表明，煤矿出现的工程事故中，大约有49以上的事故都与工程地质问题有关。工程地质问题是与人类工程活动引起的边坡滑动、地基沉陷、岩体移动，以及井巷开裂、片帮、冒顶和膨胀等工程现象有关的地质问题。工程地质学是研究与工程建筑有关的地质理论和方法的科学，主要研究与工程建筑有关的地质条件，岩土的工程地质性质，岩体的工程地质力学特征和工程动力地质作用等内容，它是一门介于工程建筑学和地质学之间的应用性边缘学科，广泛应用于水利、港口、铁道、矿业和建筑等部门。 近些年来，我国煤矿建设与生产部门已开始自觉地运用工程地质学的理论、规律和方法，探索解决矿井建设和生产中的工程地质问题，并形成
2、井巷工程地质的重要研究方向。井巷工程地质是研究井巷、硐室、采场所在岩体的工程地质条件，分析和评价岩体的稳定性，拟定通过不稳定岩体的施工措施，为矿井设计与施工提供工程地质依据。由于岩体既是井巷工程的背景，又是井巷工程结构的组成部分，因此根据工程地质条件选定工程位置、规划设计方案和拟定施工方法，这对于避免工程隐患，防止灾害事故，减少工程费用，缩短施工期限，增加经济效益都具有重要的实际意义。第一节 岩体工程地质性质 岩体工程地质性质包括岩石的物理性质、力学性质和岩体的结构特征等。它不仅是评价井巷工程地质条件的必要参数，而且也是进行采掘工程设计与施工，选择综采工作面设备，计算建筑物基础允许承载力，治理
3、水、火、瓦斯和顶板灾害的重要依据。因此，查明岩体工程地质性质的特征和变化规律，是进行井巷工程地质研究的基础。 一、岩石的物理性质 1岩石的真密度和视密度 岩石的真密度是指岩石固体部分单位体积的质量。它主要决定于组成岩石的矿物成分的密度和百分含量。 岩石的视密度视是指岩石单位体积的质量，它又称密度。它不仅决定于组成岩石的矿物成分，而且也决定于岩石的孔隙度。一般情况下，由于固结岩石的孔隙度不高，因此岩石的视密度接近于真密度。 2岩石的孔隙度 岩石的孔隙度是指岩石中孔隙的总体积与岩石的总体积之比，即单位体积的岩石中孔隙所占的体积，一般用百分数表示。孔隙有开放型和封闭型之分，因此岩石的孔隙度是开型孔隙
4、度与闭型孔隙度之和。孔限度越大，岩石的强度越小。 3岩石的吸水性 岩石的吸水性是指岩石吸收水分的性能，可用吸水率和饱和吸水率两个指标来表征。 岩石的吸水率是指岩石在普通大气压下的吸水能力。其数值为岩石所吸收水分的重量与干燥岩石重量之比值，即 (3-1) 岩石的饱和吸水率是指岩石在一定高压下(15MPa即150at) 的饱和吸水能力。其数值为饱和合吸水重量与干燥岩石重量的比值，即 (3-2) 在普通大气压下，水只能进入岩石的较大开型裂隙，不能进入较小的开型裂隙，在高压条件下，岩石的全部大小开型裂隙均已充水，因此饱和吸水率比吸水率要大。饱水系数是指岩石的吸水率与饱和吸水率的比值，即 (3-3) 在
5、工程地质条件评价时，岩石吸水能力的大小是一个重要参数。岩石吸水能力超强，说明岩石的裂隙越发育，因而岩石的强度越低，稳定性越差。岩石的饱水系数越大，说明岩石中大的开型裂隙的数量较多，而小的开型裂隙数量较少。岩石的饱水系数一般为0.50.8。 4岩石的软化性 岩石的软化性是指岩石浸水后引起强度降低的性能。表征岩石软化性的指标称软化系数。它是饱水岩石试样的抗压强度与干燥岩石试样的抗压强度的比值，即 （3-4） 岩石软化性决定于岩石的碎屑成分、胶结物成分、孔隙度和风化程度。含亲水性或可溶性矿物较多时，遇水易使岩石内部颗粒连结削弱，岩石软化。岩石软化系数是判断岩石耐风化、耐水浸能力的指标之一。一般认为，
6、岩石的小于0.75时，属于易软化岩石，大于0.75时，则为不易软化岩石。 5岩土的膨胀性 部分粘土或粘土岩受水浸湿后体积发生膨胀的性能，称为岩土的膨胀性。它可引起建筑物基础破坏和井巷工程严重变形的不良后果。岩土的膨胀性主要决定于粘土矿物的成分和含量。蒙脱石的层状晶格之间的联系很弱，能吸收大量的水，并以水分子的形式存在于相邻晶包之间，因此，蒙脱石浸水后体积膨胀甚剧。它能吸收本体积8倍的水，体积膨胀l030倍。高岭石的层状晶格结合得比较牢固，吸水能力不强，膨胀性能微弱。水云母的吸水膨胀性能介于前述两者之间。如果粘土或粘土岩中含有大量蒙脱石和水云母，这样的岩土层具有很强的吸水膨胀性能。通常评价岩土膨
7、胀性强弱的指标有以下三种：体积膨胀率是指人工制备的烘干土，在水中增加功体积和原体积的百分比，即 (3-5)式中 试验前土的体积； 膨胀稳定后试样的体积。根据体积膨胀率，可将膨胀土分为膨胀严重、膨胀中等、膨胀不严重三类。其中：膨胀严重，l00；膨胀中等，l0050；膨胀不严重，50。线膨胀率是指环刀切取的原状土样，浸水饱和后试样增加的高度与原高度的百分比，即 （3-6）式中 试验前土样高度； 试验后土样高度。 根据线膨胀串将膨胀土分为三类：高膨胀土10%；中膨胀土=110；轻膨胀土1。 膨胀力是指由于土体的膨胀而产生的压力。通常采用抵抗土体积膨胀所需的垂直压力表示。 6粘性土的可塑性 随着粘性土
8、的含水量逐步增加，它可以从固体状态经过塑性状态变为流动状态。反映粘性土状态变化、塑性大小和软硬程度的指标有以下几种： 塑限是指粘性土由固体状态转变为塑性状态时的界限含水量。 液限是指粘性土由塑性状态转变为流动状态的界限含水量。 塑性指数是指液限与塑限的差值。塑性指数表示土具有塑性时含水量的变化范围。塑性指数越大，说明土的可塑范围越大，塑性越好。液性指数是表示土的含水量与状态分界限含水量、关系的指标，即 (3-7) 粘性土的状态可根据液性指数分为五类：坚硬土，0：硬塑土，00.25；可塑土，0.2575；软塑土，0.751；流塑土，l。由此可见，浓性指数不仅可以确定天然状态时土的软硬程度，而且也
9、可间接反映土的强度。 7岩石的耐冻性 岩石的耐冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能。将试样浸水饱和，然后在25下冷冻，冻后融化，融后再冻，如此反复1015次，如果试样不出现裂缝、片落、脱角和其它破坏现象时，则认为是耐冻的岩石。 岩石的耐冻性与岩石的结构有关。若岩石结构不均一，孔隙、裂隙集中，粒间连结力较弱且软化系数较小时，则岩石的耐冻性就超差。饱水系数可作为岩石耐冻性的间接指标。饱水系数越大，说明进入开型孔隙的水量较多，则岩石的耐冻性就较差。一般认为耐冻岩石的饱水系数小于0.8。 二、岩石的力学性质 岩石的力学性质主要是指岩石在受力情况下，所发生的变形和强度特性。强度特性参数包括抗压、抗拉、抗剪和抗
10、弯强度。变形特性参数包括弹性模量、泊松比、流变性等。 1岩石的抗压强度 岩石的抗压强度是指岩石所能承受的最大压应力，用符号R表示，其单位为帕斯卡Pa。岩石抗压强度的大小决定于岩石的成因、矿物成分、胶结物成分、结构、构造、孔隙度、含水量和风化程度等。抗压强度超高，岩石的坚固性越好。一般来说，干燥岩石比含水岩石抗压强度高，新鲜岩石比风化岩石的抗压强度高，无裂隙岩石比裂隙发育岩石的抗压强度高；垂直层理或片理方向比平行层理或片理方向的抗压强度高；密度大的岩石比密度小的岩石的抗压强度高。 2岩石的抗剪强度 岩石的抗剪强度是指岩石所能承受的最大剪应力。在数值上等于岩石剪切破坏时的极限剪应力值。岩石的抗剪强
11、度由内摩擦力和粘聚力两部分组成。其计算公式为 =+ （3-8）式中 垂直的压应力； 岩石的内摩擦角； 岩石的内摩擦系数f。 3岩石的抗拉与抗弯强度 岩石的抗拉强度是指岩石所能承受的最大拉应力。 岩石的抗弯强度是指岩石在受弯状态下所能承受的最大拉应力或压应力。 由于坚硬或半坚硬岩石为脆性体，在压缩情况下，颗粒间的分子引力随荷载的增加而增大，在拉伸的情况下，颗粒间的分子引力随荷载的增大而减小。因此，岩石的抗压强度远远大于其它应力下的强度。根据经验，抗张强度只有抗压强度的35，抗剪强度为抗压强度的68，抗弯强度为抗压强度的715。 4岩石的坚固性 岩石的坚固性是指岩石抵抗外力的总强度，以普氏硬度系数
12、表示。若岩石的单轴抗压强度为l0MPa(100kgfcm2)，其普氏硬度系数为1。各种岩石的硬度系数可用下式求得： （3-9）5岩石的弹性模量与泊松比 当岩块受到单向压缩时，随着应力的不断增加，岩块依次经历弹性变形、塑性变形和破裂变形阶段。在弹性变形阶段，应力-应变曲线基本上是一条直线，即表示应力与应变呈正比关系。弹性模量好就是应力和应变的比例常数。该值越大，反映岩块越不易变形。在岩块纵向压缩变形的同时，横向就相应发生拉伸变形，其横向应变与纵向应变也成正比关系，两者的比例常数称为泊松比。综上所述，在实验室条件下，通过来样测试的岩石的物理性质和力学性质，往往与现场实际有一定出入。这是因为岩体是一
13、种极其复杂的各向异性的非连续介质，它的结构、构造远非一块试样所能完全代表，同时试验条件又不可能与自然条件完全相符合，因此除了采样试验时注意其代表性外，在采用测试数据时要适当留有余地，综合考虑其它地质特征，并广泛发展现场直接测试技术。煤矿常见岩石的主要物理力学性质数据综合列于表3-1中。表31 几种沉积岩的主要物理力学性质数据指标岩石密度（g/cm3）真密度空隙度%吸水率%抗压强度MPa软化系数摩擦系数弹性模量104MPa干湿石英砂岩泥质砂岩、粉砂岩泥岩页岩石灰岩泥质灰岩、泥灰岩2.42-2.702.40-2.602.40-2.602.47-2.602.60-2.772.45-2.652.64-2.772.60-2.702.70-2.752.63-2.752.70-2.802.70-2.751.0-9.35.0-20.03.0-7.02.0-7.01.0-3.51.0-10.00.1-0.21.0-9.00.7-3.01.8-3.20.2-3.01.0-3.0100-20030-8020-4550-6070-16030-10070-1505-4510-3013-4060-1208-500.65-0.940.21-.0750.40-0.660.24
