井巷建筑介質(zhì)與材料

1、第一章第一章 井巷建筑介質(zhì)與材料井巷建筑介質(zhì)與材料1 概述一、井巷工程的概念一、井巷工程的概念通風(fēng)及行人等工程。運(yùn)輸、排水、生產(chǎn)安全，開(kāi)掘一系列礦井輔助工程：為保證開(kāi)拓保證接替。筒延伸和新水平采煤層采完前，需要井礦井延伸工程：水平開(kāi)程也叫開(kāi)拓工程。或傾斜巷道，硐室等工要不斷準(zhǔn)備水平煤工作面、采區(qū)推進(jìn)需礦井生產(chǎn)準(zhǔn)備工程：采層而開(kāi)掘的工程。筒、巷道、硐室到達(dá)煤礦山建設(shè)工程：開(kāi)掘井井巷工程二、井巷設(shè)計(jì)與施工二、井巷設(shè)計(jì)與施工計(jì)風(fēng)井設(shè)計(jì)和回風(fēng)大巷設(shè)采區(qū)切眼采區(qū)平巷采區(qū)上下山主要運(yùn)輸大巷井底車場(chǎng)主副井設(shè)計(jì)按設(shè)計(jì)工程類型施工與勞動(dòng)組織設(shè)計(jì)通信與照明設(shè)計(jì)通風(fēng)設(shè)計(jì)支護(hù)設(shè)計(jì)鉆眼爆破設(shè)計(jì)按設(shè)計(jì)內(nèi)容地層中采用結(jié)合，

2、不穩(wěn)定含水較大特殊施工法：鉆爆機(jī)械最大程度自動(dòng)化，機(jī)械破巖施工，實(shí)現(xiàn)機(jī)械施工法：機(jī)械破巖中采用，在穩(wěn)定含水較少地層普通施工法：鉆眼爆破井巷施工方法2 井巷建筑介質(zhì) 一、巖石概述一、巖石概述 （一）概念 1巖塊巖塊：從巖層中切取出的小塊體。 2巖體巖體：地下工程周圍較大范圍的自然地質(zhì)體。 3巖石巖石：巖塊與巖體統(tǒng)稱。 4圍巖圍巖：開(kāi)挖巷道會(huì)對(duì)周圍巖石有應(yīng)力和位移等擾動(dòng)，擾動(dòng)范圍一般為5倍的巷道直徑，巷道附近受擾動(dòng)的巖石稱為圍巖。（二）地層劃分（二）地層劃分三大巖變質(zhì)巖沉積巖巖漿巖基巖泥黃土、沙子、流砂、淤表土層二、物理性質(zhì)二、物理性質(zhì) 1比重比重：巖石物體實(shí)體質(zhì)量和同體積水質(zhì)量之比（無(wú)單無(wú)單位，

3、不包括孔隙體積位，不包括孔隙體積）。2密度密度：?jiǎn)挝惑w積的巖石質(zhì)量（包孔隙體積）。 質(zhì)量。在天然含水或飽水狀態(tài)濕密度：?jiǎn)挝惑w積巖石量。絕對(duì)干燥后單位體積質(zhì)干密度：?jiǎn)挝惑w積巖石3重度重度 單位體積巖石所受重力mg/V（N/cm3）。4吸水率吸水率：巖石在大氣壓下能吸入水質(zhì)量與巖石干質(zhì)量之比。 =g/G 孔隙性孔隙性：巖石的裂隙和孔隙發(fā)育程度。 5碎脹性碎脹性：巖石碎后，體積變大，孔隙增多，這種性質(zhì)叫碎脹性。巖石脹后體積與原體積之比。 碎脹系數(shù)：kV/V1 （充填采空區(qū)）。 6透水性透水性 水存在于巖石的孔隙和裂隙中，在一定的壓力作用下，地下水可以在巖石中通過(guò)(滲透)。這種巖石能被水透過(guò)的性能稱為

4、巖石的透水性。巖石透水性的大小主要與地下水水頭巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)巖石的孔隙率、孔隙大小及其連通程度有關(guān)。 衡量巖石透水性的指標(biāo)為滲透系數(shù)。由達(dá)西定律QKAI可知，單位時(shí)間內(nèi)的滲水量Q與滲透面積A和水力坡度有正比關(guān)系，其中的比例系數(shù)就稱為滲透系數(shù)。 此外還有 崩解性膨脹性軟化性二、力學(xué)性質(zhì) （一）變形特性（一）變形特性1單向壓縮下的變形性質(zhì)(靜載荷) IOA段段，曲線的斜率逐漸增大，這是巖石中原有的裂隙受壓后逐漸閉合所致。稱為裂隙壓密閉合階段裂隙壓密閉合階段。 AB段段，曲線近似直線，即曲線的斜率近似為常數(shù)，稱為線彈性階段線彈性階段。 巖石的彈性和塑性概念：巖石的彈性和塑性概念： 巖石的彈性彈性是

5、指卸載后巖石變形能完全恢復(fù)的性質(zhì)，巖石性質(zhì)不同可能出現(xiàn)以下三種不同的彈性特征： 巖石的不同彈性類型a線彈性；線彈性；b完全彈性完全彈性(非線性彈性非線性彈性)；c滯彈性滯彈性1加載過(guò)程；2卸載過(guò)程 巖石是由多種造巖礦物組合而成，由于巖石構(gòu)造中總有某些缺陷，因此常使巖石卸載后其變形不能完全恢復(fù)而出現(xiàn)殘余變形，也就是說(shuō)巖石受載時(shí)具有塑性塑性特征。 巖石受載后變形很小就破裂的性質(zhì)稱為脆性脆性。 BC段段，曲線的斜率逐漸減小，此階段內(nèi)局部破損逐漸增大而導(dǎo)致巖石達(dá)到強(qiáng)度極限C，稱為破裂發(fā)展階破裂發(fā)展階段段。 CD段段，應(yīng)力隨應(yīng)變而下降，在這個(gè)階段內(nèi)，巖石仍保持一整體繼續(xù)抵抗載荷，巖石破裂仍繼續(xù)發(fā)展，直到

6、D點(diǎn)才最終破裂破裂。CD曲線的存在，說(shuō)明巖石在達(dá)到極限強(qiáng)度以后，仍然存在著承載能力。 幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和線路： UVTUOQQSPQRQRPQCBCBOB塑性變形彈性變形塑性滯環(huán)極限抗壓強(qiáng)度彈塑性變形階段，彈性極限彈性變形階段，2巖石在三向壓縮下的變形性質(zhì)巖石在三向壓縮下的變形性質(zhì) 常規(guī)的三軸試驗(yàn)機(jī)是使巖石試件處于12(3)0的三向應(yīng)力狀態(tài)，其中最大主應(yīng)力1一般為垂直應(yīng)力，最小主應(yīng)力3(2)為側(cè)向應(yīng)力，由于側(cè)向應(yīng)力是軸對(duì)稱的，故也常稱之為圍壓。 干砂巖在常溫和不同側(cè)壓三向壓縮下的 濕砂巖在常溫和不同側(cè)壓三向壓縮下的 變形曲線圖 變形曲線 1）當(dāng)巖石受三向壓縮時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線的開(kāi)始階段，有一段近似于

7、直線的關(guān)系，說(shuō)明在主應(yīng)力差值(13)的峰值前不遠(yuǎn)的范圍內(nèi)，巖石基本上處于彈性變形狀態(tài)； 2）對(duì)于砂巖試件來(lái)說(shuō)，在不同應(yīng)力范圍內(nèi)受三向壓縮時(shí)，其峰值的軸向應(yīng)變大致相同。但隨著側(cè)向應(yīng)力增大，巖石試件的塑性變形也相應(yīng)增大。這說(shuō)明巖石的脆性和塑性是相對(duì)的，在單向應(yīng)力或較低的三向應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)為脆性的巖石，在高壓三向應(yīng)力狀態(tài)下破壞前也能表現(xiàn)出很大的塑性； 3）三向壓縮時(shí)，隨著側(cè)向應(yīng)力3和主應(yīng)力差值(13)的增加，強(qiáng)度極限(峰值應(yīng)力)也隨之增大； 4）巖石在三向壓縮條件下發(fā)生破壞以后，雖然其結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但仍然保留一定的承載能力。由圖可以明顯看出，圍壓愈大，其殘余強(qiáng)度也愈大。這個(gè)規(guī)律對(duì)于在井下控制煤、巖

8、體的穩(wěn)定性很有實(shí)際意義。 （二）巖石的強(qiáng)度特性與理論（二）巖石的強(qiáng)度特性與理論 1）靜荷載下巖石的強(qiáng)度性質(zhì) 按外力性質(zhì)不同，巖石強(qiáng)度分為： 巖石的單向抗壓強(qiáng)度巖石的單向抗壓強(qiáng)度 巖石試件在單向壓縮時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力值，稱為巖石的單向抗壓強(qiáng)度。 巖石的單向抗拉強(qiáng)度巖石的單向抗拉強(qiáng)度 巖石試件在單向拉伸時(shí)能承受的最大拉應(yīng)力值，稱為單向抗拉強(qiáng)度。 一般來(lái)說(shuō)，巖石的抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的330。 巖石的抗剪強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度巖石試件受到剪斷時(shí)，剪切面上的切向應(yīng)力值，即試件剪斷時(shí)的極限強(qiáng)度，稱為巖石的抗剪強(qiáng)度，巖石的抗剪強(qiáng)度分為以下幾種： 摩擦強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗切強(qiáng)度巖石剪切試驗(yàn)不同加載方式及強(qiáng)度特征a

9、一抗切試驗(yàn)；b一抗剪斷試驗(yàn)；c摩擦試驗(yàn)；d重剪試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)表明，巖石的靜荷載強(qiáng)度具有如下主要性質(zhì)：實(shí)驗(yàn)表明，巖石的靜荷載強(qiáng)度具有如下主要性質(zhì)： （1）在大多數(shù)情況下，巖石表現(xiàn)為脆性破壞。 （2）同一種巖石的強(qiáng)度變化很大。 （3）在不同受力狀態(tài)下，巖石的極限強(qiáng)度相差懸殊。 實(shí)驗(yàn)表明，巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度值一般符合以下規(guī)律： 三向等壓抗壓強(qiáng)度三向不等壓抗壓強(qiáng)度雙向三向等壓抗壓強(qiáng)度三向不等壓抗壓強(qiáng)度雙向抗壓強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)度單向抗剪強(qiáng)度單向抗抗壓強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)度單向抗剪強(qiáng)度單向抗彎強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度。彎強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度。 4）莫爾強(qiáng)度理論）莫爾強(qiáng)度理論（1）基本思想）基本思想 莫爾強(qiáng)度理論建立在對(duì)試

10、驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)之上。莫爾強(qiáng)度理論認(rèn)為，材料發(fā)生破壞主要是由于破壞面上的剪應(yīng)力達(dá)到一定限度的緣故，這個(gè)剪應(yīng)力與材料本身性質(zhì)有關(guān)，還與破壞面上由于正應(yīng)力造成的摩擦阻力有關(guān)。即即某一點(diǎn)發(fā)生破壞，不僅取決于該點(diǎn)的剪應(yīng)力，同時(shí)也取決某一點(diǎn)發(fā)生破壞，不僅取決于該點(diǎn)的剪應(yīng)力，同時(shí)也取決于該點(diǎn)的正應(yīng)力于該點(diǎn)的正應(yīng)力。因此，巖石沿某一個(gè)面剪斷時(shí)的剪應(yīng)力，與該面上的正應(yīng)力之間存在著某種函數(shù)關(guān)系，即f ( )（2）莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線）莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線 莫爾理論是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定?！?”關(guān)系曲線，并在“ ”坐標(biāo)平面上作出一系列代表這些極限應(yīng)力狀態(tài)的最大應(yīng)力圓(即極限應(yīng)力圓)，然后作出這些應(yīng)力圓的包絡(luò)曲線。 巖石強(qiáng)度曲

11、線和極限應(yīng)力圓 利用巖石強(qiáng)度曲線可以說(shuō)明以下一些問(wèn)題：利用巖石強(qiáng)度曲線可以說(shuō)明以下一些問(wèn)題： 已知強(qiáng)度曲線后，可以直接判斷巖石是否會(huì)產(chǎn)生剪切破壞。 利用強(qiáng)度曲線可以預(yù)測(cè)破壞面的方向。 在強(qiáng)度曲線的 坐標(biāo)軸上，由原點(diǎn)向右為受壓區(qū)，向左為受拉區(qū)。強(qiáng)度曲線的形狀由受拉區(qū)向受壓區(qū)逐漸張開(kāi)，這反映了巖石抗拉強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度的規(guī)律。 根據(jù)巖石強(qiáng)度曲線判斷巖石破壞狀態(tài)示意圖（3）庫(kù)侖一莫爾強(qiáng)度理論）庫(kù)侖一莫爾強(qiáng)度理論 為便于計(jì)算，當(dāng)壓力不大時(shí)(例如10MPa)，采用斜直線型包絡(luò)線。這時(shí)破壞面上剪應(yīng)力與正應(yīng)力的關(guān)系，即一般條件下巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則為： C tg 也稱為“庫(kù)侖莫爾”強(qiáng)度條件，是目前巖石力學(xué)中應(yīng)用最廣

12、的強(qiáng)度準(zhǔn)則。利用斜直線型強(qiáng)度包絡(luò)線可以求得以下一些關(guān)系： （1）確定剪切破壞角的大小確定剪切破壞角的大小。利用斜直線型強(qiáng)度包絡(luò)線，確定出破壞面與最大主平面的夾角為45+ 。 （2）確定三軸應(yīng)力狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度值確定三軸應(yīng)力狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度值。在Ctg 這個(gè)關(guān)系式中，和是指破壞面上的極限應(yīng)力。為便于計(jì)算，利用直角三角形關(guān)系，經(jīng)過(guò)換算，可得： 1=2C 這就是以極限主應(yīng)力1和3來(lái)表示的“庫(kù)侖一莫爾”強(qiáng)度準(zhǔn)則，當(dāng)1與3的組合滿足這個(gè)關(guān)系時(shí)，巖石就會(huì)產(chǎn)生破壞，故上式也稱為極限平衡條件。211113sinsinsinsin（3）確定單向應(yīng)力狀態(tài)下的壓、拉比確定單向應(yīng)力狀態(tài)下的壓、拉比。 根據(jù)莫爾應(yīng)力圓和

13、斜直線型強(qiáng)度包絡(luò)線，可以求得巖石試件在單向應(yīng)力狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比，其關(guān)系式為： RRCttg2()45205）格里菲斯強(qiáng)度理論 格里菲斯強(qiáng)度理論認(rèn)為，脆性破壞是由于拉伸而破壞，并格里菲斯強(qiáng)度理論認(rèn)為，脆性破壞是由于拉伸而破壞，并不是因剪切而破壞。不是因剪切而破壞。 格里菲斯假定巖石內(nèi)部裂隙的形狀近似于一個(gè)扁平的橢圓孔(橢圓裂縫)，將它作為半無(wú)限彈性介質(zhì)中單個(gè)孔洞的平面應(yīng)力問(wèn)題來(lái)處理，根據(jù)對(duì)橢圓孔的應(yīng)力分析，得出雙向應(yīng)力狀態(tài)下裂隙開(kāi)始擴(kuò)張的條件如下：tRRc313312311331)(8)(31時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng) 如果受單向壓縮，3=0及1=RC，于是可得下式，這也就是單向壓縮時(shí)的破裂條件。

14、 RC = 8Rt 按、應(yīng)力系統(tǒng)來(lái)表示。經(jīng)過(guò)一定換算后可得： = 4Rt (Rty)式中xy、y橢圓裂縫周邊上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力； Rt巖石的單向抗拉強(qiáng)度。 上式也是另一種形式的格里菲斯破壞準(zhǔn)則，它是“xyy”平面內(nèi)的一個(gè)拋物線方程，拋物線的形狀由參數(shù)Rt決定。 根據(jù)上式可以作出格里菲斯強(qiáng)度曲線。 xy2格里菲斯強(qiáng)度曲線四、巖石的分類1常見(jiàn)的巖石分類常見(jiàn)的巖石分類 1）普氏巖石分類）普氏巖石分類fRa/10 Ra巖石單向抗壓強(qiáng)度，Mpa。 2）煤炭行業(yè)的圍巖分類）煤炭行業(yè)的圍巖分類 3）RQD巖石分類巖石分類 4）巴頓等人的）巴頓等人的Q巖石分類巖石分類 5）圍巖松動(dòng)圈巖石分類）圍巖松動(dòng)圈巖石分

15、類2軟巖軟巖 （1）軟巖的地質(zhì)學(xué)定義：按地質(zhì)學(xué)的巖性劃分，地質(zhì)軟巖是指強(qiáng)度低、孔隙率大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著，或含有大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱、脹巖層，這類巖石多為泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖和泥質(zhì)礦巖。 （2）軟巖的強(qiáng)度定義：國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)把單軸抗壓強(qiáng)度小于25MPa的巖石稱為軟巖。 （3）軟巖的工程學(xué)定義：在工程力作用下能夠產(chǎn)生顯著塑性變形和流變的工程巖體(巷道圍巖)稱為軟巖。 3 井巷建筑材料一、水泥一、水泥二、混凝土二、混凝土三、鋼材三、鋼材三、木材三、木材一、一、 水泥水泥 水泥屬水硬性膠凝材料，不但能在空氣中或潮濕環(huán)境中硬化，而且還能在水中硬化，保持并增強(qiáng)強(qiáng)度。 水泥品種繁多，但應(yīng)用最廣泛的是硅酸鹽類水泥，常用的硅酸鹽類水泥有： 硅酸鹽水泥、 普通硅酸鹽水泥、 礦渣硅酸鹽水泥、 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、 粉煤灰硅酸鹽水泥等。二、混凝土（骨料膠凝材料水）二、混凝土（骨料膠凝材料水） 混凝土材料的組成 1）水泥膠凝材料