巖石性質(zhì)與礦山壓力

1、第頁(yè)1巖石性質(zhì)與礦山壓力巖石性質(zhì)與礦山壓力第頁(yè)2目錄目錄第一節(jié)：巖石性質(zhì)與工程分級(jí)一、巖石的概念二、巖石的物理性質(zhì)三、巖石的工程分級(jí)第二節(jié)：地質(zhì)構(gòu)造一、巖層的產(chǎn)狀二、構(gòu)造第三節(jié)：礦山壓力及顯現(xiàn)規(guī)律一、礦山壓力二、巷道礦山壓力顯現(xiàn)及顯現(xiàn)規(guī)律第頁(yè)3第一節(jié)巖石的性質(zhì)與工程分級(jí)一、巖石的概念一、巖石的概念 1. 巖石 2. 巖塊 3.巖體 4.表土 5.基巖 組成地殼的基本物質(zhì)，由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律而形成的自然地質(zhì)體，包括巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。從地殼中切取出來(lái)的小塊體，不包含軟弱面（巖體中的地質(zhì)遺跡、層理、節(jié)理、斷層、裂隙面），近似認(rèn)為各向同 性的連續(xù)介質(zhì),。地下工程周圍較大范圍內(nèi)的自

2、然地質(zhì)體。從煤礦采掘工程角度：包括巖石、地下水、瓦斯。巖體的性質(zhì)復(fù)雜，是我們研究的主要對(duì)象。 建井工作者把覆蓋在地殼上部的第四紀(jì)沉積物成為表土，也稱為松散性巖石，如：黃土、流沙、粘土等。表土以下的固結(jié)性巖石稱為基巖、巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。第頁(yè)4巖塊：第頁(yè)5巖體第頁(yè)6 1相對(duì)密度相對(duì)密度(曾稱比重曾稱比重) 巖石的相對(duì)密度是指巖石固體實(shí)體積(不包括孔隙體積)的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量的比值。 2密度 巖石單位體積(包括巖石內(nèi)孔隙體積)的質(zhì)量，稱為巖石的密度，亦稱質(zhì)量密度。兩種：干密度和濕密度。前者是單位體積巖石絕對(duì)干燥后的質(zhì)量，后者是天然含水或飽水狀態(tài)下的密度。 3重度(重力密度) 單位體積巖石質(zhì)

3、量所受的重力。 4巖石的透水性 地下水存在于巖石的孔隙和裂隙之中，而且大多數(shù)巖石的孔隙和裂隙是相互貫通的，因而，在一定水壓作用 下，地下水可在巖石中滲透，這種巖石能被水透過(guò)的性質(zhì)，稱為巖石的透水性。二、巖石（煤）的物理性質(zhì)二、巖石（煤）的物理性質(zhì) 第頁(yè)75、巖石的水理性質(zhì)第頁(yè)8 6巖石的溶蝕性 由于水的化學(xué)作用而把巖石中某些組成物質(zhì)帶走的現(xiàn)象稱為巖石的溶濕性。導(dǎo)致巖石致密程度降低，孔隙度增大，強(qiáng)度降低,貴州761礦巷道中的鐘乳石、石筍。 7巖石的軟化性 巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性，用軟化系數(shù)(c)表示。c定義為巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(Rcw)與干抗壓強(qiáng)度(Rc)的比值，即第頁(yè)98

4、巖石的膨脹性和崩解性。膨脹性：軟巖浸水后體積增大和響應(yīng)的引起壓力增大的性質(zhì)，用膨脹應(yīng)力和膨脹率來(lái)表示。膨脹應(yīng)力：巖石與水進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)后，隨時(shí)間變化會(huì)產(chǎn)生體積增大的現(xiàn)象，這時(shí)，使試件體積保持不變所需要的壓力稱膨脹應(yīng)力。膨脹率：巖石與水進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)增大后的體積與原體積的比率。 崩解性：軟巖浸水后發(fā)生解體的性質(zhì)。用耐崩解指數(shù)表示：巖石試件在承受干燥和濕潤(rùn)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，巖樣對(duì)軟化和崩解表現(xiàn)出來(lái)的抵抗力。用耐崩解儀測(cè)定。第頁(yè)109、巖石的硬度、巖石的硬度 巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力。硬度與強(qiáng)度又有區(qū)別。 h第頁(yè)11三、巖石的工程分級(jí)三、巖石的工程分級(jí)1、巖石工程分級(jí)的必要性：按

5、成因不同，將巖石分為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖三類，對(duì)于采掘工程來(lái)說(shuō)，又要求要求對(duì)巖石進(jìn)行定量的區(qū)分，以便能正確地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，合理地選用施工方法、施工設(shè)備、機(jī)具與器材，準(zhǔn)確地制定生產(chǎn)定額和材抖消耗定額等。因此，提出了巖石工程分級(jí)與巖體工程分類問(wèn)題。第頁(yè)普氏巖石分級(jí)表普氏巖石分級(jí)表等級(jí)等級(jí)堅(jiān)固程度堅(jiān)固程度巖石名稱巖石名稱 最堅(jiān)固的巖石最堅(jiān)固、致密和有韌性的石英巖、玄武巖及其它各種特別堅(jiān)固的巖石20很堅(jiān)固的巖石很堅(jiān)固的花崗巖質(zhì)巖石，石英斑巖，很堅(jiān)固的花崗巖，硬質(zhì)片巖，比上一級(jí)不堅(jiān)固的石英巖，最堅(jiān)固的硅質(zhì)砂巖和石灰?guī)r15堅(jiān)固的巖石花崗巖（致密的）和花崗巖質(zhì)巖石，很堅(jiān)固的硅質(zhì)砂巖和石灰?guī)r，石英質(zhì)礦脈，堅(jiān)

6、固的礫巖，極堅(jiān)固的鐵礦10a堅(jiān)固的巖石石灰?guī)r（堅(jiān)固的），不堅(jiān)固的花崗巖，堅(jiān)固的砂巖、大理巖、白云巖、黃鐵礦8頗堅(jiān)固的巖石一般的礦巖，鐵礦6a頗較堅(jiān)固的巖石砂質(zhì)頁(yè)巖，頁(yè)巖質(zhì)砂巖5中等的巖石堅(jiān)固的黏土質(zhì)巖石，不堅(jiān)固的砂巖和石灰?guī)r4a中等的巖石各種頁(yè)巖（不堅(jiān)固的），致密的泥灰?guī)r312第頁(yè)等級(jí)等級(jí)堅(jiān)固程度堅(jiān)固程度巖石名稱巖石名稱 頗軟弱的巖石較軟弱的頁(yè)巖，很軟弱的石灰?guī)r、白堊、巖鹽、石膏、凍土、無(wú)煙煤、普通凝灰?guī)r、裂隙發(fā)育的砂巖、膠結(jié)礫巖、巖質(zhì)土壤2a頗軟弱的巖石碎石質(zhì)土壤，裂隙發(fā)育的頁(yè)巖、凝結(jié)成塊的礫巖和碎石、堅(jiān)固的煤、硬化的黏土1.5軟弱的巖石（軟土）致密的黏土、軟弱的煙煤、堅(jiān)固的沖擊層、黏土質(zhì)土

7、壤1a軟弱（軟土）輕質(zhì)黏土壤、黃土、礫石0.8土質(zhì)巖石（土壤狀土）腐殖土、泥煤、輕砂質(zhì)土壤、濕砂0.6松散性巖石（松散土）砂、山麓堆積、細(xì)礫石、松土、采出的煤0.5流砂性巖石（流動(dòng)性土）流砂、沼澤土壤、含水黃土及其他含水土壤0.313普氏巖石分級(jí)表普氏巖石分級(jí)表第頁(yè)第二節(jié)第二節(jié) 地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造l定義定義：構(gòu)造地質(zhì)學(xué)是地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之 一，主要是研究組成地殼的巖石、巖層和巖體在巖石圈中力的作用下變形形成的各種現(xiàn)象（構(gòu)造）。研究這些構(gòu)造的幾何形態(tài)、組合形式、形成機(jī)制和演化過(guò)程，探討產(chǎn)生這些構(gòu)造的作用力和方向、方式和 性質(zhì)。l 研究?jī)?nèi)容： 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的主要研究對(duì)象是中、小型構(gòu)造。14第頁(yè)一、巖石

8、的產(chǎn)狀一、巖石的產(chǎn)狀 平面的產(chǎn)狀是以其在空間的延伸方位及其傾斜程度來(lái)確定的。任何面狀構(gòu)造或地質(zhì)體界面的產(chǎn)狀均以其走向、傾向和傾角的數(shù)據(jù)表示15第頁(yè)l1、走向：傾斜平面與水平面的交線叫走向線，走向線兩端延伸的方向即為該平面的走向任何一個(gè)平面都有無(wú)數(shù)條相互平行的不同高度的走向線。l2、傾向：傾斜平面上與走向線相垂直的線叫傾斜線，傾斜線在水平面上的投影所指的沿平面向下傾斜的方位即傾向。l3、傾角：平面上的傾斜線與其在水平面上的投影線之間的夾角，即在垂直于該平面走向的直立剖面上該平面與水平面間的夾角。第頁(yè)二、構(gòu)造二、構(gòu)造 水平巖層水平巖層 是同一層面上各點(diǎn)的海拔標(biāo)高相同或基本相同的巖層。水平巖層露頭線

9、的形態(tài)僅取決于地形起伏情況。 第頁(yè)傾斜巖層傾斜巖層 第頁(yè)第頁(yè)第頁(yè)褶皺的概念褶皺的概念 巖層或巖體，在各種應(yīng)力長(zhǎng)期作用下形成波狀彎曲，但仍然保持著它們的連續(xù)完整性，稱為褶皺構(gòu)造。 褶皺形象地反映了地殼巖石發(fā)生了塑性變形。l褶皺的基本類型 從單一褶皺面的彎曲來(lái)看，基本形態(tài)有兩種：背形和向形。第頁(yè)褶皺要素褶皺要素l 褶皺要素是褶皺的基本組成部分，主要有：l1、 核：褶皺中心部位的巖層。l2、 翼：泛指褶皺兩側(cè)比較平直的部分。l3、 拐點(diǎn)：相鄰的背形和向形共用翼的褶皺面常呈“S”形彎曲，褶皺面不同凸向的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為拐點(diǎn)。l4、翼間角：是指正交剖面上兩翼間的夾角。l5、轉(zhuǎn)折端：褶皺面從一翼過(guò)渡到另一翼的彎

10、曲部分。l6、樞紐：?jiǎn)我获薨櫭嫔献畲髲澢c(diǎn)的連線。l7、脊線和槽線：同一褶皺面上沿著背形最高點(diǎn)（脊點(diǎn)）的連線稱為脊線；沿向形最低點(diǎn)（槽點(diǎn)）的連線稱為槽線。l8、軸面：各相鄰褶皺面的樞紐連成的面。第頁(yè)23第頁(yè)l節(jié)理l 組成地殼的巖層或巖體，如果所受應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂，出現(xiàn)斷裂面，失去完整性，總稱為斷裂構(gòu)造。被斷裂面分割的巖層或巖體沿?cái)嗔衙鏇](méi)有發(fā)生顯著位移，或者位移量很小的斷裂構(gòu)造，稱為節(jié)理。第頁(yè)按節(jié)理與有關(guān)構(gòu)造的幾何關(guān)系分類按節(jié)理與有關(guān)構(gòu)造的幾何關(guān)系分類l1、根據(jù)節(jié)理產(chǎn)狀和巖層產(chǎn)狀的關(guān)系分類l （1）走向節(jié)理：節(jié)理走向與所在巖層走向平行或大致平行。l （2）傾向節(jié)理：節(jié)理走向與

11、巖層走向大致直交的節(jié)理。l （3）斜向節(jié)理：節(jié)理走向與巖層走向斜交的節(jié)理。l （4）順層節(jié)理：節(jié)理面與巖層的層面大致平行的節(jié)理。第頁(yè)第頁(yè)斷層斷層l斷層是地殼表層中巖層順破裂面發(fā)生明顯位移的構(gòu)造。l 地殼巖石中斷裂主要表現(xiàn)為層次性，淺層次為脆性斷裂，形成脆性斷層或簡(jiǎn)稱斷層；在較深和深層次則形成韌性斷層或稱韌性剪切帶；兩者之間存在一個(gè)過(guò)渡層次。l脆性斷層和韌性剪切帶構(gòu)成了斷層的雙層結(jié)構(gòu)。 第頁(yè)斷層面斷層面斷層的斷裂滑動(dòng)面，斷層的斷裂滑動(dòng)面，稱為稱為斷層面斷層面。 斷層面的空間位斷層面的空間位置由其走向、傾向置由其走向、傾向和傾角確定。斷層和傾角確定。斷層面可以是一個(gè)簡(jiǎn)單面可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的平面，也可

12、以是的平面，也可以是沿走向或傾向都發(fā)沿走向或傾向都發(fā)生變化而成的曲面。生變化而成的曲面。第頁(yè)斷層帶斷層帶l 大的斷層一般不是一個(gè)簡(jiǎn)單的面，而是由一系列破裂面或次級(jí)斷層組成的帶，即斷層（裂）帶。斷裂帶內(nèi)還夾雜或伴生有搓碎的巖塊、巖片以及各種斷層巖。斷層規(guī)模越大，斷裂帶越寬越復(fù)雜。大斷裂帶還常常呈現(xiàn)分帶性。第頁(yè)斷層線斷層線l 是斷層面與地面的交線，即斷層在地面的出露線。斷層線的彎曲形態(tài)決定于斷層面的彎曲程度、斷層面的產(chǎn)狀以及地面的起伏，在地面彎曲延伸的規(guī)律，與巖層露頭線“V”字形規(guī)律相同。第頁(yè)斷盤斷盤l 斷層面兩側(cè)沿?cái)鄬用姘l(fā)生位移的巖塊。如果斷層面是傾斜的，位于斷層面上側(cè)的一盤稱為上盤，下側(cè)的一盤

13、稱為下盤。如果斷層面直立，則按斷盤相對(duì)于斷層走向的方位描述，如東盤、西盤、NE盤、SW盤等。根據(jù)兩盤的根據(jù)兩盤的相對(duì)滑動(dòng)，相相對(duì)滑動(dòng)，相對(duì)上升的一盤對(duì)上升的一盤稱為稱為上升盤上升盤，相對(duì)下降的一相對(duì)下降的一盤稱為盤稱為下降盤下降盤。第頁(yè)斷層的斷距、落差和平錯(cuò)斷層的斷距、落差和平錯(cuò)斷距斷距第頁(yè)斷層分類斷層分類按斷層與有關(guān)構(gòu)造的幾何關(guān)系分類按斷層與有關(guān)構(gòu)造的幾何關(guān)系分類l1、根據(jù)斷層走向與所切巖層走向的方位關(guān)系，分為：l （1）走向斷層：斷層走向與巖層走向基本一致的斷層。第頁(yè)l（2）傾向斷層：斷層走向與巖層走向基本直交的斷層。 第頁(yè)l（3）斜向斷層：斷層走向與巖層走向斜交的斷層。 第頁(yè)l（4）順層

14、斷層：斷層面與巖層層理等原生地質(zhì)界線基本一致的斷層。 第頁(yè)第三節(jié)：第三節(jié)： 礦山壓力及顯現(xiàn)規(guī)律礦山壓力及顯現(xiàn)規(guī)律一、礦山壓力 1. 礦山壓力來(lái)源自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、膨脹應(yīng)力 2.礦山壓力定義 由于地下采掘活動(dòng)而引起的作用在周圍巖體和支護(hù)物上的作用力。（由于地下進(jìn)行采掘活動(dòng)而在井巷，硐室及回采工作面周圍煤巖體中和支護(hù)物上所引起的）37第頁(yè)2、礦壓的形成礦壓的形成（巷道）（1）頂壓頂壓的形成 支架就以其本身的承載力阻止或減小巖石變形和移動(dòng)。巖石壓在支架上的力，就叫頂壓。巖石壓在支架上的力，就叫頂壓。 掘進(jìn)巷道后掘進(jìn)巷道后，暴露出來(lái)的頂板形成一個(gè)巖梁。由于巖梁上部巖層和巖梁自重的作用，必然會(huì)產(chǎn)生彎曲

15、，這種彎曲往往在巷道中間較大，在巷道兩幫較小；頂板以及距頂板較近的上部巖層彎曲大，距頂板較遠(yuǎn)的上部巖層彎曲小，由于彎曲，巖層下部就會(huì)產(chǎn)生拉力，在彎曲大的部分就會(huì)出現(xiàn)裂隙。當(dāng)壓力進(jìn)一步增大時(shí)，上下巖層之間就會(huì)出現(xiàn)裂縫產(chǎn)生離層離層。38第頁(yè)（2）側(cè)壓）側(cè)壓的形成是指巷道兩幫對(duì)支架的壓力。它是由是指巷道兩幫對(duì)支架的壓力。它是由于兩幫巖石或煤向巷道內(nèi)擠壓而形成的。于兩幫巖石或煤向巷道內(nèi)擠壓而形成的。 巷道開(kāi)掘后，在巷道的兩幫形成支承壓力，當(dāng)承受的支承壓力超過(guò)本身強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)向巷道中間擠出。這種變形使巷道兩幫逐漸移近，如果巷道兩幫不支護(hù)或支護(hù)后的充填不密實(shí)。使變形得不到控制，繼續(xù)發(fā)展下去就會(huì)造成片幫。片

16、幫后，新暴露出來(lái)的兩幫會(huì)繼續(xù)向巷道中間擠出，即繼續(xù)片幫.39第頁(yè)（3） 底壓底壓的形成（底鼓原因：壓力大，底板巖石強(qiáng)度小、（底鼓原因：壓力大，底板巖石強(qiáng)度小、巖石吸水膨脹）巖石吸水膨脹）在巷道側(cè)壓的作用下，底板內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生側(cè)壓力，并產(chǎn)生向上的底壓，使底板鼓起、彎曲遭到破壞。l尤其是若當(dāng)巷道有積水、淋水或巷道空氣潮濕時(shí)，會(huì)使巖石吸水膨脹而底鼓產(chǎn)生底壓。（頂板變化為松軟、離層、掉渣）對(duì)于底板來(lái)說(shuō)，有時(shí)底板向上鼓起要比頂板下沉、兩幫移近容易得多，也嚴(yán)重得多。巷道底鼓的破壞影響：巷道斷面縮小，造成通風(fēng)、行人和運(yùn)輸困難，支架兩幫的柱腿容易插入底板或損壞、支架支撐能力，最后導(dǎo)致頂板下沉加劇。40第頁(yè)（4）

17、影響礦壓的因素）影響礦壓的因素1、影響巷道礦壓大小的主要因素有：（1）巷道深度（2）巷道斷面大小、支護(hù)形式（3）地質(zhì)構(gòu)造（4）圍巖性質(zhì)等。41第頁(yè)(1)深度的影響巷道所處深度大時(shí)，上覆巖層質(zhì)量大，直接影響到巷道圍巖中原巖應(yīng)力的大小。淺部巷道淺部巷道的壓力主要表現(xiàn)在頂板，深部巷道深部巷道的壓力來(lái)自四周，而且容易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。(2)巷道斷面與支護(hù)形式不同的巷道斷面形狀與大小，以及不同的支護(hù)方式，直接影響巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)及穩(wěn)定狀況。巷道越寬，所形成的自然平衡拱越大，產(chǎn)生的巷道壓力也越大；采用錨桿支護(hù)的巷道圍巖應(yīng)力狀況優(yōu)于架棚、砌碹等支護(hù)的巷道。(3)地質(zhì)構(gòu)造的影響在向斜軸、背斜軸、斷層附近等構(gòu)造處應(yīng)

18、力集中、地壓較大，平行于這些構(gòu)造走向的巷道更難維護(hù)。42第頁(yè)(4)圍巖性質(zhì)的影響圍巖強(qiáng)度的大小及穩(wěn)定程度是影響巷道礦壓的主要因素。巖石堅(jiān)硬、穩(wěn)定，則產(chǎn)生的礦壓??；巖石松軟破碎、不穩(wěn)定，則產(chǎn)生的礦壓大。此外，在掘進(jìn)過(guò)程中，如果受到水的影響，巖石強(qiáng)度則會(huì)降低，圍巖維護(hù)難度加大，應(yīng)特別加強(qiáng)工作面頂板管理。2 影響采煤工作面礦壓大小的主要因素有：（1）圍巖性質(zhì) （2）采高、控頂 距 （3）工作面推進(jìn)速度（4）開(kāi)采深度（5）煤層傾角43第頁(yè)二、巷道礦山壓力現(xiàn)象及顯現(xiàn)規(guī)律1. 礦山壓力顯現(xiàn)由于礦壓的作用，在脆性巖體中，常常可以看見(jiàn)巷道片幫、冒頂;在塑性巖體內(nèi)，圍巖會(huì)向巷道內(nèi)產(chǎn)生很大的變形和位移，如頂板下沉、兩幫或底板膨脹等。如果巷道支架選擇不當(dāng)或強(qiáng)度不夠，也會(huì)使支架產(chǎn)生變形或破壞。這種在礦山壓力作用下引起的圍巖與支架的變形破壞現(xiàn)象，稱為礦山壓力顯現(xiàn)。簡(jiǎn)稱