矿井地质学讲义 第三章 井巷工程地质

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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

2、井建设和生产中的工程地质问题，并形成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

3、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，

4、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

5、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0.5～0.8。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

6、、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，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l

7、0～30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，l00％≥≥50％；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

8、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