第九章礦井工程地質(zhì)

第九章礦井工程地質(zhì)第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)巖石工程地質(zhì)性質(zhì)一、土的組成土是巖石風(fēng)化破壞后，再經(jīng)搬運(yùn)、沉積而形成的松散沉積物。在一般情況下，土不是由單一物質(zhì)組成的，而是由固體（礦物和巖石碎屑為主）、液體（水為主）和氣體

（空氣為主）三部分組成。

巖土是堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬巖石和松軟土層的總稱。由于巖石和土層的成因、組成、埋藏條件和周圍地質(zhì)環(huán)境的不同，它們的工程地質(zhì)性質(zhì)也是復(fù)雜多樣的。

許多不良的工程地質(zhì)條件對(duì)建井和巷道施工影響很大，稍有不慎，會(huì)給國(guó)家造成巨大損失。例，華北某礦風(fēng)井，開始采用板樁法施工，遇到流砂和卵石層，無法通過，使井筒報(bào)廢。又如，安徽某礦使用震動(dòng)沉井法施工，出現(xiàn)大量涌砂現(xiàn)象，井筒周圍地面下沉，井壁側(cè)壓增大，把井筒擠環(huán)。

還有的礦井出現(xiàn)井架歪斜、機(jī)器基礎(chǔ)下沉、巷道底鼓等。這些現(xiàn)象的發(fā)生主要是當(dāng)?shù)氐膸r土層的工程地質(zhì)條件不好和施工方法不當(dāng)。

第2頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三土的固體顆粒

組成固體顆粒的礦物：原生礦物次生礦物

原生礦物：巖漿巖中原有的礦物，在土中的原生礦物碎屑主要有石英、長(zhǎng)石和云母。

次生礦物：原生礦物經(jīng)過化學(xué)風(fēng)化后生成的新礦物。它們的性質(zhì)和特征完全不同于原生礦物，土中的次生礦物主要是粘土礦物如高嶺石、蒙脫石、伊利石等。

大塊碎石類土（碎石、卵石等）常常是由多礦物成分的巖石碎屑所組成。隨著分散度的增加（顆粒變細(xì)），砂類上的顆粒通常是由比較穩(wěn)定的原生礦物所組成，其中主要礦物為石英，其次為長(zhǎng)石和云母。在電子顯微鏡下，粘土礦物常呈鱗片狀、粒狀或針狀晶體，其結(jié)晶格子的特點(diǎn)是呈層狀構(gòu)造。

蒙脫石的層狀晶格之間的聯(lián)系很弱，能吸收大量的水（層間水nH2O）而其晶體格架并不破壞。因此，蒙脫石浸水后體積膨脹甚劇，而干燥失水后又劇烈收縮，所以這種土的工程地質(zhì)條件較壞；

高嶺土的層狀晶格結(jié)合得比較牢固，故呈較大的顆粒。由高嶺土形成的粘土層，工程地質(zhì)條件較好。第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三伊利石的性質(zhì)及水云母形成的粘土層的工程地質(zhì)條件則界于兩者之間。土的固體成分中還有有機(jī)質(zhì)。它們由生物活動(dòng)或生物殘骸分解形成，其中主要的是泥炭及腐植質(zhì)。有機(jī)質(zhì)都是親水的，即容易和水互相作用。有機(jī)質(zhì)的存在，能增強(qiáng)土的吸水性、可塑性、膨脹性、壓縮性，降低速水性等。這些性質(zhì)對(duì)工程建筑是不利的。有機(jī)質(zhì)的含量及分散度愈高，對(duì)土的性質(zhì)影響就愈大。土中的水

土中水對(duì)土的性質(zhì)影響很大，特別是粘性土。一般土中的水可分為結(jié)晶水、結(jié)合水和自由水三種。

結(jié)晶水：它存在于礦物晶格內(nèi)部，構(gòu)成礦物的一部分。這種水不移動(dòng)，只有在較高的溫度下才能脫離晶格。如石膏（CaSO3·2H2O）中的結(jié)晶水；

結(jié)合水：水分子是偶極體，就是具有電荷相反的兩極。因此，由于靜電吸引作用，帶有電荷的土粒便能吸引水分，而在顆粒表面形成結(jié)合水。根據(jù)結(jié)合的牢固程度，又可以分為強(qiáng)結(jié)合水與弱結(jié)合水兩種；

自由水：這部分水處于靜電吸引力以外，它的運(yùn)動(dòng)受重力控制，能傳遞靜水壓力。自由水位于地下水位以上受到毛細(xì)管作用的毛細(xì)水；位于地下水位以下的是重力水；自由水是毛細(xì)水與重力水的總和。第4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三土中的氣體

土中的氣體存在于孔隙未被水所占據(jù)的地方。在地下水位以下的土，一般不含或只含少量氣體。與大氣相通的氣體，對(duì)土的性質(zhì)影響不大，在土受壓時(shí)，能很快逸出。若氣體是封閉的氣泡，則受壓時(shí)不易排出，就會(huì)增加土的彈性與壓縮性，透水性亦減弱。

二、土的物理性質(zhì)指標(biāo)

土是由固體、液體、氣體工部分組成，一般稱三相組成。土中三相組成的比例關(guān)系，反映著土的物理性質(zhì)：干燥或潮濕、疏松或緊密、流態(tài)或固態(tài)、穩(wěn)定或不穩(wěn)定、承載力的大小等。這三相組成的比例關(guān)系就是土的物理性質(zhì)指標(biāo)，它對(duì)評(píng)價(jià)土的工程地質(zhì)性質(zhì)具有重要意義。物理性質(zhì)指標(biāo)容重：是保持天然結(jié)構(gòu)的土的單位體積重量；

干容重：指保持天然結(jié)構(gòu)，完全不含水分的土的單位體積重量；飽和容重：是土中孔隙完全被水充滿時(shí)土的容重。

比重：土粒的比重是指土粒的重量與其同體積4℃時(shí)水的重量之比；土的比重是計(jì)算上的孔隙度、壓縮系數(shù)的重要指標(biāo)之一。

含水量：是土中水的重量與干上重量之比，一般用百分率表示；土的含水量對(duì)土的工程地質(zhì)性質(zhì)影響很大，尤其是粘性土。第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三土的孔隙率、孔隙比、飽和度孔隙率（或稱孔隙度）：土中的孔隙體積與土的總體積之比；孔隙比：土中孔隙體積與土粒體積之比，常用小數(shù)表示；飽和度：主孔隙中水的體積與孔隙體積之比。表示粘土特征的指標(biāo)液限、塑限和塑性指標(biāo)

由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)時(shí)的界限含水量；由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)時(shí)的界限含水量；液限與塑限的差為塑性指標(biāo)。液性指標(biāo)：確定天然狀態(tài)時(shí)土的軟硬程度

堅(jiān)硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑。

土的膨脹：粘土層遇水后，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部常引起向外擴(kuò)張的趨勢(shì)，致使體積增加。第6頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三碎土類土粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重的50%的土。漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫；三、土的工程地質(zhì)分類

砂類土粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重的50%的土。礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂；粘性土

土的粒徑很細(xì)；按工程地質(zhì)特征分類：

1）老粘性土：指第四紀(jì)晚更新世（Q3）及其以前沉積的粘性土，是壓縮性低、強(qiáng)度高的穩(wěn)定土層，良好的建筑物地基；2）一般粘性土：指第四紀(jì)全新世（Q4）沉積的粘性土；3）淤泥及淤泥質(zhì)土：指靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，經(jīng)生物化學(xué)作用形成；4）紅粘土：是碳酸鹽類巖石在亞熱帶潮濕氣候條件下，經(jīng)風(fēng)化后殘積、坡積形成的褐紅色（也有棕黃、黃褐色）粘土。在我國(guó)云、貴、川等省有廣泛分布。

按塑性指數(shù)分類：

粘性土按塑性指數(shù)可分成粘土、亞粘土、輕亞粘土；第7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)潛蝕與流砂

潛蝕的形成主要是地下水流在土體中進(jìn)行溶濾和沖刷作用的結(jié)果。如果土體內(nèi)不含有可溶物質(zhì)成分，而地下水流僅將細(xì)小從大顆粒間的孔隙中帶走的這種現(xiàn)象，常稱機(jī)械潛蝕。

潛蝕作用進(jìn)一步發(fā)展，使土洞頂上土體塌落，地表塌陷，形成漏斗地貌。防治方法——是設(shè)置反濾層。反濾層是保護(hù)滲流出口的有效措施，一般設(shè)置在下游壩腳附近。

一、潛蝕作用

流砂：松散未膠結(jié)的砂土層被水飽和后產(chǎn)生流動(dòng)的現(xiàn)象。在井筒施工過程中，遇到流砂層后，流砂不斷涌入井底，隨挖隨長(zhǎng)，輕者增加土方開挖量，延遲成井時(shí)間；重者引起地面沉陷、地面建筑破壞、井筒偏斜移位后導(dǎo)致井筒產(chǎn)生裂縫。1．真流砂：砂類土中含有大量的親水粘土膠體顆粒，這些親水膠體顆粒與水作用并粘附在砂粒周圍，形成一層較厚的薄膜，這樣便降低了砂的比重，提高了砂粒的懸浮能力，在不大的水力坡度作用下，即產(chǎn)生懸浮和流動(dòng)稱為其流砂；2．假流砂：由于地下水水力坡度較大，地下水的流速增加，從而沖動(dòng)了細(xì)小顆粒的砂而使之懸浮、流動(dòng)，稱為假流砂。

二、流砂第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三因?yàn)榱魃暗男纬芍饕巧巴僚c水相互作用所致，所以判斷流砂的方法應(yīng)該從砂土本身的性質(zhì)和水力坡度大小兩方面入手。

產(chǎn)生流砂的條件：1．容易產(chǎn)生流砂的通常是細(xì)砂、粉砂和塑性指數(shù)的輕亞粘土；

2．砂土孔隙度越大，愈易形成流砂；

3．砂土的滲透系數(shù)愈小，排水性能愈差時(shí)，愈易形成流砂；

4.砂土中含有較多的片狀礦物，如云母、綠泥石等，易形成流砂；5.水力坡度較大，動(dòng)水壓力大于土粒重量時(shí)，能使土粒懸浮，形成流砂。

對(duì)流沙的治理：1.用抽水方法進(jìn)行疏降，以減少地下水的水力坡度；2.改變砂土性質(zhì)，采用凍結(jié)法、硅化法等使砂土固結(jié)；3.采用特殊方法建井。

第9頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)滑坡及斜坡的穩(wěn)定性滑坡是斜坡巖石或土體沿某一軟弱面或軟弱帶整體地向下滑動(dòng)。

滑坡一般是緩慢的、長(zhǎng)期的、間歇性間歇的，延續(xù)時(shí)間可有幾年、幾十年、上百年，甚至?xí)r間更長(zhǎng)。有的滑坡開始時(shí)，很緩慢，但后來滑動(dòng)速度突然加大，急劇滑落，這種滑坡叫“崩塌性滑坡”。

一、滑坡的特征滑坡有其特殊的形態(tài)和一定的組成部分；1.滑坡體：斜坡向下滑動(dòng)的那部分土石體；2.滑動(dòng)面3.滑動(dòng)后壁4.滑坡臺(tái)地5.滑動(dòng)舌第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三二、滑坡的影響因素

1．巖性沉積物和巖石是產(chǎn)生滑坡的物質(zhì)基礎(chǔ)。

松散的沉積物尤其是粘土與黃土容易發(fā)生滑坡，而堅(jiān)硬的巖石較難發(fā)生滑坡?；鶐r處的滑坡常和頁巖、粘土巖、泥巖、泥灰?guī)r、板巖、千枚巖、片巖等軟弱巖石的存在有關(guān)。當(dāng)組成斜坡的巖石性質(zhì)不一，特別是當(dāng)上層為松散堆積層，而下部是堅(jiān)硬巖石時(shí)，則沿兩者接觸面最易產(chǎn)生滑動(dòng)。2．地質(zhì)構(gòu)造

滑坡的發(fā)生與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切。

滑動(dòng)面往往是構(gòu)造軟弱面，如層面、斷層、斷層破碎帶、節(jié)理面、不整合面等。另外，巖石的產(chǎn)狀也影響著滑坡的發(fā)育。如果巖石向斜坡內(nèi)部?jī)A斜，斜坡比較穩(wěn)定；如果巖石的傾斜與斜坡坡向相同，就有利于滑動(dòng)發(fā)育，特別是當(dāng)傾斜巖石中有含水層存在時(shí)，滑坡最易形成。

3.地形條件斜坡的高度、坡度和形態(tài)影響到斜坡的穩(wěn)定性。

高而陡峻的斜坡較不穩(wěn)定，因?yàn)榈匦紊系挠行R空面提供了滑動(dòng)的空間。是滑坡形成的重要條件。4.氣候要素豐富的雨水或融雪水，可潤(rùn)濕斜坡上的土巖，導(dǎo)致滑坡的形成，故雨后常產(chǎn)生滑坡的現(xiàn)象。

5.震動(dòng)、地震、大爆炸和各種機(jī)械震動(dòng)常誘發(fā)滑坡，因?yàn)榈孛嬲饎?dòng)不僅增加了土體下滑力，而且破壞了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

此外，人工切坡，開挖渠道，露采礦坑等人類的工程活動(dòng)，如設(shè)計(jì)施工不當(dāng)，也可破壞斜坡的平衡而引起滑坡。第11頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三三、滑坡的分類據(jù)滑坡的滑動(dòng)面的特征和巖性組成。覆蓋性滑坡粘土性滑坡黃土滑坡碎石土滑坡基巖滑坡順層滑坡切層滑坡第12頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三第13頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三四、滑坡的防治滑坡的預(yù)防加強(qiáng)工程地質(zhì)勘察工作；

對(duì)于具備滑坡形成條件的邊坡或存在古滑坡的地段，不宜選作建筑場(chǎng)地；在施工中，盡量避免大挖大填，不要任意切割坡度，破壞坡角；

施工前注意建筑場(chǎng)地的排水各種，防止各種水源的滲入地下；滑坡的治理排水：排除滑坡范圍內(nèi)的地表水和地下水；

支擋：修筑擋土墻、設(shè)置阻滑樁；減重：將滑坡體上的坡度削緩，增加穩(wěn)定性；

護(hù)坡：保護(hù)斜坡的坡角；五、巖體結(jié)構(gòu)與巖體穩(wěn)定性巖體結(jié)構(gòu)由于巖體經(jīng)受了長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和不同形式的外力作用，巖體的完整性破壞了，被許多不同性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面切割成各式各樣的結(jié)構(gòu)體，構(gòu)成了不同類型的巖體結(jié)構(gòu),包括兩方面要素：結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體。第14頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三

1.結(jié)構(gòu)面：巖體中一切分割面均稱為結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面的類型很多，煤礦中常見的有如下三種：

1）沉積結(jié)構(gòu)面：這類結(jié)構(gòu)面是沉積巖層在沉積、成巖過程中形成的，包括層理、層面、不整臺(tái)面、像整合面、原生軟弱夾層等。

2）構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：受構(gòu)造應(yīng)力作用在巖體中所產(chǎn)生的破裂面或破碎帶，包括節(jié)理、斷層、層間錯(cuò)動(dòng)面等。

3）次生結(jié)構(gòu)面：由于巖體受風(fēng)化、地下水等次生作用形成的結(jié)構(gòu)面為次生結(jié)構(gòu)面，如風(fēng)化裂隙等。對(duì)結(jié)構(gòu)面的研究，主要抓住結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成、面的特征、密集程度與延展情況。一個(gè)礦區(qū)或一個(gè)來區(qū)有各種類型的結(jié)構(gòu)面，必須依據(jù)巷道的位置、結(jié)構(gòu)面與巷道的關(guān)系，找出控制性的主要結(jié)構(gòu)面，作為穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)。

2．結(jié)構(gòu)體：巖體受結(jié)構(gòu)面切割形成不同形狀的塊體稱結(jié)構(gòu)體。煤礦中常見的結(jié)構(gòu)體的形式有塊狀、菱形、板狀、碎塊狀;也可形成鱗片狀、碎屑狀等。結(jié)構(gòu)體形式的劃分與巖體穩(wěn)定評(píng)價(jià)很有關(guān)系，三方面的因素：

①不同形式的結(jié)構(gòu)體，穩(wěn)定程度不同。板狀結(jié)構(gòu)體比塊狀的差，碎塊狀比板狀差，而鱗片狀、碎屑狀最不穩(wěn)定；

②結(jié)構(gòu)體的產(chǎn)狀不同，穩(wěn)定程度不同。

③結(jié)構(gòu)體在巷道巖體中的受力方向，對(duì)穩(wěn)定性亦有很大影響。

第15頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三

3.巖體結(jié)構(gòu)類型：工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，大部分巖體在外力作用下的破壞過程，主要是結(jié)構(gòu)體沿結(jié)構(gòu)面的剪切滑移、拉開，以及整體的累積變形而破壞。所以，巖體的穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)體的立體形式。不同的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的立體形式組成了各種巖體結(jié)構(gòu)，不同的巖體結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定性亦不相同。

第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的抗壓強(qiáng)度——巖石在垂直壓力作用下抵抗破壞的能力。巖石抗壓強(qiáng)度與巖石性質(zhì)有如下規(guī)律：1．巖石的抗壓強(qiáng)度越高，堅(jiān)固性越好；2．干燥的巖石抗壓強(qiáng)度高，飽和的巖石常由于軟化，因而抗壓強(qiáng)度較低；3．巖石天然容重越小，巖石的抗壓強(qiáng)度越低，這說明孔隙對(duì)巖石強(qiáng)度的影響；4．新鮮巖石抗壓強(qiáng)度高，風(fēng)化巖石抗壓強(qiáng)度低；5．壓力垂直層理或片理的抗壓強(qiáng)度高，平行層理或片理的低；6．無裂隙的巖石抗壓強(qiáng)度高，裂隙發(fā)育的巖石抗壓強(qiáng)度低。巖石的抗剪強(qiáng)度——巖石抵抗剪切破壞的最大能力；巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗折強(qiáng)度第17頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三巖體穩(wěn)定性巖體穩(wěn)定性——研究巖體在應(yīng)力作用下的變形破壞特性，即研究力和介質(zhì)相互作用結(jié)果。

巖石的裂隙性

巖石裂隙破壞了巖石的整體性，降低巖石的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，增加了透水性，對(duì)地下工程影響較大，必須注意研究；對(duì)裂隙的研究主要包括裂隙發(fā)育程度、分布規(guī)律、主要裂隙系統(tǒng)的產(chǎn)狀、裂隙的大小和性質(zhì)以及裂隙的充填情況；

如裂隙玫瑰花圖研究

巖體受力狀態(tài)

巖體內(nèi)部的受力狀態(tài)，主要指：地應(yīng)力、巷道圍巖壓力和礦壓；

地應(yīng)力：包括山體巖石自重力和構(gòu)造應(yīng)力；第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三

巖體變形類型近彈性變形：應(yīng)力與應(yīng)變接近直線關(guān)系，巖體結(jié)構(gòu)大都呈塊狀；勻一完整，結(jié)構(gòu)面呈閉合狀，軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育；巖石變形或強(qiáng)度受巖性控制，因而接近于彈性體、強(qiáng)度較高，巖體穩(wěn)定性好。塑性變形：當(dāng)壓力很小時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變也近直線關(guān)系，隨著應(yīng)力增加，變形值增大，當(dāng)應(yīng)力超過一定限度，雖應(yīng)力增加很小，但應(yīng)變?nèi)匀患眲≡龃蟆?/p>

當(dāng)在塑性巖體中施工，容易產(chǎn)生邊墻內(nèi)鼓、底鼓，地壓顯著增大，巷道破壞嚴(yán)重等；彈塑性變形：介于上述兩者之間；

巷道圍巖壓力：在巖體中開挖巷道后，圍巖中應(yīng)力重新分布，形成應(yīng)力集中狀態(tài)；

礦壓：巷道圍巖在集中應(yīng)力作用下，產(chǎn)生塑性破壞或剪切滑動(dòng)，并作用于工程支護(hù)或襯砌上的力；

巷道圍巖應(yīng)力來源于地應(yīng)力，但又決定于洞體規(guī)模、形態(tài)；而礦壓來源于巷道圍巖應(yīng)力，但巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)化為礦壓，要通過巖體的變形破壞來實(shí)現(xiàn)；第19頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)地下巷道穩(wěn)定性簡(jiǎn)介圍巖松動(dòng)圈：當(dāng)圍巖應(yīng)力未超過巖體強(qiáng)度之前．巖體以彈性變形為主；

當(dāng)應(yīng)力已超過巖體強(qiáng)度時(shí)，則塑性變形十分明顯，發(fā)生破碎、拉裂和剪破。當(dāng)應(yīng)力增高值達(dá)到或超過圍巖強(qiáng)度時(shí)，圍