课程名称《井巷工程2》.ppt
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上节回顾背景知识(煤炭行业和井巷技术)井巷工程的几个概念井巷工程简介井巷工程的有关概念井巷工程的有关概念1定义:
定义:
范畴:
范畴:
“地下结构地下结构”2井巷工程的特点:
井巷工程的特点:
1)地下工程,隐蔽工程;2)管理、设计、施工、监理、监测等多部门共同完成;3)井巷施工工序多、复杂;4)破岩和支护是其核心问题。
“掘”+“支”5)投资大、风险高,安全第一。
6)结构结构多为线状或管状。
7)地下工程环境复杂多变。
3煤矿井巷工程煤矿井巷工程1)矿山建设工程2)矿井生产准备工程3)矿井延深工程井巷工程有关概念井巷工程有关概念1)井巷)井巷:
为进行采掘工作,在煤层或岩层内所开凿的一切空硐,统称为井巷;2)巷道顶巷道顶(底底)板板:
构成巷道顶(底)部的岩石面,叫巷道顶(底)板,两侧的岩石面叫两帮;3)工作面工作面:
正在施工的井巷,其末端随掘进工作不断向前移动的岩石面称为工作面;4)横断面:
横断面:
垂直于巷道长轴线的断面。
水平巷道:
水平巷道:
平硐:
隧道:
石门平巷:
垂直巷道:
垂直巷道:
立井:
暗立井:
溜井:
倾斜巷道:
倾斜巷道:
斜井;暗斜井:
上(下)山:
5)巷道种类)巷道种类:
硐室:
硐室:
1223546891013131277114井巷设计井巷设计1)概念按照矿井生产需要、服务年限和地层条件,根据规范要求,合理确定井巷断面形状、尺寸和井巷断面形状、尺寸和支护结构支护结构,合理确定井巷的线路。
2)分类
(1)主副井,车场,大巷,上山,区段平巷等。
(2)钻眼爆破、支护、通风、通信照明、施工组织等。
5井巷施工井巷施工1)过程:
破岩形成断面采用支护材料和结构。
保持保持巷道稳定,形成支护空间。
巷道稳定,形成支护空间。
工序:
工序:
破岩、装岩、运岩、支护、通风除尘。
2)分类
(1)普通施工法:
炸药破岩;
(2)特殊施工法:
炸药和机械破岩兼有;(3)机械施工法:
刀具破岩。
第第1章岩石的性质及其工程分级章岩石的性质及其工程分级井巷工程井巷工程1岩石性质与工程分级岩石性质与工程分级引引子子井巷施工最基本的工作井巷施工最基本的工作破岩与井巷维护破岩与井巷维护为什么要了解岩石与岩体的物理力学性质为什么要了解岩石与岩体的物理力学性质?
如何在开挖和支护中利用岩石的强度?
如何在开挖和支护中利用岩石的强度?
为什么要对岩石进行工程分级为什么要对岩石进行工程分级?
第第1章章岩石的性质及其工程分级岩石的性质及其工程分级1.1概概述述1.2岩石的物理性质岩石的物理性质1.3岩石的力学性质岩石的力学性质1.4岩石的工程分级岩石的工程分级习习题题
(1)岩石岩石组成地壳的基本物质,由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律而形成的自然地质体自然地质体。
包括岩浆岩、沉积岩沉积岩、变质岩。
“两相”、“三相”。
“最复杂的材料之一”岩石的性质:
岩石的性质:
与其矿物组成有关,与结构、构造有关。
1.1概述
(2)岩体岩体地下工程周围较大范围内的自然地质体。
特点:
特点:
非均质、各向异性、不连续、赋存地质因子。
岩体组成:
岩体组成:
岩块和弱面。
岩体包括:
岩体包括:
岩石、层面和裂隙面、地下水、瓦斯。
(3)岩块岩块从地壳中取出来的小块体,不包含软弱面(岩体中的地质遗迹、层理、节理、断层、裂隙面),近似认为各向同性的连续介质。
1.1概述(4)弱面:
弱面:
层理、节理、断面及裂隙面等,与岩块比较,具有强度低、易变形的特点,称为弱面。
岩体与岩块的差异:
岩体的强度小,岩块的强度大;岩块的各向同性与岩体的各向异性。
岩石是不分岩块和岩体的泛称。
(5)围岩围岩井巷附近受到扰动的岩体。
“5D”1.1概述岩块:
岩块:
岩体岩体(6)表土表土:
覆盖在地壳上部的第三纪、第四纪沉积物,如黄土、粘土、流砂、淤泥、砾石的统称。
(7)基岩:
基岩:
表土以下的固结性岩石统称为基岩。
(8)煤系地煤系地层:
煤层周围一定范围内的地层。
多为沉积岩,如砂岩、灰岩、页岩、泥岩等。
1.1概述表土和基岩表土和基岩1.2.1岩石的密度岩石的密度1.2.2岩石的孔隙性岩石的孔隙性1.2.3岩石的水理性质岩石的水理性质1.2.4岩石的碎胀性岩石的碎胀性1.2岩石的物理性质岩石的物理性质1)相对密度相对密度(曾称比重曾称比重)岩石的相对密度是指岩石固体实体积(不包括孔隙体积)的质量与同体积水的质量的比值。
计算公式为:
式中:
d岩石的相对密度(无量纲量);Gc绝对干燥时体积为VC的岩石质量,g;VC岩石固体实体积,cm3;W水的密度,gcm3。
1.2.1岩石的相对密度和密度岩石的相对密度和密度2)密度密度岩石单位体积包括岩石内孔隙体积在内的质量,又称质量密度,具有干密度与湿密度之分。
a干密度:
干密度:
是单位体积岩石绝对干燥后的质量。
b湿密度:
湿密度:
是天然含水或饱和水状态下的密度。
三种密度的关系:
三种密度的关系:
3)重度(容重)重度(容重):
指单位体积岩石所受的重力,又称重力密度。
=g1.2.2岩石的孔隙性岩石的孔隙性岩石的孔隙性:
岩石的孔隙性:
是指岩石的孔隙和裂隙的发育程度,常用孔隙度(率)n和孔隙比e来表示。
1)孔隙度孔隙度n岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积之和与试件总体积之比。
2)孔隙比孔隙比e岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积总和与试件内固体矿物体积之比。
1.2.2岩石的孔隙性岩石的孔隙性3)孔隙度)孔隙度n和孔隙比的关系和孔隙比的关系4)孔隙性的作用)孔隙性的作用密度和强度;风化程度,透水性,力学强度。
吸水、透水、软化、溶蚀、膨胀、崩解吸水、透水、软化、溶蚀、膨胀、崩解。
1)岩石的)岩石的吸水率吸水率w:
岩石试件在大气压力下吸入水的质量Gw与试件烘干质量Gc之比。
*表1-1列出一些岩石的比重、密度、孔隙比和吸水率等指标1.2.3岩石的水理性质岩石的水理性质煤:
煤:
1.2-2.2t/m3一般粘性土:
一般粘性土:
1.82.0;砂土:
;砂土:
1.62.0.1.2.3岩石的水理性质岩石的水理性质2)岩石的)岩石的软化性软化性:
岩石浸水饱和后强度降低的性质,称为软化性,用软化系数c表示。
定义为饱和岩石试件的单向抗压强度(Rcw)与干燥试件的单向抗压强度(Rc)的比值,即表1.2(7页)
(1)碎胀性:
)碎胀性:
岩石破碎后因孔隙或裂隙增多而总体积增大的性质。
(2)碎胀系数碎胀系数K:
岩石破碎后的总体积V1与原岩破碎前体积V之比。
1.2.4岩石的碎胀性岩石的碎胀性(3)影响碎胀系数大小的因素:
)影响碎胀系数大小的因素:
岩石的物理性质、破碎后的块度大小及其排列状态。
(4)残余碎胀系数残余碎胀系数K岩石破碎后经过压实的总体积V1与原岩破碎前体积V之比。
(5)碎胀系数的意义)碎胀系数的意义选择装岩、运输、提升设备;爆破空间大小;直接顶垮落后的高度。
1.2.4岩石的碎胀性岩石的碎胀性1.3岩石的岩石的力学性质力学性质外载作用下:
“变形变形”、“破坏破坏”、“运动运动”。
1.3.1岩石的变形特征岩石的变形特征1.3.2岩石的强度特征岩石的强度特征1.3.3岩石的硬度岩石的硬度1.3.4岩石的可钻性与可爆性岩石的可钻性与可爆性1.3.1岩石的变形特征岩石的变形特征*荷载(力)与应力:
*变形与应变:
*应力与应变:
*刚度:
1.3.1岩石的变形特征岩石的变形特征1)岩石的弹性和塑性)岩石的弹性和塑性岩石是兼有弹性和塑性的材料。
岩石受力后既可能出现弹性变形,也可能出现塑性变形,而且弹性变形和塑性变形往往同时出现而且弹性变形和塑性变形往往同时出现。
(1)岩石的)岩石的弹性弹性:
指在力的作用下,岩石改变形状和体积,而卸载后能完全恢复其原始状态的性质卸载后能完全恢复其原始状态的性质。
如煤化程度较高的煤、砂岩、砾岩、石灰岩都具有较好的弹性。
(2)塑性)塑性:
在力的作用下,岩石改变形状和体积,而卸卸载后仍保留残余变形的性质载后仍保留残余变形的性质。
如页岩、粘土岩塑性比较强。
岩石的变形特性用岩石的弹性模量E、变形模量EB以及泊松比等参数来表示。
表表1-31-3几种岩石的弹性模量和泊松比几种岩石的弹性模量和泊松比1.3.1岩石的变形特征岩石的变形特征2)岩石的脆性和流变性)岩石的脆性和流变性
(1)岩石的)岩石的脆性脆性岩石在破裂前几乎没有或仅有很短的塑性阶段。
如煤化程度较高的煤、砂岩、石灰岩都具有脆性。
(2)流变)流变通常把随时间因素而变化的应力应变现象统称为流变通常把随时间因素而变化的应力应变现象统称为流变。
许多岩石有流变性,而不同岩石的流变性差异很大。
流变性表现在蠕变、松弛和弹性后效蠕变、松弛和弹性后效三个方面。
蠕变蠕变:
在应力一定的条件下,变形随时间的持续而逐渐增长;松弛松弛:
在变形量一定的条件下,应力随时间的持续而逐渐减少。
弹性后效弹性后效:
岩石在弹性变形阶段,卸载后,有一部分变形立即回复,还有一部分变形要经过一段时间才能回复。
静载荷静载荷下岩石的变形特征(单向压缩)下岩石的变形特征(单向压缩)1.3.1岩石的变形特征岩石的变形特征应力应变曲线应力应变曲线体积应变体积应变三种破坏形式三种破坏形式应力应变曲线应力应变曲线IOA阶段裂隙压密闭合阶段AB阶段线弹性阶段BC段破裂发展阶段或称变形屈服阶段一CD段软化阶段
(1)静荷载下岩石变形特征静荷载下岩石变形特征*一般岩石在室温和大气压条件下的单向压缩试验曲线(图1-1)a、OA段:
曲线斜率逐渐增大;称为“裂隙压密闭合阶段”(变弹模)。
b、AB段:
曲线近似直线;称为“线弹性阶段”。
c、BC段:
曲线的斜率逐渐缩小;称为“破裂发展阶段”,达到极限C。
d、CD段:
刚性试验机时可见曲线上应力随应变而下降直至D,这说明了什么?
*CD曲线的存在说明岩石在达到极限强度后,仍然具有相当的承载能力。
体积应变体积应变岩石的体积改变量V与原体积V的比值,也称体积改变率。
一般岩石具有在弹性阶段体积变小和塑性阶段体积增大的特点、转折点在屈服应力屈服应力B附近。
岩石在塑性阶段体积增大的性质称为扩容现象,对于研究巷道变形和围岩对支护造成的压力等问题有重要意义。
应力应力-体积应变曲线体积应变曲线OB阶段,体积应变减小BC阶段,塑性扩容CD段,碎胀阶段V(3)三种破坏形式)三种破坏形式脆性破坏:
脆性破坏:
永久变形或全变形小于3%者为脆性破坏。
具有这种特性的岩石称为脆性岩石;塑性破坏:
塑性破坏:
永久变形或全变形大于5%者塑性破坏。
具有这种特性的岩石称为塑性岩石;过度状态:
过度状态:
永久变形或全变形在3%到5%之间。
(4)有围压作用时的岩石变形特性有围压作用时的岩石变形特性破坏前的应变增加;破坏前的应变增加;脆性脆性塑性,出现硬塑性,出现硬化现象;化现象;变形模量和泊松比有变形模量和泊松比有一定程度提高。
一定程度提高。
图图1.2不同围压下的大理岩应力应变曲线不同围压下的大理岩应力应变曲线
(二)动载荷下岩石变形特征
(二)动载荷下岩石变形特征*动荷载动荷载外荷载不是常数,而是时间的函数。
如冲击凿岩和爆破落岩等,如图12所示为凿岩机活塞冲击钎尾时,作用力随时间变化的实测曲线。
从图可见,作用力在几十微秒内零骤增到数万牛顿,再经数百微秒重新下降到零。
L质点扰动位移,CP质点扰动的传播速度(波速),t波的传播时间,CPt在t时间内变形范围。
F岩石在动荷载作用下的变形特征岩石在动荷载作用下的变形特征L*动荷载下岩石变形特征:
动荷载下岩石变形特征:
a在动荷载作用下,岩石变形不是整体的均匀变形;b质点的运动速度也不是整体一致的。
“变形和速度”都有一个传播的过程。
*表13列出了几种材料的密度、纵波波速及波阻抗值。
表面波表面波(勒夫波勒夫波):
沿介质边界传播c;体积波:
体积波:
在介质内部传播,分为横波和纵波横波:
横波:
介质振动方向和波的传播方向垂直,产生剪切变形b;纵波纵波:
质点振动方向和波的传播方向一致,产生压缩、拉伸变形a;瑞利波:
瑞利波:
质点运动轨迹为椭圆的波,为地震波的主要形式d波的反射和透射波的反射和透射波阻抗波阻抗cp介质密度与纵波速度的乘积,它表示介质对应力波传播的阻尼作用。
*表13列出了几种材料的密度、纵波波速及波阻抗值。
岩石强度岩石强度在外
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