普氏岩石硬度系数知识aust采矿工程(20201224113811)

1、 普氏岩石硬度系数知识 由俄罗斯学者于1926年提出的岩石坚固性系数（又称普氏系数）至今仍在 矿山开采业和勘探掘进中得到广范应用。岩石的坚固性区别于岩石的强度，强度 值必定与某种变形方式（单轴压缩、拉伸、剪切）相联系，而坚固性反映的是岩 石在几种变形方式的组合作用下抵抗破坏的能力。 1.普氏系数又称岩石的坚固性系数、紧固系数，数值是岩石或土壤的单轴 抗压强度极限的1/100，记作f，无量纲。 f=Sc/100，式中：Sc的计量单位为 kg/cm。 2.因为在钻掘施工中往往不是采用纯压入或纯回转的方法破碎岩石， 因此这种反映在组合作用下岩石破碎难易程度的指标比较贴近生产实际情 况。岩石坚固性系数

2、 f表征的是岩石抵抗破碎的相对值。因为岩石的抗压 能力最强，故把岩石单轴抗压强度极限的1/10作为岩石的坚固性系数，即 f=R/10 式中：石的单轴抗压强度，MPa f是个无量纲的值，它表明某种岩石的坚固性比致密的粘土坚固多少 倍，因为致密粘土的抗压强度为10MPa岩石坚固性系数的计算公式简洁明 了，f值可用于预计岩石抵抗破碎的能力及其钻掘以后的稳定性。 根据岩石的坚固性系数 可把岩石分成10级（见下表），等级越高的岩 石越容易破碎。为了方便使用又在第川，叽V , W , %级的中间加了半级。 考虑到生产中不会大量遇到抗压强度大于200MPa的岩石，故把凡是抗压强 度大于200MPa的岩石都归

3、入I级。 这种方法比较简单，而且在一定程度上反映了岩石的客观性质。但它 也还存在着一些缺点： （1）岩石的坚固性虽概括了岩石的各种属性（如岩石的凿岩性、爆破 性，稳定性等），但在有些情况下这些属性并不是完全一致的。 （2）普氏分级法采用实验室测定来代替现场测定，这就不可避免 地带来因应力状态的改变而造成的坚固程度上的误差。 极硬（f = 20）、很硬（f = 15）、坚硬（f= 810）、 较硬（f= 56）、普通（f= 34）、较软（f= 1.52）、 软层（f = 0.81）、 松软（fv 1、等8类。 额分类 普氏分类 土壤及岩石 天然湿度下 极限压碎强 用轻钻孔机 开挖方法及 紧固系数

4、 名称 平均容重 度 钻进1m 工具 Kg/m3 Kg/cm2 min f 四类土壤 IV 土含碎石重 1950 一 一 用尖锹并同 1.01.5 粘土，其中包 时用镐和撬 松石V vn 括石炭纪、侏 罗纪的硬粘 土 棍开挖 含有碎石、卵 1950 石、建筑碎料 和 重 达 25kg 的顽石（总体 积10%以内） 等杂质的肥 粘土和重壤 土 冰碛粘土，含 2000 有重量在 50kg 以 内 的 巨砾，其含量 为总体积 10%以内 泥板岩 2000 不含或含有 1950 重 量 达 10kg 的顽石 含有重量在 2100 50kg 以 内 的 巨砾（占体积 10%以上）的 冰碛石 矽藻岩和软

5、1800 白垩岩 胶结力弱的 1900 砾岩 各种不坚实 2600 的版岩 石膏 2200 凝灰岩、和浮 1100 石 灰岩多孔和 1200 裂隙严重的 石灰岩和介 质石灰岩 中等硬变的 2700 I 匚 u_r 片岩 中等硬变的 2300 泥灰岩 石灰石胶结 2200 小于 200 部分用手凿 工具、部分用 爆破米开挖 1.51.2 200400 3.5 400600 6.0 用风镐的爆 破法来开挖 用爆破方法 24 46 普坚石 的带有卵石 和沉积岩的 砾石 开挖 风化的和有 大裂缝的粘 土质砂岩 坚实的泥板 岩 坚实的泥灰 岩 泥灰质石灰 岩 粘土质砂岩 砂质云片岩 硬石膏 2000 2

6、800 2500 砾质花岗岩 2300 600800 8.5 2300 2200 2300 2900 IX 上一页?1? 2 ?3?下一页 定额分类 普氏分类 二类 潮湿而松散 的黄土，软的 盐渍土和碱 土 用爆破方法 开挖 严重风化的 2500 8001000 11.5 用爆破方法 软弱的花岗 开挖 岩、片麻岩和 正长岩 滑石化的蛇 2400 纹岩 致密的石灰 2500 岩 含有卵石、沉 2500 积岩的碴质 胶结的砾岩 砂岩 2500 砂质石灰灰 2500 质片岩 土壤及岩石 天然湿度下 极限压碎强 用轻钻孔机 开挖方法及 名称 平均容重 度 钻进1m 工具 Kg/m3 Kg/cm2 mi

7、n 砂 1500 一 一 用尖锹开挖 砂壤土 1600 腐殖土 1200 泥炭 600 轻壤土和黄 1600 一 一 用锹开挖并 土类土 少数用镐开 1600 挖 810 紧固系数 0.50.6 0.60.8 68 用尖锹开挖 0.60.8 并少数用镐 开挖 用尖锹并同 0.811.0 时用镐和撬 棍开挖 (30%) 平均 15MM 1700 以内的松散 而软的砾石 含有草根的1400 密实腐殖土 含有直径在 30MM以内 根类的泥炭 和腐殖土 掺有卵石、碎 石和石屑的 砂和腐殖土 含有卵石、或 碎石杂质的 胶结成块的 填土 含有卵石、碎 石和建筑料 杂质的砂壤 土 类土壤川肥粘土其中1800

8、 包括石炭纪、 侏罗纪的粘 土和冰粘土 重壤土、粗砾 1750 石、粒径为 15-40MM 的 碎石或卵石 干黄土和掺 1790 有碎石或卵 石的自然含 水量黄土 含有直径大 1400 于30MM根 类的腐殖土 或泥炭 掺有碎石或1900 卵石和建筑 碎料的土壤 1?2?3?下一页 定额分类 普氏分类 土壤及岩石 天然湿度下 极限压碎强 用轻钻孔机 开挖方法及 紧固系数 名称 平均容重 度 钻进1m 工具 Kg/m3 Kg/cm2 min f 普坚石 X 白云石 2700 1000 2000 15.0 用爆破方法 1012 坚固的石灰 i-JU 岩 2700 开挖 大理岩 2700 石灰岩质胶

9、 结的致密砾 石 2600 坚固的砂质 匚 u_r 片岩 2600 特坚石 粗花岗岩 2800 1200 1400 18.5 用爆破 方法 1214 非常坚硬的 白云岩 2900 开挖 蛇纹岩 2600 石灰质胶结 的含有火成 岩之卵石的 砾石 2800 石英胶结的 2700 坚固砂岩 粗粒正长岩 2700 刘 具有风化痕 2700 1400 1600 22.0 用爆破 方法 1416 迹的安山岩 开挖 丄化！JU 和玄武岩 2600 片麻岩 非常坚固的 石灰岩 2900 硅质胶结的 2900 含有火成岩 之卵石的砾 I-JU 岩 粗石岩 2600 xm 中粒花岗岩 3100 1600 180

10、0 27.5 用爆破 方法 1618 坚固耐用的 丄化！JU 2800 开挖 片麻岩 辉绿岩 2700 玢岩 2500 坚固的粗面 i-JU 岩 2800 中粒正长岩 2800 xw 非常坚硬的 3300 1800 2000 32.5 用爆破 方法 1820 细粒花岗岩 开挖 花岗岩麻岩 2900 闪长岩 2900 高硬 度的石 3100 灰岩 坚固的玢岩 2700 XV 女山岩、玄武 3100 2000 2500 46.0 用爆破 方法 2025 岩、坚固的负 开挖 页岩 高硬度的辉 2900 绿岩和闪长 岩 坚固的辉长 2800 岩和石英岩 XW 拉长玄武岩 3300 大于2500 小于6

11、0 用爆破 方法 大于25 和橄榄玄武 开挖 岩 :小塌方：塌方高度3m，或体积30m3 ; 中塌方：塌方高度 36m，或体积30100m3; 大塌方：塌方高度6m，或体积100m3 ; 表1-9按坚固性系数对岩石可钻性分级表 岩石 坚固 代表性岩石 f 级别 程度 I 最坚固 20 最坚固、致密、有韧性的石英岩、玄武岩和其他各种特别坚固的岩石。 n 很坚固 很坚固的花岗岩、石英斑岩、硅质片岩，较坚固的石英岩，最坚固的砂 岩和石灰岩。 15 出 坚固 致密的花岗岩，很坚固的砂岩和石灰岩，石英矿脉，坚固的砾岩，很坚 固的铁矿石。 10 川a 坚固 坚固的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚

12、固的花冈岩。 8 IV 比较坚固 一般的砂岩、铁矿石 6 IV a 比较坚固 砂质页岩，页岩质砂岩。 5 V 中等坚固 坚固的泥质页岩，不坚固的砂岩和石灰岩，软砾石。 4 V a 中等坚固 各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩。 3 屮 比较软 软弱页岩，很软的石灰岩，白垩，盐岩，石膏，无烟煤，破碎的砂岩和 石质土壤。 2 W a 比较软 碎石质土壤，破碎的页岩，粘结成块的砾石、碎石，坚固的煤，硬化的 粘土。 1.5 vn 软 软致密粘土，较软的烟煤，坚固的冲击土层，粘土质土壤。 1 vn a 软 软砂质粘土、砾石，黄土。 0.8 vrn 土状 腐殖土，泥煤，软砂质土壤，湿砂。 0.6 IX 松散状

13、 砂，山砾堆积，细砾石，松土，开米下来的煤。 0.5 X 流沙状 流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤。 0.3 奥国矿物学家摩氏(Frederich Mohs)创立一种硬度表，作为评判矿物硬度的标准。最软者为滑石，最硬者为金刚石，共有 十种矿物，定为十级，分别为：| 滑石(Talc) 石膏(Gypsum) 指甲2.5 方解石(Calcite) 铜币3.5-4 萤石(Fluorite) 磷灰石(Apatite) 钢刀5.5 玻璃5.5 -6 正长石(Orthoclase) 钢锉6.5 石英(Quartz) 黄玉(Topaz) 刚玉(Corundum) 金刚石(Diamond) 摩氏硬度表中所

14、刊载的数字，并没有比例上的关系。例如正长石硬度6，并不表示他是方解石硬度的两倍，数字的大小 仅表明硬度排行而已。当鉴定硬度时，如果没有以上的摩氏硬度计，可用其他东西代替，如小刀其硬度约为5.5;铜币约为 3.5至4;指甲约为2至3;玻璃硬度为6。 关于矿石硬度等级的划分 矿石硬度等 Kg/cm2 普氏硬度系 可碎性系数 可磨性系 岩石实例 级 数 数 很软 200 2000 20 0.650.75 0.5 硬化冈岩，玄武岩，含铁石英岩 M. M.普罗托齐雅科诺夫基于实际工程观察和模型试验结果，提出了天然平衡拱法分析围岩应力。此法在我国简称为普 氏fk法，得到了普遍的应用。此法认为，洞室开挖后围

15、岩一部分砂体失去平衡而向下塌落，塌落部位以上和两侧砂体， 处于新的平衡状态而稳定。 塌落边界轮廓呈拱形。 若洞室侧围砂体沿斜面滑动， 洞顶仍塌落后呈拱形。 若有支撑或衬砌， 作用在支撑或衬砌上的压力，便是拱圈以内塌落的砂体重量，而拱圈以外的砂体已维持自身平衡。这个拱便称为天然 平衡拱”。 设洞壁铅直，把侧围三角形滑塌体内最大主应力方向视为铅直的，则天然条件下滑塌斜面就会与侧壁呈45。- $ /2的夹角。 由此，对散粒土体根据静力平衡的平面问题做出假定条件后，便可求出拱圈（塌落体）高度。 普氏将此方法推广到岩体上，认为被许多裂隙切割的岩体也可以视为具一定凝聚力的松散体，并认为坚固系数为岩石抗 压

16、强度的1/100;对fk V 4的岩土，按上述方法计算洞顶和洞壁的围岩压力；对fk 4的岩石，则只有洞顶出现围岩压力， 一般没有侧壁围岩压力。fk反映了岩土强度特性。软弱岩石 fk值均小于4，土的fk值均小于1.0。对于4 = 0的浮砂及饱水淤 泥，一般可按静水压力原则计算围岩压力。 普氏平衡拱理论有一定优点，把塌落体的重量视为围岩压力，很直观，易理解，也有理论根据。但把所有围岩塌落体均 视为拱形，便有很大局限性。实际上，除一般土体外，岩体塌落体大都不呈拱形。普氏理论完全不考虑岩体结构、构造 应力，特别是围岩应力重分布的影响。目前，由于长期实践，多数部门仍沿用坚固系数fk，并按fk法确定围岩塌

17、落的拱 高度，计算围岩压力。当确定岩体坚固系数时，使其带有经验性质的系数，即反映了岩体具体的地质条件，如岩性、风 化破碎及构造特征等，便更符合实际。 尽管如此fk法最好只用于土体和软弱岩体，对坚硬岩石的围岩应具体分析岩体结构等特征，去确定围岩压力 熟悉新奥法施工的原理和技术要点；了解矿山法（爆破法）的原理及技术要点；熟悉掘进机法、盾构法的特点及适用条件； 了解太沙基理论的分析方法；熟悉土体应力、地应力、应变测试和弹性波测试方法及应用。 15.1? ?散体地压的两种计算方法 I地压的普氏计算方法 （1）? ?破碎岩石强度条件的修正 围岩未破碎时的强度条件：？ ? t =c+ d tan $ ?

18、? ? ? ?15.1-1 产生散体地压时，非弹性变形区内的岩石已被破坏，c、值有所降低，强度曲线由原来的 AA/，变BB/，如图15.1-1所 示，相应c、$值降低为c/、$ /。由于降低后的c/、$ /很难测定，且松散岩体黏聚力很低，故可以通过原点的斜直线OD 近似代替BB/，即用B角相对于0角的变化，反映 c、的降低值c/、$ /。称B角为似内摩擦角”或内阻力角” 。因 此，破碎岩石的强度条件近似为：t =b tan 3 式中?tan 3 =? , ?为普氏坚固性系数，？=Sc/100(Sc为岩石单轴抗压强度)。 【例题1】按照地压的 普氏理论，破碎岩石的强度近似条件为：t = b ta

19、n 3,岩石破碎前、后的内摩擦角分为/, 关于3及/的比较，下列各项中正确的是(? ? ?) A、3 0 0 /； B 、3 0 3 0 /； D 、0 / 3 0； 答案： A 【例题 2】当地下洞室的围岩产生散体地压时,被破坏的岩石是指(? ? ? ?) 。 A、弹性变形区内的岩石； B、塑性变形区内的岩石； C、被软弱结构面切割成块体的围岩； D、原已破碎的围岩； 答案： B、 C、 D (2)平巷地压 普氏 计算法 ?普氏理论即自然平衡拱理论 。其主要之点是： 视冒落岩体为具有一定凝聚力的松散体； 巷道顶板的冒落形式呈拱形最 终稳定下来,这种拱称作自然平衡拱；自然平衡拱的轮廓线是一条抛

20、物线。 ? ?如图15.1-2所示，拱上作用有均布重力荷载 q，取脱离体0M，如图15.1-2(b)，设M点的坐标为x、y。作用于0M上的 外力有右半拱的水平推力 T,垂直均布荷载q和左半半拱被截掉部分的反力R。由拱的平衡条件取 工 MM=0 普氏 坚固性系数 ?可按单轴抗压强度的百分之一,Sc/100 。为了更确切的反映岩体的实际强度,可结合地下工程具体条 件加以修正。 【例题 3】按照 普氏理论,对于产生散体地压的围岩,其作用于支护结构上的压力为(? ? ?) 。 A、大于拱内岩石的重量； B、等于拱内岩石的重量； C 、小于拱内岩石的重量； D、以上A、B、C三种情况均有可能产生； 答案

21、： B 【例题4】关于普氏坚固性系数 ?,下列各项中不正确的是 (? ?) 。 A、?可按单轴抗压强度的百分之一； B、?可按抗剪强度的百分之一； C、 为了更确切的反映岩体的实际强度，？值可结合地下工程具体条件加以修正；？ ? ? ? ? D、?可按抗拉强度的百分之一； 答案： B、 D 【例题5】自然平衡拱理论 是指(? ? ? ) 。 A、普氏 理论； B、太沙基理论； C、TBM 施工理论； D 、 NATM 施工理论； 答案： A 【例题 6】按照 普氏 理论，自然平衡拱的轮轮廓线为 (? ? ?) 。 A、一条直线； B、一条对数线； C、一条单曲线； D、一条抛物线； 答案： D 2 地压太沙基计算方法 太沙基理论也把破裂岩体看成松散体。它的特点是从应力传递的概念出发，推导出作用于支架上的垂直应力计算公式。 当巷道埋深不大时，支护结构的弯曲和下沉引起覆盖岩层下滑， 【例题 8】太沙基计算法的适用范围是 (? ? ?) 。 A 、一般用于埋深不大的巷道地压计算； B、一般用于埋深较大的巷道地压计算； C、一般用于冲击地压计算； D、一般用于变形地压的计算； 答案： A 从松散体理论分析围岩压力计算公式中，不