普氏岩石硬度系数知识aust采矿工程.docx

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普氏岩石硬度系数知识aust采矿工程

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/cm²。

　　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：

R是岩石的单轴抗压强度，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（f）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Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ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＝8～10）、

较硬（f＝5～6）、普通（f＝3～4）、较软（f＝～2）、

软层（f＝～1）、松软（f＜1）等8类。

额分类

普氏分类

土壤及岩石名称

天然湿度下平均容重

极限压碎强度

用轻钻孔机钻进1m

开挖方法及工具

紧固系数

Kg/m3

Kg/cm2

min

f

四类土壤

Ⅳ

土含碎石重粘土，其中包括石炭纪、侏罗纪的硬粘土

1950

－

－

用尖锹并同时用镐和撬棍开挖

~

含有碎石、卵石、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

1950

冰碛粘土，含有重量在50kg以内的巨砾，其含量为总体积10%以内

2000

泥板岩

2000

不含或含有重量达10kg的顽石

1950

松石

Ⅴ

含有重量在50kg以内的巨砾（占体积10%以上）的冰碛石

2100

小于200

－

部分用手凿工具、部分用爆破米开挖

~

矽藻岩和软白垩岩

1800

胶结力弱的砾岩

1900

各种不坚实的版岩

2600

石膏

2200

次坚石

Ⅵ

凝灰岩、和浮石

1100

200~400

用风镐的爆破法来开挖

2~4

灰岩多孔和裂隙严重的石灰岩和介质石灰岩

1200

中等硬变的片岩

2700

中等硬变的泥灰岩

2300

Ⅶ

石灰石胶结的带有卵石和沉积岩的砾石

2200

400~600

用爆破方法开挖

4~6

风化的和有大裂缝的粘土质砂岩

2000

坚实的泥板岩

2800

坚实的泥灰岩

2500

Ⅷ

砾质花岗岩

2300

600~800

用爆破方法开挖

6~8

泥灰质石灰岩

2300

粘土质砂岩

2200

砂质云片岩

2300

硬石膏

2900

普坚石

Ⅸ

严重风化的软弱的花岗岩、片麻岩和正长岩

2500

800~1000

用爆破方法开挖

8~10

滑石化的蛇纹岩

2400

致密的石灰岩

2500

含有卵石、沉积岩的碴质胶结的砾岩

2500

砂岩

2500

砂质石灰灰质片岩

2500

[2]

定额分类

普氏分类

土壤及岩石名称

天然湿度下平均容重

极限压碎强度

用轻钻孔机钻进1m

开挖方法及工具

紧固系数

Kg/m3

Kg/cm2

min

f

一、二类土壤

Ⅰ

砂

1500

－

－

用尖锹开挖

~

砂壤土

1600

腐殖土

1200

泥炭

600

Ⅱ

轻壤土和黄土类土

1600

－

－

用锹开挖并少数用镐开挖

~

潮湿而松散的黄土，软的盐渍土和碱土

1600

平均15MM以内的松散而软的砾石

1700

含有草根的密实腐殖土

1400

－

－

用尖锹开挖并少数用镐开挖

~~

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

三类土壤

Ⅲ

肥粘土其中包括石炭纪、侏罗纪的粘土和冰粘土

1800

－

－

用尖锹并同时用镐和撬棍开挖（30%）

~

重壤土、粗砾石、粒径为15-40MM的碎石或卵石

1750

干黄土和掺有碎石或卵石的自然含水量黄土

1790

含有直径大于30MM根类的腐殖土或泥炭

1400

掺有碎石或卵石和建筑碎料的土壤

1900

[1]

定额分类

普氏分类

土壤及岩石名称

天然湿度下平均容重

极限压碎强度

用轻钻孔机钻进1m

开挖方法及工具

紧固系数

Kg/m3

Kg/cm2

min

f

普坚石

Ⅹ

白云石

2700

1000~2000

用爆破方法开挖

10~12

坚固的石灰岩

2700

大理岩

2700

石灰岩质胶结的致密砾石

2600

坚固的砂质片岩

2600

特坚石

Ⅺ

粗花岗岩

2800

1200~1400

用爆破方法开挖

12~14

非常坚硬的白云岩

2900

蛇纹岩

2600

石灰质胶结的含有火成岩之卵石的砾石

2800

石英胶结的坚固砂岩

2700

粗粒正长岩

2700

Ⅻ

具有风化痕迹的安山岩和玄武岩

2700

1400~1600

用爆破方法开挖

14~16

片麻岩

2600

非常坚固的石灰岩

2900

硅质胶结的含有火成岩之卵石的砾岩

2900

粗石岩

2600

ⅩⅢ

中粒花岗岩

3100

1600~1800

用爆破方法开挖

16~18

坚固耐用的片麻岩

2800

辉绿岩

2700

玢岩

2500

坚固的粗面岩

2800

中粒正长岩

2800

ⅩⅥ

非常坚硬的细粒花岗岩

3300

1800~2000

用爆破方法开挖

18~20

花岗岩麻岩

2900

闪长岩

2900

高硬度的石灰岩

3100

坚固的玢岩

2700

ⅩⅤ

安山岩、玄武岩、坚固的负页岩

3100

2000~2500

用爆破方法开挖

20~25

高硬度的辉绿岩和闪长岩

2900

坚固的辉长岩和石英岩

2800

ⅩⅥ

拉长玄武岩和橄榄玄武岩

3300

大于2500

小于60

用爆破方法开挖

大于25

：

小塌方：

塌方高度<3m，或体积<30m3；

中塌方：

塌方高度3～6m，或体积30～100m3；

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

　　级别

坚固

　　程度

代表性岩石

f

Ⅰ

最坚固

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。

20

Ⅱ

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

Ⅲ

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

Ⅲa

坚　固

坚固的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚固的花岗岩。

8

Ⅳ

比较坚固

一般的砂岩、铁矿石

6

Ⅳa

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

Ⅴa

中等坚固

各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩。

3

Ⅵ

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

Ⅵa

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。

Ⅶ

软

软致密粘土，较软的烟煤，坚固的冲击土层，粘土质土壤。

1

Ⅶa

软

软砂质粘土、砾石，黄土。

Ⅷ

土　状

腐殖土，泥煤，软砂质土壤，湿砂。

Ⅸ

松散状

砂，山砾堆积，细砾石，松土，开采下来的煤。

Ⅹ

流沙状

流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤。

奥国矿物学家摩氏（FrederichMohs）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

方解石（Calcite）

铜币

萤石（Fluorite）

磷灰石（Apatite）

钢刀

玻璃-6

正长石（Orthoclase）

钢锉

石英（Quartz）

黄玉（Topaz）

刚玉（Corundum）

金刚石（Diamond）

摩氏硬度表中所刊载的数字，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;铜币约为至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

矿石硬度等级

Kg/cm2

普氏硬度系数

可碎性系数

可磨性系数

岩石实例

很软

<200

<2

~

石膏，石板岩

软

200~800

2~8

~

~

泥灰岩、石灰石

中硬

800~1600

8~16

硫化矿，硬质页岩

硬

1600~2000

16~20

~

~

硅化页岩铁矿，硬沙岩

很硬

>2000

>20

~

硬花岗岩，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°－φ/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强度的1／100；对fk＜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。

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。

散体地压的两种计算方法

l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：

τ=c+σtanφ

产生散体地压时，非弹性变形区内的岩石已被破坏，c、φ值有所降低，强度曲线由原来的AA/，变BB/，如图所示，相应c、φ值降低为c/、φ/。

由于降低后的c/、φ/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β角相对于φ角的变化，反映c、φ的降低值c/、φ/。

称β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：

τ=σtanβ。

式中tanβ=，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：

τ=σtanβ，岩石破碎前、后的内摩擦角分为φ、φ/，关于β及φ、φ/的比较，下列各项中正确的是（）。

A、β>φ>φ/；

B、β<φ<φ/；

C、φ>β>φ/；

D、φ/>β>φ；

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物线。

如图所示，拱上作用有均布重力荷载q，取脱离体OM，如图（b），设M点的坐标为x、y。

作用于OM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

ΣMM=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：

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，不难看出，产生围岩压力的根本原因，在于两种不同的土体塌落：

整体塌落或土柱底部局部塌落，从而建立两种围岩压力的计算公式。

当埋深较浅，土柱重量（作用力）大于土柱两侧的摩擦力和粘结力（反作用力），地层不能形成拱作用，开挖地道时所引起的应力重分布会波及到地表面，这时土体塌落是整体的塌落；当埋深较大时，土柱两侧的摩擦力和粘结力迅速增大，并大于土柱的重量，这时地层能形成拱作用，地层中应力重分布不波及地面，土柱底部局部变形或塌落便是土层压力的来源。

由此不难看出，土柱理论和压力拱理论是相联系的，土柱的稳定是压力拱存在的必要条件。

如果从整体来看土柱不能处于稳定平衡状态，压力拱当然也不可能形成。

【例题9】某地下洞室以上覆盖层为松散破碎体，按照太沙基理论，下列各项中不正确的是（）。

A、土体塌落为整体塌落，作用于支护结构上的力由塌落土体的重量决定；

B、土体塌落为局部塌落，作用于支护结构上的力由拱内塌落土体的重量决定；

C、土柱重量小于两侧的摩擦力及粘结力，形成局部塌落；

D、当地下洞室以上土柱处于稳定平衡时，会形成拱作用；

答案：

B、C、D

【例题10】关于太沙基理论与自然平衡拱理论，下列说法正确的是（）。

A、二者均为经典地压计算理论，因此可适用于各类地压的计算；

B、自然平衡拱理论考虑了冒落岩体的凝聚力，而太沙基理论则未考虑岩体粘聚力的影响；

C、自然平衡拱理论适用于各种类型的散体地压的计算，而太沙基理论仅适用于埋深较浅时的散体地压的计算；

D、二者是从不同的角度分析地压的产生而形成的理论，各自有其适用性和局限性，但二者不是相互独立的，而是相互联系的；

答案：

D