普氏巖石硬度系數(shù)知識采礦治金行業(yè)管理工程

1、29/29普氏巖石硬度系數(shù)知識由俄羅斯學者于1926年提出的巖石牢固性系數(shù)（又稱普氏系數(shù)）至今仍在礦山開采業(yè)和勘探掘進中得到廣范應用。巖石的牢固性區(qū)不于巖石的強度，強度值必定與某種變形方式（單軸壓縮、拉伸、剪切）相聯(lián)系，而牢固性反映的是巖石在幾種變形方式的組合作用下抵抗破壞的能力。1. 普氏系數(shù)又稱巖石的牢固性系數(shù)、緊固系數(shù)，數(shù)值是巖石或土壤的單軸抗壓強度極限的1/100，記作f，無量綱。 f=Sc/100，式中：Sc的計量單位為kg/cm。 2.因為在鉆掘施工中往往不是采納純壓入或純回轉(zhuǎn)的方法破裂巖石，因此這種反映在組合作用下巖石破裂難易程度的指標比較貼近生產(chǎn)實際情況。巖石牢固性系數(shù)f表征的

2、是巖石抵抗破裂的相對值。因為巖石的抗壓能力最強，故把巖石單軸抗壓強度極限的1/10作為巖石的牢固性系數(shù)，即 f=R/10 式中： R是巖石的單軸抗壓強度，MPa。 f是個無量綱的值，它表明某種巖石的牢固性比致密的粘土牢固多少倍，因為致密粘土的抗壓強度為10MPa。巖石牢固性系數(shù)的計算公式簡潔明了，f值可用于可能巖石抵抗破裂的能力及其鉆掘以后的穩(wěn)定性。依照巖石的牢固性系數(shù)(f)可把巖石分成10級（見下表），等級越高的巖石越容易破裂。為了方便使用又在第,級的中間加了半級?？紤]到生產(chǎn)中可不能大量遇到抗壓強度大于200MPa的巖石，故把凡是抗壓強度大于200MPa的巖石都歸入級。 這種方法比較簡單，而

3、且在一定程度上反映了巖石的客觀性質(zhì)。但它也還存在著一些缺點： (1) 巖石的牢固性雖概括了巖石的各種屬性（如巖石的鑿巖性、爆破性，穩(wěn)定性等），但在有些情況下這些屬性并不是完全一致的。 (2) 普氏分級法采納實驗室測定來代替現(xiàn)場測定，這就不可幸免地帶來因應力狀態(tài)的改變而造成的牢固程度上的誤差。極硬（f20）、 專門硬（f15）、 堅硬（f810）、較硬（f56）、 一般（f34）、 較軟（f1.52）、軟層（f0.81）、 松軟（f1）等8類。額分類普氏分類土壤及巖石名稱天然濕度下平均容重極限壓 碎強度用輕鉆孔機鉆進1m開挖方法 及工具緊固系數(shù)Kg/m3Kg/cm2minf四類土壤土含碎石重粘土

4、，其中包括石炭紀、侏羅紀的硬粘土1950用尖鍬并同時用鎬和撬棍開挖1.01.5含有碎石、卵石、建筑碎料和重達25kg的頑石（總體積10%以內(nèi)）等雜質(zhì)的肥粘土和重壤土1950冰磧粘土，含有重量在50kg以內(nèi)的巨礫，其含量為總體積10%以內(nèi)2000泥板巖2000不含或含有重量達10kg的頑石1950松 石 含有重量在50kg以內(nèi)的巨礫（占體積10%以上）的冰磧石2100小于200部分用手鑿工具、部分用爆破米開挖1.51.2矽藻巖和軟白堊巖1800膠結(jié)力弱的礫巖1900各種不堅實的版巖2600石膏2200次堅石 凝灰?guī)r、和浮石11002004003.5用風鎬的爆破法來開挖24灰?guī)r多孔和裂隙嚴峻的石灰

5、巖和介質(zhì)石灰?guī)r1200中等硬變的片巖2700中等硬變的泥灰?guī)r2300石灰石膠結(jié)的帶有卵石和沉積巖的礫石22004006006.0用爆破方法開挖46 風化的和有大裂縫的粘土質(zhì)砂巖2000堅實的泥板巖2800堅實的泥灰?guī)r2500礫質(zhì)花崗巖23006008008.5用爆破方法開挖68泥灰質(zhì)石灰?guī)r2300粘土質(zhì)砂巖2200砂質(zhì)云片巖2300硬石膏2900普 堅 石 嚴峻風化的軟弱的花崗巖、片麻巖和正長巖25008001000 11.5 用爆破方法開挖 810滑石化的蛇紋巖2400致密的石灰?guī)r2500含有卵石、沉積巖的碴質(zhì)膠結(jié)的礫巖2500砂巖2500砂質(zhì)石灰灰質(zhì)片巖2500 HYPERLINK /Ar

6、ticle/2007/200701/4499.html上一頁 HYPERLINK /Article/2007/200701/4499.html12 HYPERLINK /Article/2007/200701/4499_3.html3 HYPERLINK /Article/2007/200701/4499_3.html下一頁 定額分類普氏分類土壤及巖石名稱天然濕度下平均容重極限壓 碎強度用輕鉆孔機鉆進1m開挖方法 及工具緊固系數(shù)Kg/m3Kg/cm2minf一 、 二類 土 壤 砂1500用尖鍬開挖0.50.6砂壤土1600腐殖土1200泥炭600輕壤土和黃土類土1600用鍬開挖并少數(shù)用鎬開挖

7、0.60.8潮濕而松散的黃土，軟的鹽漬土和堿土1600平均15MM以內(nèi)的松散而軟的礫石1700含有草根的密實腐殖土1400用尖鍬開挖并少數(shù)用鎬開挖0.60.8含有直徑在30MM以內(nèi)根類的泥炭和腐殖土1100摻有卵石、碎石和石屑的砂和腐殖土1650含有卵石、或碎石雜質(zhì)的膠結(jié)成塊的填土1750含有卵石、碎石和建筑料雜質(zhì)的砂壤土1900三 類 土 壤肥粘土其中包括石炭紀、侏羅紀的粘土和冰粘土1800用尖鍬并同時用鎬和撬棍開挖（30%）0.811.0重壤土、粗礫石、粒徑為15-40MM的碎石或卵石1750干黃土和摻有碎石或卵石的自然含水量黃土1790含有直徑大于30MM根類的腐殖土或泥炭1400摻有碎

8、石或卵石和建筑碎料的土壤1900 1 HYPERLINK /Article/2007/200701/4499_2.html2 HYPERLINK /Article/2007/200701/4499_3.html3 HYPERLINK /Article/2007/200701/4499_2.html下一頁 定額分類普氏分類土壤及巖石名稱天然濕度下平均容重極限壓 碎強度用輕鉆孔機鉆進1m開挖方法及 工具緊固 系數(shù)Kg/m3Kg/cm2minf普堅石白云石27001000 200015.0用爆破 方法 開挖1012牢固的石灰?guī)r2700大理巖2700石灰?guī)r質(zhì)膠結(jié)的致密礫石2600牢固的砂質(zhì)片巖2600

9、特堅石粗花崗巖28001200 140018.5用爆破 方法 開挖1214特不堅硬的白云巖2900蛇紋巖2600石灰質(zhì)膠結(jié)的含有火成巖之卵石的礫石2800石英膠結(jié)的牢固砂巖2700粗粒正長巖2700具有風化痕跡的安山巖和玄武巖27001400 160022.0用爆破 方法 開挖1416片麻巖2600特不牢固的石灰?guī)r2900硅質(zhì)膠結(jié)的含有火成巖之卵石的礫巖2900粗石巖2600中?；◢弾r31001600 180027.5用爆破 方法 開挖1618牢固耐用的片麻巖2800輝綠巖2700玢巖2500牢固的粗面巖2800中粒正長巖2800特不堅硬的細?；◢弾r33001800 200032.5用爆破 方

10、法 開挖1820花崗巖麻巖2900閃長巖2900高硬度的石灰?guī)r3100牢固的玢巖2700安山巖、玄武巖、牢固的負頁巖31002000 250046.0用爆破 方法 開挖2025高硬度的輝綠巖和閃長巖2900牢固的輝長巖和石英巖2800拉長玄武巖和橄欖玄武巖3300大 于 2500小 于 60用爆破 方法 開挖大 于 25 ：小塌方：塌方高度3m，或體積6m，或體積100m3；表1-9 按牢固性系數(shù)對巖石可鉆性分級表 巖石級不牢固程度代 表 性 巖 石f最牢固最牢固、致密、有韌性的石英巖、玄武巖和其他各種特不牢固的巖石。20專門牢固專門牢固的花崗巖、石英斑巖、硅質(zhì)片巖，較牢固的石英巖，最牢固的砂

11、巖和石灰?guī)r。15堅固致密的花崗巖，專門牢固的砂巖和石灰?guī)r，石英礦脈，牢固的礫巖，專門牢固的鐵礦石。10a堅固牢固的砂巖、石灰?guī)r、大理巖、白云巖、黃鐵礦，不牢固的花崗巖。8比較牢固一般的砂巖、鐵礦石6a比較牢固砂質(zhì)頁巖，頁巖質(zhì)砂巖。5中等牢固牢固的泥質(zhì)頁巖，不牢固的砂巖和石灰?guī)r，軟礫石。4a中等牢固各種不牢固的頁巖，致密的泥灰?guī)r。3比較軟軟弱頁巖，專門軟的石灰?guī)r，白堊，鹽巖，石膏，無煙煤，破裂的砂巖和石質(zhì)土壤。2a比較軟碎石質(zhì)土壤，破裂的頁巖，粘結(jié)成塊的礫石、碎石，牢固的煤，硬化的粘土。1.5軟軟致密粘土，較軟的煙煤，牢固的沖擊土層，粘土質(zhì)土壤。1a軟軟砂質(zhì)粘土、礫石，黃土。0.8土狀腐殖土，泥

12、煤，軟砂質(zhì)土壤，濕砂。0.6松散狀砂，山礫堆積，細礫石，松土，開采下來的煤。0.5流沙狀流沙，沼澤土壤，含水黃土及其他含水土壤。0.3奧國礦物學家摩氏(Frederich Mohs)創(chuàng)立一種硬度表，作為評判礦物硬度的標準。最軟者為滑石，最硬者為金剛石，共有十種礦物，定為十級，分不為： 滑石(Talc) 石膏(Gypsum) 指甲 2.5 方解石(Calcite) 銅幣 3.5-4 螢石(Fluorite) 磷灰石(Apatite) 鋼刀 5.5 玻璃 5.5 -6 正長石(Orthoclase) 鋼銼 6.5 石英(Quartz) 黃玉(Topaz) 剛玉(Corundum) 金剛石(Diam

13、ond) 摩氏硬度表中所刊載的數(shù)字，并沒有比例上的關(guān)系。例如正長石硬度6，并不表示他是方解石硬度的兩倍，數(shù)字的大小僅表明硬度排行而已。當鑒定硬度時, 假如沒有以上的摩氏硬度計, 可用其他東西代替,如小刀其硬度約為5.5;銅幣約為3.5至4; 指甲約為2至3;玻璃硬度為6。 關(guān)于礦石硬度等級的劃分礦石硬度等級Kg/cm2普氏硬度系數(shù)可碎性系數(shù)可磨性系數(shù)巖石實例專門軟2002000200.650.750.5硬花崗巖，玄武巖，含鐵石英巖M. M. 普羅托齊雅科諾夫基于實際工程觀看和模型試驗結(jié)果，提出了天然平衡拱法分析圍巖應力。此法在我國簡稱為普氏fk法，得到了普遍的應用。此法認為，洞室開挖后圍巖一部

14、分砂體失去平衡而向下塌落，塌落部位以上和兩側(cè)砂體，處于新的平衡狀態(tài)而穩(wěn)定。塌落邊界輪廓呈拱形。若洞室側(cè)圍砂體沿斜面滑動，洞頂仍塌落后呈拱形。若有支撐或襯砌，作用在支撐或襯砌上的壓力，便是拱圈以內(nèi)塌落的砂體重量，而拱圈以外的砂體已維持自身平衡。那個拱便稱為“天然平衡拱”。設(shè)洞壁鉛直，把側(cè)圍三角形滑塌體內(nèi)最大主應力方向視為鉛直的，則天然條件下滑塌斜面就會與側(cè)壁呈45/2的夾角。由此，對散粒土體依照靜力平衡的平面問題做出假定條件后，便可求出拱圈(塌落體)高度。普氏將此方法推廣到巖體上，認為被許多裂隙切割的巖體也能夠視為具一定凝聚力的松散體，并認為牢固系數(shù)為巖石抗壓強度的1100；對fk4的巖土，按上

15、述方法計算洞頂和洞壁的圍巖壓力；對fk4的巖石，則只有洞頂出現(xiàn)圍巖壓力，一般沒有側(cè)壁圍巖壓力。fk反映了巖土強度特性。軟弱巖石fk值均小于4，土的fk值均小于1.0。關(guān)于40的浮砂及飽水淤泥，一般可按靜水壓力原則計算圍巖壓力。普氏平衡拱理論有一定優(yōu)點，把塌落體的重量視為圍巖壓力，專門直觀，易理解，也有理論依照。但把所有圍巖塌落體均視為拱形，便有專門大局限性。實際上，除一般土體外，巖體塌落體大都不呈拱形。普氏理論完全不考慮巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造應力，特不是圍巖應力重分布的阻礙。目前，由于長期實踐，多數(shù)部門仍沿用牢固系數(shù)fk，并按fk法確定圍巖塌落的拱高度，計算圍巖壓力。當確定巖體牢固系數(shù)時，使其帶有經(jīng)驗

16、性質(zhì)的系數(shù)，即反映了巖體具體的地質(zhì)條件，如巖性、風化破裂及構(gòu)造特征等，便更符合實際。盡管如此fk法最好只用于土體和軟弱巖體，對堅硬巖石的圍巖應具體分析巖體結(jié)構(gòu)等特征，去確定圍巖壓力熟悉新奧法施工的原理和技術(shù)要點；了解礦山法(爆破法)的原理及技術(shù)要點；熟悉掘進機法、盾構(gòu)法的特點及適用條件；了解太沙基理論的分析方法；熟悉土體應力、地應力、應變測試和彈性波測試方法及應用。15.1 散體地壓的兩種計算方法l 地壓的普氏計算方法(1) 破裂巖石強度條件的修正圍巖未破裂時的強度條件： =c+tan 15.1-1產(chǎn)生散體地壓時，非彈性變形區(qū)內(nèi)的巖石已被破壞，c、值有所降低，強度曲線由原來的AA/，變BB/，

17、如圖15.1-1所示，相應c、值降低為c/、/。由于降低后的c/、/專門難測定，且松散巖體黏聚力專門低，故能夠通過原點的斜直線OD近似代替BB/，即用角相關(guān)于角的變化，反映c、的降低值c/、/。稱角為“似內(nèi)摩擦角”或“內(nèi)阻力角”。因此，破裂巖石的強度條件近似為：=tan。式中tan=，為普氏牢固性系數(shù)，=Sc/100(Sc為巖石單軸抗壓強度)?！纠}1】按照地壓的普氏理論，破裂巖石的強度近似條件為：=tan，巖石破裂前、后的內(nèi)摩擦角分為、/，關(guān)于及、/的比較，下列各項中正確的是( )。A、/；B、/；D、/；答案：A【例題2】當?shù)叵露词业膰鷰r產(chǎn)生散體地壓時，被破壞的巖石是指( )。A、彈性變形

18、區(qū)內(nèi)的巖石；B、塑性變形區(qū)內(nèi)的巖石；C、被軟弱結(jié)構(gòu)面切割成塊體的圍巖；D、原已破裂的圍巖；答案：B、C、D(2)平巷地壓普氏計算法普氏理論即自然平衡拱理論。其要緊之點是：視冒落巖體為具有一定凝聚力的松散體；巷道頂板的冒落形式呈拱形最終穩(wěn)定下來，這種拱稱作自然平衡拱；自然平衡拱的輪廓線是一條拋物線。 如圖15.1-2所示，拱上作用有均布重力荷載q，取脫離體OM，如圖15.1-2(b)，設(shè)M點的坐標為x、y。作用于OM上的外力有右半拱的水平推力T，垂直均布荷載q和左半半拱被截掉部分的反力R。由拱的平衡條件取MM=0普氏牢固性系數(shù)可按單軸抗壓強度的百分之一，Sc/100。為了更確切的反映巖體的實際強

19、度，可結(jié)合地下工程具體條件加以修正?！纠}3】按照普氏理論，關(guān)于產(chǎn)生散體地壓的圍巖，其作用于支護結(jié)構(gòu)上的壓力為( )。A、大于拱內(nèi)巖石的重量；B、等于拱內(nèi)巖石的重量；C、小于拱內(nèi)巖石的重量；D、以上A、B、C三種情況均有可能產(chǎn)生；答案：B【例題4】關(guān)于普氏牢固性系數(shù)，下列各項中不正確的是( )。A、可按單軸抗壓強度的百分之一；B、可按抗剪強度的百分之一；C、為了更確切的反映巖體的實際強度，值可結(jié)合地下工程具體條件加以修正； D、可按抗拉強度的百分之一； 答案：B、D【例題5】自然平衡拱理論是指( )。A、普氏理論；B、太沙基理論；C、TBM施工理論；D、NATM施工理論； 答案：A【例題6】按照普氏理論，自然平衡拱的輪輪廓線為( )。A、一條直線；B、一條對數(shù)線；C、一條單曲線；D、一條拋物線；答案：D2 地壓太沙基計算方法太沙基理論也把破裂巖體看成松散體。它的特點是從應力傳遞的概念動身，推導出作用于支架上的垂直應力計算公式。當巷道埋深不大時，支護結(jié)構(gòu)的彎曲和下沉引起覆蓋巖層下滑，【例題8】太沙基計算法的適用范圍是( )。A、一般用于埋深不大的巷道地壓計算；B、一般用于埋深較大的巷道地壓計算；C、一般用于沖擊地壓計算；D、一般用于變形地壓的計算；答案：A從松散體理論分析圍巖壓力計算公式中，不難看出，產(chǎn)生圍巖壓力的全然