普氏巖石硬度系數(shù)知識(aust采礦工程).doc

普氏巖石硬度系數(shù)知識由俄羅斯學(xué)者于1926年提出的巖石堅固性系數(shù)（又稱普氏系數(shù)）至今仍在礦山開采業(yè)和勘探掘進(jìn)中得到廣范應(yīng)用。巖石的堅固性區(qū)別于巖石的強(qiáng)度，強(qiáng)度值必定與某種變形方式（單軸壓縮、拉伸、剪切）相聯(lián)系，而堅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)又稱巖石的堅固性系數(shù)、緊固系數(shù)，數(shù)值是巖石或土壤的單軸抗壓強(qiáng)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/cm²。 2.因為在鉆掘施工中往往不是采用純壓入或純回轉(zhuǎn)的方法破碎巖石，因此這種反映在組合作用下巖石破碎難易程度的指標(biāo)比較貼近生產(chǎn)實(shí)際情況。巖石堅固性系數(shù)f表征的是巖石抵抗破碎的相對值。因為巖石的抗壓能力最強(qiáng)，故把巖石單軸抗壓強(qiáng)度極限的1/10作為巖石的堅固性系數(shù)，即 f=R/10 式中： R是巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。 f是個無量綱的值，它表明某種巖石的堅固性比致密的粘土堅固多少倍，因為致密粘土的抗壓強(qiáng)度為10MPa。巖石堅固性系數(shù)的計算公式簡潔明了，f值可用于預(yù)計巖石抵抗破碎的能力及其鉆掘以后的穩(wěn)定性。根據(jù)巖石的堅固性系數(shù)(f)可把巖石分成10級（見下表），等級越高的巖石越容易破碎。為了方便使用又在第,級的中間加了半級?？紤]到生產(chǎn)中不會大量遇到抗壓強(qiáng)度大于200MPa的巖石，故把凡是抗壓強(qiáng)度大于200MPa的巖石都?xì)w入級。 這種方法比較簡單，而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(diǎn)： (1) 巖石的堅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) 普氏分級法采用實(shí)驗室測定來代替現(xiàn)場測定，這就不可避免地帶來因應(yīng)力狀態(tài)的改變而造成的堅固程度上的誤差。極硬（f20）、 很硬（f15）、 堅硬（f810）、較硬（f56）、 普通（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(qiáng)度用輕鉆孔機(jī)鉆進(jìn)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，其中包括石炭紀(jì)、侏羅紀(jì)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(dá)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(dá)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(shí)的版巖2600石膏2200次堅石 凝灰?guī)r、和浮石11002004003.5用風(fēng)鎬的爆破法來開挖24灰?guī)r多孔和裂隙嚴(yán)重的石灰?guī)r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(fēng)化的和有大裂縫的粘土質(zhì)砂巖2000堅實(shí)的泥板巖2800堅實(shí)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(yán)重風(fēng)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 上一頁123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(qiáng)度用輕鉆孔機(jī)鉆進(jìn)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(shí)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摻有卵石、碎石和石屑的砂和腐殖土含有卵石、或碎石雜質(zhì)的膠結(jié)成塊的填土含有卵石、碎石和建筑料雜質(zhì)的砂壤土三 類 土 壤肥粘土其中包括石炭紀(jì)、侏羅紀(jì)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摻有碎石或卵石和建筑碎料的土壤1900 123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(qiáng)度用輕鉆孔機(jī)鉆進(jìn)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堅固的石灰?guī)r2700大理巖2700石灰?guī)r質(zhì)膠結(jié)的致密礫石2600堅固的砂質(zhì)片巖2600特堅石粗花崗巖28001200 140018.5用爆破 方法 開挖1214非常堅硬的白云巖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)的堅固砂巖2700粗粒正長巖2700具有風(fēng)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非常堅固的石灰?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堅固耐用的片麻巖2800輝綠巖2700玢巖2500堅固的粗面巖2800中粒正長巖2800非常堅硬的細(xì)?；◢弾r33001800 200032.5用爆破 方法 開挖1820花崗巖麻巖2900閃長巖2900高硬度的石灰?guī)r3100堅固的玢巖2700安山巖、玄武巖、堅固的負(fù)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堅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 按堅固性系數(shù)對巖石可鉆性分級表 巖石級別堅固程度代 表 性 巖 石f最堅固最堅固、致密、有韌性的石英巖、玄武巖和其他各種特別堅固的巖石。20很堅固很堅固的花崗巖、石英斑巖、硅質(zhì)片巖，較堅固的石英巖，最堅固的砂巖和石灰?guī)r。15堅固致密的花崗巖，很堅固的砂巖和石灰?guī)r，石英礦脈，堅固的礫巖，很堅固的鐵礦石。10a堅固堅固的砂巖、石灰?guī)r、大理巖、白云巖、黃鐵礦，不堅固的花崗巖。8比較堅固一般的砂巖、鐵礦石6a比較堅固砂質(zhì)頁巖，頁巖質(zhì)砂巖。5中等堅固堅固的泥質(zhì)頁巖，不堅固的砂巖和石灰?guī)r，軟礫石。4a中等堅固各種不堅固的頁巖，致密的泥灰?guī)r。3比較軟軟弱頁巖，很軟的石灰?guī)r，白堊，鹽巖，石膏，無煙煤，破碎的砂巖和石質(zhì)土壤。2a比較軟碎石質(zhì)土壤，破碎的頁巖，粘結(jié)成塊的礫石、碎石，堅固的煤，硬化的粘土。1.5軟軟致密粘土，較軟的煙煤，堅固的沖擊土層，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，泥煤，軟砂質(zhì)土壤，濕砂。0.6松散狀砂，山礫堆積，細(xì)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(xué)家摩氏(Frederich Mohs)創(chuàng)立一種硬度表，作為評判礦物硬度的標(biāo)準(zhǔn)。最軟者為滑石，最硬者為金剛石，共有十種礦物，定為十級，分別為： 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(Diamond) 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(dāng)鑒定硬度時, 如果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(shí)例很軟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(shí)際工程觀察和模型試驗結(jié)果，提出了天然平衡拱法分析圍巖應(yīng)力。此法在我國簡稱為普氏fk法，得到了普遍的應(yīng)用。此法認(rèn)為，洞室開挖后圍巖一部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。這個拱便稱為“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(yīng)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，對散粒土體根據(jù)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(rèn)為被許多裂隙切割的巖體也可以視為具一定凝聚力的松散體，并認(rèn)為堅固系數(shù)為巖石抗壓強(qiáng)度的1100；對fk4的巖土，按上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(qiáng)度特性。軟弱巖石fk值均小于4，土的fk值均小于1.0。對于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(diǎn)，把塌落體的重量視為圍巖壓力，很直觀，易理解，也有理論根據(jù)。但把所有圍巖塌落體均視為拱形，便有很大局限性。實(shí)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(yīng)力，特別是圍巖應(yīng)力重分布的影響。目前，由于長期實(shí)踐，多數(shù)部門仍沿用堅固系數(shù)fk，并按fk法確定圍巖塌落的拱高度，計算圍巖壓力。當(dāng)確定巖體堅固系數(shù)時，使其帶有經(jīng)驗性質(zhì)的系數(shù)，即反映了巖體具體的地質(zhì)條件，如巖性、風(fēng)化破碎及構(gòu)造特征等，便更符合實(shí)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(yīng)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(diǎn)；了解礦山法(爆破法)的原理及技術(shù)要點(diǎn)；熟悉掘進(jìn)機(jī)法、盾構(gòu)法的特點(diǎn)及適用條件；了解太沙基理論的分析方法；熟悉土體應(yīng)力、地應(yīng)力、應(yīng)變測試和彈性波測試方法及應(yīng)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) 破碎巖石強(qiáng)度條件的修正圍巖未破碎時的強(qiáng)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(qiáng)度曲線由原來的AA/，變BB/，如圖15.1-1所示，相應(yīng)c、值降低為c/、/。由于降低后的c/、/很難測定，且松散巖體黏聚力很低，故可以通過原點(diǎn)的斜直線OD近似代替BB/，即用角相對于角的變化，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，破碎巖石的強(qiáng)度條件近似為：=tan。式中tan=，為普氏堅固性系數(shù)，=Sc/100(Sc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度)?！纠}1】按照地壓的普氏理論，破碎巖石的強(qiáng)度近似條件為：=tan，巖石破碎前、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(dāng)?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、原已破碎的圍巖；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。其主要之點(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo)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普氏堅固性系數(shù)可按單軸抗壓強(qiáng)度的百分之一，Sc/100。為了更確切的反映巖體的實(shí)際強(qiáng)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，對于產(chǎn)生散體地壓的圍巖，其作用于支護(hù)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)于普氏堅固性系數(shù)，下列各項中不正確的是( )。A、可按單軸抗壓強(qiáng)度的百分之一；B、可按抗剪強(qiáng)度的百分之一；C、為了更確切的反映巖體的實(shí)際強(qiáng)度，值可結(jié)合地下工程具體條件加以修正； D、可按抗拉強(qiáng)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(diǎn)是從應(yīng)力傳遞的概念出發(fā)，推導(dǎo)出作用于支架上的垂直應(yīng)力計算公式。當(dāng)巷道埋深不大時，支護(hù)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)生圍巖壓力的根本原因，在于兩種不同的土體塌落：整體塌落或土柱底部局部塌落，從而建