（采矿工程专业论文）鞍千矿矿岩特性与可钻性研究.pdf

一，i-，-11iij - l 一 一 b yq ua i q i a o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rx i n gj u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 fii i illlf 8 7 2 ， 的。论文中取得 经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：匕 思0 学位论文作者签名：粟爱巧 e l期：扣8 ，7 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名：渠爱巧 签字日期：棚g 7 工 刷醴轻1 筘 签字日期：。l p 。、夕 东北大学硕士学位论文 摘要 鞍千矿矿岩特性与可钻性研究 摘要 矿岩的可钻性研究是凿岩领域的基础性课题，同时也具有重要的实际意义。矿岩可 钻性是选择破岩工具、预测钻速、实现生产定额管理的重要依据。 毗邻齐大山矿的鞍千矿处于初始开采阶段，与齐大山矿位于同一铁矿带的不同两 端，但其钻头消耗却是齐大山矿的一倍，针对鞍千矿在凿岩的过程中，存在钻头磨损严 重、钻头寿命短，穿孔效率低，矿岩难凿、难磨，生产成本居高不下的现状，对其矿岩 可钻性进行研究十分必要。 为了对比，本次研究分别选择鞍千矿和齐大山铁矿的主要岩种，分别磨制了光片( 1 9 ) 个和薄片( 2 9 ) 个，并对其矿物组成、粒度、结构构造、胶结方式、细微构造等进行显微 镜下观察和描述；通过把矿样磨细至2 0 0 目以下，进行x r a y 衍射和二次荧光光谱分 析。在细观结构观测的基础上本次试验对已加工的6 1 个矿样共1 0 0 多个岩芯分别进行 了矿样密度、纵波速度、容重、吸水率、抗压强度和抗拉强度测试，对其中3 3 个岩芯 进行了弹性模量、泊松比等参数的测试。分别在鞍千矿和齐大山矿进行了现场凿测试验， 通过测定矿岩的凿碎比功a 和钎刃磨钝宽度b 对1 8 种矿岩的可钻性进行分级，结合采 掘计划图进行了鞍千矿矿岩的可钻性分区，并在现场对纯凿岩速度和每米炮孔钎头消耗 量进行标定，凿测试验数据与现场标定结果相吻合；验证了凿碎比功法进行可钻性分级 的科学合理性。 本文研究成果，找到了鞍千矿矿岩难钻、钻头寿命低的根本原因：在与齐大山矿进 行对比的基础上，给出了量化的指标和参考依据；结合生产实际对鞍千矿矿岩进行了可 钻性分级；通过数值分析，建立了预估特定矿岩条件下钻头寿命的数学模型，对科学、 合理地制订劳动生产定额和材料消耗定额提供了技术依据，进而指导优化穿孔工艺技术 参数。本文研究对提高钻头寿命、降低穿孔成本、提高管理决策的科学性具有重要的实 用价值。 关键词：可钻性，坚固性，矿岩特性，凿碎比功，钻头消耗 。 | 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o nr o c kc h a r a c t e r i s t i c sa n dd r i l l a b i l i t y o f a n q i a n i r o nm i n e a bs t r a c t t h es t u d yo fr o c kd r i l l a b i l i t yi sab a s i ct o p i ci nt h ef i e l do fd r i l l i n g ，i th a si m p o r t a n t p r a c t i c a lm e a n i n ga l s o r o c kd r i l l a b i l i t yi st h em a i nf o t m d a t i o no fc h o o s i n gd r i l l i n gt o o l s ， p r e d i c t i n gd r i l l i n gv e l o c i t ya n da d m i n i s t e r i n gp r o d u c t i o n a n q i a nm i n ew h i c hi si nt h ep r e l i m i n a r ys t a g eo ft h ee x p l o i t a t i o ni sb e s i d eq i d a s h a n m i n e a l t h o u g ha n q i a nm i n ei si nt h eo p p o s i t es i d eo ft h es a m ei r o no r es t r a t u ma sq i d a s h a n m i n e ，i t sw a s t a g eo ft h ed r i l lb i t si st w i c ea sq i d a s h a nm i n e s n o to n l yt h es e r i o u sa t t r i t i o n w e a ra n ds h o r ts e r v i c el i f eo fd r i l lb i t sa n dl o wd r i l l i n ge f f i c i e n c ya r et h ep r o b l e m si nt h e p r o c e s so fm i n i n g ，b u ta l s ot h er o c ki sv e r yd i f f i c u l tt od r i l l i nt h i ss i t u a t i o n , t h ep r o d u c t i o n c o s t sa r es oh i 曲t h a ti ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h er o c kd r i l l a b i l i t y t oc o n t r a s t ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h er o c kp r o p e r t yo fi r o np r o p si nb o t ha n q i a ni r o nm i n e a n dq i d a s h a ni r o nm i n o 1 9p o l i s h e ds e c t i o n sa n d2 9t h i ns e c t i o n sw e r em a d ei no r d e rt o o b s e r v ea n dd e s c r i b et h e i rm i n e r a l c o m p o s i t i o n , g r a i ns i z e s ，t e x t u r e a n ds t r u c t u r e ， c e m e n t a t i o nm o d ea n df i n es t r u c t u r eu s i n gam i c r o s c o p e a l lt h ec o r es a m p l e sw e r eg r i n d e d b e l o wt h e2 0 0m e s hi no r d e rt oc a r r yo u tx - r a yd i f f r a c t i o na n ds p e c t r o f l u o r i m e t r y o nt h e b a s i so fo b s e r v a t i o no ff m es t r u c t u r e ，t h i st e s th a sc h e c k o u td e n s i t y , l o n g j 【t u d i n a lw a v e v e l o c i t y , b u l kd e n s i t y ，w a t e r - a b s o r p t i o nc a p a c i t y , c o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t ho f 61c o r es a m p l e si n c l u d i n g10 0r o c kc o r e s ，a l s ot e s t e de l a s t i cr a t i o ，p o i s s o n sr a t i oa n do t h e r p a r a m e t e r so f3 3r o c kc o r e s w i t ht h ec h i s e l i n gt e s t i n gi nt h el o c a l eo fa n q i a nm i n ea n d q i d a s h a nm i n e ，t h ed r i l l a b i l i t yo f18k i n d so fr o c k sw a sc l a s s e da c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c c h i s e l i n gw o r k ( a ) a n dt h ew e a r i n gd r i l lb l a d ew i d t h ( b ) f u r t h e r m o r e ，t h ed r i l l a b i l i t ys u b a r e a s i na n q i a nm i n ew e r ed i v i d e da c c o r d i n gt ot h ed i g g i n gp l a nm a pa n dt h ep u r er o c kd r i l l i n g s p e e da n dt h ed r i l lb i t sc o n s u m p t i o np e rm e t e rh o l ew e r el a b e l e d t h ed a t ao f r o c kd r i l l i n ga n d t e s t i n gi sc o n s i s t e n tt ot h el a b e l e dr e s u l ti nl o c a l e t h er e s u l tv e r i f i e dt h ef a c tt h a ti t i s 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e a s o n a b l ea n ds c i e n t i f i ct ou s et h em e t h o do fs p e c i f i c c h i s e l i n gw o r kt oc a l t yo u tt h e d r i l l a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o n t h er o c ko fa n q i a nm i n ei sd i f f i c u l tt od r i l la n dt h es e r v i c el i f eo fd r i l lb i t si ss h o r t i n t h i sp a p e r , ie x p o u n dt h eu l t i m a t er e a s o n $ o nt h eb a s i so fc o m p a r i s o nt oq i d a s h a nm i n e ， q u a n t i t a t i v es t a n d a r d sa n dr e f e r e n c e sw e r eg i v e n u l t e r i o r l y , t h ed r i l l a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o nw a s c a r e dt h r o u g ha c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp r o d u c t i o no fa n q i a nm i n e t h r o u g hn u m e r i c a la n a l y s i s ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff o r e c a s td r i l lb i t sl i f eo nt h es p e c i f i cc o n d i t i o n st h a tc a no f f e r t e c h n i c a lb a s i sf o rf o r m u l a t i n gs c i e n t i f i cl a b o rp r o d u c t i o nr a t i o na n dm a t e r i a l sc o n s u m p t i o n r a t ew a sp o i n to u t i tc a nf u r t h e rg u i d eo p t i m i z i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f p e r f o r a t i o n t os u m u p ，t h i ss t u d yh a si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u eb e c a u s ei tc a i lh e l pt oi m p r o v ed r i l lb i t sl i f ea n d m a n a g e m e n td e c i s i o n - m a k i n ga n dl o w e rp e r f o r a t i o nc o s t s k e yw o r d s ：d r i l l a b i l i t y , r o c kc h a r a c t e r , s o l i d i t y , s p e c i f i cc h i s e l i n gw o r k , d r i l l i n gb i t c o n s u m p t i o n 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 引言：1 1 2 岩石分级研究概述1 1 3 岩石可钻性分级。3 1 3 1 岩石可钻性概述3 1 3 2 我国岩石可钻性分级研究现状5 1 3 3 国外岩石可钻性分级研究现状1 l 1 3 4 冲击凿岩可钻性研究的分折1 4 1 4 小结1 5 第二章矿岩细观特性与结构研究1 6 2 1 矿( 岩) 样选取及光、薄片制作1 7 2 2 矿岩矿物成份特征l8 2 3 矿物粒度与矿石组构特征21 2 4 矿岩的后期改造作用2 1 2 5 鞍千矿和齐大山矿的矿物组成和化学成份分析2 2 2 5 1x r a y 衍射分析。2 2 2 5 2 二次荧光分析2 5 2 6 ，j 、结2 6 第三章矿岩物理力学性质试验研究2 7 3 1 地质概况2 7 3 2 岩样的采集与加工2 7 3 2 1 采样地点以及岩样编号。2 8 3 2 2 岩样加工以及岩样编号2 9 3 3 岩样物理性质的测定2 9 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 1 实验参考标准2 9 3 3 2 矿样密度p 的测定3 0 3 3 3 矿样容重7 的测定3 7 3 3 4 矿样吸水性的测定3 7 3 3 5 纵波速度c 和波阻抗z 的测定4 1 3 4 岩样力学性质测定与结果分析4 5 3 4 1 岩石单向抗压强度测定4 5 3 4 2 巴西劈裂实验4 6 3 4 3 岩石变形指标及其测定4 7 3 4 4 部分力学实验岩样破坏结果及其全应力一应变图4 9 3 5 岩石物理力学性质实验结果5 3 3 6 ，j 、结5 5 第四章矿岩可钻性试验研究5 6 4 1 凿碎法岩石可钻性分级5 6 4 2 凿碎比功法试验结果与分析5 9 4 3 纯凿岩速度和每米炮孔钎头消耗量测试6 2 4 4 爿、结6 4 第五章鞍千矿矿岩特性与可钻性变化规律6 6 5 1 岩样性质各参量之间的内在相关性6 6 5 1 1 矿岩细观特性与结构对其可钻性的影响6 6 5 1 2 矿岩物理力学性质与可钻性的关系6 8 5 1 3 凿碎比功a 值和钎刃磨钝宽度b 值与可钻性的关系6 8 5 2 鞍千矿和齐大山矿主要矿岩钻头预估寿命的相关结果7 0 5 - 3 小结7 1 第六章结论7 2 参考文献7 3 致j 射7 5 作者简介7 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着经济技术的迅速发展和人们生活水平的不断提高，人类向自然索取的资源越来 越多，因此，全世界岩石( 矿石) 的开挖量逐年增加。凿岩则是最为普遍采用的破岩方 法。为提高钻孔效率，必须不断改进工具。工具的每次质的改进，都将使钻孔效率产生 显著提高。例如由钢钎头改变为硬质合金钎头，由磕头钻改为潜孔钻直至牙轮钻等都使 钻孔效率得到成倍的提高。因此，人们在不懈地致力于研制和发展钻孔新设备。相比之 下对岩石自身特性的研究却远不够深入。 毗邻齐大山矿的鞍千矿处于初始开采阶段，与齐大山矿位于同一铁矿带的不同两 端，但其钻头消耗却是齐大山矿的一倍，针对鞍千矿在凿岩的过程中，存在钻头磨损严 重、钻头寿命短，穿孔效率低，矿岩难凿、难磨，生产成本居高不下的现状，对其矿岩 特性与可钻性进行研究十分必要。 矿岩可钻性是选择破岩工具、预测钻速、实现生产定额管理的重要依据。随着钻孔 方式的多样化、钻孔设备的大型化、现代化，有必要加强对岩石特性的研究工作，其中 包括岩石可钻性的研究。因此，本文研究内容不仅具有较大的工程实用意义，而且具有 重要的理论意义。 1 2 岩石分级研究概述 岩石是人类赖以生存、发展的基本物质条件。人们的衣食住行依赖于岩石( 包括土 壤) ，现代化生产原料、能源、材料取诸于岩石。石器是人类的出身证，从这个意义上 讲，岩石甚至是人类从狭义的动物分化出来的决定性因素。为了有效地利用岩石，人类 不仅要研究岩石在物质成份上的区别，也还要研究其加工性能上的区别。 岩石破碎是采掘过程中的重要步骤。对于各种不同的岩石，研究应该采用什么设备 来破碎或用什么方法来爆碎才能获得最高的生产率，此时的材料消耗和劳动生产率的情 况如何? 要很好地回答这样一类问题，就必须按岩石被凿碎和爆碎的难易程度进行科学 的分级。为了破碎矿岩和进行回采工作，必须在岩体中保持有一定的空间来容纳人员、 设备以便进行工作，必须防止此空间的周壁岩石发生崩塌，此时，岩石稳定性成为关注 的焦点，人们又有理由从稳定性方面对岩石进行分级【1 】o 东北大学硕士学位论文第一章绪论 随着科学技术的发展和生产力的提高，早先那些把岩石划分为硬、中、软岩等类的 粗略做法已不能满足需要。近几十年来，国内外科技工作者就岩石科学分级进行了大量 的研究工作。前苏联的普氏分级法和苏氏分级法，美国的岩芯完整率和岩石变形能系数 分级法，加拿大的按岩石物理力学性质分级法，日本的按刚度和弹性波速度的分级法， 挪威的n g i 岩体质量q 分级法，南非的c s i r 工程地质分级法【2 1 ，宾尼阿乌斯基 ( b i e n i a w s k i ) 博士提出的“地质力学分级系统”1 3 】，还有我国的地质、铁道、冶金等系 统按岩石的凿岩性、爆破性、稳定性的分级法等等，都各有自己的特色。 纵观国内外文献，可以找出上百种岩石分级方案，其分级标准通常是提出者总结自 己和归纳别人的经验而给定的。由于研究者们针对的问题、看问题的角度及经历的不同， 因此所提出的分级方法有所不同，综合起来可以分为两类：一类是单项分级法，主要有 凿岩性分级法、爆破性分级法和稳定性分级法，还有人以压碎功指数为基础提出过可碎 性分级的概念：另一类是综合分级法，较多的是同时考虑了凿岩性和爆破性的分级法， 也有少数研究者将岩石的凿岩性、爆破性和稳定性综合在一起，从断裂力学的角度出发 进行过岩石统一性分级【4 1 。由于这些方法还不够完善，至今还没有一种能为世界各国公 认的岩石分级法，尤其是综合性岩石分级、法【5 1 。 在强调岩石分级的客观性的同时，还应该看到分级的实践性。任何分类、分级都要 适应某种实践的需要。例如岩石的单向分级法，将岩石分级划分成可钻性、爆破性和稳 定性三类就是矿山生产实践的需要。每种分级划分多少档次为宜，也要密切结合工程实 际的需要。 经作者综合，将岩石凿岩性和爆破性方面的有关概念阐述如下。 可钻性一岩石可钻性【艄1 是指岩石抵抗钻具钻凿的能力，或岩石在外界钻具作用下 形成炮孔的难易程度，其英语表达为d r i l l a b i l i t y 。除了岩石抗压强度、普氏坚固性系数、 点荷载强度等可以用来作可钻性指标外，还有岩石的硬度、凿碎比功( 或比能) 、穿孔速 度和纯钻速等数种可钻性指标。1 9 2 7 年美国人盖斯和戴维斯探讨了岩石的摩斯硬度分 类，b f 蒂尔森在评论盖斯和戴维斯的文章中，首次提出了“可钻性 这个术语。 可凿性一亦称凿岩性，系指岩石抵抗钎具凿入的能力，或岩石在冲击钻进方式下形 成炮孔的难易程度，其英语表达亦为d r i l l a b i l i t y 。常用凿入速度、凿碎比功( 或比能) 作为 可凿性指标。 磨蚀性一岩石对钻头切割刃的磨钝能力【6 1 。一般用单位进尺后钻头切割刃剖面面积 变化量表示，或用一定凿岩次数后钎刃磨钝宽度值表示。 2 。三 东北大学硕士学位论文第一章绪论 可爆性一亦称爆破性【7 1 0 】，指岩石对爆破作用的抵抗能力或爆破岩石的难易程度。 常用岩石坚固性系数、波阻抗、裂隙间距和炸药单耗等参量表示。一般认为岩石可爆性 是岩石本身物理力学性质和炸药性能、爆破参数和爆破工艺的综合效应，是岩石在爆破 过程中多因素的综合反映。也有一种观点认为：岩石可爆性是岩石本身的固有属性，应 该将岩石可爆性与爆破效果区别开。应该说第二种观点更为科学，更反映岩石本身的性 质。 坚固性一岩石抵抗破坏的综合能力，这种破坏作用可以是侵入、破碎、促使岩石失 稳等。坚固性是一个笼统性的概念，单纯讲岩石坚固没有太多的意义，必须同时讲明岩 石在哪一方面坚固才有意义。 根据钻头类型，通常将钻进方式分为螺旋式、冲击式、旋转一冲击式和火力式四种 类型【6 1 。“岩石可钻性”可以适用于各种钻进方式，而“岩石可凿性仅适用于冲击式 凿岩，习惯使用上多用“钻孔”一词，因而，也可称岩石可凿性为冲击凿岩可钻性。而 “凿岩 一词更为科学，更为严谨。 考虑到传统文献的习惯，本文在论述分级的时候沿用了岩石分级这一术语，而未对 岩石分级和岩体分级给予区别，而在其它场合，岩石和岩体指的是两个不同的概念【1 l 】。 1 3 岩石可钻性分级 1 3 1 岩石可钻性概述 1 9 2 7 年美国的b f 蒂尔逊( t i l l s o n ) 在评论吉斯和戴维斯的观点时，首次提出了可 钻性这个术语。1 9 3 7 年又见于原苏联中央地质勘探科学研究所山地钻探室a 萨姆舍 夫等人发表的“关于岩石可钻性问题 的文献之中。此前，俄国的m m 普罗托吉雅诺 夫于1 9 0 9 年就提出了岩石“坚固性 的概念，并指出这是一个综合性的概念，是各种 采掘作业难易程度的综合反映。显然，可钻性较坚固性的概念更为具体，它是岩石坚固 性在钻孔方面的表现【1 2 】。 可钻性一词迄今尚无统一的定义。具有代表性的一些提法是： ( 1 ) 岩石可钻性是表示破碎岩石难易程度的一种概念( 几a 什列衣涅尔) 。 ( 2 ) 岩石可钻性可定义为在给定的钻头类型下钻进岩石时的抗力( c g 怀特) 。 ( 3 ) 岩石可钻性就是在典型条件下用某种钻进技术钻凿岩石时的抗力( r m 莱特福 斯) 。 也曾有人尝试用其它物理量来确定可钻性，如p a e s i e 和b r u c e 等人是以在特定工具 3 义可钻性兼顾了岩石的坚固性与岩石的磨蚀性，将二者综合起来表示岩石的可钻性，广 义可钻性反映了岩石钻进的全过程；狭义可钻性仅反映岩石钻进时的坚固性，而不反映 岩石的磨蚀性。 由于岩石可钻性的影响因素较多，科研工作者从不同角度提出了各自的分级方法及 相应的评价指标。根据所用的分级评价原则不同，可以得到不同的分级。目前实际使用 的可钻性测定方法近二十余种，归纳起来可把常见的岩石可钻性表示方法分为4 类 1 2 - 1 4 】： ( 1 ) 用岩石的物理力学性质表示：主要选用与破碎岩石关系密切的指标，如抗压强 度、压入硬度、弹性模量、声波速度等； ( 2 ) 用现场实际钻进资料表示：如机械钻速、钻进进尺、钻头耗用量等； ( 3 ) 用破碎单位体积岩石所耗的功表示：如普氏捣碎法、凿碎比功、巴氏砸碎法等； ( 4 ) 用微型钻头模拟钻进指标表示：如微型钻头的钻速、钻探、钻时等。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 我国岩石可钻性分级研究现状 现有的岩石可钻性分级方法种类繁多，较有代表性的有下述几种： ( 1 ) 压入硬度法【1 5 】 压入硬度法是利用压入硬度计测出岩石的压入硬度值作为岩石的可钻性指标。压入 硬度法是测定岩石的某点或有限点抵抗外力入侵的能力，而岩石是由大大小小不规则的 矿物颗粒组成的。矿物颗粒在空间的排列是任意的，颗粒间存在很多空洞和缝隙，岩石 结构上的这种特殊性决定了岩石各点的压入硬度值有很大的差异，整块岩石的可钻性不 应该也不可能由某点或某几点的压入硬度值来确定。 ( 2 ) 按断裂力学指标进行分级【4 ，1 6 】 近十几年以来，断裂力学取得了惊人的进展，其应用范围也越来越广泛。因此，利 用断裂力学的原理去说明凿岩、爆破以及围岩或边坡的稳定性中的问题已成为可能，并 且具有重要的现实意义。在岩体这种损伤断裂性材料中进行采掘、开挖或进行维护围岩 及边坡稳定性工程时。从能量学的意义上讲，需向岩体输入一定形式或数量的能量，对 于前者来说，必须输入使岩石断裂破碎的能量，而后者需输入能量使围岩或边坡保持稳 固状态。由于岩体的结构和工程性质的不同，输入能量的形式和量级也相应不同，但具 有一个共同点：输入的能量与岩体的损伤断裂程度有关，即与岩石的断裂韧度有关，而 断裂韧度属于断裂力学的研究范畴。因此，岩石的统一性分级的理论基础是断裂力学。 在钻孔过程中，凿岩工具破碎岩石的形式有两种，一是滚压切削破碎岩石，另一种是冲 击回转破碎岩石。不论哪一种形式的破碎，工具的切入和侵入范围都存在着弹性区域和 非弹性区域，但其成孔过程均是裂纹的产生、启动扩展及断裂的过程。凿入断裂的一般 过程可分为加载半波和卸载半波。在加载半波阶段由于工具的侵入，凿入力的不断增大， 产生“密实核”破坏，径向及环向的裂纹扩展在卸载半波阶段，由于径向及环向裂纹的 闭合和加载区附近残余应力的存在，出现与自由边界相贯通的裂纹而形成破碎坑。在这 一过程中，根据断裂力学的应力准则，其断裂应力可用下式表示： 0 ：堡丝1 - - - - 石。口 ( 1 1 ) 式中：研一凿入过程的断裂应力： 尬一材料的断裂韧度； 励一裂纹扩展系数，与加载形式及材料性质有关； 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 口一裂纹起始长度，与工具的类型及几何形状有关。 根据初步测量和分析，把岩石的可钻性定为1 0 级，称为t u c 分级，并将岩体的弹 性波波速作为分级的辅助指标，一并列入表1 1 中。 表1 1 岩石的t u c 分级表 t ，出l e1 1t h et u cc l a s s i f i c a t i o no f r o c k ( 3 ) 按微钻钻头钻速指标分级【l 5 1 7 】 1 9 7 7 年以来，石油勘探开发科学研究院钻井工艺研究所针对牙轮钻头的破岩过程和 特点开展了岩石可钻性的研究，在室内常压试验架上以固定条件钻进小块岩样的微钻头 钻速作为岩石可钻性的分级指标，建立了我国岩石可钻性的分级标准。对于牙轮钻头可 将其定义概括为：钻机轴压9 1 k g c m 2 ，转速5 6 r p m ，微钻头直径3 1 7 5 m m 条件下，微钻 头钻进2 4 m m 深的钻速定为衡量岩石抗破碎难易程度的指标。以岩石的微钻头钻速为 指标，将我国的岩石分为三大类十级，如表1 2 所示。 表1 2 岩石的微钻钻头钻速指标分级表 t a b l e1 2t h er o c kc l a s s i f i c a t i o no ft i n ya i g u i l l es p e e d ( 4 ) 按凿碎比功分级1 啪l 】 现行的各种岩石可钻性分级方法，均存在这样或那样的不足，不能很好地满足指导 钻头配方设计、钻头选用和钻探生产的需要。 东北大学岩石破碎实验室，在国内外岩石分级研究的基础上，研究了一种针对冶金 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 矿山钻孔工作的以岩石凿碎比功为基础的可钻性分级方法，利用凿测器测定岩石的凿碎 比功。根据凿碎比功的不同，把岩石分为七级，再根据钎刃磨钝宽度细分为三类，即七 级三类的岩石可钻性分级方案，体现以凿碎比功为主，钎刃磨钝宽度为辅的分级特点。 利用凿碎比功来反映岩石的可钻性，除了它的破碎实质和冲击式凿岩工艺过程十分 接近以外，这种测定还容易利用轻便的工具得到很大的荷载，可以破碎各种硬度的岩石， 而其冲击力和冲击功的大小，又是十分容易准确控制的。实际测试结果表明，它和其它 钻孔方式的相关性较好。 ( 5 ) 按岩石的主要声学参数分级【2 2 1 利用声学参数对岩石的可钻性分级是超声波技术在探矿工程领域应用的一个新方 向。目前仅限于利用纵波速度对岩石分级，纵波速度岩石分级法是利用弹性波( 纵波) 在 弹性媒质中传播速度的差异，来对岩石可钻性进行分级的。纵波速度对岩石可钻性的反 映是极不准确的，这是因为岩石本身根本不能算是一种完全弹性媒质，弹性波是在岩石 矿物颗粒、胶结物、空隙以及结构界面( 节理面、裂隙等) 上传播的，岩石矿物成份、颗 粒大小、胶结状况、孔隙度、松散程度等因素将会引起声速值的差异。这就是某些节理 不高的软岩比硬岩的声速值高的原因所在。由此可见，纵波速度作为岩石结构、构造特 性的量度似乎更合适些，而用纵波速度来反映岩石的可钻性是极不准确的。 地矿部探矿工程研究所研究了岩石声学参数的多项指标与岩石可钻性的相关性，建 立了利用岩石的主要声学参数确定岩石可钻性的数学模型。利用多元线性逐步回归法， 挑选主因子及选择表达式的形式，选择了幂函数模式。 回归后的方程为： y = 3 。5 9 9 v p 。4 3 6 。, 4 0 卸0 5 2 ( 1 - 2 ) 复相关系数：r = 0 7 7 上式中匕为纵波速度，彳d 为纵波的衰减系数。 回归方程表明，岩石的可钻性随衰减系数的增大而变差，衰减系数越大，岩石中的 裂隙越多，越宜破碎，岩石的可钻性就越好，它们之间的关系是明确的。由此可见，利 用声波速度和衰减系数能进行岩石的可钻性分级。 ( 6 ) 应用模糊模式识别法进行岩石可钻性分级【2 3 】 模糊识别法的基本思想是通过计算待判别样本与模式特性之间的贴近度，划分样本 类属。模式识别法为解决岩石可钻性分级问题开辟了新途径。应用尝试的结果表明，该 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 方法对岩石可钻性分级有独特效果。应用模式识别法时统计指标的测量值应准确、可靠、 代表性强，这是判定结果正确与否的前提和关键，有待于进一步完善测试技术。 ( 7 ) 煤系钻探岩石可钻性分级 2 4 1 既然岩石的各项物理力学性质分级法都从不同的程度上反映了岩石可钻性，就很容 易使人们想到利用综合法来判断岩石的可钻性级别。把以上各种方法所测出的结果按一 定的方式综合起来，给出一个可钻性等级。中国矿业大学的马植侃、刘建明、刘裕国老 师应用摆球硬度、声波速度、压入硬度、压入强度( 单轴抗压强度) 、塑性系数、研磨性、 微钻钻进速度、综合测试七项指标，划定在煤系中钻进时所遇到的全部岩石的可钻性级 别。 ( 8 ) 切槽法【1 5 2 5 】 切槽法的测试岩样取自现场钻孔的岩芯，按适合于钻进硬岩的钻头配方，制成孕镶 金刚石试棒，用一定的载荷压在回转的岩芯侧面上，边转边刻出道环形沟槽，用清水 冲洗切槽时产生的岩屑，一次切槽回转4 0 0 转。切后用切槽直径的变化来表示岩石的坚 固程度，用试棒的失重表示岩石的研磨性，以岩芯失径和试棒失重两项指标综合表示岩 石可钻性。岩石可钻性主要包括岩石的坚固程度和研磨性两个方面，故而以在一次测量 中同时取得反映岩石可钻性上述两个侧面的岩芯失径和孕镶金刚石试棒失重两项指标 来综合表示岩石可钻性。由于孕镶金刚石试棒的加工存在的一定问题，各试棒性能难于 精确控制一致，致使各金刚石试棒的性能各异。另外，试棒在切削岩芯的过程中是不断 变化的，因试棒为孕镶试棒，同样存在金刚石换层和新陈代谢问题。所以切槽法的分级 结果虽然模拟性强，但由于试棒标准化问题给测试带来很大误差，致使其结果仍然误差 较大，影响其实用性。 ( 9 ) 利用岩石可锯性作为岩石可钻性标准【1 5 】 其实这是一个误区，虽然模拟了岩石破碎的过程，但钻头钻进破碎岩石与锯片切割 破碎岩石有着本质上的区别，若用岩石可锯性代表岩石可钻性，即表明锯片的配方适于 做钻头，这显然是错误的。 ( 1 0 ) 金刚石钻进岩石可钻性研究【2 5 】 实验室钻进法是从钻进的井底工程和钻进规律来决定最优化钻进工艺继而确定岩 石的可钻性。它不仅可以研究不同岩石的钻进规律。而且可以研究合理的切削研磨材料、 破碎岩石工具和新的方法以及合理的技术规范，为不断提高可钻性指标和生产效率寻找 理论依据。实验研究表明，可采用参数( h ? ) q 值来考察岩石的可钻性，数值上它等于 8 lilillljllllllliillljljlilllljllljllllllllilljllllijijl】i jj】1ll 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( v p n ) q ，即它综合反映了钻速( d 、钻进中输入的能量仞，z ) 和钻头与岩石摩擦时的磨损结 果国一以单位进尺钻头失重表示) 等多方面的概念，还是一个将岩石破碎比功等结合起来 的指标。 通过预先试验，选择试验钻头在各岩石中的合理每转进尺范围( 要求在较高的每转 进尺下钻进时的单位钻压每转进尺h t , 亦较高) 。在此范围内钻进2 0 0 r a m ，重复3 次， 取h 、p 的平均值，每次测钻头磨损程度g ( 以单位进尺钻头失重表示) ，由此计算值。试 验结果表明，以( h p ) q 值表征岩石可钻性，比以前用单一参数更全面地包括了岩石固有 的某些性质及施工方面的因素，更全面地反映了孔底钻进破岩的各方面。 ( 1 1 ) 用岩石彳、b 值表示岩石可钻性【2 睨8 】 中南大学张绍和博士研究认为，岩石对孕镶金刚石钻头所表现出来的可钻性包括两 个方面：岩石对金刚石的磨损性( 岩石彳值) 和岩石对钻头胎体的磨损性( 岩石召值) 。经 测定仪测定后，4 值可按下式计算得出： 彳= o k 日标d 标c d 测日测d 测) 】8 ( 1 - 3 ) 式中：d 靠一标准岩样直径； 日筇一标准岩样切深； d 箝一标准岩样切缝宽度； d 爿一被测岩样直径j 日爿一被测岩样切深； d 爿一被测岩样切缝宽度； 岩石曰值是岩石对钻头胎体的磨损性能。岩石口值越大，磨损钻头胎体的能力越强。 岩石曰值与组成岩石的矿物粒度、矿物成份、胶结程度等因素有关，岩石b 值是这些岩 石的综合反映，是孕镶金刚石钻头胎体设计的主要依据。通过研究可知，岩石b 值是与 岩石的矿物硬度】，和岩石在压剪作用下产生破坏前的变形量6 有关的函数关系，即： b = 厂( 只国( 1 - 4 ) 根据经验和分析，认为岩石b 值与岩石的矿物硬度和岩石在压剪作用下产生破坏前 的变形位移量的函数关系式可简单划为： b = 1 0 2 y a ( 1 - 5 ) 式中：b 一岩石召值； 入_ 与岩石在压剪作用下产生破坏前的变形位移量有关的修正系数； 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 y 一岩石矿物的综合硬度； 彳一岩石彳值； 1 0 - - 系数，其意义是设定标准岩石的召值为1 0 ，仅为比较方便。 用岩石4 、召值表示岩石可钻性的方法，从岩石对金刚石的磨损和岩石对胎体的磨 损情况出发，能与钻头的配方参数设计相衔接，对钻头的配方设计有很好的指导作用， 从而保证钻头达到理想的使用效果。 ( 1 2 ) 按点荷强度i s o o ) 分级【2 9 3 0 】 我国地质部门于1 9 5 6 年颁发实行了按照松散程度及凿岩性的岩石分级法。该分级 法中所规定的凿岩标准条件已随着生产技术的发展而失效，在新开发和不具备生产条件 的地区就不能进行生产测定和岩石定级，因而需要寻求新的测定方法并对现有的岩石分 级进行必要的修订。经过现场与室内实验的大量测试与分析结果表明：以点荷强度与预 估风动凿岩机钻速y 的相关关系最好，从而确定了采用点荷强度作为分级指标。试样可 由数量足够并且形状与尺寸符合试验要求的岩芯、不规则岩块组成。将岩样嵌入点荷仪， 使两压头靠近，沿不规则岩块的最小尺寸与岩块接触，加载方向要尽量垂直于岩样明显 的弱面，加载点要远离岩样的边或角。记录两压头与岩样接触点的间距d 和垂直于加载 方向的岩样最小宽度w 。点荷强度l ： 以5 垆毒 ( 1 - 6 ) 式中：p 一岩样破坏荷载，n ； 见一不规则岩样的等效岩芯直径，m i l l ； 见= 层= 等 式中：彳一通过两个压头接触点平面的岩样最小截面积，r a i n 2 ； 肛岩样最小宽度，m m ； d 一压头与岩样接触点的间距，l n n l 。 由于五值在不规则岩块试验中是眈的函数，为得到试样统一的点荷强度值，必须 对五值进行尺寸修正。修正的点荷强度i s o o ) - 即驴( 圹 m 乃 在原地质部门岩石可钻性分级的基础上，考虑到岩石强度的分布规律和实用性，以 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 点荷强度厶p 缈作为分级指标，将岩石分为7 级( 如表1 3 ) ，同时列出各级岩石的钻速、 钻眼时耗、单轴抗压强度( 普氏分级) 以及与原地质部分级级别的对照关系。 表1 3 按点荷强度的岩石可钻性分级表 t a b l e1 3t h er o c kc l a s s i f i c a t i o no f p o i n tl o a di n t e n s i t y 点载法是由点载荷仪测