岩石破碎学(第一讲)

1、第一讲主要内容,?,?,?,?,?,?,1.,岩石的物理力学性质,2.,岩石的机械性质,3.,影响岩石机械性质的因素,4.,碎岩工具与岩石作用的主要方式,5.,静载作用下的岩石应力状态,6.,外载作用下岩石的破碎过程,第一章,岩土钻进过程与破碎机理,?,1.,岩石的物理力学性质,?,?,?,?,?,第二节、土的物理力学性质特征,第三节、岩石可钻性及其分级,第四节、钻头与岩石作用的主要方式,第五节、静载作用下的岩石应力状态,第六节、外载作用下岩石的破碎过程,第一章,岩土钻进过程与破碎机理,?,1.,绪论,?,2.,岩石的基本知识,?,岩石、矿物、元素、结构、构造、晶体、层理、片理,?,3.,岩石

2、的机械性质,?,弹性、塑性、强度、硬度、研磨性、可钻性,?,4.,影响岩石机械性质的因素,?,5.,岩石的强度理论,?,6.,不同破碎条件下岩石的破碎机理,?,7.,岩石力学性质的测试,第一节,岩石的物理力学性质,Physical ,粘结的岩石,:,粘土质岩石,具有较高塑性、较低强度和,不大的研磨性，易缩径、垮塌和卡钻，因此通常采用,低失水量的泥浆或对孔壁缩径无影响的冲洗液；,松散的岩石：,这类岩石包括砂和砾石。钻进时孔壁不,稳定，应下套管或采取其它有效措施。,第三节,岩石的力学性质,Mechanical properties of rocks,?,岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特

3、,性。主要有变形特性,(deformation properties),、强,度特性,(strength properties),和表面特性,(surface,properties),。,?,变形特性：弹性,(elasticity),、塑性,(plasticity),和脆性,(brittleness),?,强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯,强度,(compression, tension, shear and bending,strenth),?,表面特性：硬度和研磨性,(hardness,abrasiveness),1.3.1,、变形特性,（,deformation proper

4、ties,）,外力作用下，岩石发生变形，随着载荷的不断增,加,变形不断发展，最终导致岩石破坏。变形和,破坏是载荷作用下岩石性能变形的不同阶段。,岩石变形有两种情况,:,?,弹性变形（,elastic deformation,），又称可逆变形,（,reversible deformation,）,外力撤除后岩石的外,形和尺寸完全恢复原状。,?,塑性变形,(plastic deformation),，又称不可逆变,形（,irreversible deformation,）,外力撤除后岩石,的外形和尺寸不能完全恢复原状而产生残留变,形。,?,岩石从变形到破坏又可能有三种形式：,（,1,）,脆性破坏：

5、破坏前实际不存在任何不可逆,变形。,（,2,）,塑性破坏：破坏前产生大量的不可逆变形。,（,3,）,塑脆性破坏：先经历弹性变形，后经历塑,性变形，最终导致破坏。,多数,造岩矿物,属于理想的脆性体，其应力应变关,系遵守虎克定律。,当应力达到弹性极限时，岩石就开始破坏，只有,在,各向高压情况,下多数矿物才表现为,塑脆性体,。,岩石是不同矿物组成的聚合体。由于矿物成分和,结构方面的特点，造成岩石变形不均匀。所以岩石的,应力和应变之间的关系要比均质物体复杂得多，在一,般情况下不符合虎克定律。,衡量岩石弹性的指标主要有弹性模量,E,和泊松比,?,。,泊松比表示施加应力方向上的应变和其在垂直方向上,所引起

6、的应变比值的倒数。,?,E,?,?,?,x,?,?,?,y,岩石破坏的形式,Broken form of rocks,脆性破坏,塑脆性破坏（弹性变形不明显时为塑性破坏）,(a),(b),(c),影响岩石弹性、塑性和脆性的因素,（,Factors affecting rocks elasticity and plasticity,）,1,、岩石物质成分（造岩矿物、岩石类别）,2,、岩石结构构造,(,晶粒大小、胶结物、层理,),3,、应力状态（单向应力、多向应力）,4,、载荷性质（多次加载，加载速度）,5,、受力条件（拉、弯、剪、压）,6,、温度和湿度（,T,、,H,）,岩石弹塑性的测定,Meas

7、ure of rocks elasticity and plasticity,塑性系数,C,p,=S,OABC,/ S,ODE,图,1.1,10,由应力,应变,曲线确定弹性模数,图,1.1,11,岩石压入时的载荷侵深曲线,1.3.2,、强度性质,（,Strength properties,）,?,岩石强度,：岩石在载荷作用下变形到一定程度,就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，,单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，,岩石强度又可分为抗拉强度,(tension strength),、,抗弯强度,(bending strength),、抗剪强度,(shear,strength),、抗压强度

8、,(compression strength),。有,单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强,度。,?,P,i,A,Pa,1.1,14,岩石单轴抗压试验,1,岩样；,2,球座；,3,钢垫板,图,1.1,15,岩石单轴拉伸试验,1,岩样；,2,夹头；图中尺寸单位：,cm,图,1.1,16,圆盘劈裂试验,Tension strength,?,?,2,p,t,?,DL,N,图,1.1,17,剪切试验,1,岩样；,2,上下剪切模具；,3,模套；,4,斜锲块；,5,上下,垫板；,6,钢滚子,图,N,P,?,?,?,?,cos,?,?,f,sin,?,?,A,A,T,P,?,?,?,?,sin,?,?,

9、f,cos,?,?,A,A,对于不同倾角下的剪切试验中所获得的不同正应力,?,下的抗剪强度,?,值,可根据,?,?,f,?,?,?,关系,在,?,-,?,坐标系中绘出包络线。可得出,?,=0,时的,?,值，即岩石的抗剪强度。,影响岩石强度的因素,（,Factors affecting strength of rocks),1,、岩石的物质成份（矿物、沉积岩的胶结物）,2,、岩石的结构构造（颗粒的大小）,3,、岩石的容重和孔隙度,4,、受力条件（拉、弯、剪、压）,5,、应力状态（多向与单向）,6,、载荷速度,(,加载速度增大,强度升高,),7,、岩样的线性尺寸,8,、湿度和温度,1.3.3,、表

10、面特性,(Surface properties),?,岩石的硬度（,hardness,）,：岩石表面对工具压入的,反抗特性。岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有,很大区别。岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。,岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（,1+2,）倍。,测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种,局部破碎是在多向受压状态下进行的。,(,举例,),?,岩石的研磨性（,abrasiveness,）,：在用机械方法破,碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的,接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到,岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。,岩石硬度的测试方法,?,静压入法（与金属硬

11、度测试方法的区别）对于岩,石来说，压模采用的是平底压模，,S,是一定的。对,于金属来说，载荷,P,是一定的，,S,是变化的。目前,通常采用的是史立涅尔压入硬度。根据硬度值，,可将岩石,6,类,12,级，见书,P18,。,?,冲击回弹法，摆球硬度，以回弹次数确定岩石的,硬度；,12,级；,?,研磨法：用磨料研磨岩石样品，以岩样线性尺寸,磨损量的多少来衡量岩石的硬度。,影响岩石硬度的因素,（,Factors affecting hardness of rocks,）,?,?,?,?,?,岩石的矿物成分和结构构造,应力状态,载荷速度,液体介质,工具形状和尺寸,(,岩石抗压入阻力因压入,面积减小而增大

12、的现象被称为,尺寸效应,),影响岩石研磨性的因素,（,Factors affecting abrasiveness of rocks,）,?,岩石的矿物成分和结构特征,(,造岩矿物、颗粒度、,胶结程度、岩石矿物间的硬度差、矿物颗料形,状等,),?,正压力（在达到岩石的硬度前，动摩擦系数是,正压力的增函数，超过硬度后，不变间或有所,降低）,?,滑动速度,(,有,临界值,之前磨损率增长小,之后增,长很快,与温度有关,),?,介质（能够改变工具与岩石之间的摩擦特性）,岩石研磨性与岩石内摩擦角的关系：内摩擦角大的岩,石，岩石的研磨性大。,第四节,岩石可钻性及其分级,（,Drillability of

13、rocks and its classification,）,?,岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反,映了钻进时岩石破碎的难易程度。,?,它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程,参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编,制钻探生产计划的基础。,?,岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于,岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数,有密切的关系。,1.4.1,岩石可钻性分级的观点,(Viewpoints on classification of rock drillability),?,?,?,?,用岩石力学性质评价岩石的可钻性,用实钻速度评价岩石的可钻性,用微钻速度评价岩石的可钻性,用

14、碎岩比功评价岩石的可钻性,（,1,）用岩石力学性质评价岩石的可钻性,（,To evaluate drill-ability of rocks by their mechanical,properties,）,岩石力学性质是影响岩石可钻性的决定因素。在,室内通过测定能够反映碎岩实质的某一种或某几种力,学性质指标，可以表征岩石的可钻性，且测定手续简,单、指标稳定，排除了实钻时人为操作因素的影响。,问题：,较难选择完全体现某种钻进方法碎岩实质的力,学性质指标。,（,2,）用实钻速度评价岩石的可钻性,（,-by real penetration rate or drilling speed,）,用实钻

15、速度评价岩石的可钻性与生产实际联系,紧密，能够反映地质因素和技术因素的综合影响，可,用于制订生产定额。,问题：,不同的钻进方法要求有不,同的分级指标，实际钻进速度受人为因素的影响。另,外、技术的不断更新要求分级不断修正。,（,3,）用微钻速度评价岩石的可钻性,（,-by micro-drill speed,）,用实钻速度划分岩石的可钻性级别时，到现场比,较麻烦，钻进结果受人为因素的影响。微钻速度同样,能够反映各种因素的综合影响，可避免人为因素的影,响。,问题：,模拟不可能十分完全，微钻速度不等于实,钻速度。,（,4,）用碎岩比功评价岩石的可钻性,（,-by specific bulk work

16、 of fracture,）,碎岩比功：破碎单位体积岩石消耗的能量。,由,于碎岩过程都是工具向岩石输入一定的能量而产生,相应数量的碎岩体积。碎岩比功就是破碎单位体积,岩石所输入的能量。碎岩比功既是物理量又是碎岩,效率指标。通过碎岩比功这一指标还可以把各种钻,进方法破碎岩石的有效性沟通起来进行比较。,问题：,每种钻进方法的碎岩比功本身也不是一个常量。,压头压入岩石时使岩石发生弹性变形所作的功：,P,?,?,W,e,?,2,P,：,岩石破碎时的载荷；,P,?,：,与,P,相应的弹性变形。,?,由材料力学可知：,P,1,?,?,?,?,2,aE,?,2,?,?,：,泊松比；,a,：,压头半径；,E,

17、：,岩石弹性模量。,所以有：,P,1,?,?,W,e,?,4,aE,2,2,?,2,?,2,岩石破碎时的总功：,P,1,?,?,W,t,?,W,e,?,C,p,?,C,p,4,aE,单位接触面积破碎功：,?,?,W,t,P,1,?,?,W,s,?,?,C,p,2,S,4,aE,?,?,a,2,?,2,?,进一步处理：,W,s,?,P,1,?,?,?,a,2,2,?,?,4,?,?,a,?,E,2,2,C,p,?,H,(,1,?,?,),?,aC,p,4,E,2,y,2,式中：,H,y,压入硬度；,单位体积破碎功：,A,t,P,1,?,?,C,p,W,V,?,?,V,4,aEV,式中：破碎岩石体

18、积。,2,?,2,?,史立涅尔根据单位接触面积破碎功将岩石划为,10,级。,第五节,钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式,（,Main mode of action between rock-broken tool and rock,）,目前钻探生产中广泛采用的钻进碎岩方法属于机,械法破碎岩石。根据刃具同岩石作用的方式和碎岩,机理，所有作用方式可分为：切削,剪切型；凿碎型；,凿碎,剪切型三类。,（,1,）切削,剪切型：对应于回转钻进；要求切削具,具有一定的抗弯强度、硬度；,（,2,）凿碎型：冲击钻进；要求切削具具有一定的抗,弯强度、硬度和抗冲击强度或冲击韧性；,（,3,）凿碎,剪切型：牙轮钻头，冲

19、击回转钻进，回,转冲击钻进；要求切削具具有更高的抗弯强度、硬,度和抗冲击强度或冲击韧性,第六节,静载作用下的岩石应力状态,（,Stress conditions of rock under static load,）,?,刃具对岩石的压入作用可以抽象为平底和,球形两种压头对岩石的作用。讨论压头与,岩石接触面上的压力分布状态和岩石内部,的应力状态问题的基础是：集中力作用在,半无限物体的弹性平面上的布西涅司克理,论。,?,一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态,p,(,r,),?,P,2,?,a,a,2,?,r,2,P,p,?,2,?,a,图,1.1,34,平底圆柱压头压力面上的压力分布,a,Z,

20、0,图,1.1,36,球形压头压力面上的压力分布,知道了压力面上的载荷分布，同样也可以利用布西涅,司克集中力作用于弹性半无限空间平面上的解，求得,半无限体内沿对称轴上的应力分量：,?,a,?,?,?,z,?,?,p,0,?,2,2,?,a,?,z,?,?,?,?,?,z,?,1,a,?,p,0,?,a,?,?,r,?,?,?,?,?,?,1,?,?,?,p,0,?,1,?,tg,?,?,?,2,2,?,?,z,?,2,?,a,?,z,?,?,a,2,?,r,?,?,z,3,?,a,?,1,?,?,?,z,?,1,a,?,?,?,?,?,p,0,?,?,p,1,?,tg,?,?,0,2,2,?,

21、?,2,4,?,a,?,z,?,2,z,?,?,a,2,2,各应力分量随值变化的情况表示于图,11,中。,在对称轴上所有应力都是压应力。显然，在压力面,中心处（）有：,图,1.1,37,球形压头压入时沿,对称轴的应力分布,?,z,?,?,p,0,?,1,?,2,?,?,?,r,?,?,?,?,?,?,?,p,0,?,2,?,?,1,?,2,?,?,?,?,p,0,4,如果,?,=0.3,则压力面中心,(,即,z=0),处，,?,z,=-p,0,，,?,r,=,?,?,=-,0.8p,0,，,?,=0.1p,0,。,接触面中心的应力状态接近于各向,均匀压缩状态。,随着,z,的增加，所有正应力都要

22、减小，但,?,r,=,?,?,比,?,z,减,小得更快。剪应力与正应力不同，开始时,?,随,z,的增加,而增大，在达到某一最大值后，即逐渐减小。根据计,据计算，最大剪应力所在深度,z,0,=0.48a,y,0.5a;,最大,剪应力,?,max,=0.31p,0,这说明在深度,z,y,0.5a,处的剪应力,为压力面中心,z=0,处剪应力的三倍。,另外，按照弹性力学推导，在压力面边缘（即,r=a,）处，应力分量为：,?,?,1,?,2,?,?,r,?,?,?,?,?,?,?,3,?,?,p,0,?,z,?,0,?,?,?,r,?,?,?,?,?,2,?,1,?,2,?,?,?,3,?,?,p,0,

23、z=0,，,当,?,=0.3,时,?,r,?,?,?,?,?,0,.,133,p,0,?,=0.133p,0,。,这表明在接触面的圆周边界处，沿径向产生拉应力。,另外此处剪应力小于对称轴上,?,max,，但大于压力面,中心的剪应力。,因此，球体压入平面时，最,危险,的地方是：,压力面,周边,和半无限体内对称轴上距压力面,z=0.5a,处。,三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态,图,2,15,轴向力作用时岩石,内的应力分布,图,2,16,轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布,（,a,）等应力线图；（,b,）应力状态特征,压应力区；,拉应力区；,过渡区,在回转钻进中，破碎岩石工具

24、以轴向和切向载荷作,用于岩石上。弹性力学研究表明：只有轴向力单独作,用于压头时，弹性半无限体内等应力线分布是均匀的、,对称的（如图,2,15,）。而轴向力和切向力共同作用时，,等应力线分布则是非均匀的、不对称的（如图,2,16,）。,在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切,应力作用的后方则产生拉应力，在半无限体内（如图,2,16(b),所示），形成,正应力区（,）,、,拉应力区（,）,和过渡区（,）,。由此可以推知，在两向载荷作用下，,碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点：,1.,轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具,对孔底岩石表面以某一角度施加作用力。岩石破碎效,果,将,由,此,作

25、,用,力,的,数,值,和,方,向,来,决定。,轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说,有最优的作用力方向。,这一方向对于不同的岩石可,能是不同的。所以钻进不同岩石时，轴向压力和回,转速度应有一个,合理的配合,关系。,2.,轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方,岩石中产生不均匀的应力状态。,压缩区,随轴向力,增加而扩大，随切向力的增加而缩小；,拉伸区,则,与上述情况相反；,过渡区,内既有正应力的作用，又,有拉应力的作用。,3.,当岩石中出现拉应力时，在其他条件相同的,情况下，岩石将在作用力比较小的时候，在拉应力,区开始破碎。,第七节,外载作用下岩石的破碎过程,（,Failure process of rock under exterior load,）,?,一、岩石的变形破碎方式,1,、黎金格尔定律：固