第一章岩石的性质

1、第一章第一章 岩石的性质岩石的性质 一、一、岩石的组成岩石的组成 二、岩石的自然性质二、岩石的自然性质三、三、岩石的力学性质岩石的力学性质 四、四、岩石的可钻性及可钻性分级岩石的可钻性及可钻性分级 第一节第一节 岩石的组成岩石的组成 一、岩石的组成与分类一、岩石的组成与分类 岩石是矿物的集合体。矿物是具有一定成分和物理性质无岩石是矿物的集合体。矿物是具有一定成分和物理性质无机物质。机物质。根据其成因，岩石可分为三类： 1、岩浆岩：、岩浆岩：岩浆岩是内力地质作用的产物，由地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。 2、沉积岩：沉积岩：沉积岩是在地表条件下母岩(岩浆岩、变质岩或早先形成的沉积岩)风化剥

2、蚀的产物，经搬运、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。 3、变质岩：、变质岩：变质岩是岩浆岩、沉积岩甚至是变质岩本身在地壳中受到高温、高压及活动性流体的影响而变质形成的岩石。 白云母白云母白云石白云石方解石方解石橄榄石橄榄石石英石英斜长石斜长石正长石正长石 第一节第一节 岩石的组成岩石的组成 一、岩石的组成与分类一、岩石的组成与分类一般而言：一般而言：u 岩浆岩的强度和硬度都较高，岩浆岩的强度和硬度都较高， 沉积岩的强度和硬度则较低，沉积岩的强度和硬度则较低， 而变质岩的强度和硬度变化不均。而变质岩的强度和硬度变化不均。u 金属和非金属矿床一般赋存于岩浆岩和变质岩中，金属和非金属矿床一般赋存于岩

3、浆岩和变质岩中， 煤和石油等可燃性矿产通常与沉积岩共存。煤和石油等可燃性矿产通常与沉积岩共存。 第一节第一节 岩石的组成岩石的组成 二、岩石的结构和构造二、岩石的结构和构造 （一）岩石的结构（一）岩石的结构 岩石结构是说明岩石的微观组织特征的。岩浆岩岩石结构是说明岩石的微观组织特征的。岩浆岩的结构是指组成岩石的矿物的结晶程度、颗粒大小、的结构是指组成岩石的矿物的结晶程度、颗粒大小、晶体形态、自形程度和矿物之间的相互关系晶体形态、自形程度和矿物之间的相互关系。沉积沉积岩和变质岩的结构主要是指其组成物的形状、大小、岩和变质岩的结构主要是指其组成物的形状、大小、结晶程度及相互排列的方式。结晶程度及相

4、互排列的方式。 第一节第一节 岩石的组成岩石的组成 伟晶结构伟晶结构 （30mm） 巨晶结构巨晶结构 （3010mm） 粗粒结构粗粒结构 （105mm） 中粒结构中粒结构 （52mm） 细粒结构细粒结构 （20.2mm） 隐晶质结构隐晶质结构（0.20.02mm） 1、岩浆岩的结构、岩浆岩的结构 晶体结构：晶体结构：主要是指岩石矿物的结晶程度、矿物颗粒的大小和形态等。 按结晶程度：按结晶程度： 按颗粒的绝对大小分为：按颗粒的绝对大小分为：全晶质结构全晶质结构半晶质结构半晶质结构非晶质结构非晶质结构 第一节第一节 岩石的组成岩石的组成 1、岩浆岩的结构、岩浆岩的结构 按晶粒相对大小分为：按晶粒相

5、对大小分为： 等粒结构 不等粒结构 斑状结构 纤维状结构？ 晶体结构岩石一般强度较高，晶体结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙的往往研磨性亦较大。同时断面粗糙的往往研磨性亦较大。 第一节第一节 岩石的组成岩石的组成 2 2、沉积岩的结构、沉积岩的结构 胶结物结构：胶结物结构： 主要是指胶结物的性质和胶结物的主要是指胶结物的性质和胶结物的结构类型。其主要结构类型有：结构类型。其主要结构类型有：（1 1）单晶胶结物：通常是方解石）单晶胶结物：通常是方解石或石膏，能形成比碎屑大得多的晶体。或石膏，能形成比碎屑大得多的晶体。 （2 2）多晶胶结物：两个以上胶结物）多晶胶结物：两个以上胶结物晶体彼此镶嵌，

6、方解石，白云石，石英晶体彼此镶嵌，方解石，白云石，石英（3 3）重结晶胶结物（加大边结构）：）重结晶胶结物（加大边结构）：第一节第一节 岩石的组成岩石的组成 胶结类型 （1）基底式胶结 （2）孔隙式胶结 （3）接触式胶结 （4）悬挂式胶结（1）基底式（2）孔隙式（3）接触式（4）悬挂式 第一节第一节 岩石的组成岩石的组成 2 2、沉积岩的结构、沉积岩的结构 按颗粒粒径分： 砾状结构砾状结构（2mm） 粗砂结构粗砂结构（21mm) 中砂结构中砂结构（1.00.1mm） 粉砂结构粉砂结构（0.10.01mm） 泥状结构泥状结构（0.01mm）。 第一节第一节 岩石的组成岩石的组成 二、岩石的结构和

7、构造二、岩石的结构和构造 （二）岩石的构造（二）岩石的构造 岩石构造是表示岩石宏观的组织特征，它说岩石构造是表示岩石宏观的组织特征，它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布情况。明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布情况。岩石构造决定了岩石的各向异性和裂隙性。 沉积岩和变质岩的构造，在进行破碎时有重要意义。 第一节第一节 岩石的组成岩石的组成 （二）岩石的构造（二）岩石的构造 1 1、岩浆岩的构造：块状构造、岩浆岩的构造：块状构造 2 2、沉积岩的构造、沉积岩的构造：主要构造特征主要构造特征是在沉积岩形成过程中产生的层理。是在沉积岩形成过程中产生的层理。反映岩石成分在垂直方向上的变化。反映岩石成分在

8、垂直方向上的变化。 3 3、变质岩的构造、变质岩的构造：主要构造特征主要构造特征是片理。岩石沿平行平面分裂为薄片是片理。岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理。的能力叫做片理。 层理、片理会引起岩石的各向异性。层理、片理会引起岩石的各向异性。第二节第二节 岩石的自然性质岩石的自然性质 一、岩石的密度与容重一、岩石的密度与容重 1、岩石的密度岩石的密度 ：岩样的质量m与其总体积V之比。均质物质的密度为质量与体积之比。 2、岩石的容重、岩石的容重：是岩样重量G与其总体积V之比 3、岩石的比重、岩石的比重s s PcsVVmVmVGs第二节第二节 岩石的自然性质岩石的自然性质 二、二、岩石的孔隙比与

9、孔隙度岩石的孔隙比与孔隙度 1、岩石的孔隙比、岩石的孔隙比kP：岩石中的孔隙体积VP与岩石中固相骨架的体积Vc 之比 kP=VP/Vc 2、岩石的孔隙度、岩石的孔隙度P：岩石中的孔隙体积VP与岩石总体积V 的百分比 岩石的孔隙性削弱了岩石的强度。岩石的孔隙性削弱了岩石的强度。一般沉积岩具有高的孔隙度；随着埋深的增大，岩石的孔隙度降低。 %1001%100%100PPPcPPkkVVVVVP第二节第二节 岩石的自然性质岩石的自然性质二、岩石的含水性与透水性二、岩石的含水性与透水性1、岩石的含水量、岩石的含水量2 2、岩石的透水性、岩石的透水性 100%wdcdGGWGwioqlKA pp第二节第

10、二节 岩石的自然性质岩石的自然性质三、岩石的内聚性：三、岩石的内聚性： 岩石内部颗粒联系的紧密和强弱程度称为岩石的内聚性。岩石内部颗粒联系的紧密和强弱程度称为岩石的内聚性。 按内聚性的大小岩石可分为三类：按内聚性的大小岩石可分为三类： 1 1、坚固的岩石：、坚固的岩石： 2 2、粘结的岩石：、粘结的岩石： 3 3、松散的岩石：、松散的岩石：第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 岩石的力学性质是岩石在外载作用下才表现出岩石的力学性质是岩石在外载作用下才表现出来的抵抗变形和破坏的能力，来的抵抗变形和破坏的能力，主要有变形特性、主要有变形特性、强度特性和表面特性。强度特性和表面特性。 u 变形

11、特性：弹性、塑性和脆性变形特性：弹性、塑性和脆性u 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度弯强度u 表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬度和研磨性第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 一、岩石的强度一、岩石的强度 1、岩石的强度的基本概念、岩石的强度的基本概念 岩石在载荷作用下抵抗破坏的能力。岩石在载荷作用下抵抗破坏的能力。破坏前所能承受的最大载荷称为极限载荷，单位面积上的极限载荷称为极限强度 2、岩石的强度的类型、岩石的强度的类型 （1）根据受力条件，）根据受力条件，岩石的极限强度可分为抗压强度、抗拉岩石的极限强度可分为抗压强度、抗拉强

12、度、抗剪强度等；强度、抗剪强度等； （2）根据应力状态，）根据应力状态，岩石强度可分为单向、两向、三向应岩石强度可分为单向、两向、三向应力状态下的强度；力状态下的强度； （3 3）根据加载速度根据加载速度，有静载强度和动载强度，有静载强度和动载强度。 图图 14 岩石单轴抗压试验岩石单轴抗压试验 1岩样；岩样；2球座；球座；3钢垫板钢垫板 图图 15 岩石单轴拉伸试验岩石单轴拉伸试验1岩样；岩样；2夹头；图中尺寸单位：夹头；图中尺寸单位：cmiPPaA第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 图图16 剪切试验剪切试验1岩样；岩样； 2上下剪切模具；

13、上下剪切模具；3模套；模套；4斜锲块；斜锲块；5上下上下垫板；垫板； 6钢滚子钢滚子第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 一、岩石的强度一、岩石的强度 3、影响岩石强度的因素、影响岩石强度的因素 （1）一般情况下，造岩矿物强度越高，岩石的强度也越高。造岩矿物强度越高，岩石的强度也越高。沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例及其矿物成分。细粒岩石的强度大于同一矿物组成的粗粒岩石。 （2）岩石的孔隙度增加，密度降低，强度也降低。）岩石的孔隙度增加，密度降低，强度也降低。因此，一般岩石的强度随埋深的增大而增大。 （3）岩石的强度具有明显的各向异性。）岩石的强度具有明显的各向异性。垂直于层理方向的抗

14、压强度最大，平行于层理的抗压强度最小，在与层理斜交方向上的抗压强度介于两者之间。第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 一、岩石的强度一、岩石的强度 3、影响岩石强度的因素、影响岩石强度的因素 （4）岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。岩石的）岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。岩石的抗压强度最大，抗剪强度约为抗压强度的抗压强度最大，抗剪强度约为抗压强度的10%。因此，钻掘过程中，破岩工具应主要以剪切的方式来破碎岩石。 （5）多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高）多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高出许多倍。出许多倍

15、。 （6）加载速度的影响）加载速度的影响： 加载速度增加，岩石的强度提高； 加载速度对塑性岩石强度的影响大，对脆性岩石强度的影响小。第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质岩石各种强度之间的相关性（依表岩石各种强度之间的相关性（依表17）Rt-s=0.8Rp-s=0.4第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 二、岩石的硬度二、岩石的硬度 1、岩石的硬度的基本概念：、岩石的硬度的基本概念：岩石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力。 2、硬度与抗压强度的区别与联系、硬度与抗压强度的区别与联系 （1）岩石的硬度与抗压强度一般存在正比例关系； （2）抗压强度是固体抵抗整体破坏时

16、的阻力，而硬度则是固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。 （3）硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。 第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 二、岩石的硬度二、岩石的硬度 3、影响岩石硬度的因素影响岩石硬度的因素 （1）岩石中坚硬矿物矿物愈多、胶结物胶结物的硬度越大、岩石的颗粒越细、结构越致密，岩石的硬度越大。而孔隙度高、密度低、裂隙发育的岩石硬度将会降低。 （2）岩石的硬度具有明显的各向异性各向异性。层理对岩石硬度的影响与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向，硬度值最小；平行于层理方向，硬度最大；两者之间可相差1.051.8倍。 第三节第三节 岩石的

17、力学性质岩石的力学性质 二、岩石的硬度二、岩石的硬度 3、影响岩石硬度的因素影响岩石硬度的因素 （3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下硬度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。 （4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。 第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 4 4、岩石硬度的测定岩石硬度的测定 （1）静压入法）静压入法：以15mm2的压头压入岩样表

18、面，岩石破碎时的载荷Pmax 除以接触面积S，则为岩石的硬度值Hy（通常称为压入硬度）。 ( Pa ) SPHy/max（2 2）冲击回弹法：）冲击回弹法：利用重物落在岩石表面后回弹高度或回弹角度和回弹次数来确定岩石的硬度。 第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质三、岩石的弹性和塑性三、岩石的弹性和塑性 1、岩石弹性、塑性的概念、岩石弹性、塑性的概念 岩石在外力作用下经历应力应变过程。当外力撤除后岩石的外形和尺寸完全恢复原状，这种变形称为弹性变形；这种变形称为弹性变形；当外力撤除后岩石的外形和尺寸不能完全恢

19、复而产生残留变形，这种变形称为塑性变形。这种变形称为塑性变形。 第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 2、岩石破坏的形式、岩石破坏的形式 （1）脆性破坏：）脆性破坏：破坏前不存在塑性变形。呈脆性破坏的岩石称为脆性岩石； （2）塑性破坏：）塑性破坏：破坏前发生大量的塑性变形。呈塑性破坏的岩石称为塑性岩石； （3）塑脆性破坏：）塑脆性破坏：先经历弹性变形，然后塑性变形，最终导致破坏。呈塑脆性破坏的岩石称为塑脆性岩石。 第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 三三、岩石的弹性和塑性、岩石的弹性和塑性 3、岩石弹性、塑性的表示方法岩石弹性、塑性的表示方法 （1）衡量岩石弹性的指标主要是弹性模

20、数）衡量岩石弹性的指标主要是弹性模数E和泊松比和泊松比。 弹性模数弹性模数：弹性范围内应力与应变的比值，(Pa)或 (MPa)。 泊松比泊松比：弹性变形阶段横向应变与纵向应变的比值，无量纲值。 （2）在钻探过程中衡量岩石塑性程度的塑性系数）在钻探过程中衡量岩石塑性程度的塑性系数K： 塑性系数塑性系数：岩石破碎前所消耗的总能量与弹性变形的能量之比， 无量纲值。 第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质图图113 应力应变曲线应力应变曲线图图114 载荷载荷压深曲线压深曲线第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质四、岩石的研磨性四、岩石的研磨性 1 1、岩石研磨性：岩石磨损工具的能力。、岩石研

21、磨性：岩石磨损工具的能力。 根据现代摩擦理论可知，当两物体压紧并作相对移动时，两根据现代摩擦理论可知，当两物体压紧并作相对移动时，两物体的表面就会产生磨损。磨损量的大小决定于两物体间的物体的表面就会产生磨损。磨损量的大小决定于两物体间的摩擦力和移动的距离，即摩擦功：摩擦力和移动的距离，即摩擦功： (1-23)(1-23) 式中式中 p p接触面上的正压力，接触面上的正压力，N Nm m2 2；F F接触面积，接触面积，m m2 2； v v滑动速度，滑动速度，m ms s；t t 摩擦时间，摩擦时间，s s； 动摩擦系数。动摩擦系数。 pFvtA第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 四、

22、岩石的研磨性四、岩石的研磨性 2、岩石对钻头的磨损形式、岩石对钻头的磨损形式 （1）表面疲劳磨损：）表面疲劳磨损：摩擦表面受循环接触应力作用到达一定程度时，就会在零件工作表面形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，会造成许多微粒从零件表面上脱落下来，致使表面上出现许多浅坑，这种磨损过程即为疲劳磨损； （2）磨粒磨损：磨粒磨损：孔底破碎岩屑和岩石上硬质点对切削工具的磨损。孔底破碎岩屑和岩石上硬质点对切削工具的磨损。与岩石中硬质点的数目、岩屑的硬度和研磨性、岩屑的数量（钻进速度）、钻孔冲洗的干净程度等有关。第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质磨粒磨损磨粒磨损用过的金刚石钻头用过的金刚石钻头第

23、三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质底唇拉槽底唇拉槽外径和钢体磨损外径和钢体磨损第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 四、岩石的研磨性四、岩石的研磨性 3、影响岩石研磨性的因素、影响岩石研磨性的因素（1）岩石颗粒的硬度）岩石颗粒的硬度越大，研磨性也越强，石英岩具有强研磨性（2）岩石胶结物）岩石胶结物的粘结强度越低，岩石的研磨性越强。（3）岩石颗粒形状）岩石颗粒形状越尖锐、颗粒尺寸越大，岩石的研磨性越强。（4）岩石表面粗糙岩石表面粗糙，局部接触易产生应力集中， 研磨性增强（5）硬度相同时，单矿物岩石的研磨性较低，非均质和多矿物的单矿物岩石的研磨性较低，非均质和多矿物的岩石（如花岗岩）研

24、磨性较强。岩石（如花岗岩）研磨性较强。岩石中较软的矿物（云母，长石）首先被破碎下来，使岩石表面变粗糙，同时石英颗粒出露，从而增强了研磨能力。（6）介质）介质的影响的影响，湿润和含水的岩石硬度和研磨性都会降低。第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质四、岩石的研磨性四、岩石的研磨性 4 4、测定岩石研磨性的方法：测定岩石研磨性的方法：(1) (1) 实钻测定法实钻测定法 在现场，用真实钻机和钻头，以一定的规程参数钻进岩石，以在现场，用真实钻机和钻头，以一定的规程参数钻进岩石，以单位进尺钻头磨损重量、磨损高度、或钻头磨钝前的进尺等指单位进尺钻头磨损重量、磨损高度、或钻头磨钝前的进尺等指标来表征岩

25、石的研磨性。标来表征岩石的研磨性。(2) (2) 微钻测定法微钻测定法 在实验室内用小型设备和小尺寸钻头实行模拟钻进。以单位进在实验室内用小型设备和小尺寸钻头实行模拟钻进。以单位进尺、或钻完一定时间、或破碎单位体积岩石后切削具尺、或钻完一定时间、或破碎单位体积岩石后切削具 ( (或胎体或胎体) )磨损高度、磨损重量或磨钝面积等指标来表示岩石的研磨性。磨损高度、磨损重量或磨钝面积等指标来表示岩石的研磨性。四、岩石的研磨性四、岩石的研磨性 4 4、测定岩石研磨性的方法：、测定岩石研磨性的方法：(3)(3)、标准件测定法、标准件测定法 在压力、滑动速度、介质条件一定的情况下，用钻在压力、滑动速度、介

26、质条件一定的情况下，用钻磨、铣磨、球磨或其它方法，将岩石或岩粉与标准件摩磨、铣磨、球磨或其它方法，将岩石或岩粉与标准件摩擦，经过一定时间或一定路程后，测定标准件磨损的重擦，经过一定时间或一定路程后，测定标准件磨损的重量或体积，以此重量或体积、或者以标准件磨损量与岩量或体积，以此重量或体积、或者以标准件磨损量与岩石磨损量之比等指标，来确定岩石的研磨性。石磨损量之比等指标，来确定岩石的研磨性。 应用较广的用标准件测定岩石研磨性的方法钻磨法、应用较广的用标准件测定岩石研磨性的方法钻磨法、铣磨法和球磨法。铣磨法和球磨法。 第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质图图115 钻磨法测定研钻磨法测定研

27、磨性的装置磨性的装置1夹持器；夹持器；2垫块；垫块；3岩石；岩石； 4钢杆标准钢杆标准件；件； 5心轴；心轴；6重荷；重荷；电动机电动机niiqna121125 第四节第四节 岩石的可钻性及可钻性分级岩石的可钻性及可钻性分级 一、岩石可钻性的概念一、岩石可钻性的概念 1、岩石可钻性的概念、岩石可钻性的概念 岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。在钻探生产中通常用机械钻速作为衡量岩石可钻性的指标，单位是mh。 2、岩石的可钻性及可钻性分级的意义、岩石的可钻性及可钻性分级的意义 可钻性及可钻性分级是决定钻进效率的基本因素，也是确定岩可钻性及可钻

28、性分级是决定钻进效率的基本因素，也是确定岩石破碎的难易程度的综合指标。石破碎的难易程度的综合指标。对钻探生产非常重要，它是合理选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进规程参数的依据，也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据。 第四节第四节 岩石的可钻性及可钻性分级岩石的可钻性及可钻性分级 岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于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。有密切的关系。 影响岩石可钻性的岩石基本属性：影响岩石可钻性的岩石基本属性： 岩石的自然性质和力学性质等。岩石的自然性质和力学性质等。影响

29、岩石可钻性的技术条件：影响岩石可钻性的技术条件： 钻探设备的类型，钻孔结构，钻进方法，碎钻探设备的类型，钻孔结构，钻进方法，碎岩工具的结构和质量等。岩工具的结构和质量等。 影响岩石可钻性的工艺因素主要：影响岩石可钻性的工艺因素主要： 加在钻头上的压力、钻头的回转速度、冲洗加在钻头上的压力、钻头的回转速度、冲洗液的类型和孔底岩粉排除情况等。液的类型和孔底岩粉排除情况等。 第四节第四节 岩石的可钻性及可钻性分级岩石的可钻性及可钻性分级 二、岩石可钻性分级的方法二、岩石可钻性分级的方法 1、力学性质指标法、力学性质指标法 采用力学性质划分岩石的可钻性级别（单一或联合）。采用力学性质划分岩石的可钻性级别（单一或联合）。据压入硬度值把岩石分成6类12级，