《碎岩材料与工具》课程教学大纲

《碎岩材料与工具》教学大纲课程编号：632024课程名称：碎岩材料与工具课程英文名称：MaterialsandToolsforRockDrilling课程类别：专业教育课程课程性质：选修学时（理论+实践）：32学时（26+6）学分：2开课学期：第七学期选用教材：《碎岩工程学》，张祖培，刘宝昌编，地质出版社，2004年11月主要参考书：1、徐小荷主编，《岩石破碎学》，煤炭工业出版社，1984年。2、鄢泰宁等著，《人造金刚石超硬材料在钻探中的应用》，地质出版社，2011年9月。3、郭志猛编著：《超硬材料与工具》，冶金工业出版社，1996年。4、段隆臣，潘秉锁编，《金刚石工具的设计与制造》，中国地质大学出版社，2013年。5、王达，何远信等编著，《地质钻探手册》，中南大学出版社，2014.6。一、中英文课程简介：碎岩材料与工具课程系统介绍了岩石破碎理论、钻探碎岩用硬质材料与超硬材料、常用碎岩工具（钻头）的设计与选择原则，主要内容包括：岩石力学性质、岩石强度理论和破碎理论、岩石切削、金刚石钻进碎岩原理、动载破碎岩石、岩石破碎新方法、钻探用超硬材料及其复合材料、金刚石钻头设计、大直径钻头设计等。ThecurriculumofMaterialsandToolsforRockDrillingintroducesthemechanismofrockfragmentation,hardandsuperhardmaterialsforrockdrilling,designandselectiveprincipleofcommondrillingtools.Themaincontentincludesrockpropertiesandfragmentationmechanism,rockcutting,diamonddrillingmechanism,rockfragmentationbyimpactenergy,novelmethodforrockfragmentation,superhardmaterialsandcompositesforrockdrilling,designofdiamonddrillbitandlargediameterdrillbits.,etc.二、课程目的、性质与任务《碎岩材料与工具》是专门讲授与岩石破碎有关的理论、钻探用超硬材料和工具（钻头）的一门专题性课程，它是《钻探工艺学》课程的后续和深化部分，是地质工程专业本科生的主要选修课之一。通过本课程的学习，使学生了解岩石破碎的基本理论；掌握钻探施工中常用超硬材料的性能和检测方法；掌握主要碎岩工具（钻头）的设计方法等。通过综合讲授并辅以实习和实验等教学环节使学生能够根据地层条件合理选择钻进方法，并进一步确定钻进所用材料及钻进工具，为更好地从事钻探工作打下良好的基础。 三、教学基本要求1、掌握与钻进碎岩密切相关的岩石力学性质及其影响因素。2、掌握岩石剪切破坏和脆性破坏强度理论的实质、特点和计算方法，掌握岩石在外载作用下破碎发展过程。3、了解影响切削具磨损的因素，掌握影响岩石切削效率的因素。4、掌握表镶、孕镶、复合片等金刚石钻头的碎岩原理，掌握影响金刚石碎岩效率的因素，包括钻头结构、规程参数、钻头的自锐性以及钻进时的温度规程。5、掌握动载破碎岩石的机理及其影响因素。6、掌握金刚石的特性和应用范围，了解人造金刚石（单晶、聚晶）的合成方法，掌握其性能检测及评价方法。7、掌握立方氮化硼的结构、性能与应用范围，了解立方氮化硼合成方法。8、掌握金刚石复合片的成分、结构、性能及应用范围；了解金刚石聚晶、金刚石-硬质合金复合柱齿及“斯拉乌季契”超硬材料的性能、制备工艺及应用范围。9、掌握金刚石取心钻头、大口径螺旋钻头、大口径柱齿钻头、大口径牙轮组合钻头、大口径翼状钻头的设计方法。四、各章节内容及学时分配绪论（1学时）第一篇岩石破碎学（共11学时）第一章岩石力学性质（3学时）一、强度二、硬度三、碎岩比功四、岩石塑性五、岩石研磨性六、岩石可钻性第二章岩石强度理论和破碎理论（3学时）一、剪切破坏理论二、脆性破坏理论三、布西涅斯克理论问题四、赫兹理论五、岩石在外载作用下破碎发展过程第三章岩石切削（1学时）一、切削原理二、影响切削效率因素第四章金刚石钻进碎岩原理（2学时）一、碎岩原理二、影响碎岩效率因素第五章动载碎岩（2学时）一、冲击载荷特点二、碎岩原理三、影响冲击碎岩效率因素四、冲击器回转钻进碎岩第二篇岩石破碎用超硬材料（共12学时，其中实验4学时）第一章人造金刚石（3学时）一、特性及应用范围二、合成机理三、合成方法四、金刚石硬处理工艺第二章立方氮化硼（1学时）一、晶体结构二、性能与应用范围三、立方氮化硼的合成工艺实验一金刚石单晶及复合片力学性能检测（2学时）第三章超硬复合材料（4学时）一、复合片二、金刚石球齿三、斯拉乌季契材料四、金刚石薄膜实验二金刚石复合片耐磨性能检测（2学时）第三篇钻头设计（共8学时，其中实验2学时）一、金刚石钻头设计（2学时）二、大直径螺旋钻头设计（1学时）三、大口径球齿钻头设计（1学时）四、大口径牙轮钻头设计（1学时）五、大口径翼状钻头设计（1学时）实验三金刚石钻头的制造工艺（2学时）五、实验项目一览表序号实验项目内容提要实验类型学时分配主要仪器设备实验地点备注1金刚石单晶及复合片力学性能检测观察静压强度仪、动载强度仪，了解其结构及工作原理；测试不同粒度金刚石（30/40#、50/60#、70/80#）的静压及动载强度，并进行数据处理；测试不同规格金刚石复合片的抗冲击性能，并分析影响复合片抗冲击性能的因素。综合性2金刚石静压强度测定仪、超硬材料单晶及复合片动载性能测定仪超硬材料与钻头实验室2金刚石复合片耐磨性能检测观察超硬材料磨耗比测定仪的构成，了解其工作原理及操作要点；进行金刚石复合片及砂轮的装卡；选择合适的测试参数（给进压力、金刚石复合片摆动频率、砂轮转速），进行金刚石复合片耐磨性测试实验，并计算其磨耗比。综合性2DHM-2超硬材料磨耗比测定仪，101-ES烘箱，GD5000-2电子天平超硬材料与钻头实验室3金刚石钻头的制造工艺观察钻头烧结炉，了解其结构及工作原理；设计钻头配方，计算各种原材料用量；设计钻头结构，画出图纸；选择合适的烧结工艺参数（烧结温度、压力、保温时间），