岩石破碎学(第一讲)

1、第一讲主要内容第一讲主要内容 1.岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 2.岩石的机械性质岩石的机械性质 3.影响岩石机械性质的因素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外载作用下岩石的破碎过程第一章第一章 岩土钻进过程与破碎机理岩土钻进过程与破碎机理 1.岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 第二节、土的物理力学性质特征第二节、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四节、钻头与岩石作用的主要方

2、式 第五节、静载作用下的岩石应力状态第五节、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六节、外载作用下岩石的破碎过程第一章第一章 岩土钻进过程与破碎机理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第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质Physical & mechanical properties of rocks一、岩石的组成与分类（一

3、、岩石的组成与分类（composition and classification） 岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变质岩质岩(igneous, sedimentary and metamorphic rock)。 岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿地壳裂岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。隙上升冷凝而成。 沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉积沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有颗和硬结等成岩作用而

4、形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大类。粒和胶结物两大类。 变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特有活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。二、岩石的结构与构造二、岩石的结构与构造(structure and texture) 岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的大岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性

5、。小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。 岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存在环境有紧密的联系。在环境有紧密的联系。 岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成环岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不等，境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发

6、物的含量不等，形成不同的结构和构造。岩浆岩具有晶质结构形成不同的结构和构造。岩浆岩具有晶质结构,因此岩石一般因此岩石一般强度较高，同时断面粗糙者往往研磨性较大。强度较高，同时断面粗糙者往往研磨性较大。 变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）.岩石沿岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。 沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是层理，与钻进有关。层理，与钻进有关。 图11 晶体结构类型图13 层理产生的原因图1-2 胶结物的类型grainparticlec

7、ement 岩岩 石石 照照 片片花岗石花岗石花岗石花岗石花岗岩花岗岩白云岩白云岩 三、岩石的自然性质（岩石的自然性质（Natural properties of rocks） 岩石在生成过程中，构造变动和风化过程中自然形成的特性。 密度密度(density):单位体积岩石的质量.容重:单位体积岩石的重量. 比重比重(specific weight):单位体积岩石骨架体积的重量.岩石体积=固相骨架体积+岩石中孔隙体积. 一般来说,密度越高,强度越大。 孔隙度孔隙度(porosity):岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说,孔隙度越大,强度越低. 含水性含水性(water-bearing p

8、roperty):W=(GW-GD)/GD 透水性透水性(peameability):KW=ql/A(Pi- Po) 岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越大。如石灰岩,用水浸透后,强度下降明显。岩石的内聚性岩石的内聚性: 岩石内部颗粒联系的紧密和强弱程度.按内聚性的大小岩石可分为三类:坚固的岩石坚固的岩石: 对于具有晶体结构的岩石,岩石往往沿晶粒接触面而破坏.钻进这类岩石时,一般孔壁稳定;粘结的岩石粘结的岩石: 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：松散的岩石：这类岩石包括砂和砾石。钻进时

9、孔壁不稳定，应下套管或采取其它有效措施。第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质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岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性性。主要有变形特性(deformation properties)、强、强度特性度特性(strength properties)和表面特性和表面特性(surface properties)。 变形特性：弹性变形特性：弹性(elasticity)、塑性、塑性(plasticity)和脆性和脆性(brittleness) 强度特性：抗压强度、抗拉强度、

10、抗剪强度和抗弯强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度强度(compression, tension, shear and bending strenth) 表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬度和研磨性(hardness, abrasiveness)1.3.1、变形特性、变形特性（deformation properties） 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

11、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：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各向高压情况下多数矿物才表现为塑脆性体塑脆性体。 岩石是不

12、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的应变比值的倒数。Eyx岩石破坏的形式岩石破坏的形式Broken form of rocks脆性破坏脆性破坏塑脆性破坏（弹性变形不明显时为塑性破坏）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、塑性和脆性的因素影响岩石弹性、塑性和脆性的因素 （Factors affecting rocks elasticity and p

13、lasticity）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）岩石弹塑性的测定岩石弹塑性的测定Measure of rocks elasticity and plasticityCp=SOABC/ SODE图图 1.110 由应力由应力应变应变曲线确定弹性模数曲线确定弹性模数图图 1.111 岩石压入时的载荷侵深曲线岩石压入时的载荷侵深曲线塑性系数塑性系数1.3.2、强度性质、强度性质（Strength properties） 岩石强度

14、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(compression strength)。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。图图 1.114 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 1.115 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图图1.11

15、6 圆盘劈裂试验圆盘劈裂试验 图图1.117 剪切试验剪切试验1岩样；岩样； 2上下剪切模具；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DLpt2Tension strengthNTcossinsincosfAPATfAPAN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）、岩石的物质成份（矿物、沉积岩的胶结物）2

16、、岩石的结构构造（颗粒的大小）、岩石的结构构造（颗粒的大小）3、岩石的容重和孔隙度、岩石的容重和孔隙度4、受力条件（拉、弯、剪、压）、受力条件（拉、弯、剪、压）5、应力状态（多向与单向）、应力状态（多向与单向）6、载荷速度、载荷速度(加载速度增大加载速度增大,强度升高强度升高)7、岩样的线性尺寸、岩样的线性尺寸8、湿度和温度、湿度和温度1.3.3、表面特性、表面特性(Surface properties) 岩石的硬度（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+

17、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。(举例举例) 岩石的研磨性（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岩石硬度的测试方法 静压入法（与金属硬度测试方法的区别）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；

18、 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的现象被称为尺寸效应尺寸效应)影响岩石研磨性的因素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

19、过硬度后，不变间或有所降低） 滑动速度(有临界值临界值,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。石，岩石的研磨性大。第四节第四节 岩石可钻性及其分级岩石可钻性及其分级（Drillability of 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

20、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）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

21、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：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）用实钻速度评价岩石的可钻性（-by real penetration rate or drilling speed） 用实钻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：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

22、岩石的可钻性）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：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）用碎岩比功评价岩石的可钻性（-by specific bulk work of fracture）碎岩比功：破碎单位体积岩石消耗的能量。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。

23、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：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：2PWeP P：岩石破碎时的载荷； ：与P相应的弹性变形。由材料力学可知：aEP212 ：泊松比；a：压头半径；E：岩石弹性模量。所以有：aEPWe4122岩石破碎时的总功：ppetCaEPCWW4122单位接触面积破碎功：ptsCaaEPSWW22241进一步处理：EaCHCEaaPWpyps4)1 (41222222式中：Hy压入硬度；单位体积破碎功：aEVCPVAWptV4122式中：

24、破碎岩石体积。史立涅尔根据单位接触面积破碎功将岩石划为10级。 第五节第五节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式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，冲击回转钻进，回转冲

25、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第六节 静载作用下的岩石应力状态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一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态( )222rPpa ar2Ppa图图1.134 平底圆柱压头压力面上的压力分布平底圆柱压头压力面上的压力分布aZ0图图

26、1.136 球形压头压力面上的压力分布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：zatgazpzaapzaapzatgazpzaapzrrz1022202220102220121432211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：图图1.137 球形压头压入时沿球形压头压入时沿 对称轴的应力分布对称轴的应力分布000421221ppprz 如果=0.3,则压力面中心(即z=0)处，z =-p0 ，r =-0.8p0，=0.1p0

27、。 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z0=0.48ay0.5a;最大剪应力max=0.31p0 ,这说明在深度zy0.5a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z=0，r=a）处，应力分量为：0032120321pprzr 当=0.3时,0133. 0pr, =0.133p0 。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

28、心的剪应力。因此，球体压入平面时，最危险危险的地方是：压力面压力面周边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215 轴向力作用时岩石 内的应力分布图216 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215）。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（

29、如图216）。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216(b)所示），形成正应力区（正应力区（）、拉应力区（拉应力区（）和过渡区（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。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

30、理的配合合理的配合关系。 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；拉伸区拉伸区则与上述情况相反；过渡区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。第七节第七节 外载作用下岩石的破碎过程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一、岩石的变形破碎方式图图1.145 破碎功与破碎产物粉碎度的关系破碎功与破碎产物粉碎度的关系 1根据黎金格尔定律；根据黎金格尔定律；2根据基尔切夫定