第一章岩石性质与破碎LU

第一章

岩土的物理力学性质及其破碎机理

一、岩石的组成

二、岩石的物理力学性质

三、岩石的可钻性及可钻性分级

四、土的物理力学性质特征

五、岩石的破碎机理

第一节

岩石的组成

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机物质。根据其成因，岩石可分为三类：

1、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。

第一节

岩石的组成

一、岩石的组成与分类一般而言：岩浆岩的强度和硬度都较高，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。金属和非金属矿床一般赋存于岩浆岩和变质岩中，煤和石油等可燃性矿产通常与沉积岩共存。

第一节

岩石的组成

二、岩石的结构和构造（一）岩石的结构

岩石结构是说明岩石的微观组织特征的。它与矿物颗粒的大小、形状和表面特征有关，反映岩石的非均质性和孔隙性。

第一节

岩石的组成

二、岩石的结构和构造

（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

岩石的组成

（二）岩石的构造

1、岩浆岩的构造：块状构造

2、沉积岩的构造：主要构造特征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。

3、变质岩的构造：主要构造特征是片理。岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理。层理、片理会引起岩石的各向异性。第二节岩石的物理力学性质

岩石的物理性质是岩石受一定的自然或人工物理场或介质作用后的特殊行为（响应），由其组成、结构所决定。

岩石的物理性质有很多，本节主要研究影响岩石破碎过程的物理性质，如粘结状态、孔隙度、密度、容重等。岩石的力学性质是在外载作用下才表现出来岩石抵抗变形和破坏的能力。如强度、硬度、弹性、脆性、塑性和研磨性等。

第二节岩石的物理力学性质

一、岩石的孔隙比与孔隙度

1、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/Vc2、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。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。

第二节岩石的物理力学性质

二、岩石的密度与容重

1、岩石的密度ρs：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γs：是岩样重量G与其总体积V之比

第二节岩石的物理力学性质

三、岩石的强度

1、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。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（1）根据受力条件，岩石的极限强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等；（2）根据应力状态，岩石强度可分为单向、两向、三向应力状态下的强度；（3）根据加载速度，有静载强度和动载强度。

第二节岩石的物理力学性质

三、岩石的强度

3、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。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。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。垂直于层理方向的抗压强度最大，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。第二节岩石的物理力学性质

三、岩石的强度

3、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出许多倍。（6）加载速度的影响：①

加载速度增加，岩石的强度提高；②

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。

第二节岩石的物理力学性质

四、岩石的硬度

1、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

（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。

第二节岩石的物理力学性质

四、岩石的硬度

3、影响岩石硬度的因素（1）岩石中坚硬矿物愈多、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。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1.05～1.8倍。

第二节岩石的物理力学性质

四、岩石的硬度

3、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。

第二节岩石的物理力学性质

4、岩石硬度的测定

（1）静压入法：以1~5mm2的压头压入岩样表面，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)（2）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。

第二节岩石的物理力学性质

五、岩石的弹性和塑性

1、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；当外力撤除后岩石的外形和尺寸不能完全恢复而产生残留变形，这种变形称为塑性变形。

第二节岩石的物理力学性质

2、岩石破坏的形式（1）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：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：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。

第二节岩石的物理力学性质

五、岩石的弹性和塑性

3、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数E和泊松比μ。

弹性模数：弹性范围内应力与应变的比值，(Pa)或(MPa)。

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K：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。

第二节岩石的物理力学性质

六、岩石的研磨性

1、岩石研磨性：岩石磨损工具的能力。

2、岩石磨损形式（1）摩擦磨损：孔底岩石与切削工具相对滑动而产生的磨损。与所钻岩石的研磨性、切削工具的耐磨性、钻进规程参数有关；（2）磨粒磨损：孔底破碎岩屑对切削工具的磨损。与岩屑的硬度和研磨性、岩屑的数量（钻进速度）、钻孔冲洗的程度等有关。在金刚石钻进中这种磨损形式起着重要的作用，因为岩粉能磨蚀金刚石钻头的胎体，帮助孕镶金刚石出刃。

第二节岩石的物理力学性质

六、岩石的研磨性

3、影响岩石研磨性的因素（1）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）岩石胶结物的粘结强度越低，岩石的研磨性越强。（3）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，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）介质的影响，湿润和含水的岩石硬度和研磨性都会降低。

第三节

岩石的可钻性及可钻性分级

一、岩石可钻性的概念

1、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。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m／h。

2、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。

第三节

岩石的可钻性及可钻性分级

二、岩石可钻性分级的方法

1、力学性质指标法采用单一的力学性质划分岩石的可钻性级别。据压入硬度值把岩石分成6类12级，据摆球的回弹次数把岩石分成12级。如果两种方法确定的可钻性级别不一致，可按包括压入硬度值Hy和摆球硬度值Hn的回归方程式（1-17）来确定可钻性K值。

K=3.198+8.854×10-3Hy+2.578×10-2Hn2、实际钻进速度法在规定的设备工具和技术规范条件下进行实际钻进，以机械钻速作为岩石的可钻性级别。随着技术的进步，必须实时修正。原地矿部曾制定了适合于金刚石钻进的岩石可钻性，如表1-6所列。

第三节

岩石的可钻性及可钻性分级

二、岩石可钻性分级的方法

3、微钻法采用模拟的微型孕镶金刚石钻头，按一定的规程，对岩心进行钻进试验。

原地矿部的规范：以微钻的平均钻速作为岩石可钻性指标，共分12级。原石油部的规范：用微钻在岩样上钻三个孔深2.4mm的孔，取三个孔钻进时间的平均值为钻时t

，取整后作为该岩样的可钻性级别，可把油田地层的可钻性分成10个等级，等级越高，钻进越难。

Kd=log2t

第三节

岩石的可钻性及可钻性分级

二、岩石可钻性分级的方法

4、破碎比功法用圆柱形压头作压入试验时，可通过压力与侵深曲线图求出破碎功，然后计算出单位接触面积破碎比功AS，根据破碎比功法对岩石可钻性分成10个等级。近年来，许多科学家认为该方法是比较合理的一种方法。第三节

岩石的可钻性及可钻性分级二、岩石可钻性分级的方法

5、岩屑声波法

通过测定岩屑的声波波速，来定量计算岩石的可钻性级值。

自学内容安排

第四节土的物理力学性质特征（自学P13~P15）一、土的基本组成二、土的物理性质特征（土的含水量、土的密实度、土的塑性指数和液性指数、土的渗透系数）三、土的力学性质特征（土的压缩性、土的抗剪性、土的极限平衡条件）四、土的工程分类第五节

岩石的破碎机理

一、碎岩工具与岩石作用的主要方式根据刃具与岩石作用的方式和碎岩机理，可把碎岩刃具分：切削一剪切型、冲击型、冲击一剪切型三类。

1、切削一剪切型钻头碎岩刃具以速度vθ向前移动而切削(剪切)岩石。工作参数是：移动速度vθ、轴向力Pz和切向力Pθ以及介质性质。

第五节

岩石的破碎机理

一、碎岩工具与岩石作用的主要方式

2、冲击型冲击型刃具给孔底岩石以直接的冲击动载，碎岩的过程可用工具动能Tk和岩石变形位能U的方程式来表达（T＝U

）：式中：m——钻头和冲击钻杆的质量；

vθ——钻头同岩石碰撞时的速度；

δmax——钻头侵入岩石的最大深度；

Pz（δ）——岩石抵抗钻头侵入的阻力。第五节

岩石的破碎机理

一、碎岩工具与岩石作用的主要方式

3、冲击一剪切型:钻头刃具不仅以Pz和Pθ作用于岩石，而且还有使钻头向前回转的移动速度vθ和冲锤对齿刃的冲击速度vz或牙轮滚动时齿刃向下冲击的速度vω。合成速度是：

或式中：；A0——冲锤单次冲击功；Q——冲锤重量；r——齿顶到牙轮瞬时旋转中心的距离。

第五节

岩石的破碎机理

二、外载作用下的岩石应力状态

切削具对岩石的压入破碎在孔底过程中起着重要作用。岩石在切削具切入、破碎之前，先产生弹性应力状态。钻头上的切削具与孔底岩石的作用可以看成是圆柱体、球形体、长方平底形压模与弹性半无限体所限制的平面的相互作用。讨论不同形状切削具在外载作用下的岩石应力状态。（一）平底圆柱形压头压入时应力状态

（二）球形压头压入时岩石的应力状态

（三）轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态

第五节

岩石的破碎机理

（一）平底圆柱形压头压入时应力状态刚性平底压头以作用力P沿z轴压入弹性半无限体，其接触面上的压力分布在初期是不均匀的（图1-6），边缘处的应力集中使岩石产生局部破碎或塑性变形，而后，压力便趋于均匀分布。

第五节

岩石的破碎机理

（一）平底圆柱形压头压入时应力状态在压力均匀分布的前提下，根据弹性力学布希涅司克问题和应力叠加原理，求出岩体内沿对称轴上各应力分量为：

第五节

岩石的破碎机理

（一）平底圆柱形压头压入时应力状态各应力分量随z轴的变化情况（如图）。随z的增加，σz减小的慢，σr=σθ减小的快；剪应力τ随z的变化开始由小到大，到一个临界深度z0处τ达最大值。在z=0处：

第五节

岩石的破碎机理

（一）平底圆柱形压头压入时应力状态各若将τ对z求导，并使其等于零，则：

设μ=0.3，则z0=0.638a，τmax=0.33p。这表明在z轴上，最大剪应力约为均匀压强的l／3。平底圆柱形压头压入时应力存在两个极值点:压头边缘处、对称轴上z≈a处。第五节

岩石的破碎机理图1－8压头下相对剪应力等直线图第五节

岩石的破碎机理

（二）球形压头压入时岩石的应力状态

球体压入时，接触球面（半径为a）上的压力分布是不均匀的。其数值是随着压力点离开压力面中心的距离r的增加而不断减小的一个函数(如图)，即：在压力中心处：在压力边缘处：

第五节

岩石的破碎机理

（二）球形压头压入时岩石的应力状态

同样根据弹性力学布希涅司克问题集中应力作用原理，岩体内沿对称轴上的各应力分量为：

第五节

岩石的破碎机理

（二）球形压头压入时岩石的应力状态

各应力分量随z轴的变化：剪应力τ随z的变化开始由小到大，一个临界深度z0处τ达最大值。在z=0有：

；

如果设μ=0.3，根据计算，z0=0.5a，τmax=0.31p

，同样存在两个极值点：压力面周围及对称轴上z0=0.5a处。

第五节

岩石的破碎机理

（三）轴向力和切向力共同作用时岩石的应力状态回转钻进中，碎岩工具一般以轴向、切向载荷同时作用于岩石。此时，岩石的应力分布与只有轴向载荷时不同。

只有轴向力作用时，等应力线分布是均匀对称的。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。

第五节

岩石的破碎机理

（三）轴向力和切向力共同作用时岩石的应力状态在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切向力作用的后方则产生拉应力；在半无限体内形成压应力区（Ⅰ）、拉应力区（Ⅱ）和过渡区（Ⅲ）。压缩区Ⅰ随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；拉伸区Ⅱ则与上述情况相反。

第五节

岩石的破碎机理

三、岩石在外载作用下的破碎过程

（一）岩石的变形破碎形式切削具对岩石的作用力不同，岩石变形破碎可有3种方式

1、表面破碎切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度，切削具不能压入岩石。切削具移动时，将研磨孔底岩石，岩石破碎是由接触摩擦功引起的，研磨的岩石颗粒很小，钻进速度低。这种变形破碎方式称为岩石的表面研磨，这个区称为表面破碎区。

第五节