第二章岩石的破碎机里

第二章岩石的破碎机里第一页，共四十六页，2022年，8月28日第一节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。

第二页，共四十六页，2022年，8月28日第一节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。第三页，共四十六页，2022年，8月28日第一节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。

第四页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

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。本节讨论同不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

第五页，共四十六页，2022年，8月28日图2－2半无限体在边界上受法向集中力作用第二节外载下岩石的应力状态

假设：（1）岩石均质，各向同性；（2）遵从虎克定律；（3）弹性特性不受应力状态和加载速度影响第六页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

（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2-4），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。

图2－4平底圆柱压头压力面上的压力分布第七页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

（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：

第八页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

（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：

第九页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

（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=0.25，则z0=0.62a，τmax=0.345p。这表明在z轴上，最大剪应力所在的深度约等于压头半径的2／3。而最大剪应力约为均匀压强的l／3。由于最大剪应力点是压碎岩石的发源处应引起重视。

第十页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

压头下相对剪应力等直线图第十一页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

（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：图2－6第十二页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

（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：

第十三页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

（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=0.25，根据计算，z0=0.5a，τmax=0.40p

，同样存在两个极值点，但都在z轴上。

第十四页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

（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。第十五页，共四十六页，2022年，8月28日第二节外载下岩石的应力状态

（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。

第十六页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程

（一）岩石的变形破碎形式1、黎金格尔定律：固体破碎功与破碎过程中物体表面积的增加成比例。2、基尔比切夫定律：破碎功与物体破碎的体积成比例。

破碎功与破碎产物粉碎度的关系

1－黎金格尔定律；2－基尔切夫定律第十七页，共四十六页，2022年，8月28日

第三节

岩石在外载下的破碎过程

（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。表面破碎第十八页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程

（一）岩石的变形破碎形式

2、疲劳破碎切削具上的轴向载荷增加，但接触压力仍小于岩石硬度，可使岩石晶间联系破坏，岩石结构间缺陷发展，特别是孔底受多次加载产生的疲劳裂隙更加发展，于是众多裂隙交错，仍可产生较粗岩粒的分离，这种变形破碎方式称为疲劳破碎，这个区称为疲劳破碎区。疲劳破碎第十九页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程（一）岩石的变形破碎形式

3、体积破碎切削具上的载荷继续增加，接触压力大于或等于岩石硬度，切削具可有效地切入岩石，结果是：切削具在孔底移动时不断克服岩石的结构强度，切下岩屑，这种变形破坏方式称为体积破碎，这个区称为体积破碎区。体积破碎时，会分离出大块岩石，破碎效果好。

体积破碎第二十页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程

1、加载时，第一极值带产生环形裂纹；2、开始时，ac方向裂隙的伸展比ao快；3、远离自由面，ac方向的伸展速度迅速减慢；4、多数情况下，裂隙在o点相交比到达c点晚；5、在c点产生指向自由面、o点的裂隙；6、c点迅速到达自由面并与从o点来的裂隙相遇；7、产生aob主压力体和mon剪切体；8、压模阻力急剧降低，压模下落；9、aob体破碎，部分碎岩压出，部分压在压头下面。

第二十一页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程第二十二页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程

10、继续施载，碎岩石在压模下面被压实，并在剪切体内产生弹性变形；11、裂隙沿a′c′和a′o′方向向深部伸展；12、在比第一种情况下大得多的外载作用下，裂隙把a′o′b′体和m′c′o′c′n′体分离开来；13、a′o′b′体和m′c′o′c′n′体中的岩石将被压碎，部分碎岩压出，部分被压在压模的下面；14、继续施加外载，上述现象将重复进行。第二十三页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程

图示是平底压模压入阻力变化曲线和碎岩体积变化曲线。第二十四页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程课堂提问：左图是平底压头压入岩石时阻力和岩石破碎体积的变化曲线，请解释曲线的变化规律。第二十五页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程（三）球状切削具压入时的岩石变形破碎过程

1、开始时，切削具与岩石接触的是一个点；2、外载增加，切削具和岩石产生弹性变形，接触面开始增大；3、接触面中心的正应力最大，首先出现裂隙；4、随外载增加，接触面增大，产生与原有裂隙平行的新裂隙系；5、外载再增加，触面增大，新裂隙向深处伸展；6、球状切削具总的弹性变形不与外载成正比例。外载继续增加时，弹变总值减小，应力增大，裂隙伸展的深度增大；7、以后的破碎过程与平底压模时类似。第二十六页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程

（三）球状切削具压入时的岩石变形破碎过程

球状切削具与平底压模压人岩石时的区别在于：

1、裂隙对主压力体aob内的岩石进行了初步破坏；

2、破碎的岩石再次压在切削具下面的较少；

3、球状切削具压入岩石时，可以分为2种破碎形式：

（1）形成相交的裂隙系对岩石进行破碎；（2）剪切体mcocn的分离。第二十七页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程（四）楔状切削具压入时的岩石变形破碎过程

第二十八页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程压头形状对体积破碎功的影响第二十九页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程（五）动载作用下的岩石变形破碎过程

压头动压入时岩石破碎示意图(a)出现残余变形；(b)脆性破碎第一形态；(c)脆性破碎第二形态；(d)脆性破碎第三形态1－压头与岩石接触面；2－破碎穴；3－岩石碎块截面第三十页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程

动压入时破碎岩石的能容量AV(即破碎单位体积岩石所消耗的能量)，可按下式确定：（J/cm3）

式中

TK

——冲击能量，J，

V

——破碎岩石体积，cm3。第三十一页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程第三十二页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程

由于破碎体积不均匀地变化，造成能容量曲线有最大值和最小值。从总体上看，随着冲击能量TK的增加，动载破碎岩石的能容量有减小的趋势。能容量曲线上的第一个最小值与形成第二破碎形态相对应；第二个最小值与形成第三破碎形态相对应。形成第二和第三破碎形态后，冲击能虽然增加，但破碎体积基本不变，所以单位体积破碎功出现最大值。第三十三页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程

对于岩石破碎过程的解释，概括起来可以得出以下的基本概念：

(1)岩石破碎过程的发展，不是随载荷的增加而平稳地进行的，而是当载荷达到某一值后，发生突然的侵入破碎。

(2)载荷过小时，只是在岩石表面形成一些微小裂纹，甚至只发生弹性变形。因此破碎效果极差。

(3)当载荷不足以产生大剪切时，则只能在岩石中产生压裂作用，形成一些裂隙。

(4)只有当载荷达某一定值时，才能产生大体积崩落破碎，这时破碎效果最好。第三十四页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程

不论是动载还是静载压入时，破碎岩石能容量都是跳跃式地逐渐减小，并且动载破碎的能容量比静载的要高，如下表。

破碎形态能容量，

J/cm3加载方式第一破碎形态第二破碎形态第三破碎形态静载－10939动载19514550第三十五页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程第三十六页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程

由上表可以看出，随着加载速度的增加，岩石的单位体积破碎功增大。破碎工具对岩石作用时，岩石中发生硬化和松弛两个过程。硬化的实质是岩石颗粒结晶晶格产生严重的扭曲，导致变形阻力增大，而松弛则使变形阻力减小。从硬化到松弛需要一定的时间。加载速度大，松弛过程不能得到充分进行，从而影响破碎效果。第三十七页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程（六）动－静载联合碎岩研究和试验表明，在一定的静载作用下加高频动载作用，会减缓钻头磨损，提高破岩效率。较小的钻压(静载)可减少钻柱的多次弯曲，避免较大静载产生的井斜和钻柱磨损及疲劳损坏，还能防止钻头早期损坏。

静载的作用：（1）提高冲击动载作用力的峰值；（2）使切削具和地层紧密接触，减少动载作用的传递损失 第三十八页，共四十六页，2022年，8月28日第三节

岩石在外载下的破碎过程动－静载联合下岩石碎岩过程：（1）孔底不规则的表面在静载作用下被压平;（2）静载逐渐增加，接触处产生弹性变形:(3)在静载和动载联合作用下，钻头下面的岩石开始出现微裂纹，钻头外侧边界处的应力集中线向外形成放射性的裂纹;(4)2个主要裂纹在岩石中形成一个长而窄的岩屑压碎和压实带，形成破碎区，岩石表面破裂，出现许多贝壳状的碎块:(5)作用力增长变慢，两侧产生的剪切体被工具吃入而崩出，作用力下降，形成一个破碎坑。第三十九页，共四十六页，2022年，8月28日第四节碎岩效果指标碎岩效果指标的定义：衡量钻进速度、钻进成本、钻进质量的经济技术指标。钻进速度、钻进成本、钻进质量之间有着密切的联系。钻进效果指标内容

包括：钻速、每米钻孔成本、岩矿心采取率和钻孔弯曲等。它们受多因素的影响，包括不可控因素和可控因素。不可控因素是指客观存在的因素，如所钻的地层、岩性及其埋深等；可控因素是指通过一定的设备和技术手段可进行人工调节的因素，如钻头类型、冲洗液性能、钻压、转速和泵量等。第四十页，共四十六页，2022年，8月28日第四节碎岩效果指标1、机械钻速机械钻速是单位纯钻进时间内所钻的进尺。计算式如下：

（m/h）式中：H——钻进进尺，m；

t——纯钻进时间，h。机械钻速表示岩石钻进的难易程度，取决于岩石的性质、钻进方法、钻具、钻进工艺和技术的合理性等因素。机械钻速表示了钻进工作最基本的状况，在一定的条件下，必须优选钻进参数。第四十一页，共四十六页，2022年，8月28日2、回次钻速

表示从钻具开始下入钻孔，进行钻进，直到把钻具从钻孔提出的工序中（即所谓一回次）单位时间的进尺。其计算公式如下：

(m/h)

式中：HR——回次进尺，m；

t1——辅助作业时间，h。

t1包括钻进准备、起下钻、冲孔、扫孔、立轴倒杆、接长钻杆、卡取岩心、提钻准备、更换钻头及钻具等时间。随孔深的增加，提下钻时间增加，回次钻速减小。熟练操作、优化钻进、实现钻具升降机械化、自动化是提高回次钻速前提。

第四节碎岩效果指标第四十二页，共四十六页，2022年，8月28日第四节碎岩效果指标3.技术钻速

技术钻速表示一台钻机在一个月期间内用于完成基本工序∑

t

、辅助作业∑

t1和其他补充作业∑T1的总时间与同期的钻进进尺HT与之比。其计算公式如下：

(m/h)

∑T1是指一个月期间内消耗在固孔、测量孔斜、地球物理测井、孔内注浆、人工造斜等工作中的补充作业时间，h。技术钻速取决于机台工作的技术水平、各项工作的组织配合及技术措施等。

第四十三页，共四十六页，2022年，8月28日第四节碎岩效果指标4、经济钻速

经济钻速在国外也叫做商业钻速，一般按月（季）计算，表示一台钻机在一个月（季度）期间的可计入成本时间（基