巖石鉆進過程與破碎機理

1、巖石鉆進過程與破碎機理巖石鉆進過程與破碎機理Chapter 1 Drilling process of rocks Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanismand fracturing mechanism 第一節(jié)、巖石的物理力學性質第一節(jié)、巖石的物理力學性質 第二節(jié)、巖石可鉆性及其分級第二節(jié)、巖石可鉆性及其分級 第三節(jié)、鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主第三節(jié)、鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式要方式 第四節(jié)、靜載作用下的巖石應力狀態(tài)第四節(jié)、靜載作用下的巖石應力狀態(tài) 第五節(jié)、外載作用下巖石的破碎過程第五節(jié)、外載作用下巖石的破

2、碎過程第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學性質巖石的物理力學性質Physical & mechanical properties of rocks一、巖石的組成與分類一、巖石的組成與分類 巖石是礦物顆粒的集合體。按成因分：巖漿巖、沉積巖和變巖石是礦物顆粒的集合體。按成因分：巖漿巖、沉積巖和變質巖。質巖。 巖漿巖：內力地質作用的產物，系地殼深處的巖漿沿的殼巖漿巖：內力地質作用的產物，系地殼深處的巖漿沿的殼裂隙上升冷凝而成。裂隙上升冷凝而成。 沉積巖：在地表條件下母巖風化剝蝕的產物，經搬遷、沉沉積巖：在地表條件下母巖風化剝蝕的產物，經搬遷、沉積和硬結等成巖作用而形成的巖石。組成沉積巖的物質成分有積

3、和硬結等成巖作用而形成的巖石。組成沉積巖的物質成分有顆粒和膠結物兩大類。顆粒和膠結物兩大類。 變質巖：沉積巖或變質巖本身在地殼中受到高溫高壓及化變質巖：沉積巖或變質巖本身在地殼中受到高溫高壓及化學活動性流體的影響而變質形成的巖石（原巖成分和變質巖特學活動性流體的影響而變質形成的巖石（原巖成分和變質巖特有的，如石墨、滑石，蛇紋石，硅灰?guī)r等）。有的，如石墨、滑石，蛇紋石，硅灰?guī)r等）。二、巖石的結構與構造二、巖石的結構與構造 巖石的微觀組織特征，即巖石的結構，它與礦物粒度的巖石的微觀組織特征，即巖石的結構，它與礦物粒度的大小、形狀和表面特征有關，反映了巖石非均質性和孔隙性。大小、形狀和表面特征有關，

4、反映了巖石非均質性和孔隙性。 巖石構造是表示巖石宏觀組織特征，它說明礦物顆粒之間巖石構造是表示巖石宏觀組織特征，它說明礦物顆粒之間的組合形式和空間分布狀況，它決定了巖石的各向異性和裂的組合形式和空間分布狀況，它決定了巖石的各向異性和裂隙性。巖石的結構和構造與巖石的成因類型、形成條件及存隙性。巖石的結構和構造與巖石的成因類型、形成條件及存在環(huán)境有緊密的聯(lián)系。在環(huán)境有緊密的聯(lián)系。 巖漿巖是由巖漿冷卻形成凝固而形成的巖石，由于生成巖漿巖是由巖漿冷卻形成凝固而形成的巖石，由于生成環(huán)境和冷卻速度不同，巖漿化學成份和其中揮發(fā)物的含量不環(huán)境和冷卻速度不同，巖漿化學成份和其中揮發(fā)物的含量不等，形成不同的結構和

5、構造。等，形成不同的結構和構造。 巖漿巖：晶質結構巖石一般強度較高，同時斷面粗糙者巖漿巖：晶質結構巖石一般強度較高，同時斷面粗糙者往往研磨性較大。往往研磨性較大。 沉積巖：顆粒和膠結物組成，沉積巖的主要構造特征是沉積巖：顆粒和膠結物組成，沉積巖的主要構造特征是有鉆進過程中產生的層理，與鉆進有關。有鉆進過程中產生的層理，與鉆進有關。 變質巖：主要構造特征是片理（如石墨和滑石）變質巖：主要構造特征是片理（如石墨和滑石）.巖石沿巖石沿平行平面分裂為薄片的能力叫做片理化。平行平面分裂為薄片的能力叫做片理化。 圖11 晶體結構類型圖13 層理產生的原因圖1-2 膠結物的類型 巖巖 石石 照照 片片花崗石

6、花崗石花崗石花崗石花崗巖花崗巖白云巖白云巖第二節(jié)第二節(jié) 巖石的自然性質巖石的自然性質Natural properties of rocks 巖石的自然性質巖石的自然性質：巖石在生成過程中，構造變動和風化過程中自然形成的特性。 密度密度:單位體積巖石的質量.容重:單位體積巖石的重量. 比重比重:單位體積巖石骨架體積的重量.巖石體積=固相骨架體積+巖石中孔隙體積. 一般來說,密度越高,強度越大。 孔隙度孔隙度:巖石中孔隙體積與巖石總體積之比。一般來說,孔隙度越大,強度越低. 含水性含水性:W=(GW-GD)/GD 透水性透水性:KW=ql/A(Pi- Po) 巖石的孔隙越大,裂隙越多,水對它的影響

7、就越小。如石灰?guī)r,用水浸透后,強度下降明顯。第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學性質巖石的力學性質Mechanical properties of rocks 巖石的力學性質是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來巖石的力學性質是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。主要有變形特性、強度特性和表面特的特性。主要有變形特性、強度特性和表面特性。性。 變形特性：彈性、塑性和脆性變形特性：彈性、塑性和脆性 強度特性：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度和強度特性：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度抗彎強度 表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬度和研磨性1.3.1、變形特性、變形特性（deformation properties） 彈性變

8、形 塑性變形巖石破壞的形式巖石破壞的形式Broken form of rocks脆性破壞脆性破壞塑脆性破壞（彈性變形不明顯，塑性破壞）塑脆性破壞（彈性變形不明顯，塑性破壞）(a)(b)(c)影響巖石彈性、塑性和脆性的因素影響巖石彈性、塑性和脆性的因素 （Facts affecting rocks elasticity and plasticity）1、巖石物質成分2、巖石結構構造3、應力狀態(tài)4、載荷性質5、受力條件6、溫度和濕度巖石彈塑性的測定巖石彈塑性的測定Measure of rocks elasticity and plasticityKp=SOABC/ SODE圖圖 1.110 由應力

9、由應力應變應變曲線確定彈性模數曲線確定彈性模數圖圖 1.111 巖石壓入時的載荷侵深曲線巖石壓入時的載荷侵深曲線1.3.2、強度性質、強度性質（Strength properties） 巖石強度巖石強度：巖石在載荷作用下變形到一定程度就發(fā)生破壞。破壞前巖石所能承受的最大載荷，單位面積上的最大載荷。根據受力條件不同，巖石強度又可分為抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度、抗壓強度。有單向應力狀態(tài)下的強度，多向應力狀態(tài)下的強度。圖圖 1.114 巖石單軸抗壓試驗巖石單軸抗壓試驗 1巖樣；巖樣；2球座；球座；3鋼墊板鋼墊板 圖圖 1.115 巖石單軸拉伸試驗巖石單軸拉伸試驗1巖樣；巖樣；2夾頭；圖中尺寸單位：

10、夾頭；圖中尺寸單位：cmiPPaA圖1.116 圓盤劈裂試驗 圖1.117 剪切試驗1巖樣； 2上下剪切模具；3模套；4斜鍥塊；5上下墊板； 6鋼滾子t=2p/3.14DL影響巖石強度的因素影響巖石強度的因素（Factors affecting rocks strength） 1、巖石的物質成份、巖石的物質成份2、巖石的結構構造、巖石的結構構造3、巖石的容重和孔隙度、巖石的容重和孔隙度4、受力條件、受力條件5、應力狀態(tài)、應力狀態(tài)6、載荷速度、載荷速度7、巖樣的線性尺寸、巖樣的線性尺寸8、濕度和溫度、濕度和溫度1.3.3、表面特性、表面特性(Surface properties) 巖石的硬度巖石

11、的硬度：巖石表面對工具壓入的反抗特性。巖石硬度與抗壓強度有一定聯(lián)系，又有很大區(qū)別。巖石抗壓強度是巖石整塊抗破碎的能力。巖石抗壓入硬度為單向抗壓強度的（1+2）倍。測定壓入硬度實際上使巖樣產生局部破碎，而這種局部破碎是在多向受壓狀態(tài)下進行的。 巖石的研磨性巖石的研磨性：在用機械方法破碎巖石的過程中，鉆頭與巖石產生連續(xù)的或間斷的接觸和摩擦。鉆頭破碎巖石的同時，其自身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍。巖石磨損鉆頭的能力。影響巖石硬度的因素影響巖石硬度的因素（Factors affecting rocks hardness） 巖石的礦物成分和結構構造 應力狀態(tài) 載荷速度 液體介質 工具形狀和尺寸影響巖石研磨

12、性的因素影響巖石研磨性的因素 （Factors affecting rocks abrasiveness） 巖石的礦物成分和結構特征 正壓力 滑動速度 介質第四節(jié)第四節(jié) 巖石可鉆性及其分級巖石可鉆性及其分級（Drillability of rocks and its classification） 巖石可鉆性是決定鉆進效率的基本因素，它反映了鉆進時巖石破碎的難易程度。 它是合理選擇鉆進方法、鉆頭結構及鉆進規(guī)程參數的依據，同時也是制訂鉆探生產定額和編制鉆探生產計劃的基礎。 巖石可鉆性是個多變量的函數。它不僅受控于巖石的性質，而且與外界技術條件和工藝參數有密切的關系。1.4.1 巖石可鉆性分級的觀

13、點巖石可鉆性分級的觀點(Viewpoints on classification of rock drillability) 用巖石力學性質評價巖石的可鉆性 用實鉆速度評價巖石的可鉆性 用微鉆速度評價巖石的可鉆性 用碎巖比功評價巖石的可鉆性1.4.2 劃分巖石可鉆性的具體方法劃分巖石可鉆性的具體方法(Methods for classification of rock drillability) 力學性質指標法力學性質指標法 實際鉆進速度法實際鉆進速度法 模擬鉆進速度法模擬鉆進速度法 破碎比功法破碎比功法 第五節(jié)第五節(jié) 鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式（Main

14、 mode of action between rock-broken tool and rock）第六節(jié)第六節(jié) 靜載作用下的巖石應力狀態(tài)靜載作用下的巖石應力狀態(tài)（Stress conditions of rock under static load） 一、平底圓柱形壓頭壓入時巖石的應力狀態(tài)一、平底圓柱形壓頭壓入時巖石的應力狀態(tài)( )222rPpa ar2Ppa圖圖1.134 平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布圖圖1.136 球形壓頭壓力面上的壓力分球形壓頭壓力面上的壓力分布布圖圖1.137 平底壓頭壓入時沿平底壓頭壓入時沿 對稱軸的應力分布對稱軸的應力分布三、軸向力

15、和切向力共同作用時壓頭下方巖石的應力狀態(tài)三、軸向力和切向力共同作用時壓頭下方巖石的應力狀態(tài)圖215 軸向力作用時巖石 內的應力分布圖216 軸向力和切向力共同作用時巖石內的應力分布 （a）等應力線圖；（b）應力狀態(tài)特征 壓應力區(qū)；拉應力區(qū)；過渡區(qū) 在回轉鉆進中，破碎巖石工具以軸向和切向載荷作用于巖石上。彈性力學研究表明：只有軸向力單獨作用于壓頭時，彈性半無限體內等應力線分布是均勻的、對稱的（如圖215）。而軸向力和切向力共同作用時，等應力線分布則是非均勻的、不對稱的（如圖216）。在接觸面上，切向力作用的前方將產生壓應力，而切應力作用的后方則產生拉應力，在半無線體內（如圖216(b)所示），形

16、成正應力區(qū)（）、拉應力區(qū)（）和過渡區(qū)（） 。由此可以推知，在兩向載荷作用下，碎巖工具對巖石的作用具有以下的特點： 1. 軸向力和切向力共同作用時，可視為碎巖工具對孔底巖石表面以某一角度施加作用力。巖石破碎效果將由此作用力的數值和方向來決定。軸向力和切向力之間存在最優(yōu)比值，或者說有最優(yōu)的作用力方向。這一方向對于不同的巖石可能是不同的。所以鉆進不同巖石時，軸向壓力和回轉速度應用一個合理的配合關系。 2. 軸向力與切向力共同作用時，碎巖工具下方巖石中產生不均勻的應力狀態(tài)。壓縮區(qū)隨軸向力增加而擴大，隨切向力的增加而縮??；拉伸區(qū)則與上述情況相反；過渡區(qū)內既有正應力的作用，又有拉應力的作用。 3. 當巖石中出現(xiàn)拉應力時，在其他條件相同的情況下，巖石將在作用力比較小的時，在拉應力區(qū)開始破碎。 第七節(jié)第七節(jié) 外載作用下巖石的破碎過程外載作用下巖石的破碎過程（Failure proce