第二章：巖石破碎基本原理

1、1第二講第二講 巖石破碎基本原理巖石破碎基本原理2.1 四種常用的強(qiáng)度理論四種常用的強(qiáng)度理論2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則2.3 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布2.4 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理2.5 破巖工具的磨損機(jī)理破巖工具的磨損機(jī)理22.1 2.1 四種常用的強(qiáng)度理論四種常用的強(qiáng)度理論一、最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）一、最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論） 最大拉應(yīng)力理論最大拉應(yīng)力理論認(rèn)為：引起材料斷裂的主要因素是最大拉應(yīng)認(rèn)為：引起材料斷裂的主要因素是最大拉應(yīng)力，而且，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)力力，而且，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)力3 3達(dá)

2、到達(dá)到材料單向拉伸斷裂時的最大拉應(yīng)力值材料單向拉伸斷裂時的最大拉應(yīng)力值t t，材料即發(fā)生斷裂。，材料即發(fā)生斷裂。t3強(qiáng)度條件：局限性：局限性： 未考慮另外兩個主應(yīng)力的影響；未考慮另外兩個主應(yīng)力的影響； 對沒有拉應(yīng)力的狀態(tài)無法應(yīng)用；對沒有拉應(yīng)力的狀態(tài)無法應(yīng)用； 無法解釋三向均壓時，既不屈服也不破壞的現(xiàn)象；無法解釋三向均壓時，既不屈服也不破壞的現(xiàn)象； 對塑性材料的破壞無法解釋。對塑性材料的破壞無法解釋。32.1 2.1 四種常用的強(qiáng)度理論四種常用的強(qiáng)度理論二、最大拉應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論）二、最大拉應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論） 最大拉應(yīng)變理論最大拉應(yīng)變理論認(rèn)為：引起材料斷裂的主要因素是最大拉應(yīng)認(rèn)為：引

3、起材料斷裂的主要因素是最大拉應(yīng)變，而且，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)變變，而且，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)變3 3達(dá)到達(dá)到材料單向拉伸斷裂時的最大拉應(yīng)力值材料單向拉伸斷裂時的最大拉應(yīng)力值t t，材料即發(fā)生斷裂。，材料即發(fā)生斷裂。)(12133E單向拉伸時：單向拉伸時：Et3t3單向壓縮時單向壓縮時：c1cE3三向應(yīng)力時：三向應(yīng)力時：t213)(強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件：適用范圍：適合于破壞形式為脆斷的材料。適用范圍：適合于破壞形式為脆斷的材料。42.1 2.1 四種常用的強(qiáng)度理論四種常用的強(qiáng)度理論三、最大剪應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）三、最大剪應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論） 最大剪應(yīng)力理

4、論最大剪應(yīng)力理論認(rèn)為：引起材料斷裂的主要因素是最大剪應(yīng)認(rèn)為：引起材料斷裂的主要因素是最大剪應(yīng)力，而且，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大剪應(yīng)力力，而且，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大剪應(yīng)力maxmax達(dá)達(dá)到材料單向拉伸屈服時的最大剪應(yīng)力值到材料單向拉伸屈服時的最大剪應(yīng)力值s s，材料即發(fā)生屈服。且，材料即發(fā)生屈服。且破裂面必定通過破裂面必定通過2 2而且與而且與1 1 、3 3成成4545交角（交角（101101平面）。平面）。ss31m221強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件：局限性：局限性： 巖石的破壞面（法線）并不巖石的破壞面（法線）并不 與最大主應(yīng)力方向成與最大主應(yīng)力方向成4545角；角； 可以得

5、出抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度可以得出抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度 相等的結(jié)論，與巖石不符。相等的結(jié)論，與巖石不符。52.1 2.1 四種常用的強(qiáng)度理論四種常用的強(qiáng)度理論四、畸變能理論（第四強(qiáng)度理論）四、畸變能理論（第四強(qiáng)度理論） 畸變能理論畸變能理論認(rèn)為：引起材料斷裂的主要因素是畸變能，而且認(rèn)為：引起材料斷裂的主要因素是畸變能，而且，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度U Ud d達(dá)到材料單向拉達(dá)到材料單向拉伸屈服時的畸變能密度伸屈服時的畸變能密度U Udsds ，材料即發(fā)生屈服。且破裂面必定通過，材料即發(fā)生屈服。且破裂面必定通過2 2而且與而且與1 1 、3 3成

6、成4545交角（交角（101101平面）。平面）。三軸應(yīng)力狀態(tài)下的畸變能：三軸應(yīng)力狀態(tài)下的畸變能：)()()(213232221dE61U強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件：s21323222121)()()(局限性：局限性： 適用于塑性材料適用于塑性材料; ; 可得出抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相等的結(jié)論，與巖石不符?？傻贸隹估瓘?qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相等的結(jié)論，與巖石不符。6第二講第二講 巖石破碎基本原理巖石破碎基本原理2.1 四種常用的強(qiáng)度理論四種常用的強(qiáng)度理論2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則2.3 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布2.4 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理2.5 破巖工具的磨損機(jī)理破巖工具的

7、磨損機(jī)理7一、巖石破壞形式與機(jī)制一、巖石破壞形式與機(jī)制2.2 2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則1.1.巖石破壞形式巖石破壞形式(a)(a) 單軸壓力作用下的劈裂（拉應(yīng)力引起）單軸壓力作用下的劈裂（拉應(yīng)力引起）(b)(b) 三軸應(yīng)力作用下的剪切破裂（剪應(yīng)力引起）三軸應(yīng)力作用下的剪切破裂（剪應(yīng)力引起）(c)(c) 多重剪切破裂（剪應(yīng)力引起）多重剪切破裂（剪應(yīng)力引起）(d)(d) 拉伸破裂（拉應(yīng)力應(yīng)力）拉伸破裂（拉應(yīng)力應(yīng)力）(e)(e) 集中力作用下的劈裂（拉應(yīng)力引起）集中力作用下的劈裂（拉應(yīng)力引起）8 任何材料的破壞，從兩顆粒脫離的情況看，不外遠(yuǎn)離或錯開任何材料的破壞，從兩顆粒脫離的情況看，不外遠(yuǎn)

8、離或錯開兩種可能。因此，物體破壞，歸根到底，只有剪切破壞和拉伸破兩種可能。因此，物體破壞，歸根到底，只有剪切破壞和拉伸破壞兩種機(jī)制。壞兩種機(jī)制。 控制巖石破壞的基本因素是由外力引起的應(yīng)力狀態(tài)和巖石本身控制巖石破壞的基本因素是由外力引起的應(yīng)力狀態(tài)和巖石本身的性質(zhì)。當(dāng)外力所引起的應(yīng)力超過了巖石抵抗破壞的能力的性質(zhì)。當(dāng)外力所引起的應(yīng)力超過了巖石抵抗破壞的能力( (抗剪或抗剪或抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度) )時，巖石就發(fā)生破壞。時，巖石就發(fā)生破壞。一、巖石破壞形式與機(jī)制一、巖石破壞形式與機(jī)制2.2 2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則2.2.巖石破壞機(jī)制巖石破壞機(jī)制9二、巖石破壞準(zhǔn)則二、巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則巖石

9、破壞準(zhǔn)則指巖石在某應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)下產(chǎn)生破壞的判據(jù)。指巖石在某應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)下產(chǎn)生破壞的判據(jù)。 通常表示為極限應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力間的關(guān)系方通常表示為極限應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力間的關(guān)系方 程或處于極限平衡狀態(tài)截面上的剪應(yīng)力與主應(yīng)力程或處于極限平衡狀態(tài)截面上的剪應(yīng)力與主應(yīng)力 的關(guān)系方程。的關(guān)系方程。)(),(ff321或或 由于巖石抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度相差較大，所以材料力學(xué)中的第由于巖石抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度相差較大，所以材料力學(xué)中的第一（最大拉應(yīng)力理論）、第二（最大拉應(yīng)變理論）、第三（最大剪一（最大拉應(yīng)力理論）、第二（最大拉應(yīng)變理論）、第三（最大剪應(yīng)力理論）、第四強(qiáng)度理論（畸變能理論）都不適用。應(yīng)力理論）、

10、第四強(qiáng)度理論（畸變能理論）都不適用。2.2 2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則10 庫侖庫侖- -莫爾準(zhǔn)則認(rèn)為：在三向應(yīng)力狀莫爾準(zhǔn)則認(rèn)為：在三向應(yīng)力狀態(tài)下，巖石將沿某一破裂面態(tài)下，巖石將沿某一破裂面（不是最大（不是最大剪應(yīng)力作用面）剪應(yīng)力作用面）發(fā)生剪切破壞。破壞條發(fā)生剪切破壞。破壞條件是剪切破裂面上的剪應(yīng)力必須達(dá)到或件是剪切破裂面上的剪應(yīng)力必須達(dá)到或超過巖石本身的抗剪強(qiáng)度（粘聚力）和超過巖石本身的抗剪強(qiáng)度（粘聚力）和由正應(yīng)力引起的內(nèi)摩擦力之和。由正應(yīng)力引起的內(nèi)摩擦力之和。fC tgf 三、庫倫三、庫倫- -莫爾準(zhǔn)則莫爾準(zhǔn)則（Coulomb-Mohr Criterion）2.2 2.2 巖石破壞

11、準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則稱為巖石的內(nèi)摩擦角。稱為巖石的內(nèi)摩擦角。132l 內(nèi)摩擦強(qiáng)度理論內(nèi)摩擦強(qiáng)度理論11l 剪切滑移面上的應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系剪切滑移面上的應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系1 1 3 3 A 設(shè)最大主應(yīng)力方向與剪切面法線方向設(shè)最大主應(yīng)力方向與剪切面法線方向的夾角為的夾角為（稱為剪切破壞角）。則在主應(yīng)（稱為剪切破壞角）。則在主應(yīng)力力1 12 23 3的作用下，忽略的作用下，忽略2 2的影響，的影響，可得剪切破壞面上的正應(yīng)力和剪切力與主應(yīng)可得剪切破壞面上的正應(yīng)力和剪切力與主應(yīng)力的關(guān)系為：力的關(guān)系為：2cos)(21)(2131312sin)(21312.2 2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則三、庫倫三、庫

12、倫- -莫爾準(zhǔn)則莫爾準(zhǔn)則（Coulomb-Mohr Criterion）12l 剪切滑移面上的應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系剪切滑移面上的應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系3 1 A 20C231223122莫爾應(yīng)力圓：莫爾應(yīng)力圓：剪切破壞角與內(nèi)摩擦角的關(guān)系：剪切破壞角與內(nèi)摩擦角的關(guān)系：242.2 2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則三、庫倫三、庫倫- -莫爾準(zhǔn)則莫爾準(zhǔn)則（Coulomb-Mohr Criterion）13l 幾個重要關(guān)系式推導(dǎo)：幾個重要關(guān)系式推導(dǎo)：三軸抗壓強(qiáng)度：三軸抗壓強(qiáng)度：cos1sin1sin1cos231C)sin1 ()cos1 ()sin1 (cos2Ct單軸抗壓強(qiáng)度：單軸抗壓強(qiáng)度：)sin1 (

13、cos2Cc單軸抗拉強(qiáng)度：單軸抗拉強(qiáng)度：當(dāng)內(nèi)摩擦角為當(dāng)內(nèi)摩擦角為3030時，時，tc 112.2 2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則三、庫倫三、庫倫- -莫爾準(zhǔn)則莫爾準(zhǔn)則（Coulomb-Mohr Criterion）14巖石內(nèi)聚力C內(nèi)摩擦角頁巖3301530砂巖8403550石灰?guī)r10503550大理巖15503550l 典型巖石的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角典型巖石的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角2.2 2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則l 應(yīng)用應(yīng)用 判斷巖石在某一應(yīng)力狀態(tài)下是否破壞（一般用應(yīng)力圓）判斷巖石在某一應(yīng)力狀態(tài)下是否破壞（一般用應(yīng)力圓） 預(yù)測剪切破裂面的方向預(yù)測剪切破裂面的方向 進(jìn)行巖石強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行巖石強(qiáng)度計(jì)

14、算 不適用于拉伸破壞。不適用于拉伸破壞。三、庫倫三、庫倫- -莫爾準(zhǔn)則莫爾準(zhǔn)則（Coulomb-Mohr Criterion）15 格里菲斯（格里菲斯（GriffithGriffith，19211921）認(rèn)為：）認(rèn)為：脆性材料的破壞是由材料內(nèi)部微裂紋尖端脆性材料的破壞是由材料內(nèi)部微裂紋尖端的應(yīng)力集中引起裂紋擴(kuò)展所致。在任何材的應(yīng)力集中引起裂紋擴(kuò)展所致。在任何材料內(nèi)部，都存在眾多的隨機(jī)分布的微裂紋。料內(nèi)部，都存在眾多的隨機(jī)分布的微裂紋。如果施加外力，在裂紋的端部將產(chǎn)生極大如果施加外力，在裂紋的端部將產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中（在裂紋尖端附近產(chǎn)生的拉應(yīng)的應(yīng)力集中（在裂紋尖端附近產(chǎn)生的拉應(yīng)力可能達(dá)到所施加應(yīng)

15、力的力可能達(dá)到所施加應(yīng)力的100100倍）。當(dāng)在倍）。當(dāng)在最有利于破壞方向的裂紋尖端處的拉應(yīng)力最有利于破壞方向的裂紋尖端處的拉應(yīng)力等于或大于該點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度時，裂紋開始等于或大于該點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度時，裂紋開始擴(kuò)展，最終斷裂。擴(kuò)展，最終斷裂。1 1 3 3 四、格里菲斯準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則2.2 2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則161.1.單軸拉應(yīng)力作用下的單軸拉應(yīng)力作用下的GriffithGriffith準(zhǔn)則準(zhǔn)則c Griffith Griffith 認(rèn)為：對單個裂隙，裂隙擴(kuò)展時認(rèn)為：對單個裂隙，裂隙擴(kuò)展時將釋放彈性能，同時新形成的裂隙表面將有表面將釋放彈性能，同時新形成的裂隙表面將有表面能的增加。

16、當(dāng)釋放能量與增加表明能相平衡，則能的增加。當(dāng)釋放能量與增加表明能相平衡，則裂隙停止擴(kuò)展。如果裂隙的增加導(dǎo)致總能量的連裂隙停止擴(kuò)展。如果裂隙的增加導(dǎo)致總能量的連續(xù)減少，則整個固體系統(tǒng)變成不穩(wěn)定系統(tǒng)，裂隙續(xù)減少，則整個固體系統(tǒng)變成不穩(wěn)定系統(tǒng)，裂隙將繼續(xù)擴(kuò)展。將繼續(xù)擴(kuò)展。裂隙擴(kuò)展釋放的彈性能：裂隙擴(kuò)展釋放的彈性能：開裂面增加的表面能：開裂面增加的表面能：裂隙能量損失：裂隙能量損失：Griffith Griffith 準(zhǔn)則表達(dá)式：準(zhǔn)則表達(dá)式：EcWe/22crWs4（r r為裂紋表面單位面積的表面能）為裂紋表面單位面積的表面能）crEcWWWse4/22)/(2, 0/cErcW2.2 2.2 巖石破

17、壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則17:0331t )(8)(31231:0331t 32.2.雙軸應(yīng)力作用下的雙軸應(yīng)力作用下的GriffithGriffith準(zhǔn)則準(zhǔn)則裂紋擴(kuò)展方向最終與最大主應(yīng)力一致。裂紋擴(kuò)展方向最終與最大主應(yīng)力一致。由平面格里菲斯準(zhǔn)則可以得出：由平面格里菲斯準(zhǔn)則可以得出：tc82.2 2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則183.3.對對GriffithGriffith準(zhǔn)則的評價準(zhǔn)則的評價（1 1）優(yōu)點(diǎn)：）優(yōu)點(diǎn)： 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的8 8倍，符合巖石強(qiáng)度特點(diǎn)；倍，符合巖石強(qiáng)度特點(diǎn)； 證明了巖

18、石在任何應(yīng)力狀態(tài)下都是由于拉伸引起破壞；證明了巖石在任何應(yīng)力狀態(tài)下都是由于拉伸引起破壞； 指出裂紋延展方向最終與最大主應(yīng)力方向一致。指出裂紋延展方向最終與最大主應(yīng)力方向一致。（2 2）缺點(diǎn)：）缺點(diǎn)： 僅適用于脆性巖石的破壞，而庫倫僅適用于脆性巖石的破壞，而庫倫- -莫爾準(zhǔn)則對一般巖石都適用莫爾準(zhǔn)則對一般巖石都適用. . Griffith Griffith 準(zhǔn)則是巖石微裂紋擴(kuò)展的條件，并非宏觀破壞。準(zhǔn)則是巖石微裂紋擴(kuò)展的條件，并非宏觀破壞。2.2 2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則193. 格里菲斯準(zhǔn)則的默雷爾（格里菲斯準(zhǔn)則的默雷爾（Murrell）推廣：）推廣：t

19、24)()()(3212132322212.1 2.1 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則MurrellMurrell將將GriffithGriffith準(zhǔn)則從二維推廣到三維：準(zhǔn)則從二維推廣到三維：由由MurrellMurrell準(zhǔn)則可以得出：準(zhǔn)則可以得出：巖石單軸抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的巖石單軸抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的1212倍。倍。四、格里菲斯準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則20第二講第二講 巖石破碎基本原理巖石破碎基本原理2.1 四種常用的強(qiáng)度理論四種常用的強(qiáng)度理論2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則2.3 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布2.4 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理2.5 破巖工具的磨損機(jī)理

20、破巖工具的磨損機(jī)理212.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布一、破巖工具與巖石作用的主要方式一、破巖工具與巖石作用的主要方式1.1.工具對巖石的基本作用力工具對巖石的基本作用力PTP 利用工具破碎巖石時，不論工具以何種作用方式（沖擊、壓入、切削）利用工具破碎巖石時，不論工具以何種作用方式（沖擊、壓入、切削）破碎井底巖石，齒前巖石都要受到一個壓力（垂直的、水平的）的作用。破碎井底巖石，齒前巖石都要受到一個壓力（垂直的、水平的）的作用。因此，壓力是巖石受到的基本作用力。因此，壓力是巖石受到的基本作用力。T222.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布

21、一、工具對巖石的基本作用一、工具對巖石的基本作用2.2.工具壓碎巖石的基本現(xiàn)象工具壓碎巖石的基本現(xiàn)象P T （1 1）不論什么樣的工具、載荷、材料，當(dāng)）不論什么樣的工具、載荷、材料，當(dāng)工具侵入巖石時，首先在工具的前方產(chǎn)生一個工具侵入巖石時，首先在工具的前方產(chǎn)生一個密實(shí)核，它是材料在巨大壓力作用下發(fā)生局部密實(shí)核，它是材料在巨大壓力作用下發(fā)生局部粉碎或塑性變形而形成的。粉碎或塑性變形而形成的。 （2 2）侵深不隨載荷的增大而均衡地增加。）侵深不隨載荷的增大而均衡地增加。在載荷增加之初，侵深按一定比例增加。當(dāng)達(dá)在載荷增加之初，侵深按一定比例增加。當(dāng)達(dá)到某一臨界值時，便發(fā)生突然的躍進(jìn)現(xiàn)象，密到某一臨界

22、值時，便發(fā)生突然的躍進(jìn)現(xiàn)象，密實(shí)核周圍的巖石出現(xiàn)崩碎，形成破碎坑。實(shí)核周圍的巖石出現(xiàn)崩碎，形成破碎坑。 （2 2）破碎坑呈漏斗狀。不論壓頭形式、侵入方法及巖石種類如何，）破碎坑呈漏斗狀。不論壓頭形式、侵入方法及巖石種類如何，漏斗頂角漏斗頂角 的變化不大，一般在的變化不大，一般在60607575度之間。巖石越硬，度之間。巖石越硬， 越大。越大。 232.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布二、布希涅斯克二、布希涅斯克（BoussinesqBoussinesq）問題問題 1885 1885年，法國人年，法國人BoussinesqBoussinesq給出了彈性半空間體在邊界上

23、受給出了彈性半空間體在邊界上受法向集中力作用的彈性力學(xué)問題的解，稱之為布希涅斯克問題。法向集中力作用的彈性力學(xué)問題的解，稱之為布希涅斯克問題。RrzrrzzrzrP023)(2)21(3)()21(22352232253zrrzzrrzRrPzzRRRzRPRzrzRRRPRPz；“+”表示壓應(yīng)力；“”表示拉應(yīng)力。222rzR式中：242.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布RrzrrzzrzrPcos,sinRzRr由于由于布希涅斯克問題的解可變化為：布希涅斯克問題的解可變化為：sincos322sec23cos212sincos32sec2212cos3222222

24、2222RPRPRPRPrzzrrz 二、布希涅斯克二、布希涅斯克（BoussinesqBoussinesq）問題問題252.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布二、布希涅斯克二、布希涅斯克（BoussinesqBoussinesq）問題問題當(dāng)當(dāng)r=0r=0，z0z0時，時，z z軸上各點(diǎn)的應(yīng)力分量為：軸上各點(diǎn)的應(yīng)力分量為：0)(4)21 ()()(23)(020020rzrrrrrzzPzP取主應(yīng)力取主應(yīng)力321,rz兩向拉伸，一向壓縮，且壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于拉應(yīng)力。兩向拉伸，一向壓縮，且壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于拉應(yīng)力。根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，最大剪應(yīng)力發(fā)生在與根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，最大剪應(yīng)力

25、發(fā)生在與z z軸成軸成4545的平面上：的平面上：231zzz427P20)()(max262.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布二、布希涅斯克二、布希涅斯克（BoussinesqBoussinesq）問題問題當(dāng)當(dāng)z=0z=0，r0r0時，表面上各點(diǎn)的應(yīng)力分量為：時，表面上各點(diǎn)的應(yīng)力分量為：0)(2)21 ()()(0)(02000zzrzzrzzrP 表面上各點(diǎn)處于純剪切狀態(tài)，存在拉應(yīng)力。表面上各點(diǎn)處于純剪切狀態(tài)，存在拉應(yīng)力。（兩個主應(yīng)力（兩個主應(yīng)力的絕對值相等，都等于剪應(yīng)力，但一為拉應(yīng)力，一為壓應(yīng)力）的絕對值相等，都等于剪應(yīng)力，但一為拉應(yīng)力，一為壓應(yīng)力）272.2

26、 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布二、布希涅斯克二、布希涅斯克（BoussinesqBoussinesq）問題問題作用在水平截面上的全應(yīng)力為：作用在水平截面上的全應(yīng)力為：22223dPSrzz等應(yīng)力球等應(yīng)力球R 在力在力P P作用點(diǎn)與表平面相切的作用點(diǎn)與表平面相切的圓球面上各點(diǎn)，其水平截面上有圓球面上各點(diǎn)，其水平截面上有大小相等，方向通過力大小相等，方向通過力P P作用點(diǎn)作用點(diǎn)的全應(yīng)力。的全應(yīng)力。tanzrzrz282.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布n 如果在半無限彈性體邊界面上作用有多個集中力，可利用布西尼如果在半無限彈性體邊界面上作用有

27、多個集中力，可利用布西尼斯克解，運(yùn)用疊加原理可求得半無限彈性體內(nèi)的應(yīng)力。斯克解，運(yùn)用疊加原理可求得半無限彈性體內(nèi)的應(yīng)力。 n 如果在半無限平面上作用有分布載荷，則可利用布西尼斯克解用如果在半無限平面上作用有分布載荷，則可利用布西尼斯克解用疊加原理，積分求得半無限彈性體內(nèi)的應(yīng)力分量。疊加原理，積分求得半無限彈性體內(nèi)的應(yīng)力分量。三、半無限彈性體邊界面上受法向分布力作用的解三、半無限彈性體邊界面上受法向分布力作用的解29微單元面積：drrd微單元面積上的力：drrdrp)( 用 代替布希尼斯克解中的載荷P，然后對 和 進(jìn)行積分。drrdrp)(r2.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石

28、的應(yīng)力分布對稱軸上（對稱軸上（0,0,z）處應(yīng)力）處應(yīng)力z :rdrrpRzdrdrpRzaaz)(3)(2305302053 設(shè)巖石平面上作用有面分布載荷設(shè)巖石平面上作用有面分布載荷 p(r)。利用。利用布希尼斯克解，再借助積分，可求出布希尼斯克解，再借助積分，可求出 對稱軸上（對稱軸上（0，0，z）的應(yīng)力。）的應(yīng)力。 r三、半無限彈性體邊界面上受分布力作用的解三、半無限彈性體邊界面上受分布力作用的解30（0，0，z） 處的應(yīng)力處的應(yīng)力r， ：zRRRzrRdrrdrpdRzzRRRdrrdrpdRzzRRRdrrdrpdzRRRzrRdrrdrpdrr)21 (3)()()21 ()()2

29、1 ()21 (3)(322 22322（由（由1，2微面積）微面積）（由（由3，4微面積）微面積）2.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布三、半無限彈性體邊界面上受分布力作用的解三、半無限彈性體邊界面上受分布力作用的解31積分，積分，r：0a；：0 /2，則：則：arrdrrpRzRzrR0322)()21 (321dRzRzrRdrrdrpdddrrr)21 (3)(3222.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布三、半無限彈性體邊界面上受分布力作用的解三、半無限彈性體邊界面上受分布力作用的解作業(yè)：設(shè)作業(yè)：設(shè)p(r)常數(shù)，求對稱軸上的最大剪應(yīng)力

30、和最大的最大剪應(yīng)常數(shù)，求對稱軸上的最大剪應(yīng)力和最大的最大剪應(yīng) 力數(shù)值及位置。力數(shù)值及位置。32 圓柱平底壓頭壓入巖石時，在壓縮力圓柱平底壓頭壓入巖石時，在壓縮力P 的作用下，巖石內(nèi)產(chǎn)生彈性的作用下，巖石內(nèi)產(chǎn)生彈性變形，壓頭將沿圓面與巖石接觸。初期，接觸面上的壓力分布是不均勻變形，壓頭將沿圓面與巖石接觸。初期，接觸面上的壓力分布是不均勻的，邊緣處的應(yīng)力集中使巖石產(chǎn)生局部破碎或塑性變形。而在以后的繼的，邊緣處的應(yīng)力集中使巖石產(chǎn)生局部破碎或塑性變形。而在以后的繼續(xù)壓入時，壓力便趨于均勻分布。續(xù)壓入時，壓力便趨于均勻分布。22raa2P) r (p四、圓柱平底壓頭作用下巖石的應(yīng)力分布四、圓柱平底壓頭作

31、用下巖石的應(yīng)力分布2.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布常數(shù)2)(aPprp332/1222/3223r2/3223z)za (z )1 (2)za (z)21 (2p)za (z1pzzz 利用布希尼斯克的解，用微分疊加并積分可求得對稱軸利用布希尼斯克的解，用微分疊加并積分可求得對稱軸z上的各應(yīng)上的各應(yīng)力分量：力分量：32222rzmax23)1 (22122)()(zazzazpz2.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布四、圓柱平底壓頭作用下巖石的應(yīng)力分布四、圓柱平底壓頭作用下巖石的應(yīng)力分布342.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作

32、用下巖石的應(yīng)力分布四、圓柱平底壓頭作用下巖石的應(yīng)力分布四、圓柱平底壓頭作用下巖石的應(yīng)力分布 各應(yīng)力分量各應(yīng)力分量隨隨z z軸的變化情況軸的變化情況: :隨隨z z的的增加，增加，z z減小的慢，減小的慢，r r= =減小的快；減小的快；剪應(yīng)力剪應(yīng)力隨隨z z的變化開始由小到大，到一的變化開始由小到大，到一個臨界深度個臨界深度 z z0 0 處處 達(dá)最大值。達(dá)最大值。在載荷中心在載荷中心 z=0 處：處：4)21 (p2)21 (pp0max00r0z3527)1 ( 2az0)1 (2)1 (922212p0zmax2.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布四、圓柱平底壓

33、頭作用下巖石的應(yīng)力分布四、圓柱平底壓頭作用下巖石的應(yīng)力分布對最大剪應(yīng)力求極值，可得：對最大剪應(yīng)力求極值，可得： 設(shè)設(shè)=0.250.25，則，則z z0 0= =0.62a 0.62a ，maxmax=0.345=0.345p p。362.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布四、圓柱平底壓頭作用下巖石的應(yīng)力分布四、圓柱平底壓頭作用下巖石的應(yīng)力分布壓頭下相對剪應(yīng)力（max/p）的等值線分布圖 平底壓頭壓入時，形成平底壓頭壓入時，形成兩個應(yīng)力極值帶：第一帶兩個應(yīng)力極值帶：第一帶為壓頭邊緣（為壓頭邊緣（z=0,r=a);z=0,r=a);第第二帶為最大剪應(yīng)力區(qū)（二帶為最大剪應(yīng)力

34、區(qū)（z=zz=z0 0,r=0),r=0)。這兩個極值點(diǎn)。這兩個極值點(diǎn)是巖石破碎的發(fā)源處。是巖石破碎的發(fā)源處。37l 彈性接觸半徑彈性接觸半徑32221211143RPEEa五、球形壓頭作用下的應(yīng)力分布五、球形壓頭作用下的應(yīng)力分布2.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布rl 接觸圓內(nèi)的壓力分布接觸圓內(nèi)的壓力分布R22323)(raaPrpPP0p2023aPpr1. 赫茲接觸理論（H.Hertz，1881）0arp382.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布五、球形壓頭作用下的應(yīng)力分布五、球形壓頭作用下的應(yīng)力分布2. 對稱軸z上的應(yīng)力分布利用布希

35、涅斯克的解，用微分應(yīng)力疊加并積分可得：利用布希涅斯克的解，用微分應(yīng)力疊加并積分可得：)arctan1 (21)( 43)( 2)arctan1)(1 (222022202220zaazzaapzaazaazpzaaprz392.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布 沿對稱軸上的應(yīng)力分量均為壓應(yīng)沿對稱軸上的應(yīng)力分量均為壓應(yīng) 力力 ，且，且 最大剪應(yīng)力發(fā)生在：最大剪應(yīng)力發(fā)生在： 在壓力面邊緣處（在壓力面邊緣處（r=ar=a，z=0z=0）的）的 應(yīng)力為：應(yīng)力為： az5 . 00 03210zrp rz）（設(shè)設(shè)25. 04 . 00max p 球體壓入時，在巖體中存在兩處危

36、球體壓入時，在巖體中存在兩處危險的應(yīng)力點(diǎn)：在對稱軸上險的應(yīng)力點(diǎn)：在對稱軸上 處處剪應(yīng)力最大；在壓力面邊緣處存在拉伸剪應(yīng)力最大；在壓力面邊緣處存在拉伸應(yīng)力（純剪切兩向應(yīng)力狀態(tài)）。應(yīng)力（純剪切兩向應(yīng)力狀態(tài)）。az5 . 00 五、球形壓頭作用下的應(yīng)力分布五、球形壓頭作用下的應(yīng)力分布402.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布六、圓柱體側(cè)面壓入的應(yīng)力分布六、圓柱體側(cè)面壓入的應(yīng)力分布2a 剛壓入時，接觸面是一條直線；繼續(xù)加載剛壓入時，接觸面是一條直線；繼續(xù)加載后，由于接觸體彈性應(yīng)變的結(jié)果，接觸區(qū)呈長后，由于接觸體彈性應(yīng)變的結(jié)果，接觸區(qū)呈長方形（寬度為方形（寬度為2a2a）。根據(jù)

37、赫茲理論，有：。根據(jù)赫茲理論，有：EPRa)1(222 在條形區(qū)寬度方向上，壓力分布同球體在條形區(qū)寬度方向上，壓力分布同球體壓入相似，按半圓形分布：壓入相似，按半圓形分布：2201)(axpxp 壓力面中心線上的壓力最大：壓力面中心線上的壓力最大：REPp)1(220 1. 接觸面上壓力分布接觸面上壓力分布412. 接觸面上的應(yīng)力接觸面上的應(yīng)力六、圓柱體側(cè)面壓入的應(yīng)力分布六、圓柱體側(cè)面壓入的應(yīng)力分布2.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布220zy220 xax1pax1p2/ 當(dāng)當(dāng)x=ax=a，壓力邊緣上的正應(yīng)力都為零；壓力邊緣上的正應(yīng)力都為零； 當(dāng)當(dāng)x=0 x=0，

38、壓力條形區(qū)中心線上的正應(yīng)力達(dá)到極大。壓力條形區(qū)中心線上的正應(yīng)力達(dá)到極大。 因此，壓力面邊緣上剪應(yīng)力等于零，而壓力中心線上的剪應(yīng)力最大，為：因此，壓力面邊緣上剪應(yīng)力等于零，而壓力中心線上的剪應(yīng)力最大，為：221p20 xy0)(當(dāng)當(dāng) ， 250.00p250.423. 沿沿Z軸的應(yīng)力分布軸的應(yīng)力分布六、圓柱體側(cè)面壓入的應(yīng)力分布六、圓柱體側(cè)面壓入的應(yīng)力分布2.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布最大剪應(yīng)力在深度最大剪應(yīng)力在深度z=0.75az=0.75a處，處，最大剪應(yīng)力為：最大剪應(yīng)力為：0zp40.max43七、半無限彈性體邊界面上受切向集中力的應(yīng)力解七、半無限彈性體邊界

39、面上受切向集中力的應(yīng)力解2.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布 設(shè)切向集中力設(shè)切向集中力Q QX X沿沿x x軸方向作軸方向作用在原點(diǎn)處趨于零的小面積上。用在原點(diǎn)處趨于零的小面積上。彈性半無限空間內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)力彈性半無限空間內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)力分布為：分布為：)()()()(3232332353xxzRRx2zRRxzRRx3Rx21Rx3Q2)()()()(3222332352yxzRRxy2zRRxyzRRxRx21Rxy3Q252ZxRxz3Q244七、半無限彈性體邊界面上受切向集中力的應(yīng)力解七、半無限彈性體邊界面上受切向集中力的應(yīng)力解2.2 2.2 工具作用下巖石的

40、應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布52zxx5yzx322232252xyxRzx3Q2Rxyz3Q2zRRyx3zRRyxzRRy21Ryx3Q2)()()()(l 表面上的應(yīng)力，可通過代入表面上的應(yīng)力，可通過代入z=0z=0，R=0R=0得到；得到；l 通過疊加的方法，可以任意已知切向應(yīng)力分布的在彈性體內(nèi)產(chǎn)生通過疊加的方法，可以任意已知切向應(yīng)力分布的在彈性體內(nèi)產(chǎn)生 的應(yīng)力分量。的應(yīng)力分量。45八、法向力和切向力聯(lián)合作用下的應(yīng)力分布八、法向力和切向力聯(lián)合作用下的應(yīng)力分布2.2 2.2 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布1. 1. 在法向力和切向力的共在法向力和切向力的共同作用下，

41、壓頭下的應(yīng)力同作用下，壓頭下的應(yīng)力將是兩種單獨(dú)載荷作用下將是兩種單獨(dú)載荷作用下應(yīng)力的疊加。應(yīng)力的疊加。2. 2. 在法向力和切向力共同在法向力和切向力共同 作用下，產(chǎn)生了不均勻作用下，產(chǎn)生了不均勻 的應(yīng)力狀態(tài)。各向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)。各向壓縮 區(qū)區(qū)隨著切向載荷的增隨著切向載荷的增 大而減小，出現(xiàn)拉伸區(qū)大而減小，出現(xiàn)拉伸區(qū) 和過渡區(qū)和過渡區(qū)。在過渡。在過渡 區(qū)內(nèi)既有壓應(yīng)力作用，區(qū)內(nèi)既有壓應(yīng)力作用， 又有拉應(yīng)力作用。又有拉應(yīng)力作用。3. 3. 法向力和切向力之間存在最優(yōu)的法向力和切向力之間存在最優(yōu)的比值。也就是說，切削齒斜向破碎比值。也就是說，切削齒斜向破碎巖石時，對每一種巖石都一個最優(yōu)巖石時，對每一

42、種巖石都一個最優(yōu)的施力角，此時鉆進(jìn)效果最好。的施力角，此時鉆進(jìn)效果最好。46第二講第二講 巖石破碎基本原理巖石破碎基本原理2.1 四種常用的強(qiáng)度理論四種常用的強(qiáng)度理論2.2 巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(zhǔn)則2.3 工具作用下巖石的應(yīng)力分布工具作用下巖石的應(yīng)力分布2.4 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理2.5 破巖工具的磨損機(jī)理破巖工具的磨損機(jī)理472.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井破巖方式鉆井破巖方式?jīng)_擊壓入破巖：柱齒鉆頭、牙輪鉆頭沖擊壓入破巖：柱齒鉆頭、牙輪鉆頭切削破巖：刮刀鉆頭、切削破巖：刮刀鉆頭、PDC鉆頭鉆頭研磨破巖：金剛石鉆頭研磨破巖：金剛石鉆頭48一、沖擊壓入破巖一、沖擊

43、壓入破巖 沖擊壓碎破巖是經(jīng)由鉆頭齒直接給巖石施加一個集中的沖擊力和沖擊壓碎破巖是經(jīng)由鉆頭齒直接給巖石施加一個集中的沖擊力和靜壓力，或利用沖擊機(jī)構(gòu)間接給鉆頭牙齒施加一個沖擊載荷，使鉆頭靜壓力，或利用沖擊機(jī)構(gòu)間接給鉆頭牙齒施加一個沖擊載荷，使鉆頭齒垂直巖石面侵入巖石，形成破碎坑。井底由一個一個的破碎坑連接齒垂直巖石面侵入巖石，形成破碎坑。井底由一個一個的破碎坑連接而成。鉆頭齒的形狀主要有半球形、錐球形和楔形等。而成。鉆頭齒的形狀主要有半球形、錐球形和楔形等。2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理492.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖1. 密實(shí)

44、核密實(shí)核-劈拉理論劈拉理論（a a）變形階段；）變形階段；（b b）裂紋源產(chǎn)生階段；）裂紋源產(chǎn)生階段；（c c）密實(shí)核形成階段；）密實(shí)核形成階段；（d d）密實(shí)核儲能階段；）密實(shí)核儲能階段；（e e）徑向裂紋產(chǎn)生和）徑向裂紋產(chǎn)生和 粉劈階段；粉劈階段；（f f）卸載階段。）卸載階段。502.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理（a a）變形階段：開始加載，產(chǎn)生接觸變形，載荷做功以變形能形式儲）變形階段：開始加載，產(chǎn)生接觸變形，載荷做功以變形能形式儲存在巖石內(nèi)。存在巖石內(nèi)。（b b）裂紋源產(chǎn)生階段：在接觸面下方約）裂紋源產(chǎn)生階段：在接觸面下方約0.47a0.47a處產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，形成處

45、產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，形成剪切裂紋源剪切裂紋源1 1；在接觸面邊緣產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，形成赫茲裂紋；在接觸面邊緣產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，形成赫茲裂紋2 2。（c c）密實(shí)核形成階段：裂紋源擴(kuò)展和交匯，形成脫離巖體的球形巖粉）密實(shí)核形成階段：裂紋源擴(kuò)展和交匯，形成脫離巖體的球形巖粉體體( (密實(shí)核密實(shí)核)3)3（d d）密實(shí)核儲能階段：隨著載荷增加，球形密實(shí)核被壓扁成橢球形，）密實(shí)核儲能階段：隨著載荷增加，球形密實(shí)核被壓扁成橢球形，不產(chǎn)生新表面，載荷增大部分所做的功轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐?shí)核的變形能，不產(chǎn)生新表面，載荷增大部分所做的功轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐?shí)核的變形能，有傳遞高壓的作用。有傳遞高壓的作用。（e e）徑向裂紋產(chǎn)生和粉劈階段：增

46、加的載荷通過密實(shí)核傳遞給圍巖，）徑向裂紋產(chǎn)生和粉劈階段：增加的載荷通過密實(shí)核傳遞給圍巖，在切向方向上產(chǎn)生拉應(yīng)力，超過抗拉強(qiáng)度時，在包圍密實(shí)核的巖在切向方向上產(chǎn)生拉應(yīng)力，超過抗拉強(qiáng)度時，在包圍密實(shí)核的巖壁上產(chǎn)生徑向裂紋。隨后，巖粉楔入徑向裂紋，造成裂紋尖端段壁上產(chǎn)生徑向裂紋。隨后，巖粉楔入徑向裂紋，造成裂紋尖端段應(yīng)力集中，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，迅速發(fā)展到自由面。應(yīng)力集中，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，迅速發(fā)展到自由面。一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖1. 密實(shí)核密實(shí)核-劈拉理論劈拉理論51（f f）卸載階段：儲存在巖石內(nèi)）卸載階段：儲存在巖石內(nèi) 的變性能和密實(shí)核內(nèi)的變性能的變性能和密實(shí)核內(nèi)的變性能, ,在粉楔在粉楔劈開

47、巖石瞬間突然釋放。由于突然卸載（壓力），巖石內(nèi)壓應(yīng)變改劈開巖石瞬間突然釋放。由于突然卸載（壓力），巖石內(nèi)壓應(yīng)變改為拉應(yīng)變，靠近密實(shí)核部分產(chǎn)生環(huán)狀（與球形密實(shí)核表面平行的）為拉應(yīng)變，靠近密實(shí)核部分產(chǎn)生環(huán)狀（與球形密實(shí)核表面平行的）裂紋。變性能的一部分轉(zhuǎn)成表面能，大部分變成破碎體的動能，把裂紋。變性能的一部分轉(zhuǎn)成表面能，大部分變成破碎體的動能，把破碎體拋出，形成體積破碎坑。破碎坑一般呈漏斗形，破碎角破碎體拋出，形成體積破碎坑。破碎坑一般呈漏斗形，破碎角1201201501502.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖1. 密實(shí)核密實(shí)核-劈拉理論劈拉理論 余靜的

48、破巖機(jī)理模型是按最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則判斷裂紋余靜的破巖機(jī)理模型是按最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則判斷裂紋的發(fā)生，又按劈裂概念判斷主裂紋的傳播。認(rèn)為細(xì)粒巖粉是剪切錯的發(fā)生，又按劈裂概念判斷主裂紋的傳播。認(rèn)為細(xì)粒巖粉是剪切錯斷造成的，大顆粒巖塊是拉斷的。還解釋了加載和卸載在巖石破碎斷造成的，大顆粒巖塊是拉斷的。還解釋了加載和卸載在巖石破碎中的作用。中的作用。522.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖2. 剪切破碎理論剪切破碎理論 球形壓頭壓碎巖石的過程可分為彈性變形、壓皺壓裂和體積破碎球形壓頭壓碎巖石的過程可分為彈性變形、壓皺壓裂和體積破碎三個階段：三個

49、階段： 彈性變形階段彈性變形階段 載荷較小時（載荷較小時（p0.4y），巖石發(fā)生彈性變形。），巖石發(fā)生彈性變形。這時，在壓力變緣（這時，在壓力變緣（a, b點(diǎn)）產(chǎn)生兩組裂隙。載荷點(diǎn)）產(chǎn)生兩組裂隙。載荷消失時，裂隙也消失。消失時，裂隙也消失。 l 奧斯特洛烏什柯奧斯特洛烏什柯532.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖2. 剪切破碎理論剪切破碎理論 壓皺壓裂階段壓皺壓裂階段 載荷繼續(xù)增大（載荷繼續(xù)增大（ p=0.4y0.6y ），）， a、b兩組裂隙向深部發(fā)展，匯交于兩組裂隙向深部發(fā)展，匯交于o點(diǎn)，形點(diǎn)，形 成主壓力體（角錐體成主壓力體（角錐體aob）;自

50、自a, b處又產(chǎn)生處又產(chǎn)生 aC、bD裂隙。裂隙。 對軟的塑性巖石，錐頂角約對軟的塑性巖石，錐頂角約75左右；左右； 對硬的脆性巖石，錐頂角約對硬的脆性巖石，錐頂角約60 左右。左右。 l 奧斯特洛烏什柯奧斯特洛烏什柯54 體積破碎階段體積破碎階段 載荷繼續(xù)增加（載荷繼續(xù)增加（py），）， 壓頭與巖壓頭與巖石接觸面上產(chǎn)生壓碎變形；石接觸面上產(chǎn)生壓碎變形； ao、bo組組裂隙自裂隙自o點(diǎn)，點(diǎn)，aC、bD組裂隙自組裂隙自C、D點(diǎn)點(diǎn)，均向自由面擴(kuò)展，使裂隙貫通，所形，均向自由面擴(kuò)展，使裂隙貫通，所形成的剪切體成的剪切體Aoa、Bob開始甭離，形成開始甭離，形成AoB破碎坑。破碎坑。剪切過程處處遵守庫

51、侖剪切過程處處遵守庫侖- -摩爾摩爾準(zhǔn)則。準(zhǔn)則。 破碎坑錐頂角一般為破碎坑錐頂角一般為 2 。 奧氏是以剪切強(qiáng)度理論作為判斷塊體發(fā)生的準(zhǔn)則，認(rèn)為大顆粒巖奧氏是以剪切強(qiáng)度理論作為判斷塊體發(fā)生的準(zhǔn)則，認(rèn)為大顆粒巖塊是剪斷的。塊是剪斷的。2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖2. 剪切破碎理論剪切破碎理論l 奧斯特洛烏什柯奧斯特洛烏什柯55 早期的接觸破壞早期的接觸破壞 壓碎刃下巖石，形成壓實(shí)體壓碎刃下巖石，形成壓實(shí)體 產(chǎn)生張開裂紋，并隨載荷增加向下延伸產(chǎn)生張開裂紋，并隨載荷增加向下延伸 產(chǎn)生剪切裂紋，并沿一定的軌跡向自由面產(chǎn)生剪切裂紋，并沿一定的軌跡向自由

52、面 擴(kuò)展，剪切過程處處遵守庫侖擴(kuò)展，剪切過程處處遵守庫侖- -摩爾準(zhǔn)則摩爾準(zhǔn)則 產(chǎn)生大體大體積崩裂，形成破碎坑產(chǎn)生大體大體積崩裂，形成破碎坑 重復(fù)上述破碎過程。重復(fù)上述破碎過程。l 夕卡斯基夕卡斯基2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖2. 剪切破碎理論剪切破碎理論563. 影響沖擊壓入破巖效率的因素影響沖擊壓入破巖效率的因素2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖）表面破碎區(qū)表面破碎區(qū)：工具與巖石的接觸壓力遠(yuǎn)：工具與巖石的接觸壓力遠(yuǎn) 小于巖石硬度，工具不能壓入巖石小于巖石硬度，工具不能壓入巖石, ,此此 時巖石

53、的破碎是接觸摩擦功引起的時巖石的破碎是接觸摩擦功引起的, ,破破 巖效率低。巖效率低。）疲勞破碎區(qū)疲勞破碎區(qū)：接觸壓力增大，雖小于巖：接觸壓力增大，雖小于巖 石硬度，但可使巖石晶間聯(lián)系破壞，多石硬度，但可使巖石晶間聯(lián)系破壞，多 次加載，疲勞裂隙發(fā)展并交錯，產(chǎn)生粗次加載，疲勞裂隙發(fā)展并交錯，產(chǎn)生粗 粒分離。粒分離。）體積破碎區(qū)體積破碎區(qū)：但接觸壓力大于巖石硬度，工具有效侵入巖石，：但接觸壓力大于巖石硬度，工具有效侵入巖石， 形成破碎坑，產(chǎn)生體積破碎，分離出大塊巖屑。形成破碎坑，產(chǎn)生體積破碎，分離出大塊巖屑。（1 1）載荷大小的影響）載荷大小的影響 573. 影響沖擊壓入破巖效率的因素影響沖擊壓入

54、破巖效率的因素（1 1）載荷大小的影響）載荷大小的影響 2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖583. 影響沖擊壓入破巖效率的因素影響沖擊壓入破巖效率的因素（2 2）工具形狀和尺寸的影響）工具形狀和尺寸的影響 2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖 同一種壓頭，壓入載荷與壓頭同一種壓頭，壓入載荷與壓頭- -巖石間的接觸面積成正比；巖石間的接觸面積成正比； 接觸面積相同，不同形狀壓頭侵入巖石所需之載荷不同，差別很大；接觸面積相同，不同形狀壓頭侵入巖石所需之載荷不同，差別很大；巴隆試驗(yàn)結(jié)果巴隆試驗(yàn)結(jié)果593. 影響

55、沖擊壓入破巖效率的因素影響沖擊壓入破巖效率的因素（3 3）自由面的影響）自由面的影響 2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖 伯呂克試驗(yàn)結(jié)果伯呂克試驗(yàn)結(jié)果l 在壓頭附近存在自由面，在壓頭附近存在自由面， 有利于侵入；壓頭侵入巖石有利于侵入；壓頭侵入巖石 所需載荷隨壓頭離開自由面所需載荷隨壓頭離開自由面 的距離增大而增大。的距離增大而增大。60（3 3）自由面的影響）自由面的影響 巴隆在大理巖、砂巖、花崗巖上試驗(yàn)的結(jié)果巴隆在大理巖、砂巖、花崗巖上試驗(yàn)的結(jié)果l 相鄰壓頭同時吃入，相互創(chuàng)相鄰壓頭同時吃入，相互創(chuàng) 造了自由面，有利于破碎。造了自由面，有利于破碎

56、。 巴隆等人研究表明，相對間巴隆等人研究表明，相對間 距距t/dt/d在在1 12 2之間，侵入載荷之間，侵入載荷 降低降低40%40%左右；左右；t/dt/d超過超過4 4，和，和 單獨(dú)侵入沒有區(qū)別；單獨(dú)侵入沒有區(qū)別； t/dt/d小小 于于1 1，壓痕重疊，侵入載荷增，壓痕重疊，侵入載荷增 大；當(dāng)大；當(dāng)t/dt/d等于等于0 0，侵入載荷，侵入載荷 可提高可提高50%50%。3. 影響沖擊壓入破巖效率的因素影響沖擊壓入破巖效率的因素2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖61l 相鄰兩壓頭的合理距離，取決于形成相鄰兩壓頭的合理距離，取決于形成的最大破

57、碎坑的尺寸。當(dāng)外載中心距大的最大破碎坑的尺寸。當(dāng)外載中心距大于或等于于或等于（D1+D2）/2，則，則O1CO2部分有部分有可能不被破碎或不能被推出，從而形成可能不被破碎或不能被推出，從而形成兩個切削刃間的巖脊。當(dāng)外載中心距過兩個切削刃間的巖脊。當(dāng)外載中心距過小，則兩個壓實(shí)區(qū)過分靠近，等于擴(kuò)大小，則兩個壓實(shí)區(qū)過分靠近，等于擴(kuò)大的各項(xiàng)壓縮區(qū)，便使巖石在相鄰壓頭間的各項(xiàng)壓縮區(qū)，便使巖石在相鄰壓頭間的那部分巖石發(fā)生大剪切的困難增加。的那部分巖石發(fā)生大剪切的困難增加。適宜間距是在適宜間距是在（D1+D2）/3 （D1+D2）/2 之間。之間。 破碎坑的直徑：對脆性巖石，破碎坑的直徑：對脆性巖石，D:d

58、=58 ；對塑性巖石，；對塑性巖石， D:d=34 。（3 3）自由面的影響）自由面的影響 3. 影響沖擊壓入破巖效率的因素影響沖擊壓入破巖效率的因素2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖62 在載荷達(dá)到巖石的抗破碎強(qiáng)度的在載荷達(dá)到巖石的抗破碎強(qiáng)度的條件下，在一定沖擊頻率范圍內(nèi)，沖擊條件下，在一定沖擊頻率范圍內(nèi)，沖擊破巖速度與沖擊頻率成正比增加。當(dāng)沖破巖速度與沖擊頻率成正比增加。當(dāng)沖擊頻率增加到一定數(shù)值，破巖速度反而擊頻率增加到一定數(shù)值，破巖速度反而下降。對某種巖石，存在一個最佳的沖下降。對某種巖石，存在一個最佳的沖擊頻率。擊頻率。 在載荷達(dá)到巖石的疲

59、勞強(qiáng)度而小于在載荷達(dá)到巖石的疲勞強(qiáng)度而小于其抗破碎強(qiáng)度的條件下，增加沖擊頻率其抗破碎強(qiáng)度的條件下，增加沖擊頻率可提高破巖效率?？商岣咂茙r效率。（4 4）加載速度的影響）加載速度的影響 3. 影響沖擊壓入破巖效率的因素影響沖擊壓入破巖效率的因素2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖63（5 5）洗井介質(zhì)的影響）洗井介質(zhì)的影響 沖擊載荷作用下巖石的破碎屬于脆性斷裂。在大氣條件下或低洗井沖擊載荷作用下巖石的破碎屬于脆性斷裂。在大氣條件下或低洗井介質(zhì)壓力條件，巖石一般表現(xiàn)為脆性，在沖擊載荷作用下容易產(chǎn)生體積介質(zhì)壓力條件，巖石一般表現(xiàn)為脆性，在沖擊載荷作用下容易

60、產(chǎn)生體積破碎。在高洗井介質(zhì)壓力條件下，巖石的塑性增大，甚至可能出現(xiàn)脆性破碎。在高洗井介質(zhì)壓力條件下，巖石的塑性增大，甚至可能出現(xiàn)脆性向塑性的完全轉(zhuǎn)變，沖擊破巖效果差。向塑性的完全轉(zhuǎn)變，沖擊破巖效果差。3. 影響沖擊壓入破巖效率的因素影響沖擊壓入破巖效率的因素2.3 2.3 鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖一、沖擊壓入破巖64二、切削破巖二、切削破巖1. 切削破巖原理切削破巖原理 切削破巖是利用工具在軸向壓力和扭矩的作用下作連續(xù)旋轉(zhuǎn)或直切削破巖是利用工具在軸向壓力和扭矩的作用下作連續(xù)旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動，一層層將巖石剝離母體的一種機(jī)械破巖方法。線運(yùn)動，一層層將巖石剝離母體的一種機(jī)械破巖