巖石力學(xué)性質(zhì)

1、關(guān)于巖石的力學(xué)性質(zhì)第一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月一、巖石的變形特性 (一)巖石彈性、塑性概念 巖石的變形有兩種情況：一種是外力撤除后巖石的外形和尺寸完全恢復(fù)原狀，這種變形稱為彈性變形或可逆變形；另一種是外力撤除后巖石的外形和尺寸不能完全恢復(fù)而產(chǎn)生殘留變形，這種情況稱為塑性變形或不可逆變形。 衡量巖石彈性的指標(biāo)： 彈性模量 ： 波松比： 為橫向應(yīng)變，為縱向應(yīng)變。 第二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖(a)脆性巖石的變形曲線 脆性巖石破壞前沒有明顯的不可逆變形，當(dāng)外載一旦達(dá)到彈性極限，巖石立即破壞。 圖(b)塑脆性巖石的變

2、形曲線 OA是彈性變形段，A點之后即轉(zhuǎn)入塑性變形區(qū)。形變由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形時的載荷稱為屈服極限或流變極限。到達(dá)D點后，巖石即發(fā)生破碎。 圖(c)塑性巖石變形曲線 在較小的載荷作用下就開始塑性變形，其后形變隨變形時間的延長而增長，曲線傾角趨近于零。第四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 巖石從變形到破壞有三種形式： 破壞前不存在任何不可逆的變形，則這種破壞稱為脆性破壞； 破壞前發(fā)生大量的不可逆變形，且沒有明顯的彈性變形階段，則這種破壞形式稱為塑性破壞； 破壞前經(jīng)歷明顯的彈性變形和塑性變形階段，則巖石的這種破壞形式稱為塑脆性破壞。 三種破壞形式的巖石分別稱為脆性巖石，塑性巖石，塑脆性巖

3、石。 (二)巖石的應(yīng)變破壞形式第五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2.衡量巖石彈塑性的指標(biāo) 為衡量巖石的彈塑性，引入塑性系數(shù)的概念. 巖石的塑性系數(shù)(Kn)：巖石破碎前所消耗的總能量與彈性變形所消耗能量之比。第六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 按塑性系數(shù)的大小將巖石分為6級（見表）。 Kn1 稱為脆性巖石； 1Kn6 稱為塑脆性巖石 Kn6 稱為塑性巖石。第七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 (三)巖石的變形特性 彈性理論認(rèn)為理想材料的彈性應(yīng)變都是暫時的，并隨著應(yīng)力的解除而完全可以恢復(fù)。在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系服從虎克定律。 實驗得知，在任何應(yīng)力狀態(tài)下，礦物

4、都服從虎克定律，而巖石大都不遵守虎克定律。這是因為礦物可以認(rèn)為是均質(zhì)連續(xù)的，而巖石則不是，受力后常伴有空隙的壓實過程。 由表可以看出：巖石的彈性模量是變化的。實驗證明它與應(yīng)變種類和所加載荷的大小都有很大關(guān)系第八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月巖 石E 105公斤/厘米2巖 石E 105公斤/厘米2粘 土0.030.380.45花崗巖2.66.00.260.29致密泥巖-0.250.35玄武巖6100.25頁 巖1.22.50.100.20石英巖7.510-砂 巖3.37.80.300.35正長石6.80.25石英巖1.38.50.280.33閃綠巖7100.25大理巖3.99.2-輝

5、綠石7110.25白云巖2.116.5-巖 鹽-0.44 巖石的彈性模量和波桑比第九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月巖石彈性模量的變化特點: （a）載荷小時，彈性模量變化不大，只有當(dāng)載荷大時，這種差別才顯著； （b）拉伸時其彈性模量要隨載荷的增加而減少。相反，壓縮時彈性模量會隨載荷的增加而增加。這是由于在受壓縮的情況下，二相鄰晶粒的表面原子或表面離子間的距離逐漸縮小，使引力增加，相應(yīng)地也增加了彈性模量；而在拉伸的情況下卻與此相反。 （c）巖石的彈性模量不會超過組成它的礦物的彈性模量。這是因為彈性模量在很大程度上決定于相互作用的分子力，而巖石中顆粒接觸處的相互作用的力通常小于礦物顆粒間

6、的相互作用力。應(yīng)變應(yīng)力121-拉伸 2-壓縮第十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(四)影響巖石彈性、塑性和脆性的因素 影響巖石變形特性的因素主要有巖石的組成成分、受力條件、溫度和濕度等。 1巖石類型及其組成成分 一般巖漿巖和變質(zhì)巖的彈性模數(shù)大于沉積巖，而塑性系數(shù)則相反。 對于巖漿巖和變質(zhì)巖來說，如果組成巖石的礦物具有高的彈性模數(shù)，則巖石也有高的彈性模數(shù)，但是巖石的彈性模數(shù)不會超過造巖礦物的彈性模數(shù)。 對于沉積巖來說，彈性模數(shù)決定于巖石的碎屑和膠結(jié)物以及膠結(jié)狀況。在膠結(jié)物和膠結(jié)狀況相同的情況下，碎屑顆粒的彈性模數(shù)大，則巖石的彈性模數(shù)也大；在碎屑顆粒成分相同的情況下，膠結(jié)物為硅質(zhì)者，巖石

7、的彈性模數(shù)最大，膠結(jié)物為鈣質(zhì)者次之，膠結(jié)物為泥質(zhì)者最小。第十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造 造巖礦物顆粒的大小對彈性模數(shù)有較大的影響。細(xì)粒巖石的彈性模數(shù)大于粗粒巖石，如細(xì)砂巖的E=3.0 x104MPa，而粗砂巖的E=2.77x104MPa。 巖石越均質(zhì)致密，彈性模數(shù)越大，塑性系數(shù)越小;巖石結(jié)構(gòu)缺陷越多,裂隙越發(fā)育，彈性模數(shù)越小，塑性系數(shù)越大。 層理對巖石的彈性模數(shù)也有明顯影響。平行于層理方向的彈性模數(shù)E大于垂直于層理方向的彈性模數(shù)E 。如泥質(zhì)頁巖E E2，這是因為巖石顆粒定向排列，在垂直于層面方向加載時，在巖石的彈性限度內(nèi)形變較大，而沿平行于層理方向加載，形變較

8、小的緣故。第十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3應(yīng)力狀態(tài) 在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的變形性質(zhì)存在著很大的差別。在單向壓縮下巖石表現(xiàn)為脆性的巖石，如果在各向壓縮狀態(tài)下，當(dāng)三向壓縮應(yīng)力達(dá)到一定值時巖石會表觀出不同程度的塑性。也即在各向壓縮狀態(tài)下，隨著三向壓縮應(yīng)力的增加巖石有從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的趨勢。 深部孔底的巖石受上覆巖層壓力、孔內(nèi)液柱壓力和地層孔隙壓力的綜合作用，處于三向應(yīng)力狀態(tài)。 模擬孔底狀態(tài)的三軸試驗試驗表明，隨著圍巖壓力增大，巖石表現(xiàn)出從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍巖壓力越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性也越大。對于深井鉆井，研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(即從脆性變?yōu)樗苄缘膰鷰r壓力，又稱臨

9、界圍壓)有很大實際意義。因為脆性破壞和塑性破壞是兩種本質(zhì)不同的破壞，破碎這兩種狀態(tài)的巖石應(yīng)采用不同的破碎方式、破碎工具和破碎參數(shù)。第十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2-4第十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 4加載速度 巖石靜載的彈性模數(shù)E往往小于動載的彈性模數(shù)萬Ed。表列出幾種巖石的Ed和E的比值。 巖 石 名 稱 EdE 巖 石 名 稱 EdE 石英質(zhì)頁巖 1.33 粉砂巖 2.05 石灰?guī)r 1.71.86 黑云母片巖 1.40 絹云母片巖 2.56 陽起片巖 I.90 微風(fēng)化花崗巖 2.75 粗面巖 I.15 亞砂巖 2.90 假像千閃玄武巖 1.33 鈣質(zhì)頁巖

10、 2.56 角閃片巖 1.06 表2-5第十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月5.加載方式 同一種巖石受壓縮時，顆粒之間距離縮小，顆粒間相互作用力有所增大，故彈性模數(shù)表現(xiàn)提高，而受拉伸時，顆粒之間距離增大，顆粒間相互作用力減小，故彈性模數(shù)降低。壓縮時的彈性模數(shù)是拉伸時彈性模數(shù)的1.54倍。彎曲時的彈性模數(shù)是拉伸時彈性模數(shù)的1.11.3倍。 6溫度 隨著孔深增加，孔底溫度也增加，溫度對巖石的變形性質(zhì)有一定的影響。特別是在超深井和地?zé)峋袘?yīng)注意這一因素。 隨著溫度的升高碳酸巖類和硅酸巖類巖石的彈性極限都要降低，彈性模數(shù)變小，塑性系數(shù)增大,巖石表現(xiàn)從脆性向塑性轉(zhuǎn)化。7.濕度 濕度對巖石的變

11、形性質(zhì)也有明顯的影響。巖石被水或石油浸濕后，其彈性模數(shù)均顯著下降。如果把泥巖的濕度從3提高到14，則彈性模數(shù)從7.3x104MPa下降到3.2x104MPa第十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2-82-72-6第十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、巖石的強(qiáng)度特性（一）巖石強(qiáng)度的概念 巖石在載荷不斷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稱為極限載荷，單位面積上的極限載荷稱為巖石的強(qiáng)度。巖石強(qiáng)度的單位是Pa(帕)或MPa(兆帕)。 根據(jù)受力條件不同，巖石強(qiáng)度可分為：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。 根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)，巖石強(qiáng)度又可分為單向應(yīng)力狀態(tài)下

12、的強(qiáng)度、兩向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度和三向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度； 根據(jù)載荷速度，巖石強(qiáng)度又有靜載強(qiáng)度和動載強(qiáng)度的區(qū)別。 在簡單應(yīng)力狀態(tài)下，通常采用單向拉伸、壓縮、剪切等試驗確定巖石的強(qiáng)度。 在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，可以采用三軸試驗裝置確定巖石的強(qiáng)度。第十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(二)影響巖石強(qiáng)度的因素 1巖石的物質(zhì)成分 礦物強(qiáng)度與含量影響巖石的強(qiáng)度。例如，石英是強(qiáng)度較大的造巖礦物，巖石中石英含量高，并且石英顆粒在巖石中連結(jié)成骨架時，則巖石的強(qiáng)度也高；方解石和白云石等強(qiáng)度較小，因此在碳酸鹽類巖石中方解石含量增加，則巖石強(qiáng)度降低。 對于沉積巖，膠結(jié)物的成分對巖石強(qiáng)度有較大的影響。例如，硅質(zhì)膠結(jié)的

13、砂巖，其抗壓強(qiáng)度高達(dá)200MPa以上，而鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖，強(qiáng)度則為20100MPa；泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖，強(qiáng)度往往在20MPa以下。巖石中膠結(jié)物所占比例越大，膠結(jié)物對巖石強(qiáng)度影響越大，而被膠結(jié)的巖屑或礦物對巖石強(qiáng)度的影響越小。第十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造 礦物顆粒大小對巖石強(qiáng)度有一定的影響。一般說來，細(xì)粒巖石的強(qiáng)度高于粗粒巖石的強(qiáng)度，并且顆粒越細(xì)，這種影響越大。例如，粗?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度是80 120MPa，而細(xì)?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度則高達(dá)200250MPa。 層理使巖石的強(qiáng)度具有明顯的各向異性。垂直于層理方向的抗壓強(qiáng)度最大，平行于層理方向的抗壓強(qiáng)度最小，與層理方向呈

14、某種角度時的抗壓強(qiáng)度介于二者之間。 表2一6列出幾種巖石的垂直于層理和平行于層理方向上的抗壓強(qiáng)度。 第二十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2-6第二十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3巖石的容重和孔隙度 同一種巖石，其孔隙度增加，容重降低，從而巖石強(qiáng)度也降低，反之亦然。例如石灰?guī)r容重由1.5x104Nm3增加到2.7x104Nm3時，其抗壓強(qiáng)度就由5MPa增至180MPa。又如砂巖的容重由1.87x104Nm3 增加到2.57x104Nm3 時，其抗壓強(qiáng)度也由15MPa增加到90MPa。 一般來說，巖石的孔隙度隨其埋藏深度的增加而減小。因此，巖石的強(qiáng)度隨其埋藏深度的增加而

15、增大。例如，埋藏在深部的粘土的強(qiáng)度比靠近地表處的粘土的強(qiáng)度大。第二十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月4加載方式 巖石的抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度有很大的差別。在單向應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的抗壓強(qiáng)度最大，而抗拉強(qiáng)度最小，抗剪和抗彎強(qiáng)度介于抗壓和抗拉強(qiáng)度之間。根據(jù)巖石巖石的強(qiáng)度特性，選擇有效的破碎方法，是提高碎巖效率的重要途徑。 原因：因為巖石受壓縮的顆粒之間的距離縮小，顆粒間相互作用力增加，所以強(qiáng)度增加；而受拉伸時顆粒之間的距離增大，顆粒間相互作用力減弱，所以強(qiáng)度下降。 從表中數(shù)據(jù)可知，巖石的抗剪強(qiáng)度約為其抗壓強(qiáng)度的15111；巖石的抗彎強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的15112，而巖石的抗拉強(qiáng)度僅為巖

16、石抗壓強(qiáng)度的110150。利用巖石抗剪、抗彎和抗拉強(qiáng)度小的特點，尋求相應(yīng)的破碎方法，對提高碎巖效率非常有利。第二十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2-72-8第二十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月5應(yīng)力狀態(tài) 巖石在兩向應(yīng)力和三向應(yīng)力狀態(tài)下，其抗壓強(qiáng)度比單向應(yīng)力狀態(tài)下要高出許多倍。從圖中可以看出，巖石的強(qiáng)度極限隨著圍壓的增加而明顯增大。例如當(dāng)圍壓從零增加到165MPa時，大理巖的抗壓強(qiáng)度從136增加到490MPa，當(dāng)圍壓從零增加到155MPa時，砂巖的強(qiáng)度從69增至330MPa。 巖石強(qiáng)度隨圍壓增加而增大的原因是：巖石的圍壓增大，各向壓縮增強(qiáng)，巖石的體積產(chǎn)生壓縮，使顆粒間

17、的距離縮短，甚至使礦物顆粒內(nèi)部體積減小，結(jié)果顆粒之間、甚至顆粒內(nèi)部質(zhì)點間的相互作用力增強(qiáng)，從而表現(xiàn)為對外載的抗力增大。第二十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月6載荷速度 實驗證明，巖石的強(qiáng)度與外載作用的速度、或者說與其內(nèi)部應(yīng)力增長的速度有密切的關(guān)系。載荷速度越快，則巖石強(qiáng)度越高。 在動載條件下巖石強(qiáng)度增大主要原因：巖石的變形和破壞在一定程度上依賴于時間。如果加載速度太快，則在應(yīng)力波的作用時間內(nèi)破碎變形難以得到充分的發(fā)展，因而表現(xiàn)出較大的抗力。 表210列出一些巖石的動載和靜載抗拉強(qiáng)度的比較數(shù)據(jù)。第二十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2-92-9第二十七張，PPT共五十三頁

18、，創(chuàng)作于2022年6月 7巖樣的線性尺寸 大量巖塊試驗的結(jié)果說明，隨著巖樣線性尺寸的增加，巖石的強(qiáng)度降低。這主要是由于巖石的組成和結(jié)構(gòu)的不均一性，以及裂隙和孔洞存在機(jī)率增加的緣故。因此，測定和對比巖石強(qiáng)度時，必須有線性尺寸的規(guī)定，否則就不能進(jìn)行比較。通常作巖石的抗壓強(qiáng)度試驗時，要求采用5*5*5cm的立方體試樣，或者采用長度等于直徑的圓柱體巖樣。 8濕度 水對巖石的強(qiáng)度起著顯著的影響。當(dāng)水侵入巖石時，水就順著裂隙進(jìn)入，潤濕巖石全部自由面上的每個礦物顆粒。由于水分子的加入改變了巖石的物理狀態(tài)，削弱了顆粒間的聯(lián)系，使巖石強(qiáng)度降低。其降低程度決定于巖石內(nèi)孔隙和裂隙的狀況、組成礦物的親水性和水的物理化

19、學(xué)性質(zhì)。 表211列出幾種巖石在干燥狀態(tài)下和被水飽和時的抗壓強(qiáng)度。第二十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 9.溫度 溫度對巖石的單向抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。例如花崗巖，其抗壓強(qiáng)度與試驗溫度的 關(guān)系如圖210所示。從曲線可以看出，隨著溫度上升，抗壓強(qiáng)度下降。在小于500 時下降幅度較大，而大于500后，下降幅度較小。2-102-10第二十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、巖石的表面特性 巖石的表面特性包括巖石的硬度和巖石的研磨性（一）巖石的硬度 1.概念 巖石硬度定義為巖石表面抵抗工具壓入的能力。 根據(jù)測定方法的不同，巖石硬度分為壓入硬度、研磨硬度、沖擊回彈硬度等。采用

20、不同的硬度目的在于更準(zhǔn)確的反映巖石抵抗不同形式載荷的能力。石油工程上多采用壓入硬度，在多數(shù)情況下工程上所指的巖石硬度即為壓入硬度。 2.意義 巖石的硬度是巖石綜合力學(xué)性能的反映，與巖石的強(qiáng)度特性、變形特性密切相關(guān)。 巖石的硬度較全面反映了巖石的可鉆性，且不同的硬度反映了巖石承受不同載荷的能力。 第三十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3.壓入硬度 利用一定形狀尺寸的壓頭靜壓入規(guī)定尺寸的巖樣，得到的載荷侵深的關(guān)系曲線，用巖石破碎極限載荷除以壓頭面積即為巖石的壓入硬度，單位：MPa(兆帕)。壓入硬度測試方法最早由俄羅斯科學(xué)家史立尼爾提出，故又稱史氏硬度。 特點： 巖石壓入硬度反映了巖石的組

21、合硬度或膠結(jié)硬度，而不是巖石中某一礦物顆粒的硬度； 壓入硬度的測定方法是使巖樣產(chǎn)生局部壓碎，而這種局部壓碎是在多向受壓狀態(tài)下進(jìn)行的，類似鉆井過程中鉆頭破巖的方式，因而較準(zhǔn)確的反映了巖石的可鉆性。第三十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月巖石壓入硬度測試儀：第三十二張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 按壓入硬度巖石可鉆性分級 巖石可鉆性與壓入硬度存在著相關(guān)關(guān)系，一般情況下機(jī)械鉆速和壓入硬度成反比。以壓入硬度作為衡量可鉆性的指標(biāo)。 按壓入硬度將巖石的可鉆性分為12級。 第三十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月4、影響巖石硬

22、度的因素 (1)巖石的礦物成分 巖石膠結(jié)物成分相同，礦物顆粒或巖石碎屑成分不同時，石英及其它堅硬礦物或碎屑含量越多，則巖石硬度越大。如果碎屑成分相同，膠結(jié)物不同，則膠結(jié)物硬度越大，巖石硬度也越大。 例如鈣質(zhì)膠結(jié)巖石的硬度是泥質(zhì)膠結(jié)巖石的1.41.8倍。另外，在膠結(jié)物成分相同的情況下，膠結(jié)形式也影響巖石硬度?；啄z結(jié)者最硬。第三十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 (2)結(jié)構(gòu)、 巖石顆粒越小，結(jié)構(gòu)越致密，巖石的硬度越大。巖石多孔，裂隙發(fā)育，孔隙度高，密實度低，巖石的硬度將會下降。 (3)構(gòu)造 層理對巖石硬度的影響正好與對強(qiáng)度的影響相反。垂直層理方向的硬度值最小，而平行層理方向的硬度值最

23、大。這是因為沿層理方向巖石顆粒的定向排列而使硬度升高。實際測定證明：層理弱的巖石，平行層理方向的硬度與垂直層理方向的硬度之比為1.051.2。而層理明顯的巖石，兩者之比可達(dá)1.51.8左右。這說明了在垂直于巖石層理方向上鉆進(jìn)比較容易。 巖石硬度的這種各向異性現(xiàn)象，可以很好地解釋孔斜的原因和規(guī)律性，并利用這一現(xiàn)象來實施定向鉆進(jìn)。第三十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 (4)應(yīng)力狀態(tài) 在各向均勻壓縮的情況下，巖石硬度增加。各向壓力加大到100MPa時，大理巖的硬度提高到1.86倍，泥灰?guī)r提高到3.06倍,白云巖提高到1.35倍 (表211)。對泥質(zhì)碳酸鹽巖、砂巖、粉砂巖的試驗也表明：硬

24、度可增大到1.13.6倍。在常壓下硬度越低的巖石，隨著圍壓增加，其數(shù)值增長越快。 由此可見，孔底圍壓越大，巖石硬度越高，破碎巖石越難，鉆進(jìn)速度將會下降。第三十七張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(5)載荷速度 動載時，隨著加載速度的增大，固體內(nèi)晶格扭曲沒有足夠時間得到充分松弛，破碎變形得不到充分的發(fā)展，所以破碎單位體積巖石所消耗的能量增加，使巖石抗破碎阻力增大。第三十八張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 從圖211中可以看出，隨著沖擊速度增加，大理巖的塑性系數(shù)Kn降低，而硬度Hy和屈服極限Po增高，單位體積破碎功a也不斷增大。尤其是沖擊速度大于30m/s以后，硬度和屈服極限增大

25、更為劇烈。但是，在沖擊速度小于10ms時，硬度變化不大。 沖擊速度對低強(qiáng)度、高塑性及多孔性巖石性質(zhì)的影響,要比對高強(qiáng)度、低塑性巖石的影響大得多。 2-11第三十九張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(6)液體介質(zhì) 水的侵入對巖石的硬度有很大的影響。大理巖表面被清水潤濕后其硬度下降12,而被1的油酸鈉水溶液浸濕后，其硬度下降23。 在液體介質(zhì)作用下，使固體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的原因，主要是由于固液表面產(chǎn)生潤濕和吸附所致。被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)，而表面產(chǎn)生吸附現(xiàn)象的固體稱為吸附劑。產(chǎn)生吸附現(xiàn)象時，吸附質(zhì)對吸附劑的物理化學(xué)親和力越大，表面層吸附質(zhì)的濃度也越大，則吸附質(zhì)降低吸附劑的表面能也越多。 第

26、四十張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 (7)工具形狀和尺寸 合理的工具形狀應(yīng)使工具壓入時巖石的阻力最小。在大理巖上用不同形狀的壓頭作壓入試驗時發(fā)現(xiàn)：不同形狀的壓頭，雖然接觸面積相同，但使巖石產(chǎn)生壓入破碎所需的載荷卻不一樣。這說明了不同形狀壓頭壓入巖石時所遇到的抗力是不同的，也就是說所得到的硬度值是不同的(見圖212)。 另外的試驗表明，工具形狀相同，其尺寸越小，測定的硬度值越大。巖石抗壓入阻力因壓入面積減小而增大的現(xiàn)象被稱為尺寸效應(yīng)。尺寸效應(yīng)可能是因為工具與巖石接觸面積越小，工具所覆蓋的巖石微裂隙等缺陷越少的緣故第四十一張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十二張，PPT共五

27、十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）巖石的研磨性 1.巖石的研磨性的概念 在用機(jī)械方法破碎巖石的過程中，鉆頭與巖石產(chǎn)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稱為巖石的研磨性。 鉆頭被磨損，一方面增加了鉆頭的消耗，另一方面降低了破碎巖石的效率。因此，研究巖石研磨性及其規(guī)律，將直接關(guān)系到鉆頭壽命、生產(chǎn)效率和成本。巖石研磨性是選擇碎巖工具、設(shè)計鉆頭、確定鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)和制訂鉆頭消耗定額的依據(jù)之一。 巖石磨損鉆頭齒的主要形式為犁削磨損、磨粒磨損。第四十三張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2.磨粒磨損理論 巖石對鉆頭的磨損形式以磨粒磨損為主

28、。以下以磨粒磨損理論探討影響磨損的因素。 根據(jù)現(xiàn)代摩擦理論可知，當(dāng)兩物體壓緊并作相對移動時，兩物體的表面就會產(chǎn)生磨損。磨損量的大小首先決定于兩物體間的摩擦力和移動的距離，即摩擦功。 兩物體滑動摩擦?xí)r所作的功為： A=spF v t Nm 式中 p接觸面上的正壓力，Nm2； F接觸面積， m2； v滑動速度，ms；t摩擦?xí)r間，s；動摩擦系數(shù)。 第四十四張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 固體的體積磨損量V與摩擦功成正比，即V=A。 此處， 為體積磨損系數(shù)(cm3N m)， H1，H2為與對磨材料的硬度有關(guān)的參數(shù)； c為與摩擦磨損環(huán)境有關(guān)的參數(shù)。因此： V= A= spF v t 從上式可

29、以看出：材料的研磨性與摩擦力、對磨材料的性能、表面粗糙程度、摩擦面溫度、滑移速度、磨損產(chǎn)物的清除情況、參與摩擦的介質(zhì)等諸多因素有關(guān)。 巖石研磨性與任何別的力學(xué)性質(zhì)一樣，反映著巖石在具體試驗條件下的表現(xiàn)，這些條件的改變，可能導(dǎo)致磨損過程的劇烈變化。第四十五張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3、影響巖石研磨性的因素 (1)巖石的礦物成分 巖石中造巖礦物的硬度、礦物顆粒間的硬度差，對巖石研磨性都有明顯的影響。礦物顆粒本身硬度越大，顆粒間硬度差越大，巖石的研磨性越強(qiáng)。 石英及其它堅硬礦物的研磨性很強(qiáng)，其在巖石中所占比例對巖石研磨性影響很大。例如：石英砂巖的研磨性可能比長石砂巖高20倍。第四十六張，PPT共五十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)結(jié)構(gòu)特征 犁削磨損與巖石的表面粗糙度密切相關(guān)，通常巖石的表面粗糙度越大研磨性越強(qiáng)。巖石表面的粗糙度由造巖礦物粒度決定。例如粉砂巖的粒度比砂巖小2334，所以在硬度相同的情況下，粉砂巖的研磨性比砂巖小。同理細(xì)?；◢弾r的研磨性低于粗粒花崗巖。 礦物顆粒棱角、軟硬變化、孔隙度，對巖石的研磨性都有影響。巖石礦物顆粒棱角度、軟硬差別、孔隙度越大，巖石的研磨性就越大