巖石的破碎機里課件

1、第二章 巖石的破碎機理 一、碎巖工具與巖石的作用方式 二、外載作用下巖石的應(yīng)力狀態(tài)三、巖石的破碎過程 四、碎巖效果指標(biāo) 第一節(jié) 碎巖工具與巖石作用的主要方式 根據(jù)刃具與巖石作用的方式和碎巖機理，可把碎巖刃具分：切削一剪切型、沖擊型、沖擊一剪切型三類。 1、切削一剪切型 鉆頭碎巖刃具以速度v向前移動而切削(剪切)巖石。工作參數(shù)是：移動速度v、軸向力Pz和切向力P以及介質(zhì)性質(zhì)。 第一節(jié) 碎巖工具與巖石作用的主要方式 2、沖擊型 沖擊型刃具給孔底巖石以直接的沖擊動載，碎巖的過程可用工具動能Tk和巖石變形位能U的方程式來表達(dá)（ TU ）：式中：m鉆頭和沖擊鉆桿的質(zhì)量； v鉆頭同巖石碰撞時的速度； ma

2、x鉆頭侵入巖石的最大深度； Pz（）巖石抵抗鉆頭侵入的阻力。第一節(jié) 碎巖工具與巖石作用的主要方式 3、沖擊一剪切型:鉆頭刃具不僅以Pz和P作用于巖石，而且還有使鉆頭向前回轉(zhuǎn)的移動速度v和沖錘對齒刃的沖擊速度vz或牙輪滾動時齒刃向下沖擊的速度v。合成速度是： 或式中： ；A0 沖錘單次沖擊功；Q沖錘重量；r齒頂?shù)窖垒喫矔r旋轉(zhuǎn)中心的距離。 第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) 切削具對巖石的壓入破碎在孔底過程中起著重要作用。巖石在切削具切入、破碎之前，先產(chǎn)生彈性應(yīng)力狀態(tài)。鉆頭上的切削具與孔底巖石的作用可以看成是圓柱體、球形體、長方平底形壓模與彈性半無限體所限制的平面的相互作用。 本節(jié)討論同不形狀切削具在外

3、載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)。 （一）平底圓柱形壓頭壓入時應(yīng)力狀態(tài) （二）球形壓頭壓入時巖石的應(yīng)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(yīng)力狀態(tài) 圖22 半無限體在邊界上受法向集中力作用第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) 假設(shè)：（1）巖石均質(zhì)，各向同性；（2）遵從虎克定律；（3）彈性特性不受應(yīng)力狀態(tài)和加載速度影響第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) （一）平底圓柱形壓頭壓入時應(yīng)力狀態(tài) 剛性平底壓頭以作用力P 沿 z 軸壓入彈性半無限體，其接觸面上的壓力分布在初期是不均勻的（圖2-4），邊緣處的應(yīng)力集中使巖石產(chǎn)生局部破碎或塑性變形，而后，壓力便趨于均勻分布。 圖24 平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布第二節(jié)

4、 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) （一）平底圓柱形壓頭壓入時應(yīng)力狀態(tài) 在壓力均勻分布的前提下，根據(jù)彈性力學(xué)布希涅司克問題和應(yīng)力疊加原理，求出巖體內(nèi)沿對稱軸上各應(yīng)力分量為： 第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) （一）平底圓柱形壓頭壓入時應(yīng)力狀態(tài) 各應(yīng)力分量隨z軸的變化情況（如圖）。隨z的增加，z減小的慢，r= 減小的快；剪應(yīng)力隨z的變化開始由小到大，到一個臨界深度 z0 處 達(dá)最大值。 在z = 0 處： 第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) （一）平底圓柱形壓頭壓入時應(yīng)力狀態(tài) 各若將對z求導(dǎo)，并使其等于零，則： 設(shè)=0.25，則z0=0.62a ，max=0.345p。這表明在z軸上，最大剪應(yīng)力所在的深度約等于壓頭半

5、徑的23。而最大剪應(yīng)力約為均勻壓強的l3。由于最大剪應(yīng)力點是壓碎巖石的發(fā)源處應(yīng)引起重視。 第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) 壓頭下相對剪應(yīng)力等直線圖第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) （二）球形壓頭壓入時巖石的應(yīng)力狀態(tài) 球體壓入時，接觸球面（半徑為a）上的壓力分布是不均勻的。其數(shù)值是隨著壓力點離開壓力面中心的距離r的增加而不斷減小的一個函數(shù)(如圖)，即：在壓力中心處： 在壓力邊緣處： 圖26第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) （二）球形壓頭壓入時巖石的應(yīng)力狀態(tài) 同樣根據(jù)彈性力學(xué)布希涅司克問題集中應(yīng)力作用原理，巖體內(nèi)沿對稱軸上的各應(yīng)力分量為： 第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) （二）球形壓頭壓入時巖石的應(yīng)力狀態(tài) 各

6、應(yīng)力分量隨z軸的變化：剪應(yīng)力隨z的變化開始由小到大，一個臨界深度z0處達(dá)最大值。在z=0有： ； 如果設(shè)=0.25，根據(jù)計算，z0=0.5a ，max=0.40p ，同樣存在兩個極值點，但都在z軸上。 第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) （三）軸向力和切向力共同作用時巖石的應(yīng)力狀態(tài) 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，碎巖工具一般以軸向、切向載荷同時作用于巖石。此時，巖石的應(yīng)力分布與只有軸向載荷時不同。 只有軸向力作用時，等應(yīng)力線分布是均勻?qū)ΨQ的。軸向力和切向力共同作用時，等應(yīng)力線分布則是非均勻的、不對稱的。第二節(jié) 外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài) （三）軸向力和切向力共同作用時巖石的應(yīng)力狀態(tài) 在接觸面上，切向力作用的前方將產(chǎn)生壓應(yīng)力

7、，而切向力作用的后方則產(chǎn)生拉應(yīng)力；在半無限體內(nèi)形成壓應(yīng)力區(qū)（）、拉應(yīng)力區(qū)（）和過渡區(qū)（）。 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。 第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程 （一）巖石的變形破碎形式1、黎金格爾定律：固體破碎功與破碎過程中物體表面積的增加成比例。2、基爾比切夫定律：破碎功與物體破碎的體積成比例。 破碎功與破碎產(chǎn)物粉碎度的關(guān)系 1黎金格爾定律；2基爾切夫定律 第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程 （一）巖石的變形破碎形式 切削具對巖石的作用力不同，巖石變形破碎可有3種方式 1、表面破碎 切削具與巖石的接觸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石硬度，切削具不能壓入巖石。切削具移動時，將

8、研磨孔底巖石，巖石破碎是由接觸摩擦功引起的，研磨的巖石顆粒很小，鉆進(jìn)速度低。這種變形破碎方式稱為巖石的表面研磨，這個區(qū)稱為表面破碎區(qū)。表面破碎第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程 （一）巖石的變形破碎形式 2、疲勞破碎 切削具上的軸向載荷增加，但接觸壓力仍小于巖石硬度，可使巖石晶間聯(lián)系破壞，巖石結(jié)構(gòu)間缺陷發(fā)展，特別是孔底受多次加載產(chǎn)生的疲勞裂隙更加發(fā)展，于是眾多裂隙交錯，仍可產(chǎn)生較粗巖粒的分離，這種變形破碎方式稱為疲勞破碎，這個區(qū)稱為疲勞破碎區(qū)。 疲勞破碎第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程（一）巖石的變形破碎形式 3、體積破碎 切削具上的載荷繼續(xù)增加，接觸壓力大于或等于巖石硬度，切削具可有效地切入巖石，

9、結(jié)果是：切削具在孔底移動時不斷克服巖石的結(jié)構(gòu)強度，切下巖屑，這種變形破壞方式稱為體積破碎，這個區(qū)稱為體積破碎區(qū)。體積破碎時，會分離出大塊巖石，破碎效果好。 體積破碎第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程（二）平底壓模壓入時的巖石變形破碎過程 1、加載時，第一極值帶產(chǎn)生環(huán)形裂紋；2、開始時，ac方向裂隙的伸展比ao快；3、遠(yuǎn)離自由面，ac方向的伸展速度迅速減慢；4、多數(shù)情況下，裂隙在o點相交比到達(dá)c點晚；5、在c點產(chǎn)生指向自由面、o點的裂隙；6、c點迅速到達(dá)自由面并與從o點來的裂隙相遇；7、產(chǎn)生aob主壓力體和mon剪切體；8、壓模阻力急劇降低，壓模下落；9、aob體破碎，部分碎巖壓出，部分壓在壓頭下面

10、。 第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程（二）平底壓模壓入時的巖石變形破碎過程 10、繼續(xù)施載，碎巖石在壓模下面被壓實， 并在剪切體內(nèi)產(chǎn)生彈性變形；11、裂隙沿ac和ao方向向深部伸展；12、在比第一種情況下大得多的外載作用下， 裂隙把aob體和mcocn體分離開來；13、aob體和mcocn體中的巖石將被壓碎， 部分碎巖壓出，部分被壓在壓模的下面；14、繼續(xù)施加外載，上述現(xiàn)象將重復(fù)進(jìn)行。第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程（二）平底壓模壓入時的巖石變形破碎過程 圖示是平底壓模壓入阻力變化曲線和碎巖體積變化曲線。 第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程課堂提問：左圖是平底壓頭壓入巖石

11、時阻力和巖石破碎體積的變化曲線，請解釋曲線的變化規(guī)律。第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程（三）球狀切削具壓入時的巖石變形破碎過程 1、開始時，切削具與巖石接觸的是一個點；2、外載增加，切削具和巖石產(chǎn)生彈性變形， 接觸面開始增大；3、接觸面中心的正應(yīng)力最大，首先出現(xiàn)裂隙；4、隨外載增加，接觸面增大，產(chǎn)生與原有裂 隙平行的新裂隙系；5、外載再增加，觸面增大，新裂隙向深處伸展；6、球狀切削具總的彈性變形不與外載成正比例。 外載繼續(xù)增加時，彈變總值減小，應(yīng)力增大， 裂隙伸展的深度增大；7、以后的破碎過程與平底壓模時類似。第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程 （三）球狀切削具壓入時的巖石變形破碎過程 球狀切削具與

12、平底壓模壓人巖石時的區(qū)別在于： 1、裂隙對主壓力體aob內(nèi)的巖石進(jìn)行了初步破壞； 2、破碎的巖石再次壓在切削具下面的較少； 3、球狀切削具壓入巖石時，可以分為2種破碎形式： （1）形成相交的裂隙系對巖石進(jìn)行破碎； （2）剪切體mcocn的分離。第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程（四）楔狀切削具壓入時的巖石變形破碎過程 第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程壓頭形狀對體積破碎功的影響第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程（五）動載作用下的巖石變形破碎過程 壓頭動壓入時巖石破碎示意圖(a)出現(xiàn)殘余變形；(b)脆性破碎第一形態(tài)；(c)脆性破碎第二形態(tài)；(d)脆性破碎第三形態(tài)1壓頭與巖石接觸面；2破碎穴；3巖石碎塊截面第

13、三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程 動壓入時破碎巖石的能容量AV (即破碎單位體積巖石所消耗的能量)，可按下式確定： （J/cm3） 式中 TK 沖擊能量，J， V 破碎巖石體積，cm3。第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程 由于破碎體積不均勻地變化，造成能容量曲線有最大值和最小值。 從總體上看， 隨著沖擊能量 TK 的增加，動載破碎巖石的能容量有減小的趨勢。 能容量曲線上的第一個最小值與形成第二破碎形態(tài)相對應(yīng)；第二個最小值與形成第三破碎形態(tài)相對應(yīng)。形成第二和第三破碎形態(tài)后，沖擊能雖然增加，但破碎體積基本不變，所以單位體積破碎功出現(xiàn)最大值。第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程 對于

14、巖石破碎過程的解釋，概括起來可以得出以下的基本概念： (1) 巖石破碎過程的發(fā)展，不是隨載荷的增加而平穩(wěn)地進(jìn)行的， 而是當(dāng)載荷達(dá)到某一值后， 發(fā)生突然的侵入破碎。 (2)載荷過小時，只是在巖石表面形成一些微小裂紋，甚至只發(fā)生彈性變形。因此破碎效果極差。 (3) 當(dāng)載荷不足以產(chǎn)生大剪切時，則只能在巖石中產(chǎn)生壓裂作用，形成一些裂隙。 (4)只有當(dāng)載荷達(dá)某一定值時，才能產(chǎn)生大體積崩落破碎，這時破碎效果最好。第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程 不論是動載還是靜載壓入時，破碎巖石能容量都是跳躍式地逐漸減小，并且動載破碎的能容量比靜載的要高，如下表。 破碎形態(tài)能容量， J/cm3加載方式第一破碎形態(tài)第二破碎形

15、態(tài)第三破碎形態(tài)靜載10939動載19514550第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程 由上表可以看出，隨著加載速度的增加，巖石的單位體積破碎功增大。破碎工具對巖石作用時，巖石中發(fā)生硬化和松弛兩個過程。硬化的實質(zhì)是巖石顆粒結(jié)晶晶格產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲，導(dǎo)致變形阻力增大，而松弛則使變形阻力減小。從硬化到松弛需要一定的時間。加載速度大，松弛過程不能得到充分進(jìn)行，從而影響破碎效果。第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程（六）動靜載聯(lián)合碎巖 研究和試驗表明，在一定的靜載作用下加高頻動載作用，會減緩鉆頭磨損，提高破巖效率。較小的鉆壓(靜載)可減少鉆柱的多次彎曲，避免較大靜載產(chǎn)生的井斜和鉆柱磨損及

16、疲勞損壞，還能防止鉆頭早期損壞。 靜載的作用： （1）提高沖擊動載作用力的峰值； （2）使切削具和地層緊密接觸，減少動載作用的傳遞損失第三節(jié) 巖石在外載下的破碎過程動靜載聯(lián)合下巖石碎巖過程：（1）孔底不規(guī)則的表面在靜載作用下被壓平;（2）靜載逐漸增加，接觸處產(chǎn)生彈性變形: (3)在靜載和動載聯(lián)合作用下，鉆頭下面的巖石開始出現(xiàn)微裂紋，鉆頭外側(cè)邊界處的應(yīng)力集中線向外形成放射性的裂紋; (4) 2個主要裂紋在巖石中形成一個長而窄的巖屑壓碎和壓實帶，形成破碎區(qū)，巖石表面破裂，出現(xiàn)許多貝殼狀的碎塊: (5)作用力增長變慢，兩側(cè)產(chǎn)生的剪切體被工具吃入而崩出，作用力下降，形成一個破碎坑。第四節(jié) 碎巖效果指標(biāo)

17、碎巖效果指標(biāo)的定義：衡量鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)成本、鉆進(jìn)質(zhì)量的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)成本、鉆進(jìn)質(zhì)量之間有著密切的聯(lián)系。鉆進(jìn)效果指標(biāo)內(nèi)容 包括：鉆速、每米鉆孔成本、巖礦心采取率和鉆孔彎曲等。 它們受多因素的影響，包括不可控因素和可控因素。不可控 因素是指客觀存在的因素，如所鉆的地層、巖性及其埋深等；可控因素是指通過一定的設(shè)備和技術(shù)手段可進(jìn)行人工調(diào)節(jié)的因素，如鉆頭類型、沖洗液性能、鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量等。第四節(jié) 碎巖效果指標(biāo)1、機械鉆速 機械鉆速是單位純鉆進(jìn)時間內(nèi)所鉆的進(jìn)尺。計算式如下： （m/h）式中：H鉆進(jìn)進(jìn)尺，m； t純鉆進(jìn)時間，h。 機械鉆速表示巖石鉆進(jìn)的難易程度，取決于巖石的性質(zhì)、鉆進(jìn) 方法、

18、鉆具、鉆進(jìn)工藝和技術(shù)的合理性等因素。機械鉆速表示了鉆進(jìn)工作最基本的狀況，在一定的條件下，必須優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)。 2、回次鉆速 表示從鉆具開始下入鉆孔，進(jìn)行鉆進(jìn)，直到把鉆具從鉆孔提出的工序中（即所謂一回次）單位時間的進(jìn)尺。其計算公式如下： (m/h) 式中：HR回次進(jìn)尺，m； t1輔助作業(yè)時間，h。 t1包括鉆進(jìn)準(zhǔn)備、起下鉆、沖孔、掃孔、立軸倒桿、接長鉆桿、卡取巖心、提鉆準(zhǔn)備、更換鉆頭及鉆具等時間。隨孔深的增加，提下鉆時間增加，回次鉆速減小。熟練操作、優(yōu)化鉆進(jìn)、實現(xiàn)鉆具升降機械化、自動化是提高回次鉆速前提。 第四節(jié) 碎巖效果指標(biāo)第四節(jié) 碎巖效果指標(biāo)3. 技術(shù)鉆速 技術(shù)鉆速表示一臺鉆機在一個月期間內(nèi)用于完成基本工序 t 、輔助作業(yè) t1 和其他補充作業(yè)T1的總時間與同期的鉆進(jìn)進(jìn)尺HT與之比。其計算公式如下： (m/h) T1是指一個月期間內(nèi)消耗在固孔、測量孔斜、地球物理測井、孔內(nèi)注漿、人工造斜等工作中的補充作業(yè)時間，h。 技術(shù)鉆速取決于機臺工作的技術(shù)水平、各項工作的組織配合及技術(shù)措施等。 第四節(jié) 碎巖效果指標(biāo)4、經(jīng)濟鉆速 經(jīng)濟鉆速在國外也叫做商業(yè)鉆速，一