巖石破碎基本原理

1第一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.1四種常用的強(qiáng)度理論一、最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）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)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σ3達(dá)到材料單向拉伸斷裂時(shí)的最大拉應(yīng)力值σt，材料即發(fā)生斷裂。強(qiáng)度條件：局限性：①未考慮另外兩個(gè)主應(yīng)力的影響；②對(duì)沒有拉應(yīng)力的狀態(tài)無法應(yīng)用；③無法解釋三向均壓時(shí)，既不屈服也不破壞的現(xiàn)象；④對(duì)塑性材料的破壞無法解釋。2第二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.1四種常用的強(qiáng)度理論二、最大拉應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論）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)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?chǔ)?達(dá)到材料單向拉伸斷裂時(shí)的最大拉應(yīng)力值εt，材料即發(fā)生斷裂。單向拉伸時(shí)：?jiǎn)蜗驂嚎s時(shí)：三向應(yīng)力時(shí)：強(qiáng)度條件：適用范圍：適合于破壞形式為脆斷的材料。3第三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.1四種常用的強(qiáng)度理論三、最大剪應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）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)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τmax達(dá)到材料單向拉伸屈服時(shí)的最大剪應(yīng)力值τs，材料即發(fā)生屈服。且破裂面必定通過σ2而且與σ1

、σ3成45°交角（101平面）。強(qiáng)度條件：局限性：①巖石的破壞面（法線）并不與最大主應(yīng)力方向成45°角；②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。4第四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.1四種常用的強(qiáng)度理論四、畸變能理論（第四強(qiáng)度理論）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，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度Ud達(dá)到材料單向拉伸屈服時(shí)的畸變能密度Uds，材料即發(fā)生屈服。且破裂面必定通過σ2而且與σ1

、σ3成45°交角（101平面）。三軸應(yīng)力狀態(tài)下的畸變能：強(qiáng)度條件：局限性：①適用于塑性材料;②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。5第五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日第二講

巖石破碎基本原理2.1四種常用的強(qiáng)度理論2.2巖石破壞準(zhǔn)則2.3工具作用下巖石的應(yīng)力分布2.4鉆井巖石破碎機(jī)理2.5破巖工具的磨損機(jī)理6第六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日一、巖石破壞形式與機(jī)制2.2巖石破壞準(zhǔn)則1.巖石破壞形式單軸壓力作用下的劈裂（拉應(yīng)力引起）三軸應(yīng)力作用下的剪切破裂（剪應(yīng)力引起）多重剪切破裂（剪應(yīng)力引起）拉伸破裂（拉應(yīng)力應(yīng)力）集中力作用下的劈裂（拉應(yīng)力引起）7第七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日

任何材料的破壞，從兩顆粒脫離的情況看，不外遠(yuǎn)離或錯(cuò)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(抗剪或抗拉強(qiáng)度)時(shí)，巖石就發(fā)生破壞。一、巖石破壞形式與機(jī)制2.2巖石破壞準(zhǔn)則2.巖石破壞機(jī)制8第八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日二、巖石破壞準(zhǔn)則巖石破壞準(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)。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)力的關(guān)系方程。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。2.2巖石破壞準(zhǔn)則9第九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日

庫(kù)侖-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（不是最大剪應(yīng)力作用面）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。三、庫(kù)倫-莫爾準(zhǔn)則（Coulomb-Mohr

Criterion）2.2巖石破壞準(zhǔn)則稱為巖石的內(nèi)摩擦角。內(nèi)摩擦強(qiáng)度理論10第十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日剪切滑移面上的應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系A(chǔ)設(shè)最大主應(yīng)力方向與剪切面法線方向的夾角為Ψ（稱為剪切破壞角）。則在主應(yīng)力σ1>σ2>σ3的作用下，忽略σ2的影響，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：2.2巖石破壞準(zhǔn)則三、庫(kù)倫-莫爾準(zhǔn)則（Coulomb-Mohr

Criterion）11第十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日剪切滑移面上的應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系A(chǔ)0莫爾應(yīng)力圓：剪切破壞角與內(nèi)摩擦角的關(guān)系：2.2巖石破壞準(zhǔn)則三、庫(kù)倫-莫爾準(zhǔn)則（Coulomb-Mohr

Criterion）12第十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日幾個(gè)重要關(guān)系式推導(dǎo)：三軸抗壓強(qiáng)度：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度：?jiǎn)屋S抗拉強(qiáng)度：當(dāng)內(nèi)摩擦角為30°時(shí)，2.2巖石破壞準(zhǔn)則三、庫(kù)倫-莫爾準(zhǔn)則（Coulomb-Mohr

Criterion）13第十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日巖石內(nèi)聚力C內(nèi)摩擦角頁(yè)巖3~3015~30砂巖8~4035~50石灰?guī)r10~5035~50大理巖15~5035~50典型巖石的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角2.2巖石破壞準(zhǔn)則應(yīng)用①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）②預(yù)測(cè)剪切破裂面的方向③進(jìn)行巖石強(qiáng)度計(jì)算④不適用于拉伸破壞。三、庫(kù)倫-莫爾準(zhǔn)則（Coulomb-Mohr

Criterion）14第十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日格里菲斯（Griffith，1921）認(rèn)為：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)力的100倍）。當(dāng)在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(shí)，裂紋開始擴(kuò)展，最終斷裂。四、格里菲斯準(zhǔn)則2.2巖石破壞準(zhǔn)則15第十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日1.單軸拉應(yīng)力作用下的Griffith準(zhǔn)則Griffith認(rèn)為：對(duì)單個(gè)裂隙，裂隙擴(kuò)展時(shí)將釋放彈性能，同時(shí)新形成的裂隙表面將有表面能的增加。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)致總能量的連續(xù)減少，則整個(gè)固體系統(tǒng)變成不穩(wěn)定系統(tǒng)，裂隙將繼續(xù)擴(kuò)展。裂隙擴(kuò)展釋放的彈性能：開裂面增加的表面能：裂隙能量損失：Griffith準(zhǔn)則表達(dá)式：（r為裂紋表面單位面積的表面能）2.2巖石破壞準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則16第十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.雙軸應(yīng)力作用下的Griffith準(zhǔn)則裂紋擴(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：2.2巖石破壞準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則17第十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日3.對(duì)Griffith準(zhǔn)則的評(píng)價(jià)（1）優(yōu)點(diǎn)：①巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的8倍，符合巖石強(qiáng)度特點(diǎn)；②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；③指出裂紋延展方向最終與最大主應(yīng)力方向一致。（2）缺點(diǎn)：①僅適用于脆性巖石的破壞，而庫(kù)倫-莫爾準(zhǔn)則對(duì)一般巖石都適用.②Griffith準(zhǔn)則是巖石微裂紋擴(kuò)展的條件，并非宏觀破壞。2.2巖石破壞準(zhǔn)則四、格里菲斯準(zhǔn)則18第十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日3.格里菲斯準(zhǔn)則的默雷爾（Murrell）推廣：2.1巖石破壞準(zhǔn)則Murrell將Griffith準(zhǔn)則從二維推廣到三維：由Murrell準(zhǔn)則可以得出：巖石單軸抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的12倍。四、格里菲斯準(zhǔn)則19第十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日第二講

巖石破碎基本原理2.1四種常用的強(qiáng)度理論2.2巖石破壞準(zhǔn)則2.3工具作用下巖石的應(yīng)力分布2.4鉆井巖石破碎機(jī)理2.5破巖工具的磨損機(jī)理20第二十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2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1.工具對(duì)巖石的基本作用力利用工具破碎巖石時(shí)，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(gè)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。21第二十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布一、工具對(duì)巖石的基本作用2.工具壓碎巖石的基本現(xiàn)象（1）不論什么樣的工具、載荷、材料，當(dāng)工具侵入巖石時(shí)，首先在工具的前方產(chǎn)生一個(gè)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。（2）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)到某一臨界值時(shí)，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。（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，漏斗頂角的變化不大，一般在60~75度之間。巖石越硬，越大。22第二十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布二、布希涅斯克（Boussinesq）問題1885年，法國(guó)人Boussinesq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。P；“+”表示壓應(yīng)力；“—”表示拉應(yīng)力。式中：23第二十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布P由于布希涅斯克問題的解可變化為：二、布希涅斯克（Boussinesq）問題24第二十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布二、布希涅斯克（Boussinesq）問題當(dāng)r=0，z≠0時(shí)，z軸上各點(diǎn)的應(yīng)力分量為：取主應(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z軸成45°的平面上：25第二十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布二、布希涅斯克（Boussinesq）問題當(dāng)z=0，r≠0時(shí)，表面上各點(diǎn)的應(yīng)力分量為：表面上各點(diǎn)處于純剪切狀態(tài)，存在拉應(yīng)力。（兩個(gè)主應(yīng)力的絕對(duì)值相等，都等于剪應(yīng)力，但一為拉應(yīng)力，一為壓應(yīng)力）26第二十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布二、布希涅斯克（Boussinesq）問題作用在水平截面上的全應(yīng)力為：等應(yīng)力球RΦ在力P作用點(diǎn)與表平面相切的圓球面上各點(diǎn)，其水平截面上有大小相等，方向通過力P作用點(diǎn)的全應(yīng)力。27第二十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布

如果在半無限彈性體邊界面上作用有多個(gè)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。

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。三、半無限彈性體邊界面上受法向分布力作用的解28第二十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日微單元面積：微單元面積上的力：用代替布希尼斯克解中的載荷P，然后對(duì)和進(jìn)行積分。2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布對(duì)稱軸上（0,0,z）處應(yīng)力σz:設(shè)巖石平面上作用有面分布載荷p(r)。利用布希尼斯克解，再借助積分，可求出對(duì)稱軸上（0，0，z）的應(yīng)力。

三、半無限彈性體邊界面上受分布力作用的解29第二十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日（0，0，z）

處的應(yīng)力σr，σθ：（由1，2微面積）（由3，4微面積）2.2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30第三十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日積分，r：0→a；ψ：0→π/2，則：2.2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作業(yè)：設(shè)p(r)常數(shù)，求對(duì)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。31第三十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)A柱平底壓頭壓入巖石時(shí)，在壓縮力P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(shí)，壓力便趨于均勻分布。四、圓柱平底壓頭作用下巖石的應(yīng)力分布2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布32第三十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日利用布希尼斯克的解，用微分疊加并積分可求得對(duì)稱軸z上的各應(yīng)力分量：2.2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33第三十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2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

各應(yīng)力分量隨z軸的變化情況:隨z的增加，σz減小的慢，σr=σθ減小的快；剪應(yīng)力τ隨z的變化開始由小到大，到一個(gè)臨界深度z0處τ達(dá)最大值。在載荷中心z=0處：34第三十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2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)力分布對(duì)最大剪應(yīng)力求極值，可得：設(shè)μ=0.25，則z0=0.62a，τmax=0.345p。35第三十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2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?jí)侯^下相對(duì)剪應(yīng)力（τmax/p）的等值線分布圖

平底壓頭壓入時(shí)，形成兩個(gè)應(yīng)力極值帶：第一帶為壓頭邊緣（z=0,r=a);第二帶為最大剪應(yīng)力區(qū)（z=z0,r=0)。這兩個(gè)極值點(diǎn)是巖石破碎的發(fā)源處。36第三十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日彈性接觸半徑五、球形壓頭作用下的應(yīng)力分布2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布r接觸圓內(nèi)的壓力分布1.赫茲接觸理論（H.Hertz，1881）37第三十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2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2.對(duì)稱軸z上的應(yīng)力分布利用布希涅斯克的解，用微分應(yīng)力疊加并積分可得：38第三十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布★沿對(duì)稱軸上的應(yīng)力分量均為壓應(yīng)力，且★最大剪應(yīng)力發(fā)生在：★在壓力面邊緣處（r=a，z=0）的應(yīng)力為：

）（設(shè)25.04.00max=?mtp球體壓入時(shí)，在巖體中存在兩處危險(xiǎn)的應(yīng)力點(diǎn)：在對(duì)稱軸上處剪應(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)）。五、球形壓頭作用下的應(yīng)力分布39第三十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.2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2a

剛壓入時(shí)，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(zhǎng)方形（寬度為2a）。根據(jù)赫茲理論，有：

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：

壓力面中心線上的壓力最大：1.接觸面上壓力分布40第四十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.接觸面上的應(yīng)力六、圓柱體側(cè)面壓入的應(yīng)力分布2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布

當(dāng)x=a，壓力邊緣上的正應(yīng)力都為零；當(dāng)x=0，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：當(dāng)，41第四十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日3.沿Z軸的應(yīng)力分布六、圓柱體側(cè)面壓入的應(yīng)力分布2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布最大剪應(yīng)力在深度z=0.75a處，最大剪應(yīng)力為：42第四十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日七、半無限彈性體邊界面上受切向集中力的應(yīng)力解2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布設(shè)切向集中力QX沿x軸方向作用在原點(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)力分布為：43第四十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日七、半無限彈性體邊界面上受切向集中力的應(yīng)力解2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布

表面上的應(yīng)力，可通過代入z=0，R=0得到；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。44第四十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日八、法向力和切向力聯(lián)合作用下的應(yīng)力分布2.2工具作用下巖石的應(yīng)力分布1.在法向力和切向力的共同作用下，壓頭下的應(yīng)力將是兩種單獨(dú)載荷作用下應(yīng)力的疊加。2.在法向力和切向力共同作用下，產(chǎn)生了不均勻的應(yīng)力狀態(tài)。各向壓縮區(qū)Ⅰ隨著切向載荷的增大而減小，出現(xiàn)拉伸區(qū)Ⅱ和過渡區(qū)Ⅲ。在過渡區(qū)內(nèi)既有壓應(yīng)力作用，又有拉應(yīng)力作用。3.法向力和切向力之間存在最優(yōu)的比值。也就是說，切削齒斜向破碎巖石時(shí)，對(duì)每一種巖石都一個(gè)最優(yōu)的施力角，此時(shí)鉆進(jìn)效果最好。45第四十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日第二講

巖石破碎基本原理2.1四種常用的強(qiáng)度理論2.2巖石破壞準(zhǔn)則2.3工具作用下巖石的應(yīng)力分布2.4鉆井巖石破碎機(jī)理2.5破巖工具的磨損機(jī)理46第四十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.3鉆井巖石破碎機(jī)理鉆井破巖方式?jīng)_擊壓入破巖：柱齒鉆頭、牙輪鉆頭切削破巖：刮刀鉆頭、PDC鉆頭研磨破巖：金剛石鉆頭47第四十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日一、沖擊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(gè)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(gè)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(gè)一個(gè)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。2.3鉆井巖石破碎機(jī)理48第四十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖1.密實(shí)核-劈拉理論（a）變形階段；（b）裂紋源產(chǎn)生階段；（c）密實(shí)核形成階段；（d）密實(shí)核儲(chǔ)能階段；（e）徑向裂紋產(chǎn)生和粉劈階段；（f）卸載階段。49第四十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.3鉆井巖石破碎機(jī)理（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(chǔ)存在巖石內(nèi)。（b）裂紋源產(chǎn)生階段：在接觸面下方約0.47a處產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，形成剪切裂紋源1；在接觸面邊緣產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，形成赫茲裂紋2。（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體(密實(shí)核)3（d）密實(shí)核儲(chǔ)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，有傳遞高壓的作用。（e）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(shí)，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1.密實(shí)核-劈拉理論50第五十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日（f）卸載階段：儲(chǔ)存在巖石內(nèi)的變性能和密實(shí)核內(nèi)的變性能,在粉楔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）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(dòng)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120~150°2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖1.密實(shí)核-劈拉理論余靜的破巖機(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(cuò)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。51第五十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖2.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三個(gè)階段：①?gòu)椥宰冃坞A段載荷較小時(shí)（p<0.4σy），巖石發(fā)生彈性變形。這時(shí)，在壓力變緣（a,b點(diǎn)）產(chǎn)生兩組裂隙。載荷消失時(shí)，裂隙也消失。

奧斯特洛烏什柯52第五十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖2.剪切破碎理論②壓皺壓裂階段載荷繼續(xù)增大（p=0.4σy~0.6σy

），a、b兩組裂隙向深部發(fā)展，匯交于o點(diǎn)，形成主壓力體（角錐體aob）;自a,b處又產(chǎn)生aC、bD裂隙。對(duì)軟的塑性巖石，錐頂角約75°左右；對(duì)硬的脆性巖石，錐頂角約60°左右。奧斯特洛烏什柯53第五十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日③體積破碎階段載荷繼續(xù)增加（p≥σy），壓頭與巖石接觸面上產(chǎn)生壓碎變形；ao、bo組裂隙自o點(diǎn)，aC、bD組裂隙自C、D點(diǎn)，均向自由面擴(kuò)展，使裂隙貫通，所形成的剪切體Aoa、Bob開始甭離，形成AoB破碎坑。剪切過程處處遵守庫(kù)侖-摩爾準(zhǔn)則。破碎坑錐頂角一般為2α。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。2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖2.剪切破碎理論奧斯特洛烏什柯54第五十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日①早期的接觸破壞②壓碎刃下巖石，形成壓實(shí)體③產(chǎn)生張開裂紋，并隨載荷增加向下延伸④產(chǎn)生剪切裂紋，并沿一定的軌跡向自由面擴(kuò)展，剪切過程處處遵守庫(kù)侖-摩爾準(zhǔn)則⑤產(chǎn)生大體大體積崩裂，形成破碎坑⑥重復(fù)上述破碎過程。夕卡斯基2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖2.剪切破碎理論55第五十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日3.影響沖擊壓入破巖效率的因素2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖Ⅰ）表面破碎區(qū)：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,此時(shí)巖石的破碎是接觸摩擦功引起的,破巖效率低。Ⅱ）疲勞破碎區(qū)：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，多次加載，疲勞裂隙發(fā)展并交錯(cuò)，產(chǎn)生粗粒分離。Ⅲ）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，形成破碎坑，產(chǎn)生體積破碎，分離出大塊巖屑。（1）載荷大小的影響

56第五十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日3.影響沖擊壓入破巖效率的因素（1）載荷大小的影響

2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖57第五十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日3.影響沖擊壓入破巖效率的因素（2）工具形狀和尺寸的影響

2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖①同一種壓頭，壓入載荷與壓頭-巖石間的接觸面積成正比；②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58第五十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日3.影響沖擊壓入破巖效率的因素（3）自由面的影響

2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖

伯呂克試驗(yàn)結(jié)果在壓頭附近存在自由面，有利于侵入；壓頭侵入巖石所需載荷隨壓頭離開自由面的距離增大而增大。59第五十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日（3）自由面的影響

巴隆在大理巖、砂巖、花崗巖上試驗(yàn)的結(jié)果相鄰壓頭同時(shí)吃入，相互創(chuàng)造了自由面，有利于破碎。巴隆等人研究表明，相對(duì)間距t/d在1~2之間，侵入載荷降低40%左右；t/d超過4，和單獨(dú)侵入沒有區(qū)別；t/d小于1，壓痕重疊，侵入載荷增大；當(dāng)t/d等于0，侵入載荷可提高50%。3.影響沖擊壓入破巖效率的因素2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖60第六十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日相鄰兩壓頭的合理距離，取決于形成的最大破碎坑的尺寸。當(dāng)外載中心距大于或等于（D1+D2）/2，則O1CO2部分有可能不被破碎或不能被推出，從而形成兩個(gè)切削刃間的巖脊。當(dāng)外載中心距過小，則兩個(gè)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那部分巖石發(fā)生大剪切的困難增加。適宜間距是在（D1+D2）/3~（D1+D2）/2

之間。破碎坑的直徑：對(duì)脆性巖石，D:d=5~8；對(duì)塑性巖石，D:d=3~4。（3）自由面的影響

3.影響沖擊壓入破巖效率的因素2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖61第六十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日在載荷達(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，破巖速度反而下降。對(duì)某種巖石，存在一個(gè)最佳的沖擊頻率。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，增加沖擊頻率可提高破巖效率。（4）加載速度的影響

3.影響沖擊壓入破巖效率的因素2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖62第六十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日（5）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。3.影響沖擊壓入破巖效率的因素2.3鉆井巖石破碎機(jī)理一、沖擊壓入破巖63第六十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日二、切削破巖1.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)或直線運(yùn)動(dòng)，一層層將巖石剝離母體的一種機(jī)械破巖方法。

石油鉆井用切削破巖工具主要有刮刀鉆頭和PDC鉆頭兩種。PTPT2.3鉆井巖石破碎機(jī)理64第六十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日二、切削破巖徐小荷、余靜切削機(jī)理模型（1）變形階段;

（2）裂紋發(fā)生階段;

（3）成核階段;（4）塊體斷裂階段。2.切削破巖機(jī)理2.3鉆井巖石破碎機(jī)理65第六十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日（1）變形階段刃尖與巖石接觸，產(chǎn)生彈性變形。假設(shè)刃尖是具有有一定曲率的球體，根據(jù)赫茲理論，最大拉應(yīng)力發(fā)生在接觸面邊界點(diǎn)附近，巖石內(nèi)沿切削力方向的一定距離處的剪應(yīng)力達(dá)到極值。

（2）裂紋發(fā)生階段接觸邊緣E、F兩點(diǎn)的拉應(yīng)力超過巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生赫茲裂紋；B點(diǎn)處最大剪應(yīng)力超過巖石抗剪強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生剪切裂紋源。切削力所做的功部分轉(zhuǎn)成表面能。

（3）成核階段：剪切裂紋擴(kuò)展到自由面與赫茲裂紋相交，巖石內(nèi)已破碎的巖粉被擠壓成密實(shí)的切削核，并向包圍巖粉的巖壁施加壓力，一部分巖粉從前刃面射出。（4）塊體斷裂階段：巖粉施加的壓力超過剪切面（L-K）剪切強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生快體崩裂，完成一次躍進(jìn)式切削破碎過程。裂紋將首先沿著近似于對(duì)數(shù)螺線的路徑發(fā)展，然后向上彎曲至自由面。二、切削破巖2.切削破巖機(jī)理2.3鉆井巖石破碎機(jī)理66第六十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日二、切削破巖格雷的剪碎機(jī)理模型格雷（GrayK.E.）認(rèn)為，切削鉆頭的作用力可看作是作用于彈性半空間的線載荷，其剪應(yīng)力軌跡為與最大主應(yīng)力呈一定交角的對(duì)數(shù)螺線。當(dāng)剪應(yīng)力超過巖石的抗剪強(qiáng)度后，裂紋將首先沿著近似于對(duì)數(shù)螺線的路徑發(fā)展，然后向上彎曲至自由面。2.切削作用下巖石的破碎機(jī)理2.3鉆井巖石破碎機(jī)理67第六十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日二、切削破巖別隆切削機(jī)理模型別隆采用高速攝影法記錄下煤炭的切削頗似過程之后，認(rèn)為：在切削過程中，隨著刃-煤接觸壓力的增大，煤炭首先被擠碎成細(xì)粉末，并壓實(shí)承壓實(shí)體。當(dāng)切削力增大到一定大小后，從壓實(shí)體邊緣產(chǎn)生大體積剪碎。2.切削作用下巖石的破碎機(jī)理2.3鉆井巖石破碎機(jī)理68第六十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日二、切削破巖

王成勇研究了輝綠巖、花崗巖切削斷裂應(yīng)力性質(zhì)，提出了硬巖切削機(jī)理模型：切削破巖過程為：在刃尖以及前刃面因擠壓作用產(chǎn)生赫茲裂紋擴(kuò)展，再被壓碎；形成壓實(shí)體，并由壓實(shí)體代替刃尖切削；進(jìn)一步切削，產(chǎn)生斷裂紋，并按弧形軌跡向自由面擴(kuò)展，形成大塊體斷裂切屑。

切削壓碎區(qū)是由拉應(yīng)力衍生的為裂紋擴(kuò)展形成的，但也不能排除剪引力的存在。斷裂紋的生成和擴(kuò)展主要是拉應(yīng)力作用的結(jié)果，剪應(yīng)力的作用較小。2.切削作用下巖石的破碎機(jī)理2.3鉆井巖石破碎機(jī)理69第六十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日3.影響切削破巖效率的因素二、切削破巖（1）巖性巖石性質(zhì)對(duì)切削破巖效率有著非常重要的影響。切削破巖是利用切削刀具在兩向力，即軸向壓力和扭矩的共同作用下破碎巖石的一種準(zhǔn)靜載破巖方式，其破巖過程是連續(xù)的。當(dāng)切削力達(dá)到或超過巖石的抗破碎強(qiáng)度時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)切削，破巖效率高。當(dāng)切削力小于巖石的抗破碎強(qiáng)度時(shí)，切削刀具不能吃入巖石，將出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象。因此，在軟的、塑性、弱研磨性地層中，切削破巖效率較高；而在硬的、彈性較大的、強(qiáng)研磨性地層中，切削破巖效率較低，甚至“打滑”。2.3鉆井巖石破碎機(jī)理70第七十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日（2）切削刀具的材料、形狀和尺寸切削刀具的材料影響刀刃的強(qiáng)度、耐磨性和自銳性。切削刀具的形狀影響刃下巖石的應(yīng)力性質(zhì)和分布狀態(tài)，也影響刀刃的自銳性，從而影響巖石的破碎效率。切削刀具的尺寸對(duì)破巖效率有著非常重要的影響。在保證切削力能夠達(dá)到巖石破碎強(qiáng)度的條件下，切削刀具的尺寸越大，破巖效率越高。但在切削力一定的條件下，切削刀具的尺寸越大，與巖石的接觸面積越大，接觸應(yīng)力則越小，當(dāng)小到低于巖石的抗破碎強(qiáng)度時(shí)，便無法使巖石破碎。因此，尺寸較小的切削刀具可以破碎較硬的巖石。但切削刀具過小，則強(qiáng)度低，磨損速度快，也將對(duì)破巖效率產(chǎn)生不利的影響。3.影響切削破巖效率的因素二、切削破巖2.3鉆井巖石破碎機(jī)理71第七十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日（3）切削角切削刀具的切削角對(duì)破巖效率也有著十分重要的影響。切削刀具受軸向力和扭矩兩向載荷的作用，切削角影響合力的大小和方向，從而影響刃下巖石的應(yīng)力性質(zhì)和分布狀態(tài)。因此，存在著一個(gè)最優(yōu)的切削角。最優(yōu)切削角與巖石性質(zhì)、刀具形狀及尺寸等因素有關(guān)。3.影響切削破巖效率的因素二、切削破巖2.3鉆井巖石破碎機(jī)理FFVR‘FFPRPPRF刮刀鉆頭PDC鉆頭柱齒、牙輪、金剛石72第七十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.3鉆井巖石破碎機(jī)理3.影響切削破巖效率的因素二、切削破巖（4）鉆進(jìn)參數(shù)鉆壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)也影響切削破巖效率。地層越硬，有效破碎巖石需要的切削力越大，鉆壓硬越大。轉(zhuǎn)速越高，破眼效率越高，但刀具磨損越嚴(yán)重。73第七十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日三、研磨破巖機(jī)理1.研磨破巖原理胎體金剛石表鑲式孕鑲式研磨破巖是利用金剛石破碎巖石的一種破巖方法。金剛石顆粒在軸向力和扭矩的作用下，連續(xù)研磨、刻劃、犁削巖石，達(dá)到破碎巖石目的。金剛石在鉆頭上的鑲嵌方式有表鑲式和孕鑲式兩種。2.3鉆井巖石破碎機(jī)理PT1－胎體2－金剛石3－巖石

74第七十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日2.金剛石破巖現(xiàn)象（1）單粒金剛石的破巖現(xiàn)象（武漢地質(zhì)大學(xué)）單粒天然金剛石金剛石：渾圓狀，粒度2.5mm（8~10粒/克拉）巖樣：大理巖、石灰?guī)r、花崗巖軸向壓力：10~15kg/粒，在巖樣上緩慢旋轉(zhuǎn)一周，測(cè)量刻槽深度、寬度，觀察刻槽形狀和巖粉大小如下表：巖樣靜壓入深度（mm）槽深（mm）槽寬（mm）巖粉粒度（mm）破碎坑錐角大理巖0.04~0.050.1651.30.0775151°30’石灰?guī)r0.04~0.0450.151.00.055146°36’花崗巖0.050.091.00.21159°36’四、研磨破巖機(jī)理2.3鉆井巖石破碎機(jī)理75第七十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日

試驗(yàn)結(jié)論：①在兩向載荷作用下，金剛石破巖效果比單向靜壓入好得多；②巖粉尺寸為壓入深度的幾倍和幾十倍，說明巖石破碎具有體積破碎的性質(zhì)，破碎坑為漏斗形。③切削刃后側(cè)都出現(xiàn)向上翹起的條狀巖屑，長(zhǎng)度達(dá)18~20mm，說明巖石內(nèi)部不是單純的壓應(yīng)力，在靠近金剛石移動(dòng)的后部產(chǎn)生拉應(yīng)力，卸載時(shí)形成拉應(yīng)力破碎。