第一章巖石性質(zhì)與破碎L(zhǎng)U

第一章

巖土的物理力學(xué)性質(zhì)及其破碎機(jī)理

一、巖石的組成

二、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

三、巖石的可鉆性及可鉆性分級(jí)

四、土的物理力學(xué)性質(zhì)特征

五、巖石的破碎機(jī)理

第一節(jié)

巖石的組成

一、巖石的組成與分類巖石是礦物的集合體。礦物是具有一定成分和物理性質(zhì)無機(jī)物質(zhì)。根據(jù)其成因，巖石可分為三類：

1、巖漿巖：巖漿巖是內(nèi)力地質(zhì)作用的產(chǎn)物，由地殼深處的巖漿沿地殼裂隙上升冷凝而成。

2、沉積巖：沉積巖是在地表?xiàng)l件下母巖(巖漿巖、變質(zhì)巖或早先形成的沉積巖)風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)搬運(yùn)、沉積和硬結(jié)等成巖作用而形成的巖石。。

3、變質(zhì)巖：變質(zhì)巖是巖漿巖、沉積巖甚至是變質(zhì)巖本身在地殼中受到高溫、高壓及活動(dòng)性流體的影響而變質(zhì)形成的巖石。

第一節(jié)

巖石的組成

一、巖石的組成與分類一般而言：巖漿巖的強(qiáng)度和硬度都較高，沉積巖的強(qiáng)度和硬度則較低，而變質(zhì)巖的強(qiáng)度和硬度變化不均。金屬和非金屬礦床一般賦存于巖漿巖和變質(zhì)巖中，煤和石油等可燃性礦產(chǎn)通常與沉積巖共存。

第一節(jié)

巖石的組成

二、巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造（一）巖石的結(jié)構(gòu)

巖石結(jié)構(gòu)是說明巖石的微觀組織特征的。它與礦物顆粒的大小、形狀和表面特征有關(guān)，反映巖石的非均質(zhì)性和孔隙性。

第一節(jié)

巖石的組成

二、巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

（二）巖石的構(gòu)造巖石構(gòu)造是表示巖石宏觀的組織特征，它說明礦物顆粒之間的組合形式和空間分布情況。巖石構(gòu)造決定了巖石的各向異性和裂隙性。沉積巖和變質(zhì)巖的構(gòu)造，在進(jìn)行破碎時(shí)有重要意義。

第一節(jié)

巖石的組成

（二）巖石的構(gòu)造

1、巖漿巖的構(gòu)造：塊狀構(gòu)造

2、沉積巖的構(gòu)造：主要構(gòu)造特征是在沉積巖形成過程中產(chǎn)生的層理。反映巖石成分在垂直方向上的變化。

3、變質(zhì)巖的構(gòu)造：主要構(gòu)造特征是片理。巖石沿平行平面分裂為薄片的能力叫做片理。層理、片理會(huì)引起巖石的各向異性。第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

巖石的物理性質(zhì)是巖石受一定的自然或人工物理場(chǎng)或介質(zhì)作用后的特殊行為（響應(yīng)），由其組成、結(jié)構(gòu)所決定。

巖石的物理性質(zhì)有很多，本節(jié)主要研究影響巖石破碎過程的物理性質(zhì)，如粘結(jié)狀態(tài)、孔隙度、密度、容重等。巖石的力學(xué)性質(zhì)是在外載作用下才表現(xiàn)出來巖石抵抗變形和破壞的能力。如強(qiáng)度、硬度、彈性、脆性、塑性和研磨性等。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

一、巖石的孔隙比與孔隙度

1、巖石的孔隙比kP：巖石中的孔隙體積VP與巖石中固相骨架的體積Vc

之比

kP=VP/Vc2、巖石的孔隙度P：巖石中的孔隙體積VP與巖石總體積V

的百分比巖石的孔隙性削弱了巖石的強(qiáng)度。一般沉積巖具有高的孔隙度；隨著埋深的增大，巖石的孔隙度降低。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

二、巖石的密度與容重

1、巖石的密度ρs：巖樣的質(zhì)量m與其總體積V之比。均質(zhì)物質(zhì)的密度為質(zhì)量與體積之比。

2、巖石的容重γs：是巖樣重量G與其總體積V之比

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

三、巖石的強(qiáng)度

1、巖石的強(qiáng)度的基本概念巖石在載荷作用下抵抗破壞的能力。破壞前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極限強(qiáng)度

2、巖石的強(qiáng)度的類型（1）根據(jù)受力條件，巖石的極限強(qiáng)度可分為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等；（2）根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)，巖石強(qiáng)度可分為單向、兩向、三向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度；（3）根據(jù)加載速度，有靜載強(qiáng)度和動(dòng)載強(qiáng)度。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

三、巖石的強(qiáng)度

3、影響巖石強(qiáng)度的因素（1）一般情況下，造巖礦物強(qiáng)度越高，巖石的強(qiáng)度也越高。沉積巖的強(qiáng)度取決于膠結(jié)物所占的比例及其礦物成分。細(xì)粒巖石的強(qiáng)度大于同一礦物組成的粗粒巖石。（2）巖石的孔隙度增加，密度降低，強(qiáng)度也降低。因此，一般巖石的強(qiáng)度隨埋深的增大而增大。（3）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，平行于層理的抗壓強(qiáng)度最小，在與層理斜交方向上的抗壓強(qiáng)度介于兩者之間。第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

三、巖石的強(qiáng)度

3、影響巖石強(qiáng)度的因素

（4）巖石的受載方式導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度值差異很大。巖石的抗壓強(qiáng)度最大，抗剪強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的10%。因此，鉆掘過程中，破巖工具應(yīng)主要以剪切的方式來破碎巖石。（5）多向應(yīng)力狀態(tài)下的巖石強(qiáng)度比簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度高出許多倍。（6）加載速度的影響：①

加載速度增加，巖石的強(qiáng)度提高；②

加載速度對(duì)塑性巖石強(qiáng)度的影響大，對(duì)脆性巖石強(qiáng)度的影響小。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

四、巖石的硬度

1、巖石的硬度的基本概念：巖石的硬度反映巖石抵抗外部更硬物體壓入（侵入）其表面的能力。

2、硬度與抗壓強(qiáng)度的區(qū)別與聯(lián)系

（1）巖石的硬度與抗壓強(qiáng)度一般存在正比例關(guān)系；（2）抗壓強(qiáng)度是固體抵抗整體破壞時(shí)的阻力，而硬度則是固體表面對(duì)另一物體局部壓入或侵入時(shí)的阻力。

（3）硬度指標(biāo)更接近于鉆掘過程的實(shí)際情況。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

四、巖石的硬度

3、影響巖石硬度的因素（1）巖石中堅(jiān)硬礦物愈多、膠結(jié)物的硬度越大、巖石的顆粒越細(xì)、結(jié)構(gòu)越致密，巖石的硬度越大。而孔隙度高、密度低、裂隙發(fā)育的巖石硬度將會(huì)降低。（2）巖石的硬度具有明顯的各向異性。層理對(duì)巖石硬度的影響與對(duì)巖石強(qiáng)度的影響相反。垂直于層理方向，硬度值最??；平行于層理方向，硬度最大；兩者之間可相差1.05～1.8倍。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

四、巖石的硬度

3、影響巖石硬度的因素（3）在各向均勻壓縮的條件下，巖石的硬度增加。在常壓下硬度越低的巖石，隨著圍壓增大，其硬度值增長(zhǎng)越快。（4）一般而言，隨著加載速度增加，將導(dǎo)致巖石的塑性系數(shù)降低，硬度增加。但當(dāng)沖擊速度小于10m/s時(shí)，硬度變化不大。加載速度對(duì)低強(qiáng)度、高塑性及多孔隙巖石硬度的影響更顯著。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

4、巖石硬度的測(cè)定

（1）靜壓入法：以1~5mm2的壓頭壓入巖樣表面，巖石破碎時(shí)的載荷Pmax除以接觸面積S，則為巖石的硬度值Hy（通常稱為壓入硬度）。

(Pa)（2）沖擊回彈法：利用重物落在巖石表面后回彈高度或回彈角度和回彈次數(shù)來確定巖石的硬度。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

五、巖石的彈性和塑性

1、巖石彈性、塑性的概念

巖石在外力作用下經(jīng)歷應(yīng)力應(yīng)變過程。當(dāng)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；當(dāng)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，這種變形稱為塑性變形。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

2、巖石破壞的形式（1）脆性破壞：破壞前不存在塑性變形。呈脆性破壞的巖石稱為脆性巖石；（2）塑性破壞：破壞前發(fā)生大量的塑性變形。呈塑性破壞的巖石稱為塑性巖石；

（3）塑脆性破壞：先經(jīng)歷彈性變形，然后塑性變形，最終導(dǎo)致破壞。呈塑脆性破壞的巖石稱為塑脆性巖石。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

五、巖石的彈性和塑性

3、巖石彈性、塑性的表示方法

（1）衡量巖石彈性的指標(biāo)主要是彈性模數(shù)E和泊松比μ。

彈性模數(shù)：彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，(Pa)或(MPa)。

泊松比：彈性變形階段橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，無量綱值。（2）在鉆探過程中衡量巖石塑性程度的塑性系數(shù)K：塑性系數(shù)：巖石破碎前所消耗的總能量與彈性變形的能量之比，

無量綱值。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

六、巖石的研磨性

1、巖石研磨性：巖石磨損工具的能力。

2、巖石磨損形式（1）摩擦磨損：孔底巖石與切削工具相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的磨損。與所鉆巖石的研磨性、切削工具的耐磨性、鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)有關(guān)；（2）磨粒磨損：孔底破碎巖屑對(duì)切削工具的磨損。與巖屑的硬度和研磨性、巖屑的數(shù)量（鉆進(jìn)速度）、鉆孔沖洗的程度等有關(guān)。在金剛石鉆進(jìn)中這種磨損形式起著重要的作用，因?yàn)閹r粉能磨蝕金剛石鉆頭的胎體，幫助孕鑲金剛石出刃。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

六、巖石的研磨性

3、影響巖石研磨性的因素（1）巖石顆粒的硬度越大，研磨性也越強(qiáng)，石英巖具有強(qiáng)研磨性（2）巖石膠結(jié)物的粘結(jié)強(qiáng)度越低，巖石的研磨性越強(qiáng)。（3）巖石顆粒形狀越尖銳、顆粒尺寸越大，巖石的研磨性越強(qiáng)。（4）巖石表面粗糙，局部接觸易產(chǎn)生應(yīng)力集中，

研磨性增強(qiáng)（5）硬度相同時(shí)，單礦物巖石的研磨性較低，非均質(zhì)和多礦物的巖石（如花崗巖）研磨性較強(qiáng)。巖石中較軟的礦物（云母，長(zhǎng)石）首先被破碎下來，使巖石表面變粗糙，同時(shí)石英顆粒出露，從而增強(qiáng)了研磨能力。（6）介質(zhì)的影響，濕潤(rùn)和含水的巖石硬度和研磨性都會(huì)降低。

第三節(jié)

巖石的可鉆性及可鉆性分級(jí)

一、巖石可鉆性的概念

1、巖石可鉆性的概念巖石可鉆性是表示鉆進(jìn)過程中巖石破碎的難易程度。在鉆探生產(chǎn)中通常用機(jī)械鉆速作為衡量巖石可鉆性的指標(biāo)，單位是m／h。

2、巖石的可鉆性及可鉆性分級(jí)的意義可鉆性及可鉆性分級(jí)是決定鉆進(jìn)效率的基本因素，也是確定巖石破碎的難易程度的綜合指標(biāo)。對(duì)鉆探生產(chǎn)非常重要，它是合理選擇鉆進(jìn)方法、鉆頭類型和結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的依據(jù)，也是制訂鉆探生產(chǎn)定額和編制鉆探生產(chǎn)計(jì)劃的依據(jù)。

第三節(jié)

巖石的可鉆性及可鉆性分級(jí)

二、巖石可鉆性分級(jí)的方法

1、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法采用單一的力學(xué)性質(zhì)劃分巖石的可鉆性級(jí)別。據(jù)壓入硬度值把巖石分成6類12級(jí)，據(jù)擺球的回彈次數(shù)把巖石分成12級(jí)。如果兩種方法確定的可鉆性級(jí)別不一致，可按包括壓入硬度值Hy和擺球硬度值Hn的回歸方程式（1-17）來確定可鉆性K值。

K=3.198+8.854×10-3Hy+2.578×10-2Hn2、實(shí)際鉆進(jìn)速度法在規(guī)定的設(shè)備工具和技術(shù)規(guī)范條件下進(jìn)行實(shí)際鉆進(jìn)，以機(jī)械鉆速作為巖石的可鉆性級(jí)別。隨著技術(shù)的進(jìn)步，必須實(shí)時(shí)修正。原地礦部曾制定了適合于金剛石鉆進(jìn)的巖石可鉆性，如表1-6所列。

第三節(jié)

巖石的可鉆性及可鉆性分級(jí)

二、巖石可鉆性分級(jí)的方法

3、微鉆法采用模擬的微型孕鑲金剛石鉆頭，按一定的規(guī)程，對(duì)巖心進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)。

原地礦部的規(guī)范：以微鉆的平均鉆速作為巖石可鉆性指標(biāo)，共分12級(jí)。原石油部的規(guī)范：用微鉆在巖樣上鉆三個(gè)孔深2.4mm的孔，取三個(gè)孔鉆進(jìn)時(shí)間的平均值為鉆時(shí)t

，取整后作為該巖樣的可鉆性級(jí)別，可把油田地層的可鉆性分成10個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高，鉆進(jìn)越難。

Kd=log2t

第三節(jié)

巖石的可鉆性及可鉆性分級(jí)

二、巖石可鉆性分級(jí)的方法

4、破碎比功法用圓柱形壓頭作壓入試驗(yàn)時(shí)，可通過壓力與侵深曲線圖求出破碎功，然后計(jì)算出單位接觸面積破碎比功AS，根據(jù)破碎比功法對(duì)巖石可鉆性分成10個(gè)等級(jí)。近年來，許多科學(xué)家認(rèn)為該方法是比較合理的一種方法。第三節(jié)

巖石的可鉆性及可鉆性分級(jí)二、巖石可鉆性分級(jí)的方法

5、巖屑聲波法

通過測(cè)定巖屑的聲波波速，來定量計(jì)算巖石的可鉆性級(jí)值。

自學(xué)內(nèi)容安排

第四節(jié)土的物理力學(xué)性質(zhì)特征（自學(xué)P13~P15）一、土的基本組成二、土的物理性質(zhì)特征（土的含水量、土的密實(shí)度、土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)、土的滲透系數(shù)）三、土的力學(xué)性質(zhì)特征（土的壓縮性、土的抗剪性、土的極限平衡條件）四、土的工程分類第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

一、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(jī)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vθ向前移動(dòng)而切削(剪切)巖石。工作參數(shù)是：移動(dòng)速度vθ、軸向力Pz和切向力Pθ以及介質(zhì)性質(zhì)。

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

一、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(dòng)載，碎巖的過程可用工具動(dòng)能Tk和巖石變形位能U的方程式來表達(dá)（T＝U

）：式中：m——鉆頭和沖擊鉆桿的質(zhì)量；

vθ——鉆頭同巖石碰撞時(shí)的速度；

δmax——鉆頭侵入巖石的最大深度；

Pz（δ）——巖石抵抗鉆頭侵入的阻力。第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

一、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Pθ作用于巖石，而且還有使鉆頭向前回轉(zhuǎn)的移動(dòng)速度vθ和沖錘對(duì)齒刃的沖擊速度vz或牙輪滾動(dòng)時(shí)齒刃向下沖擊的速度vω。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(shí)旋轉(zhuǎn)中心的距離。

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

二、外載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)

切削具對(duì)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(zhǎng)方平底形壓模與彈性半無限體所限制的平面的相互作用。討論不同形狀切削具在外載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)。（一）平底圓柱形壓頭壓入時(shí)應(yīng)力狀態(tài)

（二）球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（三）軸向力和切向力共同作用時(shí)壓頭下方巖石的應(yīng)力狀態(tài)

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

（一）平底圓柱形壓頭壓入時(shí)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1-6），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。

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

（一）平底圓柱形壓頭壓入時(shí)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(duì)稱軸上各應(yīng)力分量為：

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

（一）平底圓柱形壓頭壓入時(shí)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，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z=0處：

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

（一）平底圓柱形壓頭壓入時(shí)應(yīng)力狀態(tài)各若將τ對(duì)z求導(dǎo)，并使其等于零，則：

設(shè)μ=0.3，則z0=0.638a，τmax=0.33p。這表明在z軸上，最大剪應(yīng)力約為均勻壓強(qiáng)的l／3。平底圓柱形壓頭壓入時(shí)應(yīng)力存在兩個(gè)極值點(diǎn):壓頭邊緣處、對(duì)稱軸上z≈a處。第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理圖1－8壓頭下相對(duì)剪應(yīng)力等直線圖第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

（二）球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)

球體壓入時(shí)，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(diǎn)離開壓力面中心的距離r的增加而不斷減小的一個(gè)函數(shù)(如圖)，即：在壓力中心處：在壓力邊緣處：

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

（二）球形壓頭壓入時(shí)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(duì)稱軸上的各應(yīng)力分量為：

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

（二）球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)

各應(yīng)力分量隨z軸的變化：剪應(yīng)力τ隨z的變化開始由小到大，一個(gè)臨界深度z0處τ達(dá)最大值。在z=0有：

；

如果設(shè)μ=0.3，根據(jù)計(jì)算，z0=0.5a，τmax=0.31p

，同樣存在兩個(gè)極值點(diǎn)：壓力面周圍及對(duì)稱軸上z0=0.5a處。

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

（三）軸向力和切向力共同作用時(shí)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(shí)作用于巖石。此時(shí)，巖石的應(yīng)力分布與只有軸向載荷時(shí)不同。

只有軸向力作用時(shí)，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(shí)，等應(yīng)力線分布則是非均勻的、不對(duì)稱的。

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

（三）軸向力和切向力共同作用時(shí)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，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)（Ⅰ）、拉應(yīng)力區(qū)（Ⅱ）和過渡區(qū)（Ⅲ）。壓縮區(qū)Ⅰ隨軸向力增加而擴(kuò)大，隨切向力的增加而縮??；拉伸區(qū)Ⅱ則與上述情況相反。

第五節(jié)

巖石的破碎機(jī)理

三、巖石在外載作用下的破碎過程

（一）巖石的變形破碎形式切削具對(duì)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(dòng)時(shí)，將研磨孔底巖石，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(gè)區(qū)稱為表面破碎區(qū)。

第五節(jié)