第四講 巖石物理及力學(xué)性質(zhì)

1、第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述o一、巖石的組成與分類o 巖石是礦物的集合體。礦物是具有一定成分和物理性質(zhì)的無o機物質(zhì)。根據(jù)其成因，巖石可分為三類：o 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o的巖漿沿地殼裂隙上升冷凝而成。o 2、沉積巖：沉積巖是在地表條件下母巖(巖漿巖、變質(zhì)巖o或早先形成的沉積巖)風化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)搬運、沉積和硬結(jié)o等成巖作用而形成的巖石。o 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o在地殼中受到高溫、高壓及活動性流體的影響而變質(zhì)形成的o巖石。 第四章 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述一般而言：一般而言：金屬和非金屬礦床一般賦存于巖漿巖和變質(zhì)巖中，金屬和非金屬礦床一般

2、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。煤和石油等可燃性礦產(chǎn)通常與沉積巖共存。 一、巖石按粘結(jié)狀態(tài)的分類一、巖石按粘結(jié)狀態(tài)的分類 1. 1. 堅固巖石：堅固巖石： 通常具有高硬度，巖石破碎后其礦物質(zhì)點之間的分子連接力都不會恢復(fù)。堅固巖石分含石英和不含石英兩類，前者硬度高，難以鉆掘。通常在生產(chǎn)中會遇到無裂紋和裂隙性兩種堅固巖石。在完整的堅固巖石中施工時，孔（井）壁穩(wěn)定不必加固，而在強裂隙性巖石中穿過的孔（井）壁 必須加固。 第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述2. 2. 粘結(jié)性巖石粘結(jié)性巖石 粘結(jié)性巖石由粘土礦物或主要由粘土礦物粘結(jié)的碎屑巖細 粒組成，特

3、征： 濕潤條件下，被破壞之前可以有大的殘余變形； 質(zhì)點間的內(nèi)聚力，隨濕潤不同可在很寬的范圍內(nèi)變化； 在粘結(jié)狀態(tài)被破壞后，可采取高壓和增濕的辦法使其內(nèi)聚力得以恢復(fù)； 某些粘結(jié)性巖石（粘土巖、白堊）在濕潤狀態(tài)下具有膨脹性，易造成孔（井）壁縮徑或坍塌。 第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述3. 3. 松散性巖石松散性巖石 松散性巖石由相互之間無粘結(jié)性的不同形狀與尺寸的細粒（砂、礫石、卵石、漂礫等）聚集 而成。在這類巖石中鉆掘的同時必須加固孔（井）壁，以防止坍塌。4. 4. 流動性巖石流動性巖石 流動性巖石（流砂層）由含水的砂質(zhì)粘土類巖石（細砂、亞砂土）組成。當砂粒之間存在著極細小

4、的粘土顆粒時，這類巖石具有較強的流動性。如果位于上覆巖層形成的高水頭壓力 之下，則流砂會沿著鉆孔上涌。因此在這類巖石中施工必須一邊鉆掘一邊加固孔（井）壁。 第一節(jié)第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述二、巖石和土體的區(qū)別o 首先，巖石礦物顆粒間具有牢固的連結(jié)；o 其次，巖石作為建筑物地基或建筑物環(huán)境的巖體，有優(yōu)點也有缺點。o 最后，巖體與土體的另一個重要差別，就是巖體中具有較高的地應(yīng)力。 三、巖石的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標三、巖石的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標 （1）巖石的顆粒密度）巖石的顆粒密度 巖石的顆粒密度巖石的顆粒密度（s，g/cm3）是巖石固相物質(zhì)的質(zhì)量（ms，g）與其體積（Vs，c

5、m3）的比值。巖石顆粒密度試驗采用比重瓶法。 （2）巖石的塊體密度）巖石的塊體密度 巖石的塊體密度巖石的塊體密度（，g/cm3）是試件質(zhì)量（m，g）與試件體積（V，cm3）的比值。根據(jù)巖石的含水狀態(tài)，巖石塊體密度可分為干密度、飽和密度和濕密度等。巖石的塊體密度試驗可采用量積法、水中稱量法或蠟封法。 工程上常用巖石容重或重度巖石容重或重度（，kN/m3），其數(shù)值上等于密度與重力加速度g的稱乘積。 （3）、巖石的孔隙比與孔隙度巖石的孔隙比與孔隙度 1、巖石的孔隙比、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/Vc 2、巖石的孔隙度、巖石的孔隙度P：巖石中的孔

6、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度。巖石的孔隙性削弱了巖石的強度。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。 總空隙率 總開空隙率大開空隙率 小開空隙率閉空隙率%1001%100%100PPPcPPkkVVVVVP第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述 （4）、巖石的含水性）、巖石的含水性 巖石的含水率巖石的含水率（w，%）是試件在105110下烘干至恒量時所失去的水的質(zhì)量（m0-ms,g）與試件干質(zhì)量（ms，g）的比值，以百分數(shù)表示。 巖石的吸水性巖石的吸水性 巖石在一定的條件下吸收水分的性能稱為巖石的吸水吸水性。性。表征巖石

7、吸水性的指標有吸水率、飽和吸水率和吸水率、飽和吸水率和飽水系數(shù)飽水系數(shù)。 巖石吸水率巖石吸水率（wa，%）是試件在大氣壓力和室溫條件下吸入水的質(zhì)量（ m0-ms,g ）與試件固體質(zhì)量（ms，g）的比值，以百分數(shù)表示；巖石飽和吸水率巖石飽和吸水率（wsa，%）是試件在強制狀態(tài)下的最大吸水量（mpms，g）與試件固體質(zhì)量（ms，g）的比值，以百分數(shù)表示。巖石飽水系巖石飽水系數(shù)數(shù)kw是指巖石吸水率與飽水率的比值，以百分數(shù)表示。 一般巖石的飽水系數(shù)kw介于0.50.8之間。飽水系數(shù)對于判別巖石的抗凍性抗凍性具有重要意義。 （5）、巖石的親水性）、巖石的親水性 膨脹性膨脹性是指某些由黏土礦物組成的巖石浸

8、水后，因黏土礦物具有較強的親水性，致使巖石中顆粒間的水膜增厚，或者水滲入礦物晶體內(nèi)部，從而引起巖石的體積或長度膨脹。表征巖石膨脹性的指標有巖石自巖石自由膨脹率、巖石側(cè)向約束膨脹率和巖石膨脹壓力由膨脹率、巖石側(cè)向約束膨脹率和巖石膨脹壓力等。 軟化性軟化性巖石浸水后強度變低的性質(zhì)。取決于它的巖石浸水后強度變低的性質(zhì)。取決于它的巖石性質(zhì)和空隙性。軟化性弱說明其抗凍性和抗風化巖石性質(zhì)和空隙性。軟化性弱說明其抗凍性和抗風化性強。性強。 軟化系數(shù)：軟化系數(shù)： 軟化系數(shù)越小，軟化性越弱。軟化系數(shù)越小，軟化性越弱。 透水性透水性巖石的透水性服從達西定律。它取決于空巖石的透水性服從達西定律。它取決于空隙的數(shù)量、

9、大小、方向及連通情況。隙的數(shù)量、大小、方向及連通情況。cdcwRK （6）、巖石的抗凍性 巖石的抗凍性巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍融破壞的性質(zhì)。巖石的抗凍性可以用抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率兩個指標表示。主要取決于巖石中大開空隙的發(fā)育情況、親水性和可溶性礦物的含量及礦物顆粒間的連結(jié)力。 （7 7）、巖石的熱學(xué)性）、巖石的熱學(xué)性 常用的是比熱容，熱導(dǎo)率和熱擴散率四、巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造四、巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造u 巖石結(jié)構(gòu)說明巖石的微觀組織特征。與礦物顆粒的大小、形巖石結(jié)構(gòu)說明巖石的微觀組織特征。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。狀和表面特征有關(guān)，反映巖石的非均質(zhì)性和孔隙性。u 巖漿

10、巖主要具有塊狀結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造特征對鉆掘破碎巖石沒有巖漿巖主要具有塊狀結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造特征對鉆掘破碎巖石沒有顯著影響。顯著影響。u 沉積巖的成因廣泛，故其結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。碎屑巖具有碎屑沉積巖的成因廣泛，故其結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。碎屑巖具有碎屑結(jié)構(gòu)，按碎屑的大小可分為結(jié)構(gòu)，按碎屑的大小可分為q 礫狀結(jié)構(gòu)（碎屑直徑礫狀結(jié)構(gòu)（碎屑直徑2mm）、）、q 粗粒結(jié)構(gòu)（碎屑直徑粗粒結(jié)構(gòu)（碎屑直徑12mm）、）、q 中砂結(jié)構(gòu)（碎屑直徑中砂結(jié)構(gòu)（碎屑直徑0.11m m）、）、q 粉砂結(jié)構(gòu)（碎屑直徑粉砂結(jié)構(gòu)（碎屑直徑0.010.1mm）。）。第一節(jié)第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述o 碎屑巖的膠結(jié)形式也對巖石的

11、力學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。沉碎屑巖的膠結(jié)形式也對巖石的力學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。沉積巖通常具有層狀構(gòu)造，它是由層理決定的。層理反映巖積巖通常具有層狀構(gòu)造，它是由層理決定的。層理反映巖石在垂直方向上成分的變石在垂直方向上成分的變 化，即巖石顆粒大小在垂直方化，即巖石顆粒大小在垂直方向上的改變，不同成分顆粒的交替，或者某些巖石顆粒的向上的改變，不同成分顆粒的交替，或者某些巖石顆粒的定向定向 排列。層理導(dǎo)致巖石的各向異性。排列。層理導(dǎo)致巖石的各向異性。o 變質(zhì)巖是在高溫高壓下生成的，一般具有晶體結(jié)構(gòu)、片理變質(zhì)巖是在高溫高壓下生成的，一般具有晶體結(jié)構(gòu)、片理狀構(gòu)造。所謂片理就是巖石沿平行狀構(gòu)造。所謂片理就是巖石

12、沿平行 平面分裂為薄片的能平面分裂為薄片的能力。片理也會引起巖石的各向異性。力。片理也會引起巖石的各向異性。 o 用各向異性系數(shù)來表征巖石在不同的方向上力學(xué)性質(zhì)的差用各向異性系數(shù)來表征巖石在不同的方向上力學(xué)性質(zhì)的差異：異： 第一節(jié)第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述 巖石的物理性質(zhì)是由巖石的組成結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的性巖石的物理性質(zhì)是由巖石的組成結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。巖石的物理性質(zhì)有很多，本節(jié)主要研究影響巖石破碎質(zhì)。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、結(jié)構(gòu)和構(gòu)過程的物理性質(zhì)，如粘結(jié)狀態(tài)、孔隙度、密度、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等。造等。 巖石的力學(xué)性

13、質(zhì)是在外載作用下才表現(xiàn)出來巖石抵抗巖石的力學(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。變形和破壞的能力。如強度、硬度、彈性、脆性、塑性和如強度、硬度、彈性、脆性、塑性和研磨性等。研磨性等。 第一節(jié)第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述一、巖體的變形特征一、巖體的變形特征單軸壓縮條件下巖石變形特征（變形階段劃分）單軸壓縮條件下巖石變形特征（變形階段劃分） 1 1）第一變形階段為圖中）第一變形階段為圖中OA段曲線，屬于段曲線，屬于微裂隙微裂隙壓密階段壓密階段; 2; 2）第二變形階段為圖中）第二變形階段為圖中ABAB段曲線，屬段曲線，屬于于彈性變形階段彈性變形階段; ; 3

14、）第三變形階段為圖中）第三變形階段為圖中BCBC段曲段曲線，屬于線，屬于初級膨脹階段初級膨脹階段; 4）第四變形階段為圖中）第四變形階段為圖中CD段曲線，屬于段曲線，屬于破壞階段破壞階段; 5）第五變形階段為圖）第五變形階段為圖中中DE段曲線，屬于段曲線，屬于峰值后的變形與破壞階段峰值后的變形與破壞階段。變形指標：變形模量變形指標：變形模量E，泊松比泊松比第三節(jié)第三節(jié) 巖體的主要力學(xué)特性巖體的主要力學(xué)特性巖石、巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線巖石、巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線巖體壓力變形曲線的三種基本類型巖體壓力變形曲線的三種基本類型二、巖體的流變特征二、巖體的流變特征蠕變?nèi)渥儯褐冈趹?yīng)力一定的條件下指在應(yīng)力一定的條件

15、下,變形隨時間變形隨時間的持續(xù)而逐漸增長的現(xiàn)象的持續(xù)而逐漸增長的現(xiàn)象；松弛松弛：變形保持一變形保持一定時，應(yīng)力隨時間的增長而逐漸減小的現(xiàn)象。定時，應(yīng)力隨時間的增長而逐漸減小的現(xiàn)象。長期強度長期強度：出現(xiàn)蠕變破壞的最低應(yīng)力值。出現(xiàn)蠕變破壞的最低應(yīng)力值。三三 、脆性與塑性破壞巖體的剪應(yīng)力剪位移曲線、脆性與塑性破壞巖體的剪應(yīng)力剪位移曲線巖體的破壞機制巖體的破壞機制 （1 1）、巖石的強度）、巖石的強度 1、巖石的強度的基本概念、巖石的強度的基本概念 巖石在載荷作用下抵抗破壞的能力。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度 2、巖石的強度的

16、類型、巖石的強度的類型 （1）根據(jù)受力條件，）根據(jù)受力條件，巖石的極限強度可分為抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度等； （2）根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)，）根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)，巖石強度可分為單向、兩向、三向應(yīng)力狀態(tài)下的強度； （3 3）根據(jù)加載速度，）根據(jù)加載速度，有靜載強度和動載強度。 五、巖石的力學(xué)性質(zhì)五、巖石的力學(xué)性質(zhì)影響巖石強度的因素影響巖石強度的因素 （1）一般情況下，造巖礦物強度越高，巖石的強度也越高。）一般情況下，造巖礦物強度越高，巖石的強度也越高。沉積巖的強度取決于膠結(jié)物所占的比例及其礦物成分。細粒沉積巖的強度取決于膠結(jié)物所占的比例及其礦物成分。細粒巖石的強度大于同一礦物組成的粗粒巖石。巖石的強度大于同

17、一礦物組成的粗粒巖石。 （2）巖石的孔隙度增加，密度降低，強度則降低。因此，）巖石的孔隙度增加，密度降低，強度則降低。因此，一般巖石的強度隨埋深的增大而增大。一般巖石的強度隨埋深的增大而增大。 （3）巖石的強度具有明顯的各向異性。垂直于層理方向的）巖石的強度具有明顯的各向異性。垂直于層理方向的抗壓強度最大，平行于層理的抗壓強度最小，在與層理斜交抗壓強度最大，平行于層理的抗壓強度最小，在與層理斜交方向上的抗壓強度介于兩者之間。方向上的抗壓強度介于兩者之間。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述（4）巖石的受載方式導(dǎo)致巖石的強度值差異很大。巖石的）巖石的受載方式導(dǎo)致巖石的強度值差

18、異很大。巖石的抗壓強度最大，抗剪強度約為抗壓強度的抗壓強度最大，抗剪強度約為抗壓強度的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)下的巖石強度比簡單應(yīng)力狀態(tài)下的強度高）多向應(yīng)力狀態(tài)下的巖石強度比簡單應(yīng)力狀態(tài)下的強度高出許多倍。出許多倍。（6）加載速度的影響）加載速度的影響： 加載速度增加，巖石的強度提高；加載速度增加，巖石的強度提高； 加載速度對塑性巖石強度的影響大，對脆性巖石強度的影加載速度對塑性巖石強度的影響大，對脆性巖石強度的影響小。響小。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述 （2 2）、巖石的硬度）、巖石的硬度 1、巖石的硬度的

19、基本概念：巖石的硬度反映巖石抵抗外部、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。更硬物體壓入（侵入）其表面的能力。 2、硬度與抗壓強度的區(qū)別與聯(lián)系、硬度與抗壓強度的區(qū)別與聯(lián)系 （1）巖石的硬度與抗壓強度一般存在正比例關(guān)系；）巖石的硬度與抗壓強度一般存在正比例關(guān)系； （2）抗壓強度是固體抵抗整體破壞時的阻力，而硬度則是）抗壓強度是固體抵抗整體破壞時的阻力，而硬度則是固體表面對另一物體局部壓入或侵入時的阻力固體表面對另一物體局部壓入或侵入時的阻力。 （3）硬度指標更接近于鉆掘過程的實際情況。）硬度指標更接近于鉆掘過程的實際情況。 第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述

20、第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述 3、影響巖石硬度的因素影響巖石硬度的因素 （1）巖石中堅硬礦物愈多、膠結(jié)物的硬度越大、巖石的顆粒）巖石中堅硬礦物愈多、膠結(jié)物的硬度越大、巖石的顆粒越細、結(jié)構(gòu)越致密，巖石的硬度越大。而孔隙度高、密度低越細、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)育的巖石硬度將會降低。裂隙發(fā)育的巖石硬度將會降低。 （2）巖石的硬度具有明顯的各向異性。層理對巖石硬度的）巖石的硬度具有明顯的各向異性。層理對巖石硬度的影響與對巖石強度的影響相反。垂直于層理方向影響與對巖石強度的影響相反。垂直于層理方向，硬度值硬度值最小最??；平行于層理方向平行于層理方向，硬度最大硬度最大；兩者

21、之間可相差兩者之間可相差1.051.8倍。倍。 第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述（3）在各向均勻壓縮的條件下，巖石的硬度增加。在常壓下）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，其硬度值增長越快。硬度越低的巖石，隨著圍壓增大，其硬度值增長越快。（4）一般而言，隨著加載速度增加，將導(dǎo)致巖石的塑性系）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。但當沖擊速度小于數(shù)降低，硬度增加。但當沖擊速度小于10m/s時，硬度變化不大。時，硬度變化不大。加載速度對低強度、高塑性及多孔隙巖石硬度的影響更顯著。加載速度對低強度、高塑性及多

22、孔隙巖石硬度的影響更顯著。 第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述 4 4、巖石硬度的測定巖石硬度的測定 （1）靜壓入法）靜壓入法：以以15mm2的壓的壓頭壓入巖樣表面，巖石破碎時的載頭壓入巖樣表面，巖石破碎時的載荷荷Pmax 除以接觸面積除以接觸面積S，則為則為巖石的巖石的硬度值硬度值Hy（通常稱為壓入硬度）。（通常稱為壓入硬度）。 ( Pa ) （2）沖擊回彈法）沖擊回彈法：利用重物落在巖利用重物落在巖石表面后回彈高度或回彈角度或回彈石表面后回彈高度或回彈角度或回彈次數(shù)來確定巖石的硬度。次數(shù)來確定巖石的硬度。 SPHy/max第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力

23、學(xué)性質(zhì)概述（3）、巖石的變形特征及其分類）、巖石的變形特征及其分類 按巖石在壓頭壓入時的變形曲線和破碎特性可分成三類：按巖石在壓頭壓入時的變形曲線和破碎特性可分成三類：o 彈彈-脆性巖石脆性巖石 （花崗巖、石英巖、碧石鐵質(zhì)巖）（花崗巖、石英巖、碧石鐵質(zhì)巖） 在壓頭壓入時僅產(chǎn)生彈性變形，至在壓頭壓入時僅產(chǎn)生彈性變形，至A點最大載荷為點最大載荷為P max處便突然脆性破碎，壓頭瞬時壓入，破碎穴的深度為處便突然脆性破碎，壓頭瞬時壓入，破碎穴的深度為h。這時破碎穴面積明顯大于壓頭的端面面積，即這時破碎穴面積明顯大于壓頭的端面面積，即 h/5。 2. 2. 彈彈- -塑性巖石塑性巖石 （大理巖、石灰?guī)r、

24、砂巖）（大理巖、石灰?guī)r、砂巖） 在壓頭壓入時首先產(chǎn)生彈性變形，然后塑性變形。至在壓頭壓入時首先產(chǎn)生彈性變形，然后塑性變形。至B B點點載荷達載荷達P max 時突然發(fā)生脆性破碎。這時破碎穴面積也大時突然發(fā)生脆性破碎。這時破碎穴面積也大于壓頭的端面面積，而于壓頭的端面面積，而h/ 2. 2.55，即小于第一類巖石。，即小于第一類巖石。 第一節(jié)第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述 3. 高塑性和高孔隙性巖石高塑性和高孔隙性巖石 （粘土、孔隙石灰?guī)r、鹽巖）（粘土、孔隙石灰?guī)r、鹽巖） 區(qū)別于前二類，當壓頭壓入時，在壓頭周圍幾乎不形成圓區(qū)別于前二類，當壓頭壓入時，在壓頭周圍幾乎不形成圓錐形

25、破碎穴，不會在壓入作用下產(chǎn)生脆性破碎錐形破碎穴，不會在壓入作用下產(chǎn)生脆性破碎 h/=1。計。計算這類巖石的硬度時只能用算這類巖石的硬度時只能用P0代替公式中的代替公式中的P max。 第一節(jié)第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述 （4 4）、巖石的彈性和塑性、巖石的彈性和塑性 （1）衡量巖石彈性的指標主要是彈性模數(shù)）衡量巖石彈性的指標主要是彈性模數(shù)E和泊松比和泊松比。 彈性模數(shù)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)）在鉆探過程中衡量巖石塑性程度的塑性

26、系數(shù)K： 塑性系數(shù)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。 1ODEOABCAAKEF第一節(jié)第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石按塑性系數(shù)的分級巖石按塑性系數(shù)的分級第一節(jié)第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述巖石類別巖石類別彈彈-脆性脆性彈彈-塑性塑性高塑性高塑性低塑性低塑性高塑性高塑性級別級別123456塑性系數(shù)塑性系數(shù)1122334456一般巖漿巖和變質(zhì)巖的彈性模量大于沉積巖，而塑性系數(shù)則一般巖漿巖和變質(zhì)巖的彈性模量大于沉積巖，而塑性系數(shù)則相反。相反。 影響巖石彈性和塑性的主要因素：影響巖石彈性和塑性的主要因素：（1 1）巖漿巖和變質(zhì)巖巖漿巖和

27、變質(zhì)巖：造巖礦物的彈性模量：造巖礦物的彈性模量，巖石的彈性，巖石的彈性模量模量。 沉積巖沉積巖：彈性取決于巖石的碎屑和膠結(jié)物及膠結(jié)狀況。：彈性取決于巖石的碎屑和膠結(jié)物及膠結(jié)狀況。彈性模量次序：硅質(zhì)膠結(jié)最大，鈣質(zhì)膠結(jié)次之，泥質(zhì)膠結(jié)彈性模量次序：硅質(zhì)膠結(jié)最大，鈣質(zhì)膠結(jié)次之，泥質(zhì)膠結(jié)最小。最小。（2 2）造巖礦物的顆粒越細造巖礦物的顆粒越細，巖石越致密，巖石的彈性模量越，巖石越致密，巖石的彈性模量越大。巖石的彈性模量也具有各向異性。大。巖石的彈性模量也具有各向異性。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述（3 3）單向壓縮時表現(xiàn)為彈）單向壓縮時表現(xiàn)為彈- -脆性，各向壓縮時表現(xiàn)出不同

28、程脆性，各向壓縮時表現(xiàn)出不同程度的塑性，意味著在各向壓縮下需要更大的載荷才能破壞度的塑性，意味著在各向壓縮下需要更大的載荷才能破壞巖石的連續(xù)性。巖石的連續(xù)性。（4 4）溫度升高巖石的彈性模量變小，塑性系數(shù)增大，巖石表溫度升高巖石的彈性模量變小，塑性系數(shù)增大，巖石表現(xiàn)為從脆性向塑性轉(zhuǎn)化。在超深鉆和地熱孔施工中應(yīng)注意現(xiàn)為從脆性向塑性轉(zhuǎn)化。在超深鉆和地熱孔施工中應(yīng)注意這一影響。這一影響。 第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述 （5） 、巖石的研磨性 1、巖石研磨性、巖石研磨性：巖石磨損工具的能力。巖石磨損工具的能力。 2、巖石磨損形式、巖石磨損形式 （1 1）摩擦磨損：孔底巖石與

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

30、金剛石出刃。 第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述 1 1、影響巖石研磨性的因素、影響巖石研磨性的因素（1）巖石顆粒的硬度）巖石顆粒的硬度越大，研磨性也越強，石英巖具有強研磨性（2）巖石膠結(jié)物）巖石膠結(jié)物的粘結(jié)強度越低，巖石的研磨性越強。（3）巖石顆粒形狀）巖石顆粒形狀越尖銳、顆粒尺寸越大，巖石的研磨性越強。（4）巖石表面粗糙）巖石表面粗糙，局部接觸易產(chǎn)生應(yīng)力集中， 研磨性增強（5）硬度相同時，單礦物巖石的研磨性較低，非均質(zhì)和多礦物的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。巖石（如花崗巖）研磨性較強。巖石中較軟的礦物（云母，長石）首先被破碎下來，

31、使巖石表面變粗糙，同時石英顆粒出露，從而增強了研磨能力。（6）介質(zhì)）介質(zhì)的影響的影響，濕潤和含水的巖石硬度和研磨性都會降低。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述常用測定巖石研磨性的方法常用測定巖石研磨性的方法 目前國際上還沒有統(tǒng)一測定巖石研磨性的方法。目前國際上還沒有統(tǒng)一測定巖石研磨性的方法。 通常用通常用 模擬某種鉆進過程的方法，不同方法的結(jié)果難以相互比較。模擬某種鉆進過程的方法，不同方法的結(jié)果難以相互比較。o 鉆磨法鉆磨法: :金屬棒在載荷、轉(zhuǎn)速下與巖石摩擦后的失重金屬棒在載荷、轉(zhuǎn)速下與巖石摩擦后的失重o 磨削法：硬合金刀具在壓力下與巖石試件摩擦，以一定時磨削法：硬合金

32、刀具在壓力下與巖石試件摩擦，以一定時間內(nèi)刀具的失重間內(nèi)刀具的失重o 微鉆頭鉆進法：微型鉆頭在一定規(guī)程下鉆磨巖樣，一定時微鉆頭鉆進法：微型鉆頭在一定規(guī)程下鉆磨巖樣，一定時間內(nèi)鉆頭的磨損間內(nèi)鉆頭的磨損。 第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)概述第三節(jié)第三節(jié) 巖石在外載下的破碎機理巖石在外載下的破碎機理 0、碎巖工具與巖石作用的主要方式、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。切削一剪切型、沖擊型、沖擊一剪切型三類。 1、切削一剪切型、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)。 2、沖擊型、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（ 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； max鉆頭侵入巖石的最大深度； Pz（）巖石抵抗鉆頭侵入的阻力。221mvTkmax0)(dPUz第三節(jié)第三節(jié) 巖石在外載下的破碎機理巖石在外載下的破碎機理 四、四、影響碎巖效果的因素影響碎巖效果的因素 1. 1. 載荷大小的影響載荷大小的影響 實踐表明，鉆進速度實踐表明，鉆進速度vm與比壓與比壓P的關(guān)系曲線可分成三個區(qū)段：的關(guān)系曲線可分成三個區(qū)段