巖土的可鉆性

1、主講人：杜振川 第二章第二章 巖石的可鉆性及破碎過程巖石的可鉆性及破碎過程第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)一、巖石的組成與分類一、巖石的組成與分類巖石是礦物顆粒的集合體。巖石是礦物顆粒的集合體。按成因分為：按成因分為：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。巖漿巖：巖漿巖：內(nèi)力地質(zhì)作用的產(chǎn)物，系地殼深處的巖漿沿地殼內(nèi)力地質(zhì)作用的產(chǎn)物，系地殼深處的巖漿沿地殼裂隙上升冷凝而成。裂隙上升冷凝而成。第二章第二章 巖石的可鉆性及破碎過程巖石的可鉆性及破碎過程第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)一、巖石的組成與分類一、巖石的組成與分類沉積巖：沉積巖：在地表?xiàng)l件下母巖

2、風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)風(fēng)化、剝在地表?xiàng)l件下母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積和固結(jié)等成巖作用而形成的巖石。蝕、搬運(yùn)、沉積和固結(jié)等成巖作用而形成的巖石。變質(zhì)巖：變質(zhì)巖：沉積巖、巖漿巖或變質(zhì)巖本身在地殼中受到高溫沉積巖、巖漿巖或變質(zhì)巖本身在地殼中受到高溫高壓及化學(xué)活動性流體的影響而變質(zhì)形成的巖石。高壓及化學(xué)活動性流體的影響而變質(zhì)形成的巖石。第二章第二章 巖石的可鉆性及破碎過程巖石的可鉆性及破碎過程第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造巖石的結(jié)構(gòu)：巖石的結(jié)構(gòu)：巖石的微觀組織特征，它與礦物粒度的大小、巖石的微觀組織特征，它與礦物粒度的大小、形狀

3、和表面特征有關(guān)，反映了巖石非均質(zhì)性和孔隙性。形狀和表面特征有關(guān)，反映了巖石非均質(zhì)性和孔隙性。 巖石構(gòu)造：巖石構(gòu)造：是表示巖石宏觀組織特征，它說明礦物顆粒之是表示巖石宏觀組織特征，它說明礦物顆粒之間的組合形式和空間分布狀況，它決定了巖石的各向異性間的組合形式和空間分布狀況，它決定了巖石的各向異性和裂隙性。和裂隙性。巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造與巖石的成因類型、形成條件及存在環(huán)巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造與巖石的成因類型、形成條件及存在環(huán)境有緊密的聯(lián)系。境有緊密的聯(lián)系。第二章第二章 巖石的可鉆性及破碎過程巖石的可鉆性及破碎過程第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造巖漿巖

4、：晶質(zhì)結(jié)構(gòu)巖石一般強(qiáng)度較高，同時(shí)斷面粗糙者往巖漿巖：晶質(zhì)結(jié)構(gòu)巖石一般強(qiáng)度較高，同時(shí)斷面粗糙者往往研磨性較大。往研磨性較大。沉積巖：顆粒和膠結(jié)物組成，沉積巖的主要構(gòu)造特征是有沉積巖：顆粒和膠結(jié)物組成，沉積巖的主要構(gòu)造特征是有鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的層理，與鉆進(jìn)有關(guān)。鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的層理，與鉆進(jìn)有關(guān)。變質(zhì)巖：主要構(gòu)造特征是片理（如石墨和滑石）。變質(zhì)巖：主要構(gòu)造特征是片理（如石墨和滑石）。二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 巖巖 石石 照照 片片花崗石花崗石花崗石花崗石花崗巖花崗巖白云巖白云巖第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)三、巖石的物理性質(zhì)三、巖石的物理性質(zhì)密度密度：單位體積巖石的

5、質(zhì)量。容重：單位體積巖石的重量。比重比重：單位體積巖石骨架體積的重量。巖石體積=固相骨架體積+巖石中孔隙體積，一般來說，密度越高，強(qiáng)度越大。孔隙度：孔隙度：巖石中孔隙體積與巖石總體積之比。一般來說,孔隙度越大，強(qiáng)度越低。巖石的孔隙越大，裂隙越多，水對它的影響就越小。如石灰?guī)r，用水浸透后，強(qiáng)度下降明顯。第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)四、巖石的力學(xué)性質(zhì)四、巖石的力學(xué)性質(zhì) 巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。主要有變形特性、強(qiáng)度特性和表面特性。主要有變形特性、強(qiáng)度特性和表面特性。 變形特性：彈性、塑性和脆性變形特性：彈性

6、、塑性和脆性 強(qiáng)度特性：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度強(qiáng)度特性：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度 表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬度和研磨性第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)四、巖石的力學(xué)性質(zhì)四、巖石的力學(xué)性質(zhì)1、變形特性：彈性、塑性和脆性、變形特性：彈性、塑性和脆性巖石破壞的形式巖石破壞的形式脆性破壞脆性破壞塑脆性破壞（彈性變形不明顯，塑性破壞）塑脆性破壞（彈性變形不明顯，塑性破壞）第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)四、巖石的力學(xué)性質(zhì)四、巖石的力學(xué)性質(zhì)2、強(qiáng)度特性：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和、強(qiáng)度特性：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度

7、抗彎強(qiáng)度巖石強(qiáng)度巖石強(qiáng)度：巖石在載荷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，即單位面積上的最大載荷。根據(jù)受力條件不同，巖石強(qiáng)度又可分為抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度。第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)四、巖石的力學(xué)性質(zhì)四、巖石的力學(xué)性質(zhì)3、表面特性：硬度和研磨性、表面特性：硬度和研磨性巖石的硬度巖石的硬度：巖石表面對工具壓入的反抗特性。巖石硬度與抗壓強(qiáng)度有一定聯(lián)系，又有很大區(qū)別。巖石抗壓強(qiáng)度是巖石整塊抗破碎的能力。巖石抗壓入硬度為單向抗壓強(qiáng)度的（1+2）倍。測定壓入硬度實(shí)際上使巖樣產(chǎn)生局部破碎，而這種局部破碎是在多向受壓狀態(tài)下進(jìn)行的。第一節(jié)第一節(jié)

8、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)四、巖石的力學(xué)性質(zhì)四、巖石的力學(xué)性質(zhì)3、表面特性：硬度和研磨性、表面特性：硬度和研磨性巖石的研磨性巖石的研磨性：巖石磨損鉆頭的能力。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(shí)，其自身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍。第二章第二章 巖石的可鉆性及破碎過程巖石的可鉆性及破碎過程第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級一、巖石可鉆性的概念1、概念、概念巖石可鉆性巖石可鉆性: 是表示鉆進(jìn)過程中巖石破碎的難易程度是表示鉆進(jìn)過程中巖石破碎的難易程度。在鉆探生產(chǎn)中通常用單位時(shí)間的進(jìn)尺（機(jī)械鉆速）作為衡在鉆探生產(chǎn)中通

9、常用單位時(shí)間的進(jìn)尺（機(jī)械鉆速）作為衡量巖石可鉆性的指標(biāo)，單位是量巖石可鉆性的指標(biāo)，單位是m/h。第二章第二章 巖石的可鉆性及破碎過程巖石的可鉆性及破碎過程第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級一、巖石可鉆性的概念2、意義、意義、巖石可鉆性是合理選擇鉆進(jìn)方法、鉆頭類型和結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)巖石可鉆性是合理選擇鉆進(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)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)。計(jì)劃的依據(jù)。第二章第二章 巖石的可鉆性及破碎過程巖石的可鉆性及破碎過程第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級3、影響因素

10、、影響因素巖石可鉆性是個(gè)多變量函數(shù)，巖石可鉆性是個(gè)多變量函數(shù)，它首先受巖石性質(zhì)，特別是它首先受巖石性質(zhì)，特別是巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，也受技術(shù)條件（鉆探設(shè)備和工具的巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，也受技術(shù)條件（鉆探設(shè)備和工具的類型、鉆進(jìn)方法、鉆孔直徑和深度等）和工藝條件（鉆頭類型、鉆進(jìn)方法、鉆孔直徑和深度等）和工藝條件（鉆頭壓力、鉆具轉(zhuǎn)速、沖洗液數(shù)量和性能等）的影響。壓力、鉆具轉(zhuǎn)速、沖洗液數(shù)量和性能等）的影響。一、巖石可鉆性的概念第二章第二章 巖石的可鉆性及破碎過程巖石的可鉆性及破碎過程第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級3、影響因素、影響因素1）巖石性質(zhì)對可鉆性的影響，主要因素有：巖石

11、的礦物成）巖石性質(zhì)對可鉆性的影響，主要因素有：巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、密度、孔隙度、含水性及乏水性；巖石的力分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、密度、孔隙度、含水性及乏水性；巖石的力學(xué)性質(zhì)，如硬度、強(qiáng)度、彈性、脆性、塑性及研磨性等。一學(xué)性質(zhì)，如硬度、強(qiáng)度、彈性、脆性、塑性及研磨性等。一般地說，造巖礦物中石英多、膠結(jié)牢固、顆粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)致般地說，造巖礦物中石英多、膠結(jié)牢固、顆粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密、未經(jīng)風(fēng)化和蝕變時(shí)，巖石可鉆性差；巖石硬度和強(qiáng)度高、密、未經(jīng)風(fēng)化和蝕變時(shí)，巖石可鉆性差；巖石硬度和強(qiáng)度高、研磨性強(qiáng)，巖石破碎就比較困難，巖石可鉆性也差。研磨性強(qiáng)，巖石破碎就比較困難，巖石可鉆性也差。 一、巖石可鉆性的概念第二章第

12、二章 巖石的可鉆性及破碎過程巖石的可鉆性及破碎過程第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級3、影響因素、影響因素 2）鉆探技術(shù)條件對巖石可鉆性影響，主要有：鉆探設(shè)備的技術(shù)條件對巖石可鉆性影響，主要有：鉆探設(shè)備的類型、鉆孔直徑和深度、鉆進(jìn)方法、碎巖工具的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量類型、鉆孔直徑和深度、鉆進(jìn)方法、碎巖工具的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量等。例如，沖擊鉆進(jìn)在堅(jiān)硬的脆性巖石中具有較好的鉆進(jìn)效等。例如，沖擊鉆進(jìn)在堅(jiān)硬的脆性巖石中具有較好的鉆進(jìn)效果，而回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在軟的塑性巖石中可以獲得較好的碎巖效率。果，而回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在軟的塑性巖石中可以獲得較好的碎巖效率。一、巖石可鉆性的概念第二章第二章 巖石的可鉆性及破碎過程

13、巖石的可鉆性及破碎過程第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級3、影響因素、影響因素3) 鉆探工藝因素對巖石可鉆性的影響，主要有：加在鉆頭上的壓力、鉆頭的回轉(zhuǎn)速度、沖洗液的類型、鉆孔巖粉清除情況等。一、巖石可鉆性的概念第二章第二章 巖石的可鉆性及破碎過程巖石的可鉆性及破碎過程第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級二、巖石可鉆性的劃分方法目前常用的巖石可鉆性劃分方法有：目前常用的巖石可鉆性劃分方法有： 用巖石力學(xué)性質(zhì)評價(jià)巖石的可鉆性 用實(shí)鉆速度評價(jià)巖石的可鉆性 用微鉆速度評價(jià)巖石的可鉆性 用碎巖比功評價(jià)巖石的可鉆性第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆

14、性及可鉆性分級二、巖石可鉆性的劃分方法1、用巖石力學(xué)性質(zhì)評價(jià)巖石的可鉆性-力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，對巖石可鉆性起決定作用的力學(xué)性質(zhì)是巖石的研磨硬度和抗剪強(qiáng)度。鉆進(jìn)速度是巖石研磨硬度和抗剪強(qiáng)度的綜合指標(biāo)的函數(shù)： v為機(jī)械鉆速，m/h；W為巖石研磨硬度和抗剪強(qiáng)度的綜合指標(biāo)。第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級二、巖石可鉆性的劃分方法1、用巖石力學(xué)性質(zhì)評價(jià)巖石的可鉆性-力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法綜合指標(biāo)W值可按下式計(jì)算：smHW 01. 0 式中：Hm巖石的研磨硬度: 21100qqsrHms巖石的抗剪強(qiáng)度，kg/cm2 q1、q2 巖樣實(shí)驗(yàn)前后的重量 r巖樣

15、的容重 s巖樣研磨接觸面積第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級二、巖石可鉆性的劃分方法2、用實(shí)鉆速度評價(jià)巖石的可鉆性按實(shí)際鉆進(jìn)速度劃分巖石可鉆性級別，就是在規(guī)定的設(shè)備工具和技術(shù)規(guī)范的條件下，進(jìn)行實(shí)際鉆進(jìn)，以所得的純鉆進(jìn)速度（即機(jī)械鉆速）作為巖石可鉆性分級的指標(biāo)。 -實(shí)鉆速度法第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級二、巖石可鉆性的劃分方法3、用微鉆速度評價(jià)巖石的可鉆性微鉆速度是采用一定的微型孕鑲金剛石鉆頭，按一定的規(guī)程，對巖芯試樣進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，以平均鉆速作為可鉆性分級的指標(biāo)。-模擬鉆進(jìn)速度法模擬鉆進(jìn)速度法 第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及

16、可鉆性分級二、巖石可鉆性的劃分方法4、用碎巖比功評價(jià)巖石的可鉆性A. A史立涅爾提出，在用圓柱形壓頭作壓入硬度試驗(yàn)時(shí)，可以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功A s和單位體積破碎功AV 以破碎比功來確定巖石的可鉆性。-破碎比功法破碎比功法 第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級二、巖石可鉆性的劃分方法4、用碎巖比功評價(jià)巖石的可鉆性壓頭侵入巖石時(shí)使巖石發(fā)生彈性變形所作的功為：-破碎比功法破碎比功法 2PA彈式中：P巖石破碎時(shí)的載荷； 與上述載荷相應(yīng)的彈性變形。第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級二、巖石可鉆性的劃分方法4、用碎巖比

17、功評價(jià)巖石的可鉆性由材料力學(xué)知，彈性變形的計(jì)算式為：-破碎比功法破碎比功法 aEP2)1 (2式中：泊松比； a壓頭半徑； E巖石彈性模數(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 巖石可鉆性及可鉆性分級巖石可鉆性及可鉆性分級二、巖石可鉆性的劃分方法4、用碎巖比功評價(jià)巖石的可鉆性所以有：-破碎比功法破碎比功法 aEPA4)1 (22彈巖石破碎時(shí)的總功為：uuKaEPKAA4)1 (22彈總為巖石塑性系數(shù)第三節(jié)第三節(jié) 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主要方式有三種，即：主要方式有三種，即：切削一剪切型；沖擊型；沖擊一剪切型。 1、切削一剪切型：切削一剪切型刃具同巖石作用的方式如圖所示。鉆頭碎巖刃具以

18、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)。第三節(jié)第三節(jié) 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主要方式有三種，即：主要方式有三種，即：切削一剪切型；沖擊型；沖擊一剪切型。 2、沖擊型：沖擊型刃具給孔底巖石以直接的沖擊如圖。第三節(jié)第三節(jié) 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3、沖擊一剪切型：同巖石相作用的鉆頭刃具，不僅以Pz和P力作用于巖石，而且還有使鉆頭向前回轉(zhuǎn)的移動速度和沖錘對齒刃的沖擊速度v z或牙輪滾動時(shí)齒刃向下沖擊的速度v y對巖石的作用。 第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)

19、力狀態(tài) 鉆頭刃具與巖石的作用方式表明，孔底巖石是在軸向載荷和切向載荷同時(shí)作用下，或者沖擊作用下破碎的。 鉆頭上的切削具按其與孔底巖石接觸，而使巖石產(chǎn)生破碎的作用來說，可以看成是圓柱體、球形體、長方形平底壓頭與彈性半無限體所限制的平面的相互作用。第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)一、集中載荷作用在彈性半無限體上的應(yīng)力狀態(tài)一、集中載荷作用在彈性半無限體上的應(yīng)力狀態(tài) （布西涅司克問題）（布西涅司克問題）圖是集中載荷P對彈性半無限體作用的示意圖。假設(shè)彈性體占XOY平面以下的整個(gè)空間Z0 (Z軸正方向指向固體內(nèi)部)。P作用力垂直作用于O點(diǎn)上。由坐標(biāo)原點(diǎn)到某點(diǎn)A所作的矢徑OA與

20、Z軸的夾角為第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)一、集中載荷作用在彈性半無限體上的應(yīng)力狀態(tài)一、集中載荷作用在彈性半無限體上的應(yīng)力狀態(tài) （布西涅司克問題）（布西涅司克問題）則在3個(gè)軸上的正應(yīng)力分別為：第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)一、集中載荷作用在彈性半無限體上的應(yīng)力狀態(tài)一、集中載荷作用在彈性半無限體上的應(yīng)力狀態(tài) （布西涅司克問題）（布西涅司克問題）在對稱軸上，當(dāng)在對稱軸上，當(dāng)=0時(shí)時(shí)對稱軸上的正應(yīng)力都是壓應(yīng)力。對稱軸上的正應(yīng)力都是壓應(yīng)力。 第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)一、集中載荷作用在彈性半無限體上的應(yīng)

21、力狀態(tài)一、集中載荷作用在彈性半無限體上的應(yīng)力狀態(tài) （布西涅司克問題）（布西涅司克問題）如果假設(shè)集中載荷如果假設(shè)集中載荷P均勻分布在彈性體均勻分布在彈性體表面半徑為表面半徑為a的圓內(nèi)，且強(qiáng)度為的圓內(nèi)，且強(qiáng)度為p=P/a2，則對稱軸上任何一點(diǎn)的正應(yīng)，則對稱軸上任何一點(diǎn)的正應(yīng)力力z 皆可用皆可用a/z的函數(shù)來表示：的函數(shù)來表示：第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)一、集中載荷作用在彈性半無限體上的應(yīng)力狀態(tài)一、集中載荷作用在彈性半無限體上的應(yīng)力狀態(tài) （布西涅司克問題）（布西涅司克問題）當(dāng)當(dāng)z=0時(shí)，時(shí)，z =P；當(dāng)；當(dāng)z= 時(shí)，時(shí)，z =0 正應(yīng)力正應(yīng)力z沿沿z軸的分布曲線為

22、：軸的分布曲線為：第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)二二 、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布( )222rPpa ar第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)二二 、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)研究表明，在彈性變形的情況下，平底圓柱形壓頭以作研究表明，在彈性變形的情況下，平底圓柱形壓頭以作用力用力P沿沿z軸壓入彈性半無限體時(shí)受壓體接觸面上的壓力軸壓入彈性半無限體時(shí)受壓體接觸面上的壓力分布不是常數(shù)，而是分布不

23、是常數(shù)，而是r的函數(shù)，即：的函數(shù)，即：222raaPpr式中：P壓頭上的垂直載荷； a壓頭的半徑； r 離對稱軸的距離 第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)二二 、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)在壓力均勻分布的前提下，可以根據(jù)布西涅司克的解和應(yīng)在壓力均勻分布的前提下，可以根據(jù)布西涅司克的解和應(yīng)力疊加原理，求得彈性半無限體內(nèi)（巖體內(nèi)）沿對稱軸上力疊加原理，求得彈性半無限體內(nèi)（巖體內(nèi)）沿對稱軸上的各應(yīng)力分量為：的各應(yīng)力分量為：剪應(yīng)力第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)二二 、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀

24、態(tài)、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)從該圖可以看出：隨著z的增加，z減小得慢些，而r =y減小得很快，因此剪應(yīng)力隨z的變化是開始由小變大，到一定深度（z0）時(shí)，則具有最大值。 第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)二二 、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)在載荷中心z=0處pz)221(pyr)421( p泊松比 第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)二二 、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)若 將對z求導(dǎo)數(shù)，并使其等于0，便可得到：2zr27)1 (20 az )1 (2

25、)1 (922212maxp設(shè)=0.25，則 這表明在z軸上，最大剪應(yīng)力所在的深度約等于壓頭半徑的2/3。而最大剪應(yīng)力的大小約為均勻壓強(qiáng)的1/3 az62. 00p345. 0max第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài) 設(shè)作用在球體上的力為P，接觸面（又稱壓力面）的投影是個(gè)半徑為a的圓，于是a值可按下式求出：PREEa1143222121式中：P作用在球體上的壓力； R球體的半徑； ， 壓頭和巖石的泊松比； E1，E2壓頭和巖石的彈性模數(shù)。12第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)

26、三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)球體壓入時(shí)，接觸面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)（如圖所示），即：22323)(raaPrP第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)知道了壓力面上的載荷分布，同樣也可以利用布西涅司克集中力作用于彈性半無限體平面上的解，求得半無限體內(nèi)沿對稱軸上的應(yīng)力分量：第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)各應(yīng)力分量

27、隨z值變化的情況示于如圖。顯然，在壓力面中心處（z = 0）有：0pz0)221(pyr04)21 (p第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)隨著z的增加，所有正應(yīng)力都減小，但 比 減小得更快。剪應(yīng)力與正應(yīng)力不同，開始時(shí)隨z的增加而增大，在達(dá)到某一最大值后，即逐漸減小。yrz第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)三、球形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)當(dāng)=0.25時(shí)， =0.167p0，=0.167p0 這表明在接觸面的圓周邊界處，沿徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力。另外此處剪

28、應(yīng)力小于對稱軸上 max，但大于壓力面中心的剪應(yīng)力。r因此，球體壓入平面時(shí)，最危險(xiǎn)處是：壓力面周邊和彈性半無限壓力面周邊和彈性半無限體內(nèi)對稱軸上距壓力面體內(nèi)對稱軸上距壓力面z=0.5a處。處。 第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)四、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)四、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)在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，破碎巖石工具不僅以軸向載荷，同時(shí)以切向載荷作用于巖石。此時(shí)接觸面上和巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布情況與只有軸向載荷時(shí)不同。第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)四、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)四、軸

29、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)彈性力學(xué)研究表明：只有軸向力單獨(dú)作用于壓頭時(shí)，彈性半無限體內(nèi)等應(yīng)力線分布是均勻的、對稱的。第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)四、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)四、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)而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、不對稱的。在接觸面上，切向力作用的前方將產(chǎn)生壓應(yīng)力，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)，形成正而切向力作用的后方則產(chǎn)生拉應(yīng)力；在半無限體內(nèi)，形成正應(yīng)力區(qū)應(yīng)力區(qū)()、拉應(yīng)力區(qū)、拉應(yīng)力區(qū)(）和過渡區(qū)（）

30、和過渡區(qū)（）。）。第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)四、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)四、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)由此可以推知，在兩向載荷作用下，碎巖工具對巖石的作用具有以下的特點(diǎn)：(1) 軸向力與切向力共同作用時(shí)，可視為碎巖工具對孔底巖石表面以某一角度施加作用力。巖石破碎效果將由此作用力的數(shù)值和方向來決定。軸向力和切向力之間存在最優(yōu)的比值，或者說有最優(yōu)的作用力方向。這一方向?qū)τ诓煌膸r石可能是不同的。所以鉆進(jìn)不同巖石時(shí)，軸向壓力和回轉(zhuǎn)速度應(yīng)有一個(gè)合理的配合關(guān)系。第四節(jié)第四節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)四、

31、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)四、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)(2）軸向力與切向力共同作用時(shí)，碎巖工具下方巖石中產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力狀態(tài)。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)則與上述情況相反。壓縮區(qū)與拉伸區(qū)之間為過渡區(qū)，該區(qū)內(nèi)既有正應(yīng)力的作用，又有拉應(yīng)力的作用。(3) 當(dāng)巖石中出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，在其他條件相同的情況下，巖石將在作用力比較小的時(shí)候，在拉應(yīng)力區(qū)開始破碎。第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程一、巖石的變形破碎方式一、巖石的變形破碎方式按破碎特點(diǎn)和鉆進(jìn)效果，巖石破碎方式可有3種 表面破碎區(qū)；疲勞破碎區(qū)；體積

32、破碎區(qū) 第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程一、巖石的變形破碎方式一、巖石的變形破碎方式表面破碎區(qū)：切削具上壓應(yīng)力不大時(shí)，切削具與巖石的接觸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石硬度，由于必須克服巖石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（巖石硬度），所以此時(shí)切削具不能破碎巖石。切削具移動時(shí)，將研磨孔底巖石，巖石的破碎是由切削刃與巖石接觸摩擦所作的功引起的，因此分離下來的巖石顆粒很小，鉆進(jìn)速度低，鉆孔進(jìn)尺很慢。這種變形破碎方式稱為巖石的表面研磨（磨損），這個(gè)區(qū)稱為表面破碎區(qū)。第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程一、巖石的變形破碎方式一、巖石的變形破碎方式疲勞破碎區(qū)假如切削具上的軸向載

33、荷增加，使巖石晶間聯(lián)系破壞，巖石結(jié)構(gòu)被破壞，特別是孔底受多次加載影響產(chǎn)生的疲勞裂隙的發(fā)展，于是眾多裂隙交錯，盡管切削具與巖石的接觸壓力仍小于巖石硬度，但也可產(chǎn)生較粗巖粒的分離，這種變形破壞形式稱為疲勞破碎，這個(gè)區(qū)稱為疲勞破碎區(qū)。第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程一、巖石的變形破碎方式一、巖石的變形破碎方式體積破碎區(qū)切削具上的載荷繼續(xù)增加，達(dá)到切削具可有效地切入巖石，結(jié)果是：切削具在孔底移動時(shí)不斷克服巖石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，切下巖屑。此時(shí)切削具與巖石的接觸壓力大于或等于巖石硬度，這種變形破壞方式稱為體積破碎，這個(gè)區(qū)稱為體積破碎區(qū)。體積破碎時(shí)，會分離出大塊巖石，破碎效果好。

34、 第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程二、平底壓模壓入時(shí)的巖石變形破碎過程二、平底壓模壓入時(shí)的巖石變形破碎過程當(dāng)外載作用在平底壓模上時(shí)，隨著外載的增加，巖石上出現(xiàn)殘余變形。殘余變形以裂隙的形式出現(xiàn)在壓模與巖石的接觸圓周上，并沿ac和ao方向伸展（圖 a）。開始時(shí)，ac方向上的裂隙伸展速度比ao方向上殘余變形發(fā)展速度快，但后來隨著遠(yuǎn)離自由面，ac方向上的裂隙發(fā)展速度迅速減慢。多數(shù)情況下，ao方向上裂隙在o點(diǎn)相交。ac方向上的裂隙在c點(diǎn)產(chǎn)生指向自由面和o點(diǎn)的裂隙oc（圖b）。 第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程二、平底壓模壓入時(shí)的巖石變

35、形破碎過程二、平底壓模壓入時(shí)的巖石變形破碎過程此后，殘余變形迅速發(fā)展。裂隙從c點(diǎn)迅速到達(dá)自由面om 并與從o點(diǎn)發(fā)展來的裂隙oc相遇。當(dāng)ao方向的裂隙在o點(diǎn)與om相遇，這些裂隙的發(fā)育結(jié)果，就產(chǎn)生aob體和mon體。aob體叫做主壓力體，mon體叫做剪切體，（圖c）。第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程二、平底壓模壓入時(shí)的巖石變形破碎過程二、平底壓模壓入時(shí)的巖石變形破碎過程此時(shí)壓模阻力急劇降低，壓模下落，aob體破碎，從壓模下面壓出，一部分破碎的巖石被壓在壓頭唇面的下面（圖d）。繼續(xù)施加外載時(shí)，上述現(xiàn)象將重復(fù)進(jìn)行（圖e、f）。先是破碎的巖石被壓在壓模下面，然后產(chǎn)生剪切

36、裂隙，產(chǎn)生新的分離體，將其壓碎，壓模又下落等，以此類推。第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程二、平底壓模壓入時(shí)的巖石變形破碎過程二、平底壓模壓入時(shí)的巖石變形破碎過程可見，壓模壓入巖石時(shí)破碎過程是呈循環(huán)式的。即從巖石彈性變形、塑性變形、形成主壓力體、剪切體剪出、壓模跳躍或下落完成一個(gè)循環(huán)，然后再開始一個(gè)新的破碎循環(huán)。第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程三、球狀切削具壓入時(shí)的巖石變形破碎過程三、球狀切削具壓入時(shí)的巖石變形破碎過程在球狀切削具壓入條件下，從理論上說，開始時(shí)切削具與巖石接觸的是一個(gè)點(diǎn)，實(shí)際上是一個(gè)非常小的表面積。隨著外載的增加

37、，由于切削具和巖石都產(chǎn)生彈性變形，這個(gè)接觸面開始增大。由于應(yīng)力分布不均勻，所以在巖石內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)力，導(dǎo)致形成小的剪切和巖屑（圖 a）。 第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程三、球狀切削具壓入時(shí)的巖石變形破碎過程三、球狀切削具壓入時(shí)的巖石變形破碎過程外載增加時(shí)，接觸面增大，產(chǎn)生與原有裂隙平行的新裂隙系（圖b）。如果外載再增加，則接觸面增大，產(chǎn)生的新裂隙系向巖石深處伸展。外載繼續(xù)增加時(shí)，在接觸面上的應(yīng)力增大。裂隙向巖石內(nèi)伸展的深度隨接觸面上應(yīng)力的增加而增大。以后的破碎過程與平底壓模時(shí)類似。第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程三、球狀切削具壓

38、入時(shí)的巖石變形破碎過程三、球狀切削具壓入時(shí)的巖石變形破碎過程球狀切削具壓入巖石時(shí)，可以分為2種破碎形式。第一種形式是相交的裂隙系對巖石進(jìn)行破碎，第二種形式是剪切體mcocn的分離。第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程四、尖楔狀切削具壓入時(shí)的巖石變形破碎過程四、尖楔狀切削具壓入時(shí)的巖石變形破碎過程尖楔形切削具在破碎巖石時(shí)由于巖石的研磨（磨損）而常呈一定的磨圓形狀。在尖楔狀切削具磨圓部分下方，首先產(chǎn)生彈性變形，然后產(chǎn)生擠壓和壓碎（圖a）、此后切削具切入巖石，切入深度與剪切角0和刃尖角有關(guān)。繼續(xù)施加外載時(shí)，在10的角度下產(chǎn)生剪切體moa和bon（圖b，c） 第五節(jié)第五節(jié)

39、 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程四、尖楔狀切削具壓入時(shí)的巖石變形破碎過程四、尖楔狀切削具壓入時(shí)的巖石變形破碎過程切削具以小體積剪切方式來破碎巖石，一直繼續(xù)到切削具側(cè)刃的表面接觸到未破碎巖石的側(cè)壁上為止（圖d）。此后切削具象主壓力體的作用一樣，產(chǎn)生大體積mon的剪切。切削具繼續(xù)切入巖石時(shí)，上述過程將重復(fù)進(jìn)行（圖e）。第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程從上述巖石破碎過程可以看出以下幾個(gè)共同點(diǎn)：從上述巖石破碎過程可以看出以下幾個(gè)共同點(diǎn)：(1) 巖石破碎過程的發(fā)展不是隨載荷的增加而平穩(wěn)進(jìn)行的，巖石破碎過程的發(fā)展不是隨載荷的增加而平穩(wěn)進(jìn)行的，而是當(dāng)載

40、荷達(dá)到某一值后，才發(fā)生突然的壓入破碎。而是當(dāng)載荷達(dá)到某一值后，才發(fā)生突然的壓入破碎。(2) 只有當(dāng)載荷達(dá)到某一定值時(shí)，才能產(chǎn)生大體積剪切破碎，只有當(dāng)載荷達(dá)到某一定值時(shí)，才能產(chǎn)生大體積剪切破碎，這時(shí)破碎效果最好。這時(shí)破碎效果最好。(3)當(dāng)載荷不足以產(chǎn)生大剪切時(shí)，當(dāng)載荷不足以產(chǎn)生大剪切時(shí)，只能根據(jù)彈塑性不同只能根據(jù)彈塑性不同在巖石在巖石中產(chǎn)生壓裂或壓皺作用，形成裂隙。中產(chǎn)生壓裂或壓皺作用，形成裂隙。第五節(jié)第五節(jié) 巖石在外載作用下的破碎過程巖石在外載作用下的破碎過程從上述巖石破碎過程可以看出以下幾個(gè)共同點(diǎn)：從上述巖石破碎過程可以看出以下幾個(gè)共同點(diǎn)：（4）載荷過小時(shí)，在巖石表面形成微小裂紋）載荷過小時(shí)，在巖石表面形成微小裂紋，甚至只發(fā)生，甚至只發(fā)生彈性變形，因此破碎效果很差。彈性變形，因此破碎效果很差。(5)在實(shí)際鉆進(jìn)中，在軸向力和水平力（轉(zhuǎn)矩）作用下破碎在實(shí)際鉆進(jìn)中，在軸向力和水平力（轉(zhuǎn)矩）作用下破碎巖石時(shí)巖石時(shí)，在碎巖工具前方不斷產(chǎn)生小體積剪切，崩落出