第一章巖石性質(zhì)與破碎LU

第一章

巖土的物理力學(xué)性質(zhì)及其破碎機理

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

四、土的物理力學(xué)性質(zhì)特征

五、巖石的破碎機理

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：沉積巖是在地表條件下母巖(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、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：巖漿巖的強度和硬度都較高，沉積巖的強度和硬度則較低，而變質(zhì)巖的強度和硬度變化不均。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，在進行破碎時有重要意義。

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、巖石的強度

1、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。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、巖石的強度的類型（1）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)，巖石強度可分為單向、兩向、三向應(yīng)力狀態(tài)下的強度；（3）根據(jù)加載速度，有靜載強度和動載強度。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

三、巖石的強度

3、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。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。（2）巖石的孔隙度增加，密度降低，強度也降低。因此，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。第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

三、巖石的強度

3、影響巖石強度的因素

（4）巖石的受載方式導(dǎo)致巖石的強度值差異很大。巖石的抗壓強度最大，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)下的強度高出許多倍。（6）加載速度的影響：①

加載速度增加，巖石的強度提高；②

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。

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；（2）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。

（3）硬度指標(biāo)更接近于鉆掘過程的實際情況。

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、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。層理對巖石硬度的影響與對巖石強度的影響相反。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，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。

第二節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

4、巖石硬度的測定

（1）靜壓入法：以1~5mm2的壓頭壓入巖樣表面，巖石破碎時的載荷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)；（2）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)。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。

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，石英巖具有強研磨性（2）巖石膠結(jié)物的粘結(jié)強度越低，巖石的研磨性越強。（3）巖石顆粒形狀越尖銳、顆粒尺寸越大，巖石的研磨性越強。（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（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，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)的影響，濕潤和含水的巖石硬度和研磨性都會降低。

第三節(jié)

巖石的可鉆性及可鉆性分級

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過程中巖石破碎的難易程度。在鉆探生產(chǎn)中通常用機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的意義可鉆性及可鉆性分級是決定鉆進效率的基本因素，也是確定巖石破碎的難易程度的綜合指標(biāo)。對鉆探生產(chǎn)非常重要，它是合理選擇鉆進方法、鉆頭類型和結(jié)構(gòu)、鉆進規(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)計劃的依據(jù)。

第三節(jié)

巖石的可鉆性及可鉆性分級

二、巖石可鉆性分級的方法

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別。據(jù)壓入硬度值把巖石分成6類12級，據(jù)擺球的回彈次數(shù)把巖石分成12級。如果兩種方法確定的可鉆性級別不一致，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、實際鉆進速度法在規(guī)定的設(shè)備工具和技術(shù)規(guī)范條件下進行實際鉆進，以機械鉆速作為巖石的可鉆性級別。隨著技術(shù)的進步，必須實時修正。原地礦部曾制定了適合于金剛石鉆進的巖石可鉆性，如表1-6所列。

第三節(jié)

巖石的可鉆性及可鉆性分級

二、巖石可鉆性分級的方法

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，對巖心進行鉆進試驗。

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。原石油部的規(guī)范：用微鉆在巖樣上鉆三個孔深2.4mm的孔，取三個孔鉆進時間的平均值為鉆時t

，取整后作為該巖樣的可鉆性級別，可把油田地層的可鉆性分成10個等級，等級越高，鉆進越難。

Kd=log2t

第三節(jié)

巖石的可鉆性及可鉆性分級

二、巖石可鉆性分級的方法

4、破碎比功法用圓柱形壓頭作壓入試驗時，可通過壓力與侵深曲線圖求出破碎功，然后計算出單位接觸面積破碎比功AS，根據(jù)破碎比功法對巖石可鉆性分成10個等級。近年來，許多科學(xué)家認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二、巖石可鉆性分級的方法

5、巖屑聲波法

通過測定巖屑的聲波波速，來定量計算巖石的可鉆性級值。

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向前移動而切削(剪切)巖石。工作參數(shù)是：移動速度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（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)的移動速度vθ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旋轉(zhuǎn)中心的距離。

第五節(jié)

巖石的破碎機理

二、外載作用下的巖石應(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。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)

第五節(jié)

巖石的破碎機理

（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)

巖石的破碎機理

（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：

第五節(jié)

巖石的破碎機理

（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，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，到一個臨界深度z0處τ達最大值。在z=0處：

第五節(jié)

巖石的破碎機理

（一）平底圓柱形壓頭壓入時應(yīng)力狀態(tài)各若將τ對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)力約為均勻壓強的l／3。平底圓柱形壓頭壓入時應(yīng)力存在兩個極值點:壓頭邊緣處、對稱軸上z≈a處。第五節(jié)

巖石的破碎機理圖1－8壓頭下相對剪應(yīng)力等直線圖第五節(jié)

巖石的破碎機理

（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：

第五節(jié)

巖石的破碎機理

（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：

第五節(jié)

巖石的破碎機理

（二）球形壓頭壓入時巖石的應(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，一個臨界深度z0處τ達最大值。在z=0有：

；

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

，同樣存在兩個極值點：壓力面周圍及對稱軸上z0=0.5a處。

第五節(jié)

巖石的破碎機理

（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。

第五節(jié)

巖石的破碎機理

（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，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遠小于巖石硬度，切削具不能壓入巖石。切削具移動時，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)。

第五節(jié)