巖石破碎學(xué)(第一講)

1、第一講主要內(nèi)容第一講主要內(nèi)容 1.巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì) 2.巖石的機(jī)械性質(zhì)巖石的機(jī)械性質(zhì) 3.影響巖石機(jī)械性質(zhì)的因素影響巖石機(jī)械性質(zhì)的因素 4.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 5.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) 6.外載作用下巖石的破碎過程外載作用下巖石的破碎過程第一章第一章 巖土鉆進(jìn)過程與破碎機(jī)理巖土鉆進(jìn)過程與破碎機(jī)理 1.巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì) 第二節(jié)、土的物理力學(xué)性質(zhì)特征第二節(jié)、土的物理力學(xué)性質(zhì)特征 第三節(jié)、巖石可鉆性及其分級(jí)第三節(jié)、巖石可鉆性及其分級(jí) 第四節(jié)、鉆頭與巖石作用的主要方式第四節(jié)、鉆頭與巖石作用的主要方

2、式 第五節(jié)、靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)第五節(jié)、靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài) 第六節(jié)、外載作用下巖石的破碎過程第六節(jié)、外載作用下巖石的破碎過程第一章第一章 巖土鉆進(jìn)過程與破碎機(jī)理巖土鉆進(jìn)過程與破碎機(jī)理 1.緒論 2.巖石的基本知識(shí) 巖石、礦物、元素、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、晶體、層理、片理 3.巖石的機(jī)械性質(zhì) 彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度、研磨性、可鉆性 4.影響巖石機(jī)械性質(zhì)的因素 5.巖石的強(qiáng)度理論 6.不同破碎條件下巖石的破碎機(jī)理 7.巖石力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試第一節(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)Physical & mechanical properties of rocks一、巖石的組成與分類（一

3、、巖石的組成與分類（composition and classification） 巖石是礦物顆粒的集合體。按成因分：巖漿巖、沉積巖和變巖石是礦物顆粒的集合體。按成因分：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖質(zhì)巖(igneous, sedimentary and metamorphic rock)。 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裂巖漿巖：內(nèi)力地質(zhì)作用的產(chǎn)物，系地殼深處的巖漿沿地殼裂隙上升冷凝而成。隙上升冷凝而成。 沉積巖：在地表?xiàng)l件下母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)搬遷、沉積沉積巖：在地表?xiàng)l件下母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)搬遷、沉積和硬結(jié)等成巖作用而形成的巖石。組成沉積巖的物質(zhì)成分有顆和硬結(jié)等成巖作用而

4、形成的巖石。組成沉積巖的物質(zhì)成分有顆粒和膠結(jié)物兩大類。粒和膠結(jié)物兩大類。 變質(zhì)巖：沉積巖或變質(zhì)巖本身在地殼中受到高溫高壓及化學(xué)變質(zhì)巖：沉積巖或變質(zhì)巖本身在地殼中受到高溫高壓及化學(xué)活動(dòng)性流體的影響而變質(zhì)形成的巖石（原巖成分和變質(zhì)巖特有活動(dòng)性流體的影響而變質(zhì)形成的巖石（原巖成分和變質(zhì)巖特有的，如石墨、滑石，蛇紋石，硅灰?guī)r等）。的，如石墨、滑石，蛇紋石，硅灰?guī)r等）。二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造(structure and texture) 巖石的微觀組織特征，即巖石的結(jié)構(gòu)，它與礦物粒度的大巖石的微觀組織特征，即巖石的結(jié)構(gòu)，它與礦物粒度的大小、形狀和表面特征有關(guān)，反映了巖石非均質(zhì)性和孔隙性

5、。小、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)造是表示巖石宏觀組織特征，它說(shuō)明礦物顆粒之間巖石構(gòu)造是表示巖石宏觀組織特征，它說(shuō)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和裂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。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)境有緊密的聯(lián)系。在環(huán)境有緊密的聯(lián)系。 巖漿巖是由巖漿冷卻形成凝固而形成的巖石，由于生成環(huán)巖漿巖是由巖漿冷卻形成凝固而形成的巖石，由于生成環(huán)境和冷卻速度不同，巖漿化學(xué)成份和其中揮發(fā)物的含量不等，境和冷卻速度不同，巖漿化學(xué)成份和其中揮發(fā)

6、物的含量不等，形成不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。巖漿巖具有晶質(zhì)結(jié)構(gòu)形成不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。巖漿巖具有晶質(zhì)結(jié)構(gòu),因此巖石一般因此巖石一般強(qiáng)度較高，同時(shí)斷面粗糙者往往研磨性較大。強(qiáng)度較高，同時(shí)斷面粗糙者往往研磨性較大。 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）.巖石沿巖石沿平行平面分裂為薄片的能力叫做片理化。平行平面分裂為薄片的能力叫做片理化。 沉積巖：顆粒和膠結(jié)物組成，沉積巖的主要構(gòu)造特征是沉積巖：顆粒和膠結(jié)物組成，沉積巖的主要構(gòu)造特征是層理，與鉆進(jìn)有關(guān)。層理，與鉆進(jìn)有關(guān)。 圖11 晶體結(jié)構(gòu)類型圖13 層理產(chǎn)生的原因圖1-2 膠結(jié)物的類型grainparticlec

7、ement 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 三、巖石的自然性質(zhì)（巖石的自然性質(zhì)（Natural properties of rocks） 巖石在生成過程中，構(gòu)造變動(dòng)和風(fēng)化過程中自然形成的特性。 密度密度(density):單位體積巖石的質(zhì)量.容重:單位體積巖石的重量. 比重比重(specific weight):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(lái)說(shuō),密度越高,強(qiáng)度越大。 孔隙度孔隙度(porosity):巖石中孔隙體積與巖石總體積之比。一般來(lái)說(shuō),孔隙度越大,強(qiáng)度越低. 含水性含水性(water-bearing p

8、roperty):W=(GW-GD)/GD 透水性透水性(peameability):KW=ql/A(Pi- Po) 巖石的孔隙越大,裂隙越多,水對(duì)它的影響就越大。如石灰?guī)r,用水浸透后,強(qiáng)度下降明顯。巖石的內(nèi)聚性巖石的內(nèi)聚性: 巖石內(nèi)部顆粒聯(lián)系的緊密和強(qiáng)弱程度.按內(nèi)聚性的大小巖石可分為三類:堅(jiān)固的巖石堅(jiān)固的巖石: 對(duì)于具有晶體結(jié)構(gòu)的巖石,巖石往往沿晶粒接觸面而破壞.鉆進(jìn)這類巖石時(shí),一般孔壁穩(wěn)定;粘結(jié)的巖石粘結(jié)的巖石: 粘土質(zhì)巖石, 具有較高塑性、較低強(qiáng)度和不大的研磨性，易縮徑、垮塌和卡鉆，因此通常采用低失水量的泥漿或?qū)妆诳s徑無(wú)影響的沖洗液；松散的巖石：松散的巖石：這類巖石包括砂和礫石。鉆進(jìn)時(shí)

9、孔壁不穩(wěn)定，應(yīng)下套管或采取其它有效措施。第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)Mechanical properties of rocks 巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的特巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的特性。主要有變形特性性。主要有變形特性(deformation properties)、強(qiáng)、強(qiáng)度特性度特性(strength properties)和表面特性和表面特性(surface properties)。 變形特性：彈性變形特性：彈性(elasticity)、塑性、塑性(plasticity)和脆性和脆性(brittleness) 強(qiáng)度特性：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、

10、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(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(compression, tension, shear and bending strenth) 表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬度和研磨性(hardness, abrasiveness)1.3.1、變形特性、變形特性（deformation properties） 外力作用下，巖石發(fā)生變形，隨著載荷的不斷增加,變形不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致巖石破壞。變形和破壞是載荷作用下巖石性能變形的不同階段。巖石變形有兩種情況: 彈性變形（elastic deformation），又稱可逆變形（reversible deformation）,外

11、力撤除后巖石的外形和尺寸完全恢復(fù)原狀。 塑性變形 (plastic deformation)，又稱不可逆變形（irreversible deformation）,外力撤除后巖石的外形和尺寸不能完全恢復(fù)原狀而產(chǎn)生殘留變形。 巖石從變形到破壞又可能有三種形式：（1） 脆性破壞：破壞前實(shí)際不存在任何不可逆變形。（2） 塑性破壞：破壞前產(chǎn)生大量的不可逆變形。（3） 塑脆性破壞：先經(jīng)歷彈性變形，后經(jīng)歷塑性變形，最終導(dǎo)致破壞。多數(shù)造巖礦物造巖礦物屬于理想的脆性體，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系遵守虎克定律。 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到彈性極限時(shí)，巖石就開始破壞，只有在各向高壓情況各向高壓情況下多數(shù)礦物才表現(xiàn)為塑脆性體塑脆性體。 巖石是不

12、同礦物組成的聚合體。由于礦物成分和結(jié)構(gòu)方面的特點(diǎn)，造成巖石變形不均勻。所以巖石的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系要比均質(zhì)物體復(fù)雜得多，在一般情況下不符合虎克定律。 衡量巖石彈性的指標(biāo)主要有彈性模量E和泊松比 。泊松比表示施加應(yīng)力方向上的應(yīng)變和其在垂直方向上所引起的應(yīng)變比值的倒數(shù)。Eyx巖石破壞的形式巖石破壞的形式Broken form of rocks脆性破壞脆性破壞塑脆性破壞（彈性變形不明顯時(shí)為塑性破壞）塑脆性破壞（彈性變形不明顯時(shí)為塑性破壞）(a)(b)(c)影響巖石彈性、塑性和脆性的因素影響巖石彈性、塑性和脆性的因素 （Factors affecting rocks elasticity and p

13、lasticity）1、巖石物質(zhì)成分（造巖礦物、巖石類別）2、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造(晶粒大小、膠結(jié)物、層理)3、應(yīng)力狀態(tài)（單向應(yīng)力、多向應(yīng)力）4、載荷性質(zhì)（多次加載，加載速度）5、受力條件（拉、彎、剪、壓）6、溫度和濕度（T、H）巖石彈塑性的測(cè)定巖石彈塑性的測(cè)定Measure of rocks elasticity and plasticityCp=SOABC/ SODE圖圖 1.110 由應(yīng)力由應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變曲線確定彈性模數(shù)曲線確定彈性模數(shù)圖圖 1.111 巖石壓入時(shí)的載荷侵深曲線巖石壓入時(shí)的載荷侵深曲線塑性系數(shù)塑性系數(shù)1.3.2、強(qiáng)度性質(zhì)、強(qiáng)度性質(zhì)（Strength properties） 巖石強(qiáng)度

14、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，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(tension strength)、抗彎強(qiáng)度(bending strength)、抗剪強(qiáng)度(shear strength)、抗壓強(qiáng)度(compression strength)。有單向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度，多向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度。圖圖 1.114 巖石單軸抗壓試驗(yàn)巖石單軸抗壓試驗(yàn) 1巖樣；巖樣；2球座；球座；3鋼墊板鋼墊板 圖圖 1.115 巖石單軸拉伸試驗(yàn)巖石單軸拉伸試驗(yàn)1巖樣；巖樣；2夾頭；圖中尺寸單位：夾頭；圖中尺寸單位：cmiPPaA圖圖1.11

15、6 圓盤劈裂試驗(yàn)圓盤劈裂試驗(yàn) 圖圖1.117 剪切試驗(yàn)剪切試驗(yàn)1巖樣；巖樣； 2上下剪切模具；上下剪切模具；3模套；模套；4斜鍥塊；斜鍥塊；5上下上下墊板；墊板； 6鋼滾子鋼滾子DLpt2Tension strengthNTcossinsincosfAPATfAPAN對(duì)于不同傾角下的剪切試驗(yàn)中所獲得的不同正應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度值,可根據(jù) f關(guān)系,在-坐標(biāo)系中繪出包絡(luò)線。可得出=0時(shí)的值，即巖石的抗剪強(qiáng)度。影響巖石強(qiáng)度的因素影響巖石強(qiáng)度的因素（Factors affecting strength of rocks) 1、巖石的物質(zhì)成份（礦物、沉積巖的膠結(jié)物）、巖石的物質(zhì)成份（礦物、沉積巖的膠結(jié)物）2

16、、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造（顆粒的大?。r石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造（顆粒的大?。?、巖石的容重和孔隙度、巖石的容重和孔隙度4、受力條件（拉、彎、剪、壓）、受力條件（拉、彎、剪、壓）5、應(yīng)力狀態(tài)（多向與單向）、應(yīng)力狀態(tài)（多向與單向）6、載荷速度、載荷速度(加載速度增大加載速度增大,強(qiáng)度升高強(qiáng)度升高)7、巖樣的線性尺寸、巖樣的線性尺寸8、濕度和溫度、濕度和溫度1.3.3、表面特性、表面特性(Surface properties) 巖石的硬度（巖石的硬度（hardness）：巖石表面對(duì)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+

17、2）倍。測(cè)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。(舉例舉例) 巖石的研磨性（巖石的研磨性（abrasiveness）：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。巖石磨損鉆頭的能力。巖石硬度的測(cè)試方法巖石硬度的測(cè)試方法 靜壓入法（與金屬硬度測(cè)試方法的區(qū)別）對(duì)于巖石來(lái)說(shuō)，壓模采用的是平底壓模，S是一定的。對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，載荷P是一定的，S是變化的。目前通常采用的是史立涅爾壓入硬度。根據(jù)硬度值，可將巖石6類12級(jí)，見書P18。 沖擊回彈法，擺球硬度，以回彈次數(shù)確定巖石的硬度；12級(jí)；

18、 研磨法：用磨料研磨巖石樣品，以巖樣線性尺寸磨損量的多少來(lái)衡量巖石的硬度。影響巖石硬度的因素影響巖石硬度的因素（Factors affecting hardness of rocks） 巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造 應(yīng)力狀態(tài) 載荷速度 液體介質(zhì) 工具形狀和尺寸(巖石抗壓入阻力因壓入面積減小而增大的現(xiàn)象被稱為尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng))影響巖石研磨性的因素影響巖石研磨性的因素 （Factors affecting abrasiveness of rocks ） 巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征(造巖礦物、顆粒度、膠結(jié)程度、巖石礦物間的硬度差、礦物顆料形狀等) 正壓力（在達(dá)到巖石的硬度前，動(dòng)摩擦系數(shù)是正壓力的增函數(shù)，超

19、過硬度后，不變間或有所降低） 滑動(dòng)速度(有臨界值臨界值,之前磨損率增長(zhǎng)小,之后增長(zhǎng)很快,與溫度有關(guān)) 介質(zhì)（能夠改變工具與巖石之間的摩擦特性） 巖石研磨性與巖石內(nèi)摩擦角的關(guān)系：內(nèi)摩擦角大的巖巖石研磨性與巖石內(nèi)摩擦角的關(guān)系：內(nèi)摩擦角大的巖石，巖石的研磨性大。石，巖石的研磨性大。第四節(jié)第四節(jié) 巖石可鉆性及其分級(jí)巖石可鉆性及其分級(jí)（Drillability of rocks and its classification） 巖石可鉆性是決定鉆進(jìn)效率的基本因素，它反映了鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎的難易程度。 它是合理選擇鉆進(jìn)方法、鉆頭結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的依據(jù)，同時(shí)也是制訂鉆探生產(chǎn)定額和編制鉆探生產(chǎn)計(jì)劃的基礎(chǔ)。 巖石

20、可鉆性是個(gè)多變量的函數(shù)。它不僅受控于巖石的性質(zhì)，而且與外界技術(shù)條件和工藝參數(shù)有密切的關(guān)系。1.4.1 巖石可鉆性分級(jí)的觀點(diǎn)巖石可鉆性分級(jí)的觀點(diǎn)(Viewpoints on classification of rock drillability) 用巖石力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)巖石的可鉆性 用實(shí)鉆速度評(píng)價(jià)巖石的可鉆性 用微鉆速度評(píng)價(jià)巖石的可鉆性 用碎巖比功評(píng)價(jià)巖石的可鉆性（1）用巖石力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)巖石的可鉆性）用巖石力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)巖石的可鉆性（To evaluate drill-ability of rocks by their mechanical properties） 巖石力學(xué)性質(zhì)是影響巖石可鉆性的決定因

21、素。在室內(nèi)通過測(cè)定能夠反映碎巖實(shí)質(zhì)的某一種或某幾種力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，可以表征巖石的可鉆性，且測(cè)定手續(xù)簡(jiǎn)單、指標(biāo)穩(wěn)定，排除了實(shí)鉆時(shí)人為操作因素的影響。問題：?jiǎn)栴}：較難選擇完全體現(xiàn)某種鉆進(jìn)方法碎巖實(shí)質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。（2）用實(shí)鉆速度評(píng)價(jià)巖石的可鉆性）用實(shí)鉆速度評(píng)價(jià)巖石的可鉆性（-by real penetration rate or drilling speed） 用實(shí)鉆速度評(píng)價(jià)巖石的可鉆性與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密，能夠反映地質(zhì)因素和技術(shù)因素的綜合影響，可用于制訂生產(chǎn)定額。問題：?jiǎn)栴}：不同的鉆進(jìn)方法要求有不同的分級(jí)指標(biāo)，實(shí)際鉆進(jìn)速度受人為因素的影響。另外、技術(shù)的不斷更新要求分級(jí)不斷修正。（3）用微鉆速度評(píng)價(jià)

22、巖石的可鉆性）用微鉆速度評(píng)價(jià)巖石的可鉆性（-by micro-drill speed ） 用實(shí)鉆速度劃分巖石的可鉆性級(jí)別時(shí)，到現(xiàn)場(chǎng)比較麻煩，鉆進(jìn)結(jié)果受人為因素的影響。微鉆速度同樣能夠反映各種因素的綜合影響，可避免人為因素的影響。問題：?jiǎn)栴}：模擬不可能十分完全，微鉆速度不等于實(shí)鉆速度。（4）用碎巖比功評(píng)價(jià)巖石的可鉆性）用碎巖比功評(píng)價(jià)巖石的可鉆性（-by specific bulk work of fracture）碎巖比功：破碎單位體積巖石消耗的能量。碎巖比功：破碎單位體積巖石消耗的能量。由于碎巖過程都是工具向巖石輸入一定的能量而產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的碎巖體積。碎巖比功就是破碎單位體積巖石所輸入的能量。

23、碎巖比功既是物理量又是碎巖效率指標(biāo)。通過碎巖比功這一指標(biāo)還可以把各種鉆進(jìn)方法破碎巖石的有效性溝通起來(lái)進(jìn)行比較。問題：?jiǎn)栴}：每種鉆進(jìn)方法的碎巖比功本身也不是一個(gè)常量。壓頭壓入巖石時(shí)使巖石發(fā)生彈性變形所作的功：2PWeP P：巖石破碎時(shí)的載荷； ：與P相應(yīng)的彈性變形。由材料力學(xué)可知：aEP212 ：泊松比；a：壓頭半徑；E：巖石彈性模量。所以有：aEPWe4122巖石破碎時(shí)的總功：ppetCaEPCWW4122單位接觸面積破碎功：ptsCaaEPSWW22241進(jìn)一步處理：EaCHCEaaPWpyps4)1 (41222222式中：Hy壓入硬度；單位體積破碎功：aEVCPVAWptV4122式中：

24、破碎巖石體積。史立涅爾根據(jù)單位接觸面積破碎功將巖石劃為10級(jí)。 第五節(jié)第五節(jié) 鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式（Main mode of action between rock-broken tool and rock）目前鉆探生產(chǎn)中廣泛采用的鉆進(jìn)碎巖方法屬于機(jī)械法破碎巖石。根據(jù)刃具同巖石作用的方式和碎巖機(jī)理，所有作用方式可分為：切削剪切型；鑿碎型；鑿碎剪切型三類。（1）切削剪切型：對(duì)應(yīng)于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；要求切削具具有一定的抗彎強(qiáng)度、硬度；（2）鑿碎型：沖擊鉆進(jìn)；要求切削具具有一定的抗彎強(qiáng)度、硬度和抗沖擊強(qiáng)度或沖擊韌性；（3）鑿碎剪切型：牙輪鉆頭，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，回轉(zhuǎn)沖

25、擊鉆進(jìn)；要求切削具具有更高的抗彎強(qiáng)度、硬度和抗沖擊強(qiáng)度或沖擊韌性第六節(jié)第六節(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)（Stress conditions of rock under static load） 刃具對(duì)巖石的壓入作用可以抽象為平底和球形兩種壓頭對(duì)巖石的作用。討論壓頭與巖石接觸面上的壓力分布狀態(tài)和巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)問題的基礎(chǔ)是：集中力作用在半無(wú)限物體的彈性平面上的布西涅司克理論。 一、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)一、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)( )222rPpa ar2Ppa圖圖1.134 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aZ0圖圖

26、1.136 球形壓頭壓力面上的壓力分布球形壓頭壓力面上的壓力分布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(wú)限空間平面上的解，求得半無(wú)限體內(nèi)沿對(duì)稱軸上的應(yīng)力分量：zatgazpzaapzaapzatgazpzaapzrrz1022202220102220121432211各應(yīng)力分量隨值變化的情況表示于圖11中。在對(duì)稱軸上所有應(yīng)力都是壓應(yīng)力。顯然，在壓力面中心處（）有：圖圖1.137 球形壓頭壓入時(shí)沿球形壓頭壓入時(shí)沿 對(duì)稱軸的應(yīng)力分布對(duì)稱軸的應(yīng)力分布000421221ppprz 如果=0.3,則壓力面中心(即z=0)處，z =-p0 ，r =-0.8p0，=0.1p0

27、。 接觸面中心的應(yīng)力狀態(tài)接近于各向均勻壓縮狀態(tài)。隨著z的增加，所有正應(yīng)力都要減小，但r =比 z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。根據(jù)計(jì)據(jù)計(jì)算，最大剪應(yīng)力所在深度z0=0.48ay0.5a;最大剪應(yīng)力max=0.31p0 ,這說(shuō)明在深度zy0.5a處的剪應(yīng)力為壓力面中心z=0處剪應(yīng)力的三倍。另外，按照彈性力學(xué)推導(dǎo)，在壓力面邊緣（即z=0，r=a）處，應(yīng)力分量為：0032120321pprzr 當(dāng)=0.3時(shí),0133. 0pr, =0.133p0 。這表明在接觸面的圓周邊界處，沿徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力。另外此處剪應(yīng)力小于對(duì)稱軸上max，但大于壓力面中

28、心的剪應(yīng)力。因此，球體壓入平面時(shí)，最危險(xiǎn)危險(xiǎn)的地方是：壓力面壓力面周邊周邊和半無(wú)限體內(nèi)對(duì)稱軸上距壓力面z=0.5a處。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)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)圖215 軸向力作用時(shí)巖石 內(nèi)的應(yīng)力分布圖216 軸向力和切向力共同作用時(shí)巖石內(nèi)的應(yīng)力分布 （a）等應(yīng)力線圖；（b）應(yīng)力狀態(tài)特征 壓應(yīng)力區(qū)；拉應(yīng)力區(qū)；過渡區(qū) 在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，破碎巖石工具以軸向和切向載荷作用于巖石上。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(wú)限體內(nèi)等應(yīng)力線分布是均勻的、對(duì)稱的（如圖215）。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(duì)稱的（

29、如圖216）。在接觸面上，切向力作用的前方將產(chǎn)生壓應(yīng)力，而切應(yīng)力作用的后方則產(chǎn)生拉應(yīng)力，在半無(wú)限體內(nèi)（如圖216(b)所示），形成正應(yīng)力區(qū)（正應(yīng)力區(qū)（）、拉應(yīng)力區(qū)（拉應(yīng)力區(qū)（）和過渡區(qū)（和過渡區(qū)（） 。由此可以推知，在兩向載荷作用下，碎巖工具對(duì)巖石的作用具有以下的特點(diǎn)： 1. 軸向力和切向力共同作用時(shí)，可視為碎巖工具對(duì)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(lái) 決定。軸向力和切向力之間存在最優(yōu)比值，或者說(shuō)軸向力和切向力之間存在最優(yōu)比值，或者說(shuō)有最優(yōu)的作用力方向。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

30、理的配合合理的配合關(guān)系。 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)壓縮區(qū)隨軸向力增加而擴(kuò)大，隨切向力的增加而縮?。焕靺^(qū)拉伸區(qū)則與上述情況相反；過渡區(qū)過渡區(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。第七節(jié)第七節(jié) 外載作用下巖石的破碎過程外載作用下巖石的破碎過程（Failure process of rock under exterior load） 一、巖石的變形破碎方式一、巖石的變形破碎方式圖圖1.145 破碎功與破碎產(chǎn)物粉碎度的關(guān)系破碎功與破碎產(chǎn)物粉碎度的關(guān)系 1根據(jù)黎金格爾定律；根據(jù)黎金格爾定律；2根據(jù)基爾切夫定