巖石鉆進(jìn)過程與破碎機(jī)理課件

1、巖石鉆進(jìn)過程與破碎機(jī)理Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanism第一節(jié)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)第二節(jié)、巖石可鉆性及其分級(jí)第三節(jié)、鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式第四節(jié)、靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)第五節(jié)、外載作用下巖石的破碎過程第一節(jié) 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 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。 巖漿巖：內(nèi)力地質(zhì)作用的產(chǎn)物，系地殼深處的巖漿沿的殼裂隙上升冷凝而成。 沉積巖：在地表?xiàng)l件下母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)

2、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)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）。二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 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。 巖石構(gòu)造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)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)境和冷卻速度不同，巖

3、漿化學(xué)成份和其中揮發(fā)物的含量不等，形成不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。 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。 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)。 變質(zhì)巖：主要構(gòu)造特征是片理（如石墨和滑石）.巖石沿平行平面分裂為薄片的能力叫做片理化。 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 巖 石 照 片花崗石花崗石花崗巖白云巖第二節(jié) 巖石的自然性質(zhì)Natural properties of rocks 巖石的自然性質(zhì)：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:單位體積巖石的質(zhì)量.容重:單位體積巖石的重

4、量. 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: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. 含水性:W=(GW-GD)/GD 透水性:KW=ql/A(Pi- Po) 巖石的孔隙越大,裂隙越多,水對(duì)它的影響就越小。如石灰?guī)r,用水浸透后,強(qiáng)度下降明顯。第三節(jié) 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)出來的特性。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

5、和研磨性1.3.1、變形特性（deformation properties）彈性變形塑性變形巖石破壞的形式Broken form of rocks脆性破壞塑脆性破壞（彈性變形不明顯，塑性破壞）(a)(b)(c)影響巖石彈性、塑性和脆性的因素 （Facts affecting rocks elasticity and plasticity）1、巖石物質(zhì)成分2、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造3、應(yīng)力狀態(tài)4、載荷性質(zhì)5、受力條件6、溫度和濕度巖石彈塑性的測(cè)定Measure of rocks elasticity and plasticityKp=SOABC/ SODE圖 1.110 由應(yīng)力應(yīng)變曲線確定彈性模數(shù)圖 1.

6、111 巖石壓入時(shí)的載荷侵深曲線1.3.2、強(qiáng)度性質(zhì)（Strength properties）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、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度。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 1.114 巖石單軸抗壓試驗(yàn) 1巖樣；2球座；3鋼墊板 圖 1.115 巖石單軸拉伸試驗(yàn)1巖樣；2夾頭；圖中尺寸單位：cm圖1.116 圓盤劈裂試驗(yàn) 圖1.117 剪切試驗(yàn)1巖樣； 2上下剪切模具；3模套；4斜鍥塊；5上下墊板； 6鋼滾子t=2p/3.14DL影響巖石強(qiáng)度的因素

7、（Factors affecting rocks strength） 1、巖石的物質(zhì)成份2、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造3、巖石的容重和孔隙度4、受力條件5、應(yīng)力狀態(tài)6、載荷速度7、巖樣的線性尺寸8、濕度和溫度1.3.3、表面特性(Surface properties)巖石的硬度：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+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。巖石的研磨性：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

8、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。影響巖石硬度的因素（Factors affecting rocks hardness）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)工具形狀和尺寸影響巖石研磨性的因素 （Factors affecting rocks abrasiveness）巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征正壓力滑動(dòng)速度介質(zhì)第四節(jié) 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

9、探生產(chǎn)定額和編制鉆探生產(chǎn)計(jì)劃的基礎(chǔ)。巖石可鉆性是個(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)(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1.4.2 劃分巖石可鉆性的具體方法(Methods for classification of rock drillability)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法實(shí)際鉆進(jìn)速度法模擬鉆進(jìn)速度法破碎比功法 第五節(jié) 鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式

10、（Main mode of action between rock-broken tool and rock）第六節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)（Stress conditions of rock under static load）一、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)圖1.134 平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布圖1.136 球形壓頭壓力面上的壓力分布圖1.137 平底壓頭壓入時(shí)沿 對(duì)稱軸的應(yīng)力分布三、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)

11、；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（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，在半無線體內(nèi)（如圖216(b)所示），形成正應(yīng)力區(qū)（）、拉應(yīng)力區(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)值和方向來決定。軸向力和切向力之間存在最優(yōu)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)用一個(gè)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)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；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)，在拉應(yīng)力區(qū)開始破碎。 第七節(jié) 外載作用下巖石的破碎過程（F