第二章巖石的破碎機里

第二章巖石的破碎機里第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)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)。

第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)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。第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)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。

第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(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。本節(jié)討論同不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)

第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日圖2－2半無限體在邊界上受法向集中力作用第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

假設(shè)：（1）巖石均質(zhì)，各向同性；（2）遵從虎克定律；（3）彈性特性不受應(yīng)力狀態(tài)和加載速度影響第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（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2-4），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。

圖2－4平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（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：

第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（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：

第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（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，并使其等于零，則：

設(shè)μ=0.25，則z0=0.62a，τmax=0.345p。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)力約為均勻壓強的l／3。由于最大剪應(yīng)力點是壓碎巖石的發(fā)源處應(yīng)引起重視。

第十頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

壓頭下相對剪應(yīng)力等直線圖第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（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：圖2－6第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（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：

第十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（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=0.25，根據(jù)計算，z0=0.5a，τmax=0.40p

，同樣存在兩個極值點，但都在z軸上。

第十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（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。第十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)外載下巖石的應(yīng)力狀態(tài)

（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。

第十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程

（一）巖石的變形破碎形式1、黎金格爾定律：固體破碎功與破碎過程中物體表面積的增加成比例。2、基爾比切夫定律：破碎功與物體破碎的體積成比例。

破碎功與破碎產(chǎn)物粉碎度的關(guān)系

1－黎金格爾定律；2－基爾切夫定律第十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日

第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程

（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)。表面破碎第十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程

（一）巖石的變形破碎形式

2、疲勞破碎切削具上的軸向載荷增加，但接觸壓力仍小于巖石硬度，可使巖石晶間聯(lián)系破壞，巖石結(jié)構(gòu)間缺陷發(fā)展，特別是孔底受多次加載產(chǎn)生的疲勞裂隙更加發(fā)展，于是眾多裂隙交錯，仍可產(chǎn)生較粗巖粒的分離，這種變形破碎方式稱為疲勞破碎，這個區(qū)稱為疲勞破碎區(qū)。疲勞破碎第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程（一）巖石的變形破碎形式

3、體積破碎切削具上的載荷繼續(xù)增加，接觸壓力大于或等于巖石硬度，切削具可有效地切入巖石，結(jié)果是：切削具在孔底移動時不斷克服巖石的結(jié)構(gòu)強度，切下巖屑，這種變形破壞方式稱為體積破碎，這個區(qū)稱為體積破碎區(qū)。體積破碎時，會分離出大塊巖石，破碎效果好。

體積破碎第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程（二）平底壓模壓入時的巖石變形破碎過程

1、加載時，第一極值帶產(chǎn)生環(huán)形裂紋；2、開始時，ac方向裂隙的伸展比ao快；3、遠離自由面，ac方向的伸展速度迅速減慢；4、多數(shù)情況下，裂隙在o點相交比到達c點晚；5、在c點產(chǎn)生指向自由面、o點的裂隙；6、c點迅速到達自由面并與從o點來的裂隙相遇；7、產(chǎn)生aob主壓力體和mon剪切體；8、壓模阻力急劇降低，壓模下落；9、aob體破碎，部分碎巖壓出，部分壓在壓頭下面。

第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程（二）平底壓模壓入時的巖石變形破碎過程

10、繼續(xù)施載，碎巖石在壓模下面被壓實，并在剪切體內(nèi)產(chǎn)生彈性變形；11、裂隙沿a′c′和a′o′方向向深部伸展；12、在比第一種情況下大得多的外載作用下，裂隙把a′o′b′體和m′c′o′c′n′體分離開來；13、a′o′b′體和m′c′o′c′n′體中的巖石將被壓碎，部分碎巖壓出，部分被壓在壓模的下面；14、繼續(xù)施加外載，上述現(xiàn)象將重復(fù)進行。第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程（二）平底壓模壓入時的巖石變形破碎過程

圖示是平底壓模壓入阻力變化曲線和碎巖體積變化曲線。第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程課堂提問：左圖是平底壓頭壓入巖石時阻力和巖石破碎體積的變化曲線，請解釋曲線的變化規(guī)律。第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程（三）球狀切削具壓入時的巖石變形破碎過程

1、開始時，切削具與巖石接觸的是一個點；2、外載增加，切削具和巖石產(chǎn)生彈性變形，接觸面開始增大；3、接觸面中心的正應(yīng)力最大，首先出現(xiàn)裂隙；4、隨外載增加，接觸面增大，產(chǎn)生與原有裂隙平行的新裂隙系；5、外載再增加，觸面增大，新裂隙向深處伸展；6、球狀切削具總的彈性變形不與外載成正比例。外載繼續(xù)增加時，彈變總值減小，應(yīng)力增大，裂隙伸展的深度增大；7、以后的破碎過程與平底壓模時類似。第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程

（三）球狀切削具壓入時的巖石變形破碎過程

球狀切削具與平底壓模壓人巖石時的區(qū)別在于：

1、裂隙對主壓力體aob內(nèi)的巖石進行了初步破壞；

2、破碎的巖石再次壓在切削具下面的較少；

3、球狀切削具壓入巖石時，可以分為2種破碎形式：

（1）形成相交的裂隙系對巖石進行破碎；（2）剪切體mcocn的分離。第二十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程（四）楔狀切削具壓入時的巖石變形破碎過程

第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程壓頭形狀對體積破碎功的影響第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程（五）動載作用下的巖石變形破碎過程

壓頭動壓入時巖石破碎示意圖(a)出現(xiàn)殘余變形；(b)脆性破碎第一形態(tài)；(c)脆性破碎第二形態(tài)；(d)脆性破碎第三形態(tài)1－壓頭與巖石接觸面；2－破碎穴；3－巖石碎塊截面第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程

動壓入時破碎巖石的能容量AV(即破碎單位體積巖石所消耗的能量)，可按下式確定：（J/cm3）

式中

TK

——沖擊能量，J，

V

——破碎巖石體積，cm3。第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程

由于破碎體積不均勻地變化，造成能容量曲線有最大值和最小值。從總體上看，隨著沖擊能量TK的增加，動載破碎巖石的能容量有減小的趨勢。能容量曲線上的第一個最小值與形成第二破碎形態(tài)相對應(yīng)；第二個最小值與形成第三破碎形態(tài)相對應(yīng)。形成第二和第三破碎形態(tài)后，沖擊能雖然增加，但破碎體積基本不變，所以單位體積破碎功出現(xiàn)最大值。第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程

對于巖石破碎過程的解釋，概括起來可以得出以下的基本概念：

(1)巖石破碎過程的發(fā)展，不是隨載荷的增加而平穩(wěn)地進行的，而是當載荷達到某一值后，發(fā)生突然的侵入破碎。

(2)載荷過小時，只是在巖石表面形成一些微小裂紋，甚至只發(fā)生彈性變形。因此破碎效果極差。

(3)當載荷不足以產(chǎn)生大剪切時，則只能在巖石中產(chǎn)生壓裂作用，形成一些裂隙。

(4)只有當載荷達某一定值時，才能產(chǎn)生大體積崩落破碎，這時破碎效果最好。第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程

不論是動載還是靜載壓入時，破碎巖石能容量都是跳躍式地逐漸減小，并且動載破碎的能容量比靜載的要高，如下表。

破碎形態(tài)能容量，

J/cm3加載方式第一破碎形態(tài)第二破碎形態(tài)第三破碎形態(tài)靜載－10939動載19514550第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程

由上表可以看出，隨著加載速度的增加，巖石的單位體積破碎功增大。破碎工具對巖石作用時，巖石中發(fā)生硬化和松弛兩個過程。硬化的實質(zhì)是巖石顆粒結(jié)晶晶格產(chǎn)生嚴重的扭曲，導致變形阻力增大，而松弛則使變形阻力減小。從硬化到松弛需要一定的時間。加載速度大，松弛過程不能得到充分進行，從而影響破碎效果。第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程（六）動－靜載聯(lián)合碎巖研究和試驗表明，在一定的靜載作用下加高頻動載作用，會減緩鉆頭磨損，提高破巖效率。較小的鉆壓(靜載)可減少鉆柱的多次彎曲，避免較大靜載產(chǎn)生的井斜和鉆柱磨損及疲勞損壞，還能防止鉆頭早期損壞。

靜載的作用：（1）提高沖擊動載作用力的峰值；（2）使切削具和地層緊密接觸，減少動載作用的傳遞損失 第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖石在外載下的破碎過程動－靜載聯(lián)合下巖石碎巖過程：（1）孔底不規(guī)則的表面在靜載作用下被壓平;（2）靜載逐漸增加，接觸處產(chǎn)生彈性變形:(3)在靜載和動載聯(lián)合作用下，鉆頭下面的巖石開始出現(xiàn)微裂紋，鉆頭外側(cè)邊界處的應(yīng)力集中線向外形成放射性的裂紋;(4)2個主要裂紋在巖石中形成一個長而窄的巖屑壓碎和壓實帶，形成破碎區(qū)，巖石表面破裂，出現(xiàn)許多貝殼狀的碎塊:(5)作用力增長變慢，兩側(cè)產(chǎn)生的剪切體被工具吃入而崩出，作用力下降，形成一個破碎坑。第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第四節(jié)碎巖效果指標碎巖效果指標的定義：衡量鉆進速度、鉆進成本、鉆進質(zhì)量的經(jīng)濟技術(shù)指標。鉆進速度、鉆進成本、鉆進質(zhì)量之間有著密切的聯(lián)系。鉆進效果指標內(nèi)容

包括：鉆速、每米鉆孔成本、巖礦心采取率和鉆孔彎曲等。它們受多因素的影響，包括不可控因素和可控因素。不可控因素是指客觀存在的因素，如所鉆的地層、巖性及其埋深等；可控因素是指通過一定的設(shè)備和技術(shù)手段可進行人工調(diào)節(jié)的因素，如鉆頭類型、沖洗液性能、鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量等。第四十頁，共四十六頁，2022年，8月28日第四節(jié)碎巖效果指標1、機械鉆速機械鉆速是單位純鉆進時間內(nèi)所鉆的進尺。計算式如下：

（m/h）式中：H——鉆進進尺，m；

t——純鉆進時間，h。機械鉆速表示巖石鉆進的難易程度，取決于巖石的性質(zhì)、鉆進方法、鉆具、鉆進工藝和技術(shù)的合理性等因素。機械鉆速表示了鉆進工作最基本的狀況，在一定的條件下，必須優(yōu)選鉆進參數(shù)。第四十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日2、回次鉆速

表示從鉆具開始下入鉆孔，進行鉆進，直到把鉆具從鉆孔提出的工序中（即所謂一回次）單位時間的進尺。其計算公式如下：

(m/h)

式中：HR——回次進尺，m；

t1——輔助作業(yè)時間，h。

t1包括鉆進準備、起下鉆、沖孔、掃孔、立軸倒桿、接長鉆桿、卡取巖心、提鉆準備、更換鉆頭及鉆具等時間。隨孔深的增加，提下鉆時間增加，回次鉆速減小。熟練操作、優(yōu)化鉆進、實現(xiàn)鉆具升降機械化、自動化是提高回次鉆速前提。

第四節(jié)碎巖效果指標第四十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第四節(jié)碎巖效果指標3.技術(shù)鉆速

技術(shù)鉆速表示一臺鉆機在一個月期間內(nèi)用于完成基本工序∑

t

、輔助作業(yè)∑

t1和其他補充作業(yè)∑T1的總時間與同期的鉆進進尺HT與之比。其計算公式如下：

(m/h)

∑T1是指一個月期間內(nèi)消耗在固孔、測量孔斜、地球物理測井、孔內(nèi)注漿、人工造斜等工作中的補充作業(yè)時間，h。技術(shù)鉆速取決于機臺工作的技術(shù)水平、各項工作的組織配合及技術(shù)措施等。

第四十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第四節(jié)碎巖效果指標4、經(jīng)濟鉆速

經(jīng)濟鉆速在國外也叫做商業(yè)鉆速，一般按月（季）計算，表示一臺鉆機在一個月（季度）期間的可計入成本時間（基