巖石鉆進過程與破碎機理課件

1、巖石鉆進過程與破碎機理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：在地表條件下母巖風(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)巖石一般強度較高，同時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)造特征是有鉆進過程中產(chǎn)生的層理，與鉆進有關(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,水對它的影響就越小。如石灰?guī)r,用水浸透后,強度下降明顯。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、強度特性和表面特性。 變形特性：彈性、塑性和脆性強度特性：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度表面特性：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 巖石壓入時的載荷侵深曲線1.3.2、強度性質(zhì)（Strength properties）巖石強度：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，巖石強度又可分為抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度、抗壓強度。有單向應(yīng)力狀態(tài)下的強度，多向應(yīng)力狀態(tài)下的強度。圖 1.114 巖石單軸抗壓試驗 1巖樣；2球座；3鋼墊板 圖 1.115 巖石單軸拉伸試驗1巖樣；2夾頭；圖中尺寸單位：cm圖1.116 圓盤劈裂試驗 圖1.117 剪切試驗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：巖石表面對工具壓入的反抗特性。巖石硬度與抗壓強度有一定聯(lián)系，又有很大區(qū)別。巖石抗壓強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度的（1+2）倍。測定壓入硬度實際上使巖樣產(chǎn)生局部破碎，而這種局部破碎是在多向受壓狀態(tài)下進行的。巖石的研磨性：在用機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，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)特征正壓力滑動速度介質(zhì)第四節(jié) 巖石可鉆性及其分級（Drillability of rocks and its classification）巖石可鉆性是決定鉆進效率的基本因素，它反映了鉆進時巖石破碎的難易程度。它是合理選擇鉆進方法、鉆頭結(jié)構(gòu)及鉆進規(guī)程參數(shù)的依據(jù)，同時也是制訂鉆

9、探生產(chǎn)定額和編制鉆探生產(chǎn)計劃的基礎(chǔ)。巖石可鉆性是個多變量的函數(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 巖石可鉆性分級的觀點(Viewpoints on classification of rock drillability)用巖石力學(xué)性質(zhì)評價巖石的可鉆性用實鉆速度評價巖石的可鉆性用微鉆速度評價巖石的可鉆性用碎巖比功評價巖石的可鉆性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)法實際鉆進速度法模擬鉆進速度法破碎比功法 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 平底壓頭壓入時沿 對稱軸的應(yīng)力分布三、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)圖215 軸向力作用時巖石 內(nèi)的應(yīng)力分布圖216 軸向力和切向力共同作用時巖石內(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：只有軸向力單獨作用于壓頭時，彈性半無限體內(nèi)等應(yīng)力線分布是均勻的、對稱的（如圖215）。而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（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，碎巖工具對巖石的作用具有以下的特點： 1. 軸向力和切向力共同作用時，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)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。所以鉆進不同巖石時，軸向壓力和回轉(zhuǎn)速度應(yīng)用一個合理的配合關(guān)系。 2. 軸向力與切向力共同作用時，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，在其他條件相同的情況下，巖石將在作用力比較小的時，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