1、會(huì)計(jì)學(xué)1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)與破碎機(jī)理巖石物理力學(xué)性質(zhì)與破碎機(jī)理 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)，它與礦物粒度的大小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。、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

2、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，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)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),因此巖石因此巖石 一般強(qiáng)度較高，同時(shí)斷面粗糙者往往研磨性較大。一般強(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

3、）.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)。 第1頁/共53頁 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 grain particle cement 第2頁/共53頁 第3頁/共53頁 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 第4頁/共53頁 第5頁/共53頁 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

4、: 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)孔壁不 穩(wěn)定，應(yīng)下套管或采取其它有效措施。 第6頁/共53頁 第7頁/共53頁 第8頁/共53頁 第9頁/共53頁 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。 巖石是不同礦物組成的聚合體。由于礦物成分和 結(jié)構(gòu)方面的

5、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)。 E y x 第10頁/共53頁 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) 第11頁/共53頁 第12頁/共53頁 Cp=SOABC/ SODE 圖圖 1.110 由應(yīng)力由應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變曲線確定彈性模曲線確定彈性模 數(shù)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

6、系數(shù)塑性系數(shù) 第13頁/共53頁 第14頁/共53頁 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：cm i P Pa A 第15頁/共53頁 圖圖1.116 圓盤劈裂試圓盤劈裂試 驗(yàn)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 DL p t 2 Tension strength N T 第16頁/共53頁 cossin si

7、ncos f A P A T f A P A N 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。 第17頁/共53頁 第18頁/共53頁 第19頁/共53頁 第20頁/共53頁 第21頁/共53頁 第22頁/共53頁 第23頁/共53頁 第24頁/共53頁 （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素。

8、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 第25頁/共53頁 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

9、要求分級(jí)不斷修正。 （3）用微鉆速度評(píng)價(jià)巖石的可鉆性）用微鉆速度評(píng)價(jià)巖石的可鉆性 （-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。 第26頁/共53頁 （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

10、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。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進(jìn)行比較。問題問題 ：每種鉆進(jìn)方法的碎巖比功本身也不是一個(gè)常量。 第27頁/共53頁 壓頭壓入巖石時(shí)使巖石發(fā)生彈性變形所作的功： 2 P We P 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： aE P 2 1 2 ：泊松比； a：壓頭半徑； E：巖石彈性模量。 第28頁/共53頁 所以有： aE P We 4 1 22 巖石破碎時(shí)的總功： ppet C aE P CWW 4 1 22 單位

11、接觸面積破碎功： p t s C aaE P S W W 2 22 4 1 第29頁/共53頁 進(jìn)一步處理： E aCH C Ea aP W py ps 4 )1 ( 4 1 22 2 2 22 式中：Hy壓入硬度； 單位體積破碎功： aEV CP V A W p t V 4 1 22 式中：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30頁/共53頁 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） 第31頁/共53頁 目前鉆探

12、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32頁/共53頁 第33頁/共53頁 ( ) 22 2 r P p a ar 2 P p a 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

13、第34頁/共53頁 第35頁/共53頁 a Z0 第36頁/共53頁 第37頁/共53頁 圖圖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 第38頁/共53頁 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限空間平面上的解，求得 半無限體內(nèi)沿對(duì)稱軸上的應(yīng)力分量： z a tg a z p za a p za ap z a tg a z p za a p zr r z 1 0 22 2 0 22 2 0 1 0 22 2 0 1 2 1 4 3 2 2 11 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

14、處（）有： 第39頁/共53頁 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 第40頁/共53頁 0 0 0 4 21 2 21 p p p r z 如果=0.3,則壓力面中心(即z=0)處，z =-p0 ，r =- 0.8p0，=0.1p0 。 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) 第41頁/共53頁 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 ,這說明在

15、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： 0 0 3 21 2 0 3 21 p p r z r 第42頁/共53頁 當(dāng)=0.3時(shí), 0 133. 0p r , =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 周邊周邊和半無限體內(nèi)對(duì)稱軸上距壓力面z=0.5a處。 第43頁/共53頁 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)

16、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) 第44頁/共53頁 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

17、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 第45頁/共53頁 決定。軸向力和切向力之間存在最優(yōu)比值，或者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。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)有一個(gè)合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小；拉伸區(qū)拉伸區(qū) 則與上述情況相反；過渡區(qū)

18、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46頁/共53頁 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)基爾切夫定律根據(jù)基爾切夫定律 圖圖1.146 轉(zhuǎn)速與載荷的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)速與載荷的關(guān)系曲線 1、黎金格爾定律：固體、黎金格爾定律：固體 破碎功與破碎過程中物破碎功與破碎過程中物 體表面積的增加成比例。體表面積的增加成比例。 2、基爾比切夫定律：破、基爾比切夫定律：破 碎功與物體破碎的體積碎功與物體破碎的體積 成比例。成比例。 第47頁/共53頁 、表面破碎區(qū)：表面研磨，、表面破碎區(qū)：表面研磨， 破碎產(chǎn)物呈細(xì)微粉末，破碎破碎產(chǎn)物呈細(xì)微粉末，破碎 效率低；效率低； 、疲勞破碎區(qū)：?jiǎn)挝粔毫Α⑵谄扑閰^(qū)：?jiǎn)挝粔毫?仍