1、岩石钻进过程与破碎机理岩石钻进过程与破碎机理Chapter 1 Drilling process of rocks Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanismand fracturing mechanism 第一节、岩石的物理力学性质第一节、岩石的物理力学性质 第二节、岩石可钻性及其分级第二节、岩石可钻性及其分级 第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式要方式 第四节、静载作用下的岩石应力状态第四节、静载作用下的岩石应力状态 第五节、外载作用下岩石的破碎过程第五节、外载作用下岩石的破
2、碎过程第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质Physical & mechanical properties of rocks一、岩石的组成与分类一、岩石的组成与分类 岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变质岩。质岩。 岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳裂隙上升冷凝而成。裂隙上升冷凝而成。 沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有积和硬结等
3、成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大类。颗粒和胶结物两大类。 变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。二、岩石的结构与构造二、岩石的结构与构造 岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。大小、形状和表面特征有关，反映了岩
4、石非均质性和孔隙性。 岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存在环境有紧密的联系。在环境有紧密的联系。 岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不等，形成不同的结构和构造。等
5、，形成不同的结构和构造。 岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者往往研磨性较大。往往研磨性较大。 沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。 变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）.岩石沿岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。 图11 晶体结构类型图13 层理产生的原因图1-2 胶结物的类型 岩岩 石石 照照 片片花岗石花岗石花
6、岗石花岗石花岗岩花岗岩白云岩白云岩第二节第二节 岩石的自然性质岩石的自然性质Natural properties of rocks 岩石的自然性质岩石的自然性质：岩石在生成过程中，构造变动和风化过程中自然形成的特性。 密度密度:单位体积岩石的质量.容重:单位体积岩石的重量. 比重比重:单位体积岩石骨架体积的重量.岩石体积=固相骨架体积+岩石中孔隙体积. 一般来说,密度越高,强度越大。 孔隙度孔隙度:岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说,孔隙度越大,强度越低. 含水性含水性:W=(GW-GD)/GD 透水性透水性:KW=ql/A(Pi- Po) 岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越小。
7、如石灰岩,用水浸透后,强度下降明显。第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质Mechanical properties of rocks 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。性。 变形特性：弹性、塑性和脆性变形特性：弹性、塑性和脆性 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度抗弯强度 表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬度和研磨性1.3.1、变形特性、变形特性（deformation properties） 弹性变形 塑性
8、变形岩石破坏的形式岩石破坏的形式Broken form of rocks脆性破坏脆性破坏塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）(a)(b)(c)影响岩石弹性、塑性和脆性的因素影响岩石弹性、塑性和脆性的因素 （Facts affecting rocks elasticity and plasticity）1、岩石物质成分2、岩石结构构造3、应力状态4、载荷性质5、受力条件6、温度和湿度岩石弹塑性的测定岩石弹塑性的测定Measure of rocks elasticity and plasticityKp=SOABC/ SODE图图 1.110 由应力由应力应
9、变应变曲线确定弹性模数曲线确定弹性模数图图 1.111 岩石压入时的载荷侵深曲线岩石压入时的载荷侵深曲线1.3.2、强度性质、强度性质（Strength properties） 岩石强度岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。图图 1.114 岩石单轴抗压试验岩石单轴抗压试验 1岩样；岩样；2球座；球座；3钢垫板钢垫板 图图 1.115 岩石单轴拉伸试验岩石单轴拉伸试验1岩样；岩样；2夹头；图中尺寸单位：夹头；图
10、中尺寸单位：cmiPPaA图1.116 圆盘劈裂试验 图1.117 剪切试验1岩样； 2上下剪切模具；3模套；4斜锲块；5上下垫板； 6钢滚子t=2p/3.14DL影响岩石强度的因素影响岩石强度的因素（Factors affecting rocks strength） 1、岩石的物质成份、岩石的物质成份2、岩石的结构构造、岩石的结构构造3、岩石的容重和孔隙度、岩石的容重和孔隙度4、受力条件、受力条件5、应力状态、应力状态6、载荷速度、载荷速度7、岩样的线性尺寸、岩样的线性尺寸8、湿度和温度、湿度和温度1.3.3、表面特性、表面特性(Surface properties) 岩石的硬度岩石的硬度：
11、岩石表面对工具压入的反抗特性。岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2）倍。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的。 岩石的研磨性岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。影响岩石硬度的因素影响岩石硬度的因素（Factors affecting rocks hardness） 岩石的矿物成分和结构构造 应力状态 载荷速度 液体介质 工具形状和尺寸影响岩石研磨性的因素
12、影响岩石研磨性的因素 （Factors affecting rocks abrasiveness） 岩石的矿物成分和结构特征 正压力 滑动速度 介质第四节第四节 岩石可钻性及其分级岩石可钻性及其分级（Drillability of rocks and its classification） 岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反映了钻进时岩石破碎的难易程度。 它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础。 岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数有密切的关系。1.4.1 岩石可钻性分级的观点岩石可
13、钻性分级的观点(Viewpoints on classification of rock drillability) 用岩石力学性质评价岩石的可钻性 用实钻速度评价岩石的可钻性 用微钻速度评价岩石的可钻性 用碎岩比功评价岩石的可钻性1.4.2 划分岩石可钻性的具体方法划分岩石可钻性的具体方法(Methods for classification of rock drillability) 力学性质指标法力学性质指标法 实际钻进速度法实际钻进速度法 模拟钻进速度法模拟钻进速度法 破碎比功法破碎比功法 第五节第五节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式（Main mod
14、e of action between rock-broken tool and rock）第六节第六节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态（Stress conditions of rock under static load） 一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态( )222rPpa ar2Ppa图图1.134 平底圆柱压头压力面上的压力分布平底圆柱压头压力面上的压力分布图图1.136 球形压头压力面上的压力分球形压头压力面上的压力分布布图图1.137 平底压头压入时沿平底压头压入时沿 对称轴的应力分布对称轴的应力分布三、轴向力和切向力
15、共同作用时压头下方岩石的应力状态三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态图215 轴向力作用时岩石 内的应力分布图216 轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布 （a）等应力线图；（b）应力状态特征 压应力区；拉应力区；过渡区 在回转钻进中，破碎岩石工具以轴向和切向载荷作用于岩石上。弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内等应力线分布是均匀的、对称的（如图215）。而轴向力和切向力共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的（如图216）。在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切应力作用的后方则产生拉应力，在半无线体内（如图216(b)所示），形成正应力
16、区（）、拉应力区（）和过渡区（） 。由此可以推知，在兩向载荷作用下，碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点： 1. 轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具对孔底岩石表面以某一角度施加作用力。岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来决定。轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说有最优的作用力方向。这一方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时，轴向压力和回转速度应用一个合理的配合关系。 2. 轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方岩石中产生不均匀的应力状态。压缩区随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；拉伸区则与上述情况相反；过渡区内既有正应力的作用，又有拉应力的作用。 3. 当岩石中出现拉
17、应力时，在其他条件相同的情况下，岩石将在作用力比较小的时，在拉应力区开始破碎。 第七节第七节 外载作用下岩石的破碎过程外载作用下岩石的破碎过程（Failure process of rock under exterior load） 一、岩石的变形破碎方式一、岩石的变形破碎方式图图1.145 破碎功与破碎产物粉碎度的关系破碎功与破碎产物粉碎度的关系 1根据黎金格尔定律；根据黎金格尔定律；2根据基尔切夫定律根据基尔切夫定律图图1.146 转速与载荷的关系曲线转速与载荷的关系曲线 二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程 三、尖楔状切削切削具压入时和冲击碎岩机理图 221 液体压差下的碎岩机理图 220 尖楔状切削具碎岩机理
