1、第二章第二章 岩石的破碎机理岩石的破碎机理 一、一、碎岩工具与岩石的作用方式碎岩工具与岩石的作用方式 二、外载作用下岩石的应力状态二、外载作用下岩石的应力状态三、三、岩石的破碎过程岩石的破碎过程 四、四、碎岩效果指标碎岩效果指标 第一节第一节 碎岩工具与岩石作用的主要方式碎岩工具与岩石作用的主要方式 根据刃具与岩石作用的方式和碎岩机理，可把碎岩刃具分：切削一剪切型、冲击型、冲击一剪切型三类。切削一剪切型、冲击型、冲击一剪切型三类。1、切削一剪切型、切削一剪切型 钻头碎岩刃具以速度v向前移动而切削(剪切)岩石。工作参数是：移动速度v、轴向力Pz和切向力P以及介质性质。第一节第一节 碎岩工具与岩石
2、作用的主要方式碎岩工具与岩石作用的主要方式 2、冲击型、冲击型 冲击型刃具给孔底岩石以直接的冲击动载，碎岩的过程可冲击型刃具给孔底岩石以直接的冲击动载，碎岩的过程可用工具动能用工具动能T Tk k和岩石变形位能和岩石变形位能U U的方程式来表达（的方程式来表达（TU ）：）：式中：m钻头和冲击钻杆的质量；钻头和冲击钻杆的质量；v钻头同岩石碰撞时的速度；钻头同岩石碰撞时的速度；max钻头侵入岩石的最大深度；钻头侵入岩石的最大深度；Pz（）岩石抵抗钻头侵入的阻力。岩石抵抗钻头侵入的阻力。221mvTkmax0)(dPUz第一节第一节 碎岩工具与岩石作用的主要方式碎岩工具与岩石作用的主要方式 3、冲
3、击一剪切型冲击一剪切型:钻头刃具不仅以Pz和P作用于岩石，而且还有使钻头向前回转的移动速度v和冲锤对齿刃的冲击速度vz或牙轮滚动时齿刃向下冲击的速度v。合成速度是：或式中：；A0 冲锤单次冲击功；Q冲锤重量；r齿顶到牙轮瞬时旋转中心的距离。zyvvvvvvyQgAvz02rv第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 切削具对岩石的压入破碎在孔底过程中起着重要作用。岩石岩石在切削具切入、破碎之前，先产生弹性应力状态。在切削具切入、破碎之前，先产生弹性应力状态。钻头上的切削具与孔底岩石的作用可以看成是圆柱体、球形体、长方平底圆柱体、球形体、长方平底形压模与弹性半无限体所限制的平面的相
4、互作用。形压模与弹性半无限体所限制的平面的相互作用。本节本节讨论同不形状切削具在外载作用下的岩石应力状态。（一）平底圆柱形压头压入时应力状态（一）平底圆柱形压头压入时应力状态 （二）球形压头压入时岩石的应力状态（二）球形压头压入时岩石的应力状态 （三三）轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态 图22 半无限体在边界上受法向集中力作用第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 假设：假设：（1）岩石均质，各向同性；（2）遵从虎克定律；（3）弹性特性不受应力状态和加载速度影响第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 （
5、一）平底圆柱形压头压入时应力状态（一）平底圆柱形压头压入时应力状态 刚性平底压头以作用力P 沿 z 轴压入弹性半无限体，其接触面上的压力分布在初期是不均匀的（图2-4），边缘处的应力集中使岩石产生局部破碎或塑性变形，而后，压力便趋于均匀分布。()222rPpa ar2Ppa图图24 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第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 （一）平底圆柱形压头压入时应力状态（一）平底圆柱形压头压入时应力状态 在压力均匀分布的前提下，根据弹性力学布希涅司克问题和应力叠加原理，求出岩体内沿对称轴上各应力分量为：2/32232/122)(23
6、)()1(22122zazzazpzr第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 （一）平底圆柱形压头压入时应力状态（一）平底圆柱形压头压入时应力状态 各应力分量随z轴的变化情况（如图）。随z的增加，z减小的慢，r=减小的快；剪应力随z的变化开始由小到大，到一个临界深度 z0 处 达最大值。在z=0 处：pz 4212pzr第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 （一）平底圆柱形压头压入时应力状态（一）平底圆柱形压头压入时应力状态 各若将对z求导，并使其等于零，则：设=0.25，则z0=0.62a，max=0.345p。这表明在z轴上，最大剪应力所在的深度约等于压头
7、半径的23。而最大剪应力约为均匀压强的l3。由于最大剪应力点是压碎岩石的发由于最大剪应力点是压碎岩石的发源处应引起重视。源处应引起重视。27)1(20 az)1(2)1(922212maxp第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 压头下相对剪应力等直线图第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 （二）球形压头压入时岩石的应力状态（二）球形压头压入时岩石的应力状态 球体压入时，接触球面（半径为a）上的压力分布是不均匀的。其数值是随着压力点离开压力面中心的距离r的增加而不断减小的一个函数(如图)，即：在压力中心处：在压力边缘处：22323)(raaPrp0arp图26
8、第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 （二）球形压头压入时岩石的应力状态（二）球形压头压入时岩石的应力状态 同样根据弹性力学布希涅司克问题集中应力作用原理，岩体内沿对称轴上的各应力分量为：2220zaapzzatgazpzaapzr102220121432第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 （二）球形压头压入时岩石的应力状态（二）球形压头压入时岩石的应力状态 各应力分量随z轴的变化：剪应力随z的变化开始由小到大，一个临界深度z0处达最大值。在z=0有：；如果设=0.25，根据计算，z0=0.5a，max=0.40p，同样存在两个极值点，但都在z轴上。0pz
9、04)21(2pzr第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 （三）轴向力和切向力共同作用时岩石的应力状态（三）轴向力和切向力共同作用时岩石的应力状态 回转钻进中，碎岩工具一般以轴向、切向载荷同时作用于岩石。此时，岩石的应力分布与只有轴向载荷时不同。只有轴向力作用时，等应力线分布是均匀对称的。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。第二节第二节 外载下岩石的应力状态外载下岩石的应力状态 （三）轴向力和切向力共同作用时岩石的应力状态（三）轴向力和切向力共同作用时岩石的应力状态 在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切向力作用的后方则产生拉应力；在半无限体
10、内形成压应力区（）、拉应力区（）和过渡区（）。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。第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程（一）岩石的变形破碎形式（一）岩石的变形破碎形式1、黎金格尔定律：固体、黎金格尔定律：固体破碎功与破碎过程中物破碎功与破碎过程中物体表面积的增加成比例。体表面积的增加成比例。2、基尔比切夫定律：破、基尔比切夫定律：破碎功与物体破碎的体积碎功与物体破碎的体积成比例。成比例。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黎金格尔定律；黎金格尔定律；2基尔切夫定律基尔切夫定律 第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程
11、岩石在外载下的破碎过程 （一）岩石的变形破碎形式（一）岩石的变形破碎形式 切削具对岩石的作用力不同，岩石变形破碎可有3种方式 1、表面破碎、表面破碎 切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度，切削具不能压入岩石。切削具移动时，将研磨孔底岩石，岩石破碎是由接触摩擦功引起的，研磨的岩石颗粒很小，钻进速度低。这种变形破碎方式称为岩石的表面研磨，这个区称为表面破碎区。表表面面破破碎碎第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程 （一）岩石的变形破碎形式（一）岩石的变形破碎形式 2、疲劳破碎、疲劳破碎 切削具上的轴向载荷增加，但接触压力仍小于岩石硬度，可使岩石晶间联系破坏，岩石结构间缺陷发展
12、，特别是孔底受多次加载产生的疲劳裂隙更加发展，于是众多裂隙交错，仍可产生较粗岩粒的分离，这种变形破碎方式称为疲劳破碎，这个区称为疲劳破碎区。疲疲劳劳破破碎碎第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程（一）岩石的变形破碎形式（一）岩石的变形破碎形式 3、体积破碎、体积破碎 切削具上的载荷继续增加，接触压力大于或等于岩石硬度，切削具可有效地切入岩石，结果是：切削具在孔底移动时不断克服岩石的结构强度，切下岩屑，这种变形破坏方式称为体积破碎，这个区称为体积破碎区。体积破碎时，会分离出大块岩石，破碎效果好。体体积积破破碎碎第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程（二）平
13、底压模压入时的岩石变形破碎过程（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程 1、加载时，第一极值带产生环形裂纹；2、开始时，ac方向裂隙的伸展比ao快；3、远离自由面，ac方向的伸展速度迅速减慢；4、多数情况下，裂隙在o点相交比到达c点晚；5、在c点产生指向自由面、o点的裂隙；6、c点迅速到达自由面并与从o点来的裂隙相遇；7、产生aob主压力体和mon剪切体；8、压模阻力急剧降低，压模下落；9、aob体破碎，部分碎岩压出，部分压在压头下面。第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程（二）平
14、底压模压入时的岩石变形破碎过程 10、继续施载，碎岩石在压模下面被压实，并在剪切体内产生弹性变形；11、裂隙沿ac和ao方向向深部伸展；12、在比第一种情况下大得多的外载作用下，裂隙把aob体和mcocn体分离开来；13、aob体和mcocn体中的岩石将被压碎，部分碎岩压出，部分被压在压模的下面；14、继续施加外载，上述现象将重复进行。第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程 图示是平底压模压入阻力变化曲线和碎岩体积变化曲线。第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程课堂提问：课堂提问
15、：左图是平底压头压入岩石时阻力和岩石破碎体积的变化曲线，请解释曲线的变化规律。第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程（三）球状切削具压入时的岩石变形破碎过程（三）球状切削具压入时的岩石变形破碎过程 1、开始时，切削具与岩石接触的是一个点；2、外载增加，切削具和岩石产生弹性变形，接触面开始增大；3、接触面中心的正应力最大，首先出现裂隙；4、随外载增加，接触面增大，产生与原有裂 隙平行的新裂隙系；5、外载再增加，触面增大，新裂隙向深处伸展；6、球状切削具总的弹性变形不与外载成正比例。外载继续增加时，弹变总值减小，应力增大，裂隙伸展的深度增大；7、以后的破碎过程与平底压模时类似。
16、第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程 （三）球状切削具压入时的岩石变形破碎过程（三）球状切削具压入时的岩石变形破碎过程 球状切削具与平底压模压人岩石时的区别在于：球状切削具与平底压模压人岩石时的区别在于：1、裂隙对主压力体aob内的岩石进行了初步破坏；2、破碎的岩石再次压在切削具下面的较少；3、球状切削具压入岩石时，可以分为2种破碎形式：（1）形成相交的裂隙系对岩石进行破碎；（2）剪切体mcocn的分离。第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程（四）楔状切削具压入时的岩石变形破碎过程（四）楔状切削具压入时的岩石变形破碎过程 第三节第三节 岩石在外载下的破
17、碎过程岩石在外载下的破碎过程压头形状对体积破碎功的影响第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程（五）动载作用下的岩石变形破碎过程（五）动载作用下的岩石变形破碎过程 压头动压入时岩石破碎示意图压头动压入时岩石破碎示意图(a)出现残余变形；(b)脆性破碎第一形态；(c)脆性破碎第二形态；(d)脆性破碎第三形态1压头与岩石接触面；2破碎穴；3岩石碎块截面第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程 动压入时破碎岩石的能容量动压入时破碎岩石的能容量AV(即破碎单位体积岩石即破碎单位体积岩石所消耗的能量所消耗的能量)，可按下式确定：，可按下式确定：（J/cm3）式中式中
18、TK 冲击能量，冲击能量，J，V 破碎岩石体积，破碎岩石体积，cm3。KVTAV第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程 由于破碎体积不均匀地变化，造成能容量曲线有最大由于破碎体积不均匀地变化，造成能容量曲线有最大值和最小值。值和最小值。从总体上看，从总体上看，随着冲击能量随着冲击能量 TK 的增加，的增加，动载破碎岩石的能容量有减小的趋势。动载破碎岩石的能容量有减小的趋势。能容量曲线上的第一个最小值与形成第二破碎形态能容量曲线上的第一个最小值与形成第二破碎形态相对应；第二个最小值与形成第三破碎形态相对应。形成相对应；
19、第二个最小值与形成第三破碎形态相对应。形成第二和第三破碎形态后，冲击能虽然增加，但破碎体积基第二和第三破碎形态后，冲击能虽然增加，但破碎体积基本不变，所以单位体积破碎功出现最大值。本不变，所以单位体积破碎功出现最大值。第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程 对于岩石破碎过程的解释，概括起来可以得出以下的基本概念：对于岩石破碎过程的解释，概括起来可以得出以下的基本概念：(1)岩石破碎过程的发展，不是随载荷的增加而平稳地进行岩石破碎过程的发展，不是随载荷的增加而平稳地进行的，的，而是当载荷达到某一值后，而是当载荷达到某一值后，发生突然的侵入破碎。发生突然的侵入破碎。(2)载荷过
20、小时，只是在岩石表面形成一些微小裂纹，甚至载荷过小时，只是在岩石表面形成一些微小裂纹，甚至只发生弹性变形。因此破碎效果极差。只发生弹性变形。因此破碎效果极差。(3)当载荷不足以产生大剪切时，则只能在岩石中产生压裂当载荷不足以产生大剪切时，则只能在岩石中产生压裂作用，形成一些裂隙。作用，形成一些裂隙。(4)只有当载荷达某一定值时，才能产生大体积崩落破碎，只有当载荷达某一定值时，才能产生大体积崩落破碎，这时破碎效果最好。这时破碎效果最好。第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程 不论是动载还是静载压入时，破碎岩石能容量都是跳跃式不论是动载还是静载压入时，破碎岩石能容量都是跳跃式地
21、逐渐减小，并且动载破碎的能容量比静载的要高，如地逐渐减小，并且动载破碎的能容量比静载的要高，如下表。下表。破碎形态能容量，J/cm3加载方式第一破碎形态第二破碎形态第三破碎形态静载1091093939动载1951951451455050第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程 由上表可以看出，由上表可以看出，随着加载速度的增加，岩石的单位体积破碎功增大。破碎工具对岩石作用时，岩石中发生硬化和松弛两个过程。硬化的实质是岩石颗粒结晶晶格产生严重的扭曲，导致变形阻力增大，而松弛则使变形阻力减小。从硬化到松弛需要一定的时间。加
22、载速度大，松弛过程不能得到充分进行，从而影响破碎效果。第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程（六）（六）动静载联合碎岩 研究和试验表明，在一定的静载作用下加高频动载作用，会减缓钻头磨损，提高破岩效率。较小的钻压(静载)可减少钻柱的多次弯曲，避免较大静载产生的井斜和钻柱磨损及疲劳损坏，还能防止钻头早期损坏。静载的作用：（1）提高冲击动载作用力的峰值；（2）使切削具和地层紧密接触，减少动载作用的传递损失第三节第三节 岩石在外载下的破碎过程岩石在外载下的破碎过程动静载联合下岩石碎岩过程：（1）孔底不规则的表面在静载作用下被压平;（2）静载逐渐增加，接触处产生弹性变形:(3)在静载
23、和动载联合作用下，钻头下面的岩石开始出现微裂纹，钻头外侧边界处的应力集中线向外形成放射性的裂纹;(4)2个主要裂纹在岩石中形成一个长而窄的岩屑压碎和压实带，形成破碎区，岩石表面破裂，出现许多贝壳状的碎块:(5)作用力增长变慢，两侧产生的剪切体被工具吃入而崩出，作用力下降，形成一个破碎坑。第四节第四节 碎岩效果指标碎岩效果指标碎岩效果指标的定义：碎岩效果指标的定义：衡量钻进速度、钻进成本、钻进质量的经济技术指标。钻进速度、钻进成本、钻进质量之间有着密切的联系。钻进效果指标内容钻进效果指标内容 包括：钻速、每米钻孔成本、岩矿心采取率和钻孔弯曲等。它们受多因素的影响，包括不可控因素和可控因素。不可控
24、不可控 因素因素是指客观存在的因素，如所钻的地层、岩性及其埋深等；可控因素可控因素是指通过一定的设备和技术手段可进行人工调节的因素，如钻头类型、冲洗液性能、钻压、转速和泵量等。第四节第四节 碎岩效果指标碎岩效果指标1、机械钻速、机械钻速 机械钻速是单位纯钻进时间内所钻的进尺。机械钻速是单位纯钻进时间内所钻的进尺。计算式如下：（m/h）式中：H钻进进尺，m；t纯钻进时间，h。机械钻速表示岩石钻进的难易程度，取决于岩石的性质、钻进 方法、钻具、钻进工艺和技术的合理性等因素。机械钻速表示了钻进工作最基本的状况，在一定的条件下，必须优选钻进参数。tHvm2、回次钻速、回次钻速 表示从钻具开始下入钻孔，
25、进行钻进，直到把钻具从钻孔提出的工表示从钻具开始下入钻孔，进行钻进，直到把钻具从钻孔提出的工序中（即所谓一回次）单位时间的进尺。序中（即所谓一回次）单位时间的进尺。其计算公式如下：(m/h)式中：HR回次进尺，m；t1辅助作业时间，h。t1包括钻进准备、起下钻、冲孔、扫孔、立轴倒杆、接长钻杆、卡取岩心、提钻准备、更换钻头及钻具等时间。随孔深的增加，提下钻时间增加，回次钻速减小。熟练操作、优化钻进、实现钻具升降机械化、自动化是提高回次钻速前提。1ttHvRR第四节第四节 碎岩效果指标碎岩效果指标第四节第四节 碎岩效果指标碎岩效果指标3.技术钻速技术钻速 技术钻速表示一台钻机在一个月期间内用于完成
26、基本工序技术钻速表示一台钻机在一个月期间内用于完成基本工序 t 、辅助作业辅助作业 t1 和其他补充作业和其他补充作业T1的总时间与同期的钻进进尺的总时间与同期的钻进进尺HT与之比。与之比。其计算公式如下：(m/h)T1是指一个月期间内消耗在固孔、测量孔斜、地球物理测井、孔内注浆、人工造斜等工作中的补充作业时间补充作业时间，h。技术钻速取决于机台工作的技术水平、各项工作的组织配合及技术措施等。11TttHvTT第四节第四节 碎岩效果指标碎岩效果指标4 4、经济钻速、经济钻速 经济钻速在国外也叫做商业钻速，一般按月（季）计算，表示表示一台钻机在一个月（季度）期间的可计入成本时间一台钻机在一个月（
27、季度）期间的可计入成本时间（基本工序时间 t、辅助工序时间 t1、补充作业时间T1和非生产工序所用的时间T2 ）与同期钻进进尺）与同期钻进进尺HB 之比。之比。其计算公式如下：(m/h)T2是指一个月（季）钻机安装、大修、处理孔内事故等非生非生产性作业的时间产性作业的时间，h。劳动组织、动力供给、物资供应、技术状况越好，特别是无事故，经济钻速就会越高。v vB B 30302424是台月效率。是台月效率。211TTttHvBB第四节第四节 碎岩效果指标碎岩效果指标5、循环钻速、循环钻速循环钻速指的是从开孔到终孔整个生产大循环的平均钻速循环钻速指的是从开孔到终孔整个生产大循环的平均钻速 (m/h
28、)式中：T3用于安装和拆卸钻塔、起拔套管、封孔和终孔作业的时间，h。循环钻速表示钻探工程技术和组织管理、协调的总状态。它取决于经济钻速、安装及运输、基地的条件等。3211TTTttHvCC复习思考题 1、名词解释：、名词解释：岩石的硬度、研磨性、塑脆性（塑性系数）、可钻性；岩石的抗剪强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度；岩石的孔隙度、透水性；机械钻速、回次钻速、台月效率；表面破碎、疲劳破碎、体积破碎。2、影响岩石硬度的因素、影响岩石硬度的因素 3、岩石可钻性分级的方法、意义及其优缺点、岩石可钻性分级的方法、意义及其优缺点 4、在双向力作用下，岩体内的应力状况有何变化？这对于、在双向力作用下，岩体内的应力状况有何变化？这对于 岩石破碎有何意义？岩石破碎有何意义？5、钻进速度与载荷间有何关系。、钻进速度与载荷间有何关系。作业作业 读书报告读书报告1篇篇内容：与岩石可钻性相关的文献综述与岩石可钻性相关的文献综述要求：（1）字数不少于2500字；（2）参考文献不少于10篇，且在文中标明；（3）要有个人观点！（4）作业上交时间：10月18 公共邮箱：；密码：058051
