1、會計學1 巖石物理力學性質與破碎機理巖石物理力學性質與破碎機理 二、巖石的結構與構造二、巖石的結構與構造(structure and texture) 巖石的微觀組織特征，即巖石的結構，它與礦物粒度的大小巖石的微觀組織特征，即巖石的結構，它與礦物粒度的大小 、形狀和表面特征有關，反映了巖石非均質性和孔隙性。、形狀和表面特征有關，反映了巖石非均質性和孔隙性。 巖石構造是表示巖石宏觀組織特征，它說明礦物顆粒之間巖石構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。巖石的結構和構造與巖石的成

2、因類型、形成條件及存隙性。巖石的結構和構造與巖石的成因類型、形成條件及存 在環境有緊密的聯系。在環境有緊密的聯系。 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 環境和冷卻速度不同，巖漿化學成份和其中揮發物的含量不環境和冷卻速度不同，巖漿化學成份和其中揮發物的含量不 等，形成不同的結構和構造。巖漿巖具有晶質結構等，形成不同的結構和構造。巖漿巖具有晶質結構,因此巖石因此巖石 一般強度較高，同時斷面粗糙者往往研磨性較大。一般強度較高，同時斷面粗糙者往往研磨性較大。 變質巖：主要構造特征是片理（如石墨和滑石）變質巖：主要構造特征是片理（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：顆粒和膠結物組成，沉積巖的主要構造特征是沉積巖：顆粒和膠結物組成，沉積巖的主要構造特征是 層理，與鉆進有關。層理，與鉆進有關。 第1頁/共53頁 圖11 晶體結構類型圖13 層理產生的原因圖1-2 膠結物的類型 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 巖石的內聚性巖石的內聚性: 巖石內部顆粒聯系的緊密和強弱程度. 按內聚性的大小巖石可分為三類

4、: 堅固的巖石堅固的巖石: 對于具有晶體結構的巖石,巖石往往沿晶 粒接觸面而破壞.鉆進這類巖石時,一般孔壁穩定; 粘結的巖石粘結的巖石: 粘土質巖石, 具有較高塑性、較低強度和 不大的研磨性，易縮徑、垮塌和卡鉆，因此通常采用 低失水量的泥漿或對孔壁縮徑無影響的沖洗液； 松散的巖石：松散的巖石：這類巖石包括砂和礫石。鉆進時孔壁不 穩定，應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 當應力達到彈性極限時，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礦物才表現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 結構方面的

5、特點，造成巖石變形不均勻。所以巖石的 應力和應變之間的關系要比均質物體復雜得多，在一 般情況下不符合虎克定律。 衡量巖石彈性的指標主要有彈性模量E和泊松比 。泊松比表示施加應力方向上的應變和其在垂直方向 上所引起的應變比值的倒數。 E y x 第10頁/共53頁 脆性破壞脆性破壞塑脆性破壞（彈性變形不明顯時為塑性破壞）塑脆性破壞（彈性變形不明顯時為塑性破壞） (a)(b) (c) 第11頁/共53頁 第12頁/共53頁 Cp=SOABC/ SODE 圖圖 1.110 由應力由應力應變應變曲線確定彈性模曲線確定彈性模 數數 圖圖 1.111 巖石壓入時的載荷侵深曲線巖石壓入時的載荷侵深曲線 塑性

6、系數塑性系數 第13頁/共53頁 第14頁/共53頁 圖圖 1.114 巖石單軸抗壓試驗巖石單軸抗壓試驗 1巖樣；巖樣；2球座；球座；3鋼墊板鋼墊板 圖圖 1.115 巖石單軸拉伸試驗巖石單軸拉伸試驗 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 驗驗 圖圖1.117 剪切試驗剪切試驗 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 對于不同傾角下的剪切試驗中所獲得的不同正應力 下的抗剪強度值,可根據 f 關系,在-坐標系中繪出包絡線。可得出=0時的 值，即巖石的抗剪強度。 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）用巖石力學性質評價巖石的可鉆性）用巖石力學性質評價巖石的可鉆性 （To evaluate drill-ability of rocks by their mechanical properties） 巖石力學性質是影響巖石可鉆性的決定因素。

8、在 室內通過測定能夠反映碎巖實質的某一種或某幾種力 學性質指標，可以表征巖石的可鉆性，且測定手續簡 單、指標穩定，排除了實鉆時人為操作因素的影響。 問題：問題：較難選擇完全體現某種鉆進方法碎巖實質的力 學性質指標。 （2）用實鉆速度評價巖石的可鉆性）用實鉆速度評價巖石的可鉆性 （-by real penetration rate or drilling speed） 用實鉆速度評價巖石的可鉆性與生產實際聯系 第25頁/共53頁 緊密，能夠反映地質因素和技術因素的綜合影響，可 用于制訂生產定額。問題：問題：不同的鉆進方法要求有不 同的分級指標，實際鉆進速度受人為因素的影響。另 外、技術的不斷更新

9、要求分級不斷修正。 （3）用微鉆速度評價巖石的可鉆性）用微鉆速度評價巖石的可鉆性 （-by micro-drill speed ） 用實鉆速度劃分巖石的可鉆性級別時，到現場比 較麻煩，鉆進結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：問題：模擬不可能十分完全，微鉆速度不等于實 鉆速度。 第26頁/共53頁 （4）用碎巖比功評價巖石的可鉆性）用碎巖比功評價巖石的可鉆性 （-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、一定的能量而產生 相應數量的碎巖體積。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。通過碎巖比功這一指標還可以把各種鉆 進方法破碎巖石的有效性溝通起來進行比較。問題問題 ：每種鉆進方法的碎巖比功本身也不是一個常量。 第27頁/共53頁 壓頭壓入巖石時使巖石發生彈性變形所作的功： 2 P We P P：巖石破碎時的載荷； ：與P相應的彈性變形。 由材料力學可知： 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。 史立涅爾根據單位接觸面積破碎功將巖石劃為10級。 第30頁/共53頁 第五節第五節 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、生產中廣泛采用的鉆進碎巖方法屬于機械 法破碎巖石。根據刃具同巖石作用的方式和碎巖機 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：對應于回轉鉆進；要求切削具 具有一定的抗彎強度、硬度； （2）鑿碎型：沖擊鉆進；要求切削具具有一定的抗 彎強度、硬度和抗沖擊強度或沖擊韌性； （3）鑿碎剪切型：牙輪鉆頭，沖擊回轉鉆進，回 轉沖擊鉆進；要求切削具具有更高的抗彎強度、硬 度和抗沖擊強度或沖擊韌性 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 半無限體內沿對稱軸上的應力分量： 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 各應力分量隨值變化的情況表示于圖11中 。在對稱軸上所有應力都是壓應力。顯然，在壓力 面中心

14、處（）有： 第39頁/共53頁 圖圖1.137 球形壓頭壓入時沿球形壓頭壓入時沿 對稱軸的應力分布對稱軸的應力分布 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 。 接觸面中心的應力狀態接近于各向 均勻壓縮狀態。 隨著z的增加，所有正應力都要減小，但r =比 z減 小得更快。剪應力與正應力不同，開始時隨z的增加 而增大，在達到某一最大值后，即逐漸減小。根據計 第41頁/共53頁 據計算，最大剪應力所在深度z0=0.48ay0.5a;最大剪 應力max=0.31p0 ,這說明在

15、深度zy0.5a處的剪應力為 壓力面中心z=0處剪應力的三倍。 另外，按照彈性力學推導，在壓力面邊緣（即z=0， r=a）處，應力分量為： 0 0 3 21 2 0 3 21 p p r z r 第42頁/共53頁 當=0.3時, 0 133. 0p r , =0.133p0 。 這表明在接觸面的圓周邊界處，沿徑向產生拉應力 。另外此處剪應力小于對稱軸上max，但大于壓力 面中心的剪應力。 因此，球體壓入平面時，最危險危險的地方是：壓力面壓力面 周邊周邊和半無限體內對稱軸上距壓力面z=0.5a處。 第43頁/共53頁 圖215 軸向力作用時巖石 內的應力分布 圖216 軸向力和切向力共同作用時

16、巖石內的應力分布 （a）等應力線圖；（b）應力狀態特征 壓應力區；拉應力區；過渡區 第44頁/共53頁 在回轉鉆進中，破碎巖石工具以軸向和切向載荷作 用于巖石上。彈性力學研究表明：只有軸向力單獨作 用于壓頭時，彈性半無限體內等應力線分布是均勻的 、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生壓 應力，而切應力作用的后方則產生拉應力，在半無限 體內（如圖216(b)所示），形成正應力區（正應力區（）、 拉應力區（拉應力區（）和過渡區（）和過渡區（） 。由此可以推知，在 兩向載荷作用下，碎巖工具對巖石的作

17、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 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比值，或者軸向力和切向力之間存在最優比值，或者 說有最優的作用力方向。說有最優的作用力方向。這一方向對于不同的巖 石可能是不同的。所以鉆進不同巖石時，軸向壓 力和回轉速度應有一個合理的配合合理的配合關系。 2. 軸向力與切向力共同作用時，碎巖工具下方 巖石中產生不均勻的應力狀態。壓縮區壓縮區隨軸向 力增加而擴大，隨切向力的增加而縮小；拉伸區拉伸區 則與上述情況相反；過渡區

18、過渡區內既有正應力的作 用，又有拉應力的作用。 3. 當巖石中出現拉應力時，在其他條件相同的 情況下，巖石將在作用力比較小的時候，在拉應 力區開始破碎。 第46頁/共53頁 圖圖1.145 破碎功與破碎產物粉碎度的關系破碎功與破碎產物粉碎度的關系 1根據黎金格爾定律；根據黎金格爾定律；2根據基爾切夫定律根據基爾切夫定律 圖圖1.146 轉速與載荷的關系曲線轉速與載荷的關系曲線 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：表面研磨，、表面破碎區：表面研磨， 破碎產物呈細微粉末，破碎破碎產物呈細微粉末，破碎 效率低；效率低； 、疲勞破碎區：單位壓力、疲勞破碎區：單位壓力 仍