岩石破碎学(第一讲).

第一讲主要内容•1.岩石的物理力学性质•2.岩石的机械性质•3.影响岩石机械性质的因素•4.碎岩工具与岩石作用的主要方式•5.静载作用下的岩石应力状态•6.外载作用下岩石的破碎过程第一章岩土钻进过程与破碎机理•1.岩石的物理力学性质•第二节、土的物理力学性质特征•第三节、岩石可钻性及其分级•第四节、钻头与岩石作用的主要方式•第五节、静载作用下的岩石应力状态•第六节、外载作用下岩石的破碎过程第一章岩土钻进过程与破碎机理•1.绪论•2.岩石的基本知识•岩石、矿物、元素、结构、构造、晶体、层理、片理•3.岩石的机械性质•弹性、塑性、强度、硬度、研磨性、可钻性•4.影响岩石机械性质的因素•5.岩石的强度理论•6.不同破碎条件下岩石的破碎机理•7.岩石力学性质的测试第一节岩石的物理力学性质Physical&mechanicalpropertiesofrocks一、岩石的组成与分类（compositionandclassification）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(igneous,sedimentaryandmetamorphicrock)。岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。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）。二、岩石的结构与构造(structureandtexture)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。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。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等，形成不同的结构和构造。岩浆岩具有晶质结构,因此岩石一般强度较高，同时断面粗糙者往往研磨性较大。变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）.岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是层理，与钻进有关。图1－1晶体结构类型图1－3层理产生的原因图1-2胶结物的类型grainparticlecement岩石照片花岗石花岗石花岗岩白云岩三、岩石的自然性质（Naturalpropertiesofrocks）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(density):单位体积岩石的质量.容重:单位体积岩石的重量.比重(specificweight):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(porosity):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(water-bearingproperty):W=(GW-GD)/GD透水性(peameability):KW=ŋql/A(Pi-Po)岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越大。如石灰岩,用水浸透后,强度下降明显。岩石的内聚性:岩石内部颗粒联系的紧密和强弱程度.按内聚性的大小岩石可分为三类:坚固的岩石:对于具有晶体结构的岩石,岩石往往沿晶粒接触面而破坏.钻进这类岩石时,一般孔壁稳定;粘结的岩石:粘土质岩石,具有较高塑性、较低强度和不大的研磨性，易缩径、垮塌和卡钻，因此通常采用低失水量的泥浆或对孔壁缩径无影响的冲洗液；松散的岩石：这类岩石包括砂和砾石。钻进时孔壁不稳定，应下套管或采取其它有效措施。第三节岩石的力学性质Mechanicalpropertiesofrocks•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(deformationproperties)、强度特性(strengthproperties)和表面特性(surfaceproperties)。•变形特性：弹性(elasticity)、塑性(plasticity)和脆性(brittleness)•强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度(compression,tension,shearandbendingstrenth)•表面特性：硬度和研磨性(hardness,abrasiveness)1.3.1、变形特性（deformationproperties）外力作用下，岩石发生变形，随着载荷的不断增加,变形不断发展，最终导致岩石破坏。变形和破坏是载荷作用下岩石性能变形的不同阶段。岩石变形有两种情况:•弹性变形（elasticdeformation），又称可逆变形（reversibledeformation）,外力撤除后岩石的外形和尺寸完全恢复原状。•塑性变形(plasticdeformation)，又称不可逆变形（irreversibledeformation）,外力撤除后岩石的外形和尺寸不能完全恢复原状而产生残留变形。•岩石从变形到破坏又可能有三种形式：（1）脆性破坏：破坏前实际不存在任何不可逆变形。（2）塑性破坏：破坏前产生大量的不可逆变形。（3）塑脆性破坏：先经历弹性变形，后经历塑性变形，最终导致破坏。多数造岩矿物属于理想的脆性体，其应力应变关系遵守虎克定律。当应力达到弹性极限时，岩石就开始破坏，只有在各向高压情况下多数矿物才表现为塑脆性体。岩石是不同矿物组成的聚合体。由于矿物成分和结构方面的特点，造成岩石变形不均匀。所以岩石的应力和应变之间的关系要比均质物体复杂得多，在一般情况下不符合虎克定律。衡量岩石弹性的指标主要有弹性模量E和泊松比。泊松比表示施加应力方向上的应变和其在垂直方向上所引起的应变比值的倒数。Eyx岩石破坏的形式Brokenformofrocks脆性破坏塑脆性破坏（弹性变形不明显时为塑性破坏）(a)(b)(c)影响岩石弹性、塑性和脆性的因素（Factorsaffectingrockselasticityandplasticity）1、岩石物质成分（造岩矿物、岩石类别）2、岩石结构构造(晶粒大小、胶结物、层理)3、应力状态（单向应力、多向应力）4、载荷性质（多次加载，加载速度）5、受力条件（拉、弯、剪、压）6、温度和湿度（T、H）岩石弹塑性的测定Measureofrock’selasticityandplasticityCp=SOABC/SODE图1.1－10由应力－应变曲线确定弹性模数图1.1－11岩石压入时的载荷－侵深曲线塑性系数1.3.2、强度性质（Strengthproperties）•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(tensionstrength)、抗弯强度(bendingstrength)、抗剪强度(shearstrength)、抗压强度(compressionstrength)。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。图1.1－14岩石单轴抗压试验1－岩样；2－球座；3－钢垫板图1.1－15岩石单轴拉伸试验1－岩样；2－夹头；图中尺寸单位：cmiPPaAσ图1.1－16圆盘劈裂试验图1.1－17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DLpt2TensionstrengthNcossinsincosfAPATfAPAN对于不同倾角下的剪切试验中所获得的不同正应力下的抗剪强度值,可根据f关系,在---坐标系中绘出包络线。可得出=0时的值，即岩石的抗剪强度。影响岩石强度的因素（Factorsaffectingstrengthofrocks)1、岩石的物质成份（矿物、沉积岩的胶结物）2、岩石的结构构造（颗粒的大小）3、岩石的容重和孔隙度4、受力条件（拉、弯、剪、压）5、应力状态（多向与单向）6、载荷速度(加载速度增大,强度升高)7、岩样的线性尺寸8、湿度和温度1.3.3、表面特性(Surfaceproperties)•岩石的硬度（hardness）：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+2π）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。(举例)•岩石的研磨性（abrasiveness）：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。岩石硬度的测试方法•静压入法（与金属硬度测试方法的区别）对于岩石来说，压模采用的是平底压模，S是一定的。对于金属来说，载荷P是一定的，S是变化的。目前通常采用的是史立涅尔压入硬度。根据硬度值，可将岩石6类12级，见书P18。•冲击回弹法，摆球硬度，以回弹次数确定岩石的硬度；12级；•研磨法：用磨料研磨岩石样品，以岩样线性尺寸磨损量的多少来衡量岩石的硬度。影响岩石硬度的因素（Factorsaffectinghardnessofrocks）•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(岩石抗压入阻力因压入面积减小而增大的现象被称为尺寸效应)影响岩石研磨性的因素（Factorsaffectingabrasivenessofrocks）•岩石的矿物成分和结构特征(造岩矿物、颗粒度、胶结程度、岩石矿物间的硬度差、矿物颗料形状等)•正压力（在达到岩石的硬度前，动摩擦系数是正压力的增函数，超过硬度后，不变间或有所降低）•滑动速度(有临界值,之前磨损率增长小,之后增长很快,与温度有关)•介质（能够改变工具与岩石之间的摩擦特性）岩石研磨性与岩石内摩擦角的关系：内摩擦角大的岩石，岩石的研磨性大。第四节岩石可钻性及其分级（Drillabilityofrocksanditsclassification）•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(Viewpointsonclassificationofrockdrillability)•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）用岩石力学性质评价岩石的可钻性（Toevaluatedrill-abilityofrocksbytheirmechanicalproperties）岩石力学性质是影响岩石可钻性的决定因素。在室内通过测定能够反映碎岩实质的某一种或某几种力学性质指标，可以表征岩石的可钻性，且测定手续简单、指标稳定，排除了实钻时人为操作因素的影响。问题：较难选择完全体现某种钻进方法碎岩实质的力学性质指标。（2）用实钻速度评价岩石的可钻性（------byrealpenetrationrateordrillingspeed）用实钻速度评价岩石的可钻性与生产实际联系紧密，能够反映地质因素和技术因素的综合影响，可用于制订生产定额。问题：不同的钻进方法要求有不同的分级指标，实际钻进速度受人为因素的影响。另外、技术的不断更新要求分级不断修正。（3）用微钻速度评价岩石的可钻性（-----bymicro-drillspeed）用实钻速度划分岩石的可钻性级别时，到现场比较麻烦，钻进结果受人为因素的影响。微钻速度同样能够反映各种因素的综合影响，可避免人为因素的影响。问题：模拟不可能十分完全，微钻速度不等于实钻