第一章岩石性质与破碎LU

第二节 岩石的物理力学性质
四、岩石的硬度
3、影响岩石硬度的因素
工程钻探与取样技术
（1）岩石中坚硬矿物愈多、胶结物的硬度越大、岩石的颗粒 越细、结构越致密，岩石的硬度越大。而孔隙度高、密度低、 裂隙发育的岩石硬度将会降低。
（2）岩石的硬度具有明显的各向异性。层理对岩石硬度的影
响与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向，硬度值最小； 平行于层理方向，硬度最大；两者之间可相差1.05～1.8倍。
次数来确定岩石的硬度。
第二节 岩石的物理力学性质
五、岩石的弹性和塑性
1、岩石弹性、塑性的概念
工程钻探与取样技术
岩石在外力作用下经历应力应变过程。当外力撤除后岩 石的外形和尺寸完全恢复原状，这种变形称为弹性变形；
当外力撤除后岩石的外形和尺寸不能完全恢复而产生残留
变形，这种变形称为塑性变形。
第二节 岩石的物理力学性质
加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。
第二节 岩石的物理力学性质
4、岩石硬度的测定
（1）静压入法：以1~5mm2的压 头压入岩样表面，岩石破碎时的载 荷Pmax 除以接触面积S，则为岩石的 硬度值Hy（通常称为压入硬度）。
工程钻探与取样技术
H y Pmax / S
( Pa )
（2）冲击回弹法：利用重物落在岩 石表面后回弹高度或回弹角度和回弹
第二节 岩石的物理力学性质
三、岩石的强度
3、影响岩石强度的因素
工程钻探与取样技术
（4）岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。岩石的 抗压强度最大，抗剪强度约为抗压强度的10%。因此，钻掘过 程中，破岩工具应主要以剪切的方式来破碎岩石。 （5）多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高 出许多倍。 （6）加载速度的影响：① 加载速度增加，岩石的强度提高； ② 加载速度对塑性岩石强度的影响大，对脆性岩石强度的影响 小。
第二节 岩石的物理力学性质
四、岩石的硬度
工程钻探与取样技术
1、岩石的硬度的基本概念：岩石的硬度反映岩石抵抗外部 更硬物体压入（侵入）其表面的能力。 2、硬度与抗压强度的区别与联系 （1）岩石的硬度与抗压强度一般存在正比例关系；
（2）抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力，而硬度则是
固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。 （3）硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第三节 岩石的可钻性及可钻性分级
二、岩石可钻性分级的方法
工程钻探与取样技术
3、微钻法 采用模拟的微型孕镶金刚石钻头，按一定的规程，对岩心进行 钻进试验。 原地矿部的规范：以微钻的平均钻速作为岩石可钻性指标，共 分12级。 原石油部的规范：用微钻在岩样上钻三个孔深2.4mm的孔，取 三个孔钻进时间的平均值为钻时t ，取整后作为该岩样的可钻性级 别，可把油田地层的可钻性分成10个等级，等级越高，钻进越难。 Kd=log2t
在金刚石钻进中这种磨损形式起着重要的作用，因为岩粉能磨蚀
金刚石钻头的胎体，帮助孕镶金刚石出刃。
第二节 岩石的物理力学性质
六、岩石的研磨性
工程钻探与取样技术
3、影响岩石研磨性的因素 （1）岩石颗粒的硬度越大，研磨性也越强，石英岩具有强研磨性 （2）岩石胶结物的粘结强度越低，岩石的研磨性越强。 （3）岩石颗粒形状越尖锐、颗粒尺寸越大，岩石的研磨性越强。 （4）岩石表面粗糙，局部接触易产生应力集中， 研磨性增强 （5）硬度相同时，单矿物岩石的研磨性较低，非均质和多矿物的 岩石（如花岗岩）研磨性较强。岩石中较软的矿物（云母，长石） 首先被破碎下来，使岩石表面变粗糙，同时石英颗粒出露，从而 增强了研磨能力。 （6）介质的影响，湿润和含水的岩石硬度和研磨性都会降低。
（一）岩石的结构
岩石结构是说明岩石的微观组织特征的。它与矿 物颗粒的大小、形状和表面特征有关，反映岩石的非 均质性和孔隙性。
第一节 岩石的组成
二、岩石的结构和构造
（二）岩石的构造
工程钻探与取样技术
岩石构造是表示岩石宏观的组织特征，它说
明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布情况。岩
石构造决定了岩石的各向异性和裂隙性。 沉积岩和变质岩的构造，在进行破碎时有重
G s V
第二节 岩石的物理力学性质
三、岩石的强度
工程钻探与取样技术
1、岩石的强度的基本概念 岩石在载荷作用下抵抗破坏的能力。破坏前所能承受的最大 载荷称为极限载荷，单位面积上的极限载荷称为极限强度 2、岩石的强度的类型 （1）根据受力条件，岩石的极限强度可分为抗压强度、抗拉 强度、抗剪强度等； （2）根据应力状态，岩石强度可分为单向、两向、三向应 力状态下的强度； （3）根据加载速度，有静载强度和动载强度。
岩石的孔隙性削弱了岩石的强度。一般沉积岩具有高的孔隙 度；随着埋深的增大，岩石的孔隙度降低。
第二节 岩石的物理力学性质
二、岩石的密度与容重
工程钻探与取样技术
1、岩石的密度ρ s ：岩样的质量m与其总体积V之比。均质物 质的密度为质量与体积之比。
m m s V Vc VP
2、岩石的容重γ s：是岩样重量G与其总体积V之比
第一章 岩土的物理力学 性质及其破碎机理
一、岩石的组成 二、岩石的物理力学性质 三、岩石的可钻性及可钻性分级 四、土的物理力学性质特征 五、岩石的破碎机理
第一节 岩石的组成
一、岩石的组成与分类
工程钻探与取样技术
岩石是矿物的集合体。矿物是具有一定成分和物理性质无 机物质。根据其成因，岩石可分为三类： 1、岩浆岩：岩浆岩是内力地质作用的产物，由地壳深处 的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。 2、沉积岩：沉积岩是在地表条件下母岩(岩浆岩、变质岩 或早先形成的沉积岩)风化剥蚀的产物，经搬运、沉积和硬结 等成岩作用而形成的岩石。。 3、变质岩：变质岩是岩浆岩、沉积岩甚至是变质岩本身 在地壳中受到高温、高压及活动性流体的影响而变质形成的 岩石。
第一节 岩石的组成
一、岩石的组成与分类
一般而言：
工程钻探与取样技术
岩浆岩的强度和硬度都较高，
沉积岩的强度和硬度则较低， 而变质岩的强度和硬度变化不均。 金属和非金属矿床一般赋存于岩浆岩和变质岩中， 煤和石油等可燃性矿产通常与沉积岩共存。
第一节 岩石的组成
二、岩石的结构和构造
工程钻探与取样技术
要意义。
第一节 岩石的组成
（二）岩石的构造 1、岩浆岩的构造：块状构造 2、沉积岩的构造：主要构造特征 是在沉积岩形成过程中产生的层理。 反映岩石成分在垂直方向上的变化。 3、变质岩的构造：主要构造特征 是片理。岩石沿平行平面分裂为薄片
工程钻探与取样技术
的能力叫做片理。
层理、片理会引起岩石的各向异性。
第二节 岩石的物理力学性质
工程钻探与取样技术
岩石的物理性质 是岩石受一定的自然或人工 物理场或介质作用后的特殊行为（响应），由其 组成、结构所决定。 岩石的物理性质有很多，本节主要研究影响岩 石破碎过程的物理性质，如粘结状态、孔隙度、密 度、容重等。
岩石的力学性质是在外载作用下才表现出来岩 石抵抗变形和破坏的能力。如强度、硬度、弹性、 脆性、塑性和研磨性等。
第三节 岩石的可钻性及可钻性分级
一、岩石可钻性的概念
工程钻探与取样技术
1、岩石可钻性的概念 岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。在钻探生 产中通常用机械钻速作为衡量岩石可钻性的指标，单位是m／h。 2、岩石的可钻性及可钻性分级的意义 可钻性及可钻性分级是决定钻进效率的基本因素，也是确定岩 石破碎的难易程度的综合指标。对钻探生产非常重要，它是合理 选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进规程参数的依据，也是制 订钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据。
第二节 岩石的物理力学性质
四、岩石的硬度
3、影响岩石硬度的因素
工程钻探与取样技术
（3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下 硬度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。 （4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系
数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。
五、岩石的弹性和塑性
3、岩石弹性、塑性的表示方法
工程钻探与取样技术
（1）衡量岩石弹性的指标主要是弹性模数E和泊松比μ。 弹性模数：弹性范围内应力与应变的比值，(Pa)或 (MPa)。
泊松比：弹性变形阶段横向应变与纵向应变的比值，无量纲值。
（2）在钻探过程中衡量岩石塑性程度的塑性系数K： 塑性系数：岩石破碎前所消耗的总能量与弹性变形的能量之比， 无量纲值。
第二节 岩石的物理力学性质
三、岩石的强度
3、影响岩石强度的因素
工程钻探与取样技术
（1）一般情况下，造岩矿物强度越高，岩石的强度也越高。 沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例及其矿物成分。细粒 岩石的强度大于同一矿物组成的粗粒岩石。 （2）岩石的孔隙度增加，密度降低，强度也降低。因此， 一般岩石的强度随埋深的增大而增大。 （3）岩石的强度具有明显的各向异性。垂直于层理方向的 抗压强度最大，平行于层理的抗压强度最小，在与层理斜交 方向上的抗压强度介于两者之间。
第五节 岩石的破碎机理
一、碎岩工具与岩石作用的主要方式
工程钻探与取样技术
2、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 用工具动能Tk和岩石变形位能U的方程式来表达（ T＝U ）：
工程钻探与取样技术
2、岩石破坏的形式 （1）脆性破坏：破坏前不存在塑性变形。呈脆性破坏的 岩石称为脆性岩石； （2）塑性破坏：破坏前发生大量的塑性变形。呈塑性破 坏的岩石称为塑性岩石； （3）塑脆性破坏：先经历弹性变形，然后塑性变形，最 终导致破坏。呈塑脆性破坏的岩石称为塑脆性岩石。
第二节 岩石的物理力学性质
土的极限平衡条件） 四、土的工程分类
第五节 岩石的破碎机理
一、碎岩工具与岩石作用的主要方式
工程钻探与取样技术
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。 1、切削一剪切型 钻头碎岩刃具以速度vθ 向前移
动而切削(剪切)岩石。工作参数是：
移动速度vθ 、轴向力Pz和切向力 Pθ 以及介质性质。
二、岩石可钻性分级的方法
5、岩屑声波法
工程钻探与取样技术
通过测定岩屑的声波波速，来定量计算岩石的可钻性级值。
自学内容安排
第四节 土的物理力学性质特征（自学P13~P15） 一、土的基本组成
工程钻探与取样技术
二、土的物理性质特征（土的含水量、土的密实度、 土的塑性指数和液性指数、土的渗透系数）
三、土的力学性质特征（土的压缩性、土的抗剪性、
第二节 岩石的物理力学性质
六、岩石的研磨性
1、岩石研磨性：岩石磨损工具的能力。
工程钻探与取样技术
2、岩石磨损形式
（1）摩擦磨损：孔底岩石与切削工具相对滑动而产生的磨损。 与所钻岩石的研磨性、切削工具的耐磨性、钻进规程参数有关； （2）磨粒磨损：孔底破碎岩屑对切削工具的磨损。与岩屑的硬 度和研磨性、岩屑的数量（钻进速度）、钻孔冲洗的程度等有关。
第三节 岩石的可钻性及可钻性分级
二、岩石可钻性分级的方法
4、破碎比功法
工程钻探与取样技术
用圆柱形压头作压入试验时，可通过压力与侵深 曲线图求出破碎功，然后计算出单位接触面积破碎 比功AS，根据破碎比功法对岩石可钻性分成10个等 级。近年来，许多科学家认为该方法是比较合理的
一种方法。
第三节 岩石的可钻性及可钻性分级
第二节 岩石的物理力学性质
一、岩石的孔隙比与孔隙度
工程钻探与取样技术
1、岩石的孔隙比kP：岩石中的孔隙体积VP与岩石中固相骨 架的体积Vc 之比
kP=VP/Vc
2、岩石的孔隙度P：岩石中的孔隙体积VP与岩石总体积V 的
百分比
VP 100% VP 100% kP P 100% V Vc VP 1 kP
第三节 岩石的可钻性及可钻性分级
二、岩石可钻性分级的方法
工程钻探与取样技术
1、力学性质指标法 采用单一的力学性质划分岩石的可钻性级别。据压入硬度值把 岩石分成6类12级，据摆球的回弹次数把岩石分成12级。如果两种 方法确定的可钻性级别不一致，可按包括压入硬度值Hy和摆球硬 度值Hn的回归方程式（1-17）来确定可钻性K值。 K=3.198+8.854×10-3Hy+2.578×10-2Hn 2、实际钻进速度法 在规定的设备工具和技术规范条件下进行实际钻进，以机械钻 速作为岩石的可钻性级别。随着技术的进步，必须实时修正。原 地矿部曾制定了适合于金刚石钻进的岩石可钻性，如表1-6所列。