岩石理论

⏹第2章岩石理论

⏹岩石是工程机械的施工对象之一，研究影响岩石破碎的因素，找出破碎岩石的规律，

对提高凿岩、破碎机械作业效率，优化作业过程具有重要意义。

⏹岩石的破碎方法有:机械破碎、爆炸破碎、水射流破碎等，但国内外使用最多的是机

械破碎。

⏹按机械破碎作用的性质不同，破岩方法可分为机械回转钻进破岩、机械冲击钻进破

岩以及冲击回转钻进破岩等。

⏹ 2.1.1 岩石的分类

⏹岩石按其成因可分为：岩浆岩、沉积岩和变质岩。

⏹岩石按矿物组成可分为：单矿物岩，如岩盐、石膏，无水石膏、灰岩、白云岩等；

多矿物岩石，如各种岩浆岩。

⏹岩浆岩是由硬度较高的矿物组成的，其硬度与强度都较高；沉积岩是由强度较低的

矿物组成的，其硬度与强度也较低。

⏹岩石的结构主要是指晶体结构和胶结物的结构

⏹ 2.1.2 岩石的可钻性分级

⏹使用便携式岩石凿测器测定岩石的凿碎比能和凿480次后钎刃磨钝的宽度，将岩石

分7级:

⏹岩石的可钻性

⏹岩石的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。

⏹岩石可钻性及其分级在钻探生产中极为重要。

⏹它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据，同时也是考核机械生产

效率的根据。

⏹§2.2 岩石物理机械性质

⏹ 2.2.1 岩石强度

⏹（一）岩石强度的概念

⏹作用于岩石上的外载荷增大到一定程度时，岩石就会发生破坏。破坏时岩石所能承

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，简称为岩石的强度。

⏹根据受力条件不同，岩石的强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度

等；

⏹根据应力状态，岩石的强度可分为单向应力状态下的强度、两向和三向应力状态下

的强度；

⏹岩石强度

⏹ 2.2.2 岩石硬度

⏹ 2.2.2 岩石硬度

⏹（一）岩石硬度的概念

⏹岩石硬度定义为岩石表面抵抗硬物局部压人的能力。

⏹岩石的硬度与抗压强度的关系：二者有着密切的联系，但又有区别，岩石抗压强度

是岩石整体破碎时的阻力；而岩石的硬度是硬物局部压人岩石表面的阻力，是岩石表面抗破碎的能力。

⏹ 2.2.3 岩石的弹性、塑性和脆性

⏹（一）岩石弹性、塑性和脆性的概念

⏹在外力作用下，岩石会发生变形，随着载荷不断增加，变形也不断发展，最终

导致岩石破坏。

⏹岩石的变形有两种情况：一种是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；

⏹另一种是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，这种情况称

为塑性变形。

⏹影响岩石变形特性的因素主要有岩石的矿物成分、结构构造、应力状态、载荷性质、

受力条件、温度和湿度等。

⏹ 2.2.4 岩石研磨性概念

⏹在钻进过程中，钻头破碎岩石的同时，其本身也受岩石的研磨而变钝。岩石磨损钻

头的能力称为岩石的研磨性。

⏹钻头被磨损，会增加钻头的消耗，降低碎岩的效率。

⏹岩石研磨性与钻头寿命、生产效率、钻探成本直接相关，所以，岩石的研磨性是选

择钻头、设计钻头、确定规程参数和制定生产定额的主要依据之一。

⏹磨损功A

⏹§2.3 岩石破碎理论

⏹岩石破碎是指岩石从岩体上分离的一个过程，岩石因内部的应力达到了它的强度极

限而破坏。

⏹破碎岩石的方法包括剪切、冲击、压碎、研磨、疲劳、射流等。

⏹根据破碎作用的方式不同，机械破碎凿岩方法可分为冲击式凿岩、回转式凿岩及回

转冲击式凿岩。

⏹ 2.3.1冲击凿岩理论

⏹ 2.3.1冲击凿岩理论

⏹冲击凿岩理论主要是研究冲击载荷和冲击能量在钎杆内的传播，钎头和岩石的互相

作用，眼底岩石的破碎机理。

⏹研究冲击式凿岩的基本理论，用以指导凿岩机具的设计、选择和使用，以达到提高

凿岩生产效率的目的。

⏹岩石的破碎过程

⏹岩石破碎过程和机理

⏹楔形压头侵入岩石的破碎过程

⏹基本规律

⏹岩石的破碎过程都有三个基本规律：

⏹（1）呈跃进式破坏。作用于刀具上的外载荷增加时，岩石首先产生弹性形变，刀具

伸入的深度也随之增加。但当外载荷增至一定值时，侵深迅速增加，载荷下降，产生了第一次跃进式破坏。此后载荷增加时，侵深又随压力的增加而增大，当其达到一定值以后，将发生第二次跃进式破坏，依次循环。

⏹侵深和外载的关系如图2-2所示。如此循环下去，载荷与侵深的曲线便呈波浪形。

⏹基本规律

⏹（2）产生承压核。在刀具的前方产生承压核，此核由被粉碎了的岩粉组成，其形成

是由于剪应力作用的结果。它的形成改变了刀具作用在岩石的边界条件。从而改变了岩石内部应力分布。

⏹（3）形成破碎漏斗。在刀具侵入岩石发生跃进式破坏的时候，由于较大破碎体的分

离，在岩石上形成漏斗状的崩碎坑，称之破碎漏斗。不论压头形式、侵人方式及岩石的种类如何，漏斗的顶角变化都不大，一般为1200～1500。