岩石破碎学与破岩工具

岩石破碎与破岩工具

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（西南石油大学，成都，610500）

1.引言

1.1.研究对象:

随着工业和社会经济活动日益发展，人们从事的岩土破碎工作量日益增多。固体、气体、液体矿床的勘探开发，各种地下工程的建设等，都必须对岩土进行破碎剥离。所以，岩石破碎学研究的对象是岩土。

1.2.岩石破碎学所研究的内容和范围

在各种施工时，人们总是在不断努力改善岩土破碎效果以加快施工进度。为此，人们致力于改进碎岩的工具和方法，以利于破碎岩石。但为了施工能得到有效的进行，还希望所施工的岩石具有一定的稳定性和牢固性，以保证施工后的形态。

岩石破碎实际包括破碎和稳定的两个范畴。既岩石在各种外载和物化条件作用下的破碎规律、破碎效果、破碎过程、以及在上述作用下保持稳定的极限条件。此外，由于目前碎岩方式仍然是以机械方式为主，机械方式碎岩时很重要的问题是碎岩工具的磨损与消耗，因此研究岩石破碎过程就必然要和摩擦、磨损相联系。

简单说岩石破碎学研究的内容和范围是：研究在不同条件下钻掘岩石的力学过程，研究碎岩工具的磨损过程，研究施工岩体的失稳条件及计算方法等。1.3.岩石破碎学研究的目的意义

岩石破碎学研究的内容是要深刻了解所钻掘岩石的性能；了解机械破碎岩石的力学过程；了解碎岩工具的磨损过程；以及描述与计算这些过程的方法。其最终目的是：为了提高破岩效率、降低材料消耗；为了提高经济效益、降低钻掘成本；为了提高施工安全性，降低各种工程事故。其意义在于有效地实现安全、高效、低耗的施工生产。

2.岩石破碎的基本原理及破岩石方式

2.1.岩石破碎原理

(1)热力剥离

如图1所示的热力剥离破岩原理，当岩石表面快速加热而产生的高应力超过岩石的强度时，则发生热力剥离。

(2)机械应力

如图2所示的机械应力破岩原理，岩石通过冲击、磨蚀、冲蚀方式进行机械破碎，当这些机械作用产生了超过岩石的拉伸或剪切应力时就发生塑性屈服和脆性破坏。

在石油工程钻井领域，机械应力是使岩石破碎的主要原因。

（3）化学反应

如图3所示的化学反应破岩原理，各种化学药剂可用来溶解岩石，强烈反应的化学药剂如氟，可以高速破坏岩石且产生无害的副产品。

（4）熔融和汽化

火成岩溶化温度范围是1100-1600度，石灰岩是2600度。激光和电子束能聚集足够的能量来熔融和汽化各类岩石。

图1热力剥离 图2机械应力 图3化学反应 2.2. 岩石破碎方式

根据岩土钻掘的现状和发展前景，可把岩石破碎分为三大类。

（1）机械破碎法

机械破岩法主要有：回转破碎(金刚石,硬合金,钢粒) 、冲击碎岩(钢绳冲击,液或气动冲击器、冲击回转碎岩、振动式碎岩。

现石油钻井领域主要为回转机械破岩为主。

（2）化学破碎法

主要有：爆破、化学药剂容蚀。

（3）物理破碎法

热力碎岩（熔融热力钻进,高温高压热气流钻进)、电磁碎岩、电子束碎岩、水射流碎岩、激光碎岩。

3. 岩石的物理性质及强度理论

3.1. 岩石的物理性质

(1）吸水率

岩石的吸水率（ωa ）是指岩石试件在大气压力条件下自由吸入水的质量（m w1）与岩样干质量（m s ）之比，用百分数表示，即 %1001⨯=s

W m m ω

实测时先将岩样烘干并称干质量，然后浸水饱和。

（2) 岩石的软化性

岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数（K R ）表示。K R 定义为岩石试件的饱和抗压强度（R cw ）与干压强度的比值，即： c

cw h R R K = 显然，K R 愈小则岩石软化性愈强。

（3）岩石的抗冻性

岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用冻融系数和质量损失率来表示。冻融系数（R d ）是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度（R c2）与冻融前干抗压

强度（R c1）之比，用百分数表示，即 %1001

2⨯=

c c

d R R R （4) 岩石的膨胀性

岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石膨胀大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，这些指标可通过室内试验确定。目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪的方法测定岩石的膨胀性。

（5) 岩石的崩解性

岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联络引起的。常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。 %1000

1022⨯--=W W W W I d 式中 ：I d2为第二次循环耐崩解指数；W 1为试验前试样和圆筒的烘干重力（N ）；

W 2为第二次循环后试样和圆筒的烘干重力（N ）；W 0为试验结束后，冲洗干净的圆

筒烘干重力（N ）。

（6）岩石的空隙性

岩石是有较多缺陷的矿物材料，在矿物间往往留有空隙。同时，由于岩石又经受过多种地质营力作用，往往发育有不同成因的结构面，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。所以，岩石的空隙性比土复杂的多，即除了空隙外，还有裂隙存在。