岩石破碎学

第四章压头静力侵入岩石

利用工具来破碎岩石(如凿岩、钻眼、刨削、挖掘等等)，大体上有两个过程。先是将工具侵入岩石，然后才产生其周围岩石的大块崩落。因此，工具或压头侵入岩石。是机械方法破碎岩石的一个最基本过程。研究这个过程的规律性，不亚于应力应变关系对于材料力学的意义。本章从压头侵入岩石的基本现象出发，进行压头下方岩石受力的分析，然后阐述有关这方面的实际结果和应用情况。

第一节压头侵入岩石的基本现象

压头下岩石的破碎和试块在材料力学意义下的破坏有着显著的区别，前者只是在全面夹制下的局部破碎，而后者通常是整个试件的破裂。压头侵入岩石时，存在着下述的普通特征。

首先，压头侵入岩石时，在它的前方总要出现一个袋状或球状的核，它是物体在承受巨大压力作用下发生局部粉碎或显著塑性变形而形成的，我们称之为密实核(如图4-1)。它的普遍性在于:不论什么样的工具(尖的、平的、圆的等)、载荷(静的、冲击的)、材料(从岩石到石蜡，从土壤到钢铁)无一例外，都在压头侵入的前方出现有密实核的现象。

其次，压头侵入岩石的一个普遍的明显特点是侵深不随载荷增长而均衡地增加，而是载荷增加之初，侵深按一定比例增加，当达到某一临界值时，便发生突然地跃进现象。这时，密实核旁侧的岩石出现崩碎。载荷暂时下跌，压头继续浸入到一个新的深度之后，载荷再度上升，侵深和载荷又恢复到某种比例关系(如图4-2 ) 。如此循环不已，载荷—侵深曲线便呈现波浪形。越是脆性的岩石，这种跃进式侵入特点越明显，塑性岩石则较缓和。另外，载荷—浸深曲线各次上升段的斜率大体相同，也就是说增加单位载荷所增加的浸深近于常数。曲线下降部分的情况和加载机构的刚性有关，不全取决于被侵入的岩石。

再次，是破碎角变化不大，即岩石在压头作用下发生跃进式侵入之后，崩碎的岩石坑作漏斗形状，这漏斗顶角的变化是不大的(见图4-3)。不论压头形式、侵入方法、岩石种类如何，图中β角一般保持

在60—75度之间，即漏斗顶角2β在120—150度之间。表4 -1和4-2说明了这种关系。表4-1是H.A.奥斯特洛乌什柯对各种岩石的侵入漏斗坑顶角的测定数据。表4-2是下村弥太郎用不同冲击功和刃角凿入时的浸入坑宽和深的比值，及所折合的破碎角。

上述三个基本现象，启示着我们去认识压头侵入岩石的本质。

第四节载荷一浸深曲线

载荷—侵深曲线是压头侵入岩石的最基本关系，就象应力一应变曲线是材料力学的基础一样。

前已述及，载荷—侵深曲线是跃进式的。任何一种实际的加载系统，当位移有突然的增加，压力都要跌落，其压力的跌落幅度，取决于加载机构的刚度。B.B.西蒙诺夫用弹簧放在压头和加力机构之间，以减少压头位移所引起的载荷降低，试验结果如图4-20。弹簧的刚度是200千克/毫米。它和刚性压头相比较，跃进时的压力较高。但上升的斜率基本一样。

岩石的性质不同，对跃进的幅度和频数也都有子很大影响。如图4-21,塑性岩石较软弱，跃迸不明显;中等的弹性岩石，跃进比较明显，硬脆的岩

石，跃进的频数多幅度也大。贞岩、石灰岩、花岗岩分别是这三类岩石的代表。

岩石表面是否磨平，或者是否曾被工具侵入而破碎过。对载荷一侵深曲线也有很大影响。图4-22中实线是在眼口光滑表面侵入时的情况，图中虚线是在打过的眼底继续侵入的情况。由于眼底不平，载荷一浸深曲线起始部分斜率较小，跃进的频数较多。随着侵入深度增加，眼壁的夹制作用较火，载荷一侵深曲线斜率变大。

多次重复测定同一岩石的载荷一侵深曲线，所得结果并不完全重合，而是在一定的范围内有所变化。但多次测定的平均值，却有一定的稳定性。好在实际破岩工作，总是千百次重复侵入的平均结果，因此，用多次试验的平均关系来表达载荷与侵深之间的联系，更有实际意义。现代化的载荷一侵深平均关系的测定，并不需要绘出许多条曲线，然后再予以平均。而是把载荷和侵深转换成电量之后，用

数字记录器不断地取样，再变成数字脉冲记录到磁带或别的记忆机构中去，最后输入到微型处理机，按指定的程序运算.打印出所需要的结果来。

一、载荷—侵深的平均关系

迄今为止，对载荷—侵深关系的研究很多，从其结果来看，可以认为载荷和侵深的n次方成正比，即

P=k·h n（4—52）

在这里，K是反映侵入难易的系数，称侵入系数，它取决于岩石的坚固性和工具的形状尺寸。n值一般在0.5到2之间，对楔形或长条形压头，n值近于1;对于锥形或圆柱形压头，n值则在1和2之间，这是因为破碎角是基本不变的，楔形压头破碎岩石的体积和浸深的平方成正比例，而锥形或柱形压头，破碎岩石的体积是和侵深的立方成正比例的。另外P—h曲线下面的面积就是侵入功(见图4-23)，它应当大体上和破碎的岩石体积成正比例。

曾对南芬露天铁矿的二层铁矿和混合岩用不同压尖进行试验，结果n=1.5，k值如表4一8所列。

B.隆德伯格用不同顶角的压头侵入花岗岩时，n=2, K值和锥顶角的关系如表4-9。

二、平端压头大辐度侵入

平端柱形压头，在侵入岩石时，一般深度不能很大，否则由于载荷过大将引起压头自身损坏。但是在煤中，可以侵入达数英寸之深。图4-24是L.依凡斯用1/4英寸直径的平端压头侵入煤块达半英寸

的P—h曲线记录。图4-25是他用9/32英寸直径的平端压头侵入媒壁时的P—h曲线。图4-25中，曲线1,2和3,4是在两个不同煤矿测定的结果。前者最大侵入深度达5英寸，后者最大侵入煤壁达10英寸。从以下两图可看到，圆柱形压头侵入到一定深度之后，载荷达到一个比较稳定的范围。

A.C.卡扎斯基对无烟煤用平端压头作侵入试验，端面积0.1,0.2,0.5和1 .0厘米2,测定其破碎时的压强p，它和端面积没有明显的关系，而是和无烟煤的抗压强度R成比例关系。故可以把p / R看作为一材料常量。详细数据见表4-10。

三、侵入系数和侵入强度

楔形压头的长度比破碎宽度大得多时，一般认为载荷和侵深成正比例。即式（4-52）中n等于1。对于软岩，刃角不大于自然破碎角时，还和tgθ成正比(θ为刃角)。在表4-11中汇总了许多实测的侵入系数K的数值。单位刃长上的侵入系数，称作侵入强度，以符号k表示。从表4-11可见岩石的侵入强度由几公斤/毫米2到几百公斤/毫米2的范围。

美国罗格索尔一兰德天井钻具公司，利用1/2英寸直径的锥形压头，测定了近两千四百种岩石的侵入系数以及它和钻进参数的关系。把这些基本数据贮存在电子计算机中，形成一个数据库，用来预估天井钻进的效果。

四、侵入坑的形状和尺寸

压头浸入深度和岩石的破碎深度并不相等，尖锐的压头，两者差别不大，平端的压头，两者相差就比较大了。

图4-26所示的为一直径为d的平端压头，在第一次跃进时，崩碎坑的直径为D，破碎深度为h1。按A.T.包尔德诺娃和H.H.巴符洛娃试验，互相间比例关系如下。

D/d=3～4（脆性和小塑性岩石）；D/d=5～8（大塑性岩石）；

h1/d=0.5（小塑性岩石）；h1/d=0.75（脆性和大塑性岩石）；

据三泽等试验结果，半球形压头侵入不同岩石时，侵入深度和破碎深度之比如表4-12。