岩石破碎学(第一讲)

E
x y
岩石破坏的形式
Broken form of rocks
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
（Factors affecting rocks elasticity and plasticity）
1、岩石物质成分（造岩矿物、岩石类别）
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。
particle
grain cement
图1－1 晶体结构类型
图1-2 胶结物的类型
图1－3 层理产生的原因
花岗岩
花岗石
白云岩
花岗石
岩石照片
三、岩石的自然性质（Natural properties of rocks）
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(specific weight):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-bearing property):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。
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(Surface properties)
• 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。
1.3.1、变形特性
（deformation properties） 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（elastic deformation），又称可逆变形
（reversible deformation）,外力撤除后岩石的外
第一节 岩石的物理力学性质
Physical & mechanical properties of rocks 一、岩石的组成与分类（composition and classification）
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, sedimentary and metamorphic rock)。 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。
抗弯强度(bending strength)、抗剪强度(shear strength)、抗压强度(compression strength)。有 单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强 度。
σi
P Pa A
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
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(structure and texture)
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。
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；
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
（Drillability of rocks and its classification） • 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。
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
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。
• 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）
（To evaluate drill-ability of rocks by their mechanical properties） 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 （------by real penetration rate or drilling speed） 用实钻速度评价岩石的可钻性与生产实际联系
2、岩石结构构造(晶粒大小、胶结物、层理)
3、应力状态（百度文库向应力、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
Measure of rock’s elasticity and plasticity
塑性系数
Cp=SOABC/ SODE
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
Mechanical properties of rocks
• 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(deformation properties)、强 度特性(strength properties)和表面特性(surface properties)。 • 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, shear and bending strenth) • 表面特性：硬度和研磨性(hardness, abrasiveness)
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
1.3.2、强度性质
（Strength properties） • 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(tension strength)、
影响岩石硬度的因素
（Factors affecting hardness of rocks）
• • • • • 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
（Factors affecting abrasiveness of rocks ）
1.4.1 岩石可钻性分级的观点
(Viewpoints on classification of rock drillability)
• 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
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
1－岩样；2－夹头；图中尺寸单位：cm
N
图1.1－16 圆盘劈裂试验
Tension strength
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
2p t DL
N P cos f sin A A T P sin f cos A A
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
（Factors affecting strength of rocks)
1、岩石的物质成份（矿物、沉积岩的胶结物）
形和尺寸完全恢复原状。
• 塑性变形 (plastic deformation)，又称不可逆变 形（irreversible deformation）,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。