冲击凿岩原理

5,压模压入,并将破碎坑内碎体岩石挤出。压模压入时载荷突然下降,压模停
止压入时载荷将再重新回升。当回升到原来的载荷后,若再继续增大载荷,就会产
生第二个破碎循环,增大压模压入的深度和破碎坑的体积。
上述破碎机理说明,压模压入的深度不是随着载荷的增大而连续增加的,而是
跳跃性的。但为使问题简单起见,近似认为压入深度随载荷增大而正比增加。因
2Ek cv e e u
0
b0 Bp

Gb 2G p
1


K B 0 b 2 E b
式中 E--- 钻杆材料的弹性模量,kg/cm3;
ωb---钻杆断面积,cm2
v0---活塞冲击钻尾时的速度,cm/s;
Gb---钻杆加钻头重量,kg;
Gp---活塞重量,kg;
ιb---钻杆长度，厘米。
图16-38为钻速与岩石弹性模量之间的关系。因弹性模量与岩石坚固性有关, 所以该图也反映了钻速与岩石坚固性之间的关系。
2.凿岩钻机的结构参数和性能参数。除活塞重量、冲击频数和冲击速度 (单位时间内的冲击能量决定于这些参数)直接影响凿速外,活塞形状、冲击速 度和每冲击一次的转动角度还影响凿碎功比耗,从而间接影响钻速
E V d K C e e
8n
2
V2 2
b
0
2 b
a
0
2
B
p

G G
b p

1

K B 0 b 2 2 E b
E V d K C e
8n
2
2
2
b
0
2b a
0
2
Bp
G b Gp

1

k
2e
B 0b 2 E b

(14-45)
由于钻头不断磨钝,钻速将随钻进深度增大而不断减小,其关系可表示为:
vt=v0·e-bι
(16-46)
式中V0---开孔钻速;
b---由钻头类型确定的系数,一字形连续刃钻头b=0.0027,十字形钻头b=0.0051,
ι---钻进深度。
设钻头修磨一次的总钻进 L
冲击速度(m/s) 图 16-40 冲击速度和凿碎比功耗的关系
同样存在有使凿碎比功耗达最小的转角θ0(每冲击一次的转动角度),称为合理转角。
它决定于冲击能量A、岩石抗压强度Sc、钻头直径d和钻刃刃角a。其间关系由下列经验式
确定:
a 0 0 .065 3
1000 A 2
S c d 3
图16-34为根据等倾线画出的主应力迹线,其中,σ1为拉应力迹线,σ2为压应力迹线。 根据在压模作用下产生的应力分布状态,可将材料破碎和压模压入过程分以下几个 阶最(图16-35) 。 1,当载荷增加到一定程度后,首先在压模底的边缘处沿主应力σ2,迹线出现锥形张 力裂缝。裂缝与水平面的夹角为24～32° (图16-35,a ) 。 2,张力裂缝出现后,压模下面被锥形张力裂缝所限定范围内各点的应力作用方向没 有明显的变化(各点应力作用方向见图16-36) ,但对称轴上最大主剪应力向加载平面移 动。 3.继续增大载荷,在对称轴上最大主剪应力处将出现剪切裂缝。该裂缝随载荷增大 沿主剪应力迹线发展，并在锥形张力裂缝间分离出一部分材料，称作主压力体或承压 体(图16-35，b)
图 16-33
图 16-34
4,承压体被压碎,并在承压体下方出现垂直或接近于垂直方向的张力裂缝,形成 预裂区。同时,被压碎的承压体产生横向变形和推力,在其作用下,分离出位于锥 形裂缝上方的一部分材料(称作剪切体) ,从而形成破碎坑(图16-35, c)
图16-35 在压模作用下破碎坑的形成机理
岩石坚固性系数f KB (吨T/m)
13 0.2×108
表 16-3
15 0.5×108
凿入系数KB
17 1.0×108
19 1.5×108
21 2.0×108
二、冲击凿岩的波动理论
冲击凿岩时,作用于岩石上的载荷,是由活塞冲击钻尾,在钻头内激起弹性脉冲应力波
(或应变波) ,经钻头传至岩石,尔后作用到岩石上而产生的。但由于: 1,钻头不是理想的


d
u 2 tg

2
(16-43)
式中 d---钻头直径； u---每冲击一次钻头的凿入深度；
ψ---破碎坑的锥顶角，又称作自然破碎角
自然破碎角与岩石种类有关,如表16-4所示,
岩石 软的泥质页岩 泥页岩 致密石灰岩 软的砂岩 坚硬的砂岩 粗粒大理岩
表 16-4 某些岩石的自然破碎角ψ
ψ（度）
岩石
波导体件; 2,钻头内质点运动时相互间发生有摩擦; 3,断面变化和接头的影响,使导应力
波在传播过程中,其形状和应力峰值都将发生变化。应力峰值的衰减可用下式来描述：
e
a a

1
2n
0
（16-37）
式中σ---初始应力峰值;
ι---应力波传播的距离
n---应力波通过的接头数目,
V V e e m L 0
0
b dl 0 1 bL
bL
(16-47)
从以上公式可以看出,影响钻速的因素非常多,归纳起来可分为以下几类。
1.岩石性质。不同岩石具有不同的凿入系数和凿碎功比耗。岩石坚固性系 数愈大,凿入系数也愈大。但凿碎功比耗只在岩石坚固性一定范围内随其增大而 增加,超过该范围反而有所减小。试验证明,当岩石坚固性系数f≤15时,钻速随 岩石坚固性增大而减小: f>15时,钻速反而增大,这反映了凿碎比功耗的减小。
4,钻孔工具。(16-45)式指出钻头（杆）材料的弹性模量、纵波波速、钻杆（头）
断面、钻杆长度和钻杆重量对钻速有着直接的影响。钻头型式和几何尺寸则与有效接
触面积、凿碎功比耗和钻头磨损快慢有关,从而也是影响钻速的重要因素。
5,钻孔参数。钻孔直径和钻孔深度是影响钻速的主要钻孔参数。
破碎岩石所消耗的功近似等于:
u K 2
A pu
0
B
2
2
(16-40) (16-41)
若冲击一次破碎下的岩石体积为Δ,则凿碎功比耗等于: a A
（16-42）
Δ值与所用钻头型式,每冲击一次钻头转动的角度等因素有关。对一字形连续刃钻头,
若将形成破碎坑的断面近似视为三角形,则Δ等于破碎坑断面乘钻头直径,即：
2
p
2V
2
(16-38)
式中
2 t2
2
2
c X p
2
(16-39)
v---钻杆质点运动的绝对速度,等于t时刻在所研究断面上质点的运
动速度和钻杆作为刚体运动的速度之和
σ---所研究断面上的应力；
t---时间流动坐标;
x---由钻杆尾端算起至所研究断面的坐标;
Cp---钻杆内纵波波Cp
凿岩时、通过钻头刃角对岩石加载,而刃角不可能是绝对尖锐的,试验表明, 初始刃宽为0.5～0.6mm的钝刃角与尖锐钎刃比较,凿速没有明显差别,这说明, 即使钻刃很尖锐,凿岩时也会很快磨纯。
图16-33为利用矩形断面压模模拟钻头刃对光学材料进行加载时得到的条 纹图,图中标明有条纹序数,并给出了沿两条直线的主剪应力值的分布,其中一 条直线通过压模的对称轴,另一条直线通过压模边缘。从图中看出,在加载平 面上,压模边缘处的主剪应力最大,在对称轴上,最大主剪应力发生在材料内部, 距加载平面的距离为Z=0.55b (b---压模宽度,相当于刃宽)
a1---钻头内应力波的衰减指数, a2---应力波通过每个接头的衰减指数,决定于接头类型,而且变动范围较(0.8～20%)。
若钻头不长,可忽略应力波的衰减,但当钻杆很长、接头数目较多时,就须考虑应力
波的衰减。
由于钻杆内传播的是一维平面纵波,故须满足下列波动方程
2 V t c X 2
一
冲击凿岩原理
第一章 冲击凿岩原理 第一节 冲击凿岩力学原理分析
冲击凿岩原理主要是研究冲击载荷和冲击能量在钻头内的传递过程, 钻头和岩石的相互作用、和孔底岩石的破碎机理、以便能合理地选择凿岩 钻机和凿岩钻具,分析影响凿速的因素、确定合理的凿岩规范。 一、孔底岩石的破碎机理
孔底岩石的破碎过程,决定于钻头对岩石加载时在岩体内产生的应力 状态。对在动载作用下岩石破碎过程的研究表明,当加载速度(以冲击速度 来表示)不超过10m/s时、动载破碎机理与静载相类似
丙16-37表示钻刃在眼底工作面AB位置进行第一次冲击所形成的破碎坑,然后转过 一定角度,在CD位置处进行第二次冲击时,由于眼底中心部分岩石已经破碎,增大了单位 刃长上的载荷,又由于有了第一次冲击所形成的破碎坑起着自由面的作用,故除形成第 二个破碎坑外,只要转角不超过某临界值,两个破碎坑之间的岩石(扇形体AOC和BOD),在 第二次冲击产生的横推力作用下,也将同时被剪切掉。在这种情况下,可以增大每次冲 击的破碎体积，减小凿碎比功耗。
当活塞重量(3800g)和冲击速度(8m/s)相同时,短粗活塞冲击钻尾产生应力 波的应力峰值高,但下降较快;细长活塞产生应力波的应力峰值低,但下降较慢 (图16-39)
图 16-38
图 16-39
由于凿碎比功耗与应力峰值和应力作用时间有关,所以采用不同形状的活塞, 会影响凿碎比功耗,从而影响钻速。
E
钢制钎杆Cp=5150m/s。
当活塞冲击钻尾时,在钻杆内激起压缩波,同时,在活塞内也将激起压缩波。 压缩波遇自由端反射回拉伸波,拉伸波反射回压缩波,这种反射无论在活塞或 在钻杆内都将重复多次,直至弹性扰动完全消失为止。显然,在活塞和钻杆内 产生的应力峰值,不能超过各自制作材料的屈服极限。
活塞冲击钻杆尾的速度,等于最初时刻(t=0)钻杆运动的绝对速度,作为应 力波所须满足的初始条件,而(16-36)式或σ=KBu作为应力波所须满足的边界条 件。利用波动方程、初始条件和边界条件,可导出钻头凿入深度与已知参数间 的关系(参考B.M.莫斯特科弗著《风动凿岩理论基础》 )
（16-48）
3,凿岩钻机的工作条件。包括进气压力、轴推力和排粉条件等。 提高进气压力,能够增加凿岩钻机的冲击频数、冲击速度和扭矩。进气压力固定时,改 变轴推力同样也会影响冲击频数和冲击次数,并存在有合理轴推力使钻速达最大。经验表 明,提高进气压力,只要轴推力合理,钻速近似按线性规律增加。 只有及时排出岩粉,才能有效地钻进,否则,就会增加二次破碎和凿碎比功耗,降低钻速。 因此,必须合理确定能耗量,过大或过小都不利于有效钻进。
当活塞形状和重量相同时,改变冲击速度,凿碎比功耗也会发生变化。图1640表明,对应有使凿碎比功耗为最小的冲击速度。因此,开始增大冲击速度时,凿 碎比功耗减小,减小到最小值后，继续增大冲击速度将使凿碎比 功耗增加。
但须指出,活塞形状和冲击速度对凿碎比功耗 的影响与岩石性质有关。因此,对不同岩石,须通过 试验找出其影响规律,作为凿岩机选型的依据。
a--锥形裂缝的形成；b--承压体的形成,c--剪切体和垂直预裂缝的形成； A,B--深部锥形裂缝椭圆区 的长半轴和短半轴；A′，B′--深部破坏区的长半轴和短半轴；a,b--表面接触裂缝区的长半轴和短半轴； a一锥形裂缝与表面的夹角; h--锥形裂缝的扩展深度； H′--破坏区的深度； H--垂直预裂缝的深度
116
细粒大理岩
128
玄武岩
116
辉绿岩
130
细粒花岗岩
144
坚硬石英岩
122
ψ（度） 130 146 126 140 150
当其它条件相同时,若采用一字形断续刃钻头,只要两个断续刃之间的距离不过大, 期间的岩石可利用各刃在岩体内产生应力的叠加来破碎。在这种情况下,断续刃可视为 连续刃,按(16-43)式计算Δ值。由于断续刃与岩石的接触面积ω0较小,故可增加钻刃 的凿入深度u和Δ值、提高凿岩效率和钻速。
此,每冲击一次,钎头凿入岩石的深度u 可近似由下式来确定：
式中 P----作用于岩石上的载荷
u p
k0 B
（16-36）
ω0----钎头上有效作用面积,等于钎刃总长与刃宽的乘积; KB----凿入系数。
图 16-36 在压模作用下形成锥形裂缝后,裂缝间主应力和主剪应力的迹线
凿入系数KB主要决定于岩石的坚固性、钻刃刃角、钻刃与岩石间的 摩擦系数。刃角为90°的硬合金钻头,其凿入系数与岩石坚固性的关系 见表16-3
图 16-37岩石扇形体的剪切
第二节 冲击凿岩的钻速及其影响因素
设凿岩机冲击能量全部用于破碎岩石,则钻速V可由下列公式确定：
S d V

An ab

4 An
2b a
(16-44)
式中 n---冲击频数或每分钟冲击次数; sb---钻孔断面积； db---钻孔直径;
利用(16-41)和(16-40)式关系将Α代换后,得