第四章 岩石物理力学性质和可钻性

六、岩石的硬度
1、岩石的硬度的基本概念：岩石的硬度反映岩石抵抗外部 更硬物体压入（侵入）其表面的能力。 2、硬度与抗压强度的区别与联系 （1）岩石的硬度与抗压强度一般存在正比例关系；
（2）抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力，而硬度则是
固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。 （3）硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。
第二节 岩石在外载下的破碎机理
0、碎岩工具与岩石作用的主要方式
根据刃具与岩石作用的方式和碎岩机理，可把碎岩刃具分： 切削一剪切型、冲击型、冲击一剪切型三类。 1、切削一剪切型 钻头碎岩刃具以速度vθ 向前移
动而切削(剪切)岩石。工作参数是：
移动速度vθ 、轴向力Pz和切向力 Pθ 以及介质性质。
2、冲击型 冲击型刃具给孔底岩石以直接的冲击动载，碎岩的过程可 用工具动能Tk和岩石变形位能U 的方程式来表达（ T＝U ）：
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第四章 岩土的物理力学 性质及岩石的可钻性
一、岩石的物理力学性质概述 ★ 二、岩石在外载作用下的的破碎机理 三、岩石的可钻性及可钻性指标及坚 固性系数 ★
第一节岩石的物理力学性质概述 ★
岩石的组成与分类
岩石是矿物的集合体。矿物是具有一定成分和物理性质的无 机物质。根据其成因，岩石可分为三类： 1、岩浆岩：岩浆岩是内力地质作用的产物，由地壳深处 的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。 2、沉积岩：沉积岩是在地表条件下母岩(岩浆岩、变质岩 或早先形成的沉积岩)风化剥蚀的产物，经搬运、沉积和硬结 等成岩作用而形成的岩石。。 3、变质岩：变质岩是岩浆岩、沉积岩甚至是变质岩本身 在地壳中受到高温、高压及活动性流体的影响而变质形成的 岩石。
3、影响岩石硬度的因素
（1）岩石中坚硬矿物愈多、胶结物的硬度越大、岩石的颗粒 越细、结构越致密，岩石的硬度越大。而孔隙度高、密度低、 裂隙发育的岩石硬度将会降低。 （2）岩石的硬度具有明显的各向异性。层理对岩石硬度的 影响与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向，硬度值 最小； 平行于层理方向，硬度最大；两者之间可相差1.05～1.8倍。
（4）岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。岩石的
抗压强度最大，抗剪强度约为抗压强度的10%。因此，钻掘过 程中，破岩工具应主要以剪切的方式来破碎岩石。
（5）多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高 出许多倍。
（6）加载速度的影响：
① 加载速度增加，岩石的强度提高；
② 加载速度对塑性岩石强度的影响大，对脆性岩石强度的影 响小。
H y Pmax / S
( Pa )
（2）冲击回弹法：利用重物落在岩 石表面后回弹高度或回弹角度或回弹
次数来确定岩石的硬度。
七、岩石的变形特征及其分类
按岩石在压头压入时的变形曲线和破碎特性可分成三类：
1. 弹（花岗岩、石英岩、碧石铁质岩） 在压头压入时仅产生弹性变形，至A点最大载荷为P max 处便突然脆性破碎，压头瞬时压入，破碎穴的深度为h。 这时破碎穴面积明显大于压头的端面面积，即 h/δ>5。 2. 弹（大理岩、石灰岩、砂岩）
Ka=x‖/x⊥
岩石的物理性质是由岩石的组成结构所表现出来的性 质。岩石的物理性质有很多，本节主要研究影响岩石破碎 过程的物理性质，如粘结状态、孔隙度、密度、结构和构 造等。 岩石的力学性质是在外载作用下才表现出来岩石抵抗 变形和破坏的能力。如强度、硬度、弹性、脆性、塑性和 研磨性等。
五、岩石的强度
（3）单向压缩时表现为弹-脆性，各向压缩时表现出不同程 度的塑性，意味着在各向压缩下需要更大的载荷才能破坏 岩石的连续性。 （4）温度升高岩石的弹性模量变小，塑性系数增大，岩石表 现为从脆性向塑性转化。在超深钻和地热孔施工中应注意 这一影响。
九 、岩石的研磨性
1、岩石研磨性：岩石磨损工具的能力。 2、岩石磨损形式 （1）摩擦磨损：孔底岩石与切削工具相对滑动而产生的磨损。 与所钻岩石的研磨性、切削工具的耐磨性、钻进规程参数有关；
影响岩石强度的因素
（1）一般情况下，造岩矿物强度越高，岩石的强度也越高。 沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例及其矿物成分。细粒 岩石的强度大于同一矿物组成的粗粒岩石。 （2）岩石的孔隙度增加，密度降低，强度则降低。因此， 一般岩石的强度随埋深的增大而增大。 （3）岩石的强度具有明显的各向异性。垂直于层理方向的 抗压强度最大，平行于层理的抗压强度最小，在与层理斜交 方向上的抗压强度介于两者之间。
（3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下
硬度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。 （4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系 数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。 加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。
4、岩石硬度的测定
（1）静压入法：以1~5mm2的压 头压入岩样表面，岩石破碎时的载 荷Pmax 除以接触面积S，则为岩石的 硬度值Hy（通常称为压入硬度）。
v y v v z 或
2 A0 g vz 式中： ； Q
v y v v
v r
目前国际上还没有统一测定岩石研磨性的方法。 通常用 模拟某种钻进过程的方法，不同方法的结果难以相互比较。 钻磨法:金属棒在载荷、转速下与岩石摩擦后的失重 磨削法：硬合金刀具在压力下与岩石试件摩擦，以一定时 微钻头钻进法：微型钻头在一定规程下钻磨岩样，一定时 间内钻头的磨损。

标准圆盘磨损法：用圆盘金属试样在压力下对岩石作滑动 摩擦，以金属圆盘的磨损量表示岩石的研磨性指标。按此 方法可把岩石的研磨性分成12个级别，而我国有关部门习 惯于把岩石的研磨性分成弱、中、强三个等级。
岩石按塑性系数的分级 岩石类别 弹-脆性 级别 塑性系数 1 1 2 >1~2 弹-塑性 低塑性→高塑性 3 4 2~3 3~4 高塑性 5 4~5 6 >6~∞
一般岩浆岩和变质岩的弹性模量大于沉积岩，而塑性系数则 相反。
（1）岩浆岩和变质岩：造岩矿物的弹性模量↑，岩石的弹性 模量↑。 沉积岩：弹性取决于岩石的碎屑和胶结物及胶结状况。 弹性模量次序：硅质胶结最大，钙质胶结次之，泥质胶结 （2）造岩矿物的颗粒越细，岩石越致密，岩石的弹性模量越 大。岩石的弹性模量也具有各向异性。 岩石的弹性模量‖>⊥
2. 粘结性岩石
粘结性岩石由粘土矿物或主要由粘土矿物粘结的碎屑岩细 粒组成，特征：
① 湿润条件下，被破坏之前可以有大的残余变形；
② 质点间的内聚力，随湿润不同可在很宽的范围内变化； ③ 在粘结状态被破坏后，可采取高压和增湿的办法使其 内聚力得以恢复； ④ 某些粘结性岩石（粘土岩、白垩）在湿润状态下具有 膨胀性，易造成孔（井）壁缩径或坍塌。
在压头压入时首先产生弹性变形，然后塑性变形。至B点 载荷达P max 时突然发生脆性破碎。这时破碎穴面积也大 于压头的端面面积，而h/δ> 2.5～5，即小于第一类岩石。
3. 高塑性和高孔隙性岩石 （粘土、孔隙石灰岩、盐岩） 区别于前二类，当压头压入时，在压头周围几乎不形成圆 锥形破碎穴，不会在压入作用下产生脆性破碎 h/δ=1。计 算这类岩石的硬度时只能用P0代替公式中的P max。
（2）磨粒磨损：孔底破碎岩屑对切削工具的磨损。与岩屑的硬
度和研磨性、岩屑的数量（钻进速度）、钻孔冲洗的程度等有关。 在金刚石钻进中这种磨损形式起着重要的作用，因为岩粉能磨蚀
金刚石钻头的胎体，帮助孕镶金刚石出刃。
1、影响岩石研磨性的因素
（1）岩石颗粒的硬度越大，研磨性也越强，石英岩具有强研磨性 （2）岩石胶结物的粘结强度越低，岩石的研磨性越强。 （3）岩石颗粒形状越尖锐、颗粒尺寸越大，岩石的研磨性越强。 （4）岩石表面粗糙，局部接触易产生应力集中， 研磨性增强 （5）硬度相同时，单矿物岩石的研磨性较低，非均质和多矿物的 岩石（如花岗岩）研磨性较强。岩石中较软的矿物（云母，长石） 首先被破碎下来，使岩石表面变粗糙，同时石英颗粒出露，从而 增强了研磨能力。 （6）介质的影响，湿润和含水的岩石硬度和研磨性都会降低。
八、岩石的弹性和塑性
（1）衡量岩石弹性的指标主要是弹性模数E和泊松比μ。
弹性模数：弹性范围内应力与应变的比值，(Pa)或 (MPa)。
泊松比：弹性变形阶段横向应变与纵向应变的比值，无量纲值。
（2）在钻探过程中衡量岩石塑性程度的塑性系数K：
塑性系数：岩石破碎前所消耗的总能量与弹性变形的能量之比。
AF OABC K 1 AE ODE
碎屑岩的胶结形式也对岩石的力学性质有着显著影响。沉 积岩通常具有层状构造，它是由层理决定的。层理反映岩 石在垂直方向上成分的变 化，即岩石颗粒大小在垂直方 向上的改变，不同成分颗粒的交替，或者某些岩石颗粒的 定向 变质岩是在高温高压下生成的，一般具有晶体结构、片理 状构造。所谓片理就是岩石沿平行 平面分裂为薄片的能 力。片理也会引起岩石的各向异性。 用各向异性系数来表征岩石在不同的方向上力学性质的差
3. 松散性岩石
松散性岩石由相互之间无粘结性的不同形状与尺寸的细粒 （砂、砾石、卵石、漂砾等）聚集 而成。在这类岩石中 钻掘的同时必须加固孔（井）壁，以防止坍塌。 4. 流动性岩石 流动性岩石（流砂层）由含水的砂质粘土类岩石（细砂、 亚砂土）组成。当砂粒之间存在着极细小的粘土颗粒时， 这类岩石具有较强的流动性。如果位于上覆岩层形成的高 水头压力 之下，则流砂会沿着钻孔上涌。因此在这类岩 石中施工必须一边钻掘一边加固孔（井）壁。
二、岩石的孔隙比与孔隙度 1、岩石的孔隙比kP：岩石中的孔隙体积VP与岩石中固相骨 架的体积Vc 之比
kP=VP/Vc
2、岩石的孔隙度P：岩石中的孔隙体积VP与岩石总体积V% kP P 100% V Vc VP 1 kP
岩石的孔隙性削弱了岩石的强度。一般沉积岩具有高的孔隙 度，随着埋深的增大，岩石的孔隙度降低。
1 2 Tk mv 2
U
max
P ( )d
z 0
式中：m——钻头和冲击钻杆的质量； vθ——钻头同岩石碰撞时的速度； δmax——钻头侵入岩石的最大深度； Pz（δ）——岩石抵抗钻头侵入的阻力。
3、钻头刃具不仅以Pz和Pθ作用于岩石，而且还有使钻头向前回转的移动速 度vθ和冲锤对齿刃的冲击速度vz或牙轮滚动时齿刃向下冲击的速度vω。合成 速度是：
一般而言：金属和非金属矿床一般赋存于岩浆岩和变质岩中，
煤和石油等可燃性矿产通常与沉积岩共存。
一、岩石按粘结状态的分类
1. 坚固岩石： 通常具有高硬度，岩石破碎后其矿物质点之间的分子连接 力都不会恢复。坚固岩石分含石英和不含石英两类，前者 硬度高，难以钻掘。通常在生产中会遇到无裂纹和裂隙性 两种坚固岩石。在完整的坚固岩石中施工时，孔（井）壁 稳定不必加固，而在强裂隙性岩石中穿过的孔（井）壁 必须加固。
1、岩石的强度的基本概念 岩石在载荷作用下抵抗破坏的能力。破坏前所能承受的最大 载荷称为极限载荷，单位面积上的极限载荷称为极限强度 2、岩石的强度的类型 （1）根据受力条件，岩石的极限强度可分为抗压强度、抗拉 强度、抗剪强度等； （2）根据应力状态，岩石强度可分为单向、两向、、三向应 力状态下的强度； （3）根据加载速度，有静载强度和动载强度。
三、岩石的密度与容重
1、岩石的密度ρ s ：岩样的质量m与其总体积V之比。均质物 质的密度为质量与体积之比。
m m s V Vc VP
2、岩石的容重γ s：是岩样重量G与其总体积V之比
G s V
四、岩石的结构和构造
岩石结构说明岩石的微观组织特征。与矿物颗粒的大小、形 状和表面特征有关，反映岩石的非均质性和孔隙性。 岩浆岩主要具有块状结构，其构造特征对钻掘破碎岩石没有 显著影响。 沉积岩的成因广泛，故其结构也比较复杂。碎屑岩具有碎屑 结构，按碎屑的大小可分为 砾状结构（碎屑直径＞2mm）、 粗粒结构（碎屑直径1~2mm）、 中砂结构（碎屑直径0.1~1m m）、 粉砂结构（碎屑直径0.01~0.1mm）。。