第二节 岩石破碎的基本原理
- 格式：pdf
- 大小：703.61 KB
- 文档页数：27
下载文档原格式
合集下载
岩石破碎
第二章岩石的破碎理论(爆炸理论和钻爆法)20%-30%对周围介质做功C H O N CO CO2 H2O炸药爆炸三要素：高温高压（生成大量气体）高速三种形式：缓慢分解燃烧爆炸2000—9000m/s第二节爆炸理论与炸药（炸药的分类）1. 殉爆：感度来表示难易程度2. 传爆：爆轰波和爆速影响稳定爆轰的主要因素：直径：临界直径；极限直径；炸药密度：混合炸药有临界密度；起爆冲能3 间隙效应二、炸药的性能参数动作用以猛度表示静作用以爆力表示爆速：高低中炸药炸药的敏感度：热感度、机械感度、冲击感度、起爆冲能感度和静电火花感度热感度：热安定和火焰感度机械感度：冲击感度，摩擦感度起爆冲能感度：用殉爆距离表示静电感度：e 电子是带负电荷静电三、爆轰产物和有毒气体二氧化碳CO2 一氧化塘CO 水H2O 氮氧化物NO N2炸药的氧平衡：零氧，正氧，负氧CO第三节矿用炸药与起爆器材一、矿用炸药的分类1，煤矿使用炸药：5级等级越高，威力越小，1、2级低瓦斯铵梯炸药，睡觉炸药，乳化炸药32mm*190 35mm*170水胶炸药：含水炸药乳化炸药：适用于软岩和煤层中工作2，岩石炸药：硝酸铵，TNT和木粉组成3，露天炸药：二、起爆器材雷管、导爆索、导爆管1.雷管：管壳、加强帽、起爆药、加强药和电引火装置；桥丝用镍铬丝脚线；桥丝，管壳，密封塞，纸垫，桥丝连接引火头，起爆药煤矿瞬发电雷管：2，秒延期电雷管3，毫秒延期电雷管4，抗杂散电流电雷管：无桥丝电雷管和低阻桥丝电雷管电雷管的主要性能参数：全电阻，最大安全电流，最小发火电流（二）导爆索、继爆管和导爆管三、起爆方法电爆网路：串联，并联，串并联作业：1.炸药的主要特性有什么？炸药的三要素？2.什么是殉爆？殉爆距离如何测定？3.炸药的性能参数有哪些？4.雷管脚线的连接要求？巷道断面设计示例条件：年设计生产能力60万t，320m³/h，f=4-6半圆拱形运输设备：宽度1060 高度1550 矿车1050 11501300-0.5*1060-0.5*1060=240mm840+400+2*1060+240=3600mm巷道高度：h1=1800mm h3=1800H=1800+1800-200=3400mm作业：1.锚杆和组合锚杆支护的适用条件及优缺点2.砌碹支护的适用条件和优缺点3.简述U型钢可缩性支架的结构作业：1.良好的钻眼爆破工作应满足哪些条件？2.简述掘进巷道的炮眼布置以及炮眼的分类3.斜眼掏槽的形式有哪几种？直眼掏槽有哪几种？（填空）4.爆破参数有哪些，应如何确定5.装药结构的分类6.炮泥充填炮眼的作用7.什么是三表一图8.中线和腰线的作用？第六章1.什么是煤巷，半煤岩巷？2.煤巷中钻爆法常用的装煤方法及特点？3.以煤巷掘进机为主的机械化作业线有哪几种？4.半煤岩巷的施工组织方式？5.煤与半煤岩巷施工的综合防尘措施。
第二章岩石的破碎理论PPT课件
24
二、液压凿岩机
液压凿岩机是一种以液压为动力的新型凿岩机。由于油压比压气压力大得多，通 常都在10 MPa以上，并有粘滞性、几乎不能被压缩也不能膨胀做功，以及油可以循环 使用等特点，因而使液压凿岩机的构造与压气凿岩机的基本部分既相似又有许多不同 之处。液压凿岩机也是由油缸冲击机构、转钎机构和排粉系统所组成。
26
（一）钎头
钎头形状
钎头结构参数
1、刃角；2、隙角；3、钎刃、 4、钎头直径；5、排粉沟。
钎头材料
原来用40号、45号钢，现凿岩机钎头通常使用的硬质合金牌号（牌号表示 硬质合金的成分和性能）为YG8C，YG10C、YG11C、YGl5X。Y表示硬质合金 ，G表示钴，其后数字表示含钻的百分数，C表示粗晶粒合金，X表示细晶粒 合金。
钎尾是承受和传递能量的部位。其长度和断面尺寸应与配套的凿岩 机转动套相适应。气腿式凿岩机钎尾长108mm。 钎肩形状有两种 ，六角形钎杆用环形钎肩，圆钎杆用耳形钎肩，。向上式凿岩机用 的钎子没有钎肩，因机头内有限定钎尾长度的砧柱。
28
四、电钻钻具
煤电钻的钻具如图由钻头1和麻花钻杆4组成。钻杆前部的方槽2和 尾孔3，是用来插入钻头的，钻头插入后，从尾孔3上的小圆孔中插入销 钉固定钻头。麻花钻杆尾部5车成圆柱形，用以插入电钻的套筒内。套筒 前端有两条斜槽，可以卡紧在麻花螺纹上．以传送回转力矩。
爆炸的分类：
▪ 物理爆炸（不发生化学变化 ） ▪ 核爆炸 （核裂变或核聚变 ） ▪ 化学爆炸（有新的物质生成 ）
2
炸药爆炸的三要素
1
2
3
反应的放热性
反应过程的高速度
反应中生成大量气 体产物
炸药爆炸必须的能 源
爆炸反应区别一般 化学反应的重要标 志
二、液压凿岩机
液压凿岩机是一种以液压为动力的新型凿岩机。由于油压比压气压力大得多，通 常都在10 MPa以上，并有粘滞性、几乎不能被压缩也不能膨胀做功，以及油可以循环 使用等特点，因而使液压凿岩机的构造与压气凿岩机的基本部分既相似又有许多不同 之处。液压凿岩机也是由油缸冲击机构、转钎机构和排粉系统所组成。
26
（一）钎头
钎头形状
钎头结构参数
1、刃角；2、隙角；3、钎刃、 4、钎头直径；5、排粉沟。
钎头材料
原来用40号、45号钢，现凿岩机钎头通常使用的硬质合金牌号（牌号表示 硬质合金的成分和性能）为YG8C，YG10C、YG11C、YGl5X。Y表示硬质合金 ，G表示钴，其后数字表示含钻的百分数，C表示粗晶粒合金，X表示细晶粒 合金。
钎尾是承受和传递能量的部位。其长度和断面尺寸应与配套的凿岩 机转动套相适应。气腿式凿岩机钎尾长108mm。 钎肩形状有两种 ，六角形钎杆用环形钎肩，圆钎杆用耳形钎肩，。向上式凿岩机用 的钎子没有钎肩，因机头内有限定钎尾长度的砧柱。
28
四、电钻钻具
煤电钻的钻具如图由钻头1和麻花钻杆4组成。钻杆前部的方槽2和 尾孔3，是用来插入钻头的，钻头插入后，从尾孔3上的小圆孔中插入销 钉固定钻头。麻花钻杆尾部5车成圆柱形，用以插入电钻的套筒内。套筒 前端有两条斜槽，可以卡紧在麻花螺纹上．以传送回转力矩。
爆炸的分类：
▪ 物理爆炸（不发生化学变化 ） ▪ 核爆炸 （核裂变或核聚变 ） ▪ 化学爆炸（有新的物质生成 ）
2
炸药爆炸的三要素
1
2
3
反应的放热性
反应过程的高速度
反应中生成大量气 体产物
炸药爆炸必须的能 源
爆炸反应区别一般 化学反应的重要标 志
岩石的爆破破碎机理
7.4 岩石的爆破破碎机理7.4.1 岩石爆破破碎的主因破碎岩石时炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。
但是，岩石破碎的主要原因窨是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。
7.4.1.1 冲击波拉伸破坏理论该理论的代表人物：日野熊雄(Kunao Nino)、美国矿业局的戴维尔(Duvall W.L)(1）基本观点当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高压和高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。
当压缩应力波通过粉碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。
当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波的强度已很低，但是岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。
这种破裂方式亦称“片落”。
随着反射波往里传播，“‘片落”继续发生，一直将漏斗范围内的岩石完全拉裂为止。
因此岩石破碎的主要部分是人射波和反射波作用的结果，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。
（2）观点的依据1）固体应力波的研究成果提供了可贵的借鉴①玻璃内的冲击波。
1947年，K．M．贝尔特（K．M，erd）用高速摄影机实测了冲击波的速度。
用电力引爆直径0．25rum的铜丝在玻璃板中爆炸，产生的冲击波速度为5600～11900m／s、破坏的顺序是，爆源附近十边界端、玻璃板中部。
这个结果与日野氏提出的“粉碎圈”、“从自由面反射波拉断岩片”的论述相同。
②日野氏等吸收了H．考尔斯基（Kolsky）对固体应力波研究最主要的成果，例如：炸药爆轰在固体内激发的冲击波；冲击波在自由面反射形成介质的拉伸破坏；多自由面反射波的重复作用等观点。
2）脆性固体抗拉强度①抗拉强度的重要性。
岩石的抗压强度决定着爆源附近粉碎圈的半径。
由于岩石的抗压强度很高，通常粉碎圈半径很小。
凿岩爆破工程-控制抛掷作用的基本原理
一、控制抛掷方向的基本原理1．最小抵抗线原理岩石破碎与抛掷的主导方向是最小抵抗线方向。
（1）要求多个药包向某处集中抛掷，就必须选择凹形地形；反之，若选用凸形地形，岩石就被抛散而不能集中了。
（2）如果地形不利于抛掷，可用辅助药包创造新的自由面，从而确定新的最小抵抗线方向。
2．多向爆破作用控制原理（1）若使岩石沿A、B两侧的抛掷量相等，显然必须使WA =WB。
（2）欲使A方抛掷，B方加强松动，显然应使WA ＜WB，定量表示：破第二节、控制抛掷作用的基本原理定量表示：（3）若使A 方抛掷，B 方松动同样 W A <W B ，定量表示： （4）若使A 方抛掷，B 方岩石不破碎，此时必须满足下式： 式中 为爆破漏斗的破裂半径。
B A B A W n f n f W 3)()( B A A W n f W 3)(31 213.1A A B n W W 21A A n W 破第二节、控制抛掷作用的基本原理3．群药包共同作用原理两个并列的等量对称药包同时爆破时，药包之间的岩土一般不发生侧向抛散，只是沿着两药包的最小抵抗线方向抛出，这个原理就是群药包共同作用原理。
4．重力作用在山坡地形（尤其是地形较陡时）一部分岩石被抛掷，而有一部分岩石依靠重力作用，会坍塌。
破第二节、控制抛掷作用的基本原理二、抛体堆积的基本原理1．抛体、坍塌体及爆落体的概念–AO‘D 这部分岩土被抛出，故称之为抛体 ；–在爆破及重力作用下，DB‘C 部分岩石产生破碎与坍塌，这部分岩石就称为坍塌体。
–两部分合在一起就称为爆落体。
–在爆落体内 W ：最小抵抗线– AO ：称为下破裂半径R– CO ：称为上破裂半径R'破第二节、控制抛掷作用的基本原理–压缩圈半径R 1：–下破裂半径R ：–上破裂半径R ' –2．抛体堆积的基本原理–（1）抛体运行逆从弹道运行规律– –（2）抛体堆积规律–抛体抛出后，抛体各质点呈三角形分布，落在地上亦是三角形。
岩石爆破原理与方法
岩石爆破原理与方法嘿，咱今儿就来讲讲这岩石爆破！你说这岩石啊，那可真是顽固得很呢，就像那怎么都赶不走的倔驴！那咱要怎么对付它呢？这就得靠爆破啦！想象一下，岩石就像是一个坚固的堡垒，而爆破就是我们攻打这个堡垒的秘密武器。
爆破的原理呢，其实就是利用炸药爆炸时产生的巨大能量，让岩石瞬间破碎。
这就好比是给岩石来了一记猛拳，一下子就把它给打散了。
那这炸药是怎么发挥作用的呢？当炸药爆炸的时候，会产生极高的温度和压力，就像一个小太阳在岩石内部爆发一样。
这股强大的力量会迅速向四周扩散，把岩石从内部往外撑开，最后“嘭”的一声，岩石就被炸得七零八落啦！说到爆破的方法，那也是有讲究的。
就像做菜一样，不同的菜有不同的做法，这爆破也得根据岩石的具体情况来选择合适的方法。
有一种叫浅孔爆破的，就像是用小针轻轻地扎一下。
它适合那些不太厚的岩石，在岩石上打几个小孔，把炸药放进去，就能把岩石炸碎啦。
这种方法比较精细，就像绣花一样，一点点地把岩石瓦解。
还有深孔爆破呢，这可就像是用大锤子狠狠地砸下去。
它是在岩石上打很深的孔，放很多炸药进去，然后来个大规模的爆破。
这种方法适合对付那些大块头的岩石，一下子就能把它们炸得稀巴烂。
另外啊，还有预裂爆破，这就像是给岩石划一道口子，让它顺着这条口子裂开。
这样可以减少对周围岩石的破坏，让爆破更加精准。
不过啊，爆破可不是随便就能玩的，这可是个技术活，也是个危险活。
要是不小心弄错了，那可不得了，说不定会引起大灾难呢！就像放鞭炮一样，你要是不小心把鞭炮扔到了不该扔的地方，那后果可不堪设想啊！所以啊，进行岩石爆破的时候，一定要找专业的人来干，他们有经验，知道怎么安全地把岩石给炸了。
而且，爆破前的准备工作也很重要呢！得先好好勘察一下地形，看看周围有没有什么建筑物啊、人啊之类的，可不能伤到他们。
还要计算好炸药的用量，用多了浪费，用少了又炸不碎岩石，这可得好好掂量掂量。
总之啊，岩石爆破这事儿，既有趣又危险。
我们要好好利用它的原理和方法，把那些顽固的岩石给征服了，同时也要注意安全，可别让它反过来伤到我们自己哟！你说是不是这个理儿？。
岩石的爆破破碎机理2008
岩石的爆破破碎机理2008-07-09 17:39一、岩石爆破破碎的主因破碎岩石的炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。
但是岩石破碎的主要原因究竟是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。
1、冲击波拉伸破坏理论（该观点的代表人物日野熊、美国矿业局的戴维尔）当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高压和高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。
当压缩应力波通过粉碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。
当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波的强度已很低，但是岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。
这种破裂方式亦称“片落”。
随着反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗内的岩石完全拉裂为止。
因此岩石破碎的主要部分是入射波和反射波作用的结果，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。
2、爆炸气体的膨胀压理论（该观点的代表人物村田勉等）从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。
当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。
当爆炸气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出。
它在很大程度上忽视了冲击波的作用。
3、冲击波和爆炸气体综合作用理论（该观点的代表人物有C.W.利文斯顿、φ.A.鲍姆，伊藤一郎，P.A.帕尔逊、H.K.卡特尔，L.C.朗和N.T.哈根等）这种观点的学者认为：岩石的破碎是由冲击波和爆炸气体膨胀压力综合作用的结果。
即两种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同岩石所起的作用不同，爆炸冲击波（应力波）使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后爆炸气体使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，脱离母岩。
岩石钻进过程与破碎机理
(Methods for classification of rock drillability)
• 力学性质指标法 • 实际钻进速度法 • 模拟钻进速度法 • 破碎比功法
第五节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式
（Main mode of action between rock-broken tool and rock）
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
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。 岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳 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。
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、强度特性和表面特 性。 • 变形特性：弹性、塑性和脆性 • 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和 抗弯强度 • 表面特性：硬度和研磨性
1.3.1、变形特性
第六节 静载作用下的岩石应力状态
（Stress conditions of rock under static l的应力状态
p( r )
P 2 a a r
2 2
p
P a2
图1.1－34 平底圆柱压头压力面上的压力分布
图1.1－36 球形压头压力面上的压力分布
（deformation properties）
• 弹性变形 • 塑性变形
岩石破坏的形式
Broken form of rocks
• 力学性质指标法 • 实际钻进速度法 • 模拟钻进速度法 • 破碎比功法
第五节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式
（Main mode of action between rock-broken tool and rock）
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
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。 岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳 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。
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、强度特性和表面特 性。 • 变形特性：弹性、塑性和脆性 • 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和 抗弯强度 • 表面特性：硬度和研磨性
1.3.1、变形特性
第六节 静载作用下的岩石应力状态
（Stress conditions of rock under static l的应力状态
p( r )
P 2 a a r
2 2
p
P a2
图1.1－34 平底圆柱压头压力面上的压力分布
图1.1－36 球形压头压力面上的压力分布
（deformation properties）
• 弹性变形 • 塑性变形
岩石破坏的形式
Broken form of rocks
岩石破碎学PPT课件
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。
13
当应力达到现为塑脆性体。
岩石是不同矿物组成的聚合体。由于矿物成分和
4
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。
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
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
9
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； 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。
系遵守虎克定律。
13
当应力达到现为塑脆性体。
岩石是不同矿物组成的聚合体。由于矿物成分和
4
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。
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
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
9
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； 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。
第二章：岩石破碎基本原理
强度条件：
三向应力时： 3 (1 2 ) t
3
1 E
[ 3
(1
2)]
单向拉伸时： 3 t
3
t
E
单向压缩时： 1 c
3
E
c
适用范围：适合于破坏形式为脆断的材料。
3
2.1 四种常用的强度理论
三、最大剪应力理论（第三强度理论）
莫尔应力圆：
1 3 2 2 1 3 2
2
2
剪切破坏角与内摩擦角的关系：
C
A
2
0 3
1
4 2
12
2.2 岩石破坏准则
三、库伦-莫尔准则（Coulomb-Mohr Criterion）
几个重要关系式推导：
三轴应力状态下的畸变能：
Ud
1
6E
[(
1
2 )2
( 2
3 )2
(3
1 )2 ]
强度条件：
1 2
[(
1
2 )2
( 2
3 )2
(3
1 )2
s
局限性：① 适用于塑性材料; ② 可得出抗拉强度与抗压强度相等的结论，与岩石不符。
8
2.2 岩石破坏准则
二、岩石破坏准则
岩石破坏准则—指岩石在某应力或应变状态下产生破坏的判据。 通常表示为极限应力状态下的主应力间的关系方 程或处于极限平衡状态截面上的剪应力与主应力 的关系方程。
1 f ( 2 , 3 ) 或 f ( )
由于岩石抗压强度与抗拉强度相差较大，所以材料力学中的第一 （最大拉应力理论）、第二（最大拉应变理论）、第三（最大剪应 力理论）、第四强度理论（畸变能理论）都不适用。
第二章 岩石的破碎机里概要
球体压入时，接触球面（半径为a）上
的压力分布是不均匀的。其数值是随着 压力点离开压力面中心的距离r的增加
而不断减小的一个函数(如图)，即：
p(r )
3P 2 a 3
a2 r 2
在压力中心处： 在压力边缘处：pr a 0
图2－6
第二节
外载下岩石的应力状态
钻探工艺学
（二）球形压头压入时岩石的应力状态
第三节 岩石在外载下的破碎过程
（一）岩石的变形破碎形式
钻探工艺学
1、黎金格尔定律：固体
破碎功与破碎过程中物 体表面积的增加成比例。 2、基尔比切夫定律：破 碎功与物体破碎的体积 成比例。 破碎功与破碎产物粉碎度的关系
1－黎金格尔定律；2－基尔切夫定律
第三节 岩石在外载下的破碎过程
钻探工艺学
（一）岩石的变形破碎形式 切削具对岩石的作用力不同，岩石变形破碎可有3种方式 1、表面破碎 切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度，切削具不能压 入岩石。切削具移动时，将研磨孔底 岩石，岩石破碎是由接触摩擦功引起 的，研磨的岩石颗粒很小，钻进速度
，同样存在两个极值点，但都在z轴上。
第二节
外载下岩石的应力状态
钻探工艺学
（三）轴向力和切向力共同作用时岩石的应力状态
回转钻进中，碎岩工具一般以轴向、切向载荷同时作用于岩 石。此时，岩石的应力分布与只有轴向载荷时不同。 只有轴向力作用时，等应力线分布是均匀对称的。轴向力和 切向力共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的。
第三节 岩石在外载下的破碎过程
钻探工艺学
对于岩石破碎过程的解释，概括起来可以得出以下的基本概念：
(1) 岩石破碎过程的发展，不是随载荷的增加而平稳地进行 的， 而是当载荷达到某一值后， 发生突然的侵入破碎。
的压力分布是不均匀的。其数值是随着 压力点离开压力面中心的距离r的增加
而不断减小的一个函数(如图)，即：
p(r )
3P 2 a 3
a2 r 2
在压力中心处： 在压力边缘处：pr a 0
图2－6
第二节
外载下岩石的应力状态
钻探工艺学
（二）球形压头压入时岩石的应力状态
第三节 岩石在外载下的破碎过程
（一）岩石的变形破碎形式
钻探工艺学
1、黎金格尔定律：固体
破碎功与破碎过程中物 体表面积的增加成比例。 2、基尔比切夫定律：破 碎功与物体破碎的体积 成比例。 破碎功与破碎产物粉碎度的关系
1－黎金格尔定律；2－基尔切夫定律
第三节 岩石在外载下的破碎过程
钻探工艺学
（一）岩石的变形破碎形式 切削具对岩石的作用力不同，岩石变形破碎可有3种方式 1、表面破碎 切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度，切削具不能压 入岩石。切削具移动时，将研磨孔底 岩石，岩石破碎是由接触摩擦功引起 的，研磨的岩石颗粒很小，钻进速度
，同样存在两个极值点，但都在z轴上。
第二节
外载下岩石的应力状态
钻探工艺学
（三）轴向力和切向力共同作用时岩石的应力状态
回转钻进中，碎岩工具一般以轴向、切向载荷同时作用于岩 石。此时，岩石的应力分布与只有轴向载荷时不同。 只有轴向力作用时，等应力线分布是均匀对称的。轴向力和 切向力共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的。
第三节 岩石在外载下的破碎过程
钻探工艺学
对于岩石破碎过程的解释，概括起来可以得出以下的基本概念：
(1) 岩石破碎过程的发展，不是随载荷的增加而平稳地进行 的， 而是当载荷达到某一值后， 发生突然的侵入破碎。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.破岩齿的形状
与岩石相互作用的破碎岩石工具是由多个破岩齿组合形成的，因此可通 过分析单个破岩齿破岩过程来分析破岩工具的破岩机理。 破岩齿的形状多种多样（图3.2.1），但可归结为圆柱体和球形体的不同 组合。为便于研究，在分析破岩机理时往往采用平底圆柱和球形体来表示破 岩齿的基本形状。在分析破岩过程时主要以平底圆柱破岩齿为例。
由于破岩齿下部岩石应力状态的变化，导致破岩齿下部岩石的破 碎区出现不对称性，在水平力作用方向破岩齿前方出现大体积的剪切 破坏，密实核的趋向也向水平作用力方向偏移，破岩齿后部出现拉应 力破坏但范围较小。形成的破碎坑的形状示意如图3.2.15：
作用力 崩切区 破 岩 齿 压碎形成的密实核 拉应力破坏 区
第二节 岩石破碎的基本原理
一、破岩齿受力状态分析
利用特定的机械工具在岩石表面施加载荷，使岩石所 受载荷超过其强度极限而破碎的破岩方式称为机械破岩方 法。石油钻井所用的破岩方式主要为机械破岩。 石油钻井机械破岩的工具为钻头，既通过钻头的破岩 齿与岩石发生相互作用来破碎岩石，也既破岩齿受到不同 形式的力的作用并将力传递到岩石，达到破岩的目的。因 此分析破岩机理应从单齿破碎岩石的过程压入岩石表面图示
图3.2.6圆柱平底破岩齿受单向垂直力 压入岩石表面图应力分布图
周边岩石发生塑性变形后，破岩齿向下移动侵入岩石一定深度，载荷 变为均布载荷；同时由于破岩齿的移动使得破岩齿周边区域形成拉应力区 （图3.2.7）。
图3.2.7 圆柱平底破岩齿受单向垂直力 压入岩石表面塑性变形后的应力分布图
P P Q
P F
Q
垂直力（压入力）
斜向力作用
图3.2.4破岩齿的受力状态简化
二、圆柱平底破岩齿受单向垂直力压入岩石（图3.2.5）的破碎过程 1. 破碎过程描述 ①岩石发生塑性变形阶段 根据弹性力学的赫兹接触理论：圆柱平底破岩齿受单向垂直力作用，岩 石表面所受应力的分布如图3.2.6。 根据应力分布图，圆柱破岩齿作用于岩石表面的压力在破岩齿周边存在 应力分布的极值，随着载荷的增加，周边岩石所受应力首先达到屈服极限而 发生塑性变形破坏。
Ⅰ区—多项压缩区
Ⅲ区—拉压混合 区
图3.2.14 在两向载荷作用下的等应力线
从图中可以明显地看出：当破岩齿受倾斜力作用时，出现极值载荷 的位置发生偏移，最大剪应力出现在与作用力方向一致的轴线上。同时 破岩齿下部岩石的受力状态发生变化，形成受力状态不同的三个区域。 岩石的应力状态可分为三个区： 1—多向压缩区； 2—拉应力区； 3—拉压混合区。
②转速的优化 破岩工具上所有破岩齿的水平力力矩之和为破岩工具的扭矩。如果 岩石性能不变、破岩齿压入地层深度不变，破岩齿的水平力的大小决定 了破岩齿的运动速度。破岩齿的运动速度增加，单位时间内破碎岩石的 总量增加，破岩效率提高。
实际工程中转速与机械钻速的关系为指数关系。在一定转速范围 内，转速越快机械钻速越快，超过某一极值钻速会下降。造成这一现 象的原因为：
门限钻压
图3.2.17 钻井速度与 钻压的关系
当钻压超过门限钻压后，钻压越大，钻头齿压入地层深度越大，破 岩体积越大，破岩速度越快。 实验和钻井数据统计表明：钻压与机械钻速的关系为指数关系：
ROP = k (W − W0 )
n
ROP—机械钻速；k—与地层和切削齿形状有关的系数； W—钻压;W0—门限钻压；n—指数，一般小于1。 如果破岩齿为长条形或楔形，压入深度与钻压成正比，且切削齿 足够长的前提下，指数接近于1。当切削齿为锥形或锋利齿磨钝后n小 于1。
图3.2.15 在两向载荷作用下破碎坑的形状示意图
四.球体破岩齿压入时的岩石破碎发展过程
球体破岩齿压入试验时，所得到的结果与平底破岩齿相比较略有差异。
图3.2.16 在两向载荷作用下破碎坑的形状示意图
球体破岩齿压入时的岩石破碎发展过程特点： ①塑性变形阶段的塑性破坏区首先发生在破岩齿顶点接触岩石部位； ②局部破碎阶段形成的破碎核成钝角； ③体积破碎阶段形成的破碎坑成钝锥形。
五、影响破岩齿破岩效果的因素
1.影响破岩齿破碎岩石效果的因素 综合分析破岩齿破碎岩石的过程，可以总结出影响破岩齿破碎岩石效 果的因素： ①岩石：岩石不同，岩石的物理力学性能不同，破碎效果不同。 ②破岩齿的形状：破岩齿形状不同，形成的破碎坑大小与形状不同。 ③载荷大小的影响：在破岩齿受单项垂直载荷时，随着载荷的增加， 破碎状态由塑性变形发展到体积破坏，体积破碎是工程实际中需要的破碎 形式；在破岩齿受斜向载荷时，载荷的变化，不仅影响破碎状态，同时水 平分量影响破岩速度。 ④载荷的形式：动载是与时间有关的载荷。外载引起的应力在岩石内 部传递需要一定的时间。如果应力作用的速度超过应力在岩石内部的传递 速度，则岩石变形得不到充分发展，破岩效果变差，钻速会下降。
②压实核形成阶段（局部破碎） 根据上述结论，随着力的进一步增加，在破岩齿下方深度为Zm处， 剪应力极值达到岩石的抗剪强度，此处形成剪应力破坏点。
图3.2.9 压实核示意图
③岩石大面积崩裂阶段（体积破碎） 在载荷的进一步作用下,破岩齿周边裂隙和Zm处裂隙贯穿，在破岩 齿下方形成破碎核—压实核。由于密实核处于全面压缩状态，不能形成 剪切破坏。但压实核作为力的载体对周围岩石产生挤压作用。
圆柱平底破岩齿作用于岩石，载荷变为均布载荷后，岩石内部应力 分布根据弹性力学的计算得出如下结果： 在对称轴
z=a 2(1 + u ) 7 − 2u
处, 剪应力存在最大值：
τ max =
p ⎡1 − 2u 2 ⎤ + (1 + u ) 2(1 + u ) ⎥ 2⎢ 2 9 ⎣ ⎦
（其中u为泊松比）
图3.2.8 载荷变为均布载荷后 岩石内部应力分布图
2.破岩齿破岩过程分析的工程意义 在工程实际中，钻头破岩齿的载荷是由钻井参数决定的，因此通过 破岩齿破岩过程分析可以优化钻井参数。 ①钻压的优化 破岩工具上所有破岩齿受到的垂直载荷之 和既为钻头的钻压。 根据破岩过程分析，岩石破碎分为三种状 态，在体积破碎阶段岩石的单位体积破碎功 小，破岩效果好。因此工程实际中施加的钻压 必须使破岩齿压入地层一定深度，达到体积破 碎状态。使破岩齿压入地层一定深度以体积破 碎状态破碎岩石的最小钻压称为门限钻压。在 实际钻井过程中钻压值一定要大于门限钻压。
图3.2.12 岩石破碎第二个循环示意图
图3.2.13 岩石破碎第二个循环破碎坑示意图
2.岩石破碎过程的三个阶段
从岩石破碎的过程分析，随着压力的增加，破岩齿破碎岩石的过程可 划分为三个阶段： ①裂纹发展阶段（塑性变形） ②压实体形成阶段（局部破碎） ③岩石大体积崩切阶段（体积破碎） 在塑性变形阶段，仅在岩石内部形成裂纹；在压实体形成阶段，仅仅 破岩齿下部岩石发生破坏，破碎体积很小；只有在崩切阶段产生大体积破 碎，破岩效果好。
图3.2.10 压实核对周围岩石产生挤压作用示意图
当载荷继续增加时，在最大剪应力点外侧的c点产生裂纹。这裂 纹发展贯穿周围的岩石达到自由面，在压实核积压力的作用下形成大 面积的崩裂，形成破碎坑。
岩石崩裂位置
岩石破碎坑
图3.2.11 岩石体积破碎形成破碎坑示意图
④第二个循环破碎阶段 破岩齿压入岩石形成破碎坑后，一个破碎过程结束。接下来破碎过 程进入第二循环，过程重复上述步骤。但由于围岩的限制破岩体积减小。
机械钻速（米/小时）
ROP = kN
q
N—转速；q—指数(<1)
转速（
图3.2.18 机械钻速与 转速的关系
转速存在极限值的原因有二： ①当机械钻速达到一定程度后，由于井底岩粉不能及时清除，造成 岩粉的重复破碎，影响了机械钻速的提高 。 ②外载在岩石内部引起的应力在岩石内部传递需要一定的时间。如 果应力作用的速度超过其应力在岩石内部的传递速度，则岩石变形得不 到充分发展,破岩效果变差，钻速会下降。
P = P1 + f1 ( x , t )
P
P θ Q F
Q = Q1 + f 2 ( x , t )
Q
载荷为静载
载荷为静、动载 图3.2.3 破岩齿的受力状态
如不考虑时间因素的影响，那么不管载荷为静载还是动载，其岩 石破坏的基本发展过程类似，为便于问题分析，取静载形式来分析岩 石破坏的发展过程。 将静载分为两种基本情况（图3.2.4)： ⑴垂直力（压入力）作用； ⑵斜向力作用（压入力和水平力同时作用）。
图3.2.1 切削齿的形状
2.破岩齿受力状态分析
破碎岩石是在破岩齿上施加载荷，破岩齿将载荷传递到而使岩石 破坏。破岩载荷的基本形式有：压入、剪切、冲击（图3.2.2): 压入+剪切 冲击 冲击+剪切
铁锹
凿子
镐
图3.2.2 破碎岩石的工具及载荷形式
无论静载或动载，都可简化为力的作用。破岩齿受力的合力为空间的 斜向力，可分解为水平和垂直方向的两个分力，受力状态如图3.2.3所示：
三、圆柱破岩齿受垂直力和水平力联合作用破碎坑的形状
破岩齿破碎岩石的破碎实际上是在垂直和水平载荷同时作用下发生的。 也即破岩齿受倾斜力F的作用（如图3.2.13）。
P Q
P F
Q
图3.2.13 岩石破碎第二个循环破碎坑示意图
在两向载荷作用下，按照弹性理论得到的等应力线如图3.2.14：
Ⅱ区—拉应 力区