岩土钻掘 第1章.ppt

岩土钻掘工程学;第一章 岩土的物理力学性质及其破碎机理 ;第一节岩石的物理力学性质概述;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。 ;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。 ;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 的 百分比 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。 ;第二节 岩石的物理力学性质 ; 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）。。;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 排列。层理导致岩石的各向异性。 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异： 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 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。 ;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。;（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