《第一章_岩石物理力学性质与破碎机理》.ppt

所以有： 岩石破碎时的总功： 单位接触面积破碎功： 进一步处理： 式中：Hy——压入硬度； 单位体积破碎功： 式中：破碎岩石体积。 史立涅尔根据单位接触面积破碎功将岩石划为10级。 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） 　　目前钻探生产中广泛采用的钻进碎岩方法属于机械法破碎岩石。根据刃具同岩石作用的方式和碎岩机理，所有作用方式可分为：切削—剪切型；凿碎型；凿碎—剪切型三类。 （1）切削—剪切型：对应于回转钻进；要求切削具具有一定的抗弯强度、硬度； （2）凿碎型：冲击钻进；要求切削具具有一定的抗弯强度、硬度和抗冲击强度或冲击韧性； （3）凿碎—剪切型：牙轮钻头，冲击回转钻进，回转冲击钻进；要求切削具具有更高的抗弯强度、硬度和抗冲击强度或冲击韧性 第六节 静载作用下的岩石应力状态（Stress conditions of rock under static load） 刃具对岩石的压入作用可以抽象为平底和球形两种压头对岩石的作用。讨论压头与岩石接触面上的压力分布状态和岩石内部的应力状态问题的基础是：集中力作用在半无限物体的弹性平面上的布西涅司克理论。 一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态 图1.1－34 平底圆柱压头压力面上的压力分布 a Z0 图1.1－36 球形压头压力面上的压力分布 知道了压力面上的载荷分布，同样也可以利用布西涅司克集中力作用于弹性半无限空间平面上的解，求得半无限体内沿对称轴上的应力分量： 各应力分量随ｚ值变化的情况表示于图11－３７中。在对称轴上所有应力都是压应力。显然，在压力面中心处（ｚ＝０）有： 图1.1－37 球形压头压入时沿 对称轴的应力分布 如果?=0.3,则压力面中心(即z=0)处，?z =-p0 ，?r =??=-0.8p0，?=0.1p0 。 接触面中心的应力状态接近于各向均匀压缩状态。 随着z的增加，所有正应力都要减小，但?r =??比? z减小得更快。剪应力与正应力不同，开始时?随z的增加而增大，在达到某一最大值后，即逐渐减小。根据计 据计算，最大剪应力所在深度z0=0.48ay0.5a;最大剪应力?max=0.31p0 ,这说明在深度zy0.5a处的剪应力为压力面中心z=0处剪应力的三倍。 另外，按照弹性力学推导，在压力面边缘（即z=0，r=a）处，应力分量为： 当?=0.3时, , ?=0.133p0 。 这表明在接触面的圆周边界处，沿径向产生拉应力。另外此处剪应力小于对称轴上?max，但大于压力面中心的剪应力。 因此，球体压入平面时，最危险的地方是：压力面周边和半无限体内对称轴上距压力面z=0.5a处。 三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态 图2－15 轴向力作用时岩石 内的应力分布 图2－16 轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布 （a）等应力线图；（b）应力状态特征 Ⅰ－压应力区；Ⅱ－拉应力区；Ⅲ－过渡区 在回转钻进中，破碎岩石工具以轴向和切向载荷作用于岩石上。弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内等应力线分布是均匀的、对称的（如图2－15）。而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（如图2－16）。在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切应力作用的后方则产生拉应力，在半无限体内（如图2－16(b)所示），形成正应力区（Ⅰ）、拉应力区（Ⅱ）和过渡区（Ⅲ） 。由此可以推知，在两向载荷作用下，碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点： 1. 轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具对孔底岩石表面以某一角度施加作用力。岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来 决定。轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说有最优的作用力方向。这一方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时，轴向压力和回转速度应有一个合理的配合关系。 2. 轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方岩石中产生不均匀的应力状态。压缩区Ⅰ随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；拉伸区Ⅱ则与上述情况相反；过渡区内既有正应力的作用，又有拉应力的作用。 3. 当岩石中出现拉应力时，在其他条件相同的情况下，岩石将在作用力比较小的时候，在拉应力区开始破碎。 第七节 外载作用下岩石的破碎过程（Failure process of rock under exterior load） 一、岩石的变形破碎方式 图1.1－45 破碎功与破碎产物粉碎度的关系 1－根据黎金