岩石物性与岩石破碎.ppt

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岩石破碎基础知识 地壳中主要元素元素名称所占百分数（％）氧(O)46.7硅(Si)27.7铝(Al)8.1铁(Fe)5.0钙(Ca)3.6钠(Na)2.8钾(K)2.6镁(Mg)2.1合计98.6 岩石的基本分类这8种元素占地壳成分的98.6%，与其他元素一起组成了主要造岩矿物。构成地壳的岩石主要是由这些造岩矿物组成的，占99％以上。岩石根据其成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。如果把变质岩分别包括在岩浆岩和沉积岩中，那么地壳里岩浆岩占95％，沉积岩仅占5％。但是以地表出露的面积计，前者只占25％，后者却占75％。 地质矿产与地层的关系金属和非金属矿床一般赋存在于岩浆岩和变质岩中，而煤和石油等可燃性矿产通常与沉积岩共存。在某些情况下，有的矿产又可能与上述三类岩石都有关系。因此，在探矿工程中、特别是固体矿产勘探中有可能遇到各种不同的岩石。 岩浆岩岩浆岩Magmaticrocks是内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。岩浆活动有两种形式：一种是岩浆上升到一定位置，由于上覆岩层的外压力大于岩浆的内压力，迫使岩浆停留在地壳之中冷凝结晶，形成侵入岩（在浅处形成的侵入岩称浅成岩，在深处形成的侵入岩称深成岩）；另一种是岩浆的内压力大于上覆岩层的外压力，使岩浆喷出地表后冷凝固化，形成喷出岩。 观赏石所谓观赏石是指天然产出的、有观赏价值和商品价格的石质艺术品。大自然的鬼斧神工，赋予了观赏石变幻莫测的艺术效果，人们从中得到意想不尽的审美享受。观赏石的成因源于地壳不断发生的褶皱、扭曲、叠压、错层、断裂等地质运动，从而改变了岩石最初的赋存状态，在不同底层、地温的相互作用和相互反应下，在经过风化作用，从而使观赏石具有了不同的种类、不同的归属。 玛瑙“玛瑙”一词源于佛经，梵语叫“阿斯玛加波”，意为“马脑”。因为古人不了解玛瑙产生纹带的原因，认为是“马脑的变石”。后人认为“马脑”属玉，于是改成斜玉的旁儿，转为“玛瑙”一词。玛瑙属于隐晶质石英，是具有不同颜色的二氧化硅溶体，分期沿岩石的空洞或裂隙周围向中心填充所形成的同心层或平行层纹状矿物，呈玻璃光泽，主要产于火山岩裂隙及空洞中 生命在于运动 牡丹石是在十五亿年前的火山运动中形成，为中基性浅成侵入岩，现埋藏于十余米厚的土层之下。黑色的基岩其硬度与大理石相当，白色或浅绿色的则有玉一样的质地，斑晶为斜长石类矿物。牡丹石集山川之灵秀，汇诗情画意之美韵，为中国观赏石一朵奇葩。 岩浆岩分类根据SiO2的含量，岩浆岩可分为：酸性岩SiO2含量大于65％，主要矿物有石英、正长石和斜长石。中性岩SiO2含量为65％~52％，主要矿物有斜长石和角闪石。基性岩SiO2含量为52％~45％，主要矿物有斜长石和辉石。超基性岩SiO2含量小于45％，主要矿物有橄榄石、辉石和角闪石。 深成岩Plutonic深成岩是岩浆在地表深处受上部覆盖层的压力作用，缓慢冷却而形成的岩石。其特点是结晶完全、晶粒明显可辨、构造致密、表观密度大、抗压强度高、吸水率小、抗冻及耐久性好。岩浆岩分类 喷出岩是岩浆喷出地表冷凝而成。由于冷却较快，大部分结晶不完全呈细小结晶状。岩浆中所含气体在压力骤减时会在岩石中形成多孔构造。常见的喷出岩有玄武岩、辉绿岩、安山岩等。玄武岩和辉绿岩可作为耐酸和耐热材料，还是生产铸石和岩棉的原料。 沉积岩沉积岩sedimentaryrocks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。组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大部分。颗粒包括岩屑和矿物。岩屑是已形成的岩浆岩、变质岩和沉积岩的碎屑，或者是火山喷发出来的碎屑；矿物来自两个方面，一是原有岩石经风化、剥蚀、搬运而来的矿物碎粒，多半为不易风化的石英、正长石和白云母等，二是在沉积作用中形成的新矿物，如方解石、白云石、岩盐、燧石、赤铁矿等。在沉积物颗粒之间还有胶结物。胶结物对沉积岩的强度有很大的影响。 机械沉积岩是岩石风化破碎以后又经风、雨、河流及冰川等搬运、沉积、重新压实或胶结作用，在地表或距地表不太深处形成的岩石，主要有砂岩、砾岩、角砾岩和页岩等。砂岩是由砂粒经胶结而成。由于胶结结构和致密程度的不同，性能差别很大。砾岩和角砾岩的构成和性能与砂岩相似。页岩由粘土沉积而成，呈页片状，强度低、耐水性差，不能直接用作建筑材料。机械沉积岩 竹叶状石灰岩属寒武系碳酸盐类的沉积岩。它的形成是由碎石集散于海里，经海水长年冲击、侵蚀，慢慢变成类似橄榄状碎石块，一般长0．3cm～10cm，后又经地壳运动、沧海变迁，渐渐被一种钙质胶接、粘合、挤压在一起。沧海变为陆地后，这些合成石块在地壳的变化中露出地面，受雨水冲刷、风化等外力作用而变成今天的模样。　　产地很多，著名的如山东苍山、平邑一带的竹叶状石灰岩；山东济南张夏馒头山的竹叶状石灰岩。 龟纹石龟纹石一般直径为20-30厘米，大的有60-70厘米。形成于古生代二叠纪的煤系地层中。当时，海底的泥沙互相粘结，形成球体。水的作用下，球体滚动不断增大。当水流相对平稳后，球体便沉积下来。沉积初期，它还是松软的球体，后来逐渐胶结变硬。在地质作用下，被压成扁圆、扁椭圆，与此同时表面开裂，形成了“龟纹”，“龟纹”被其它矿物填充。 化学沉积岩是岩石中的矿物溶于水后，经富集、沉积而成的岩石，如石膏、白云岩、菱镁矿等。石膏的化学成分为CaSO4·2H2O，是烧制建筑石膏和生产水泥的原料。白云岩的主要成分是白云石CaCO3·MgCO3，其性能接近于石灰岩。菱镁矿的化学成分为MgCO3，是生产耐火材料的原料。化学沉积岩 生物沉积岩是海生动植物的遗骸，经分解、分选、沉积而成的岩石。如石灰岩、硅藻土等。石灰岩的主要成分为方解石(CaCO3)，常含有白云石、菱镁矿、石英、蛋白石、含铁矿物和粘土等。硅藻土是由硅藻的细胞壁沉积而成。富含无定形SiO2、浅黄色或浅灰色、质软而轻，多孔，易磨成粉末，有极强的吸水性。生物沉积岩 胶结类型与岩性的关系泥质胶结物：如泥土或粘土。胶结成的岩石强度小，易碎，断面呈土状。钙质胶结物　成分为CaCo3。胶结成的岩石强度比泥质胶结的大些，滴稀盐酸于其上能起泡。铁质胶结物：成分为FeO、Fe2O3或Fe(OH)3，胶结成的岩石强度比前两种大。硅质胶结物　成分为SiO2，所胶结的岩石强度最大。 一些传统的说法沉积岩的形成可能是不同沉积作用的结果。以机械沉积作用成岩的，叫碎屑岩；以机械沉积作用和胶体化学沉积作用共同成岩的，称混合岩或粘土岩；以胶体化学沉积作用和生物化学沉积作用成岩的，称生物岩和化学岩。 变质岩变质岩Metamorphic是岩浆岩、沉积岩甚至是变质岩本身在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石。高温来自地热、岩浆热和动力热。温度是变质作用的基本因素。温度增高，大大增加了岩石中矿物分子的运动速度和化学活性，使矿物在不变为流体的状态下发生重结晶作用或重新组成新矿物。压力包括静压力和动压力。静压是上覆岩石对下层岩石的压力，具有一定的方向，可使岩石发生破裂、变形或变质。化学活动性流动主要来自岩浆。由岩浆中分出来的气体和液体可与围岩发生交代作用，生成新矿物。 变质岩变质岩的物质成分比较复杂，既有原岩成分，又有变质过程中的新生成分。就矿物而言可分为两类：一类是与岩浆岩和沉积岩相同的，如石英、云母、角闪石、辉石等，它们大多数是原岩残留下来的，或者是在变质作用中形成的；另一类是变质岩特有的，如石墨、滑石、蛇纹石、石榴子石、硅灰石等，它们是变质作用的产物。 大理岩也称大理石，是由石灰岩、白云岩经变质而成的具有细晶结构的致密岩石。大理岩在我国分布广泛，而以云南大理最负盛名。大理岩表观密度为2600~2700kg/m3，抗压强度较高，达100~300MPa。大理岩质地密实但硬度不高，易于加工，可用于石雕或磨光成镜面。纯大理岩为白色，若含有不同杂质呈灰色、黄色、玫瑰色、粉红色、红色、绿色、黑色等多种色彩和花纹，是高级装饰材料。典型变质岩 典型变质岩 蛇纹岩是由岩浆岩变质而成的岩石，呈绿、暗灰绿、黄等色。结构致密，硬度不大，易于加工，有树脂或蜡状光泽。岩脉中成纤维状者称蛇纹石棉或温石棉，是常用的绝热材料。石英岩是由硅质砂岩变质而成，质地均匀致密，硬度大，抗压强度高达250~400MPa，加工困难，但耐久性强。石英岩板材可用作重要建筑的饰面材料或地面、踏步、耐酸衬板等。石英砂可以作为磨料、冶金添加剂、玻璃原材料等，用途极为广泛。典型变质岩 片麻岩是由花岗岩等火成岩变质而成。其矿物成分与花岗石相近，主要由长石﹑石英组成﹐中粗粒变晶结构和片麻状或条带状构造，垂直于片理方向抗压强度为120~200MPa。片麻岩的进一步命名可按特徵变质矿物﹑片柱状矿物和长石种类进行﹐如石榴黑云斜长片麻岩﹑夕线石榴钾长片麻岩等。板岩是由页岩或凝灰岩变质而成。板岩构造细密呈片状，易于剥裂成坚硬的薄片状。其强度、耐水性、抗冻性均高，是一种天然的屋面材料，可用于园林建筑。典型变质岩 观赏变质岩--崂山绿石崂山绿石为变质的铁镁硅酸盐质玉。产于青岛崂山东麓仰口湾畔，佳者多产于海滨潮间带，故又称为海底玉。崂山绿石的绿，静穆古雅，象黛玉，象墨兰，象苍海，是一种深沉谧静的绿。崂山绿石是崂山的象征，是青岛的特产。崂山绿石的质地，晶莹缜密，温润可人。 观赏变质岩—梅花石梅花石是典型的“遭受挤压及蚀变的杏仁状安山岩”。摩氏硬度6-7，密度2.74克/厘米3，玉一般的品质，故又称梅花玉。梅花石多为黑色、墨绿色、少数呈紫红色。其中以紫红色最为珍贵。 岩石的结构和构造岩石结构是说明岩石的微观组织特征的，它与矿物颗粒的大小、形状和表面特征有关，反映岩石的非均质性和孔隙性。岩石构造是表示岩石宏观的组织特征，它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布情况。它决定了岩石的各向异性和裂隙性。岩石的结构主要是指晶体的结构和胶结物的结构。晶体结构主要是指晶体颗粒的大小和晶粒结构的类型。胶结物结构主要是指胶结物的性质和胶结物的结构类型。晶体结构是岩浆岩和变质岩的最大特征，也是很多沉积岩的特征。晶体结构可在岩溶液凝固结晶时形成，也可在固态内结晶或再结晶时形成。 岩石晶体结构分类表结构名称颗粒大小(mm)简单特征粗粒晶体结构中粒晶体结构隐晶晶体结构泥岩状结构>11.0~0.10.1~0.010.01肉眼容易看出其颗粒肉眼可以区别其颗粒，但要了解其形状须用放大镜在显微镜下才能区分其颗粒的大小和形状 晶体结构类型1－等粒结构；2－不等粒结构；3－斑状结构；4－纤维结构 沉积岩层理与各向异性沉积岩的主要构造特征是在沉积形成过程中产生的层理。层理反映岩石成分在垂直方向向上变化的情况。层理的发生主要决定于下列原因：成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化，不同成分颗粒的交替和某些矿物颗粒在一定方向上的定向。层理产生的原因1－成分相同，颗粒大小在垂直方向呈规律性变化；2－不同矿物成分各层相互交替；3－颗粒按一定方向排列；4－一种颗粒呈规律性分布沉积岩在平行于和垂直于层理面方向上的岩石物理力学性质具有明显差异，即各向异性。 变质岩的各向异性变质岩的主要构造特征是片理。人们常常把它和层理相混起来。岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理。片理面常常不与层理面一致。片理面发生在单向压力作用的方向，而这种单向压力可以和层理面成不同的角度。片理会引起岩石的各向异性。最典型的如片麻岩Gneiss。 片麻岩主要由长石、石英组成，中粗粒变晶结构和片麻状或条带状构造的变质岩。关于片麻岩的含义及其与片岩的区分标志，各国岩石学家的看法不尽一致。英国和美国主要根据岩石的构造（片状或片麻状）来区分片岩和片麻岩，北欧一些国家主要根据长石含量来区分，长石含量高的为片麻岩，含量低的为片岩。在中国，片麻岩指矿物组成中长石和石英含量大于50％，其中长石大于25％的变质岩。 岩石的物性特征岩石的物理性质取决于它的物理成分。在形形色色的物理性质中我们研究那些直接或间接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。岩石的力学性质是物理性质的延伸，它在外载作用下才表现出来，通常表现为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。按粘结状态可把岩石分成以下4个基本类别 1.坚固岩石坚固性岩石的特征在于通常具有高硬度，无论在高压力还是在湿润条件下，当岩石破碎后，其矿物质点之间的分子连接力都不会恢复。坚固岩石分成含石英和不含石英两类，其中前者硬度高，难以钻掘。通常在生产中会遇到完整（无裂纹）的和裂隙性的两种坚固岩石。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（粘土、亚粘土、白垩、铝矾土）由粘土矿物或主要由粘土矿物粘结的碎屑岩细粒组成，其特征是：①在湿润条件下，粘结状态被破坏之前可以有大的残余变形；②质点之间的内聚力，随湿润的程度不同可以在很宽的范围内变化；③在粘结状态被破坏之后，可采取高压和增加湿润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）具有膨胀性，即在湿润状态下体积膨胀，易造成孔（井）壁缩径或坍塌。 松散性岩石与流动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。流动性岩石（或流砂层）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。 岩石的孔隙比与孔隙度岩石的孔隙比(1-1)式中：Vp--岩石中的孔隙体积；Vc--岩石中固相骨架的体积。岩石的孔隙度：(1-2)式中：v--岩石的总体积。　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（砂岩55%，灰岩0～45%），随着埋深的增大，岩石的孔隙度降低。 均质物质的密度为质量与体积之比。但岩石的孔隙中可能充有水或气体，所以必须分别考虑岩石的骨架密度和体积密度。体积密度指在自然状态下岩石的质量(m)与带孔隙的岩石体积之比。体积密度：　　　　　　　　　　　（1-3）岩石的骨架密度γc是单位体积岩石固相骨架的质量：（1-4）式中：G--岩石固相骨架的质量。岩石的容重γs是单位体积岩石的质量：(1-5）式中：P--岩石的孔隙度。可用岩石的容重来计算岩体的压力，而确定液柱对孔壁的压力时则须用到钻井液的密度。岩石的密度与容重 岩石的结构与构造岩石的结构反映岩石的微观组织特征，体现了岩石中矿物或碎屑的粒度、形状和表面性质。从岩土钻掘工程的角度看，岩石的结构反映着岩石的非均质性和孔隙性。岩石的构造反映岩石的宏观组织特征，它与岩石中矿物或碎屑彼此之间的组合形式和空间分布情况有关。它决定着岩石的各向异性和裂隙性（有时称作节理）。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密切的联系。 岩石的结构与构造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。例如，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0.1～1mm）和粉砂结构（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。 岩石的结构与构造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⊥（1-6）式中：x‖--平行于岩石层理方向上的力学性质；x⊥--垂直于岩石层理方向上的力学性质。 岩石的结构与构造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。例如，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0.1～1mm）和粉砂结构（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。 岩石的强度强度是固态物质在外载（静或动载）作用下抵抗破坏的性能指标。岩石在给定的变形方式（压、拉、弯、剪）下被破坏时的应力值称为岩石的强度极限σ。影响岩石强度的因素基本上可分为自然因素和工艺因素两大类。（1）一般造岩矿物强度高者其岩石的强度也高。但沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例及其矿物成分。胶结物所占的比例愈大，则胶结物强度对岩石强度的影响愈大，被胶结的造岩矿物的强度对岩石强度的影响愈小。细粒岩石的强度大于同一矿物组成的粗粒岩石。 岩石的强度（2）岩石的孔隙度增加，密度降低，其强度则降低，反之亦然。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。岩石在受压时表现出最大的抵抗破坏能力，而在大多数情况下岩石的抗剪强度极限几乎是抗压强度极限的10%左右。因此，我们希望在岩石钻掘过程中，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）加载速度的影响主要表现在两个方面：①外载作用速度的增加使岩石的应变速率增大，大幅度地提高了岩石的强度；②加载速度对塑性岩石强度的影响大于对脆性岩石强度的影响。应该指出，在当前技术条件下用牙轮钻头破碎岩石时，其牙齿冲击岩石的速度不大于5m/s，这时岩石的力学性质并未呈现出本质性的差异。岩石的强度 岩石的单轴抗压强度在液压试验机上测定。抗压强度极限的值按下式计算：（1－7）式中：P--岩石破坏瞬时的轴向载荷，N；F--岩石试样的截面积，m2。由于岩石为非均质物质，故其抗压强度极限应取多次重复试验的算术平均值（1-8）式中：--岩样各次试验的抗压强度极限；n--岩样试验的次数（对均质岩石，n=3；而非均质岩石，n=6）。岩石的强度 多向应力条件下岩石强度在实际钻进中，深部孔底的岩石在地压和液柱压力的作用下，处于多向应力状态。它的力学性质和地表作单轴试验时是很不相同的。为了合理地设计破碎岩石工具和制定钻进规程，必须研究多向压缩下的岩石性质。三轴应力试验是测定岩石在三向应力状态下的强度和变形的良好手段。 多向应力条件下岩石强度测定 蘑菇头岩心 Corelength:4.25mfrom4638.38-4642.63mdepth 岩石的硬度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。硬度与抗压强度有联系，但又有很大区别。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。因此，硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。因为回转钻进中，岩石破碎工具在岩石表面移动时，是在局部侵入（可能非常微小）的同时使岩石发生剪切破碎。由前面的分析知道，工具压入岩石是很难的，而压入后剪切破岩却较容易。所以我们说，硬度对钻掘工程而言是一个主要力学性能参数。 影响岩石硬度的因素（1）岩石中石英及其他坚硬矿物或碎屑含量愈多，胶结物的硬度越大，岩石的颗粒越细，结构越致密，则岩石的硬度越大。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。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大，两者之间可相差1.05～1.8倍。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯曲的原因和规律，并可利用这一现象来实施定向钻进。 影响岩石硬度的因素（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。 岩石硬度测试方法图1-1测试压入岩石硬度的装置1-液压缸；2-液压柱塞；3-岩样；4-压头；5-压力机上压板；6-千分表；7-柱塞导向杆图1-2摆球硬度计1-底盘；2-岩样；3-刻度盘；4-摆球；5-水平调节螺丝；6-岩样固定器螺杆 研磨法测硬度研磨法是用磨料磨岩石样品，以岩样线性尺寸磨损量的多少来衡量岩石的硬度。如图所示，将岩样（101030mm）夹持在杠杆的一端，使其以24.5N的压力压在转速为23r/min的表面蒙有6＃金刚砂布（刚玉粒度300~400m）的转筒上。经过一定时间以后，测定岩样重量。然后，算出岩样线性尺寸的磨耗量研磨硬度计示意图1－转筒（直径14cm）；2－电动机；3－减速器；4－杠杆；5－岩样；6－重锤 岩石的变形特征及其分类弹脆性岩石弹塑性岩石高塑性和高孔隙性岩石 弹脆性岩石变形特点弹脆性岩石（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Pmax处便突然完成脆性破碎，压头瞬时压入，破碎穴的深度为h［图(a)］。这时破碎穴面积明显大于压头的端面面积，即h/δ＞5。 弹塑性岩石变形特点弹塑性岩石（大理岩、石灰岩、砂岩）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Pmax时才突然发生脆性破碎［图(b)］。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。 高塑性和高孔隙性岩石变形特点高塑性（粘土、盐岩）和高孔隙性岩石（泡沫岩、孔隙石灰岩）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，也不会在压入作用下产生脆性破碎［图(c)］，h/δ=1。 岩石的弹性和塑性物体在外力作用下产生变形，撤消外力后，变形随之消失，物体恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性；而外力撤消后，物体变形不能消失的性质称为塑性。在弹性变形阶段，应力与应变服从虎克定律。虽然岩石（尤其是沉积岩）并非理想的弹性体，但仍可以用压入试验测出的弹性模量E来满足工程施工的需要。 岩石的弹性和塑性弹性模量的表达式为：E=σ/ε用岩石的塑性系数来定量地表征岩石塑性及脆性的大小。塑性系数K为岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前的弹性破碎功AE之比。在图(a)中，对于弹脆性岩石，岩石破碎前耗费的总功AF与弹性破碎功AE相等，K=1；对于高塑性岩石，很明显K→∞。而对于弹－塑性岩石，则有： 岩石按塑性系数的分级岩石类别弹－脆性弹－塑性高塑性低塑性－－－>高塑性级别123456塑性系数1>1～22～33～44～5>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。影响岩石弹性和塑性的主要因素有：（1）对岩浆岩和变质岩而言，造岩矿物的弹性模量越高，岩石的弹性模量也高，但后者不会超过前者。沉积岩的弹性模量取决于岩石的碎屑和胶结物及胶结状况。在碎屑颗粒成分相同的条件下，岩石弹性模量由大到小的次序是：硅质胶结最大，钙质胶结次之，泥质胶结最小。 （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，平行于层理方向的弹性模量大于垂直于层理方向的弹性模量。（3）单向压缩时岩石往往表现为弹脆性体，但在各向压缩时则表现出不同程度的塑性，破坏前都产生一定的塑性变形。这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。 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；（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。 测定岩石研磨性的方法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，以一定时间内刀具的失重；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。 岩石的研磨性3、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 土的物理性质特征通常土被当作三相体系来研究，它由相互作用着的固体、液体、气体三部分组成。固体矿物颗粒（土粒）是土的骨架。在骨架间的孔隙中存在着液体（一般为水）和气体，在低温下还可能有冰。孔隙完全被水充满的土称为饱和土，孔隙完全被气体充满时称为干土，它们均属二相体系。从岩土钻掘工程的角度出发，我们除了注意与岩石类似的物理力学性质指标（密度、孔隙度、弹性等）外，还必须掌握土的以下物理力学特征。土粒的大小、形状、矿物成分是决定土物理力学性质的基础。粗大土粒往往是岩石经风化后形成的碎屑，或是岩石中未产生化学变化的矿物颗粒，如石英、长石等。而细小土粒主要是化学风化作用形成的次生矿物和生成过程中混入的有机物质。 1.土的含水量含水量是表示土的湿度的重要指标。天然土层的含水量变化范围很大，一般干的粗砂土含水量接近于零，而饱和砂土可达40%。同类土，含水量增大，则强度降低。土的天然含水量式中：Ww、WS--土中水的质量、土粒的质量，kg。 2.土的密实度天然状态下的无粘性土呈疏散状态时，其压缩性与透水性较高，强度较低；密实后其压缩性小，强度较高，可作为良好的地基。工程上常用密实度来评定无粘性土的地基承载力。碎石土和砂土的密实度可根据野外鉴定结果分成密实、中密、稍密和松散几个等级。 3.土的塑性指数和液性指数粘性土在一定的含水量范围内，可用外力塑成任何形状，而当外力移去后仍保持原有形状，这种性能称为可塑性。土由可塑状态转为半固态的界限含水量叫做塑限(WP)；土由流动状态转为可塑状态的界限含水量叫做液限(WL)。土处在可塑状态的含水量变化范围用塑性指数(IP)来表示，而判断粘性土的软硬程度则用液性指数（又称稠度）(IL)表示。 4.土的渗透系数水通过土中孔隙的难易程度可用渗透系数来表示，在地基处理和沉降计算过程中常要用到这一指标，土的渗透系数：(cm/s)式中：v--水在土中的渗透速度，cm/s；i--水头梯度。 岩石的可钻性岩石的可钻性是在一定钻进方法下岩石抵抗钻头破碎它的能力。它反映了钻进作业中岩石破碎的难易程度，它不仅取决于岩石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。由于可钻性与许多因素有关，要找出它与诸影响因素之间的定量关系十分困难，目前国内外仍采用试验的方法来确定岩石的可钻性。不同部门使用的钻进方法不同，其测定可钻性的试验手段，甚至可钻性指标的量纲也不尽相同。例如，地勘部门在回转钻进中以单位时间的钻头进尺（机械钻速）作为衡量岩石可钻性的指标，分成12个级别，级别越大的岩石越难钻进；在冲击钻进中常采用单位体积破碎功来进行可钻性分级。而在石油钻井部门则以机械钻速与钻头进尺的乘积或微型钻头的钻时作为衡量指标，分成10个级别。 力学性质指标法采用单一的岩石力学性质来划分岩石的可钻性级别。据压入硬度值把岩石分成6类12级，据摆球的回弹次数把岩石分成12级。如果用上述两种方法确定的可钻性级别不一致，可按包括压入硬度值Hy和摆球硬度值Hn的回归方程式来确定可钻性k值。 按压入硬度值对岩石的可钻性分级表岩石类别软中软中硬硬坚硬极硬岩石级别123456789101012硬度(MPa)≤100100～250250～500500～10001000～15001500～20002000～30003000～40004000～50005000～60006000～7000＞7000岩石级别23456789101112回弹次数≤1415～2930～4445～5455～6465～7475～8485～9495～104105～125≥125按摆球硬度计的回弹次数对岩石的可钻性分级表 实际钻进速度法确定可钻性级别在规定的设备工具和技术规范条件下进行实际钻进，以所得的纯钻进速度作为岩石的可钻性级别。这种方法随着技术的进步，必须实时修正。原地质矿产部曾制定了适合于金刚石钻进的岩石可钻性分级表，如表1-6所列。例如对于粉砂质泥岩，碳质页岩，粉砂岩，中粒砂岩，透闪岩，煌斑岩等，使用标准硬质合金钻进，机械钻速大于3.9m/s，可钻性小于4级。 岩石级别钻进时效(m/h)适合于金刚石钻进的岩石可钻性分级表代表性岩石举例金刚石硬合金1～4＞3.90粉砂质泥岩，碳质页岩，粉砂岩，中粒砂岩，透闪岩，煌斑岩52.90～3.602.50硅化粉砂岩，滑石透闪岩，橄榄大理岩，白色大理岩，石英闪长玢岩，黑色片岩62.30～3.102.00黑色角闪斜长片麻岩，白云斜长片麻岩，黑云母大理岩，白云岩，角闪岩，角岩71.90～2.601.40白云斜长片麻岩，石英白云石大理岩，透辉石化闪长玢岩，混合岩化浅粒岩，黑云角闪斜长岩，透辉石岩，白云母大理岩，蚀变石英闪长玢岩，黑云角石英片岩81.50～2.100.80花岗岩，矽卡岩化闪长玢岩，石榴石矽卡岩，石英闪长玢岩，石英角闪岩，黑云母斜长角闪岩，混合伟晶岩，黑云母花岗岩，斜长闪长岩，混合片麻岩91.10～1.70混合岩化浅粒岩,花岗岩,斜长角闪岩,混合闪长岩,钾长伟晶岩，橄榄岩，斜长混合岩，闪长玢岩，石英闪长玢岩，似斑状花岗岩，斑状花岗闪长岩100.80～1.20硅化大理岩，矽卡岩，钠长斑岩，斜长岩，花岗岩，石英岩，硅质凝灰砂砾岩110.50～0.90凝灰岩，熔凝灰岩，石英角岩，英安岩12＜0.60石英角岩，玉髓，熔凝灰岩，纯石英岩 岩石破碎机理碎岩工具与岩石作用的主要方式外载作用下的岩石应力状态岩石在外载作用下的破碎过程 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，可把碎岩刃具分三类：切削一剪切型冲击型冲击一剪切型 切削－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。 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）：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。 冲击一剪切型最典型的就是牙轮钻进，在牙轮钻进中，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：或式中：A0——冲锤单次冲击功；Q——冲锤重量；r——齿顶到牙轮瞬时旋转中心的距离。 外载作用下的岩石应力状态切削具对岩石的压入破碎在孔底过程中起着重要作用。岩石在切削具切入、破碎之前，先产生弹性应力状态。钻头上的切削具与孔底岩石的作用可以看成是圆柱体、球形体、长方平底形压模与弹性半无限体所限制的平面的相互作用。讨论不同形状切削具在外载作用下的岩石应力状态。平底圆柱形压头压入时应力状态球形压头压入时岩石的应力状态轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态 岩石的破碎机理（一）平底圆柱形压头压入时应力状态刚性平底压头以作用力P沿z轴压入弹性半无限体，其接触面上的压力分布在初期是不均匀的（图1-6），边缘处的应力集中使岩石产生局部破碎或塑性变形，而后，压力便趋于均匀分布。 岩石的破碎机理（一）平底圆柱形压头压入时应力状态在压力均匀分布的前提下，根据弹性力学布希涅司克问题和应力叠加原理，求出岩体内沿对称轴上各应力分量为： 岩石的破碎机理（一）平底圆柱形压头压入时应力状态各应力分量随z轴的变化情况（如图）。随z的增加，σz减小得慢，σr=σy减小得快；剪应力τ随z的变化开始由小到大，到一个临界深度z0处τ达最大值。在载荷中心z=0处： 岩石的破碎机理（一）平底圆柱形压头压入时应力状态各若将τ对z求导，并使其等于零，则：设μ=0.25，则z0=0.62a，τmax=0.345p。这表明在z轴上，最大剪应力所在的深度约等于压头半径的2／3。而最大剪应力约为均匀压强的l／3。由于最大剪应力点是压碎岩石的发源处，且平底圆柱形压头压入时应力存在两个极值点，应引起重视。 岩石的破碎机理（二）球形压头压入时岩石的应力状态球体压人时，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：在压力中心处：在压力边缘处： 岩石的破碎机理（二）球形压头压入时岩石的应力状态同样根据弹性力学布希涅司克问题集中应力作用原理，岩体内沿对称轴上的各应力分量为： 岩石的破碎机理（二）球形压头压入时岩石的应力状态各应力分量随z轴的变化：剪应力τ随z的变化开始由小到大，一个临界深度z0处τ达最大值。在压力面中心处（z=0）有：；如果设μ=0.25，根据计算，z0=0.5a，τmax=0.40p，同样存在两个极值点，但都在z轴上。 岩石的破碎机理（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。 岩石的破碎机理（三）轴向力和切向力共同作用时岩石的应力状态在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切向力作用的后方则产生拉应力；在半无限体内形成正应力区（Ⅰ）、拉应力区（Ⅱ）和过渡区（Ⅲ）。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。 岩石在外载作用下的破碎过程岩石的变形破碎形式表面破碎疲劳破碎体积破碎平底压模压入时的岩石变形破碎过程球状切削具压入时的岩石变形破碎过程 岩石的破碎机理三、岩石在外载作用下的破碎过程（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，钻进速度低。这种变形破碎方式称为岩石的表面研磨，这个区称为表面破碎区。 岩石的破碎机理第三节岩石在外载作用下的破碎过程（一）岩石的变形破碎形式2、疲劳破碎切削具上的轴向载荷增加，但接触压力仍小于岩石硬度，可使岩石晶间联系破坏，岩石结构间缺陷发展，特别是孔底受多次加载产生的疲劳裂隙更加发展，于是众多裂隙交错，仍可产生较粗岩粒的分离，这种变形破碎方式称为疲劳破碎，这个区称为疲劳破碎区。 岩石的破碎机理第三节岩石在外载作用下的破碎过程（一）岩石的变形破碎形式3、体积破碎切削具上的载荷继续增加，接触压力大于或等于岩石硬度，切削具可有效地切入岩石，结果是：切削具在孔底移动时不断克服岩石的结构强度，切下岩屑，这种变形破坏方式称为体积破碎，这个区称为体积破碎区。体积破碎时，会分离出大块岩石，破碎效果好。 岩石的破碎机理（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程1、加载时，第一极值带产生环形裂纹；2、开始时，ac方向裂隙的伸展比ao快；3、远离自由面，ac方向的伸展速度迅速减慢；4、多数情况下，裂隙在o点相交比到达c点晚；5、在c点产生指向自由面、o点的裂隙；6、c点迅速到达自由面并与从o点来的裂隙相遇；7、产生aob主压力体和mon剪切体体；8、压模阻力急剧降低，压模下落；9、aob体破碎，部分碎岩压出，部分压在压头下面。 岩石的破碎机理（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程10、继续施载，碎岩石在压模下面被压实，并在剪切体内产生弹性变形；11、裂隙沿a′c′和a′o′方向向深部伸展；12、在比第一种情况下大得多的外载作用下，裂隙把a′o′b′体和m′c′o′c′n′体分离开来；13、a′o′b′体和m′c′o′c′n′体中的岩石将被压碎，部分碎岩压出，部分被压在压模的下面；14、继续施加外载，上述现象将重复进行。 岩石的破碎机理（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程图示是平底压模压入阻力变化曲线和碎岩体积变化曲线。 岩石的破碎机理（三）球状切削具压入时的岩石变形破碎过程1、开始时，切削具与岩石接触的是一个点；2、外载增加，切削具和岩石产生弹性变形，接触面开始增大；3、接触面中心的正应力最大，首先出现裂隙；4、随外载增加，接触面增大，产生与原有裂隙平行的新裂隙系；5、外载再增加，触面增大，新裂隙向深处伸展；6、球状切削具总的弹性变形不与外载成正比例。外载继续增加时，弹变总值减小，应力增大，裂隙伸展的深度增大；7、以后的破碎过程与平底压模时类似。 岩石的破碎机理三、岩石在外载作用下的破碎过程（三）球状切削具压入时的岩石变形破碎过程球状切削具与平底压模压人岩石时的区别在于：1、裂隙对主压力体aob内的岩石进行了初步破坏；2、破碎的岩石再次压在切削具下面的较少；3、球状切削具压入岩石时，可以分为2种破碎形式；4、第一种形式是形成相交的裂隙系对岩石进行破碎；5、第二种形式是剪切体的分离。