石油鉆井設(shè)備與工具-王鎮(zhèn)全第一節(jié)巖石基本知識(shí)

1、第一節(jié)第一節(jié) 巖石及其力學(xué)性質(zhì)巖石及其力學(xué)性質(zhì) 鉆頭是破巖的工具，因此必須了解鉆頭是破巖的工具，因此必須了解破巖的工作對(duì)象破巖的工作對(duì)象巖石及其機(jī)械、力學(xué)巖石及其機(jī)械、力學(xué)性質(zhì)。性質(zhì)。一、巖石的基本知識(shí)一、巖石的基本知識(shí) 巖石破碎的難易程度與巖石的物理巖石破碎的難易程度與巖石的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，而不同類型的巖石力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，而不同類型的巖石的性質(zhì)差別較大，因此必須了解巖石的的性質(zhì)差別較大，因此必須了解巖石的類型、成分、組織結(jié)構(gòu)。類型、成分、組織結(jié)構(gòu)。表表 依南依南5井地層分層及主要巖性描述井地層分層及主要巖性描述新生界上第三系N康村組N1-2k976965.32上部為黃色泥巖，中部為灰

2、色砂泥巖，下部為褐色泥巖吉迪克組N1j25411565上部為灰泥巖，含鹽膏鹽巖，中部為砂泥巖，下部為砂礫巖下第三系E蘇維依組E2-3s2831290層狀砂巖、粉砂巖與泥巖，粉砂質(zhì)泥巖，砂礫巖，泥質(zhì)粉砂巖與泥巖。庫姆格列木組E1k2975.5144.5上部為泥巖段，中部為砂巖，底為灰?guī)r中生界 白堊系K舒善河組K1s3194218.5層狀泥巖，粉砂質(zhì)泥巖為主，細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖亞格列木組K1y3207.513.5層狀砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖侏羅系J齊古組J3q3444236.5上部為泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、礫巖，中部為泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖夾層狀泥巖，下部為泥巖夾細(xì)砂巖，底為細(xì)砂巖恰克馬克組

3、J2qk3640196上部為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖、泥灰?guī)r，中部為泥巖夾粉砂巖、中砂巖、含礫砂巖?？俗卫张瑺柦MJ2kz4377737上部為泥巖，中部為泥巖、砂巖互層，下部為泥巖、煤互層。陽霞組J1y4758381泥巖、砂巖、含少量煤層阿合組J1a砂巖、含礫砂巖一）巖石的組成一）巖石的組成 1、巖石是一種或多種礦物的集合體。 2、礦物、礦物 定義：地殼中的化學(xué)元素，在一定的定義：地殼中的化學(xué)元素，在一定的自然條件下結(jié)合而成的天然化合物或單自然條件下結(jié)合而成的天然化合物或單質(zhì)，是地殼物質(zhì)最基本的組成單元。質(zhì)，是地殼物質(zhì)最基本的組成單元。 種類：種類： 除了一些碳、硫除了一些碳、硫和少數(shù)金屬外，幾

4、乎和少數(shù)金屬外，幾乎所有的礦物都是含有所有的礦物都是含有兩種以上元素的化合兩種以上元素的化合物。有些元素出現(xiàn)在物。有些元素出現(xiàn)在許多礦物中，最常見許多礦物中，最常見的是氧和硅。常見的的是氧和硅。常見的造巖礦物有造巖礦物有1212種，它種，它們構(gòu)成地殼巖石的們構(gòu)成地殼巖石的99%99%，其余造巖礦物，其余造巖礦物雖有千種以上，但是雖有千種以上，但是只占地殼總數(shù)的只占地殼總數(shù)的1%1%。序號(hào)名稱化學(xué)成分1正長石 kAISI3O82斜長石 NaAISI3O8或CaAI2SI2O83石英SIO24白云母 KAI2(SI3AI)O10(OH)25黑云母 K2(MgFe)6(SIAI)8O20(OH)46

5、角閃石Na、Ca、Mg、Fe、AI的硅酸鹽7輝石Ca、Mg、Fe、AI的硅酸鹽8橄欖石 (MgFe)2SIO49方解石 CaCO310白云巖 CaMg(CO3)211高嶺土 AI2SI2O5(OH)412氧化鐵 2FeO33H2O或Fe2O33、元素元素 構(gòu)成礦物的基構(gòu)成礦物的基本組分。本組分。 現(xiàn)在已知的元現(xiàn)在已知的元素有素有109109種，地殼種，地殼中主要含有中主要含有8 8種元種元素，這素，這8 8種元素占種元素占地殼成分的地殼成分的98.6%,98.6%,地殼中的元素含量%氧(O)46.7硅(SI)27.7鋁(AI)8.1鐵(Fe)5.0鈣(Ca)3.6鈉(Na)2.8鉀(Kg)2.

6、6鎂(Mg)2.1合計(jì)98.6組成地殼的八種主要元素組成地殼的八種主要元素二）巖石的類型二）巖石的類型 巖石從成因上來劃分，分為三大類：巖石從成因上來劃分，分為三大類：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。 巖漿巖：地質(zhì)作用的產(chǎn)物，系地殼深處的巖漿沿巖漿巖：地質(zhì)作用的產(chǎn)物，系地殼深處的巖漿沿地殼裂隙上升冷凝而成。地殼裂隙上升冷凝而成。 沉積巖：在地表?xiàng)l件下母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)沉積巖：在地表?xiàng)l件下母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)搬遷、沉積和硬結(jié)等成巖作用而形成的巖石。組成沉搬遷、沉積和硬結(jié)等成巖作用而形成的巖石。組成沉積巖的物質(zhì)成分有顆粒和膠結(jié)物兩大類。積巖的物質(zhì)成分有顆粒和膠結(jié)物兩大類。 變質(zhì)

7、巖：沉積巖或變質(zhì)巖本身在地殼中受到高溫變質(zhì)巖：沉積巖或變質(zhì)巖本身在地殼中受到高溫高壓及化學(xué)活動(dòng)性流體的影響而變質(zhì)形成的巖石（原高壓及化學(xué)活動(dòng)性流體的影響而變質(zhì)形成的巖石（原巖成分和變質(zhì)巖特有的，如石墨、滑石，蛇紋石，硅巖成分和變質(zhì)巖特有的，如石墨、滑石，蛇紋石，硅灰?guī)r等）。灰?guī)r等）。巖漿巖沉積巖巖漿變質(zhì)巖 成因舉例特點(diǎn)巖漿巖巖漿在地下巨大的壓力的作用下沿地殼薄弱地帶侵入地殼上部或噴出地表（火山活動(dòng)），隨著溫度、壓力的變化，冷卻凝固而形成。玄武巖礦物結(jié)晶顆粒細(xì)小，有的有流紋或氣孔花崗巖礦物結(jié)晶顆粒較大沉積巖出露地表的巖石，在各種外力作用下，經(jīng)過風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)、沉積、固結(jié)而形成的巖石礫巖砂巖頁巖

8、等具有層理構(gòu)造和含有化石變質(zhì)巖已形成巖石，在巖漿活動(dòng)、地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高溫、高壓條件下，使原巖石成分、性質(zhì)發(fā)生改變而形成的新巖石大理巖板巖具有片理構(gòu)造三）沉積巖三）沉積巖 石油鉆井遇到的巖石主要是沉積巖，因此需要石油鉆井遇到的巖石主要是沉積巖，因此需要詳細(xì)了解沉積巖的特點(diǎn)。詳細(xì)了解沉積巖的特點(diǎn)。 分析巖石的組織時(shí)，我們必須要注意巖石的兩分析巖石的組織時(shí)，我們必須要注意巖石的兩個(gè)主要特征：個(gè)主要特征：結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和和構(gòu)造構(gòu)造。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)是表明巖石的微觀組織特性，即指礦物是表明巖石的微觀組織特性，即指礦物顆粒的大小、形狀和表面特性等，它決定著巖石顆粒的大小、形狀和表面特性等，它決定著巖石的強(qiáng)度和硬度等；

9、的強(qiáng)度和硬度等； 構(gòu)造構(gòu)造是表征巖石的宏觀組織特征，即指巖石中是表征巖石的宏觀組織特征，即指巖石中礦物或碎屑彼此之間的組合形式和空間分布情況礦物或碎屑彼此之間的組合形式和空間分布情況等，它決定著巖石的各向異性和裂隙性。等，它決定著巖石的各向異性和裂隙性。 1 1、沉積巖的結(jié)構(gòu)、沉積巖的結(jié)構(gòu) 礦物顆粒之間有孔隙，這些孔隙被膠結(jié)物或者細(xì)粒填隙物質(zhì)礦物顆粒之間有孔隙，這些孔隙被膠結(jié)物或者細(xì)粒填隙物質(zhì)充填。這些填隙物質(zhì)稱為膠結(jié)物。膠結(jié)物的性質(zhì)對(duì)巖石的性質(zhì)有充填。這些填隙物質(zhì)稱為膠結(jié)物。膠結(jié)物的性質(zhì)對(duì)巖石的性質(zhì)有很大影響。很大影響。 沉積巖膠結(jié)類型主要有以下四種：沉積巖膠結(jié)類型主要有以下四種： 基底膠結(jié)

10、：填隙物為雜基且含量多，碎屑顆粒呈星點(diǎn)狀分布；基底膠結(jié)：填隙物為雜基且含量多，碎屑顆粒呈星點(diǎn)狀分布； 孔隙膠結(jié)：膠結(jié)物含量少，只充填在碎屑之間的孔隙中；孔隙膠結(jié)：膠結(jié)物含量少，只充填在碎屑之間的孔隙中； 接觸膠結(jié)：和孔隙膠結(jié)類似，但膠結(jié)物含量更少，只分布在接觸膠結(jié)：和孔隙膠結(jié)類似，但膠結(jié)物含量更少，只分布在顆粒之間的孔隙內(nèi)；顆粒之間的孔隙內(nèi)； 鑲嵌結(jié)構(gòu)：顆粒之間呈凹凸線狀接觸，似乎沒有膠結(jié)物。鑲嵌結(jié)構(gòu)：顆粒之間呈凹凸線狀接觸，似乎沒有膠結(jié)物。 礦物礦物膠結(jié)物膠結(jié)物 普賴斯普賴斯(price)(price)建立了某建立了某些砂巖的強(qiáng)度些砂巖的強(qiáng)度( (單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度) )與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

11、與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 在相同膠結(jié)物的條件下，在相同膠結(jié)物的條件下，礦物強(qiáng)度越高或含量越高所礦物強(qiáng)度越高或含量越高所組成的巖石其強(qiáng)度也高；組成的巖石其強(qiáng)度也高； 在礦物相同的情況下，在礦物相同的情況下，膠結(jié)物的強(qiáng)度越高巖石強(qiáng)度膠結(jié)物的強(qiáng)度越高巖石強(qiáng)度則越高。通常，硅質(zhì)膠結(jié)則越高。通常，硅質(zhì)膠結(jié) 鐵鐵質(zhì)膠結(jié)質(zhì)膠結(jié)鈣質(zhì)膠結(jié)鈣質(zhì)膠結(jié) 泥質(zhì)膠泥質(zhì)膠結(jié)。結(jié)。 2 2、沉積巖的構(gòu)造、沉積巖的構(gòu)造層理層理 層理形成的原因：層理形成的原因： 沉積巖常具有一層一層近似平行的層理，為不同時(shí)期沉積環(huán)沉積巖常具有一層一層近似平行的層理，為不同時(shí)期沉積環(huán)境變化所制。最初的層理近似水平，其后受到地殼變動(dòng)影響可能境變化所制。最初的

12、層理近似水平，其后受到地殼變動(dòng)影響可能傾斜、彎曲或斷裂。傾斜、彎曲或斷裂。 層理的分類：層理的分類： 層理大致可分為四類：層理大致可分為四類： A A、成分相同顆粒大小在垂直方向上的變化、成分相同顆粒大小在垂直方向上的變化 B B、不同成分顆粒的交替沉積、不同成分顆粒的交替沉積 C C、某些礦物顆粒指向相同、某些礦物顆粒指向相同 D D、某種礦物顆粒呈規(guī)律性的分布、某種礦物顆粒呈規(guī)律性的分布 在某些巖石中的化學(xué)沉積物，層理表現(xiàn)的很不明顯。有時(shí)在某些巖石中的化學(xué)沉積物，層理表現(xiàn)的很不明顯。有時(shí)在砂巖和層狀巖石中，只有在很大塊巖石中才可以區(qū)別出層理來。在砂巖和層狀巖石中，只有在很大塊巖石中才可以區(qū)

13、別出層理來。 在鉆井地質(zhì)剖面上所表現(xiàn)的巖性變化、軟硬夾層等就是層在鉆井地質(zhì)剖面上所表現(xiàn)的巖性變化、軟硬夾層等就是層理變化的反映。理變化的反映。3、沉積巖的主要種類沉積巖的主要種類 常見的沉積巖主要有：常見的沉積巖主要有：石灰?guī)r、石灰?guī)r、白云巖白云巖、蒸、蒸發(fā)發(fā)巖、巖、礫礫巖、砂巖及巖、砂巖及頁頁巖等巖等。 其其特點(diǎn)特點(diǎn)如下：如下： 1 1、石灰?guī)r：主要石灰?guī)r：主要礦礦物成份物成份為為方解石。方解石。質(zhì)質(zhì)地細(xì)密地細(xì)密。 2 2、白云巖、白云巖：主要：主要礦礦物物為為白白云云石，石，與與石灰?guī)r石灰?guī)r類類似，似，質(zhì)質(zhì)地比石灰?guī)r硬。地比石灰?guī)r硬。 3 3、蒸蒸發(fā)發(fā)巖：巖：為為海水或湖水蒸海水或湖水蒸發(fā)

14、發(fā)而成的巖石，如石膏等。而成的巖石，如石膏等。 4 4、礫、礫巖：由巖：由圓圓形或似形或似圓圓形的形的礫石與礫石與砂及黏土砂及黏土膠膠結(jié)而成的巖石。結(jié)而成的巖石。 5 5、砂巖：砂巖：礦礦物成份以石英、物成份以石英、長長石石為為主，含有各主，含有各類膠結(jié)物類膠結(jié)物。 6 6、頁、頁巖：巖：頁巖是壓實(shí)了的粘土，頁巖是壓實(shí)了的粘土，為粘為粘土或土或與與泥土泥土組組合成的巖石合成的巖石。 巖石力學(xué)性質(zhì)是巖石在受外力作用后所表現(xiàn)巖石力學(xué)性質(zhì)是巖石在受外力作用后所表現(xiàn)的性質(zhì)。包括巖石的變形特性、強(qiáng)度特性、表面的性質(zhì)。包括巖石的變形特性、強(qiáng)度特性、表面特性等。特性等。 變形特性變形特性包括彈性、塑性和脆性

15、；包括彈性、塑性和脆性； 強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性包括抗壓、抗剪、抗拉和抗彎強(qiáng)包括抗壓、抗剪、抗拉和抗彎強(qiáng)度；度； 表面特性表面特性包括硬度和研磨性包括硬度和研磨性 這些力學(xué)性質(zhì)對(duì)鉆進(jìn)速度、碎巖功耗和鉆頭這些力學(xué)性質(zhì)對(duì)鉆進(jìn)速度、碎巖功耗和鉆頭壽命等有直接的影響。壽命等有直接的影響。二、二、 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)一）巖石的變形特性一）巖石的變形特性 (一一)巖石彈性、塑性概念巖石彈性、塑性概念 巖石的變形可能有兩種情況：一種是外力撤除后巖石的外形和尺寸完全巖石的變形可能有兩種情況：一種是外力撤除后巖石的外形和尺寸完全恢復(fù)原狀，這種變形稱為彈性變形或可逆變形；另一種是外力撤除后巖石的恢復(fù)原狀，這種

16、變形稱為彈性變形或可逆變形；另一種是外力撤除后巖石的外形和尺寸不能完全恢復(fù)而產(chǎn)生殘留變形，這種情況稱為塑性變形或不可逆外形和尺寸不能完全恢復(fù)而產(chǎn)生殘留變形，這種情況稱為塑性變形或不可逆變形。變形。 衡量巖石彈性的指標(biāo)：衡量巖石彈性的指標(biāo)： 彈性模量彈性模量 ： 波松比：波松比： 為橫向應(yīng)變，為橫向應(yīng)變，為縱向應(yīng)變。為縱向應(yīng)變。 E衡量巖石塑、脆性的指標(biāo)：衡量巖石塑、脆性的指標(biāo)： 巖石的塑性系數(shù)巖石的塑性系數(shù)KnKn：破碎前所消耗的總能量與彈性變形所：破碎前所消耗的總能量與彈性變形所消耗能量之比。消耗能量之比。面積面積OABCOBDEAAken（二）巖石的三種破壞形式（二）巖石的三種破壞形式 外

17、力作用于巖石時(shí)，巖石發(fā)生變形。隨后，載荷外力作用于巖石時(shí)，巖石發(fā)生變形。隨后，載荷不斷增加，變形也不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致巖石破壞。巖不斷增加，變形也不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致巖石破壞。巖石從變形到破壞又可能有三種形式。如果破壞前實(shí)際石從變形到破壞又可能有三種形式。如果破壞前實(shí)際上不存在任何不可逆的變形，則這種破壞稱為上不存在任何不可逆的變形，則這種破壞稱為脆性破脆性破壞壞，如果破壞前發(fā)生大量的不可逆變形，則這種破壞，如果破壞前發(fā)生大量的不可逆變形，則這種破壞形式稱為形式稱為塑性破壞塑性破壞，如果先經(jīng)歷彈性變形，然后塑性，如果先經(jīng)歷彈性變形，然后塑性變形，最終導(dǎo)致破壞，則巖石的這種破壞形式稱為變形，最終導(dǎo)致

18、破壞，則巖石的這種破壞形式稱為塑塑脆性破壞。脆性破壞。三種破壞形式的巖石分別稱為脆性巖石，三種破壞形式的巖石分別稱為脆性巖石，塑性巖石，塑脆性巖石。塑性巖石，塑脆性巖石。 圖圖(a)(a)是脆性巖石的變形曲線其特征是破壞前沒有明顯是脆性巖石的變形曲線其特征是破壞前沒有明顯的不可逆變形，當(dāng)外載一旦達(dá)到彈性極限，巖石立即破壞。的不可逆變形，當(dāng)外載一旦達(dá)到彈性極限，巖石立即破壞。這種破壞形式消耗能量最少，破壞傳播速度近于聲速。這種破壞形式消耗能量最少，破壞傳播速度近于聲速。 圖中圖中(b)(b)是塑脆性巖石的變形曲線，是塑脆性巖石的變形曲線，OAOA是彈性變形段，是彈性變形段， A A點(diǎn)之后即轉(zhuǎn)入塑

19、性變形區(qū)。形變由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形點(diǎn)之后即轉(zhuǎn)入塑性變形區(qū)。形變由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形時(shí)的載荷稱為屈服極限或流變極限。到達(dá)時(shí)的載荷稱為屈服極限或流變極限。到達(dá)D D點(diǎn)后，巖石即發(fā)點(diǎn)后，巖石即發(fā)生破碎。生破碎。 圖中圖中(c)(c)是施加不大的載荷情況下就開始塑性變形，其是施加不大的載荷情況下就開始塑性變形，其后形變隨變形時(shí)間的延長而增長，曲線傾角趨近于零。這后形變隨變形時(shí)間的延長而增長，曲線傾角趨近于零。這種變形曲線對(duì)于塑性巖石是有代表性的。種變形曲線對(duì)于塑性巖石是有代表性的。( (三三) )巖石的變形特性巖石的變形特性 彈性理論認(rèn)為理想材料的彈性應(yīng)變都是暫時(shí)彈性理論認(rèn)為理想材料的彈性應(yīng)變都是

20、暫時(shí)的的, ,并隨著應(yīng)力的解除而完全可以恢復(fù)。在彈性并隨著應(yīng)力的解除而完全可以恢復(fù)。在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系服從范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系服從虎克定律。虎克定律。 實(shí)驗(yàn)得知，在任何應(yīng)力狀態(tài)下，礦物都服實(shí)驗(yàn)得知，在任何應(yīng)力狀態(tài)下，礦物都服從虎克定律，而巖石大都不遵守虎克定律。這從虎克定律，而巖石大都不遵守虎克定律。這是因?yàn)榈V物可以認(rèn)為是均質(zhì)連續(xù)的，而巖石受是因?yàn)榈V物可以認(rèn)為是均質(zhì)連續(xù)的，而巖石受力后常伴空隙的壓實(shí)過程。力后常伴空隙的壓實(shí)過程。 由表可以看出巖石的彈性模量是變化的。實(shí)驗(yàn)證明它與由表可以看出巖石的彈性模量是變化的。實(shí)驗(yàn)證明它與應(yīng)變種類和所加載荷的大小都有很大關(guān)系。應(yīng)變種類和所加載荷的

21、大小都有很大關(guān)系。巖巖 石石E 105公斤公斤/厘米厘米2巖巖 石石E 105公斤公斤/厘米厘米2粘 土0.030.380.45花崗巖2.66.00.260.29致密泥巖-0.250.35玄武巖6100.25頁 巖1.22.50.100.20石英巖7.510-砂 巖3.37.80.300.35正長石6.80.25石英巖1.38.50.280.33閃綠巖7100.25大理巖3.99.2-輝綠石7110.25白云巖2.116.5-巖 鹽-0.44 巖石的彈性模量和波桑比巖石的彈性模量和波桑比( (四四) )影響巖石彈性、塑性和脆性的因素影響巖石彈性、塑性和脆性的因素 影響巖石變形特性的因素主要有巖

22、石的物質(zhì)成分、受力條件、影響巖石變形特性的因素主要有巖石的物質(zhì)成分、受力條件、溫度和濕度等。溫度和濕度等。 1 1巖石類型及其物質(zhì)成分巖石類型及其物質(zhì)成分 一般巖漿巖和變質(zhì)巖的彈性模數(shù)大于沉積巖，而塑性系數(shù)則相一般巖漿巖和變質(zhì)巖的彈性模數(shù)大于沉積巖，而塑性系數(shù)則相反。反。 對(duì)于沉積巖來說，彈性模數(shù)決定于巖石的碎屑和膠結(jié)物以及膠對(duì)于沉積巖來說，彈性模數(shù)決定于巖石的碎屑和膠結(jié)物以及膠結(jié)狀況。在膠結(jié)物和膠結(jié)狀況相同的情況下，碎屑顆粒的彈性模數(shù)大，結(jié)狀況。在膠結(jié)物和膠結(jié)狀況相同的情況下，碎屑顆粒的彈性模數(shù)大，則巖石的彈性模數(shù)也大；在碎屑顆粒成分相同的情況下，膠結(jié)物為硅則巖石的彈性模數(shù)也大；在碎屑顆粒成

23、分相同的情況下，膠結(jié)物為硅質(zhì)者，巖石的彈性模數(shù)最大，膠結(jié)物為鈣質(zhì)者次之，膠結(jié)物為泥質(zhì)者質(zhì)者，巖石的彈性模數(shù)最大，膠結(jié)物為鈣質(zhì)者次之，膠結(jié)物為泥質(zhì)者最小。最小。2 2巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的影響巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的影響 造巖礦物顆粒的大小對(duì)彈性模數(shù)有較大的影響。細(xì)粒巖石的造巖礦物顆粒的大小對(duì)彈性模數(shù)有較大的影響。細(xì)粒巖石的彈性模數(shù)大于粗粒巖石，如細(xì)砂巖的彈性模數(shù)大于粗粒巖石，如細(xì)砂巖的E=3.0 x10E=3.0 x104 4MPaMPa，而粗砂巖的而粗砂巖的E=2.77x10E=2.77x104 4MPaMPa。 層理對(duì)巖石的彈性模數(shù)也有明顯影響。平行于層理方向的彈層理對(duì)巖石的彈性模數(shù)也有明顯影響。平行于

24、層理方向的彈性模數(shù)性模數(shù)E E大于垂直于層理方向的彈性模數(shù)大于垂直于層理方向的彈性模數(shù)E E ，如泥質(zhì)頁巖如泥質(zhì)頁巖E E E E22，這是因?yàn)閹r石顆粒定向排列，在垂直于層面方向加載時(shí)，這是因?yàn)閹r石顆粒定向排列，在垂直于層面方向加載時(shí)，在巖石的彈性限度內(nèi)形變較大，而沿平行于層理方向加載，形變較在巖石的彈性限度內(nèi)形變較大，而沿平行于層理方向加載，形變較小的緣故。小的緣故。 巖石孔隙度增加，其彈性模數(shù)降低，塑性系數(shù)增加。例如沉巖石孔隙度增加，其彈性模數(shù)降低，塑性系數(shù)增加。例如沉積巖，其膠結(jié)形式為基底膠結(jié)者，孔隙度較小，彈性模數(shù)大，而膠積巖，其膠結(jié)形式為基底膠結(jié)者，孔隙度較小，彈性模數(shù)大，而膠結(jié)形式

25、為充填膠結(jié)或接觸膠結(jié)者，孔隙度較大，彈性模數(shù)小。結(jié)形式為充填膠結(jié)或接觸膠結(jié)者，孔隙度較大，彈性模數(shù)小。 巖石越均質(zhì)致密，彈性模數(shù)越大，塑性系數(shù)越小巖石越均質(zhì)致密，彈性模數(shù)越大，塑性系數(shù)越小; ;巖石結(jié)構(gòu)缺巖石結(jié)構(gòu)缺陷越多陷越多, ,裂隙越發(fā)育，彈性模數(shù)越小，塑性系數(shù)越大。裂隙越發(fā)育，彈性模數(shù)越小，塑性系數(shù)越大。3 3應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) 在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的變形性質(zhì)存在著很大的差別。在單向在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的變形性質(zhì)存在著很大的差別。在單向壓縮下巖石往往表現(xiàn)為彈性脆性體，破壞前無顯著的塑性變形。但是在壓縮下巖石往往表現(xiàn)為彈性脆性體，破壞前無顯著的塑性變形。但是在各向壓縮下巖石則表觀出不

26、同程度的塑性，破壞前都要產(chǎn)生一定的塑性各向壓縮下巖石則表觀出不同程度的塑性，破壞前都要產(chǎn)生一定的塑性變形。變形。 深部孔底的巖石受上覆巖層壓力、孔內(nèi)液柱壓力和地層孔隙壓力的深部孔底的巖石受上覆巖層壓力、孔內(nèi)液柱壓力和地層孔隙壓力的綜合作用，處于三向應(yīng)力狀態(tài)。為了了解巖石在各向壓縮下的力學(xué)性質(zhì)，綜合作用，處于三向應(yīng)力狀態(tài)。為了了解巖石在各向壓縮下的力學(xué)性質(zhì)，通常進(jìn)行模擬孔底狀態(tài)的三軸試驗(yàn)。通常進(jìn)行模擬孔底狀態(tài)的三軸試驗(yàn)。 試驗(yàn)表明，隨著圍巖壓力增大，巖石表現(xiàn)出從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，試驗(yàn)表明，隨著圍巖壓力增大，巖石表現(xiàn)出從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍巖壓力越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性也越大。對(duì)于深孔鉆進(jìn)來

27、說，并且圍巖壓力越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性也越大。對(duì)于深孔鉆進(jìn)來說，研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)( (即從脆性變?yōu)樗苄缘膰鷰r壓力，又稱臨即從脆性變?yōu)樗苄缘膰鷰r壓力，又稱臨界圍壓界圍壓) )有很大實(shí)際意義。因?yàn)榇嘈云茐暮退苄云茐氖莾煞N本質(zhì)不同的破有很大實(shí)際意義。因?yàn)榇嘈云茐暮退苄云茐氖莾煞N本質(zhì)不同的破壞，破碎這兩種狀態(tài)的巖石應(yīng)采用不同的破碎方式、破碎工具和破碎參壞，破碎這兩種狀態(tài)的巖石應(yīng)采用不同的破碎方式、破碎工具和破碎參數(shù)。數(shù)。4.4.加載方式加載方式 同一種巖石受壓縮時(shí)，顆粒之間距離同一種巖石受壓縮時(shí)，顆粒之間距離縮小，顆粒間相互作用力有所增大，故彈性縮小，顆粒間

28、相互作用力有所增大，故彈性模數(shù)表現(xiàn)提高，而受拉伸時(shí)，顆粒之間距離模數(shù)表現(xiàn)提高，而受拉伸時(shí)，顆粒之間距離增大，顆粒間相互作用力減小，故彈性模數(shù)增大，顆粒間相互作用力減小，故彈性模數(shù)降低。壓縮時(shí)的彈性模數(shù)是拉伸時(shí)彈性模數(shù)降低。壓縮時(shí)的彈性模數(shù)是拉伸時(shí)彈性模數(shù)的的1.51.54 4倍。彎曲時(shí)的彈性模數(shù)是拉伸時(shí)彈倍。彎曲時(shí)的彈性模數(shù)是拉伸時(shí)彈性模數(shù)的性模數(shù)的1.11.11.31.3倍。倍。 二）巖石的強(qiáng)度特性二）巖石的強(qiáng)度特性（一）巖石強(qiáng)度的概念（一）巖石強(qiáng)度的概念 巖石在載荷不斷作用下變形到一定程度就發(fā)生破壞。巖石在載荷不斷作用下變形到一定程度就發(fā)生破壞。破壞前巖石所能承受的最大載荷稱為極限載荷，單

29、位面積上破壞前巖石所能承受的最大載荷稱為極限載荷，單位面積上的極限載荷稱為極限強(qiáng)度。的極限載荷稱為極限強(qiáng)度。 研究巖石的強(qiáng)度特性就是研究極限強(qiáng)度特性。巖石強(qiáng)度研究巖石的強(qiáng)度特性就是研究極限強(qiáng)度特性。巖石強(qiáng)度的單位是的單位是Pa(Pa(帕帕) )或或MPaMPa( (兆帕兆帕) )。 根據(jù)受力條件不同，巖石的極限強(qiáng)度可分為抗壓強(qiáng)度、根據(jù)受力條件不同，巖石的極限強(qiáng)度可分為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等，抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等， 根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)，巖石強(qiáng)度又可分為單向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)，巖石強(qiáng)度又可分為單向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度、兩向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度和三向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度。度、兩向應(yīng)

30、力狀態(tài)下的強(qiáng)度和三向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度。( (二二) )影響巖石強(qiáng)度的因素影響巖石強(qiáng)度的因素 1 1巖石的物質(zhì)成分巖石的物質(zhì)成分 不同礦物組成的巖石具有不同的強(qiáng)度。例如，石英是強(qiáng)度較大的不同礦物組成的巖石具有不同的強(qiáng)度。例如，石英是強(qiáng)度較大的造巖礦物，巖石中石英含量高，并且石英顆粒在巖石中連結(jié)成骨架時(shí)，造巖礦物，巖石中石英含量高，并且石英顆粒在巖石中連結(jié)成骨架時(shí)，則巖石的強(qiáng)度也高，而方解石和白云石等強(qiáng)度較小，因此在碳酸鹽類則巖石的強(qiáng)度也高，而方解石和白云石等強(qiáng)度較小，因此在碳酸鹽類巖石中方解石含量增加，則巖石強(qiáng)度降低。巖石中方解石含量增加，則巖石強(qiáng)度降低。 對(duì)于沉積碎屑巖來說，膠結(jié)物的成分對(duì)巖石

31、強(qiáng)度有較大的影響。對(duì)于沉積碎屑巖來說，膠結(jié)物的成分對(duì)巖石強(qiáng)度有較大的影響。例如，硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖，其抗壓強(qiáng)度高達(dá)例如，硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖，其抗壓強(qiáng)度高達(dá)200MPa200MPa以上，而鈣質(zhì)膠結(jié)的以上，而鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖，強(qiáng)度則為砂巖，強(qiáng)度則為2020100MPa100MPa；泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖，強(qiáng)度往往在；泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖，強(qiáng)度往往在20MPa20MPa以下。以下。巖石中膠結(jié)物所占比例越大，膠結(jié)物對(duì)巖石強(qiáng)度影響越大，而被膠結(jié)巖石中膠結(jié)物所占比例越大，膠結(jié)物對(duì)巖石強(qiáng)度影響越大，而被膠結(jié)的巖屑或礦物對(duì)巖石強(qiáng)度的影響越小。的巖屑或礦物對(duì)巖石強(qiáng)度的影響越小。2 2巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造 礦物顆粒大小對(duì)巖石

32、強(qiáng)度有一定的影響。一般說來，細(xì)礦物顆粒大小對(duì)巖石強(qiáng)度有一定的影響。一般說來，細(xì)粒巖石的強(qiáng)度高于粗粒巖石的強(qiáng)度，并且顆粒越細(xì)，這種影粒巖石的強(qiáng)度高于粗粒巖石的強(qiáng)度，并且顆粒越細(xì)，這種影響越大。例如，粗?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度是響越大。例如，粗?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度是80 80 120MPa120MPa，而而細(xì)?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度則高達(dá)細(xì)?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度則高達(dá)200200250MPa250MPa。 另一對(duì)巖石強(qiáng)度有影響的因素是層理。層理發(fā)育巖石的另一對(duì)巖石強(qiáng)度有影響的因素是層理。層理發(fā)育巖石的強(qiáng)度具有明顯的各向異性。垂直于層理方向的抗壓強(qiáng)度最大，強(qiáng)度具有明顯的各向異性。垂直于層理方向的抗壓強(qiáng)度最大，平行于層

33、理方向的抗壓強(qiáng)度最小，與層理方向呈某種角度時(shí)平行于層理方向的抗壓強(qiáng)度最小，與層理方向呈某種角度時(shí)的抗壓強(qiáng)度介于二者之間。的抗壓強(qiáng)度介于二者之間。2-63 3巖石的容重和孔隙度巖石的容重和孔隙度 同一種巖石，其孔隙度增加，容重降低，從而巖石強(qiáng)度也降同一種巖石，其孔隙度增加，容重降低，從而巖石強(qiáng)度也降低，反之亦然。例如石灰?guī)r容重由低，反之亦然。例如石灰?guī)r容重由1.5x101.5x104 4N Nm m3 3增加到增加到2.7x102.7x104 4N Nm m3 3時(shí)，其抗壓強(qiáng)度就由時(shí)，其抗壓強(qiáng)度就由5MPa5MPa增至增至180MPa180MPa。又如砂巖的容重由又如砂巖的容重由1.87x101

34、.87x104 4N Nm m3 3 增加到增加到2.57x102.57x104 4N Nm m3 3 時(shí)，其抗壓強(qiáng)度也由時(shí)，其抗壓強(qiáng)度也由15MPa15MPa增加到增加到90MPa90MPa。 一般來說，巖石的孔隙度隨其埋藏深度的增加而減小。因此，一般來說，巖石的孔隙度隨其埋藏深度的增加而減小。因此，巖石的強(qiáng)度隨其埋藏深度的增加而增大。例如，埋藏在深部的粘巖石的強(qiáng)度隨其埋藏深度的增加而增大。例如，埋藏在深部的粘土的強(qiáng)度比靠近地表處的粘土的強(qiáng)度大。土的強(qiáng)度比靠近地表處的粘土的強(qiáng)度大。4 4加載方式加載方式 巖石的抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度有很大的差別。在單向應(yīng)巖石的抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度有

35、很大的差別。在單向應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的抗壓強(qiáng)度最大，而抗拉強(qiáng)度最小，抗剪和抗彎強(qiáng)力狀態(tài)下，巖石的抗壓強(qiáng)度最大，而抗拉強(qiáng)度最小，抗剪和抗彎強(qiáng)度介于抗壓和抗拉強(qiáng)度之間。這是因?yàn)閹r石受壓縮的顆粒之間的距度介于抗壓和抗拉強(qiáng)度之間。這是因?yàn)閹r石受壓縮的顆粒之間的距離縮小，顆粒間相互作用力增加，所以強(qiáng)度增加；而受拉伸時(shí)顆粒離縮小，顆粒間相互作用力增加，所以強(qiáng)度增加；而受拉伸時(shí)顆粒之間的距離增大，顆粒間相互作用力減弱，所以強(qiáng)度下降。之間的距離增大，顆粒間相互作用力減弱，所以強(qiáng)度下降。 巖石的抗剪強(qiáng)度約為其抗壓強(qiáng)度的巖石的抗剪強(qiáng)度約為其抗壓強(qiáng)度的1 15 51 11111；巖石的抗彎強(qiáng)；巖石的抗彎強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)

36、度的度約為抗壓強(qiáng)度的1 15 51 11212，而巖石的抗拉強(qiáng)度僅為巖石抗壓強(qiáng)，而巖石的抗拉強(qiáng)度僅為巖石抗壓強(qiáng)度的度的1 110101 15050。 利用巖石抗剪、抗彎和抗拉強(qiáng)度小的弱點(diǎn)，尋求相應(yīng)的破碎方利用巖石抗剪、抗彎和抗拉強(qiáng)度小的弱點(diǎn)，尋求相應(yīng)的破碎方法，對(duì)提高碎巖效率非常有利法，對(duì)提高碎巖效率非常有利。2-72-85 5應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) 巖石在兩向應(yīng)力和三向應(yīng)力狀態(tài)下，其抗壓強(qiáng)度比單向應(yīng)力巖石在兩向應(yīng)力和三向應(yīng)力狀態(tài)下，其抗壓強(qiáng)度比單向應(yīng)力狀態(tài)下要高出許多倍。巖石的強(qiáng)度極限隨著圍壓的增加而明顯增狀態(tài)下要高出許多倍。巖石的強(qiáng)度極限隨著圍壓的增加而明顯增大。例如當(dāng)圍壓從零增加到大。例如當(dāng)圍

37、壓從零增加到165MPa165MPa時(shí)，大理巖的抗壓強(qiáng)度從時(shí)，大理巖的抗壓強(qiáng)度從136136增加到增加到490MPa490MPa，當(dāng)圍壓從零增加到當(dāng)圍壓從零增加到155MPa155MPa時(shí)，砂巖的強(qiáng)度從時(shí)，砂巖的強(qiáng)度從6969增至增至330MPa330MPa。 巖石強(qiáng)度隨圍壓增加而增大的原因是：巖石的圍壓增大，各巖石強(qiáng)度隨圍壓增加而增大的原因是：巖石的圍壓增大，各向壓縮增強(qiáng)，巖石的體積產(chǎn)生壓縮，使顆粒間的距離縮短，甚至向壓縮增強(qiáng)，巖石的體積產(chǎn)生壓縮，使顆粒間的距離縮短，甚至使礦物顆粒內(nèi)部體積減小，結(jié)果顆粒之間、甚至顆粒內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間使礦物顆粒內(nèi)部體積減小，結(jié)果顆粒之間、甚至顆粒內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用

38、力增強(qiáng)，從而表現(xiàn)為對(duì)外載的抗力增大。在圍壓作用的相互作用力增強(qiáng)，從而表現(xiàn)為對(duì)外載的抗力增大。在圍壓作用下巖石強(qiáng)度增大的程度取決于該類巖石的組織特征和物質(zhì)成分。下巖石強(qiáng)度增大的程度取決于該類巖石的組織特征和物質(zhì)成分。6 6載荷速度載荷速度 實(shí)驗(yàn)證明，巖石的強(qiáng)度與外載作用的速度、實(shí)驗(yàn)證明，巖石的強(qiáng)度與外載作用的速度、或者說與其內(nèi)部應(yīng)力增長的速度有密切的關(guān)系?；蛘哒f與其內(nèi)部應(yīng)力增長的速度有密切的關(guān)系。載荷速度越快，則巖石強(qiáng)度越高。載荷速度越快，則巖石強(qiáng)度越高。 在動(dòng)載條件下巖石強(qiáng)度增大主要原因是由于在動(dòng)載條件下巖石強(qiáng)度增大主要原因是由于外力作用的短暫性。巖石的變形和破壞，不論其外力作用的短暫性。巖石

39、的變形和破壞，不論其特性如何，在一定程度上都依賴于時(shí)間。如果加特性如何，在一定程度上都依賴于時(shí)間。如果加載速度太快，則在應(yīng)力波的作用時(shí)間內(nèi)破碎變形載速度太快，則在應(yīng)力波的作用時(shí)間內(nèi)破碎變形難以得到充分的發(fā)展，因而表現(xiàn)出較大的抗力。難以得到充分的發(fā)展，因而表現(xiàn)出較大的抗力。 巖石的抗壓強(qiáng)度也是隨著加載巖石的抗壓強(qiáng)度也是隨著加載速度的增加而增大的。在高速加載速度的增加而增大的。在高速加載時(shí)時(shí)( (例如沖擊試驗(yàn)例如沖擊試驗(yàn)) )得到的抗壓強(qiáng)度得到的抗壓強(qiáng)度值要比低速加載時(shí)值要比低速加載時(shí)( (例如一般材料例如一般材料試驗(yàn)機(jī)的加載試驗(yàn)機(jī)的加載) )大得多。圖大得多。圖2929表表示幾種巖石在不同變形速

40、率下的抗壓試示幾種巖石在不同變形速率下的抗壓試驗(yàn)結(jié)果。驗(yàn)結(jié)果。 2-92-9三）巖石的表面特性三）巖石的表面特性 巖石的表面特性包括巖石的硬度和巖石的研磨性。巖石的表面特性包括巖石的硬度和巖石的研磨性。（一）巖石的硬度（一）巖石的硬度 1 1、巖石硬度的概念、巖石硬度的概念 巖石硬度通常被認(rèn)為是巖石表面對(duì)工具壓入的反抗特性。衡巖石硬度通常被認(rèn)為是巖石表面對(duì)工具壓入的反抗特性。衡量單位是量單位是Pa(Pa(帕帕) )或或MPaMPa( (兆帕兆帕) )。 巖石硬度與抗壓強(qiáng)度有一定聯(lián)系，但又有很大區(qū)別，巖石抗巖石硬度與抗壓強(qiáng)度有一定聯(lián)系，但又有很大區(qū)別，巖石抗壓強(qiáng)度是巖石整塊抗破碎的阻力。根據(jù)理論

41、分析，巖石抗壓入硬壓強(qiáng)度是巖石整塊抗破碎的阻力。根據(jù)理論分析，巖石抗壓入硬度為單向抗壓強(qiáng)度的度為單向抗壓強(qiáng)度的(1+2(1+2) )倍。試驗(yàn)表明，壓入硬度與單向抗壓倍。試驗(yàn)表明，壓入硬度與單向抗壓強(qiáng)度之比在強(qiáng)度之比在5 52020之間。造成差別的原因是：測(cè)定壓入硬度實(shí)際上之間。造成差別的原因是：測(cè)定壓入硬度實(shí)際上是使巖樣產(chǎn)生局部壓碎，而這種局部壓碎是在多向受壓狀態(tài)下進(jìn)是使巖樣產(chǎn)生局部壓碎，而這種局部壓碎是在多向受壓狀態(tài)下進(jìn)行的。行的。 另外要說明的是：另外要說明的是：巖石硬度指的是巖石的巖石硬度指的是巖石的組合硬度或膠結(jié)硬度，而不是巖石中某一礦物組合硬度或膠結(jié)硬度，而不是巖石中某一礦物的硬度的

42、硬度。很多巖石的膠結(jié)硬度雖然相同，但是。很多巖石的膠結(jié)硬度雖然相同，但是組成該巖石的礦物及其硬度卻大不相同。組成該巖石的礦物及其硬度卻大不相同。 一般認(rèn)為，巖石的硬度對(duì)鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎一般認(rèn)為，巖石的硬度對(duì)鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎的速度起重大影響；而礦物顆粒的硬度，對(duì)鉆的速度起重大影響；而礦物顆粒的硬度，對(duì)鉆進(jìn)過程中工具的磨損有顯著的影響。進(jìn)過程中工具的磨損有顯著的影響。2.影響巖石硬度的因素影響巖石硬度的因素 (1)(1)巖石的礦物成分巖石的礦物成分 巖石膠結(jié)物成分相同，礦物顆?；驇r石碎屑成分巖石膠結(jié)物成分相同，礦物顆粒或巖石碎屑成分不同時(shí)，石英及其它堅(jiān)硬礦物或碎屑含量越多，則巖不同時(shí)，石英及其它堅(jiān)硬礦

43、物或碎屑含量越多，則巖石硬度越大。如果碎屑成分相同，膠結(jié)物不同，則膠石硬度越大。如果碎屑成分相同，膠結(jié)物不同，則膠結(jié)物硬度越大，巖石硬度也越大。例如鈣質(zhì)膠結(jié)巖石結(jié)物硬度越大，巖石硬度也越大。例如鈣質(zhì)膠結(jié)巖石的硬度是泥質(zhì)膠結(jié)巖石的的硬度是泥質(zhì)膠結(jié)巖石的1.41.41.81.8倍。另外，在膠結(jié)倍。另外，在膠結(jié)物成分相同的情況下，膠結(jié)形式也影響巖石硬度?；锍煞窒嗤那闆r下，膠結(jié)形式也影響巖石硬度?；啄z結(jié)者最硬。底膠結(jié)者最硬。 (2)(2)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、 巖石顆粒越小，結(jié)構(gòu)越致密，巖石的硬度越大。巖石多孔，裂巖石顆粒越小，結(jié)構(gòu)越致密，巖石的硬度越大。巖石多孔，裂隙發(fā)育，孔隙度高，密實(shí)度低，巖石的硬度

44、將會(huì)下降。隙發(fā)育，孔隙度高，密實(shí)度低，巖石的硬度將會(huì)下降。 (3)(3)構(gòu)造構(gòu)造 層理對(duì)巖石硬度的影響正好與對(duì)強(qiáng)度的影響相反。垂直層理方層理對(duì)巖石硬度的影響正好與對(duì)強(qiáng)度的影響相反。垂直層理方向的硬度值最小，而平行層理方向的硬度值最大。這是因?yàn)檠貙永硐虻挠捕戎底钚?，而平行層理方向的硬度值最大。這是因?yàn)檠貙永矸较驇r石顆粒的定向排列而使硬度升高。方向巖石顆粒的定向排列而使硬度升高。實(shí)際測(cè)定證明：層理弱的實(shí)際測(cè)定證明：層理弱的巖石，平行層理方向的硬度與垂直層理方向的硬度之比為巖石，平行層理方向的硬度與垂直層理方向的硬度之比為1.051.051.21.2而層理明顯的巖石，兩者之比可達(dá)而層理明顯的巖石，兩

45、者之比可達(dá)1.51.51.81.8左右。這說明了在左右。這說明了在垂直于巖石層理方向上鉆進(jìn)比較容易。巖石硬度的這種各向異性現(xiàn)垂直于巖石層理方向上鉆進(jìn)比較容易。巖石硬度的這種各向異性現(xiàn)象，可以很好地解釋孔斜的原因和規(guī)律性，并利用這一現(xiàn)象來實(shí)施象，可以很好地解釋孔斜的原因和規(guī)律性，并利用這一現(xiàn)象來實(shí)施定向鉆進(jìn)。定向鉆進(jìn)。 (4)(4)應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) 在各向均勻壓縮的情況下，巖石硬度增加。各向壓力加大到在各向均勻壓縮的情況下，巖石硬度增加。各向壓力加大到100MPa100MPa時(shí)，大理巖的硬度提高到時(shí)，大理巖的硬度提高到1.861.86倍，泥灰?guī)r提高到倍，泥灰?guī)r提高到3.063.06倍倍, ,白云

46、巖白云巖提高到提高到1.351.35倍倍 ( (表表2 211)11)。對(duì)泥質(zhì)碳酸鹽巖、砂巖、粉砂巖的試驗(yàn)也。對(duì)泥質(zhì)碳酸鹽巖、砂巖、粉砂巖的試驗(yàn)也表明：硬度可增大到表明：硬度可增大到1.13.61.13.6倍。在常壓下硬度越低的巖石，隨著圍壓倍。在常壓下硬度越低的巖石，隨著圍壓增加，其數(shù)值增長越快。增加，其數(shù)值增長越快。 由此可見，孔底圍壓越大，巖石硬度越高，破碎巖石越難，鉆進(jìn)速由此可見，孔底圍壓越大，巖石硬度越高，破碎巖石越難，鉆進(jìn)速度將會(huì)下降。度將會(huì)下降。(5)(5)載荷速度載荷速度 動(dòng)載時(shí)，隨著加載速度的增大，固體內(nèi)晶動(dòng)載時(shí)，隨著加載速度的增大，固體內(nèi)晶格扭曲沒有足夠時(shí)間得到充分松弛，破

47、碎變形格扭曲沒有足夠時(shí)間得到充分松弛，破碎變形得不到充分的發(fā)展，所以破碎單位體積巖石所得不到充分的發(fā)展，所以破碎單位體積巖石所消耗的能量增加，使巖石抗破碎阻力增大。消耗的能量增加，使巖石抗破碎阻力增大。 從圖中可以看出，從圖中可以看出，隨著沖擊速度隨著沖擊速度增加，增加，大理巖的塑性系數(shù)大理巖的塑性系數(shù)KnKn降低，降低，而硬度而硬度HyHy和屈服極限和屈服極限PoPo增高，單位增高，單位體積破碎功體積破碎功a a也不斷增大。也不斷增大。尤其是沖尤其是沖擊速度大于擊速度大于30m/s30m/s以后，硬度和屈服以后，硬度和屈服極限增大更為劇烈。但是，在沖擊極限增大更為劇烈。但是，在沖擊速度小于速

48、度小于10m10ms s時(shí)，硬度變化不大。時(shí)，硬度變化不大。 沖擊速度對(duì)低強(qiáng)度、高塑性及沖擊速度對(duì)低強(qiáng)度、高塑性及多孔性巖石性質(zhì)的影響多孔性巖石性質(zhì)的影響, ,要比對(duì)高強(qiáng)要比對(duì)高強(qiáng)度、低塑性巖石的影響大得多。度、低塑性巖石的影響大得多。 （二）巖石的研磨性（二）巖石的研磨性 1.1.巖石的研磨性的概念巖石的研磨性的概念 在用機(jī)械方法破碎巖石的過程中，鉆頭與巖石產(chǎn)生連續(xù)的或間在用機(jī)械方法破碎巖石的過程中，鉆頭與巖石產(chǎn)生連續(xù)的或間斷的接觸和摩擦。鉆頭破碎巖石的同時(shí)，其自身也受到巖石的磨損斷的接觸和摩擦。鉆頭破碎巖石的同時(shí)，其自身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍。而逐漸變鈍。巖石磨損鉆頭的能力稱為巖石的研

49、磨性巖石磨損鉆頭的能力稱為巖石的研磨性。 鉆頭被磨損，一方面增加了鉆頭的消耗，另一方面降低了破碎鉆頭被磨損，一方面增加了鉆頭的消耗，另一方面降低了破碎巖石的效率。因此，研究巖石研磨性及其規(guī)律，將直接關(guān)系到鉆頭巖石的效率。因此，研究巖石研磨性及其規(guī)律，將直接關(guān)系到鉆頭壽命、生產(chǎn)效率和成本。巖石研磨性是選擇碎巖工具、設(shè)計(jì)鉆頭、壽命、生產(chǎn)效率和成本。巖石研磨性是選擇碎巖工具、設(shè)計(jì)鉆頭、確定鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)和制訂鉆頭消耗定額的依據(jù)之一確定鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)和制訂鉆頭消耗定額的依據(jù)之一。2 2、磨粒磨損理論、磨粒磨損理論 巖石對(duì)鉆頭的磨損形式以磨粒磨損為主。以下以磨粒磨巖石對(duì)鉆頭的磨損形式以磨粒磨損為主。以下以磨

50、粒磨損理論探討影響磨損的因素。損理論探討影響磨損的因素。 根據(jù)現(xiàn)代摩擦理論可知，當(dāng)兩物體壓緊并作相對(duì)移動(dòng)根據(jù)現(xiàn)代摩擦理論可知，當(dāng)兩物體壓緊并作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，兩物體的表面就會(huì)產(chǎn)生磨損。磨損量的大小首先決定時(shí)，兩物體的表面就會(huì)產(chǎn)生磨損。磨損量的大小首先決定于兩物體間的于兩物體間的摩擦力摩擦力和和移動(dòng)的距離移動(dòng)的距離，即摩擦功。，即摩擦功。 兩物體滑動(dòng)摩擦?xí)r所作的功為：兩物體滑動(dòng)摩擦?xí)r所作的功為： A=A=s spF v t Nm pF v t Nm 式中式中 pp接觸面上的正壓力，接觸面上的正壓力，N Nm m2 2； FF接觸面積，接觸面積， m m2 2； vv滑動(dòng)速度，滑動(dòng)速度，m ms s；

51、tt摩擦?xí)r間，摩擦?xí)r間，s s；動(dòng)摩擦系數(shù)。動(dòng)摩擦系數(shù)。 固體的體積磨損固體的體積磨損量量V V與摩擦功成正比，即與摩擦功成正比，即V=V=AA。 此處，此處， 為體積磨損系數(shù)為體積磨損系數(shù)(cm(cm3 3N m)N m)， H1H1，H2H2為與對(duì)磨材料的硬度有關(guān)的參數(shù)；為與對(duì)磨材料的硬度有關(guān)的參數(shù)； c c為與摩擦磨損環(huán)境有關(guān)的參數(shù)。為與摩擦磨損環(huán)境有關(guān)的參數(shù)。因此：因此： V= A= spF v tV= A= spF v t 從上式可以看出：材料的研磨性與摩擦力、對(duì)磨材料的性能、從上式可以看出：材料的研磨性與摩擦力、對(duì)磨材料的性能、表面粗糙程度、摩擦面溫度、滑移速度、磨損產(chǎn)物的清除情況

52、、表面粗糙程度、摩擦面溫度、滑移速度、磨損產(chǎn)物的清除情況、參與摩擦的介質(zhì)等諸多因素有關(guān)。參與摩擦的介質(zhì)等諸多因素有關(guān)。 巖石研磨性，反映著巖石在具體試驗(yàn)條件下的表現(xiàn)，這些條巖石研磨性，反映著巖石在具體試驗(yàn)條件下的表現(xiàn)，這些條件的改變，可能導(dǎo)致磨損過程的劇烈變化。件的改變，可能導(dǎo)致磨損過程的劇烈變化。),(21CHHf3、影響巖石研磨性的因素、影響巖石研磨性的因素 (1)(1)巖石的礦物成分巖石的礦物成分 巖石中造巖礦物的硬度、礦物顆粒間的硬度差，巖石中造巖礦物的硬度、礦物顆粒間的硬度差，對(duì)巖石研磨性都有明顯的影響。礦物顆粒本身硬度對(duì)巖石研磨性都有明顯的影響。礦物顆粒本身硬度越大，顆粒間硬度差越

53、大，巖石的研磨性越強(qiáng)。越大，顆粒間硬度差越大，巖石的研磨性越強(qiáng)。 石英及其它堅(jiān)硬礦物的研磨性很強(qiáng)，其在巖石石英及其它堅(jiān)硬礦物的研磨性很強(qiáng)，其在巖石中所占比例對(duì)巖石研磨性影響很大。例如：石英砂中所占比例對(duì)巖石研磨性影響很大。例如：石英砂巖的研磨性可能比長石砂巖高巖的研磨性可能比長石砂巖高2020倍。倍。(2)結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征 造巖礦物粒度表現(xiàn)為巖石表面的粗糙度。例如粉砂巖造巖礦物粒度表現(xiàn)為巖石表面的粗糙度。例如粉砂巖的粒度比砂巖小的粒度比砂巖小2 233334 4，所以在硬度相同的情況下，所以在硬度相同的情況下，粉砂巖的研磨性比砂巖小。同理細(xì)?；◢弾r的研磨性低于粉砂巖的研磨性比砂巖小。同理細(xì)?；?/p>

54、崗巖的研磨性低于粗?；◢弾r。粗?；◢弾r。 礦物顆粒棱角、軟硬變化、孔隙度，對(duì)巖石的研磨性礦物顆粒棱角、軟硬變化、孔隙度，對(duì)巖石的研磨性都有影響。巖石礦物顆粒棱角度、軟硬差別、孔隙度越大，都有影響。巖石礦物顆粒棱角度、軟硬差別、孔隙度越大，巖石的研磨性就越大。巖石的研磨性就越大。 研磨性隨其膠結(jié)物強(qiáng)度的降低而增加。這是因?yàn)槟z結(jié)研磨性隨其膠結(jié)物強(qiáng)度的降低而增加。這是因?yàn)槟z結(jié)物強(qiáng)度降低，則巖石的表面易于更新，從而對(duì)工具的磨損物強(qiáng)度降低，則巖石的表面易于更新，從而對(duì)工具的磨損能力增強(qiáng)。能力增強(qiáng)。(3) (3) 正壓力正壓力 試驗(yàn)證明，當(dāng)工具與所破碎的巖石表面摩擦?xí)r，在單位面積試驗(yàn)證明，當(dāng)工具與所破碎的

55、巖石表面摩擦?xí)r，在單位面積上的正壓力未達(dá)到巖石的硬度值以前，動(dòng)摩擦系數(shù)是正壓力的增上的正壓力未達(dá)到巖石的硬度值以前，動(dòng)摩擦系數(shù)是正壓力的增函數(shù)，即其值隨正壓力的增加而增大。但是，單位面積上的正壓函數(shù)，即其值隨正壓力的增加而增大。但是，單位面積上的正壓力增加到超過巖石硬度值以后，動(dòng)摩擦系數(shù)值便保持為常數(shù)，間力增加到超過巖石硬度值以后，動(dòng)摩擦系數(shù)值便保持為常數(shù)，間或還有所降低。這種現(xiàn)象可以解釋為：當(dāng)單位面積上的正壓力未或還有所降低。這種現(xiàn)象可以解釋為：當(dāng)單位面積上的正壓力未達(dá)到巖石硬度值以前，工具與巖石為點(diǎn)接觸，隨著正壓力的增加，達(dá)到巖石硬度值以前，工具與巖石為點(diǎn)接觸，隨著正壓力的增加，工具顆粒與

56、巖石顆粒之間的粘滯力可能加大，因而摩擦系數(shù)增大；工具顆粒與巖石顆粒之間的粘滯力可能加大，因而摩擦系數(shù)增大；當(dāng)單位面積上的正壓力超過巖石硬度值時(shí)，巖石產(chǎn)生體積破碎，當(dāng)單位面積上的正壓力超過巖石硬度值時(shí)，巖石產(chǎn)生體積破碎，工具顆粒與巖石顆粒之間的粘滯關(guān)系改變，因而摩擦系數(shù)保持為工具顆粒與巖石顆粒之間的粘滯關(guān)系改變，因而摩擦系數(shù)保持為常數(shù)或略有降低常數(shù)或略有降低。 （4）滑動(dòng)速度）滑動(dòng)速度 滑動(dòng)速度即工具與巖石的摩擦速度。隨著摩擦速度增大，起初磨損率的滑動(dòng)速度即工具與巖石的摩擦速度。隨著摩擦速度增大，起初磨損率的增長較小，當(dāng)摩擦速度增大到某一臨界值，磨損率急劇增大。圖表明在砂巖增長較小，當(dāng)摩擦速度增

57、大到某一臨界值，磨損率急劇增大。圖表明在砂巖中工具磨損率與摩擦速度中工具磨損率與摩擦速度( (或切削速度或切削速度) )的關(guān)系。的關(guān)系。 介質(zhì)能夠改變工具和巖石之間的摩擦特性。一般介質(zhì)能夠改變工具和巖石之間的摩擦特性。一般巖石表面干燥時(shí)，摩擦系數(shù)大，表面變潮或潤濕后，巖石表面干燥時(shí)，摩擦系數(shù)大，表面變潮或潤濕后，摩擦系數(shù)下降；當(dāng)有表面活性劑溶液或乳狀液存在時(shí)，摩擦系數(shù)下降；當(dāng)有表面活性劑溶液或乳狀液存在時(shí)，因其潤滑作用大而使摩擦系數(shù)更小。這是因?yàn)槟Σ帘硪蚱錆櫥饔么蠖鼓Σ料禂?shù)更小。這是因?yàn)槟Σ帘砻嬗薪橘|(zhì)存在時(shí)，減弱了摩擦物體表面之間的相互作面有介質(zhì)存在時(shí)，減弱了摩擦物體表面之間的相互作用力。當(dāng)表面活性劑溶液或乳狀液潤濕巖石時(shí)，它們用力。當(dāng)表面活