第二章 岩石的破碎机里

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
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 形成压应力区（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。
（一）平底圆柱形压头压入时应力状态 （二）球形压头压入时岩石的应力状态 （三）轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态
第二节
外载下岩石的应力状态
钻探工艺学
假设：
（1）岩石均质，各向 同性； （2）遵从虎克定律； （3）弹性性不受应 力状态和加载速度影响
图2－2 半无限体在边界上受法向集中力作用
钻探工艺学
图示是平底压模压入阻力变化曲线和碎岩体积变化曲线。
第三节 岩石在外载下的破碎过程
钻探工艺学
课堂提问：
左图是平底压头 压入岩石时阻力 和岩石破碎体积 的变化曲线，请 解释曲线的变化 规律。
第三节 岩石在外载下的破碎过程
（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。
表 面 破 碎
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。
第三节 岩石在外载下的破碎过程
（一）岩石的变形破碎形式 2、疲劳破碎
钻探工艺学
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
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：
a2 z p0 2 a z2

r z
2
a2 1 3 z 1 a p0 2 a z 2 2 p0 1 a tg z 4
设μ =0.25，则z0=0.62a ，τ
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 源处应引起重视。
第二节
外载下岩石的应力状态
钻探工艺学
压头下相对剪应力等直线图
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
第二节
外载下岩石的应力状态
钻探工艺学
（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：
2(1 ) z0 a 7 2
max
p 1 2 2 (1 ) 2(1 ) 2 2 9
max=0.345p。这表明在z轴上，
第二节
外载下岩石的应力状态
钻探工艺学
（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2-4），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。
p( r )
P 2 a a 2 r 2
p
7、产生aob主压力体和mon剪切体；
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。
第三节 岩石在外载下的破碎过程
钻探工艺学
第三节 岩石在外载下的破碎过程
（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；
第三节 岩石在外载下的破碎过程
钻探工艺学
不论是动载还是静载压入时，破碎岩石能容量都是跳跃式 地逐渐减小，并且动载破碎的能容量比静载的要高，如 下表。
第二节
外载下岩石的应力状态
钻探工艺学
（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减小的 慢，σr=σθ 减小的快；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z = 0 处： z p

r z
2
1 2 p 4
v y v v z 或
v y v v
2 A0 g 式中： v z ； v r Q
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。
第二节
外载下岩石的应力状态
钻探工艺学
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。 本节讨论同不形状切削具在外载作用下的岩石应力状态。
钻探工艺学
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。
第三节 岩石在外载下的破碎过程
（二）平底压模压入时的岩石变形破碎过程
1－压头与岩石接触面；2－破 碎穴；3－岩石碎块截面
第三节 岩石在外载下的破碎过程
钻探工艺学
动压入时破碎岩石的能容量AV (即破碎单位体积岩石 所消耗的能量)，可按下式确定： TK （J/cm3） A V V 式中 TK ——冲击能量，J， V ——破碎岩石体积，cm3。
第三节 岩石在外载下的破碎过程
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
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z=0有：
z p0

τ
；
r z
2
(1 2 ) p0 4
如果设μ =0.25，根据计算，z0=0.5a ，
max=0.40p
第二章 岩石的破碎机理
一、碎岩工具与岩石的作用方式 二、外载作用下岩石的应力状态 三、岩石的破碎过程 四、碎岩效果指标
第一节 碎岩工具与岩石作用的主要方式
钻探工艺学
根据刃具与岩石作用的方式和碎岩机理，可把碎岩刃具分：
切削一剪切型、冲击型、冲击一剪切型三类。 1、切削一剪切型
钻头碎岩刃具以速度vθ 向前移
第三节 岩石在外载下的破碎过程
（四）楔状切削具压入时的岩石变形破碎过程
钻探工艺学
第三节 岩石在外载下的破碎过程
压头形状对体积破碎功的影响
钻探工艺学
第三节 岩石在外载下的破碎过程
（五）动载作用下的岩石变形破碎过程
钻探工艺学
压头动压入时岩石破碎示意图 (a)出现残余变形；(b)脆性破 碎第一形态；(c)脆性破碎第二 形态；(d)脆性破碎第三形态
，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。
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。
第一节 碎岩工具与岩石作用的主要方式
2、冲击型
钻探工艺学
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 ）：
1 2 Tk mv U 2
钻探工艺学
第三节 岩石在外载下的破碎过程
（三）球状切削具压入时的岩石变形破碎过程
钻探工艺学
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：
（1）形成相交的裂隙系对岩石进行破碎； （2）剪切体mcocn的分离。
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
疲 劳 破 碎
为疲劳破碎，这个区称为疲劳破碎区。
第三节 岩石在外载下的破碎过程
（一）岩石的变形破碎形式 3、体积破碎
钻探工艺学
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