《钻凿工艺学课件讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钻凿工艺学课件讲解（110页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、岩土钻凿工程学 Sample return from the Moon by US Apollo 11, 12 and 14 - core tube, approx. 1m Apollo 15, 16 and 17 - drive tube, approx 1m - drill approx. 3m Sample return from the Moon by USSR Total 10 sample return missions Luna 16 and 20 (0.3m), Luna 24 (2m) 岩土钻凿工程学 Item Apo. 11 Apo. 12 Apo. 14 Apo. 15
2、Apo. 16 Apo. 17 Hammer锤子111111 Core Tubes岩芯管246000 Core Tube Caps岩芯管帽210000 Sample Return Container样品盒222222 Lunar Surface Drill月球表面钻机000111 Core Stem With Bit带钻头岩心管000111 Core Stems Without Bit 无钻头岩心管 000555 Self-Recording Penetrometer贯入仪000110 岩土钻凿工程学 火星钻探（Mars Drilling） 岩土钻凿工程学 Rock Abrasion Tool
3、Side view with parts labeled 岩土钻凿工程学 Conceptual drawing, Rock Abrasion Tool on Mars Rover arm 岩土钻凿工程学 岩土钻凿工程学 Grinding made by MER Opportunitys RAT instrument. The target rock is called “Tennessee” and it was made on June 14, 2004. Hole depth is 8.12 mm and diameter is 45 mm. (Images: NASA/JPL/Corne
4、ll/USGS) 岩土钻凿工程学 Martian Conditions: 6 torr CO2 atmosphere -80C Controls: Weight on Bit Rotational Speed Record: Power Rate of Penetration Temperatures: sample (b)-弹塑性岩石; (c)-高塑性高孔隙度的岩石; -岩石 中的最大变形; h-岩石破碎穴深度 岩土钻凿工程学 2、 弹塑性岩石（如大理岩、石灰岩、砂岩） 弹塑性岩石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1-3(b)和图1- 4
5、(b)。这时破碎穴面积也大于压头的端面面积，而h/=2.55 ，即小于第一类岩石。 3. 高塑性和高孔隙性岩石 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1-3(c)和图 1-4(c)，h/=1。 岩土钻凿工程学 岩石弹塑性的测定 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1-3(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。 而弹塑性岩
6、石 岩土钻凿工程学 岩石按塑性系数的大小可分成三类六级，如表1-2所示。 岩石类类 别别 弹弹脆性 弹弹塑性 高塑性 低塑性高塑性 级别级别123456 塑性系数1122334456 表12 岩石按塑性系数的分级 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。 岩土钻凿工程学 影响岩石弹性、塑性和脆性的主要因素（P18） 1、岩石物质成分 2、岩石结构构造 3、应力状态 4、载荷性质 5、受力条件 6、温度和湿度 岩土钻凿工程学 （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
7、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。 岩土钻凿工程学 （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。 岩土钻凿工程学 二、岩石的强度特性 （一
8、）概念 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。 （二）分类 1、按受外力条件：抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度； 2、按应力状态：单向、双向、三向应力状态下的强度； 3、按加载速度：静载强度、动载强度。 岩土钻凿工程学 （三）影响因素 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
9、的强度大于同一矿物组成的粗 粒岩石。 岩土钻凿工程学 （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。 岩土钻凿工程学 （4）岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。不 同受载方式下的岩石强度相对值如表11所列。由表中 数据可见，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
10、石。 岩土钻凿工程学 表11 不同受载方式下的岩石强度相对值 岩石 不同受载载方式下的岩石强度相对值对值 抗压抗拉抗弯抗剪 花岗岩10.020.040.08.0.09 砂岩10.020.050.060.200.100.12 石灰岩10.040.100.080.100.15 岩土钻凿工程学 （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： 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； 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
11、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。 岩土钻凿工程学 （ 7 ）岩样的线性尺寸：随岩样线性尺寸增加， 岩石的强度降低。这主要是裂隙及孔洞存在几率增 加的缘故。因此，测定和对比岩石强度时，必须有 线性尺寸的规定，否则不能比较。 （8）湿度和温度：随湿度增加，岩石强度下降； 对花岗岩，随温度增加，抗压强度下降。 岩土钻凿工程学 图 1.114 岩石单轴抗压试验 1岩样；2球座；3钢垫板 图 1.115 岩石单轴拉伸试验 1岩样；2夹头；图中尺寸单位：cm 岩土钻凿工程学 图1.116 圆盘劈裂试验 图1.117 剪切试验 1岩样； 2上下剪切模具；3模套； 4斜锲块；5上下
12、垫板； 6钢滚子 岩土钻凿工程学 三、岩石的硬度 （一）概念 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。 硬度与抗压强度既有联系，又有区别。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凿过程的实际 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，硬度对钻凿工程而言是一个主要力学 性能参数。 岩土钻凿工程学 （二）影响因素 影响岩石硬度的因素也可分为自然因素和工艺因
13、 素两大类，且与影响岩石强度的因素类似： （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。 岩土钻凿工程学 （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1.051.8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。 （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。 岩
14、土钻凿工程学 （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。 （5）液体介质：岩石被水侵入后，硬度下降。 （6）工具形状和尺寸：不同形状压头压入岩石时，所 得到的硬度值不同；工具形状相同时，其尺寸越小，测 定的硬度值越大。 在测量岩石硬度的过程中，应注意区分造岩矿物颗粒 的硬度和岩石的组合硬度。前者主要影响钻掘工具的寿 命，而后者则对钻进中的机械钻速起重大影响。 岩土钻凿工程学 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
15、板； 6-千分表； 7-柱塞导向杆 岩土钻凿工程学 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 岩土钻凿工程学 四、岩石的研磨性 （一）概念 用机械方法破碎岩石的过程中，工具本身也受到岩石的磨损而 逐渐变钝，直至损坏。岩石磨损工具的能力称为岩石的研磨性。 在钻进过程中存在着两种类型的磨损：（1）破岩过程中的摩 擦磨损，它与所钻岩石的研磨性、破岩工具上切削具的耐磨性及 钻进规程参数有关；（2）磨粒磨损，它与从孔底分离出来的岩屑 的硬度和研磨性、孔底区域内岩屑的数量有关，即取决于钻进速 度、冲洗或吹洗孔底的程度。在金刚石钻进中这种磨损形式具
16、有 重要作用，因为岩粉能磨蚀金刚石钻头的胎体，帮助孕镶金刚石 出刃。 岩土钻凿工程学 （二）影响因素 （1）岩石颗粒的硬度颗粒的硬度越大，其研磨性也越强，富含 石英的岩石具有强研磨性（但石英含量过高时，坚硬 、致密岩石呈现“弱研磨性”）。 （2）岩石胶结物的粘结强度胶结物的粘结强度越低，岩石的研磨性越 强。 （3）岩石颗粒形状颗粒形状越尖锐，颗粒尺寸越大，则岩石 的研磨性越强。 （4）孔隙性孔隙性岩石表面粗糙，在与工具接触的局部易 产生应力集中，从而增强岩石的研磨性。 岩土钻凿工程学 （5）硬度相同时，单矿物岩石的研磨性较低，非均非均 质和多矿物质和多矿物的岩石（如花岗岩）研磨性较强。因为这 类岩石中较软的矿物（云母、长石）首先被破碎下来 ，使岩石表面变得粗糙，同时石英颗粒出露，从而增 强了研磨能力。 （6）试验证明，当工具与所钻岩石表面摩擦时，在 轴向压力
