鉆掘工程巖石性質(zhì)及碎巖機(jī)理培訓(xùn)課件鉆掘工程指在地殼中破碎各類巖石，鉆出不同直徑、深度的鉆孔或不同形狀、長度的坑道。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)一、巖石的組成與分類：巖漿巖；沉積巖；變質(zhì)巖。巖石是礦物顆粒的集合體。礦物的解理和劈理發(fā)育程度及方向，礦物硬度、晶體結(jié)構(gòu)等特征，一定程度上決定著巖石抵抗外力的能力。硬度高的礦物組成的巖石強(qiáng)度及硬度較高。通常造巖礦物中石英含量愈多，膠結(jié)物的強(qiáng)度愈大，礦物顆粒愈細(xì)，巖石的強(qiáng)度愈大；粘土礦物愈多，巖石的硬度愈低。從硅質(zhì)－鐵質(zhì)－鈣質(zhì)－泥質(zhì)膠結(jié)，巖石強(qiáng)度依次下降。二、巖石的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)是巖石的微觀組織特征，指組成巖石的礦物成分、粒度、形狀和礦物顆粒之間的連結(jié)方式，反映了巖石非均質(zhì)性和孔隙性。如巖漿巖的粒狀結(jié)構(gòu)，沉積巖的砂狀結(jié)構(gòu)和泥狀結(jié)構(gòu)，變質(zhì)巖的變晶結(jié)構(gòu)等。膠結(jié)物成分和膠結(jié)方式對(duì)沉積巖堅(jiān)固程度有重要影響：致密、膠結(jié)牢固、空隙少的巖石，堅(jiān)固性較好；結(jié)構(gòu)疏松，薄弱多面、空隙多的巖石堅(jiān)固性差。泥質(zhì)巖的變質(zhì)程度越高，一般堅(jiān)固性越強(qiáng)，但劈理發(fā)育時(shí)，堅(jiān)固性差。巖石的堅(jiān)固性越高,對(duì)于鉆孔施工就越困難,而對(duì)保護(hù)井壁的穩(wěn)定性就越有利。三、巖石的構(gòu)造巖石構(gòu)造指巖石的宏觀特征，即組成巖石的礦物間的相互關(guān)系，空間排列等，如層理、片理和裂隙等。它說明礦物顆粒之間的組合形式和空間分布狀況，決定巖石的各向異性和裂隙性。巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與巖石成因類型、形成條件及存在環(huán)境有緊密的聯(lián)系。巖漿巖由巖漿冷卻凝固形成，由于生成環(huán)境和冷卻速度不同，巖漿化學(xué)成份和其中揮發(fā)物的含量不等，形成不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。晶質(zhì)結(jié)構(gòu)巖石一般強(qiáng)度較高，同時(shí)斷面粗糙者往往研磨性較大。沉積巖：顆粒和膠結(jié)物組成，沉積巖的主要構(gòu)造特征是層理，與鉆進(jìn)有關(guān)。變質(zhì)巖：主要構(gòu)造特征是片理，巖石沿平行平面分裂為薄片的能力叫做片理化。層理：指在垂直方向上的巖石成分變化的情況。片理：巖石沿平行的平面分裂為薄片的能力由于巖石的構(gòu)造特征，使多數(shù)巖石的性質(zhì)具有不均勻性，反映在力學(xué)性質(zhì)上為明顯的各向異性－不僅是抗壓強(qiáng)度有各向異性，抗拉、抗剪、抗彎和變形特征等方面都有各向異性。層理之間的聯(lián)結(jié)力較弱，在沿平行層理方向加壓時(shí)，巖石首先從層理面裂開；垂直于巖石層理的抗壓強(qiáng)度大，平行層理面的抗壓強(qiáng)度小。裂隙也對(duì)巖石的強(qiáng)度、鉆進(jìn)難易及孔壁穩(wěn)定影響較大四、巖石的自然性質(zhì)巖石的自然性質(zhì)：巖石在生成過程中，由構(gòu)造變動(dòng)和風(fēng)化過程中自然形成的特性。密度:單位體積巖石的質(zhì)量。容重：單位體積巖石的重量.比重：單位體積巖石骨架體積的重量。巖石體積＝固相骨架體積＋巖石中孔隙體積一般來說，密度越高，強(qiáng)度越大?？紫抖龋簬r石中孔隙體積與巖石總體積之比。一般來說，孔隙度越大，強(qiáng)度越低含水性：W=(GW－GD)/GD；透水性：KW＝?ql/A(Pi－Po)巖石的孔隙越大，裂隙越多，水對(duì)它的影響就越小。如石灰?guī)r，用水浸透后，強(qiáng)度下降明顯。五、巖石的強(qiáng)度：巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。主要有變形特性、強(qiáng)度特性和表面特性。變形特性：彈性、塑性和脆性。強(qiáng)度特性：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。表面特性：硬度和研磨性1、概念：巖石的強(qiáng)度指固體巖石抵抗機(jī)械破壞的能力。依據(jù)外載作用性質(zhì)的不同，可以有抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度等。2、影響巖石強(qiáng)度的因素：巖石的物質(zhì)成份、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖石的容重和孔隙度、受力條件、應(yīng)力狀態(tài)、載荷速度巖樣的線性尺寸、濕度和溫度。3、巖石強(qiáng)度的測(cè)定：（1）單軸抗壓強(qiáng)度：總壓力與巖樣斷面之比бb=P/S。（2）抗剪強(qiáng)度：切向剪應(yīng)力與剪切斷面之比。目前常用的測(cè)定方法為剪切法；（3）巖石強(qiáng)度與鉆進(jìn)破碎巖石的關(guān)系：隨著巖石強(qiáng)度值的升高，破碎巖石的效果降低，鉆進(jìn)速度下降；隨著孔深的增加，巖石密度、強(qiáng)度升高，破碎巖石的效果降低，鉆進(jìn)速度下降。六、巖石的表面特性：1、硬度巖石的硬度：巖石表面對(duì)工具壓入的反抗特性，衡量單位是kg/cm2。*巖石硬度與抗壓強(qiáng)度既有聯(lián)系，又有區(qū)別。硬度只是固體表面的局部對(duì)另一物體侵入的阻力；而抗壓強(qiáng)度是巖石整體抗破壞的能力?？梢姡捕戎笜?biāo)更切合鉆掘工程碎巖的實(shí)際。影響巖石硬度的因素（Factorsaffectingrockshardness）：巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造；應(yīng)力狀態(tài)；載荷速度；液體介質(zhì)；工具形狀和尺寸。層理對(duì)硬度的影響與強(qiáng)度相反。水的浸入對(duì)巖石的硬度也有很大的影響。巖石硬度的測(cè)定：巖石抗壓入硬度為單向抗壓強(qiáng)度的（1+2π）倍。測(cè)定壓入硬度實(shí)際上使巖樣產(chǎn)生局部破碎(在多向受壓狀態(tài)下進(jìn)行)。常用的硬度測(cè)試方法有兩種：即壓入硬度和擺球硬度。一般而言：巖石壓入是比較困難的，但壓入后破裂則容易的多。2、巖石的研磨性巖石的研磨性：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而逐漸變鈍。巖石磨損鉆頭的能力就降低。影響巖石研磨性的因素（Factorsaffectingrocksabrasiveness）：巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征(如巖石的礦物成分、石英含量、顆粒大小和形狀)；正壓力；滑動(dòng)速度(巖石與工具摩擦表面的溫度、相對(duì)濕度)；介質(zhì)巖石研磨性測(cè)量巖石研磨性測(cè)量方法較多，而規(guī)程參數(shù)對(duì)其影響又很大，目前尚無統(tǒng)一衡量指標(biāo)。巖石的變形特性彈性：固體在卸去所加載荷后，恢復(fù)原來狀態(tài)的性能。塑性：當(dāng)所加載荷卸去后，固體保持其變形的性能。脆性：固體在載荷作用下不引起殘余變形的性能。脆性巖石的彈性極限與強(qiáng)度極限很接近，外載荷達(dá)到巖石的彈性極限時(shí)，很快出現(xiàn)固體的完全破碎。影響巖石彈性、塑性和脆性的因素（Factsaffectingrockselasticityandplasticity）：巖石物質(zhì)成分；載荷性質(zhì)；巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造；受力條件；應(yīng)力狀態(tài)；溫度和濕度。巖石不是理想的彈性體，不符合虎克定律。組成巖石的礦物多不是塑性的，巖石的塑性變形主要是由礦物顆粒間沿界面滑動(dòng)而引起的。巖石顆粒間相對(duì)滑移越強(qiáng)，孔隙度和濕度越大，則巖石的塑性越強(qiáng)。在常溫、常壓下，巖石在單軸壓塑狀態(tài)下的塑性不明顯，但在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下及一定溫壓條件下，巖石卻表現(xiàn)出明顯的塑性。在巖石力學(xué)中，根據(jù)單向壓塑時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線所反映的巖石變形特征，常把巖石分為三類：彈脆性巖石－如花崗巖、石英巖等；彈塑性巖石－大理巖、石灰?guī)r、砂巖；塑性巖石－粘土、鹽巖、高孔隙巖石等。巖石在外力作用下，首先產(chǎn)生彈性變形，其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系是一條斜率為E的直線，若進(jìn)一步增加外載，便出現(xiàn)3種可能：1巖石脆性破壞，在此之前不存在不可逆的應(yīng)變，這類巖石稱為彈脆性體；2應(yīng)力和應(yīng)變之間的直線關(guān)系發(fā)生變化，也產(chǎn)生脆性破壞，這類巖石稱為彈塑性體；3經(jīng)過短暫彈性變形后，很快轉(zhuǎn)入典型的塑性變形，巖石不發(fā)生脆性破壞而是塑性破壞，其特點(diǎn)是破壞前有較大的不可逆應(yīng)變和明顯的破壞面－塑性體在三軸應(yīng)力作用下，巖石力學(xué)性質(zhì)的另一顯著變化是：隨著圍壓增大，巖石表現(xiàn)出由脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍壓越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性也越大。實(shí)驗(yàn)表明：灰?guī)r當(dāng)圍壓小于50MPa時(shí)，基本上為脆性破碎；當(dāng)大于50MPa時(shí)，開始出現(xiàn)塑性；當(dāng)大于100MPa時(shí)，明顯表現(xiàn)為塑性。第二節(jié)巖石可鉆性及其分級(jí)一、概念可鉆性：鉆進(jìn)過程中巖石抵抗破碎的程度，亦即巖石被破碎的難易程度。巖石可鉆性是決定鉆進(jìn)效率的基本因素。二、巖石可鉆性的影響因素巖石可鉆性是個(gè)多變量的函數(shù)，不僅受控于巖石的性質(zhì)，而且與外界技術(shù)條件和工藝參數(shù)有密切的關(guān)系：所鉆巖石的物理力學(xué)性質(zhì)；破碎巖石所采用的方法(破碎工具的結(jié)構(gòu)、種類及質(zhì)量，鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，孔底破碎巖石的能量消耗)；孔底巖屑清除是否干凈。三、巖石可鉆性分級(jí)巖石可鉆性分級(jí)是合理選擇鉆進(jìn)方法、鉆頭結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的依據(jù)；也是制訂鉆探生產(chǎn)定額、編制生產(chǎn)計(jì)劃的基礎(chǔ)。劃分巖石可鉆性的方法可鉆性表示方法目前尚不統(tǒng)一，不同部門因所用的鉆探設(shè)備、鉆進(jìn)方法不同，而采用不同的表示方法：地質(zhì)勘探巖心鉆探常用機(jī)械鉆速(m/h)表示；石油部門有時(shí)以機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺之積作為衡量指標(biāo)；使用沖擊鉆進(jìn)的部門多用單位體積破碎功來表示。常用方法：力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法－據(jù)壓入硬度分6類12級(jí)；實(shí)際鉆進(jìn)速度法－用勘探鉆進(jìn)速度m/h分12級(jí)；微鉆法－用微型孕鑲鉆頭模擬鉆進(jìn)速度分12級(jí)；破碎比功法－沖擊鉆進(jìn)時(shí)用m3/h分巖石10級(jí)。巖石可鉆性綜合分級(jí)方法