第二章 岩石的破碎机里

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1、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

2、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。第一节碎岩工具与岩石作用的主要方式3、冲击一剪切型: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。第二节外载下岩石的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

3、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。（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图2－2半无限体在边界上受法向集中力作用第二节外载下岩石的应力状态假设：（1）岩石均质，各向同性；（2）遵从虎克定律；（3）弹性特性不受应力状态和加载速度影响第二节外载下岩石的应力状态（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

4、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。图2－4平底圆柱压头压力面上的压力分布第二节外载下岩石的应力状态（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：第二节外载下岩石的应力状态（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：第二节外载下

5、岩石的应力状态（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应引起重视。第二节外载下岩石的应力状态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（二）球形压头压入时岩石的应力状态球体压入时，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

6、心处：在压力边缘处：图2－6第二节外载下岩石的应力状态（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：第二节外载下岩石的应力状态（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：；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。第二节外载下岩石的应力状态（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

7、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。第二节外载下岩石的应力状态（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。第三节岩石在外载下的破碎过程（一）岩石的变形破碎形式1、黎金格尔定律：固体破碎功与破碎过程

8、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（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