工程钻探：岩石外载下的破碎过程

1）岩石的变形破碎方式

钻进破碎岩石，特别是破碎坚硬岩石时，轴向载荷起主要作用。根据切削具对岩石的作用力的不同，岩石变形破碎方式不同，对钻进速度的影响也不同。

按破碎特点和钻进效果，岩石破碎方式可以有3种（图2-16）。

图2-16　岩石的不同破碎变形方式

Ⅰ—表面破碎区；Ⅱ—疲劳破碎区；
Ⅲ—体积破碎区

切削具上轴向载荷不大时，切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度（pk≤pw），由于必须克服岩石的结构强度（岩石硬度），所以此时切削具不能破碎岩石。切削具移动时，将研磨孔底岩石，岩石的破碎是由切削刃与岩石接触摩擦所做的功引起的，因此分离下来的岩石颗粒很小，钻进速度低，钻孔进尺很慢。这种变形破碎方式称为岩石的表面研磨（磨损），这个区称为表面破碎区。

假如切削具上的轴向载荷增加，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影响产生的疲劳裂隙更加发展，于是众多裂隙交错，尽管切削具与岩石的接触压力仍小于岩石硬度（pk＜pw），仍可产生较粗岩粒的分离，这种变形破坏形式称为疲劳破碎，这个区称为疲劳破碎区。

切削具上的载荷继续增加，直到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。此时切削具与岩石的接触压力大于或等于岩石硬度（pk≥pw），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，会分离出大块岩石，破碎效果好。

体积破碎之前，切削具下先形成各向压缩的体积应力状态，分离时剪切应力起主要作用。

2）平底压模压入时的岩石变形破碎过程

当外载作用在平底压模上时，随着外载的增加，岩石上出现残余变形。残余变形以裂隙的形式出现在压模与岩石的接触圆周上并沿ac和ao方向伸展[图2-17（a）]。开始时，ac方向上的裂隙伸展速度比ao方向上残余变形发展速度快，但后来随着远离自由面，ac方向上的裂隙发展速度迅速减慢。如果外载增大，速度不变，则ac方向上裂隙发展速度也基本不变。多数情况下，ao方向上裂隙在o点相交的时间比ac方向上裂纹到达c点的时间晚。ac方向上的裂隙在c点产生指向自由面和o点的裂隙[图2-17（b）]。此后，残余变形迅速发展。裂隙从c点迅速到达自由面并与从o点发展来的裂隙相遇。当ao方向的裂隙在o点相遇后，产生oc方向上的裂隙。这些裂隙的发育结果，就产生aob体和mon体，aob体叫作主压力体，mon体叫作剪切体[图2-17（c）]。此时压模阻力急剧降低，压模下落，aob体破碎，从压模下面压出，一部分破碎的岩石被压在压头唇面的下面[图2-17（d）]。

图2-17　平底压模压入时的岩石变形破碎过程示意图(www.xing528.com)

如果继续施载，则被破碎的岩石在此以后在压模下面被压实，并在剪切应力体内产生弹性变形。此外，裂隙沿a'c'和a'o'方向向深部伸展。由于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[图2-17（e）]。a'o'b'体和m'c'o'c'n′体中的岩石将被压碎并部分从压模下面压出，但一部分破碎的岩石将又被压在压模的下面。

继续施加外载时，上述现象将重复进行[图2-17（f）]。先是破碎的岩石被压在压模下面，然后产生剪切裂隙，产生新的分离体，将其压碎，压模又下落等，以此类推。

图2-18示出了直径3mm平底压模压入大理岩时的阻力变化曲线1和岩石破碎体积百分比变化曲线2。

图2-18　平底压模压入大理岩时的阻力变化曲线

从图2-17可见，压模压入岩石时破碎过程是呈循环式的。从岩石弹性变形、塑性变形、形成主压力体、剪切体剪出、压模跳跃或下落完成一个循环，然后再开始一个新的破碎循环。

3）球状切削具压入时的岩石变形破碎过程

在球状切削具压入条件下，从理论上说，开始时切削具与岩石接触的是一个点，实际上是一个非常小的表面积。随着外载的增加，由于切削具和岩石都产生弹性变形，这个接触面开始增大。正如赫茨的研究结果证明，此时接触面中心的正应力最大，到接触面边缘降为零。由于应力分布不均匀，所以在岩石内产生剪应力，导致形成小的剪切和岩屑[图2-19（a）]。外载增加时，接触面增大，产生与原有裂隙平行的新裂隙系[图2-19（b）]。如果外载再增加，则接触面增大，产生的新裂隙系向岩石深处伸展。球状切削具总的弹性变形值不与外载值成正比例。外载继续增加时，弹性变形总值减小。因此在接触面上的应力增大。裂隙向岩石内伸展的深度随接触面上应力的增加而增大。以后的破碎过程与平底压模时类似。

图2-19　球状切削具压入时的岩石变形破碎过程示意图

球状切削具与平底压模压入岩石时的区别在于：裂隙对主压力体aob内的岩石进行了初步破坏，以及已破碎的岩石再次压在切削具下面的较少。

球状切削具压入岩石时，可以分为两种破碎形式：第一种形式是相交的裂隙系对岩石进行破碎；第二种形式是剪切体mcocn的分离。