钻掘工程(精品).doc

第一章　绪论一、 课程的内容、地位和任务“钻掘工程学” 研究如何借助机械或化学方式（爆破能）破碎岩土层，在地下形成规格和质量符合设计要求的钻孔或坑道，以达到找矿、采矿及其他工程建设或灾害治理的目的它与地质学、矿业科学、机械工程、土木工程等有着密切的关系涉及资源和环境两大主题本课程的主要任务： 讲授有关钻掘工程，尤其是钻探工作的原理综合分析钻探的实践经验；了解和掌握钻探的工作过程和基本规律；熟悉工程施工方法和程序；了解相关的新技术、新方法以及发展方向等本课程的目的： 使学生在未来的工作中能够运用所学的知识和技能，合理解决生产实际中遇到的问题；并能根据生产需要，采用新技术、新方法，提高劳动生产率和地质勘查水平二、岩土钻掘工程的渊源和发展概况冲洗冷却方式不断改进完善：(1) 全孔正循环；(2) 全孔反循环；(3) 孔底局部正循环；(4) 孔底局部反循环；(5) 节水钻进 三、岩土钻掘工程的应用(1) 矿产资源勘探和部分矿产的开采（如普查、采铀、石油开采等）；(2) 水文地质勘探和水井钻（按人均拥有水资源量计算：中国属于严重缺水的国家西北地区占全国面积1/3，水资源量仅占全国总量的8%，严重制约了经济的发展。

3) 工程地质勘查和生态环境研究(地基勘察、南极冰川钻探) ；(4) 地质灾害的防治与环境治理(三峡、小浪底)；（我国每年地质灾害的损失达几百亿元，地质灾害治理正是本学科的主要服务领域之一5) 工民建和路桥基础工程；(6) 国防工程及海岸工程；(7) 科学钻探 四、钻探工艺及程序*钻探主要程序：破碎岩石；排除岩屑；保护孔壁；升降钻具 包含两个主要工序：钻进、起下钻岩心钻探的基本工艺过程：(1)平整场地，挖好循环系统，安装钻塔、钻机、泵和动力机；(2)按设计的方向开孔,在孔口固定孔口管；(3)据所钻岩石物理力学性质、钻头直径、钻头类型和孔深选择合理的规程参数，一边冲洗钻孔，一边通过给进机构、钻柱给钻头加轴向压力和回转速度 ；(4)钻头在孔底钻出一个环形空间，并形成岩心，随着钻孔加深岩心将充满岩心管5)清洁孔底、冷却钻头切削具后，携带岩屑的冲洗液上返流出孔口，并在沉淀槽、沉淀池中清除掉岩屑后，清洁的液体再流回泥浆池，如此循环6)把钻具提至地表，从岩心管内取出岩心重新配好钻具，再下放至孔内继续钻进 完成钻孔的主要工艺流程图*：钻机搬迁，平整场地，设备安装，调试，开孔，选钻进工艺参数，钻孔冲洗及冲洗介质循环，冲洗液及选择，提钻，取心下钻，下套管护壁，测斜，测井、封孔常用的钻进方法及选用原则：软岩和中硬岩层:用硬质合金回转钻头钻进；硬岩:用金刚石钻头或钢粒钻头钻进；硬脆岩层:用液动（气动）孔内冲击器钻进或镶齿牙轮钻进更有效 ；钻孔的直径取决于钻进目的、钻孔结构和钻进方法：金刚石钻头主要用于小口径；钢粒钻头主要用于91mm以上的口径、中硬岩钻进； 硬质合金和牙轮钻头则既可钻进小口径孔　又可钻进直径达2m以上的大口径水井、工程施工孔和浅井； 钻孔深度可在几米至几千米范围内变化 五、钻探工程的应用范围*1．地质勘探（普查找矿钻探；矿产勘探钻探；水文地质、水井钻探；工程地质钻探）2。

开采矿产资源钻探；3工业工程施工钻探六、钻探方法的分类*1 根据钻进时取心的特点分类： 岩心钻探；不取心钻探2 根据钻孔的用途分类： 普查找矿钻探；勘探钻探；开采钻探；辅助钻探3 根据钻孔中心线的倾角和方位角分类： 垂直孔；倾斜孔；水平孔4 根据钻孔位置分类：地表钻探；水上钻探（河上、湖上、海上）；地下坑道钻探5 根据钻孔布置方法的分类：丛状布孔；多井筒钻进；多孔底钻进6 根据碎岩方式分类： 物理方法破碎岩；化学方法破碎岩石；机械方法破碎岩石（冲击钻进；回转钻进；其它） 冲击钻进又分为：手动冲击钻进；机械冲击钻进 回转钻进又分为：手动回转钻进；勘探回转钻进；深井回转钻进其它包括：螺旋钻进；震动钻进；冲击回转钻进 勘探回转钻进再分为：硬合金钻进；刚粒钻进；金刚石钻进 深井回转钻进再分为:转盘回转钻进;井底发动机钻进. 井底发动机钻进可再分为：涡轮钻进；螺杆钻进；电钻进7 根据钻进使用的冲洗液分类:清水；泥浆；加重冲洗液；充气冲洗液；乳化液；饱和盐溶液；冷的压缩空气（气体）第 2 章　岩石性质及碎岩机理钻掘工程指在地壳中破碎各类岩石，钻出不同直径、深度的钻孔或不同形状、长度的坑道。

第一节 岩石的物理力学性质一、岩石的组成与分类：岩浆岩 ；沉积岩；变质岩 岩石是矿物颗粒的集合体矿物的解理和劈理发育程度及方向，矿物硬度、晶体结构等特征，一定程度上决定着岩石抵抗外力的能力 硬度高的矿物组成的岩石强度及硬度较高 通常造岩矿物中石英含量愈多，胶结物的强度愈大，矿物颗粒愈细，岩石的强度愈大；粘土矿物愈多，岩石的硬度愈低从硅质－铁质－钙质－泥质胶结，岩石强度依次下降二、岩石的结构结构是岩石的微观组织特征，指组成岩石的矿物成分、粒度、形状和矿物颗粒之间的连结方式，反映了岩石非均质性和孔隙性如岩浆岩的粒状结构，沉积岩的砂状结构和泥状结构，变质岩的变晶结构等 胶结物成分和胶结方式对沉积岩坚固程度有重要影响：致密、胶结牢固、空隙少的岩石，坚固性较好；结构疏松，薄弱多面、空隙多的岩石坚固性差 泥质岩的变质程度越高，一般坚固性越强，但劈理发育时，坚固性差 岩石的坚固性越高,对于钻孔施工就越困难,而对保护井壁的稳定性就越有利三、岩石的构造岩石构造指岩石的宏观特征，即组成岩石的矿物间的相互关系，空间排列等，如层理、片理和裂隙等它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布状况，决定岩石的各向异性和裂隙性。

岩石的结构、构造与岩石成因类型、形成条件及存在环境有紧密的联系 岩浆岩由岩浆冷却凝固形成，由于生成环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不等，形成不同的结构和构造晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者往往研磨性较大 沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是层理，与钻进有关 变质岩：主要构造特征是片理，岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化层理：指在垂直方向上的岩石成分变化的情况片理：岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力由于岩石的构造特征，使多数岩石的性质具有不均匀性，反映在力学性质上为明显的各向异性－不仅是抗压强度有各向异性，抗拉、抗剪、抗弯和变形特征等方面都有各向异性层理之间的联结力较弱，在沿平行层理方向加压时，岩石首先从层理面裂开；垂直于岩石层理的抗压强度大，平行层理面的抗压强度小裂隙也对岩石的强度、钻进难易及孔壁稳定影响较大四、岩石的自然性质岩石的自然性质：岩石在生成过程中，由构造变动和风化过程中自然形成的特性密度:单位体积岩石的质量 容重：单位体积岩石的重量. 比重：单位体积岩石骨架体积的重量 岩石体积＝固相骨架体积＋岩石中孔隙体积一般来说，密度越高，强度越大。

孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比一般来说，孔隙度越大，强度越低含水性：W=(GW－GD) / GD ；透水性：KW＝ŋ q l / A (Pi－ Po) 岩石的孔隙越大，裂隙越多，水对它的影响就越小如石灰岩，用水浸透后，强度下降明显五、岩石的强度： 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性主要有变形特性、强度特性和表面特性 变形特性：弹性、塑性和脆性 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度 表面特性：硬度和研磨性 1、概念：岩石的强度指固体岩石抵抗机械破坏的能力依据外载作用性质的不同，可以有抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度等2、 影响岩石强度的因素 ：岩石的物质成份、岩石的结构构造、岩石的容重和孔隙度、受力条件、应力状态、载荷速度岩样的线性尺寸、湿度和温度3、岩石强度的测定：（1）单轴抗压强度：总压力与岩样断面之比 　бb=P/S 2）抗剪强度：切向剪应力与剪切断面之比目前常用的测定方法为剪切法；（3）岩石强度与钻进破碎岩石的关系 ：随着岩石强度值的升高，破碎岩石的效果降低，钻进速度下降；随着孔深的增加，岩石密度、强度升高，破碎岩石的效果降低，钻进速度下降。

六、岩石的表面特性 ：1、硬度 岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性，衡量单位是kg/cm2 * 岩石硬度与抗压强度既有联系，又有区别硬度只是固体表面的局部对另一物体侵入的阻力；而抗压强度是岩石整体抗破坏的能力可见，硬度指标更切合钻掘工程碎岩的实际 影响岩石硬度的因素（Factors affecting rocks hardness）：岩石的矿物成分和结构构造；应力状态；载荷速度；液体介质；工具形状和尺寸层理对硬度的影响与强度相反水的浸入对岩石的硬度也有很大的影响岩石硬度的测定：岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2π）倍测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎(在多向受压状态下进行)常用的硬度测试方法有两种：即压入硬度和摆球硬度一般而言：岩石压入是比较困难的，但压入后破裂则容易的多2、岩石的研磨性 岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝岩石磨损钻头的能力就降低 影响岩石研磨性的因素 （Factors affecting rocks abrasiveness） ：岩石的矿物成分和结构特征(如岩石的矿物成分、石英含量、颗粒大小和形状)；正压力；滑动速度(岩石与工具摩擦表面的温度、相对湿度)；介质岩石研磨性测量 岩石研磨性测量方法较多，而规程参数对其影响又很大，目前尚无统一衡量指标。

七、 岩石的变形特性 弹性：固体在卸去所加载荷后，恢复原来状态的性能塑性：当所加载荷卸去后，固体保持其变形的性能 脆性：固体在载荷作用下不引起残余变形的性能脆性岩石的弹性极限与强度极限很接近，外载荷达到岩石的弹性极限时，很快出现固体的完全破碎 影响岩石弹性、塑性和脆性的因素（Facts affecting rocks elasticity and plasticity）：岩石物质成分；载荷性质 ；岩石结构构造；受力条件；应力状态；温度和湿度 岩石不是理想的弹性体，不符合虎克定律 组成岩石的矿物多不是塑性的，岩石的塑性变形主要是由矿物颗粒间沿界面滑动而引起的岩石颗粒间相对滑移越强，孔隙度和湿度越大，则岩石的塑性越强 在常温、常压下，岩石在单轴压塑状态下的塑性不明显，但在复杂应力状态下及一定温压条件下，岩石却表现出明显的塑性在岩石力学中，根据单向压塑时应力-应变曲线所反映的岩石变形特征，常把岩石分为三类：弹脆性岩石－如花岗岩、石英岩等；弹塑性岩石－大理岩、石灰岩、砂岩；塑性岩石－粘土、盐岩、高孔隙岩石等岩石在外力作用下，首先产生弹性变形，其应力－应变关系是一条斜率为E的直线，若进一步增加外载，便出现3种可能：1 岩石脆性破坏，在此之前不存在不可逆的应变，这类岩石称为弹脆性体；2 应力和应变之间的直线关系发生变化，也产生脆性破坏，这类岩石称为弹塑性体；3 经过短暂弹性变形后，很快转入典型的塑性变形，岩石不发生脆性破坏而是塑性破坏，其特点是破坏前有较大的不可逆应变和明显的破坏面－塑性体在三轴应力作用下，岩石力学性质的另一显著变化是：随着围压增大，岩石表现出由脆性到塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。

实验表明：灰岩当围压小于50MPa时，基本上为脆性破碎；当大于50MPa时，开始出现塑性；当大于100MPa时，明显表现为塑性第二节 岩石可钻性及其分级 一、概念 可钻性：钻进过程中岩石抵抗破碎的程度，亦即岩石。