最新地质勘探技术手册_部分19

第三章!地质钻探管材 第一节!概述 （一）钻探管材在钻探工程中的地位 钻探工程是通过一套传递系统将地表的机械能输送到钻孔底部!利用碎岩工具破碎岩 石延伸钻孔的一个施工过程"地表设备是钻机和钻塔!地下设备则称钻具!钻具由钻杆#岩 心管#扩孔器#钻头等组成!其主体是一根连接起来的钢管柱!这个管柱连同用于护壁#取心# 滤水#成井等各种专用管统称钻探管材" 钻探管材不仅是钻具的重要组成部分!还具有保护孔壁#成井等特殊功能!同时钻探管 材又是钻探工程中重要的消耗材料!它的质量和寿命与钻探工程的效率#质量#安全和成本 息息相关" （二）钻孔口径系列是确定管材规格的前提 钻探管材规格系列是一个受$管巢%&I"5^’级配概念制约的系统"首先是谋求较小的碎 岩断面以获得较高的钻速!以较薄的管壁实现轻便#经济的目的(同时又要满足管材必要的 刚性和强度"既要考虑组成钻具的各种间隔匹配以满足钻进工艺的需要(还要顾及上下规 格间$套中套%的特点!并且要充分注意管材的通用性!减少品种" 为易于了解钻具的口径级配关系!根据)金刚石岩心钻探用无缝钢管*&VM+,-$,+*$’ MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713308092268_0绘制了钻具级配系列图!俗称管巢图&图,+(’" （三）钻探管材受力状态及管材的主要损坏形式 (/钻杆柱的受力状态 钻杆柱是由刚性很强的钢管连接而成!长径比悬殊使其具有明显的柔性特点"以通常 应用的金刚石钻进外径;.77钻杆为例!在()))7深的钻孔中!钻杆的长径比为(*)))_(! 相当于一根(/.7长的头发!这样的超细长轴远距离传动!是钻探工程最为突出的特点!其 他行业十分罕见"它承受着拉#压#扭#剪切#弯曲等多种应力!并承受着交变载荷和变化幅 度极大的不均匀载荷!受力状态十分复杂"工作环境既有直孔又有斜孔!既可能遇到超径孔 段又可能遇到缩径孔段!既经受化学腐蚀又经受物理磨损!工况极为恶劣" $/套管的受力状态 套管是作为保护孔壁或隔绝含水层及漏水层而下入孔内的稳定管柱!它经常承受的是 下套管时源于自重产生的拉应力!以及起拔时管柱自重!加之与孔壁摩擦产生的拉应力!在 钻进阶段它承受钻具回转产生的磨损!还承受来自周围岩层的挤压力"有时为了顺利将套 管下至预定部位!常常采用强制回转或压入的方法!则套管又有类似于钻杆的受力过程" ,/钻探管材损坏形式 钻杆损坏除钻杆在孔内回转造成磨损外!常常是上述多种应力的合成应力’)超过了危 险断面处的疲劳强度+’+(, -$.((- 第三章!地质钻探管材 图,+(!金刚石岩心钻探钻具级配系列图示 ’)$!’+(" #,+($ !!合成应力依第三强度理论应为 ’)% #’F’’5$$’-6# $ #,+$$ 式中%’F&&&压应力’ ’5&&&弯曲应力’ 6&&&剪切应力( 钻杆的安全除与轴心压力)转速)孔径)孔深等直接相关外*还和钻杆柱的半波长及截面 尺寸有关( 套管的损坏除起拔时滑扣套管折断外*还经常由于钻杆回转中敲击套管造成退扣脱落* 继之扫劈形成事故( 第二节!钻探管材的主要品种!规格系列 （一）硬质合金、钢粒钻进管材 (/钻杆 典型的硬质合金)钢粒钻进的钻杆有端部内加厚和外加厚两种型式*用以增加端部的强 度*用锁接头和接箍连接(其材质多为UH..)UH2)*钢材屈服强度..)!2))!:N( $/岩心管)套管 硬质合金和钻粒钻进用的岩心管和套管都是平壁的无缝钢管*材质为UH..)UH2)*用 +,.((+ 接头连接!其尺寸规格相同" （二）金刚石岩心钻探管材 金刚石岩心钻探是目前地质勘探最主要的技术方法!其口径和管材系列历经发展演进! 已趋于完善#表,+($表,+$$表,+,%" 表,+(!金刚石岩心钻探管材系列!VM,-$,+*$" !77" 公称 系列 钻头 外径 内径 壁厚 扩孔器 外径 岩心管外管 外径 内径 壁厚 内外管 间隙 岩心管内管 套管 外径 内径 壁厚 外径 内径 壁厚 $* $* (; ./. $*/. $; $$/. $/$. ( $)/. (* (/$. ,2 ,2/. $(/. ;/. ,; ,. $1 , (/$. $2/. $, (/;. -. ,* ,/. -2 -2= -2/. $1 */;. $. ()/;. -; -. ,* ,/. (/. ,. ,( $ -. ,2 -/. $/. ,( $; $ .* -1 -/. .1 .1= .1/. -(/. 1 ,2 ((/;. 2) .* .( ,/. (/;. -;/. -,/. $ .* -1 -/. , -, ,* $/. ;, 2, . ;. ;.= ;. .-/.()/$. -1 (, ;./. ;, 2./. ,/;. (/;. 2$ .2/. $/;. ;, 2, . ,/. .2 .( $/. *1 *( - ;*/. ./$. 1( 1( 2* ((/. 1(/. *1 *( - $ ;; ;) ,/. ()* 11/. -/$. 1;/. ./$. 表,+$!金刚石岩心钻探钢管材质的牌号和化学成分!VM,-$,+*$" 钢级 牌号 化学成分#Y% F =3 !6 = : !B [ M UH-) -.!6M )/-$!)/-1 )/$)!)/-) (/()!(/-) .)!6 )/-*!)/.2 )/(;!)/,; )/;)!(/)) 0 )/)-) 0 )/)-) + + )/))(!)/)),. + + + UH.) -)!6$ )/,;!)/-- )/$)!)/-) (/-)!(/*) -)!6$=3 )/,;!)/-. )/-)!)/;) (/,)!(/*) 0 )/)-) 0 )/)-) + + + + + + UH.. -)!6$!B )/,*!)/-. )/$)!)/,. (/.)!(/*) -)!6[M )/,;!)/-- )/$)!)/-) (/()!(/-) 0 )/)-) 0 )/)-) )/$)!)/,) + + + )/).!)/() )/))(!)/))- UH2) -.!6!BM )/-(!)/-1 )/(;!)/,; )/1)!(/$) 0 )/)-) 0 )/)-) )/$)!)/,) + )/))(!)/)). UH2.$;!6!B[M)/$$!)/,$ )/(;!)/,; (/$)!(/2) 0 )/)-) 0 )/)-) )/,)!)/.) )/)*!)/(. )/))(!)/)). 表,+,!金刚石岩心钻探钢管的力学性质!VM,-$,+*$" 钢级 屈服点’I#!:N%抗拉强度’A#!:N% 伸长率’I#Y% 不小于 用途 UH-) -)) 2.) (- 钻头$扩孔器 UH.) .)) ;)) ($ 套管 &-.((& 第三章!地质钻探管材 钢级 屈服点’I!!:N"抗拉强度’A!!:N" 伸长率’I!Y" 不小于 用途 UH.. ..) ;.) ($ 套管#岩心管#钻杆 UH2) 2)) ;*) ($ 套管#岩心管#钻杆 UH2. 2.) *)) 岩管#钻杆 UH;. ;.) *.) () 钻杆接头 （三）水文水井钻探管材 水文水井钻探管材长期以来是沿用固体矿产岩心钻探用的管材$以其尺寸系列为基础$ 增加若干个大口径的规格%在地热钻探中也采用过石油钻探管材&随着水文水井钻探技术 的发展$工艺不断进步$工况日益复杂$$)世纪*)年代末正式形成了水文水井钻探管材系 列& 7钻杆&采用端部加厚的无缝钢管制造的钻杆体$两端以对焊方式分别焊接内#外螺纹 接头的型式&常用外管规格为M;,#*1#((-77$其材质为UH2.#UH;.&用于空气反循环钻 进的双壁钻杆$常用外径规格为M*1’((-77$外管材质为UH2.#UH;.$内管材质为UH-)& 8钻铤&用UH..厚壁无缝钢管$采用直接加工在管体上的数字型接头螺纹相连$用自 身的重力确保给钻头加压& 9套管&用UH-)#UH.)无缝钢管制造$岩心管用UH..#UH2)无缝钢管制造$用于水井 的大口径套管可用钢板卷焊制成&它们的外径尺寸系列一致$仅壁厚不同$套管可采用螺纹 连接$大口径套管亦可焊接& :井管和过滤管&目前用于水井成井的井管有铸铁井管#钢质井管#玻璃钢井管和聚氯 乙烯!:[F"#高密度聚乙烯!’U:e"井管%过滤管则有缠丝过滤管#桥式过滤管#:[F过滤 管#玻璃钢过滤管#贴砾过滤管#笼状过滤管#包网过滤管和裸眼过滤管等$以前两种应用最 广& （四）其他钻探管材 随着钻探新工艺新技术的发展$管材品种日益增加$如双壁管水力反循环中心取样工艺 已获得成功$出现了双螺纹双壁钻杆$虽然目前尚未形成独立的规格系列$但在这一新工艺 的推广应用中$可望日趋完善& 金刚石绳索取心钻探适用于复杂地层深孔的重型钻杆柱$在国际现已形成复合重载的 F’U系列$国内也已着手研究应用& 轻型钻杆如铝合金#镁锆合金钻杆$国外有成功经验$国内亦应吸收应用& 第三节!管柱的连接形式 钻探管材主要依靠螺纹连接成管柱或组成钻具& （一）硬质合金、钢粒钻探管材螺纹 钻杆螺纹采用圆头或平头的圆锥螺纹$螺距为,/(;.77和$/.-)77$锥度(_(2$锁 (..((( 接头之间的连接螺纹螺距为-/$,,77及2/,.)77!锥度为(_.或(_2" 矩形圆柱螺纹连接的钻杆现已逐步淘汰" 岩心管#套管螺纹均采用牙形半角为.j的梯形螺纹!螺距为-77!牙高一般为)/ ;.77" （二）金刚石岩心钻探管材螺纹 钻杆螺纹一般采用圆柱梯形螺纹!牙形半角为.j!螺距选2或*77!牙高依口径不同为 (/.#$和$/.77" 近年来!为了改善钻杆柱螺纹部位的受力状态!科研单位研制了顶锥式钻杆接头"其特 点是在圆柱梯形外螺纹的端部增加一段光滑圆锥!相应地在内螺纹根部也加工一段光滑圆 锥孔!螺纹旋合后!锥体和锥孔形成紧密的配合!可以分解出一部分压#扭#弯曲应力由配合 的锥面承担!大大减轻了螺纹副的负荷!在生产中取得良好的效果" 岩心管和套管螺纹均采用.j梯形圆柱螺纹!螺距依口径不同分别为,#-#2#*77!牙高 外管大多为)/;.77!内管多为)/.77"套管螺纹同岩心管类似!螺纹长度通常比同级岩 心管增长" （三）绳索取心钻杆螺纹 绳索取心钻杆螺纹对保证钻杆柱的强度至关重要"近年来!充分借鉴国际上的先进经 验!完成了绳索取心钻杆螺纹的定型设计!其特点是采用内外螺纹等锥度!牙形半角为(.j 而不等牙高的梯形螺纹!螺距多为*77!标准配合应为(/.77的正值紧密距" （四）水文水井钻探管材螺纹 钻杆采用了#:4石油管材螺纹[+)/),*牙型$岩心管#取粉管采用螺距为277的特 殊梯形螺纹!套管则有(_(2的圆锥螺纹和特殊梯形螺纹两种连接" （五）管柱的接头与管体的连接 管体与接头传统上也是螺纹连接!但由于其拧卸频率不高!且处于强度薄弱部位!从有 利于置换废旧接头!修复和再生管柱并确保螺纹部位的强度出发!先后推广应用了几种新方 法% (/黏结的螺纹接头 这种方法是利用&环氧树脂’#&1(-’等有机黏合剂或氢氧化铝#磷酸等无机的黏合剂涂 覆在钻杆与接头的连接螺纹处!以大于工作扭矩的拧紧力旋紧!减少螺纹连接的滑移量!提 高钻杆柱的刚性和密封性能" $/等离子弧焊接钻杆接头 是将惰性气体(氩气)通过喷嘴!在机械#热收缩和磁收缩三大效应作用下!发生电离!以 等离子弧使金属熔化将钻杆体与接头焊接在一起" ,/摩擦焊接钻杆接头 此种方法经多年研究试验!已形成较成熟的工艺!不仅应用在金刚石钻探等高强度钻杆 中!也应用在水文水井钻探的钻杆上"从焊机选择#焊接 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 #切除飞边!以及消除内应力等 方面都取得一定的经验" *2.((* 第三章!地质钻探管材 第四节!钻探管材的强化处理 管材的强化处理是充分发挥材料潜能!提高管材寿命!确保安全生产!获取经济效益的 有效方法"经过多年探索研究!管材的强化处理有三大类# (/常规热处理 包括调质$等温淬火$亚温淬火$感应加热处理%包括高频淬火$中频淬火$超高频淬火 等&" $/化学处理 包括等离子氮化及气体氮化$渗硼渗碳或多元共渗$磷化或镍磷化处理$镀铬等" ,/特殊处理 主要有表面喷涂$喷焊超硬材料$激光扫描$电子束扫描$气相沉积电火花处理等方法" 第五节!钻探管材标准化的进程 钻探管材作为钻具的重要组成部分!与钻孔口径系列密切相关!制约着钻探机械$机具$ 仪器和工艺方法的开发和研制!是钻探工程标准化的首要对象!也是一项重要的技术基础" 我国经济恢复时期!工业受前苏联影响极大!钻探工程以硬质合金$钻粒钻进方法为主! 钻探管材基本搬用前苏联的规格系列"这一系列在我国钻探工程发展中长期使用!影响深 远!至今仍有迹可寻" $)世纪2)年代开始!金刚石钻进技术蓬勃兴起"发展初期!我国受瑞典$日本影响较 大!fM*-*+;.’小口径钻进用钢管(采用的钻孔口径是以瑞典$日本为蓝本的)2*字尾系列! 即,2+-2+.2+22+;2规格"随着新技术的推广普及!复杂岩层日益增多!这套标准暴露 出一些明显的缺陷"(1*$年经过多次协调!颁布了’金刚石岩心钻探用无缝钢管(国家标 准"这个标准的特点是加大了口径系列的级间间隔!简化品种!提高管材的通用性"但是囿 于当时的条件!这套标准仍存在不足!部门间实际应用的钻头口径不一致!特别是螺纹参数 不同!国内长期未能统一!给使用和制造者造成极大困难" 进入改革开放的新时期!钻探工程逐渐走出国门!增多了国际间的交往!全国地质矿产 标准化技术委员会的成立标志着探矿工程的标准化从部门分割管理到全行业宏观管理的转 化"$)世纪*)年代初!引进了影响深远的美国UFU!#标准!$)世纪*)年代末!我国积 极参与了4=G国际标准化组织&EF*$%矿业委员会&=F2%金刚石岩心钻探设备分技术委员 会&的活动!掌握了钻具和钻探管材标准国际上的最新动向!充分借鉴国际先进经验!重新编 制了我国金刚石岩心钻探钻具国家标准" 水文水井专用管材也在(1**年编制了成套的标准!吸取了#:4标准的特点!极大地丰 富了水文水井管材的品种!改善了管柱的连接强度" 迄今钻探管材已基本实现了标准化!体现了简化$统一$协调$最优的原则!极大地改善 了通用互换性能!适应了生产的需要"同时也与国际接轨!和世界上影响最大的国际标准和 +;.((+ 国外先进标准相互对应!管材质量的保证体系已初步形成!为探矿工程的进步和发展奠定了 良好的基础" #*.((# 第四章!钻探仪表 第四章!钻探仪表 第一节!钻探仪表与科学化钻井的关系 钻孔深入地下数百米乃至数千米!在地面很难察觉孔底工况如何!也不能直接知道钻孔 的弯曲程度和实际轨迹"此外!钻探设备是否超负荷!冲洗液性能指标如何!地层是否变化 了!也不能只靠感觉判断"只有利用钻探仪表监测钻探过程!才能做到依靠科学化手段指导 钻探操作!实现高效#优质和安全作业!摆脱盲目凭感觉和经验打钻的局面"所以说钻探仪 表是实现科学化钻探的重要技术装备之一"钻探仪表主要包括钻探参数仪表#测斜仪#钻井 液性能测试仪器等" 钻探工作的发展推动了钻探仪表从单参数到多参数#以及机械式到自动化的发展历程" 同时由于新工艺方法的出现!促使钻探仪表有了新的发展!例如$科学钻探使成像测井新仪 表问世%超深钻促使自动垂直钻井监控系统研制成功%大位移水平定向井对高精度随钻测斜 仪提出新的需求等等" 第二节!钻井参数仪表!简称钻参仪" （一）钻参仪的主要功能与作用 钻进参数主要是指钻进时所使用的钻头压力#转速#冲洗液流量以及反映钻机负荷和钻 进效果的扭矩#钻速等参数"它们是保证高效破碎岩石和设备运转正常!以及钻孔安全#优 质的重要因素"高的规程参数虽然可以取得高的钻进效率!但也会使钻具磨损加重!钻头寿 命降低!钻孔产生偏斜和取心效果变差!所以必须辨证处理!合理实施"实践表明!钻进过程 中频繁而随意地变动规程参数!往往造成钻速不稳#平均钻速下降#钻头早期磨损以及岩心 堵塞" 利用钻参仪表可以判断孔内情况"例如!利用钻压表判断换层&地层变换’!利用泵压表 判断堵水和绳索取心内管到位!应用钻参仪表监测可及时发现钻具折断和确定断钻具部位! 以及判断钻孔漏失及井涌等情况的发生" （二）常用的钻进参数仪表 (/机械式钻进参数仪表&主要有钻压表#泵压表和流量表’ 早期的钻压表#泵压表就是一般的弯管压力表"由于它不能适应钻进时的超压和剧烈 震动!极易损坏"后研制了柱塞式压力表!用作钻探的钻压表和泵压表" Hf型柱塞式压力表利用弹簧的压缩位移量来反映油压的大小"用作钻压表时!它接 在油压钻机油路换向阀处可分别测油缸上#下腔的压力!以完成称量钻具重力!测量在加#减 压钻进时的相应钻压"Hf型系列柱塞表的精度是$/.级!最大称重())@I!可用于各种地 质油压钻机"它具有结构简单#坚固抗震等优点"产品系列为Hf+2#Hf+*##Hf+()# (1.((( 及Hf+(.!分别用于,))"2))"()))"(.))7钻机# Mf型泵压表$图-+(%是在柱塞表下接一个油水隔离器!用于泵压测量#隔离器通过 充油胶囊阻止泵中泥浆进入仪表!并起到减震作用#当油囊中的油流向柱塞表时!通过一个 小孔减震器#Mf型泵压表有Mf+2)及Mf+*)型两种!其满量程额定压力分别为2和 *!:N# 图-+(!Mf型泵压表 (+表头&$+油水隔离器&,+上接头 fS型抗震泵压表!结构上除装有油水隔离器外!表壳内充满硅油并以动盘代替传统表 针!增强了抗震性能#这种抗震压力表寿命较长!但精度偏低# 浮子流量计由壳体"锥管"浮子和指示器等部件组成#冲洗液由锥管下端进入!从壳体 侧口流出#当浮力与浮子的重力相等时!浮子上升浮在一定高度!此高度代表当时的流量# 浮子杆上端有磁钢!吸动密封刻度管外端的指示环移动到相应的位置!指示环对应的刻度即 是当时的流量# >\+(型浮子流量计采用了超硬材料的浮子和高强度耐磨塑料锥管!耐磨性强#其浮 子与指示环是通过非接触磁耦合连接!工作可靠#但因有运动部件!要求保持清洁防止泥浆 侵入# $/电子式钻进参数仪表 电子式钻进参数仪表有扭矩表"钻速表$图-+$%和流量计# 4I+(型扭矩仪采用相位差电磁脉冲发生器的原理构成#使用时将其连接在钻机与动 力机的传动链中#机械扭矩会造成扭矩传感器弹性轴产生一个扭转角!此时弹性轴两端的 发生器的脉冲便产生一个相差!其大小与弹性转角即扭矩成正比#电子仪器检测此脉冲相 位差!经鉴别相位电路给出相应的扭矩示值# 钻速是反映钻进效果的参数!也是地层变换的监测参数!对于钻探工作是很重要的一项 指标#H=+(型钻速仪利用钻机立轴位移带动一个测速发电机的原理来检测钻速#这类仪 ’)2((’ 第四章!钻探仪表 图-+$!4I+(型扭矩仪和H=+(型钻速仪 表简单可靠!设计中注意了防震"防潮"防尘处理!设有超限报警系统!交直流电源均可!适合 钻探现场使用# UHE+\型超声波流量计是采用多普勒原理设计而成的!采用全集成电路!超声波探头 装在管壁侧面!液体流速使发射与接受的超声波产生频移!且与频移成正比!当管子断面面 积已知!由流速而测知流量#这种非接触式仪表测量精度高"耐用!可有效预防烧钻"埋钻事 故#(11(年获得部级科技二等奖# ,/综合式钻进参数仪表 为了更好地掌握钻探生产过程!往往需要同时监测多项钻进参数#因此!集成各项钻进 参数检测于一个综合钻参仪中!是钻参仪发展的必由之路#现代综合式钻参仪多采用电子 检测技术方法#图-+,给出了综合钻压"泵压和转速于一体的数字式XHF+(型钻参仪# 性能类似的还有=HE型钻参仪$三参数%"’US型钻参仪$七参数%# XHF+(型钻参仪的设计特点是& 7远距离检测钻压"泵压和流量!以数码形式集中显示参数数值# 8可巡回检测各项钻进参数!也可指定某一项参数单独监视# 图-+,!XHF+(型钻参仪 (+发送齿盘’$+转数传感器’,+钻压传感器’-+压力表换向阀’.+油路操纵阀’ 2+泵压传感器’;+水泵空气室’*+数字显示仪表主体 9各项参数具有超负荷自动声"光报警系统# :仪器可交直流供电# ((2((( ;配合涡轮测漏探头可测钻孔漏失! 这种仪器采用了应变式压力传感器"用来测量钻压和泵压"采用齿盘与电磁感应脉冲开 关测转速! -/计算机在钻参仪中的应用 随着电子计算机技术的发展"计算机自动巡回检测和计算机自动控制技术都已成功地 被引用到钻探工作中! 微机自控钻进系统"可检测钻压#泵压#流量#转速#扭矩#钻速等钻进参数"并采用闭环 反馈技术"控制钻压#转速和泵量三项钻进规程参数!该系统利用软件编程"实现了定切入 量自控钻进过程!并用具有参数超限报警和断水自动停车"以及数据自动绘图存储等功能! UUO型计算机智能化钻参仪"利用计算机技术实现了钻进参数的自动检测"以及智能 化判断钻进过程的各种工况"可实时采集#监测与显示钻压#扭矩#转速#钻速#进尺#孔深#泵 压#流量和功率1个钻进参数! 钻孔测斜仪有关内容见本书相关介绍! 第三节!钻井液性能测试仪器 （一）钻井液性能测试仪器的功能与分类 为了描述钻井液在孔内的流动状态#性能指标和所起的作用"以及在实验室内研制钻井 液处理剂和设计钻井液体系及配方"都需要用能模拟相应功能的各种测试仪器来确定和评 价"以便于监控和及时处理井孔内发生的情况"并提供安全有效的钻井液材料和配方! 钻井液性能测试器按其功能分类$ 流变性$马氏漏斗黏度计#静切力仪#直读旋转黏度计% 滤失性和造壁功能$滤失仪&静失水量测定仪’#动失水防塌试验仪% 润滑性和黏滞性$极压&e:’润滑仪#\e!润滑仪#泥饼黏附系数仪% 井壁稳定性$膨胀性试验仪#分散性试验仪#三轴应力页岩稳定性试验仪等! 另外还有测量密度的钻井液密度秤&比重秤’和模拟漏失和堵漏功能的架桥材料试验 仪"以及含砂量测定仪#固相含量蒸馏器#乳状液稳定性仪#膨润土含量和Z’值等测定仪 器! （二）常用的钻井液性能测试仪 (/旋转黏度计 旋转黏度计由两个同轴直立圆筒&旋转筒和悬柱’#表盘和弹簧等主要部件组成&图-+ -’"当置于量杯&,.))7\液体’中的旋转筒转动时"由于液体的黏滞性带动悬柱"从表盘可 直接读出被测钻井液的表观黏度和静功力!通过宾汉#幂律和卡森等流变模式计算"可以获 得塑性黏度#屈服值#流性指数#稠度系数和动塑比等流变性参数!用来控制和调节钻井液 循环中的流动状态"或 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 钻井液体系和处理剂的流变特性! 旋转黏度计分两速&2))#,))R(736’"六速&2))#,))#$))#())#2#,R(736’和无级变速&) !2))R(736’"现场和实验室最常用的是六速黏度计!无级变速黏度计又分常温和高温高压 两类"$)世纪*)年代以来"国内外都在进行研制与开发! 探矿工程研究所研制成功的全自动泥浆流变仪&图-+.’是以旋转黏度计的旋转筒和 )$2(() 第四章!钻探仪表 图-+-!旋转黏度计 图-+.!全自动泥浆流变仪 悬柱系统尺寸为基础!整个仪器由微机程序控制"试验时只需按一个键钮!就可自动测出 #:4Q:(,M所要求的全部流变性能数据!以及上述三种模式的流变参数!并打印出全部结 果" $/滤失量测定仪 在钻孔内压差作用下!钻井液中自由水将透过孔壁岩石小裂隙和孔隙渗失!并在孔壁上 形成一层泥皮"这就是钻井液的滤失性和造壁性能!是评价钻井液常规性能的指标之一" 测量钻井液的滤失量一般用静失水量仪!分#:4失水量仪和’E’:失水量仪两类" #:4失水量是在压差21)@:N的常温下,)736渗滤的水量#’E’:失水量是模拟井下高温 和压差,/-.!:N下恒温,)736所接收的渗滤水量"从失水量仪中取出测试后的泥饼!其厚 度和致密性等就是造壁性能的主要评价指标" 实际钻进时!钻井液是循环流动的!压差也非恒定!对井孔影响主要是动态失水"目前 只有在高温高压特殊条件下研究井壁稳定时用动态失水防塌仪!但仪器结构复杂!价格昂 贵" ,/润滑性和黏滞性测定仪器 孔壁泥皮的黏滞性和钻井液的润滑性对钻进工作关系很大!特别是小口径金刚石钻进 $,2(($ 时!由于环状间隙小!钻井液润滑性将影响钻具开高转速!泥皮的黏滞性则是导致钻柱黏附 卡钻的主要原因" 钻井液润滑性测量常用极压润滑仪!是环块式仪器"圆环和钢块都浸泡在待测液中!测 量时将钢块用手把推压向转动的圆环!推压力矩#)$./2.$((/,)$(2/1.I%7&与钢块磨损 量和读数可以计算出摩擦因数"由于试验系钢与钢的摩擦!评价结果只是相对润滑性" 美国麦柯巴公司研制的\e!钻井液润滑仪!可以较好地模拟井下动态条件!并配有显 示$ 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 系统" 泥饼黏附系数测定仪是用测扭矩的方法来评价泥饼的黏滞性"国产VI>型黏附仪! 是一种模拟性的多种功能的测试仪器"该仪器工作原理是首先按#:4标准测试程序测量 钻井液的失水量!然后自动下压黏附盘与泥饼密实!用扭矩仪测其黏附系数"VI>黏附仪 可测试钻井液常温中压#21)@:N&和常温高压#,/-.!:N&下的失水量和黏附系数!还可以测 试钻井液高温#(;)D&高压#,/-.!:N&下的失水量和黏附系数" %-2((% 第第六六部部分分 坑探工程 第一章!坑探工程任务 第一篇!坑探技术现状与发展趋势 第一章!坑探工程任务 一!坑探工程的起源 坑探工程起源早!历史悠久!是地质找矿的一种可靠方法"早在两三千年前的商周时 代!就用这种方法找铜矿!这是人类最早认识的有用金属矿种!随后又用这种方法找铁矿#金 矿等其他矿种"可以说有了矿业的出现就有了坑探工程"初期的坑探工程多为探采结合" 二!坑探工程的类型与特点 坑探工程主要类型有$探槽#浅井和小型断面平巷#斜井及竖井等"坑探工程能够穿过 围岩!充分揭露矿体!并可对矿体进行追踪"在施工过程中!地质人员可以进入现场!直接进 行观察和采样"同时!坑探工程还可以为采矿所利用!实行探采结合!节约开采成本" 三!坑探工程的任务与作用 坑探工程不仅可以定性确定矿床的存在及矿种和类型!而且可以直观#可靠地确定矿物 储量"在不同的地质勘探阶段!对于不同的矿床类型及其产状#含矿品位!坑探工程发挥的 作用也不尽一样"在区域地质调查和矿产普查阶段!常用探槽#浅井#掘进短浅坑道等坑探 工程%在矿床勘探阶段!对大型的#规则的#层状矿体!如煤#铁等矿!坑探工程多是配合钻探 掘进少量坑道用于验证%对于产状不规则#含量不均匀的矿体!如铜#铅#锌等有色金属矿种 和极不规则#含量极不均匀或含量稀少的矿种!如金#银#镍#铬#铀#钍#水晶#云母等稀有#分 散元素的勘探!坑探工程是主要的手段"坑探工程在地质找矿工作中可为地质人员提供直 接观察地质构造#矿体形态和产状的条件!有利于进行地质素描#岩矿取样"对于圈定矿点 和矿区范围#查清矿体的形态和产状!求得含矿品位和高级储量等方面发挥着重要作用"在 航空遥感#地面物探#化探和钻探等手段相继出现的今天!坑探工程仍是验证航空遥感#地面 物化探和钻探的手段!发挥着不可取代的作用" &;2((& 第二章!坑探工程变革与发展 坑探工程历史悠久!至今仍保持着旺盛的生命力!除了功能的优越性其他勘探方法难以 替代以外!自身的技术"包括掘进工艺和技术装备#发展和提高也是重要原因$新中国诞生 .)多年里!特别是改革开放这$)多年中!坑探技术取得了长足进步!基本上实现了掘进技 术的现代化$ 第一节!生产变革与发展 "一#体制队伍的变革 建国初期!地质队伍的编制均属综合型地质队$一般设地质科和探矿工程科$当时的 坑探工程技术人员设在探矿工程科内!坑探施工组织设在分队$ 随着地质事业的发展和科学技术的进步!坑探工程的掘进工艺不断改进和完善!技术装 备不断更新!$)世纪2)年代后期到;)年代初!大部分省地质局在原坑探分队或小组的基 础上合并%充实后!有过半数的局成立了坑探专业队$ 现在的坑探队伍!不仅能熟练地掘进断面几平方米的地质坑道!也能够完成断面几十平 方米到两百多平方米的交通%能源%水利%市政%环境治理等方面的大型隧道$自$)世纪*) 年代初到现在已建成这类隧道工程数百项!有著名的杭州西湖引水环境治理工程和北京西 客站断面$$,/.7$的&鹰山(号’电气铁路隧道等$爆破技术不再只限于坑道掘进!已向地 面建筑拆除工程%开山修路工程%移山造坝工程等方面拓宽$控制爆破技术已广泛应用于各 种工程施工中$ 为了面向社会承建更多更大工程的需要!从上世纪*)年代中期开始!坑探专业队已陆 续改建成自主经营%独立核算%自负盈亏的企业$如浙江省隧道工程公司%辽宁地矿井巷建 筑工程公司%四川都江堰地质工程公司%云南地矿隧道工程公司等$名称虽不尽相同!但专 业范围大致一样!仍以施工坑道为主$这样的公司比过去的坑探专业队数量更多!业务面更 广$ （二）生产技术的发展 坑探工程虽然历史久远!但生产技术发展却很缓慢$在新中国诞生后的半个世纪里!才 得到较快的进步$坑探生产技术的发展!大致经历了手工作业%半机械化%机械化几个阶段$ (/手工作业阶段 这是一个漫长的历史阶段!直到解放初还属这一阶段$当时的勘探掘进依附于矿山!凿 岩基本上还是手打锤!出渣用人背肩挑或手推矿车!个别矿区用上了手持式凿岩机!但无除 尘装置!粉尘浓度很大$(1.$年!成立了地质部!从此才有了坑探专业的正式建制和专业的 施工队伍$在几个部直属大队建立的机掘队!也仅在凿岩方面配备了从苏联引进的G!+ .)2型湿式风动凿岩机!以及向英国引进一套干式吸尘凿岩机和自瑞典引进了高频凿岩机! 但未得到较好的推广$当时全国数百支坑探队伍!基本上还是手工作业!体力劳动十分繁 重$ (*2((( 第二章!坑探工程变革与发展 $/半机械化阶段 (1.;年探矿工程被列入!全国十年科学规划"中#为改变坑探工程落后面貌$广大坑探 职工掀起了半机械化的热潮#以人为动力的各式打眼机%除渣机%通风机%抽水机等掘进设 备大量出现$大部分是自制自用$有些在生产中发挥了一定的作用#但终因以人为动力的机 器去完成硬岩掘进作业很困难$未能得到推广$但为机械化的发展探索了道路# ,/机械化阶段 $)世纪;)年代提出了坑探的出路在于机械化#根据坑探工程的类型和特点$制订了 !风%电%内燃并举$小型轻便为主"的发展方针$开展了!三线两钻一机"的研究设计工作#经 过十多年的艰苦努力$基本实现了坑探机械化$并于$)世纪;)年代末到*)年代初开始普 遍推广# &(’!三线"&三条作业线的简称’ 中深坑道机械化作业线(主要由四种机型组成$即双臂凿岩钻车%电动装岩机%梭式矿车 和内燃或电动牵引机车$主要用于$))7以上坑道掘进# 短浅坑道机械化作业线(主要机型包括电动或内燃凿岩机%电动或内燃装运机%电动或 内燃通风机$主要用于$))7以内坑道掘进# 浅井机械化作业线(主要由内燃凿岩机%电动或内燃浅井提升机%内燃通风机%电动作业 面潜水泵组成$用于浅井掘进# &$’!两钻" 取样钻(已形成if$%.%()%,)%.)系列$主要用于地表%浅层岩矿取样$代替部分槽井 探# 坑道钻(有SU+;.和SU+(.)的两种$具有不同角度和水平施工的能力$主要用于坑 内打钻$代替部分穿脉坑道# &,’!一机" 探槽挖掘机(主要是选型改造$用于北方地质勘探的探槽挖掘工作# 坑探专业的现代化主要是技术装备的现代化$实现液压无轨化#$)世纪*)年代中期 开始了这方面的工作$已研制出轮胎式全液压凿岩钻车和轮胎式低污染内燃铲运机等#掘 进方法的革新主要是推广!新奥法"&I#E!’施工技术并相应开展了爆破技术研究$如光面 爆破$注%锚%喷支护$围岩监控量测等#掘进工艺的创新$主要有炮眼参数的研究%计算机应 用等# 为了实现坑探工程施工机械化$落实上述坑探专业设备的生产$$)世纪;)年代中后期 地矿部在浙江省探矿机械厂重点生产短浅坑道及槽井探掘进设备$合肥探矿机械厂侧重生 产中深坑道及液压掘进设备#除了这两个坑探专业厂外$在沈阳%天津%济南%无锡%长沙各 探矿机械厂分别建立了生产内燃凿岩机%电动装岩机%取样钻%浅井提升机%液压凿岩钻车的 生产车间# 第二节!科研与教育 （一）人才培养 最早从事坑探技术工作的大都是学采矿的$因为以前的院校没有坑探专业#(1.$年院 )12(() 校调整中成立的北京地质学院探矿工程系!开设有勘探掘进课程!毕业时有部分学员"约 .Y#分配搞坑探工作$与此同时中南矿冶学院"即现中南工业大学#地质系设立了勘探技术 专业!主要学掘进工程$$)世纪.)年代中期!地质部在云南成立了昆明地质学校!这是我 国第一所培养坑探专业人才为主的中等技术学校$$)世纪;)年代后期!为巩固和发展坑 探专业!培养高素质的专业人才!在武汉地质学院"即现中国地质大学#设立了勘探掘进专 业!即坑探专业$$)世纪1)年代初!中国地质大学"北京#也设立了坑探专业$一部分大学 生毕业后继续深造!不少人已获得硕士%博士学位!并在工作岗位发挥了重要作用!取得了优 异的成绩$ 坑探技术工人主要由正定%合肥%西安三所技工学校和一些短训班培养!总计数万余人$ （二）科研单位 坑探工程具有类型多%断面小%分散%交通不便等特点!不能直接沿用采矿部门的工艺方 法和技术装备!必须有符合地质勘探坑探工程自身特点的技术和装备$(1.;年成立了地质 部勘探技术研究所!设立了坑探技术研究室!这是我国有史以来第一个专门从事坑探技术研 究的科研机构$(1;*年在成都成立了探矿工艺研究所!设有坑探室$$)世纪*)年代中期! 成立探矿工程研究所!也设有坑探技术研究室$另外!中国地质大学亦设立坑探掘进机具技 术研究机构$有些省地矿局!如四川%湖南%广西等也设立了坑探技术研究组$ （三）主要科研成果 .)年来!坑探工程科研工作取得了丰硕的成果$ 7研究和发展了&新奥法’!突破了传统的巷道设计%施工模式!成功地解决了松散破碎 等复杂的巷道开口掘进等一系列问题!妥善地解决了巷道支护与采样的矛盾!使巷道施工由 传统的经验施工转变为科学施工!将坑探工程提高到一个新水平$该项目获得了广泛推广! 取得良好的社会%经济效益$ 8围岩监控量测与注%锚%喷加固支护技术!研制%开发出了一系列小断面坑道量测和 注%锚%喷专用仪器%设备和材料$成功地解决了地勘小断面掘进&新奥法’施工的技术关键$ 9研制并推广了&三线’%&两钻’掘进机械化系列!结束了坑探工程长期手工作业的历 史!实现了主要工序机械化施工$ :成功地研制了取样钻系列!解决了$!(.)7深度内的地质勘探取样$ ;iE+())型浅井提升机为国内首创机型!实现了浅井提升%卸渣机械化作业$ E引进并研制的内燃凿岩机!在流动性大%零星%分散的工程中施工槽%井探和短浅坑道 具有极大的优越性$ X凿岩钎具系列居国内领先水平!除在全国普遍推广使用外!还大量销往国外$ Z液压凿岩机已定型的有支腿式和导轨式两类$凿岩台车有单臂和双臂的!有轮胎式 和履带式$其中UHfV,*M型液压凿岩机和F\Xf($/$型全液压履带式凿岩台车居国内领 先水平!接近国际先进水平!(11;年被国家科委定为国家级新产品$ ^轮胎式液压铲运机!由它与上述液压凿岩设备组成了代表当今世界水平的无轨液压 掘进机械化作业线!这套设备达到国内先进水平$ _混凝土输送泵系列有’ME+()%’ME+$)%’ME+.)三种型号!满足了大%中%小巷 道工作的需要$ 这些科研成果的推广应用!实现了机械化掘进!提高了掘进效率!使坑探掘进技术大为 ();((( 第二章!坑探工程变革与发展 改观! .)多年来"地矿部门共掘进勘探坑道2))多万延米#浅井*))多万米#探槽(/.亿多 米,!在区域地质调查和矿产普查阶段"检验航空遥感和地面物化探各种异常"确定矿点"圈 划矿区范围"在金$银$镍$铬$钨$锡$铀$钍等稀有$分散元素的找矿勘探中"几乎所有矿床的 勘探和探求高级储量都用上了坑探工程"为新中国的地质找矿事业作出了重大贡献! 在改革开放中"坑探专业的服务领域拓宽"施工技术提高"承建了能源$交通$水利$市政 建设$环境治理等方面的各种大中型隧道工程百余项! %(;((% 第三章!坑探技术现代化及发展趋势 坑探工程由建国初期的手工劳动发展到机械化并初步走上现代化的道路!是一个历史 的飞跃!展望未来!前景辉煌" 第一节!坑探工程发展的必然性 地质勘探工作必然要持续进行!对一些矿种的勘探!除钻探及其他一些技术手段进一步 发展应用外!坑探工程仍然是有些特殊#稀缺矿种勘探的必要方法" 在一些开始建设的矿山!其生产勘探工作在大多数情况下探采结合!我国冶金等系统探 采结合率$生产中可采用的坑探工程量与生产勘探总量之比%在$)Y!())Y之间" 总之!只要有地质勘探工作存在!只要有矿山开采存在!坑探工程也必然存在"而且随 着科学技术的进步!其技术和质量要求将会更上一层楼" 第二节!坑探工程的发展前景 坑探工程的发展必然与矿业和岩土工程的技术进步密切相关!无论是矿业#岩土或坑探 工程目前在施工中有很多地方还依靠经验和经验数据来指导工作!尽管近几十年来!在岩体 力学方面!由于计算机的应用和测试技术的进步已经取得了很大成绩"但仍有许多工作要 做!如岩体力学中的动与静的强度关系!岩体地质诸因素$密度#裂隙#节理#结构形式%的量 化&监测方法要进一步提高其及时性和准确性&对新的高强度#抗冲击的耐磨材料还要大量 开发应用" 凿岩方面’上述岩石动力学的进展将使凿岩机工作参数和钎头几何形状更能达到与实 际过程相匹配的优化参数和结构形状的新水平!这将使凿岩机具上到一个新高度"其次! :FU柱齿在钎头上的使用将使工作寿命大幅度提高"凿岩过程将会用微机控制" 爆破方面’上述岩体地质诸因素的量化和岩石动力学的几项指标完全提示出来!那么建 立计算机的岩石参数模块有了可能!同时会使爆破方法有所革新"其次!炸药品种增加使不 同要求下的使用达到真正的匹配"在起爆器材中!雷管的毫秒差的误差达到最小$如使用集 成片控制%!将使起爆系统和过程完全可以达到准确#可控#可靠#安全及使用方便的要求" 总之!将岩性模块#凿岩参数和爆破参数统一于一个程序中!采用微机处理达到最佳效果!爆 破工程技术就能达到一个新的高度" 开挖过程及防护方面’上述岩体力学中地质诸因素的量化和引入新的理论与观点!如开 挖应力应变的记忆性#开挖结构的自组织性和优化结构的控制等!这些将使设计和防护更趋 于合理" 采掘机械更新加快’坑探工程使用的机械属于采掘机械范围"近.)年来!国际上采掘 机械更新周期缩短了近$(,"随着我国经济的发展!技术的进步!国力的增强!采掘机械亦 将加快更新周期!会不断出现新的机械!会有更多的轻便#灵活和适用的坑探工程机械出现! 使坑探工程机械化#现代化水平再上一个新的台阶" )$;(() 第一章!凿岩理论 第二篇!坑探工程基础理论 坑探工程的对象是岩体开挖与维护围岩稳定!其主要基础理论是岩体力学"凿岩理论和 爆破理论!同时还有通风与排水的流体力学理论"机械结构方面的理论等#这些理论大部分 已在专门学科中论述!这里仅对凿岩"爆破的理论作重点介绍# 第一章!凿岩理论 一!凿岩理论发展概述 凿岩理论包括冲击式与回转式两部分!回转式凿岩理论与钻探工程相同!现重点论述冲 击式凿岩理论# (1)*年!’$F乌斯宾斯基提出了冲击式凿岩理论!他是从钎头冲击岩石的静力学和几 何学的关系得到了这一过程的计算系统!其最终的钻眼速度可简化为函数形式!即 M%G%/!6!1!(&’?!(&N$’ %(+(’ 式中(M)))钻眼速度* /)))冲击功* 6)))每分钟冲击次数* 1)))钎头刃角* ’?)))岩石强度* N)))钎头直径# 式%(+(’正确地表达了影响凿岩速度各参数之间的关系!指明了提高钻速的一般规律# 但是!也有其不合理性!即钎头刃凿入岩石的体积并不等于岩石破碎体积*凿入的应力状态 实际为动载而非静载!没有进一步考虑到冲击载荷下岩石呈脆性跳跃式的破碎过程等# $)世纪.)年代!#$奥斯特洛乌斯柯又提出凿入力与工具破碎岩石体积+主压力体之 间的关系!仍然是静力学与破碎工具几何形式之间的关系# 同一时期!M$M察里津对楔形工具凿入岩石!应用了傅里叶传热方程描述凿入集中应 力的变化关系!导出了系统设计凿岩机和工具的基本参数!具有一定的参考意义#但仍为静 载系统# $)世纪2)!;)年代!M$保罗提出了楔形工具凿入的剪切理论#其凿入力应用了库伦 +莫尔准则进行了力学分析!得到了凿入能量与凿入深度的基本关系式#后来:$S达特 对此理论又作了一些补充!即将楔形破碎体积大小及形式作了补充分析#随后U$e西卡 斯基对上述两人的结论又进行了补充!认为凿入过程中岩石破碎裂纹扩展有一过程!并将凿 入过程的参数编程序!用计算机进行了计算!绘出破碎过程图示的各种参数关系#虽然是静 力学分析系统!但在各凿入关系分析中前进了一大步# $)世纪2)年代!国内外在冲击凿岩方面应用波动力学在理论和实践上都取得了成效! $,;(($ 是现在公认的理论! 二!凿入动态的形式 冲击凿岩载荷是冲击载荷"即作用力在极短时间内有着很大的变化幅度!如活塞冲击 钎尾时"其作用力在几十微秒内就由零增至几万牛顿"再经几百微秒又重新下降到零!图( +(就是凿岩机的活塞冲击钎尾时的实际应力波形!这也是动荷的基本描述"其应力大小 为 ’A%*?M #(+$$ 式中%’A&&&动应力’ *&&&密度’ ?&&&纵波速度’ M&&&质点振动速度! 图(+(!活塞冲击钎尾作用力变化波形 三!冲击凿入波动力学简析 任何物体在急剧变化的载荷下"其位移受到两个规律的控制"一是牛顿的惯性定律"另 一是虎克弹性定律!同时考虑这两种作用即可推导出表明动态过程的波动方程!从一维杆 的撞击导出% $$@($1$%?$)$$@($:$ #(+,$ ?% =(# , 式中%@&&&质点振动位移’ ?&&&扰动的纵波传播速度’ e&&&弹性模量’ *&&&介质密度’ 1&&&时间’ :&&&坐标轴上变化值! 式#(+,$为纵波的微分方程"即波动方程!在此方程中包含着波的一切属性! 波动方程#(+,$的通解是 ]%G#:+?1$’U#:’?1$ #(+-$ )-;(() 第一章!凿岩理论 式中!]"""综合位移# :""":方向坐标# 1"""时间# ?"""纵波传播速度$ 式中G与U是入射与反射任意形式的函数%其具体形式取决于初始及边界条件$在凿 岩时%就取决于活塞冲击钎杆所产生的左引入射波G&:+?1’和钎头凿入岩石所产生右引反 射波U&:%?1’$ 此外%尚有凿入效率(凿入速度与凿入阻力和凿入不同波形的分析%这里不作赘述$ 总之%冲击凿岩的波动理论%已形成了一套较完整的系统%得到了一些有指导意义的结 果$ 四!凿岩波动理论实际应用简述 7凿岩机活塞冲击速度决定着应力波传播的峰值大小%而活塞质量与形状决定着应力 波的形状$因此%根据应力波峰值及其形状就可以设计出最佳冲击功和活塞形状以及使用 寿命等$ 8应力波传播从钎头到岩石时%使钎头刃一直接触岩石形成固定端入射与反射%此时的 反射可以增加凿入效果#如果凿入后钎头刃离开岩石就形成自由端反射%这就造成工具上产 生反射拉应力%同时要降低凿入效果$这是轴推力大小的理论根据$ 9深孔凿岩时%波能传播损失于接杆的接头处%而不是取决于接杆质量的大小$ 以上简要说明了冲击凿岩波动理论的基本情况$但是%科技在发展%认识不断深化%因 此%对于现有钎头凿入后破碎效果及某些现象的认识%对钎头几何形状及硬质合金排列形 式%仍有再认识和对理论更系统与深入研究的必要$ ).;(() 第二章!爆破理论 爆破理论是研究岩石在炸药爆炸能量作用下是如何破坏及岩石物理力学变化的过程! 导出爆破参数"装药结构和起爆时间间隔!以达到最佳爆破效果#为研究这一过程!研究工 作者在研究岩石的破坏原因时!由于认识与测试的目的不同而形成不同的观点#概括起来 仍然是静力学和动力学两种观点# 一!静力学 综合起来是爆轰气体膨胀压力作用破坏论#认为炸药爆炸后!产生大量的高温高压气 体!这种气体膨胀时所产生的推力!作用在药包周围的岩壁上!引起岩石质点的径向位移!由 于作用力的不平衡引起不同径向位移!导致在岩石中形成剪切应力!当它超过岩石的抗剪强 度时就会引起岩石破裂!当爆轰气体的膨胀推力足够大时!还会引起自由面附近岩石隆起" 开裂!并沿径向推出#这种观点否认冲击波的作用# 二!动力学 即波动力学理论与不可压缩流体动力学理论!即现代爆破理论# （一）应力波反射拉伸破坏论 假定岩石为均质体!当炸药在此岩石内爆炸后!从爆心以强冲击波冲击压缩岩石形成入 射的压缩波向外传播!在偶合装药条件下压缩波的应力峰值为$ J-%%$*)?Z&’*)?:’*"N()*J" ’$+(( 式中$,-+++入射波应力, $*)"J"+++分别为岩石与炸药的密度, ?:"N+++分别为纵波速度与炸药爆轰速度, JC+++炸药爆轰峰值应力!JC&*)N$&-!符号同前# 当上述应力J-传播到达岩石自由面时!从自由面反射形成拉伸应力波!其强度超过岩 石抗拉强度时!即从自由面产生拉伸破裂片破坏#同时按波的传播!可计算波的衰减"裂片 厚度及裂片飞散速度等# （二）应力波和爆轰气体压力共同作用论 有两种观点!一种认为冲击波在破碎时不起主导作用!在初始形成裂隙时起先锋作用! 而岩石破坏主要靠爆轰气体压力"推力和尖劈作用#另一种则认为岩石破坏起主导作用的 是按岩石波阻抗’J)?Z(的大小来划分#高阻抗’()!(.(8().K&?7$*5岩石’强度高!完 整!如花岗岩(破坏主要是应力波的作用,中阻抗’.!()(8().K&?7$*5岩石’中硬!如大理 石(应力波和爆轰气体压力同时起作用,低阻抗’$!.(8().K&?7$*5岩石’软而常有塑性! 如黏土(破坏主要靠爆轰气体压力的作用# （三）流体动力学理论 首先假定介质爆破过程第一阶段为不可压缩理想流体!因为只有纵波传播速度?:&h *2;((* 第二章!爆破理论 时!爆炸应力场包括反射波初始"1&)#给介质一个初速度!并以此速度开始运动$但是!压 缩波传播时实际产生剪切应力!这在理想流体是不可能的$而且?:&h快速运动也不符合 实际$尽管有这些不足!但对于实际爆破状态%开裂形式!特别是最后结果!其计算过程不但 成一完整的系统而且还是足够准确的$它最终以速度场"势#中的速度大小表示其破坏能力 的高低$如速度场中的速度"集中药包#表示为& @%(’O$( O5S5’"$0*)# # "$+$# 式中&@)))速度场速度* O)))任一点至药包的距离* O5)))药包半径* S5)))炸药爆炸能量* *))))介质密度$ 当@衰减到介质的临界速度时!即可定出此破坏范围及破坏程度$此理论可将常用的 药包量计算公式中"S&!G"6#Q,#的G"6#导出& G"6#%+"6$’(#’$,1’- "$+,# 式中&6)))爆破作用指数* Q)))最小抵抗线* !)))常数$ 此理论计算过程由于边界条件复杂!求解方程较困难!曾用水电比拟法求解较方便!现 在可用微机处理更方便了$ (;;((( 第三章!隧道围岩受力特性与支护加固 第一节!围岩的结构特征!破坏形式和极限承载力 围岩包含节理和裂隙!因而一般都不是均匀连续体"软弱节理和裂隙对围岩的切割作 用!使围岩具有与岩石试件不同的结构特征!例如围岩中有承载能力较低的弱面!有易于失 稳的块体!节理的张开和闭合及块体的运动可引起围岩应力的再次重分布!以及施作支护可 改变围