王書(shū)豪

摘 要 隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提高，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)領(lǐng)域都有了更高的追求，科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展能夠?yàn)閲?guó)家的發(fā)展鑄就基石。深入研究科學(xué)的鉆探技術(shù)是人類獲取地球內(nèi)部情況的最佳途徑，對(duì)人類了解自己生活的環(huán)境有很大的作用。大口徑孕鑲復(fù)合體金剛石取芯鉆探技術(shù)是鉆探領(lǐng)域的新興技術(shù)，對(duì)地質(zhì)勘探水利工程等都有很大的幫助。文章介紹了金剛石鉆探技術(shù)的發(fā)展歷程，對(duì)大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體的鉆頭設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，并通過(guò)實(shí)例研究大口徑孕鑲金剛石取芯鉆探技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 大口徑孕鑲復(fù)合體金剛石；金剛石取芯鉆探；鉆探技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0101-02

1 大口徑金剛石鉆探技術(shù)概述

1.1 金剛石取芯鉆探技術(shù)的發(fā)展

金剛石鉆探技術(shù)已有一百多年的歷史，是鉆探技術(shù)中很重要的一部分。1862年，瑞士工程師J.R.李舒特研制出了金剛石鉆頭并用之鉆出一些爆破孔，隨后金剛石鉆探技術(shù)被推廣開(kāi)來(lái)，金剛石鉆探技術(shù)鉆進(jìn)速度快及鉆孔質(zhì)量高的特點(diǎn)令其成為大多數(shù)礦產(chǎn)種的主要勘探手段。

隨著其他高新技術(shù)的發(fā)展，金剛石鉆探技術(shù)的步伐也逐漸被帶動(dòng)起來(lái)，在水電、鐵路及交通建設(shè)等工程項(xiàng)目的勘查中，要求金剛石鉆頭的直徑越來(lái)越大，因此，大口徑金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)規(guī)范逐漸得到完善從而滿足工程需求，例如俄羅斯的薄壁取芯金剛石轉(zhuǎn)筒等在技術(shù)深化的同時(shí)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 國(guó)內(nèi)大口徑金剛石鉆探技術(shù)現(xiàn)狀

金剛石鉆探技術(shù)于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)在我國(guó)，并通過(guò)40年的深入探究達(dá)到了發(fā)達(dá)國(guó)家的水平，甚至有些技術(shù)點(diǎn)已成為世界先進(jìn)水平。我國(guó)的金剛石鉆探發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期：我國(guó)的金剛石鉆探技術(shù)從1957年到1970年間開(kāi)始起步；從1971年到1980年的10年期間，金剛石鉆探技術(shù)在我國(guó)大力推廣；1980年至今，我國(guó)的金剛石鉆探技術(shù)已趕超世界水平。

在我國(guó)，第一次涉及到大口徑取芯鉆探技術(shù)是在建立在宜賓的水利水電工程中，而后葛洲壩、三峽、萬(wàn)安等地的壩址都沿用了大口徑取芯鉆孔技術(shù)，且鉆孔深度超過(guò)50米。大口徑金剛石取芯鉆探同樣可以應(yīng)用到大陸科學(xué)鉆探工程中，其鉆頭直徑最大可達(dá)到25厘米。而在1999年青島流清河水庫(kù)項(xiàng)目中，金剛石鉆頭直徑已超過(guò)60厘米。

2 大口徑孕鑲金剛石鉆頭研究

2.1 金剛石鉆頭胎體性能

胎體性能是大口進(jìn)孕鑲金剛石鉆頭的一個(gè)基本參數(shù)，胎體硬度、耐磨性、巖層巖性、研磨性記者之間相協(xié)調(diào)才能保證鉆頭的使用。尤其在孕鑲鉆頭的鉆進(jìn)過(guò)程中，胎體的磨損應(yīng)在金剛石之前，否則會(huì)因金剛石不易出露兒時(shí)的鉆進(jìn)效率得不到保障，甚至出現(xiàn)鉆進(jìn)打滑的可能。但如果孕鑲鉆頭的磨損太快，會(huì)使得金剛石因出露太快而出現(xiàn)過(guò)早脫落或崩刃的情況，這樣會(huì)大大影響鉆頭的使用壽命。

孕鑲金剛石鉆頭技術(shù)性能的主要指標(biāo)就是胎體的耐磨性，但由于胎體耐磨性難以測(cè)定，因此在實(shí)際操作中人們常常用胎體硬度情況代替耐磨性的測(cè)定。在實(shí)踐過(guò)程中不難發(fā)現(xiàn)，很多硬度相同的胎體并不具備相同的耐磨性，所以胎體硬度并不能完全將耐磨性囊括在內(nèi)。技術(shù)人員在長(zhǎng)期研究后發(fā)現(xiàn)胎體硬度與耐磨性之間存在一定的聯(lián)系，由此胎體耐磨性能更好地測(cè)定出來(lái)。運(yùn)用不同的胎體配方能使胎體的耐磨性達(dá)到不同的鉆探需求，同樣，鉆頭的類型不同對(duì)胎體的性能要求也會(huì)改變，所鉆巖層的巖性不同決定了對(duì)孕鑲金剛石鉆頭的胎體性能的不同要求。

2.2 大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭設(shè)計(jì)

在孕鑲金剛石復(fù)合體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，做到理念創(chuàng)新、思路創(chuàng)新以及突破性從而完成工作層復(fù)合、復(fù)合塊保徑復(fù)合以及聚晶金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合三個(gè)層次的工作。工作層復(fù)合指的是在工作層設(shè)計(jì)磨料的復(fù)合，其中有人造金剛石磨料與硬質(zhì)柱狀合金的復(fù)合，也有金剛石磨料中不同粒徑的金剛石復(fù)合；復(fù)合塊保徑復(fù)合是將不同保徑材料的人造聚晶與柱狀合金體的復(fù)合，另外還有保徑不同位置的復(fù)合；聚晶金剛石和硬質(zhì)合金復(fù)合是一種金剛石復(fù)合片的燒結(jié)工藝，其一是實(shí)現(xiàn)金剛石與基體間的微晶無(wú)間隙結(jié)合，其二是人造細(xì)顆粒金剛石與金剛石之間的結(jié)合。

2.3 金剛石鉆頭破巖機(jī)理

巖石破碎機(jī)理非常復(fù)雜，因而國(guó)內(nèi)外專家都對(duì)此做出了大量研究，并在一定程度上取得了相應(yīng)的成果。不同的巖層所表現(xiàn)出的破碎形式是不一樣的，其破碎形式受到了礦物成分、膠結(jié)物質(zhì)、膠結(jié)類型以及組成結(jié)構(gòu)等方面的影響。脆性均質(zhì)巖層一般會(huì)出現(xiàn)微壓裂壓碎或體積破碎，塑性巖層的破巖往往表現(xiàn)為微切削和微翠削，而隱晶玻璃質(zhì)巖層會(huì)形成抓擦式或磨削式的表面破碎現(xiàn)象。

孕鑲金剛石鉆頭主要鉆探物質(zhì)一般為巖體堅(jiān)硬、密度極大且具有脆性的巖層，而且這些巖層普遍是由不同的組織結(jié)構(gòu)、不同成分、不同礦物組成及不同特性構(gòu)成的非均質(zhì)巖層。各礦物組成間因強(qiáng)度和硬度上存在很大的差別而產(chǎn)生了薄弱面，因此孕鑲金剛石鉆頭在工作過(guò)程中其胎體金剛石在壓入巖層的薄弱部位時(shí)產(chǎn)生作用，其剪切應(yīng)力使得巖石顆粒脫落從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效的鉆進(jìn)目的。

3 金剛石取芯鉆探技術(shù)的應(yīng)用

以黃河某水利樞紐為例，根據(jù)其勘探情況概述金剛石取芯鉆探技術(shù)的應(yīng)用。在黃河水利樞紐的勘探中，所運(yùn)用的鉆頭為直徑615毫米的大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭，此鉆頭目前在國(guó)內(nèi)是最大口徑的鉆頭。

施工中分別用大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭鉆進(jìn)了直徑615毫米深60米的孔1，并用鋼粒鉆頭同時(shí)鉆進(jìn)了同直徑切同深度的孔2。孔1的完成時(shí)間為27天，其鉆進(jìn)時(shí)間為143.5小時(shí)，取芯時(shí)間為185小時(shí)，平均每天鉆進(jìn)2.26米，工程消耗280元?？?的完成時(shí)間為51天，其鉆進(jìn)時(shí)間為322.4小時(shí)，取芯時(shí)間為417小時(shí)，平均每天鉆進(jìn)1.18米，工程消耗630元。

孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭節(jié)約了近40%的時(shí)間，平均每天鉆進(jìn)深度提高了近一倍，而與鋼粒鉆頭相比其所需成本節(jié)約了一半。由此可見(jiàn)，大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭應(yīng)該廣泛投入使用當(dāng)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭的使用開(kāi)創(chuàng)了金剛石取芯鉆探工程中的新大陸，實(shí)現(xiàn)了金剛石鉆頭的技術(shù)跨越及規(guī)格跨越。將大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭透雨水利水電工程地質(zhì)勘探及沿途挖掘中有能有效提高工程進(jìn)度，并降低工程成本，應(yīng)該大力推廣。

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