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1、第 四 章 回 轉(zhuǎn) 鉆 進(jìn) 用 鉆 頭 一 、 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 及 其 孔 底 的 碎 巖 過 程 二 、 金 剛 石 鉆 頭 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 三 、 鋼 粒 鉆 頭 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 四 、 牙 輪 鉆 頭 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 五 、 全 面 鉆 進(jìn) 與 鉆 頭 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 四 章 回 轉(zhuǎn) 鉆 進(jìn) 用 鉆 頭 u 巖 土 鉆 進(jìn) （ 井 ） 方 法 絕 大 多 數(shù) 是 機(jī) 械 方 式 ， 主 要 有 ： 伴 有 循 環(huán) 沖 洗 介 質(zhì) 的 硬 質(zhì) 合 金 、 金 剛 石 、 鋼 粒 、 牙

2、 輪 鉆 頭 回 轉(zhuǎn) 鉆 進(jìn) 和 長(zhǎng) 螺 旋 干 式 回 轉(zhuǎn) 鉆 進(jìn) ； 采 用 液 動(dòng) 、 氣 動(dòng) 孔 底 沖 擊 器 的 沖 擊 回 轉(zhuǎn) 鉆 進(jìn) ； 鋼 絲 繩 沖 擊 鉆 進(jìn) ； 振 動(dòng) 鉆 進(jìn) 。 上 述 方 法 中 ， 使 用 最 廣 泛 的 是 回 轉(zhuǎn) 鉆 進(jìn) 。 沖 擊 回 轉(zhuǎn) 鉆 進(jìn) 是 在回 轉(zhuǎn) 的 基 礎(chǔ) 上 增 加 孔 底 沖 擊 載 荷 ； 鋼 絲 繩 沖 擊 鉆 進(jìn) 主 要 用 于 水井 施 工 ； 振 動(dòng) 鉆 進(jìn) 、 長(zhǎng) 螺 旋 干 式 回 轉(zhuǎn) 鉆 進(jìn) 主 要 用 于 在 土 壤 和 軟巖 中 打 淺 孔 （ 工 程 施 工 ） 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì)

3、 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 四 章 回 轉(zhuǎn) 鉆 進(jìn) 用 鉆 頭 u 回 轉(zhuǎn) 鉆 進(jìn) 選 擇 鉆 頭 的 一 般 原 則 是 ： 在 軟 巖 和 中 硬 巖 層 中 用 硬 質(zhì) 合 金 回 轉(zhuǎn) 鉆 頭 ； 在 中 硬 及 部 分 中 硬 以 上 巖 層 中 采 用 銑 齒 牙 輪 鉆 頭 ； 在 硬 巖 中 采 用 金 剛 石 鉆 頭 或 鋼 粒 鉆 頭 ； 在 硬 脆 巖 層 中 采 用 鑲 齒 牙 輪 鉆 頭 。 金 剛 石 鉆 頭 主 要 用 于 59、 76（ 75） 、 91 mm的 小 口 徑 ； 鋼 粒 鉆 頭 主 要 用 于 91mm以 上 的 口 徑 ； 硬 質(zhì) 合 金

4、和 牙 輪 鉆 頭 則 既 可 鉆 進(jìn) 小 口 徑 ， 又 可 鉆 進(jìn) 大 口 徑 水井 、 工 程 施 工 孔 和 淺 井 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 一 、 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 的 基 本 概 念 與 特 點(diǎn) 1、 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 的 基 本 概 念 利 用 鑲 焊 在 鉆 頭 鋼 體 上 的 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 作 為 碎 巖的 工 具 ， 這 種 鉆 進(jìn) 方 法 稱 為 硬 合 金 鉆 進(jìn) 。 硬 合 金 鉆 進(jìn) 是 巖 土 鉆 掘 工 程 中 的 一 種 主 要 鉆

5、進(jìn) 方法 ， 它 用 于 軟 巖 層 及 中 硬 巖 層 的 鉆 進(jìn) （ 14級(jí) 軟 的 沉 積巖 、 中 硬 的 57級(jí) 及 部 分 8級(jí) 巖 漿 巖 和 變 質(zhì) 巖 ） 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 一 、 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 的 基 本 概 念 與 特 點(diǎn) 2、 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 的 特 點(diǎn) （ 1） 切 削 具 固 定 在 鉆 頭 體 上 ， 它 可 以 鉆 進(jìn) 任 意 傾 角 的 鉆 孔 。不 受 孔 向 、 孔 徑 和 孔 深 的 限 制 ； （ 2） 鉆 出 的 孔 壁 及

6、巖 心 直 徑 比 較 一 致 ， 表 面 比 較 光 滑 ， 有利 于 安 全 鉆 進(jìn) 和 保 證 取 心 ； （ 3） 可 以 根 據(jù) 不 同 的 巖 性 和 要 求 ， 合 理 地 設(shè) 計(jì) 和 選 擇 鉆 頭的 結(jié) 構(gòu) ， 以 便 在 不 同 的 巖 層 中 取 得 較 優(yōu) 的 效 果 ； （ 4） 鉆 進(jìn) 中 操 作 簡(jiǎn) 便 ， 容 易 掌 握 。 （ 5） 鉆 孔 質(zhì) 量 容 易 保 證 ， 巖 心 采 取 率 較 高 ， 孔 斜 較 小 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 二 、 鉆 探 用

7、硬 質(zhì) 合 金 1、 硬 質(zhì) 合 金 的 特 性 （ 1） 鉆 探 用 的 鎢 鈷 合 金 ： 主 要 是 碳 化 鎢 （ WC） 鈷 (Co)系 硬質(zhì) 合 金 。 它 以 碳 化 鎢 粉 末 為 骨 架 金 屬 ， 鈷 粉 末 為 粘 結(jié) 劑 ， 用 粉 末 冶金 方 法 制 成 。 這 類 硬 質(zhì) 合 金 稱 為 YG類 硬 質(zhì) 合 金 。 （ 2） 牌 號(hào) 的 意 義 ： 合 金 牌 號(hào) 如 YG8c的 意 義 為 ： YG鎢 -鈷 系硬 質(zhì) 合 金 ； 8鈷 的 百 分 含 量 為 8%； c（ x） 粗 （ 細(xì) ） 粒 合 金 。 （ 3） 硬 質(zhì) 合 金 的 特 性 ： 合 金 中

8、 含 鈷 量 增 加 ， 相 對(duì) 密 度 下 降 ， 硬度 、 耐 磨 性 降 低 ， 而 抗 彎 強(qiáng) 度 、 沖 擊 韌 性 增 高 ； WC的 顆 粒 越 細(xì) ，硬 度 越 大 、 耐 磨 性 越 強(qiáng) ； 反 之 ， 則 抗 彎 強(qiáng) 度 、 韌 性 增 強(qiáng) 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 二 、 鉆 探 用 硬 質(zhì) 合 金 2、 選 用 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 的 基 本 原 則 合 金 切 削 具 形 狀 主 要 有 ： 薄 片 狀 、 方 柱 狀 、 八 角 柱 狀 和 針 狀 等 。 2

9、021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 二 、 鉆 探 用 硬 質(zhì) 合 金 選 擇 切 削 具 形 狀 的 一 般 原 則 是 ： （ 1） 片 狀 硬 質(zhì) 合 金 ： 刃 薄 易 于 壓 入 和 切 削 巖 石 ， 但 抗 彎 能 力差 ， 適 用 于 級(jí) 軟 巖 ； （ 2） 柱 狀 硬 質(zhì) 合 金 ： 抗 彎 能 力 較 強(qiáng) ， 壓 入 阻 力 也 較 小 ， 主 要適 用 于 級(jí) 中 硬 巖 石 ； 八 角 柱 狀 合 金 的 抗 崩 能 力 強(qiáng) ， 利 于排 粉 和 破 巖 ， 易 于 焊 牢 ， 在 裂

10、 隙 發(fā) 育 和 較 硬 地 層 中 應(yīng) 用 廣 泛 ； （ 3） 針 狀 和 薄 片 狀 硬 質(zhì) 合 金 ： 主 要 用 于 鑲 焊 自 磨 式 鉆 頭 ， 在硬 地 層 或 研 磨 性 巖 石 中 使 用 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 三 、 硬 合 金 鉆 進(jìn) 的 孔 底 碎 巖 過 程 硬 合 金 鉆 進(jìn) 的 過 程 ， 實(shí) 際 上 是 切 削 具 在 軸 向 力 的 作 用 下 ，壓 入 巖 石 ； 在 回 轉(zhuǎn) 水 平 力 的 作 用 下 ， 沿 孔 底 切 削 碎 巖 ； 在 軸 向 力

11、 和 水 平 力 的 共 同 作 用 下 ， 孔 底 巖 石 以 薄 的 螺 旋層 形 式 連 續(xù) 被 破 碎 。 根 據(jù) 所 鉆 巖 石 的 不 同 ， 其 破 碎 方 式 也 不 相 同 ， 可 分 為 塑性 巖 石 的 碎 巖 和 彈 -塑 性 巖 石 的 碎 巖 兩 種 情 況 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 （ 一 ） 塑 性 巖 石 的 碎 巖 情 況 1、 切 入 巖 石 的 過 程 鉆 頭 上 切 削 具 切 入 巖 石 的 必 要 條 件 是 ： 切 削 具 與 巖 石 接 觸面 上

12、 的 單 位 壓 力 必 須 大 于 或 至 少 等 于 巖 石 的 抗 壓 入 硬 度 。即 ： Py Hy F0 式 中 ： H y巖 石 的 壓 入 硬 度 ； F0切 削 具 刃 尖 處 與 巖 石 的 接 觸 面 積 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 （ 一 ） 塑 性 巖 石 的 碎 巖 情 況 1、 切 入 巖 石 的 過 程 塑 性 巖 石 中 ， 切 削 具 切 入 巖 石 如 圖 示 （ 切 削 具 未 磨 鈍 ） ， 根據(jù) 各 力 的 平 衡 關(guān) 系 ， 可 推 導(dǎo) 出 切 入 深

13、 度 的 關(guān) 系 式 ： 式 中 ： Py切 削 具 上 的 軸 載 力 ， N； b切 削 具 的 刃 寬 ， mm； 切 削 具 的 刃 角 ， 度 ； H y巖 石 的 壓 入 硬 度 ； 摩 擦 力 影 響 系 數(shù) （ 小 于 1） 。 tg0 y ybHPh 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 （ 一 ） 塑 性 巖 石 的 碎 巖 情 況 1、 切 入 巖 石 的 過 程 上 式 表 明 ： 塑 性 巖 石 切 削 具 的 切 入 深 度 h 0與 軸 向 力 Py成 正 比 ， 而 與 切 削具

14、 的 刃 角 、 刃 寬 b、 巖 石 的 壓 入 硬 度 Hy成 反 比 。 雖 然 角 越 小 切 削 具 刃 尖 切 入 巖 石 越 容 易 ， 但 如 果 很 小 則切 削 具 會(huì) 很 快 崩 裂 ， 實(shí) 際 上 角 的 最 小 值 為 45 50 。 tg0 y ybHPh 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 （ 一 ） 塑 性 巖 石 的 碎 巖 情 況 2、 回 轉(zhuǎn) 切 削 過 程 切 削 具 切 入 巖 石 并 回 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 在 水 平 力 Px作 用 下 ， 壓 迫 其 前 面 的 巖 石

15、 ， 使 之 發(fā) 生 塑性 變 形 并 不 斷 地 向 自 由 面 滑 移 ， 稱 為 切 削作 用 。 在 切 屑 的 裂 隙 尚 未 發(fā) 展 到 全 段 面 斷裂 之 前 ， 下 一 部 分 切 屑 又 發(fā) 生 滑 移 。 因 此 ，其 切 屑 應(yīng) 該 是 連 續(xù) 的 、 平 穩(wěn) 的 ， 其 切 削 槽寬 與 切 削 具 刃 寬 是 相 同 的 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 （ 一 ） 塑 性 巖 石 的 碎 巖 情 況 2、 回 轉(zhuǎn) 切 削 過 程 實(shí) 際 上 ， 由 于 鉆 具 的 振 動(dòng)

16、、 沖 洗 液 的沖 刷 ， 切 削 的 巖 屑 是 碎 裂 成 巖 粉 被 沖 洗液 帶 至 地 表 ； 在 Py 和 Px 共 同 作 用 下 的 切 入 比 Py單 獨(dú)作 用 下 切 入 更 容 易 ， 也 切 入 的 更 深 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 三 、 硬 合 金 鉆 進(jìn) 的 孔 底 碎 巖 過 程 （ 二 ） 彈 塑 性 巖 石 的 孔 底 破 碎 過 程 彈 塑 性 巖 石 是 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 的 主 要 鉆 進(jìn) 對(duì) 象 。 理 論 上 ， 按切 削 具 的 切 入 條

17、 件 ， 需 要 很 大 的 軸 向 力 ， 而 實(shí) 際 的 Py力 要 小 得多 （ 1/61/3） ， 究 其 原 因 ， 主 要 是 切 削 具 并 非 以 靜 壓 入 的 方式 破 巖 ， 而 是 在 雙 向 力 的 同 時(shí) 作 用 下 破 碎 巖 石 。 其 碎 巖 的 顯 著 特 點(diǎn) 則 是 在 切 削 具 的 作 用 下 以 跳 躍 式 的 剪 切破 碎 為 主 。 巖 石 破 碎 大 體 分 三 個(gè) 階 段 ： 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 （ 二 ） 彈 塑 性 巖 石 的 孔 底 破

18、 碎 過 程 1、 切 入 巖 石 ， 巖 石 剪 切 破 碎 ， 前 移 碰 撞 刃 前 巖 石 。 2、 刃 前 接 觸 面 很 小 ， 擠 壓 力 較 大 ， 小 剪 切 破 碎 。 繼 續(xù) 前 移 產(chǎn)生 若 干 次 小 剪 切 。 3、 當(dāng) 刃 前 接 觸 面 較 大 時(shí) ， 前 進(jìn) 受 阻 。 繼 續(xù) 擠 壓 刃 前 巖 石 （ 部分 被 壓 成 粉 狀 ） ； 同 時(shí) ， Px 力 急 劇 增 大 ， 當(dāng) Px 力 達(dá) 到 極 限 值 時(shí) ，產(chǎn) 生 大 的 剪 切 破 碎 ， 然 后 Px力 突 然 減 小 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一

19、節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 （ 二 ） 彈 塑 性 巖 石 的 孔 底 破 碎 過 程 切 削 具 不 斷 向 前 推 進(jìn) ， 重 復(fù) 著 壓 碎 、 小 剪 切 、 大 剪 切 的 循 環(huán)過 程 。 切 槽 斷 面 近 似 于 梯 形 。 切 槽 寬 度 有 規(guī) 律 地 變 化 ， B1為 大剪 切 時(shí) 的 切 槽 寬 。 孔 底 的 破 碎 過 程 沿 著 傾 角 為 的 螺 旋 面 進(jìn) 行 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 四 、 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 的 磨 損 硬

20、 合 金 鉆 進(jìn) 時(shí) ， 隨 著 切 削 具 破 碎 孔 底 巖 石 ， 切 削 具本 身 不 斷 被 磨 損 ， 對(duì) 機(jī) 械 鉆 速 產(chǎn) 生 影 響 。 機(jī) 械 鉆 速 vm取決 于 切 削 具 切 入 巖 石 的 深 度 h 和 鉆 頭 轉(zhuǎn) 速 n ， 其 表 達(dá) 式為 vm= 60n m h ， 鉆 進(jìn) 中 ， 由 于 切 削 具 被 磨 損 ， h 減 小 ， 鉆 速 將 逐 漸 衰 減 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 四 、 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 的 磨 損 1、 切 削 具 磨 損

21、和 鉆 壓 的 關(guān) 系 費(fèi) 得 洛 夫 等 研 究 了 單 位 時(shí) 間 磨 損 量 與 刃 端 面 積 上 比 壓 的 關(guān) 系 。 （ 1） 曲 線 0， 切 削 具 未 能 有 效 吃 入 巖 石 ， 鉆 進(jìn) 處 于 表 面破 碎 。 此 時(shí) 切 削 具 單 位 時(shí) 間 的 磨 損 量 W正 比 于 切 削 具 上 的 比 壓 。 （ 2） 曲 線 0 ， 巖 石 呈 體 積 破 碎 。隨 著 切 削 具 上 的 比 壓 增 大 ， W不 僅 未 增加 ， 反 而 出 現(xiàn) 下 降 的 趨 勢(shì) 。 即 在 體 積 破 碎條 件 下 ， 切 削 具 的 磨 損 主 要 不 取 決 于 軸 向壓

22、力 ， 而 取 決 于 巖 石 的 硬 度 、 切 削 具 的 材質(zhì) 及 切 削 具 的 磨 鈍 面 積 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 四 、 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 的 磨 損 2、 切 削 具 的 磨 損 與 鉆 進(jìn) 時(shí) 間 、 鉆 進(jìn) 速 度 的 關(guān) 系 費(fèi) 得 洛 夫 提 出 ， 在 一 定 條 件 下 切 削 具 的 磨 鈍 面 積 S 和 機(jī) 械 鉆速 vm分 別 為 ： S（ t） =S0 + t ； 式 中 ： S0切 削 具 的 初 始 面 積 ， mm2； t磨 損 時(shí) 間

23、， min； 取 決 于 巖 石 性 質(zhì) 的 磨 損 系 數(shù) ， mm 2/min。 A系 數(shù) ， 當(dāng) 巖 性 、 鉆 進(jìn) 規(guī) 程 及 鉆 頭 一 定 時(shí) 它 為 常 量 。 切 削 具 的 磨 損 面 積 與 鉆 進(jìn) 時(shí) 間 成 正 比 ， 而 機(jī) 械 鉆 速 與 切 削 具 接觸 面 積 的 平 方 成 反 比 。 20 )( tS Avm 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 四 、 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 的 磨 損 3、 關(guān) 于 切 削 具 的 磨 損 問 題 的 研 究 設(shè) 鉆 進(jìn) 的 初 始

24、鉆 速 為 v0=A/S02， 上 式 可 寫 成 ：式 中 ： k0鉆 速 下 降 的 特 征 系 數(shù) ， k0= /S0。 鉆 頭 在 t時(shí) 間 內(nèi) 總 進(jìn) 尺 為 ， 代 入 v m得 到 。因 此 ， 平 均 鉆 速 為 ， 通 過 變 換 可 寫 成 20022020 200 )1(2 tkvttSS Svvm t mdtvH 0 )1( 00 tktvH )1( 00 tkvvm 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 四 、 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 的 磨 損 3、 關(guān) 于 切 削 具 的 磨

25、損 問 題 的 研 究 （ 4-7） （ 4-7） 式 表 明 ， 平 均 鉆 速 是 進(jìn) 尺 H 的 一 元 線 性 方 程 ， 其 中 ，v0 是 縱 坐 標(biāo) 上 的 截 距 ， k0 為 直 線 的 斜 率 。 平 均 鉆 速 和 進(jìn) 尺 H 在鉆 進(jìn) 很 容 易 測(cè) 得 ， 可 以 用 一 元 回 歸 分 析 的 方 法 ， 在 若 干 觀 測(cè) 計(jì)算 值 的 基 礎(chǔ) 上 求 出 k 0 和 v0 ， 從 而 利 用 （ 4-7） 式 來 預(yù) 測(cè) 切 削具 磨 損 對(duì) 鉆 速 的 影 響 。 Hkvvm 00 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 一 節(jié) 硬

26、質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 四 、 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 的 磨 損 4、 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 在 孔 底 磨 損 的 實(shí) 際 狀 況 前 述 理 論 分 析 的 基 礎(chǔ) 是 假 定 切 削 具 刃 部 為 均 勻 磨 損 ， 實(shí) 際 鉆進(jìn) 中 ， 切 削 具 出 刃 的 內(nèi) 、 外 側(cè)磨 損 量 是 不 均 勻 的 ， 即 ： y外 y內(nèi) y， t外 t內(nèi) t 切 削 具 底 端 也 不 是 被 磨 損 成平 面 ， 而 是 呈 圓 弧 形 ， 刃 前 緣和 后 緣 磨 損 更 厲 害 （ 圖 4-7） 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教

27、研 室 第 一 節(jié) 硬 質(zhì) 合 金 鉆 進(jìn) 孔 底 碎 巖 過 程 5、 減 輕 切 削 具 磨 損 的 措 施 (1) 避 免 切 削 具 在 表 面 破 碎 狀 態(tài) 下 工 作 。 尤 其 在 高 轉(zhuǎn) 速 、 低鉆 壓 的 條 件 下 鉆 進(jìn) 研 磨 性 巖 石 時(shí) ， 切 削 具 磨 損 更 快 。 (2) 切 削 具 的 磨 損 速 度 取 決 于 切 削 具 的 硬 度 與 所 鉆 巖 石 的 硬度 之 比 、 巖 石 的 研 磨 性 、 裂 隙 性 等 性 質(zhì) ， 還 取 決 于 切 削 具 在 鉆 頭唇 面 的 布 置 。 應(yīng) 根 據(jù) 巖 性 選 用 合 適 的 硬 質(zhì) 合 金

28、牌 號(hào) 和 型 號(hào) ， 采 用合 理 的 鉆 頭 唇 面 結(jié) 構(gòu) 。 (3) 及 時(shí) 修 磨 切 削 具 ， 減 小 初 始 接 觸 面 積 ， 降 低 其 磨 損 率 。 (4) 采 取 等 強(qiáng) 度 磨 損 的 原 則 ， 對(duì) 磨 損 嚴(yán) 重 的 側(cè) 面 進(jìn) 行 補(bǔ) 強(qiáng) 。 (5) 采 用 有 潤(rùn) 滑 作 用 的 乳 化 液 或 泥 漿 洗 孔 ， 減 輕 磨 損 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 一 、 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 結(jié) 構(gòu) 要 素 一 定 數(shù) 量 的 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 ， 按

29、一 定 的 形 式 排 布 在鉆 頭 體 上 ， 形 成 鉆 進(jìn) 不 同 地 層 的 鉆 頭 結(jié) 構(gòu) 。 這 些 決 定鉆 頭 結(jié) 構(gòu) 的 因 素 稱 為 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 的 結(jié) 構(gòu) 要 素 。 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 的 結(jié) 構(gòu) 要 素 主 要 包 括 ： 切 削 具 出 刃 、切 削 具 的 鑲 焊 角 度 、 切 削 具 在 鉆 頭 體 上 的 數(shù) 目 及 布 置方 式 等 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 一 、 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 結(jié) 構(gòu) 要 素 1、 鉆 頭 體 鉆 頭 體 是

30、硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 的 支 撐 體 ，傳 遞 軸 載 和 扭 矩 給 切 削 具 ， 承 受 切 削具 破 巖 的 反 作 用 力 、 孔 底 的 動(dòng) 載 和 摩擦 。 鉆 頭 體 是 DZ-40無 縫 鋼 管 制 成 。 上端 車 有 外 螺 紋 與 巖 心 管 連 接 ， 內(nèi) 壁 上設(shè) 計(jì) 有 內(nèi) 錐 ， 便 于 卡 取 巖 心 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 一 、 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 結(jié) 構(gòu) 要 素 2、 切 削 具 出 刃 鑲 焊 在 鉆 頭 體 上 的 切 削 具 必 須突 出

31、 鉆 頭 體 一 定 的 量 ， 此 突 出 部分 稱 為 切 削 具 的 出 刃 。 切 削 具 出 刃 有 ： 內(nèi) 出 刃 、 外 出刃 和 底 出 刃 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 2、 切 削 具 出 刃 （ 1） 內(nèi) 、 外 出 刃 作 用 ： 保 證 鉆 頭 體 與 孔 壁 、 巖 心 之 間 有 一 定 的 間 隙 ， 避 免 鉆頭 體 摩 擦 孔 壁 和 巖 心 ， 為 循 環(huán) 沖 洗 提 供 通 道 。 設(shè) 置 不 合 理 的 危 害 ： 出 刃 過 大 ， 合 金 抗 外 力 的 能 力 降

32、 低 、 碎巖 斷 面 和 功 耗 增 大 ， 鉆 孔 易 彎 曲 。 出 刃 過 小 ， 流 阻 增 大 ， 容 易 堵塞 巖 心 、 沖 毀 孔 壁 、 漂 浮 鉆 具 。 合 理 選 擇 ： 主 要 取 決 于 巖 層 ， 一 般 為 13 mm。 巖 層 較 硬 、 孔 壁穩(wěn) 固 、 鉆 速 較 低 ， 取 小 值 ； 反 之 ， 取 較 大 的 值 。 在 遇 水 膨 脹 或 有大 量 巖 粉 的 軟 地 層 鉆 進(jìn) 時(shí) ， 必 須 加 焊 肋 骨 ， 增 大 內(nèi) 、 外 環(huán) 狀 空 間 ，一 般 取 內(nèi) 、 外 出 刃 3 6mm ， 底 出 刃 4 5mm 。 2021-5-1

33、中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 （ 2） 底 出 刃 作 用 ： 保 證 切 削 具 能 順 利 地 切 入 巖 石 ， 并 為 沖 洗 液 冷 卻 切 削具 和 排 除 孔 底 巖 粉 提 供 通 道 。 底 出 刃 大 小 ： 由 切 入 深 度 和 過 水 間 隙 兩部 分 組 成 。 H值 過 大 ， 在 硬 巖 和 裂 隙 性 巖 層中 容 易 造 成 崩 刃 ， 應(yīng) 補(bǔ) 強(qiáng) 。 一 般 為 25 mm。 底 出 刃 有 平 底 式 、 階 梯 式 。 階 梯 式 可 增 加 切 削 具 破 碎 巖 石 的 自 由 面 ，

34、容 易 產(chǎn) 生 體 積 破 碎 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 一 、 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 結(jié) 構(gòu) 要 素 3、 切 削 具 的 鑲 焊 角 度 具 有 一 定 刃 角 的 切 削 具 以 不 同 的 前 角 （ 亦 稱 鑲 焊 角 ） 鑲 焊 在鉆 頭 體 上 ， 形 成 不 同 的 切 削 角 ， 從 而 獲 得 不 同 的 鉆 進(jìn) 效 果 。 切 削 具 在 鉆 頭 唇 面 上 有 三 種 鑲 焊 方 式 ： 正 斜 鑲 ， 直 鑲 ， 負(fù) 斜 鑲 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大

35、學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 3、 切 削 具 的 鑲 焊 角 度 （ 1） 刃 角 的 選 擇 ： =45 50 ， 用 于 級(jí) 非 裂 隙 性 巖 石 ； =65 ， 用 于 級(jí) 巖 石 ； =90 的 小 切 削 具 ， 用 于 自 磨 式 鉆 頭 。 （ 2） 切 削 角 的 選 擇 ： 根 據(jù) 所 鉆 巖 性 來 選 擇 。 鉆 進(jìn) 軟 巖 ， 選 擇 切 削 性 能 較 好 的 正 斜 鑲 ， =70 80 ； 脆 性 和 較 硬 巖 石 ， 切 削 具 主 要 按 壓 碎 和 剪 切 作 用 碎 巖 ， 切削 具 易 磨 鈍 ， 應(yīng) 選

36、擇 入 巖 較 鋒 利 的 直 鑲 、 負(fù) 斜 鑲 ， =90 105 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 4、 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 在 鉆 頭 體 上 的 布 置 方 式 切 削 具 的 排 列 方 式 有 ： 單 （ 雙 ） 環(huán) 排 列 、 多 環(huán) 排 列 、 密 集 排 列 等 。 （ 1） 確 定 切 削 具 布 置 方 式 的 原 則 ： 能 保 證 鉆 頭 在 孔 底 工 作 平 穩(wěn) ； 多 環(huán) 排 列 時(shí) ， 每 個(gè) 切 削 具 只 破 碎 孔 底 的 一 部 分 ， 疊 加 完 成整 個(gè) 唇

37、面 的 切 削 ， 若 各 環(huán) 之 間 能 相 互 造 成 自 由 面 ， 則 破 巖 效 果 更 佳 ； 盡 量 使 每 個(gè) 切 削 具 負(fù) 擔(dān) 的 破 巖 量 接 近 ， 避 免 局 部 磨 損 過 甚 ； 切 削 具 之 間 應(yīng) 保 持 一 定 的 距 離 ， 以 利 于 排 粉 ； 對(duì) 切 削 具 的 鑲 焊 和 修 磨 方 便 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 4、 硬 質(zhì) 合 金 切 削 具 在 鉆 頭 體 上 的 布 置 方 式 （ 2） 切 削 具 布 置 方 式 單 （ 雙 ） 環(huán) 排 列 ： 一

38、 個(gè) 或 二 個(gè) 切 削 具 覆 蓋 唇 面 ， 加 工 簡(jiǎn) 單 ； 多 環(huán) 排 列 ： 多 個(gè) 切 削 具 分 環(huán) 覆 蓋 唇 面 ， 造 成 多 的 碎 巖 自 由 面 ； 密 集 排 列 ： 多 個(gè) 切 削 具 集 中 為 一 組 排 列 ， 前 刃 掏 槽 ， 后 刃 擴(kuò)槽 ， 相 互 支 撐 ， 承 載 大 ， 抗 彎 、 抗 磨 損 好 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 5、 切 削 具 在 鉆 頭 體 上 的 數(shù) 目 鉆 頭 上 切 削 具 數(shù) 目 越 多 ， 切 削 點(diǎn) 就 多 ， 單 位 時(shí) 間

39、完 成 的 切 削量 就 大 ， 鉆 速 也 越 高 ， 鉆 頭 壽 命 較 長(zhǎng) 。 但 是 ， 由 于 軸 向 載 荷 有限 ， 單 個(gè) 切 削 具 上 的 載 荷 不 足 ， 只 能 形 成 表 面 破 碎 ； 同 時(shí) ， 切削 具 數(shù) 目 太 多 ， 使 剪 切 體 變 小 ， 孔 底 冷 卻 效 果 變 差 。 切 削 具 數(shù) 目 取 決 于 巖 性 、 鉆 頭 直 徑 和 切 削 具 形 狀 。 對(duì) 軟 巖 取較 少 的 數(shù) 量 ， 對(duì) 較 硬 和 非 均 質(zhì) 及 研 磨 性 巖 石 ， 為 保 證 鉆 頭 壽 命 ，一 般 應(yīng) 取 密 集 式 排 列 。 2021-5-1 中 國(guó)

40、地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 6、 鉆 頭 的 水 口 和 水 槽 （ 1） 作 用 ： 是 沖 洗 液 流 經(jīng) 鉆 頭 、 沖 洗 孔 底 并 返 回 鉆 柱 外 環(huán) 空 間的 通 道 。 保 證 切 削 具 的 冷 卻 和 孔 底 及 時(shí) 排 粉 。（ 2） 水 口 形 狀 ： 矩 形 、 半 圓 形 、 梯 形 和 三 角 形 ， 三 角 弧 形 水 口效 果 最 好 。（ 3） 水 口 的 數(shù) 目 ： 等 于 切 削 具 的 數(shù) 目 或 組 數(shù) 。 總 面 積 應(yīng) 大 于 或等 于 鉆 頭 外 環(huán) 空 間 （ 包 括 回 水 槽 ）

41、 的 面 積 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 二 、 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭（ 一 ） 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 分 類 按 切 削 具 的 磨 損 形 態(tài) ， 硬 合 金 鉆 頭 分 為 磨 銳 式 和 自 磨 式 。 1、 磨 銳 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 鉆 頭 上 的 合 金 切 削 具 磨 鈍 后 須 用 用 砂 輪 修磨 銳 利 的 鉆 頭 。 切 削 具 一 般 是 單 斜 面 銳 角 ，鉆 進(jìn) 中 ， 隨 切 削 具 磨 損 ， 機(jī) 械 鉆 速 逐 漸 下降 。 一 般 適

42、 用 于 研 磨 性 小 的 軟 及 中 硬 巖 石 。 2、 自 磨 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 采 用 小 斷 面 切 削 刃 ， 磨 損 后 ， 接 觸 面 積不 變 ， 無 變 鈍 的 弱 點(diǎn) ， 機(jī) 械 鉆 速 基 本 平 穩(wěn) 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 二 、 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭（ 二 ） 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 1、 松 軟 及 中 軟 巖 層 所 用 的 鉆 頭 在 中 軟 巖 層 中 鉆 進(jìn) 的 特 點(diǎn) 是 ： 巖 石 壓 入 硬 度 較 小 ， 可 在 較 小

43、的 軸 向 壓 力 下 切 入 巖 石 ； 切 入 深 度 較 大 ， 巖 屑 的 顆 粒 也 較 大 ； 鉆 速 高 ， 單 位 時(shí) 間 產(chǎn) 生 的 巖 屑 量 大 ， 要 求 鉆 頭 易 于 排 粉 ； 該 類 巖 層 粘 結(jié) 性 大 ， 容 易 發(fā) 生 糊 鉆 和 遇 水 膨 脹 等 問 題 ， 因此 ， 鉆 具 和 孔 壁 間 、 巖 心 管 和 巖 心 間 要 有 較 大 的 間 隙 ； 巖 層 的 研 磨 性 較 小 ， 可 以 選 用 鋒 利 的 切 削 刃 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 1、 松

44、 軟 及 中 軟 巖 層 所 用 的 鉆 頭 （ 1） 肋 骨 式 鉆 頭 ： 主 要 用 于 鉆 進(jìn) 遇 水 膨 脹 、 粘 性 較 大 的 軟 巖 。依 鉆 頭 結(jié) 構(gòu) 不 同 ， 分 為 螺 旋 肋 骨 鉆 頭 和 階 梯 式 肋 骨 鉆 頭 。 螺 旋 肋 骨 鉆 頭 特 點(diǎn) ： 流 通 載 面 大 ， 孔 底 干 凈 ， 鉆 進(jìn) 效 率 較 高 。 階 梯 式 肋 骨 鉆 頭 的 特 點(diǎn) ： 肋 骨 片 較 厚 ， 水 口 寬 ， 孔 底 呈 階 梯狀 。 可 鉆 進(jìn) 35級(jí) 巖 石 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合

45、 金 鉆 頭 （ 二 ） 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 1、 松 軟 及 中 軟 巖 層 所 用 的 鉆 頭 （ 2） 薄 片 硬 合 金 鉆 頭 ： 特 點(diǎn) 是 ： 底 出 刃 和 內(nèi) 、 外 出 刃較 大 ， 沖 洗 巖 屑 的 間 隙 較 大 ， 切削 刃 尖 銳 鋒 利 。 有 菱 形 與 斜 角 薄片 等 形 式 。主 要 用 以 鉆 進(jìn) 粘 結(jié) 性 較 小 的 軟 巖 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 （ 二 ） 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 2、 中 硬 及 較 硬 巖 層 用 的 鉆 頭

46、 這 類 巖 層 中 鉆 進(jìn) 的 特 點(diǎn) 是 ： 巖 石 的 壓 入 硬 度 較 大 ， 為 了 保 證 切 削 具 切 入 巖 石 ， 需 有 大的 軸 向 壓 力 ， 因 此 ， 要 求 切 削 具 有 承 受 較 大 的 抗 彎 能 力 ； 切 削 具 切 入 深 度 較 小 ， 鉆 速 相 對(duì) 較 低 ， 單 位 時(shí) 間 產(chǎn) 生 的 巖粉 量 也 較 軟 巖 要 少 ； 巖 石 脆 性 較 大 、 粘 性 小 ， 排 粉 問 題 不 很 突 出 。 因 此 ， 在 這類 巖 層 中 鉆 進(jìn) ， 主 要 的 問 題 是 碎 巖 和 磨 損 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘

47、 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 （ 二 ） 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 2、 中 硬 及 較 硬 巖 層 用 的 鉆 頭 鉆 進(jìn) 該 類 巖 層 鉆 頭 形 式 很 多 ，主 要 有 ： （ 1） 內(nèi) 外 鑲 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 ：將 四 方 柱 或 大 八 角 硬 質(zhì) 合 金 在鉆 頭 底 唇 面 分 內(nèi) 外 出 刃 分 環(huán) 排列 ， 斜 鑲 或 直 鑲 。 四 方 柱 內(nèi) 外鑲 鉆 頭 適 用 于 35級(jí) 巖 石 ， 大 八角 內(nèi) 外 鑲 鉆 頭 適 用 于 57級(jí) 巖 石 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第

48、二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 2、 中 硬 及 較 硬 巖 層 用 的 鉆 頭 （ 2） 單 雙 粒 硬 合 金 鉆 頭 和 品 字 形 硬 合 金 鉆 頭 ： 把 3顆 硬 合 金 切 削 具 焊 成 一 組 呈 品 字 形 ， 可 分 散 排 列 （ 單 雙 粒硬 合 金 鉆 頭 ） ， 也 可 集 中 排 列 （ 品 字 形 硬 合 金 鉆 頭 ） 。 其 特 點(diǎn) ： 單 粒 掏 槽 ， 雙 粒 擴(kuò) 槽 。 單 雙 粒 硬 合 金 鉆 頭 可 鉆 進(jìn) 45級(jí) 巖 石 ， 品 字 形 硬 合 金 鉆 頭 可 鉆 進(jìn) 46級(jí) 巖 石 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué)

49、 勘 查 教 研 室 第 二 節(jié) 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 二 、 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 （ 二 ） 取 心 式 硬 質(zhì) 合 金 鉆 頭 3、 針 狀 自 磨 式 鉆 頭 把 預(yù) 制 好 的 胎 塊 焊 在 鉆 頭 體 上 。 胎 塊內(nèi) 按 一 定 原 則 包 裹 針 狀 硬 質(zhì) 合 金 ， 支 撐 體的 胎 體 硬 度 要 合 適 ， 保 證 超 前 磨 耗 ， 以 利于 針 狀 硬 質(zhì) 合 金 自 磨 出 刃 。 這 種 鉆 頭 可 用于 鉆 進(jìn) 57級(jí) 中 等 研 磨 性 的 巖 石 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金

50、 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 金 剛 石 是 迄 今 為 止 人 類 發(fā) 現(xiàn) 的 最 堅(jiān) 硬 的 研 磨 切 削 材 料 ， 已廣 泛 的 應(yīng) 用 于 現(xiàn) 代 工 業(yè) 。 地 質(zhì) 鉆 探 用 金 剛 石 約 占 世 界 工 業(yè) 金剛 石 用 量 的 五 分 之 一 ， 主 要 用 于 金 剛 石 鉆 進(jìn) 的 鉆 頭 、 擴(kuò) 孔 器和 其 他 金 剛 石 切 削 工 具 一 、 金 剛 石 鉆 進(jìn) 的 概 念 與 特 點(diǎn) 1、 金 剛 石 鉆 進(jìn) 的 概 念 金 剛 石 鉆 進(jìn) 是 一 種 比 較 先 進(jìn) 的 鉆 進(jìn) 方 法 。 它 是 將 金 剛 石 材料 采 用 一 定 的 方

51、法 包 裹 于 基 體 （ 胎 體 ） 中 ， 并 與 鉆 頭 鋼 體 固結(jié) 為 一 體 形 成 金 剛 石 鉆 頭 ， 用 于 回 轉(zhuǎn) 碎 巖 的 一 種 方 法 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 一 、 金 剛 石 鉆 進(jìn) 的 概 念 與 特 點(diǎn) 2、 金 剛 石 鉆 進(jìn) 的 特 點(diǎn) （ 1） 主 要 用 于 硬 巖 和 堅(jiān) 硬 巖 石 ， 也 可 鉆 進(jìn) 軟 -中 硬 巖 石 ； （ 2） 鉆 進(jìn) 效 率 高 ； （ 3） 鉆 孔 質(zhì) 量 好 ； （ 4） 施 工 勞 動(dòng) 強(qiáng) 度 比 較 輕 ； （

52、5） 鉆 探 成 本 比 較 低 ， 因 此 得 到 越 來 越 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 二 、 鉆 探 用 金 剛 石 1、 鉆 探 用 金 剛 石 的 分 類 鉆 探 用 金 剛 石 按 成 因 分 為 天 然 的 、 人 造 的 兩 大 類 。 （ 1） 制 造 鉆 頭 的 天 然 金 剛 石 可 分 為 “ 包 布 茲 ” （ Bortz） ，“ 剛 果 ” （ Congo） ， “ 卡 邦 納 多 ” （ Carbonado） ， “ 巴 拉斯 ”（ Ballas）

53、和 “ 雅 庫(kù) 特 ” （ ） 五 類 。 其 中 ， “ 包 布茲 ”主 要 用 于 制 造 表 鑲 鉆 頭 ， “ 剛 果 ” 主 要 用 于 孕 鑲 鉆 頭 ，“ 卡 邦 納 多 ” 和 “ 巴 拉 斯 ” 現(xiàn) 已 很 少 用 于 做 鉆 頭 ， “ 雅 庫(kù) 特 ” 產(chǎn)于 俄 羅斯 ， 主 要 在 前 蘇 聯(lián) 境 內(nèi) 使 用 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 二 、 鉆 探 用 金 剛 石 1、 鉆 探 用 金 剛 石 的 分 類 （ 2） 人 造 金 剛 石 包 括 單 晶 、 聚 晶 和 金 剛

54、石 復(fù) 合 片 等 。 聚 晶 是 由 細(xì) 小 的 金 剛 石 顆 粒 、 粘 合 劑 燒 結(jié) 成 較 大 顆粒 的 多 晶 金 剛 石 ； 金 剛 石 復(fù) 合 片 （ PDC） 是 由 一 層金 剛 石 多 晶 薄 層 、 一 層 較 厚 的 硬 質(zhì) 合金 層 復(fù) 合 而 成 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 1、 鉆 探 用 金 剛 石 的 分 類 金 剛 石 單 晶 ： 強(qiáng) 度 高 、 耐 磨 性 好 ， 在 硬 -堅(jiān) 硬 地 層 中 鉆 進(jìn) 能取 得 良 好 的 效 果 ； 但 由 于 其 粒 度

55、小 ， 在 軟 -中 硬 地 層 中 難 以 取 得較 高 的 鉆 速 ， 且 由 于 出 刃 量 小 ， 容 易 發(fā) 生 糊 鉆 事 故 。 金 剛 石 聚 晶 ： 高 溫 穩(wěn) 定 性 好 ， 強(qiáng) 度 較 高 ， 耐 磨 性 好 ， 能 直 接合 成 所 需 的 形 狀 ， 在 中 硬 地 層 中 能 取 得 較 好 的 鉆 進(jìn) 效 果 ， 但 其 強(qiáng)度 較 單 晶 小 ， 所 以 不 適 用 于 大 部 分 硬 -堅(jiān) 硬 的 巖 層 鉆 進(jìn) 。 金 剛 石 復(fù) 合 片 ： 綜 合 了 金 剛 石 的 耐 磨 性 和 硬 質(zhì) 合 金 的 抗 沖 擊韌 性 ， 且 在 鉆 進(jìn) 中 金 剛 石

56、層 保 持 了 銳 利 的 切 削 角 ， 所 以 ， 在 軟 -中硬 地 層 能 取 得 較 好 的 效 果 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 2、 金 剛 石 的 特 性 （ 1） 金 剛 石 為 碳 的 結(jié) 晶 體 ， 晶 體 結(jié) 構(gòu) 為 正 四 面 體 ， 碳 原 子 之 間 以共 價(jià) 鍵 相 連 ， 結(jié) 構(gòu) 非 常 穩(wěn) 定 。 （ 2） 典 型 的 晶 形 有 立 方 體 、 八 面 體 和 十 二 面 體 等 。 （ 3） 金 剛 石 是 世 界 上 最 硬 、 抗 壓 強(qiáng) 度 最 大 、 抗

57、磨 損 能 力 最 強(qiáng) 的材 料 。 其 莫 氏 硬 度 為 10級(jí) ， 是 石 英 的 1000倍 ； 天 然 金 剛 石 的 抗 壓 強(qiáng)度 約 為 8 600MPa， 是 鋼 的 9倍 。 耐 磨 性 是 鋼 的 20005000倍 。 （ 4） 它 的 脆 性 較 大 ， 遇 到 沖 擊 載 荷 會(huì) 出 現(xiàn) 碎 裂 ； （ 5） 熱 穩(wěn) 定 性 較 差 ， 在 高 溫 下 遇 氧 便 氧 化 并 被 轉(zhuǎn) 化 為 石 墨（ “ 石墨 化 ” ） 。 因 此 ， 在 金 剛 石 工 具 的 制 造 過 程 中 ， 須 隔 氧 ， 避 免 長(zhǎng) 時(shí) 間 受 高 溫 ； 在 使 用 中 ， 須 及

58、 時(shí) 冷 卻 切 削 刃 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 3、 鉆 探 用 金 剛 石 的 粒 度 和 品 級(jí) （ 1） 金 剛 石 的 粒 度 通 用 的 計(jì) 量 單 位 是 克 拉 （ carat） 。 鉆 探 用 金 剛 石 常 用 一 克 拉（ 0.2g） 多 少 粒 或 過 篩 網(wǎng) 目 數(shù) （ 每 平 方 英 寸 的 網(wǎng) 格 數(shù) ） 來 衡 量 。 鉆 探 用 的 金 剛 石 粒 度 ： 粗 粒 5 20粒 /克 拉 ； 中 粒 20 40粒 /克 拉 ； 細(xì) 粒 40 100粒 /克 拉 ；

59、粉 粒 100 400粒 /克 拉 。 其 中 ， 粗 、 中 粒 多 用 于 表 鑲 鉆 頭 和 表 鑲 擴(kuò) 孔 器 ， 細(xì) 、 粉 粒 多 用于 孕 鑲 鉆 頭 和 孕 鑲 擴(kuò) 孔 器 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 （ 2） 金 剛 石 的 品 級(jí) ： 主 要 根 據(jù) 晶 形 和 強(qiáng) 度 來 判 定 。 人 造 單 晶 晶 形 分 為 5種 ： 完 整 晶 體 。 晶 形 好 、 強(qiáng) 度 高 、 耐 沖 擊 ， 是 理 想 的 切 磨 耗 材 。 等 積 形 。 晶 體 長(zhǎng) 軸 與 短 軸 之 比

60、不 超 過 1.5 1的 稱 為 等 積 形 。強(qiáng) 度 較 高 ， 但 形 狀 尚 好 ， 在 鉆 探 中 的 應(yīng) 用 占 有 一 定 比 例 。 非 等 積 形 。 晶 體 長(zhǎng) 軸 與 短 軸 之 比 超 過 1.5 1者 為 非 等 積 形 。質(zhì) 量 差 ， 形 狀 不 好 ， 強(qiáng) 度 很 低 ， 在 鉆 探 中 不 宜 采 用 。 連 晶 。 共 晶 面 或 晶 棱 的 晶 體 、 非 完 整 晶 體 的 連 生 體 。 將 連 晶破 碎 為 單 晶 ， 經(jīng) 整 形 分 選 ， 得 到 質(zhì) 量 較 好 的 金 剛 石 在 鉆 探 上 使 用 。 聚 晶 體 。 許 多 小 的 晶 體 無

61、 規(guī) 則 地 聚 合 叢 生 稱 為 聚 晶 體 。 質(zhì) 量差 ， 強(qiáng) 度 很 低 ， 鉆 探 中 不 能 采 用 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 二 、 鉆 探 用 金 剛 石 3、 鉆 探 用 金 剛 石 的 粒 度 和 品 級(jí)（ 2） 金 剛 石 的 品 級(jí) ： 主 要 根 據(jù) 晶 形 和 強(qiáng) 度 來 判 定 。 按 強(qiáng) 度 區(qū) 分 是 金 剛 石 的 品 級(jí) ： 工 業(yè) 上 衡 量 人 造 單 晶 金 剛 石 質(zhì) 量 的 可 計(jì) 量 指 標(biāo) 是 單 軸 抗壓 強(qiáng) 度 。 用 于 鉆 探 的 人 造

62、 金 剛 石 強(qiáng) 度 一 般 在 2500Mpa以 上 ，即 ： 60 #（ 60目 ） 單 晶 單 粒 的 抗 壓 值 在 85N以 上 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 三 、 金 剛 石 鉆 進(jìn) 的 孔 底 碎 巖 過 程 表 鑲 鉆 頭 （ 鉆 頭 胎 體 上 的 金 剛 石 顆 粒 較 大 ） 與 孕 鑲 鉆 頭（ 胎 體 上 的 金 剛 石 顆 粒 較 小 ） 的 碎 巖 機(jī) 理 有 著 顯 著 的 不 同 。 國(guó) 內(nèi) 外 研 究 表 明 ， 金 剛 石 鉆 進(jìn) 的 孔 底 碎 巖 過 程 存

63、在 有 以下 幾 種 機(jī) 理 1、 壓 碎 剪 切 與 疲 勞 破 碎 2、 犁 掘 作 用 原 理 3、 多 刃 研 磨 切 削 4、 微 動(dòng) 載 碎 巖 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 1、 壓 碎 剪 切 與 疲 勞 破 碎 表 鑲 鉆 頭 上 的 單 粒 金 剛 石在 Py、 Px聯(lián) 合 作 用 下 ， 類 似球 體 壓 入 巖 石 （ 彈 脆 性 巖 石 ）產(chǎn) 生 大 、 小 剪 切 體 破 碎 ， 切槽 寬 度 金 剛 石 顆 粒 直 徑 。當(dāng) 金 剛 石 被 磨 鈍 時(shí) ， 在 Py、P x的

64、作 用 下 ， 產(chǎn) 生 壓 縮 應(yīng) 變和 拉 伸 應(yīng) ， 巖 石 中 出 現(xiàn) 一 些微 小 的 裂 紋 ， 裂 紋 的 數(shù) 量 及 深 度 取 決 于 軸 載 和 轉(zhuǎn) 速 。 孔 底 某 一 點(diǎn) 經(jīng)多 次 重 復(fù) 加 載 ， 產(chǎn) 生 破 碎 ， 碎 巖 過 程 具 有 疲 勞 破 碎 的 性 質(zhì) 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 2、 犁 掘 作 用 原 理 （ 塑 性 破 碎 ） 鉆 進(jìn) 時(shí) ， 孔 底 巖 石 是 在 三 向 應(yīng) 力 狀 態(tài) 下 （ 圍 巖 壓 力 、 液 柱 壓力 和 軸 向 載 荷

65、） ， 隨 圍 壓 的 增 加 ， 巖 石 的 塑 性 增 大 。 當(dāng) 以 塑 性破 碎 為 主 時(shí) ， 將 發(fā) 生 明 顯 的 犁 掘 作 用 過 程 ， 即 ： 鉆 頭 唇 面 上 出露 的 金 剛 石 ， 在 軸 向 壓 力 作 用 下 侵 入 巖 石 表 面 ， 在 切 向 力 作 用下 沿 橫 向 滑 移 時(shí) ， 滑 移 前 方 的 壓 縮 應(yīng) 力 區(qū) 產(chǎn) 生 張 應(yīng) 力 滑 移 區(qū) ，在 滑 移 區(qū) 內(nèi) 產(chǎn) 生 向 前 、 向 左 、 向 右 、 向 下 的 裂 紋 ， 當(dāng) 應(yīng) 力 增 加時(shí) ， 裂 紋 擴(kuò) 展 。 應(yīng) 力 超 過 巖 石 強(qiáng) 度 時(shí) ， 首 先 在 金 剛 石 的

66、 正 前 方出 現(xiàn) 溝 槽 形 的 破 碎 ， 在 其 兩 側(cè) 也 將 沿 薄 弱 面 產(chǎn) 生 破 碎 。 2021-5-1 中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué) 勘 查 教 研 室 第 三 節(jié) 金 剛 石 及 其 孔 底 碎 巖 過 程 3、 多 刃 研 磨 切 削 孕 鑲 鉆 頭 金 剛 石 顆 粒 小 ， 且 埋 藏 于 胎 體 之 中 ， 鉆 進(jìn) 中 必 須自 磨 出 刃 才 能 維 持 鉆 速 恒 定 而 不 衰 減 。 其 碎 巖 機(jī) 理 類 似 于 砂 輪 磨 削 工 件 。 以 唇 面 上 多 而 小 的 硬 質(zhì)點(diǎn) （ 金 剛 石 ） 對(duì) 加 工 件 （ 孔 底 巖 石 ） 進(jìn) 行 刻 劃 、 磨 削 ， 隨 著 硬質(zhì) 點(diǎn) 的 逐 漸 磨 損 和 粘 結(jié) 胎 體 的 不 斷 磨 耗 ， 新 的 硬 質(zhì) 點(diǎn) 又 裸 露 出來 參 加 工 作 。 當(dāng) 唇 面 金 剛 石 出 露 較 好 時(shí) ， 在 磨 削 的 同 時(shí) ， 也 存 在 孔 底 的微 剪 切 和 微 壓 碎 作 用 。 如 果 孕 鑲 金 剛 石 鉆 頭 的 胎 體 性 能 與 所 鉆 巖 石 不 適 應(yīng) 或 沒 有足 夠