劉勇，常江華

(中煤科工集團西安研究院，陜西西安 710077）

某金礦水平繩索取心鉆進鉆頭選型及試驗分析

劉勇，常江華

(中煤科工集團西安研究院，陜西西安 710077）

為探明礦產(chǎn)儲量和礦帶產(chǎn)狀，進行了水平繩索取心鉆進試驗。由于試驗場地地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆頭不能很好的適應(yīng)地層，未取得理想鉆進效果。通過對繩索取心鉆頭的選型試驗，重點分析了水平鉆進對鉆頭的影響。結(jié)合完孔后的鉆孔軌跡，逆向分析了水平鉆進與鉆孔軌跡的關(guān)系。選出了適合該礦區(qū)的鉆頭，并提出了鉆頭的改進方法及防止鉆孔彎曲的建議。

水平孔;繩索取心;孕鑲金剛石鉆頭;鉆孔軌跡

1 工程概況

礦區(qū)位于西秦嶺中帶，緊鄰姜眉公路，交通便利，運輸方便。

為探明礦帶走向，進行了水平繩索取心鉆進試驗。試驗現(xiàn)場主要為石英質(zhì)灰?guī)r地層含石英脈，局部有硅化帶，巖石硬度級別為Ⅷ級，弱研磨性，屬于“打滑”地層。礦化帶為風化裂隙帶和構(gòu)造破碎帶，局部有“脆、碎”的特點。在該地層中用新的孕鑲金剛石鉆頭鉆進時，鉆頭唇面與地層對磨光亮，幾乎不出刃;用出刃良好的舊鉆頭鉆進時，鉆速逐漸下降，金剛石鉆頭被拋光，不能再自銳出刃。繩索取心鉆進過程中，起鉆頻繁，勞動強度大，鉆進效率低。

2 場地條件及設(shè)備

鉆場布設(shè)在深550 m，寬2.2 m，高2 m的運輸大巷中，鉆孔傾角－1.22°，方位角178°，設(shè)計孔深400 m。采用繩索取心鉆進工藝，要求巖心采取率≮90%。試驗所用設(shè)備為ZDY1000G型全液壓動力頭式坑道鉆機(如圖1所示），BW－250型泥漿泵。

圖1 ZDY1000G型全液壓動力頭式坑道鉆機

3 孕鑲金剛石鉆頭的選用

由于該礦區(qū)既有“打滑”地層，礦化帶又有“脆、碎”特性，在繩索取心鉆進過程中，經(jīng)常發(fā)生不進尺、鉆頭唇面拋光等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致起鉆頻繁，鉆進效率低。為了找到適應(yīng)該地層的鉆頭，選用了不同類型的孕鑲金剛石鉆頭進行試驗。

根據(jù)礦區(qū)地層“打滑”的特點，考慮到在荷載作用下，金剛石較難壓入巖石。加上受水平鉆進的影響，重力會使一部分壓力做無用功，進一步降低了施加在唇面金剛石顆粒上的壓力。同時由于回轉(zhuǎn)鉆進時鉆頭對巖石的摩擦系數(shù)小，導(dǎo)致巖石難以破碎，胎體不易磨損，從而導(dǎo)致鉆進效率低。要想增加壓力，合理的措施是減小鉆頭底唇面積。

孕鑲金剛石同心圓鋸齒鉆頭，因為其自身的結(jié)構(gòu)，盡可能的減小了底唇面積，增加了單位面積上的壓力，更利于金剛石顆粒吃入巖石。同時，同心鋸齒鉆頭的特殊結(jié)構(gòu)，可以形成多個自由面，有利于體積破碎。該試驗確定選用孕鑲金剛石同心圓鋸齒鉆頭。

對于孕鑲金剛石鉆頭，應(yīng)首先確定與地層相匹配的胎體，然后再進一步優(yōu)化唇面形式。試驗選擇 75 mm的同心圓鋸齒鉆頭，金剛石濃度為100%，粒度為50～60目的混合粒，水口型式為直槽式，數(shù)量為10個。具體試驗結(jié)果見表1。

表1 孕鑲金剛石鉆頭選型試驗結(jié)果表

4 試驗分析

4.1 胎體性能

胎體的性能是確保金剛石鉆頭性能的重要指標之一，主要包括胎體的硬度和耐磨性。它關(guān)系到鉆頭的使用壽命、出刃程度和鉆進效率，同時還關(guān)系到鉆頭的適應(yīng)性能。所以，應(yīng)首先對胎體性能進行分析。

4.1.1 胎體硬度

胎體硬度是目前選擇鉆頭的主要性能指標，主要是指鉆頭抵抗沖擊的能力。在試驗中，1號和4號鉆頭都在一定程度上有掉塊現(xiàn)象(如圖2所示）。因為礦化帶有“脆、碎”的特點，水平鉆進下鉆過程中，鉆頭是貼著孔壁下入孔底的，難免會與未被循環(huán)液帶出而停留在孔內(nèi)的較大巖屑產(chǎn)生沖擊作用，就會使金剛石鉆頭的胎體產(chǎn)生一定的掉塊現(xiàn)象。說明鉆頭的胎體硬度不能很好的適應(yīng)礦區(qū)地層，應(yīng)改換胎體硬度較高、抗沖擊能力較強的鉆頭。

4.1.2 胎體耐磨性

胎體的耐磨性是與巖石的研磨性直接對應(yīng)的性能指標。耐磨性是否適應(yīng)研磨性，直接關(guān)系到鉆頭出刃的好壞。

試驗中，1號鉆頭起鉆后用手觸摸唇面有明顯的粗糙感，可以觀察到較理想的“蝌蚪”狀出刃，但鉆頭胎體磨損較快。2號鉆頭鉆進10.8 m后鉆速逐漸下降，直至不進尺，起鉆觀察，擴孔器下端有臺階狀磨損且鉆頭唇面被拋光。3號鉆頭進尺極緩慢，起鉆檢查，發(fā)現(xiàn)鉆頭未出刃。

圖2 使用后的孕鑲金剛石鉆頭

對比1、2和3號鉆頭可以得出，1號鉆頭雖然出刃較好，但壽命很短，說明耐磨性較弱，與礦區(qū)巖層不匹配。2號鉆頭唇面被拋光而無法自銳出刃，可能是因為鉆頭胎體耐磨性相對巖層研磨性過強，但由于擴孔器有磨損，也可能是因為擴孔器擴孔能力差，阻礙了鉆頭的鉆進。3號鉆頭唇面被拋光，是因為胎體耐磨性過強，無法超前磨損，致使鉆頭無法自銳出刃。

試驗中，4、5和6號鉆頭的現(xiàn)象與1、2和3號類似，分析結(jié)果也類似。

4.2 水平鉆進對鉆頭的影響

水平鉆進對鉆頭影響很大。由于鉆具自重，鉆頭始終貼著孔壁。在下鉆時，鉆頭可能因沖擊而掉塊;在鉆進中，鉆頭切削下的巖粉大部分只能通過孔內(nèi)下壁隨著循環(huán)液排出，鉆桿在重力作用下緊貼著鉆孔下壁，阻礙了巖屑的排出，使得二者相互磨削，加快了鉆頭外壁和擴孔器的磨損。

對比2號和7號鉆頭，2號鉆頭的工作層余高比7號大得多，而兩者只有擴孔器不一樣。分析可得2號鉆頭是受水平鉆進的影響，磨損嚴重，導(dǎo)致鉆孔縮徑，而且普通的保徑條擴孔器在礦區(qū)的擴孔能力較差(如圖3所示），從而使大部分鉆進時間都耗在擴孔器與巖層的互磨上，大大的降低了鉆進效率。

4.3 水平鉆進對鉆孔軌跡的影響

水平鉆進對鉆頭的影響很大，同時，鉆頭對水平鉆進的影響也不可忽略。它最直接的影響是對鉆孔軌跡的影響(如圖4所示）。因為水平孔中的巖屑無法及時的排出，而沉積在孔底下壁，加快了對孔底下壁的磨削，包括鉆頭與已切削下的巖屑。這樣就會導(dǎo)致孔底靠近下壁的巖石超前磨損，使得鉆孔軌跡向下彎曲。

圖3 保徑條擴孔器磨損情況

圖4 鉆孔軌跡

從圖4中可以看出，在110 m以前，鉆孔基本上是水平的，110～320 m鉆孔嚴重彎曲。分析可知在泵量一定的前提下，孔深110 m以前的巖屑可以順利排出，基本上不會影響鉆孔軌跡;在110 m之后，鉆頭已經(jīng)有一定程度上的磨損，擴孔器的擴孔能力也有所減弱，環(huán)狀間隙進一步減小，循環(huán)液因為沿程阻力增大，不能將較大的巖屑完全排出。在鉆頭和未能及時排出的巖屑的磨削作用下，鉆孔下壁超前磨損，使得鉆進方向向下傾斜，且隨著深度的增加，軌跡彎曲的越來越厲害。

4.4 水平鉆進對唇面形式的影響

鉆頭的唇面形式在鉆進過程中有著重要的地位，它決定了參與切削的金剛石數(shù)量、出刃狀態(tài)、鉆頭唇面上的受力等。

針對礦區(qū)堅硬的弱研磨性巖層，特地選用鋸齒狀唇面，以減小鉆頭與巖石的接觸面積，增大單位面積的鉆壓，胎體上的金剛石顆粒更容易出刃，更容易吃入巖石。從表1中，可以明顯看出同一硬度的四齒鉆頭要優(yōu)于三齒鉆頭。

但在水平鉆進中，隨著孔深的增加，鉆桿長度的增長，柔度就會越大，鉆頭在孔底的震動就會越劇烈，對鉆頭鋸齒的硬度有著很高的要求。對于鋸齒形鉆頭，齒數(shù)越多，就意味著齒尖所受的壓力越大，如稍加軸向的速度，掉塊的可能性就會增大，就如圖1所示，嚴重的影響鉆進效率。

5 結(jié)論

(1）通過對表1的分析，選出了適合于礦區(qū)地層的鉆頭是胎體硬度為HRC25～30的四齒鉆頭。

(2）優(yōu)選鉆頭的外保徑條，配用適當?shù)慕饎偸綏l擴孔器，減小孔壁及未排出的巖屑對擴孔器的磨削速度。

(3）在唇面結(jié)構(gòu)上，減小鋸齒的坡度，鈍化齒尖，加強抗沖擊能力，盡量減小沖擊掉塊的可能性。

(4）下鉆時應(yīng)放慢速度，避免沖擊掉塊。若下鉆時給進壓力突然升高，很可能是因為孔內(nèi)巖屑卡住了鉆頭或鉆桿。此時，應(yīng)后退鉆桿，開泵沖孔，再慢慢下入孔底。

(5）鉆進到一定深度后，應(yīng)該加大泵量，使得巖屑能順利排出孔底。

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Selection of Horizontal Wire-line Coring Bit in a Gold Mine and the Test Analysis

LIU Yong，CHANG Jiang-hua (Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp.，Xi’an Shaanxi 710077，China）

To prove the mineral reserves and the occurrence of mineralization belt，wire-ling coring drilling test was made.Because of the complex geological conditions，the used bit was not well adapted to make good drilling results.Through the selection test of impregnated diamond bit and the drilling track，analysis was made on the impact of horizontal drilling on the bit.Based on the borehole track，reverse analysis was made on the relationship of horizontal drilling and borehole track，suitable bit for the mine geological conditions was selected with improvement methods and suggestions on preventing hole bending put forward.

horizontal borehole;wire-line coring;impregnated diamond bit;drilling track

P634.4+1

:A

:1672－7428(2011）07－0073－03

2010－12－21;

2011－03－20

劉勇(1988－），男(漢族），湖北仙桃人，中煤科工集團西安研究院，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，從事探礦工程技術(shù)研究工作，陜西省西安市錦業(yè)一路82號鉆探研發(fā)中心501室，liuyong_xx@163.com。