■林征

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)局二九三大隊(duì)廣東廣州510800）

淺談提高金剛石鉆頭使用壽命的措施

■林征

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)局二九三大隊(duì)廣東廣州510800）

金剛石鉆頭研磨性、硬度等優(yōu)勢(shì)，在探礦工程技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，由于金剛石材料屬于稀缺資源，其自身價(jià)值又比較昂貴，因此在如何提高金剛石鉆頭的使用壽命顯得尤為重要。本文從金剛石鉆頭的種類和優(yōu)勢(shì)、影響金剛石鉆頭使用壽命的因素及提高金剛石鉆頭使用壽命的具體措施三個(gè)方面進(jìn)行了分析，以提高金剛石鉆頭的使用效率，延長(zhǎng)其使用壽命。

延長(zhǎng)壽命施工溫度硬度強(qiáng)緩慢鉆進(jìn)

人們對(duì)金剛石的發(fā)現(xiàn)、探究及應(yīng)用經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)而久遠(yuǎn)的歷程。與其它礦物相比，金剛石的優(yōu)勢(shì)是堅(jiān)硬無(wú)比。從羅馬時(shí)代開始，金剛石的硬度就獲取了當(dāng)時(shí)的關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金剛石鉆頭在工業(yè)上的得到的應(yīng)用，作為探礦工程施工重要的角色，金剛石鉆頭的使用壽命值得探礦技術(shù)專家更深層次的探究及高度重視。

1 金剛石鉆頭的種類及其優(yōu)勢(shì)

1.1 金剛石鉆頭的種類

由于工業(yè)的需要和發(fā)展，金剛石鉆頭也正處在不斷更新之中。根據(jù)金剛石包鑲形式、制造方法等不同，可分為表鑲鉆頭、孕鑲鉆頭；按制造方法不同，可分為、冷壓浸漬法（冷壓法）鉆頭、熱壓燒結(jié)法（熱壓法）鉆頭；無(wú)壓浸漬法（無(wú)壓法）鉆頭、低溫電鍍法（電鍍法）鉆頭四種。根據(jù)鉆探工程的不同地質(zhì)特殊性，所選擇金剛石鉆頭的種類也不盡相同，如表鑲鉆頭，金剛石是有序的排列在鉆頭胎體之表面上，大部分表鑲鉆頭采用了天然金剛石，硬度較強(qiáng)，適應(yīng)較特殊的地層，故價(jià)格也很昂貴，因此表鑲金剛石鉆頭并不是隨處可見，其常常用在特殊的鉆探；與之相反，孕鑲金剛石鉆頭的應(yīng)用就廣泛多了，采用人造金剛石，價(jià)格便宜，更重要的是，它能適應(yīng)較硬的復(fù)雜地層鉆進(jìn)施工，從而更受到人們的青睞。

1.2 金剛石鉆頭的優(yōu)勢(shì)

金剛石鉆頭的優(yōu)點(diǎn)歷來(lái)被人類所看好，在鉆探工程中不可或缺的角色。

（1）鉆進(jìn)效率高。由于金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)采用了動(dòng)態(tài)流場(chǎng)模擬技術(shù)，鉆具與孔壁的間隔小，改善了了鉆桿在孔內(nèi)的穩(wěn)定性，允許開高轉(zhuǎn)速，加速了巖石破碎，提高了孔底的排屑速度，提高了效率。

（2）鉆孔質(zhì)量好。與鋼粒鉆進(jìn)相比，小口徑金剛石鉆進(jìn)大多數(shù)采用雙管鉆進(jìn)，孔徑小、巖礦心完整、光滑清潔，采取率高（90%）以上；鉆具穩(wěn)定性較好，鉆桿柱與巖心管不易發(fā)生彎曲，確保鉆孔偏斜度質(zhì)量。

（3）孔內(nèi)事故少、勞動(dòng)強(qiáng)度低；其一：由于孔徑小、孔內(nèi)的穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)速快、孔內(nèi)排粉干凈；其二：鉆探設(shè)備和管材輕，操作方便、搬遷運(yùn)輸輕便、簡(jiǎn)化省力、孔內(nèi)事故少、勞動(dòng)強(qiáng)度低。

（4）成本低、應(yīng)用范圍廣；鉆進(jìn)效率高、孔內(nèi)事故少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、成本低；適應(yīng)施工任意角度鉆孔、孔徑孔深不受限制等等。

2 影響金剛石鉆頭使用壽命的因素

金剛石鉆頭的工作原理。由于金剛石鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，不僅承受著軸向壓力，同時(shí)也要承受切線方向的回轉(zhuǎn)力，正如我們所知道的那樣，金剛石的抗壓強(qiáng)度為150~200kgf/m㎡,而其抗彎強(qiáng)度僅僅為21~49kgf/m㎡,也就是說(shuō),金剛石的抗彎能力遠(yuǎn)不如抗壓能力。因此，金剛石鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中極易發(fā)生撞擊脆性碎裂。金剛石鉆頭的工作原理可如圖所示：

圖1

圖1顯示了金剛石鉆頭在工作中所受的力，通過(guò)圖1，可以得出下表：

表1

由上圖可知，當(dāng)P值減小時(shí)，金剛石鉆頭所發(fā)生脆性碎裂的可能性也隨之降低?？傮w來(lái)說(shuō)，p=p1+py*f，那么如果f（摩擦系數(shù)）減小，金剛石鉆頭的耐磨性也會(huì)增強(qiáng)。

（1）金剛石鉆頭制造工藝影響；所采用金剛石質(zhì)量、強(qiáng)度以及制作過(guò)程中金剛石的預(yù)處理、燒結(jié)溫度、熱壓工藝等等。

（2）金剛石鉆頭合理選擇及使用影響；金剛石鉆頭的使用范圍雖然很廣，但對(duì)于巖層來(lái)說(shuō)有一個(gè)適應(yīng)性。因此，為了發(fā)揮金剛石鉆頭的最優(yōu)效果，鉆頭制造廠商常設(shè)計(jì)加工多種類型金剛石鉆頭，以滿足鉆進(jìn)各種巖層的需要，達(dá)到高效、長(zhǎng)壽和低耗，從而降低鉆探生產(chǎn)成本。

（3）金剛石鉆進(jìn)技術(shù)規(guī)程影響；評(píng)定金剛石鉆進(jìn)技術(shù)規(guī)程是否合理，主要取決于鉆速、鉆頭進(jìn)尺和單位進(jìn)尺金剛石的消耗量（克拉／米）三個(gè)方面指標(biāo)。

3 提高金剛石鉆頭使用壽命的具體措施

金剛石鉆頭質(zhì)量及其使用壽命，很大程度上取決于制作所采用金剛石質(zhì)量、強(qiáng)度以及鉆進(jìn)技術(shù)規(guī)程；而如何評(píng)定一個(gè)金剛石鉆頭使用達(dá)到高效、長(zhǎng)壽和低耗，降低鉆探生產(chǎn)成本，是鉆探工程需要共同研究解決的技術(shù)問(wèn)題。

3.1 金剛石鉆頭制造工藝

一個(gè)金剛石鉆頭質(zhì)量及其使用壽命，很大程度上取決于制作所采用金剛石質(zhì)量、強(qiáng)度、預(yù)處理、燒結(jié)溫度、熱壓工藝等等。

（1）采用高質(zhì)量高強(qiáng)度的人造金剛石制作工藝，能進(jìn)一步提高人造金剛石鉆頭強(qiáng)度及使用壽命。

（2）金剛石在使用之前，必須按照鉆探要求進(jìn)行挑選，然后按鉆進(jìn)地層巖石、鉆頭類型和鑲嵌部位合理選用；對(duì)部分不規(guī)則、有銳利棱角的等金剛石必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理才能使用，如：氧化處理、圓化處理、熱處理等。

（3）影響鉆頭制作胎體性能的因素；主要是改善熱壓工藝、降低燒結(jié)溫度，提高金剛石鉆頭制作過(guò)程中質(zhì)量。

3.2 金剛石制作原料選擇

制作原料的選取，必須達(dá)到四個(gè)方面要求：一是硬度極高；由于金剛石晶格是正四面體，且碳原子相互用共價(jià)鍵連接，吸引力大，這就決定了金剛石的硬度極高是目前所知礦物中硬度值最大的一種。二是導(dǎo)熱性高，其導(dǎo)熱率高達(dá)（0.35卡／cm·秒·度），故有良好的導(dǎo)熱性，即容易吸收熱，也容易散發(fā)熱，其導(dǎo)熱率是硬質(zhì)合金的7倍，這對(duì)應(yīng)用于鉆探鉆頭很重要。三是熱穩(wěn)定性；是指在高溫下性能是否穩(wěn)定，金剛石的熱穩(wěn)定性較差，當(dāng)1000℃時(shí)金剛石完全消失，所以制作工藝上必須特別注意控制燒結(jié)溫度，鉆進(jìn)過(guò)程中也應(yīng)特別注意冷卻金剛石鉆頭。四是耐磨性強(qiáng)；由于彈性模量極大（90000㎏／m㎡），超過(guò)自然界所有礦物和主要磨削材料。在空氣中與金屬的摩擦系數(shù)＜0.1。所以具有極高的耐磨性，為金剛石鉆頭加工及應(yīng)用提供了優(yōu)越條件。

3.3 金剛石鉆頭的選擇及使用

金剛石鉆頭的使用范圍雖然很廣，但在實(shí)際應(yīng)用及選擇過(guò)程中，如果不合理、不按規(guī)程規(guī)范進(jìn)行使用，質(zhì)量再好、造價(jià)再昂貴，都無(wú)法達(dá)到高效、長(zhǎng)壽、低耗以及降低鉆探施工成本；

金剛石鉆頭的選擇及使用，主要包括鉆頭鑲嵌類型、胎體性能、金剛石的質(zhì)量、粒度和濃度、鉆頭的其它結(jié)構(gòu)特征，如水口形狀、數(shù)量和大小，底唇形狀等。

（1）金剛石鉆頭的選擇原則；

①軟的、中硬和完整均質(zhì)的硬巖層一般宜用表鑲鉆頭；硬的、堅(jiān)硬的和破碎的、軟硬不均的、裂隙性巖宜用孕鑲鉆頭。

②巖層研磨性越強(qiáng)、越硬，選用的金剛石粒度應(yīng)越細(xì)，金剛石品級(jí)應(yīng)越好。高研磨性巖層和特硬巖層均宜用孕鑲鉆頭。

③胎體硬度應(yīng)根據(jù)巖層研磨性、破碎程度、硬度、顆粒度等因素選擇，主要因素為巖層研磨性和破碎程度。通常情況下巖層研磨性強(qiáng)、破碎程度厲害、較軟、顆粒度粗的選用鉆頭胎體應(yīng)硬，反之，應(yīng)偏軟。如“打滑”地層。

（2）金剛石鉆頭的使用技術(shù)參數(shù)；

金剛石鉆頭的使用鉆進(jìn)技術(shù)，除了正確選擇鉆頭以及鉆具合理配置外，金剛石鉆進(jìn)效率及鉆頭的磨耗，更重要是取決于鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)、鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速和沖洗液量。

①鉆頭排隊(duì)使用；應(yīng)根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)和巖石性質(zhì)，考慮可能需要使用的鉆頭數(shù)量，把鉆頭進(jìn)行排隊(duì)使用。用游標(biāo)卡尺精確測(cè)量鉆頭的內(nèi)外徑和胎體高度，并記在鉆頭卡片上。按外徑和內(nèi)徑尺寸分組排隊(duì)使用，先用外徑大的，內(nèi)徑小的原則，可減少鉆頭磨損和擴(kuò)孔工作量，避免堵心。

②與鉆具某些部件的合理配合；根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求做好鉆具組配時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)方面配合關(guān)系，正確選擇鉆桿外徑、擴(kuò)孔器外徑和卡簧內(nèi)徑，配合尺寸選擇恰當(dāng)，就能大大提高鉆頭使用壽命。

③注意選擇最優(yōu)的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)；鉆進(jìn)規(guī)程、鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速和沖洗液量、泵壓以及泥漿性能等參數(shù)，采用有效的防振減振措施，遵循操作規(guī)范等等，才能提高鉆頭使用壽命，合理使用鉆頭的重要內(nèi)容。

④控制合理的時(shí)效；根據(jù)我國(guó)目前鉆進(jìn)條件和鉆頭質(zhì)量水平，一般建議時(shí)效不要超過(guò)3米／時(shí)。時(shí)效過(guò)高，影響鉆頭壽命，甚至?xí)馃@。但影響時(shí)效的因素較多，各地可根據(jù)具體巖層性質(zhì)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定合理的時(shí)效。

⑤不盲目追求鉆頭進(jìn)尺；金剛石鉆頭一經(jīng)投入使用，就應(yīng)力求多打進(jìn)尺，但不應(yīng)盲目追求鉆頭進(jìn)尺。例如已發(fā)現(xiàn)鉆頭過(guò)度磨損或損傷，就應(yīng)當(dāng)停止使用。倘若再繼續(xù)使用，就會(huì)損耗較多的金剛石，雖然進(jìn)尺多了一點(diǎn)，但成本反而高。又如為了增加鉆頭總進(jìn)尺數(shù)，鉆頭在硬巖中使用后，較好的還可留著打軟巖石。

此外，金剛石鉆頭在使用過(guò)程中，要及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)常進(jìn)行檢查，分析鉆頭磨損情況，從中找出規(guī)律性的東西以便以后選用參考。

（3）加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的專業(yè)指導(dǎo)；專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)收集金剛石鉆頭的使用資料，建立健全鉆頭使用檔案，并對(duì)使用效果進(jìn)行詳細(xì)的分析，制定出合理的使用方式、高效的使用方法。其一下鉆前必須檢查鉆頭是否有異常、孔內(nèi)是否干凈，在涂抹絲扣油之前對(duì)鉆頭絲扣接頭進(jìn)行清洗，并擰緊絲扣；其二下鉆時(shí)要緩慢升降速度，以免撞擊鉆頭胎體，確保金剛石鉆頭平穩(wěn)到孔底，并提離孔底20公分后方可開轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；其三鉆進(jìn)過(guò)程中如遇動(dòng)力機(jī)械設(shè)備、水泵水量、泵壓、孔內(nèi)等發(fā)生異常情況時(shí)，應(yīng)查明原因后方可繼續(xù)鉆進(jìn)；其四鉆進(jìn)中鉆速突然變快變慢或突然不進(jìn)尺，應(yīng)及時(shí)提鉆或查找原因后再繼續(xù)鉆進(jìn)，否則，會(huì)造成燒鉆事故的發(fā)生和金剛石鉆頭嚴(yán)格損壞；其五提鉆后要認(rèn)真檢查鉆頭磨耗情況，特別要檢查鉆頭底唇面的磨損情況，從而判斷、確定你所選擇的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)是否合理。

3.4 先進(jìn)技術(shù)的發(fā)明和引入

科技的發(fā)展帶動(dòng)了金剛石鉆頭的發(fā)展和應(yīng)用。但是，在金剛石鉆頭的使用過(guò)程中，仍然有一些問(wèn)題值得我們的探討。為了延長(zhǎng)金剛石鉆頭的使用壽命，我們應(yīng)不斷地發(fā)明和引入更先進(jìn)的技術(shù)，包括制造技術(shù)、使用技術(shù)和保養(yǎng)技術(shù)等等。過(guò)去我們使用的液體潤(rùn)滑劑有著種種缺陷，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的需要，如今引用的固體潤(rùn)滑劑則解決了一些難題，不僅減少了摩擦，而且降低了工作溫度，使得金剛石鉆頭的壽命得到了提高。

4 結(jié)語(yǔ)

自金剛石鉆頭誕生以來(lái)，人們青睞于它的效率高、壽命長(zhǎng)，然而，能否真正的實(shí)現(xiàn)它的價(jià)值，提高它的工作效率，延長(zhǎng)它的使用壽命，是由種種內(nèi)外因所共同決定和影響的。為了提高金剛石鉆頭的使用壽命，還需要我們更多的努力和探究。

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F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-6-475-2