趙 濤

（核工業(yè)二一六大隊，新疆烏魯木齊830011）

近些年，隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，高速鐵路的大量建設，鋼鐵行業(yè)的迅猛發(fā)展帶動了我國對鐵礦石需求的增加[1]。新疆地區(qū)鐵礦資源豐富，但找礦效率低下是制約采礦業(yè)發(fā)展的重要因素。蒙庫鐵礦地區(qū)位于新疆富蘊縣境內，是進行硬巖地質巖芯鉆探找礦施工的主要區(qū)域之一。由于該地區(qū)地層復雜，應用現(xiàn)有的S95、S75金剛石繩索取芯鉆探工藝和階梯、環(huán)齒金剛石鉆頭，會出現(xiàn)鉆頭壽命短、鉆進效率低、鉆孔質量差等施工問題[2]，給該地區(qū)的鉆探取樣工作帶來諸多不便。

通常，鉆頭鉆進效率的高低和使用壽命的長短，是評價其質量優(yōu)劣的2個重要指標[3]。根據(jù)鉆孔深度的不同，可將鉆探工程分為深孔鉆探和淺孔鉆探2類。由于地層的復雜性和施工過程的繁瑣性，深孔鉆探對金剛石鉆頭性能要求較高[4]。淺孔鉆探由于起下鉆周期短，使得鉆頭的效率在鉆探成本中占據(jù)主導地位[3]。這2種鉆孔類別在新疆蒙庫鐵礦地區(qū)廣泛分布，因此，在該地區(qū)鉆探工程中選擇合適的鉆頭顯得尤為重要。

為有效解決地區(qū)鉆探過程中鉆頭出現(xiàn)的諸多問題，現(xiàn)引進孕鑲金剛石齒輪鉆頭。金剛石齒輪鉆頭在鉆進過程中，鉆頭同時提供擠壓力和鉆進下滑力，便于巖石破碎，給鉆進帶來了有利的工作環(huán)境。同時，鉆頭孕鑲的金剛石在對孔底巖石進行刻劃磨蝕的過程中，隨著金剛石的逐漸磨損和消失以及粘結胎體的不斷磨耗，新的金剛石又裸露出來進行工作[3]。這種自磨出刃而自銳的性能，大大提高鉆進效率，延長鉆頭壽命，顯著改善鉆頭的鉆探效能，是解決蒙庫鐵礦地區(qū)施工難題的有效選擇。

1 蒙庫鐵礦地區(qū)地質概況

蒙庫一帶鐵礦處于阿爾泰山脈中部西南邊緣山前地帶，為中低山地形，海拔1000～1400m，相對高差50～400m，切割深度50～100m，多發(fā)育“V”型谷，屬構造剝蝕侵蝕型中、低山地貌，總的趨勢北高南低。同時，本區(qū)處于歐亞大陸腹地，緯度較高，北東部毗鄰蒙古高壓中心，本區(qū)氣候深受其影響，年平均氣溫1.9℃，年最高溫度37.2℃，年最低溫度-43.1℃。11月至次年3月為冰凍期，凍土深1m，積雪厚0.8～1m。冬季嚴寒多雪，夏季炎熱少雨，屬典型的大陸性氣候。

礦區(qū)大地構造位置位于西伯利亞板塊（Ⅰ）阿勒泰陸緣活動帶（Ⅰ1）南阿爾泰弧后盆地（Ⅰ13）東段麥茲晚古生代火山盆地中。烏吐布拉克鐵礦就處于麥茲火山盆地中的麥茲復向斜北東翼次級褶皺——鐵木下爾袞向斜東段，為蒙庫鐵床的東延部位。區(qū)內出露地層主要有志留系中上統(tǒng)庫魯姆提群（S2-3Kl）、泥盆系下統(tǒng)康布鐵堡組（D1k）、泥盆系中統(tǒng)阿勒泰組（D2a），以泥盆系為主[5]。地層總體呈北西-南東向展布，區(qū)域內褶皺、斷裂構造發(fā)育。礦區(qū)內巖漿巖以侵入巖為主，分布廣泛，從華力西早期一直持續(xù)到中晚期形成巨大的花崗巖基?；◢徎鶐r硬度較大，抗風化能力強。

礦區(qū)地層為下泥盆統(tǒng)康布鐵堡組的黑云母變粒巖、鈣鐵輝石磁鐵礦、石榴子石磁鐵礦、斜長角閃巖、淺粒巖、大理巖、變粒巖、角閃變粒巖、斜長角閃片巖、片麻巖。第四系呈條帶狀分布于河谷兩側。礦區(qū)內工程地質巖按硬度差別可劃分為3組：（1）軟弱巖土組：主要指第四系松散堆積層，分布于巴利爾斯河及結別特河河谷，包括河流沖洪積層、殘坡積層和少量崩坡積層，巖性為砂土、卵石土、碎石土和塊石土等，該類土結構松散，呈散體狀，孔隙率大。（2）半堅硬巖組：主要指斜長黑云母角閃片巖、黑云母片巖，該類巖石片理發(fā)育，淺部風化強烈，錘擊易成粉狀，抗壓強度低。該類巖石呈透鏡狀零星分布。（3）堅硬巖組：礦區(qū)內大部分巖石均屬于堅硬巖石，包括淺粒巖、斜長角閃巖、角閃變粒巖和礦體等。

總而言之，蒙庫鐵礦地區(qū)成礦條件良好，是進行鉆探找礦的良好區(qū)域。但是由于該地區(qū)地層復雜，巖石堅硬、破碎、研磨性強，進行鉆探施工時常遇到一系列難題。傳統(tǒng)的階梯金剛石鉆頭和環(huán)齒金剛石鉆頭存在明顯的鉆進效率低、使用壽命短等缺陷，無法滿足工程實際的要求，迫切需要尋找適合該地區(qū)地質類型的新型鉆頭。

2 礦區(qū)原用鉆頭鉆探存在問題及原因分析

2.1 存在問題

現(xiàn)場階梯金剛石鉆頭和環(huán)齒金剛石鉆頭在該地區(qū)的使用情況如表1所示。階梯金剛石鉆頭和環(huán)齒金剛石鉆頭在該地區(qū)鉆探生產中出現(xiàn)的主要問題有4個[6]：（1）內外保徑差，出現(xiàn)早期磨損；（2）水口沖蝕嚴重；（3）胎體產生掉塊；（4）胎體出現(xiàn)裂縫。

表1 金剛石鉆頭使用情況一覽表

2.2 原因分析

通常，當在該地區(qū)使用階梯金剛石鉆頭或環(huán)齒金剛石鉆頭進行鉆探施工時，由于巖層研磨性強和巖芯破碎，鉆進過程中巖芯不能順利進入內管，發(fā)生巖芯堵塞現(xiàn)象，造成巖芯在鉆頭內徑處消耗，從而導致鉆頭內保徑超前磨損失效。當鉆頭胎體硬度偏軟或者在沖洗液過大，巖石研磨性強，沖洗液中含砂量過多時，水口在含砂沖洗液流的強烈沖刷下均易發(fā)生變形和沖蝕破壞，造成水口沖蝕嚴重。當鉆頭掃殘留巖芯，孔內不干凈有硬塊，鉆頭胎體強度不夠，鉆進嚴重破碎裂縫巖層和鉆頭受到撞擊時常會出現(xiàn)胎體掉塊現(xiàn)象。當鉆頭結構不合理，鉆頭胎體偏脆，強度不夠，金剛石分布不均，密集處往往胎體薄弱或者操作過程中出現(xiàn)失誤，產生嚴重的擠夾、碰撞，而導致胎體出現(xiàn)裂縫[6]。

3 孕鑲金剛石齒輪鉆頭的鉆進原理及保徑優(yōu)勢

孕鑲金剛石齒輪鉆頭具有獨特的結構。它采用齒輪式，齒輪形唇面的鉆頭，鉆頭胎體表面上分布有多而小的硬質點。孕鑲金剛石齒輪鉆頭由于其特殊的結構，其鉆進原理也與普通的鉆頭不同。在鉆進過程中，不但有壓力和扭力的共同作用，而且具有沿鉆頭底唇面垂直的擠壓力。擠壓力和鉆進下滑力，這正是與平底鉆頭不同的獨特之處。齒輪給鉆頭鉆進帶來了有利的工作環(huán)境：一方面，由于鉆頭唇面有齒輪形槽，在壓力和扭力的作用下，鉆頭底齒輪面不僅能緊緊地楔入巖石內部，造成力量集中，而且在擠壓力的作用下，加速了鉆頭對巖石的破碎機能；另一方面，鉆頭唇相對地增強了鉆具的導向性和穩(wěn)定性。孕鑲的金剛石鉆頭在鉆進的過程中有自磨出刃而自銳的性能，很好地延長了鉆頭的使用壽命。

除此之外，齒輪金剛石還有很好的保徑優(yōu)勢。在強研磨性地層中，常規(guī)的保徑方式由于圓柱狀聚晶工作面小而很快磨損導致鉆頭失效。孕鑲齒輪金剛石保徑層采用方聚晶，通過增加聚晶的工作體積來加強保徑能力，能起到非常好的效果?？梢杂行Ы鉀Q階梯金剛石鉆頭或環(huán)齒金剛石鉆頭在鉆進過程中出現(xiàn)的內外保徑差，胎體出現(xiàn)掉塊和裂縫的問題，順利地達到預期效果。

4 孕鑲金剛石齒輪鉆頭在蒙庫鐵礦地區(qū)應用實效

在蒙庫鐵礦地區(qū)，根據(jù)以往地層的地質資料和工程實例經驗，所用的金剛石鉆頭都是因為內外徑磨損過大或工作層大范圍磨損掉齒而停止使用。在繩索取芯鉆進工藝中，要求從鉆頭下孔后到鉆頭報廢才提一次大鉆，使用金剛石階梯鉆頭和金剛石環(huán)齒鉆頭需要逐個回次地觀察鉆頭的磨損情況，影響了機臺的生產實效。而使用孕鑲金剛石齒輪鉆頭，從最終提鉆上來的鉆頭形狀看，鉆頭內外徑的磨損較為均勻，沒有發(fā)生拉槽現(xiàn)象，無需在鉆探施工過程中反復提拉鉆桿，大大提高鉆探效率，降低鉆探成本和勞動強度。孕鑲金剛石齒輪鉆頭現(xiàn)場使用情況見表2。

表2 孕鑲金剛石齒輪鉆頭使用情況

依據(jù)試驗結果，將表2和表1中的數(shù)據(jù)進行對比分析可知：孕鑲金剛石齒輪鉆頭在鉆進鈣鐵輝石磁鐵礦、石榴子石磁鐵礦、斜長角閃巖、斜長角閃片巖、黑云母花崗巖時壽命較高。它的平均鉆進時效是金剛石階梯鉆頭和金剛石環(huán)齒鉆頭的2.01倍，可以達到2.17m/h。它的平均使用壽命為98.13m/只，是金剛石階梯鉆頭和金剛石環(huán)齒鉆頭的2倍，單只鉆頭最高壽命可達到189.2m/只。孕鑲金剛石齒輪鉆頭其它各項指標也均有明顯改善，取得了預期的試驗效果[7]。

5 礦區(qū)鉆探施工技術

5.1 使用設備及鉆具組合

蒙庫鐵礦施工區(qū)使用的主要鉆探設備包括：18m四角鉆塔、XY-5型鉆機、NBB-250泥漿泵、NJ-1000型攪拌機、120kW發(fā)電機。針對鉆孔地質要求及孔深特點，為保證鉆孔在鉆進過程中安全，不出事故，順利完成鉆孔的施工，選用無錫鉆探工具廠生產的S95A、S75A繩索取芯鉆具，其級配系列見表3。該鉆具采用墩粗加厚鉆桿，鉆桿和接手的聯(lián)結絲扣螺紋齒高增加，連接強度提高，鉆頭、擴孔器和接手外徑相應加大。單管的取芯率較高，在鉆進的過程中可以避免鉆頭冷卻不良、排粉不暢的問題。同時，鉆具在鉆進的過程中，可以減少輔助時間，提高鉆探的時效，對鉆芯具有很好的防斜保直效果[8]。

5.2 鉆進參數(shù)的選擇

表3 繩索取芯鉆具級配系列（單位：mm）

根據(jù)該地區(qū)特殊的工程地質特點，在堅硬的研磨性強的巖層鉆進，采用大鉆壓和適當?shù)霓D速和泵量；在裂隙發(fā)育的破碎巖層和研磨性強的巖層鉆進，采用小鉆壓、中低轉速和適當?shù)谋昧?。在深孔鉆進時，為保證孔內安全，則要限制轉速和鉆壓。

鉆探施工操作的要點是控制好孔內壓力平衡，撈取巖芯及起下鉆時必須采取沖洗液回灌措施，并根據(jù)地層的實際情況，控制撈取巖芯及起下鉆的速度，防止孔內壓力失衡造成孔壁坍塌。金剛石鉆進規(guī)程參數(shù)的特點是高轉速、小泵量和適當壓力。在低固相泥漿鉆進條件下，為避免鉆桿內結泥皮，應限制鉆具轉速。推薦鉆進參數(shù)見表4。

表4 推薦鉆進規(guī)程參數(shù)表

5.3 沖洗液的配制

根據(jù)以往的經驗，配制沖洗液所用泥漿的主要材料為膨潤土、纖維素、聚丙烯酰胺，腐植酸鉀、植物膠。配制程序為：（1）泥漿配制前，首先加純堿浸泡粘土，進行預水化處理；（2）對溶解度較差的纖維素事先按要求溶于水中；（3）按照地層要求配制基漿，按比例加入泥漿添加劑。

6 結論

（1）孕鑲金剛石齒輪鉆頭從胎體性能、唇面結構上看，適用于在蒙庫鐵礦地區(qū)作為高效率長壽命的繩索取芯的鉆頭。

（2）孕鑲金剛石齒輪鉆頭的齒輪型唇面結構將碎巖時效提高1.01倍，該唇面結構還具有很好的導向性，對于不穩(wěn)定地層鉆孔的防斜保直具有很好的作用，是一種值得在野外鉆探項目中推廣的唇面結構。

（3）孕鑲金剛石齒輪鉆頭將使用壽命延長1倍，可以減少更換鉆頭和反復提拉鉆桿的次數(shù)，極大地減小勞動強度，在生產上降低鉆探成本，達到了預期的使用效果。