國家精品課程：巖土鉆掘工程學(xué)第4章——回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭

1、第四章第四章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭 一、一、硬質(zhì)合金鉆頭及其孔底的碎巖過程硬質(zhì)合金鉆頭及其孔底的碎巖過程 二、二、金剛石鉆頭及其孔底碎巖過程金剛石鉆頭及其孔底碎巖過程 三、三、鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 四、四、牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 五、五、全面鉆進(jìn)與鉆頭全面鉆進(jìn)與鉆頭 國家精品課程國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四章第四章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭回轉(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：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、牙輪鉆頭伴有循環(huán)沖洗

2、介質(zhì)的硬質(zhì)合金、金剛石、鋼粒、牙輪鉆頭 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)； 采用液動、氣動孔底沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；采用液動、氣動孔底沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)； 鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)；鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)； 振動鉆進(jìn)。振動鉆進(jìn)。u 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；振動鉆進(jìn)、長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)主要用于在土壤和軟巖中打淺動鉆進(jìn)、長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)主要用于在土壤和軟巖中打淺孔（工程施工）?？祝üこ淌┕ぃ?國家精品課程

3、2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室u 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)選擇鉆頭的一般原則是：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。在硬脆巖層中采用鑲齒牙輪鉆頭。 金剛石鉆頭主要用于金剛石鉆頭主要用于59、76（75）、）、91 mm的小口徑；的小口徑； 鋼粒鉆頭主要用于鋼粒鉆頭主要用于91mm以上的口徑；以上的口徑； 硬質(zhì)合金和牙輪鉆頭則既可鉆進(jìn)小口徑，

4、又可鉆進(jìn)大口徑硬質(zhì)合金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。水井、工程施工孔和淺井。 第四章第四章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 0、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的基本概念與特點(diǎn)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)。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進(jìn)方法，它用

5、于軟巖層及中硬巖層的鉆進(jìn)（14級軟的沉積巖、中硬的57級及部分8級巖漿巖和變質(zhì)巖）。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 一、鉆探用硬質(zhì)合金一、鉆探用硬質(zhì)合金 1、硬質(zhì)合金的特性、硬質(zhì)合金的特性 （1）鉆探用的鎢）鉆探用的鎢(WC) -鈷鈷(Co)合金合金,以碳化鎢粉末為骨架，鈷以碳化鎢粉末為骨架，鈷粉末為粘結(jié)劑，用粉末冶金方法制成。稱為粉末為粘結(jié)劑，用粉末冶金方法制成。稱為YG類合金。類合金。 （2）牌號的意義：如）牌號的意義：如YG8c：YG鎢鎢-鈷系硬質(zhì)合金；鈷系硬質(zhì)合金；8鈷鈷的百分含量為的百分含量為8%；c

6、（x）粗（細(xì)）粒合金。粗（細(xì)）粒合金。 （3）硬質(zhì)合金特性：）硬質(zhì)合金特性：u 含鈷量含鈷量相對密度相對密度,硬度硬度,耐磨性耐磨性,抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度,沖沖擊韌性擊韌性；u WC的顆粒的顆粒硬度硬度,耐磨性耐磨性；u 反之反之WC的顆粒的顆粒則抗彎強(qiáng)度則抗彎強(qiáng)度、韌性、韌性。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 2、選用硬質(zhì)合金切削具的基本原則、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。薄片狀、方柱狀、八角柱狀和針狀等。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研

7、室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 u 選擇切削具形狀的一般原則是：選擇切削具形狀的一般原則是： （1）片狀硬質(zhì)合金）片狀硬質(zhì)合金：刃薄易于壓入和切削巖石，但抗彎能力差，適用于級軟巖； （2）柱狀硬質(zhì)合金）柱狀硬質(zhì)合金：抗彎能力較強(qiáng)，壓入阻力也較小，主要適用于級中硬巖石；八角柱狀合金的抗崩能力強(qiáng)，利于排粉和破巖，并易于焊牢，在裂隙發(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）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。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)

8、孔底碎巖過程 二、硬合金鉆進(jìn)的孔底碎巖過程二、硬合金鉆進(jìn)的孔底碎巖過程 硬合金鉆進(jìn)的過程，實際上是切削具在軸向力的作用下，壓入巖石壓入巖石；在回轉(zhuǎn)水平力的作用下，沿孔底切削碎巖切削碎巖； 在軸向力和水平力的共同作用下，孔底巖石以薄的螺旋以薄的螺旋層形式連續(xù)被破碎層形式連續(xù)被破碎。Vm=60nmh1 根據(jù)所鉆巖石的不同，其破碎方式也不相同，可分為塑塑性巖石的碎巖性巖石的碎巖和彈彈- -塑性巖石的碎巖塑性巖石的碎巖兩種情況。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 （一）塑性巖石的碎巖情況（一）塑性巖石的碎巖情況 1、切

9、、切入入巖石的過程巖石的過程 鉆頭上切削具切入巖石的必要條件是：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的單位壓力必須大于或至少等于巖石的抗壓入硬度。即： PyHy F0 式中：Hy巖石的壓入硬度； F0切削具刃尖處與巖石的接觸面積。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 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； Hy巖石的壓入硬度； 摩擦力影響系數(shù)（小于1）。 tg0

10、yybHPh 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 上式表明：u 塑性巖石的切入深度塑性巖石的切入深度h0與軸向力與軸向力Py成成正比，而與切削具的刃角正比，而與切削具的刃角、刃寬、刃寬b、巖石的壓入硬度巖石的壓入硬度Hy成反比。成反比。u 雖然雖然角越小切削具刃尖切入巖石越角越小切削具刃尖切入巖石越容易，但如果容易，但如果很小則切削具會很快崩很小則切削具會很快崩裂，實際上裂，實際上角的最小值為角的最小值為4550。 tg0yybHPh 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆

11、進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 2、回轉(zhuǎn)切削過程、回轉(zhuǎn)切削過程 u 切削具切入巖石并回轉(zhuǎn)，在水平力Px作用下，壓迫前面的巖石使發(fā)生塑性變形并不斷地向自由面滑移切削作用切削作用。u 在切屑的裂隙尚未發(fā)展到全面斷裂之前，下一切屑又發(fā)生滑移。因此切屑是連續(xù)、切屑是連續(xù)、平穩(wěn)的，其切削槽寬與切削具刃寬相同。平穩(wěn)的，其切削槽寬與切削具刃寬相同。u 實際上，由于振動、沖刷，巖屑將碎裂并巖屑將碎裂并被沖洗液帶至地表；被沖洗液帶至地表；u 在P Py y 和和P Px x 共同作用下共同作用下的切入比Py單獨(dú)作用下切入更容易切入更容易，也切入的更深切入的更深。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大

12、學(xué)勘查教研室第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(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（二）彈塑性巖石的孔底破碎過程 u 彈塑性巖石是硬質(zhì)合金鉆頭的主要鉆進(jìn)對象。理論上，切彈塑性巖石是硬質(zhì)合金鉆頭的主要鉆進(jìn)對象。理論上，切削具切入需要很大的軸向力，而在雙向力的同時作用下實削具切入需要很大的軸向力，而在雙向力的同時作用下實際的際的Py力為（力為（1/61/13）。）。u 碎巖顯著特點(diǎn)：以跳躍式的剪切破碎為主。巖石破碎大體碎巖顯著特點(diǎn)：以跳躍式的剪切破碎為主。巖石破碎大體分三個階段：分三個階段： 1 1、切入巖石，巖石剪切破碎，前移碰撞刃前巖石。切入巖石，巖石剪切破碎，前移碰撞

13、刃前巖石。 2 2、刃前接觸面很小，擠壓力較大，小剪切破碎。繼續(xù)前刃前接觸面很小，擠壓力較大，小剪切破碎。繼續(xù)前移移產(chǎn)生若干次小剪切。產(chǎn)生若干次小剪切。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 3 3、當(dāng)、當(dāng)刃前接觸面刃前接觸面較大時，前進(jìn)受阻。繼續(xù)擠壓較大時，前進(jìn)受阻。繼續(xù)擠壓刃前刃前巖石（部巖石（部分被壓成粉狀）；同時，分被壓成粉狀）；同時，P Px x 力急劇增大，當(dāng)力急劇增大，當(dāng)P Px x 力達(dá)到極限值時，力達(dá)到極限值時，產(chǎn)生大的剪切破碎，然后產(chǎn)生大的剪切破碎，然后P Px x力突然減小。力突然減小。 國家

14、精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 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，切槽斷面近似于梯形。切槽寬度有規(guī)律地變化，B1為大剪切時的切槽寬。孔底的破碎過程沿著傾角為傾角為的螺旋面進(jìn)行。的螺旋面進(jìn)行。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 u 綜上所述，用切削具破碎彈綜上所述，用切削具破碎彈-塑性巖石時，在每個剪切循環(huán)塑性巖石時，在每個剪切循環(huán)中和各個循環(huán)之間，水平力中和各個循環(huán)

15、之間，水平力Px都是跳躍式；而在塑性巖石都是跳躍式；而在塑性巖石中，水平力中，水平力Px 沒有顯著的變化，基本上是常量。沒有顯著的變化，基本上是常量。 三、硬質(zhì)合金切削具的磨損三、硬質(zhì)合金切削具的磨損 1.關(guān)于切削具磨損和鉆速問題的研究關(guān)于切削具磨損和鉆速問題的研究 u 費(fèi)得洛夫得出磨損曲線。反映切削費(fèi)得洛夫得出磨損曲線。反映切削具單位時間磨損量具單位時間磨損量W與切削具刃端與切削具刃端面積上比壓面積上比壓 關(guān)系。在分界點(diǎn)關(guān)系。在分界點(diǎn)=0前后屬于兩種不同性質(zhì)的磨損前后屬于兩種不同性質(zhì)的磨損 。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金

16、鉆進(jìn)孔底碎巖過程 (1) 曲線曲線 0，巖石呈體積破碎。隨著切削具上的比壓，巖石呈體積破碎。隨著切削具上的比壓，磨損，磨損量量W不僅未不僅未，反而出現(xiàn)，反而出現(xiàn)。即在體積破碎條件下，切削具的磨。即在體積破碎條件下，切削具的磨損主損主 要不取決于軸向壓力，而取決于巖石的硬度、切削具的要不取決于軸向壓力，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。材質(zhì)及切削具的磨鈍面積。費(fèi)得洛夫提出，在一定條件下切削具費(fèi)得洛夫提出，在一定條件下切削具 的磨鈍面積與其初始面積和鉆進(jìn)時的磨鈍面積與其初始面積和鉆進(jìn)時 間有關(guān)間有關(guān) S(t)=S0+t ； 磨損系數(shù)磨損系數(shù)國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大

17、學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 A A巖性、鉆進(jìn)規(guī)程及鉆頭一定時為常量。巖性、鉆進(jìn)規(guī)程及鉆頭一定時為常量。 u 切削具的磨損面積與鉆進(jìn)時間成正比，而機(jī)械鉆速與切削具切削具的磨損面積與鉆進(jìn)時間成正比，而機(jī)械鉆速與切削具接觸面積的平方成反比。接觸面積的平方成反比。u 設(shè)鉆進(jìn)的初始鉆速為設(shè)鉆進(jìn)的初始鉆速為 v0=A/S02，上式可寫成，上式可寫成：式中：式中： k0鉆速下降的特征系數(shù)，鉆速下降的特征系數(shù)，k0=/S0。 鉆頭在鉆頭在t時間內(nèi)時間內(nèi)總進(jìn)尺為總進(jìn)尺為 得到得到 20)(tSAvm20022020200)1 (2tkvttSSSvvmtmdtv

18、H0)1 (00tkvvm國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 u 平均鉆速是進(jìn)尺平均鉆速是進(jìn)尺H 的一元線性方程的一元線性方程，u v0 是縱坐標(biāo)上的截距，u k0 為直線的斜率。u 平均鉆速和進(jìn)尺H 在鉆進(jìn)很容易測得，可以用一元回歸分析的方法可以用一元回歸分析的方法，在若干在若干觀測計算值的基礎(chǔ)上求出觀測計算值的基礎(chǔ)上求出 k0 和和 v0 ，從而利用（從而利用（4-7）式來預(yù)測切削具磨）式來預(yù)測切削具磨損對鉆速的影響。損對鉆速的影響。 Hkvvm00Hvmv0k0國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教

19、研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 2、硬質(zhì)合金切削具在孔底磨損的實際狀況、硬質(zhì)合金切削具在孔底磨損的實際狀況 前述理論分析的基礎(chǔ)是假定切削具刃部為均勻磨損，實際鉆進(jìn)中，切削具出刃的內(nèi)、外側(cè)切削具出刃的內(nèi)、外側(cè)磨損量是不均勻的，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切削具底端也不是被磨損成平面，而是呈圓弧形，刃前緣平面，而是呈圓弧形，刃前緣和后緣磨損更厲害。和后緣磨損更厲害。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 3、減輕切削具磨損的措施、減輕切

20、削具磨損的措施 (1) 避免切削具在表面破碎狀態(tài)下工作。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，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)合金牌號和型號，采用合理的鉆應(yīng)根據(jù)巖性選用合適的硬質(zhì)合金牌號和型號，采用合理的鉆頭唇面結(jié)構(gòu)。頭唇面結(jié)構(gòu)。 (3) 及時修磨切削具，及時修磨切削具，減小初始接觸面積，以降低其磨損率。 (4) 采取等強(qiáng)度磨損的原則，采取等強(qiáng)度磨損的原則，對磨損嚴(yán)重的內(nèi)外側(cè)面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。 (5) 采用有潤滑作用的乳化液或泥

21、漿洗孔，采用有潤滑作用的乳化液或泥漿洗孔，減輕切削具的磨損。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 一、取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)要素一、取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)要素u 一定數(shù)量的硬質(zhì)合金切削具，按一定的形式排布在鉆頭體上，一定數(shù)量的硬質(zhì)合金切削具，按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)。形成鉆進(jìn)不同地層的鉆頭結(jié)構(gòu)。u 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。鑲焊角度、切削具在鉆頭體上的數(shù)目及布置方式等。1、鉆頭體、鉆頭

22、體u 硬合金切削具的支撐體，傳遞軸載和扭矩，承受切削具破巖硬合金切削具的支撐體，傳遞軸載和扭矩，承受切削具破巖的反作用力、孔底的動載和摩擦。的反作用力、孔底的動載和摩擦。u DZ-40DZ-40無縫鋼管制成。上有外螺紋與巖心管連接，內(nèi)壁有內(nèi)無縫鋼管制成。上有外螺紋與巖心管連接，內(nèi)壁有內(nèi)錐，便于卡取巖心。錐，便于卡取巖心。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 2 2、切削具出刃、切削具出刃 （1） 內(nèi)、外出刃內(nèi)、外出刃使使 鉆頭體與孔壁、鉆頭體與孔壁、巖心之間的間隙，避免摩擦孔壁和巖心，巖心之間的間隙，避免摩擦孔壁和巖心，提供循環(huán)沖洗通道。提

23、供循環(huán)沖洗通道。u 出刃過大，合金抗外力的能力降低、碎出刃過大，合金抗外力的能力降低、碎巖巖斷面和功耗增大，鉆孔斷面和功耗增大，鉆孔易易彎曲。彎曲。u 出刃過小，流阻出刃過小，流阻增增大，容易堵塞巖心、大，容易堵塞巖心、沖毀孔壁、漂浮鉆具。沖毀孔壁、漂浮鉆具。u 合理選擇合理選擇出刃出刃：一般：一般13 mm。巖硬、孔。巖硬、孔壁穩(wěn)、鉆速低，取小值；反之取大值。壁穩(wěn)、鉆速低，取小值；反之取大值。u 遇水膨脹或大量巖粉的軟地層，加焊肋遇水膨脹或大量巖粉的軟地層，加焊肋骨，增大內(nèi)、外環(huán)狀空間，一般取內(nèi)、骨，增大內(nèi)、外環(huán)狀空間，一般取內(nèi)、外出刃外出刃3 36 6mm ，底出刃，底出刃45mm 。 國

24、家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 （2 2） 底出刃底出刃 作用：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?。旱壮鋈写笮。河汕腥肷疃群瓦^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)增加補(bǔ)強(qiáng)。一般為25 mm。 底出刃有平底式、階梯式。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，容易產(chǎn) 生體積破碎。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 3、切削具的鑲焊角度、切削具的鑲焊角度 具有一定刃角刃角的切削

25、具以不同的前角前角（亦稱鑲焊角）鑲焊在鉆頭體上，形成不同的切削角切削角，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三種鑲焊方式：方式：u正斜鑲，正斜鑲，u直鑲，直鑲，u負(fù)斜鑲。負(fù)斜鑲。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 （1）刃角）刃角的選擇：的選擇： u=4550，級非裂隙性巖石；級非裂隙性巖石；u=65，級巖石；級巖石；u=90的小切削具，用于自磨式鉆頭。的小切削具，用于自磨式鉆頭。（2）選擇鑲焊形式（正斜鑲、直鑲、負(fù)斜鑲）應(yīng)考慮下述原則：選擇鑲焊形式（正斜鑲、直鑲、負(fù)斜鑲）應(yīng)考慮下述原則：u對所鉆巖石切入和回轉(zhuǎn)阻力小

26、；對所鉆巖石切入和回轉(zhuǎn)阻力小；u可保證鉆頭體上的切削具有較大的抗彎和抗磨損能力；可保證鉆頭體上的切削具有較大的抗彎和抗磨損能力；u有利于及時排除巖粉；有利于及時排除巖粉；u磨損后的端面接觸面積不能過快增大，應(yīng)保持一定的切削能力。磨損后的端面接觸面積不能過快增大，應(yīng)保持一定的切削能力。u上述條件很難同時滿足，設(shè)計鉆頭應(yīng)根據(jù)巖性有所側(cè)重地考慮。上述條件很難同時滿足，設(shè)計鉆頭應(yīng)根據(jù)巖性有所側(cè)重地考慮。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室(3)三種鑲焊形式的特征分析三種鑲焊形式的特征分析o 切入深度相同時，切入所需軸向力切入深度相同時，切入所需軸向力Py和水平力和水平力Px： o 磨

27、損體積相同時，切削刃端的磨損面積磨損體積相同時，切削刃端的磨損面積: o 三者出刃一致時，切削刃上的彎矩三者出刃一致時，切削刃上的彎矩: o 排粉條件排粉條件: o 通常正斜鑲的鉆頭在軟巖通常正斜鑲的鉆頭在軟巖 中具有高鉆速，而負(fù)斜鑲鉆頭中具有高鉆速，而負(fù)斜鑲鉆頭適用于硬巖和非均質(zhì)巖層，最常用的是直鑲。適用于硬巖和非均質(zhì)巖層，最常用的是直鑲。 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 4、硬質(zhì)合金切削具在鉆頭體上的布置方式、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：單環(huán)排列、多環(huán)排列、密集

28、排列等。 （1）確定切削具布置方式的原則：）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，每個切削具只破碎孔底的一部分，疊加起來完成整個唇面的切削，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； 對切削具的鑲焊和修磨方便。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 （2）切削具布置方式）切削具布置方式 單環(huán)排列：單環(huán)排列：一個或二個切削具并聯(lián)覆蓋唇面，加工簡單； 多環(huán)排列：多環(huán)排列：多個切削具分環(huán)覆蓋唇面，造成多的碎巖自由面；

29、密集排列：密集排列：多個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。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 5、切削具在鉆頭體上的數(shù)目、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，單位時間完成的切削量就大，鉆速也越高，鉆頭壽命較長。但是，由于軸向載荷有限，單個切削具上的載荷不足，只能形成表面破碎；同時，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。對軟巖取對軟巖取較少的數(shù)量，對較硬和非均質(zhì)及研磨性巖石，為保證鉆頭壽命，較少的數(shù)量，對較硬和非均質(zhì)及

30、研磨性巖石，為保證鉆頭壽命，一般應(yīng)取密集式排列。一般應(yīng)取密集式排列。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 6、鉆頭的水口和水槽、鉆頭的水口和水槽 （1）作用：）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排粉。（2）水口形狀：）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：）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）的面積。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 二、取心式硬質(zhì)合金鉆頭二、取心式硬質(zhì)合金鉆頭 取心式

31、硬質(zhì)合金鉆頭分為磨銳式和自磨式。取心式硬質(zhì)合金鉆頭分為磨銳式和自磨式。 1、磨銳式硬質(zhì)合金鉆頭、磨銳式硬質(zhì)合金鉆頭 鉆頭上的合金切削具磨鈍后可用砂輪修鉆頭上的合金切削具磨鈍后可用砂輪修磨銳利的鉆頭。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。一般適用于研磨性小的軟及中硬巖石。 2、自磨式硬質(zhì)合金鉆頭、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)。 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 3、典型典型鉆頭鉆頭結(jié)構(gòu)舉例結(jié)構(gòu)舉例

32、（1）螺旋肋骨鉆頭）螺旋肋骨鉆頭u 外焊三塊呈外焊三塊呈45螺旋肋骨，有助液流上返，提高清粉能力。螺旋肋骨，有助液流上返，提高清粉能力。u 正斜鑲，利于切軟巖。通水截面積大，循環(huán)阻力小，使孔底正斜鑲，利于切軟巖。通水截面積大，循環(huán)阻力小，使孔底比較干凈，避免重復(fù)破碎，提高鉆進(jìn)效率。比較干凈，避免重復(fù)破碎，提高鉆進(jìn)效率。u 適用于鉆進(jìn)適用于鉆進(jìn)級（部分級（部分級）松軟巖層、粘土層、風(fēng)化級）松軟巖層、粘土層、風(fēng)化砂巖及鋁土頁巖等。砂巖及鋁土頁巖等。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 （2 2）薄片硬合金鉆頭：）薄片硬合金鉆頭：u 切削具鋒利

33、，采用掏槽刃容易切入巖石；切削具鋒利，采用掏槽刃容易切入巖石；u 出刃較大，保證較大間隙沖洗巖粉；出刃較大，保證較大間隙沖洗巖粉；u 主要用于鉆進(jìn)粘結(jié)性較小的軟巖主要用于鉆進(jìn)粘結(jié)性較小的軟巖。 （3 3）“品品”字形硬合金鉆頭字形硬合金鉆頭u 三顆合金呈三顆合金呈“品品”字形焊成一組。字形焊成一組。u 中間的出刃較大中間的出刃較大掏槽，兩邊的出刃較掏槽，兩邊的出刃較小小擴(kuò)槽。擴(kuò)槽。 u 主要用于主要用于級和軟硬互層的巖石。級和軟硬互層的巖石。u 切削具可以直鑲也可切削具可以直鑲也可 以正斜鑲。以正斜鑲。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭

34、 （4）針狀自磨式鉆頭針狀自磨式鉆頭 u 把預(yù)制好的胎塊焊在鉆頭體上。胎塊內(nèi)包裹針狀硬質(zhì)合金。u 支撐體胎體硬度要合適，保證超前磨耗，以利于針狀硬質(zhì)合金自磨出刃。u 鉆頭可用于鉆進(jìn)57級中等研磨性的巖石。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室三、硬質(zhì)合金鉆頭選型表三、硬質(zhì)合金鉆頭選型表 鉆頭類型鉆頭類型 巖石可鉆性級別巖石可鉆性級別 巖巖 石石螺旋肋骨鉆頭螺旋肋骨鉆頭 松散可塑性巖層松散可塑性巖層階梯肋骨鉆頭階梯肋骨鉆頭 頁巖，頁巖， 砂頁巖砂頁巖薄片式鉆頭薄片式鉆頭 砂頁巖砂頁巖 ，碳質(zhì)泥巖，碳質(zhì)泥巖方柱狀鉆頭方柱狀鉆頭 均質(zhì)大理巖均質(zhì)大理巖,灰?guī)r灰?guī)r,軟砂巖軟砂巖,頁巖頁巖單

35、雙粒鉆頭單雙粒鉆頭 中研磨性砂巖，灰?guī)r中研磨性砂巖，灰?guī)r品字形鉆頭品字形鉆頭 灰?guī)r，灰?guī)r， 大理巖，細(xì)砂巖大理巖，細(xì)砂巖破擴(kuò)式鉆頭破擴(kuò)式鉆頭 砂礫巖砂礫巖 ，礫巖，礫巖負(fù)前角階梯鉆頭負(fù)前角階梯鉆頭 玄武巖玄武巖 ，砂巖，輝長巖，灰?guī)r，砂巖，輝長巖，灰?guī)r胎體針狀鉆頭胎體針狀鉆頭 中研磨性片麻巖，閃長巖中研磨性片麻巖，閃長巖鋼柱針狀鉆頭鋼柱針狀鉆頭 研磨性研磨性 石英砂巖，混合巖石英砂巖，混合巖薄片式自磨鉆頭薄片式自磨鉆頭 研磨性研磨性 粉砂巖，砂頁巖粉砂巖，砂頁巖 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第三節(jié)第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程金

36、剛石及其孔底碎巖過程金剛石是迄今最堅硬的研磨切削材料，鉆探用金剛石約占世界工業(yè)金剛石1/5。 一、一、鉆探用鉆探用金剛石金剛石 1、鉆探用鉆探用金剛石的金剛石的分類分類 鉆探用金剛石分為天然的、人造的兩大類。鉆探用金剛石分為天然的、人造的兩大類。u 天然金剛石 “包布茲包布茲”（Bortz）制造表鑲鉆頭；u 天然金剛石“剛果剛果”（Congo）孕鑲鉆頭；u 天然“卡邦納多卡邦納多”（Carbonado）“巴拉斯巴拉斯”（Ballas）首飾；u 天然“雅庫特雅庫特”（）主要在前蘇聯(lián)境內(nèi)使用。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第三節(jié)第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程金剛石及其孔底碎巖

37、過程u人造金剛石單晶人造金剛石單晶u人造金剛石聚晶人造金剛石聚晶由細(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u人造金剛石復(fù)合片人造金剛石復(fù)合片（PDC）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。2. 2. 天然金剛石的特性天然金剛石的特性 u 金剛石為結(jié)晶體碳原子之間以共價鍵相連，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。金剛石為結(jié)晶體碳原子之間以共價鍵相連，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。u 金剛石的弱點(diǎn)：金剛石的弱點(diǎn)：脆性較大，遇沖擊出現(xiàn)碎裂；脆性較大，遇沖擊出現(xiàn)碎裂；熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性較差，高溫下氧化并較差，高溫下氧化并“石墨化石墨化”。u 金剛石工具制造過程中，須隔氧，避長時間高溫；在使用中，金剛石工具制造過程中，

38、須隔氧，避長時間高溫；在使用中，須避免承受沖擊載荷并及時冷卻切削刃。須避免承受沖擊載荷并及時冷卻切削刃。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第三節(jié)第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程金剛石及其孔底碎巖過程 3. 與鉆探有關(guān)的金剛石物理力學(xué)性質(zhì)與鉆探有關(guān)的金剛石物理力學(xué)性質(zhì)(1) 硬度極高，研磨硬度是剛玉的硬度極高，研磨硬度是剛玉的150倍，石英的倍，石英的1000倍。倍。(2) 有極大的抗靜壓強(qiáng)度。天然金剛石的抗壓強(qiáng)度大約有極大的抗靜壓強(qiáng)度。天然金剛石的抗壓強(qiáng)度大約8600MPa，約為剛玉的約為剛玉的3.5倍，硬質(zhì)合金的倍，硬質(zhì)合金的1.5倍，鋼的倍，鋼的9倍。用于鉆探的倍。用于鉆

39、探的人造金剛石一般要求強(qiáng)度達(dá)人造金剛石一般要求強(qiáng)度達(dá)2500MPa以上。以上。(3) 極高的耐磨性是剛玉的極高的耐磨性是剛玉的90倍，硬質(zhì)合金的倍，硬質(zhì)合金的40200倍，鋼的倍，鋼的20005000倍。人造金剛石聚晶體一般與中硬碳化硅砂輪的倍。人造金剛石聚晶體一般與中硬碳化硅砂輪的磨耗比在磨耗比在1：30000以上。以上。(4) 金剛石是熱的良導(dǎo)體，它散熱比硬質(zhì)合金刃具快。線膨脹系金剛石是熱的良導(dǎo)體，它散熱比硬質(zhì)合金刃具快。線膨脹系數(shù)僅為硬質(zhì)合金的數(shù)僅為硬質(zhì)合金的1/41/5，鋼的，鋼的1/81/10，但隨溫度升高而，但隨溫度升高而增長較快，這對金剛石的包鑲和增長較快，這對金剛石的包鑲和鉆頭

40、鉆頭使用不利使用不利。u 金剛石容易受熱損傷，雖然溫度低于燃燒溫度，但金剛石的強(qiáng)度、耐磨性已受到嚴(yán)重影響。所以鉆進(jìn)中必須充分冷卻，防止發(fā)生金剛石鉆頭燒鉆事故。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第三節(jié)第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程金剛石及其孔底碎巖過程 4 4、鉆探用金剛石的粒度和品級、鉆探用金剛石的粒度和品級 （1）金剛石的粒度）金剛石的粒度 國際上通用的計量單位是克拉。鉆探用金剛石常用一克拉(0.2g) 多少?；蜻^篩網(wǎng)目數(shù)來衡量。鉆探用的金剛石粒度：u 粗粒520粒/克拉；u 中粒2040粒/克拉；u 細(xì)粒40100粒/克拉；u 粉粒100400粒/克拉。 粗、中粒多用

41、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。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第三節(jié)第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程金剛石及其孔底碎巖過程 （2）金剛石的品級）金剛石的品級國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第三節(jié)第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程金剛石及其孔底碎巖過程 二、金剛石鉆進(jìn)的孔底碎巖過程二、金剛石鉆進(jìn)的孔底碎巖過程 1. 表鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程表鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程 u 把鉆頭上的一粒金剛石看作在軸向壓力把鉆頭上的一粒金剛石看作在軸向壓力Py和切向力和切向力Px作用下作用下沿巖石表面移動的切削具，沿巖石表面移動的切削具，

42、u 巖石破碎時力巖石破碎時力Px 克服巖石抵抗破碎的反力克服巖石抵抗破碎的反力Pg和摩擦力和摩擦力T上，上， Px = Pg +T= Pg + Py f f金剛石與巖石的摩擦系數(shù)；金剛石與巖石的摩擦系數(shù)； Py 每粒金剛石上的載荷。每粒金剛石上的載荷。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第三節(jié)第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程金剛石及其孔底碎巖過程u 表鑲單粒金剛石在表鑲單粒金剛石在Py,Px聯(lián)合作用下，類似球體壓入巖石聯(lián)合作用下，類似球體壓入巖石(彈彈脆性巖石脆性巖石)產(chǎn)生大小剪切體，切槽寬度金剛石顆粒直徑。產(chǎn)生大小剪切體，切槽寬度金剛石顆粒直徑。u 金剛石被磨鈍時，在金剛石

43、被磨鈍時，在Py,Px作用下巖石中出現(xiàn)一些微小的裂紋，作用下巖石中出現(xiàn)一些微小的裂紋，巖石的致密結(jié)構(gòu)被改變。巖石的致密結(jié)構(gòu)被改變。u 孔底某一點(diǎn)經(jīng)多次重復(fù)加載產(chǎn)生破碎，具有疲勞破碎的性質(zhì)?？椎啄骋稽c(diǎn)經(jīng)多次重復(fù)加載產(chǎn)生破碎，具有疲勞破碎的性質(zhì)。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第三節(jié)第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程金剛石及其孔底碎巖過程 2. 孕鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程孕鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程 u 孕鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程不同于表鑲鉆頭。孕鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程不同于表鑲鉆頭。u 金剛石顆粒小埋藏于胎體之中，孕鑲鉆頭必須在鉆進(jìn)規(guī)程中保金剛石顆粒小埋藏于胎體之中，孕

44、鑲鉆頭必須在鉆進(jìn)規(guī)程中保持自磨出刃的性能（持自磨出刃的性能（“自銳自銳”），才能維持鉆速恒定而不衰減。），才能維持鉆速恒定而不衰減。u 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)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）對加工件（孔底巖石）進(jìn)行刻劃、磨削，隨著硬質(zhì)（金剛石）對加工件（孔底巖石）進(jìn)行刻劃、磨削，隨著硬質(zhì)點(diǎn)的逐漸磨損和消失及粘結(jié)胎體的不斷磨耗，新的硬質(zhì)點(diǎn)又裸點(diǎn)的逐漸磨損和消失及粘結(jié)胎體的不斷磨耗，新的硬質(zhì)點(diǎn)又裸露出來參加工作。露出來參加工作。u 唇面金剛石出露較好時，也存在孔底的微剪切和微壓碎作用。唇面金剛石出露較好時，也存在孔底的微剪切和微壓碎作用。

45、國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第三節(jié)第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程金剛石及其孔底碎巖過程q 如果胎體性能與所鉆巖石不適應(yīng)或沒有保證足夠的鉆壓，如果胎體性能與所鉆巖石不適應(yīng)或沒有保證足夠的鉆壓，胎體不能超前磨耗并讓喪失破巖能力的金剛石顆粒自行脫胎體不能超前磨耗并讓喪失破巖能力的金剛石顆粒自行脫落，則孔底過程中表現(xiàn)為鉆頭落，則孔底過程中表現(xiàn)為鉆頭“打滑打滑”，鉆速迅速下降。，鉆速迅速下降。q 微動載碎巖微動載碎巖 有學(xué)者認(rèn)為，無論表鑲或孕鑲鉆頭在孔底的碎巖過程中，有學(xué)者認(rèn)為，無論表鑲或孕鑲鉆頭在孔底的碎巖過程中，孔底還存在著微動載的碎巖過程?？椎走€存在著微動載的碎巖過程。鉆

46、壓、鉆柱彈性變形、回轉(zhuǎn)振動和泵壓脈動對孔底巖石的破碎起到了積極的促進(jìn)作用。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 根據(jù)碎巖特點(diǎn)，可分為表鑲金剛石鉆頭、孕鑲金剛 石鉆頭和聚晶燒結(jié)體(包括復(fù)合片)金剛石鉆頭。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 一、表鑲金剛石鉆頭一、表鑲金剛石鉆頭 1. 1. 金剛石的粒度和選擇金剛石的粒度和選擇 u 表鑲金剛石鉆頭大都選用天然

47、金剛石，常用的粒度為表鑲金剛石鉆頭大都選用天然金剛石，常用的粒度為1560粒粒/克拉。克拉。表鑲鉆頭用的金剛石粒度表鑲鉆頭用的金剛石粒度粒度粒度粗粒粗粒中粒中粒細(xì)粒細(xì)粒粒粒/克拉克拉152525404060巖層巖層中硬中硬硬硬堅硬堅硬國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 2. 2. 金剛石在唇面的排列金剛石在唇面的排列 u 鉆進(jìn)過程中，鉆頭外側(cè)的規(guī)徑刃和內(nèi)邊棱部的金剛石負(fù)擔(dān)最鉆進(jìn)過程中，鉆頭外側(cè)的規(guī)徑刃和內(nèi)邊棱部的金剛石負(fù)擔(dān)最重，其次為底刃，再次為側(cè)刃。重，其次為底刃，再次為側(cè)刃。u 制造鉆頭時須選擇優(yōu)質(zhì)金剛石作規(guī)徑刃和內(nèi)邊刃

48、，用回收的制造鉆頭時須選擇優(yōu)質(zhì)金剛石作規(guī)徑刃和內(nèi)邊刃，用回收的金剛石作側(cè)刃，以求均衡磨損。金剛石作側(cè)刃，以求均衡磨損。u 金剛石在鉆頭唇面上的排列方式有放射排列，螺旋排列和等金剛石在鉆頭唇面上的排列方式有放射排列，螺旋排列和等距離排列等。距離排列等。 u 金剛石在鉆頭唇面厚度方向多采用同心環(huán)分列，并在徑向有金剛石在鉆頭唇面厚度方向多采用同心環(huán)分列，并在徑向有一定的重疊度，以保證鉆進(jìn)中不會在孔底形成一定的重疊度，以保證鉆進(jìn)中不會在孔底形成“巖脊巖脊”。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 3. 3. 鉆頭的唇面斷面形狀鉆頭的唇

49、面斷面形狀(1) (1) 圓弧形唇面：較好保護(hù)內(nèi)外徑，用于中硬和硬巖層；圓弧形唇面：較好保護(hù)內(nèi)外徑，用于中硬和硬巖層；(2) (2) 半圓形唇面：可布置較多金剛石，緩解規(guī)徑刃過分磨損，半圓形唇面：可布置較多金剛石，緩解規(guī)徑刃過分磨損，適用于堅硬和軟硬互層的研磨性巖層；適用于堅硬和軟硬互層的研磨性巖層；(3) (3) 多階梯形唇面多階梯形唇面：用于厚壁鉆頭用于厚壁鉆頭( (繩索取心繩索取心) ) 用于中硬和硬用于中硬和硬巖，有利于破巖和導(dǎo)向；巖，有利于破巖和導(dǎo)向；(4) (4) 內(nèi)錐形唇面內(nèi)錐形唇面：用于強(qiáng)研磨性和破碎巖層及內(nèi)邊刃過早磨用于強(qiáng)研磨性和破碎巖層及內(nèi)邊刃過早磨損的巖層，也可鉆礫巖用于

50、厚壁鉆頭；損的巖層，也可鉆礫巖用于厚壁鉆頭； 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器(5) (5) 外錐形唇面外錐形唇面:用于較軟和易碎地層，雙管和繩索取心鉆頭。用于較軟和易碎地層，雙管和繩索取心鉆頭。 4. 4. 鉆頭的水口與水槽鉆頭的水口與水槽 u 鉆頭的水路直接影響著孔底沖洗及鉆進(jìn)效果。鉆頭的水路直接影響著孔底沖洗及鉆進(jìn)效果。u 表鑲鉆頭的主水路是唇面與孔底之間的間隙，水口和水槽的表鑲鉆頭的主水路是唇面與孔底之間的間隙，水口和水槽的數(shù)目不能太多，可強(qiáng)制沖洗，有效地冷卻唇面金剛石和及時數(shù)目不能太多，可強(qiáng)制沖洗，有效地冷卻唇面

51、金剛石和及時排除孔底巖粉。排除孔底巖粉。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室二、孕鑲金剛石鉆頭二、孕鑲金剛石鉆頭 我國鉆探生產(chǎn)主要用孕鑲鉆頭，比表鑲鉆頭優(yōu)越性：我國鉆探生產(chǎn)主要用孕鑲鉆頭，比表鑲鉆頭優(yōu)越性：對于金剛石品級的要求低于表鑲鉆頭；對于金剛石品級的要求低于表鑲鉆頭；抗沖擊載荷能力較好，如果唇面金剛石發(fā)生剪崩對鉆進(jìn)效抗沖擊載荷能力較好，如果唇面金剛石發(fā)生剪崩對鉆進(jìn)效果的影響小，對違反操作規(guī)程的敏感程度也小。果的影響小，對違反操作規(guī)程的敏感程度也小。不必用手工擺放金剛石顆粒，工業(yè)制造過程更簡單。不必用手工擺放金剛石顆粒，工業(yè)制造過程更簡單。o 孕鑲鉆頭用的金剛石孕鑲鉆頭用的

52、金剛石 孕鑲鉆頭使用的天然和人造金剛石粒度取決于所鉆巖性孕鑲鉆頭使用的天然和人造金剛石粒度取決于所鉆巖性。 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器粒度粒度(目目)人造人造464660608080100天然天然2030304040606080巖層巖層中硬中硬硬硬硬硬堅硬堅硬國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室2. 金剛石在胎體中的含量金剛石在胎體中的含量 o 濃度表示金剛石在胎體中的含量，是影響孕鑲鉆頭性能的重濃度表示金剛石在胎體中的含量，是影響孕鑲鉆頭性能的重要參數(shù)。要參數(shù)。o 濃度沿用砂輪制造業(yè)的濃度沿用砂輪制造業(yè)的“400%濃度制濃度制”，當(dāng)金剛石的體積占，當(dāng)金

53、剛石的體積占胎體工作層體積胎體工作層體積1/4時濃度為時濃度為100%，全部是金剛石濃度，全部是金剛石濃度400%。o 選擇金剛石濃度的依據(jù)是所鉆巖性、金剛石的品級和粒度，選擇金剛石濃度的依據(jù)是所鉆巖性、金剛石的品級和粒度，兼顧胎體的包鑲能力和鉆壓值的大小。兼顧胎體的包鑲能力和鉆壓值的大小。o 巖石越堅硬致密，金剛石質(zhì)量好，粒度細(xì)，濃度宜較低；唇巖石越堅硬致密，金剛石質(zhì)量好，粒度細(xì)，濃度宜較低；唇面比壓較大時可選較高的濃度，這樣對提高胎體耐磨性也有面比壓較大時可選較高的濃度，這樣對提高胎體耐磨性也有好處。常用濃度好處。常用濃度70%120%，過高了將影響胎體的包鑲能力，過高了將影響胎體的包鑲能

54、力和鉆速。和鉆速。 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 3. 鉆頭的胎體性能鉆頭的胎體性能 孕鑲鉆頭鉆進(jìn)時，胎體的磨損速度應(yīng)適當(dāng)超前于金剛石的磨孕鑲鉆頭鉆進(jìn)時，胎體的磨損速度應(yīng)適當(dāng)超前于金剛石的磨損速度，使金剛石不斷出刃。如果損速度，使金剛石不斷出刃。如果胎體不磨損或磨損極慢，則金剛石胎體不磨損或磨損極慢，則金剛石出刃甚小，發(fā)揮不了多刃微切削作出刃甚小，發(fā)揮不了多刃微切削作用，鉆速很低。反之，如果胎體磨用，鉆速很低。反之，如果胎體磨損太快，則造成金剛石過早的崩刃損太快，則造成

55、金剛石過早的崩刃或脫粒，從而失去鉆進(jìn)能力、鉆頭或脫粒，從而失去鉆進(jìn)能力、鉆頭壽命縮短。合適的胎體耐磨性應(yīng)能壽命縮短。合適的胎體耐磨性應(yīng)能使唇面金剛石正常出刃，且在每粒使唇面金剛石正常出刃，且在每粒金剛石的后面形成蝌蚪狀支撐。金剛石的后面形成蝌蚪狀支撐。國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器o 當(dāng)巖石更硬時，金剛石磨損得更快，但這時產(chǎn)生的巖屑更當(dāng)巖石更硬時，金剛石磨損得更快，但這時產(chǎn)生的巖屑更薄，數(shù)量更少，因此巖屑對胎體的磨蝕作用弱于稍軟的巖薄，數(shù)量更少，因此巖屑對胎體的磨蝕作用弱于稍軟的巖石。所以在堅硬的巖石中鉆進(jìn)時，必須選擇低

56、耐磨性（硬石。所以在堅硬的巖石中鉆進(jìn)時，必須選擇低耐磨性（硬度較?。┑奶ンw。度較?。┑奶ンw。o 由于測定硬度的方法簡單，雖然胎體的硬度不能完全代表由于測定硬度的方法簡單，雖然胎體的硬度不能完全代表其耐磨性，但目前仍習(xí)慣用胎體的硬度來表示其耐磨性。其耐磨性，但目前仍習(xí)慣用胎體的硬度來表示其耐磨性。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 4. 4. 鉆頭的唇面形狀鉆頭的唇面形狀 u 孕鑲金剛石鉆頭的唇面形狀比較簡單，多為平底形，在孔內(nèi)孕鑲金剛石鉆頭的唇面形狀比較簡單，多為平底形，在孔內(nèi)磨合一段時間后便自然形成圓弧形。磨合一段時間后

57、便自然形成圓弧形。u 堅硬、弱研磨性的巖石或鉆頭壁較厚，唇面做成同心環(huán)槽、堅硬、弱研磨性的巖石或鉆頭壁較厚，唇面做成同心環(huán)槽、鋸齒狀或階梯形，使比壓集中并在孔底形成破巖自由面。鋸齒狀或階梯形，使比壓集中并在孔底形成破巖自由面。u 孕鑲金剛石鉆頭常用聚晶保徑，可取得滿意的鉆進(jìn)效果。孕鑲金剛石鉆頭常用聚晶保徑，可取得滿意的鉆進(jìn)效果。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 5. 5. 鉆頭的水口與水路鉆頭的水口與水路 u 對孕鑲金剛石鉆頭而言，因為它的金剛石出刃非常小，故它對孕鑲金剛石鉆頭而言，因為它的金剛石出刃非常小，故它的主水路

58、不是鉆頭唇面與孔底的間隙，而是水口。的主水路不是鉆頭唇面與孔底的間隙，而是水口。u 在唇面扇形塊的下面只存在漫流（或濕潤）區(qū)，用于冷卻和在唇面扇形塊的下面只存在漫流（或濕潤）區(qū)，用于冷卻和排粉的水流主要通過水口和水槽。排粉的水流主要通過水口和水槽。u 孕鑲鉆頭往往設(shè)計成多水口、小水口，這樣對防止燒鉆有利。孕鑲鉆頭往往設(shè)計成多水口、小水口，這樣對防止燒鉆有利。 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 三、金剛石擴(kuò)孔器三、金剛石擴(kuò)孔器 金剛石擴(kuò)孔器安裝于鉆頭和巖心管之間，是金剛石鉆進(jìn)不可缺少的組成部分。擴(kuò)孔器的作用：擴(kuò)孔器的作用： u

59、 修修擴(kuò)擴(kuò)孔壁，保證鉆孔直徑符合要求孔壁，保證鉆孔直徑符合要求減少新鉆頭下孔的擴(kuò)孔量減少新鉆頭下孔的擴(kuò)孔量； u 保持孔內(nèi)鉆具的穩(wěn)定性，使鉆具在高轉(zhuǎn)速下保持動平衡狀態(tài)；保持孔內(nèi)鉆具的穩(wěn)定性，使鉆具在高轉(zhuǎn)速下保持動平衡狀態(tài)； 四、金剛石鉆頭及四、金剛石鉆頭及 擴(kuò)孔器制造擴(kuò)孔器制造 u 無壓浸漬法無壓浸漬法 u 熱壓法熱壓法 u 電鑄法電鑄法 國家精品課程2022-3-15中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第五節(jié)第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 u 用未鑲焊切削具的鉆頭壓住自由狀態(tài)的鋼粒，并帶動它們在用未鑲焊切削具的鉆頭壓住自由狀態(tài)的鋼粒，并帶動它們在孔底滾動而破碎巖石的鉆進(jìn)方法稱為鋼

60、粒鉆進(jìn)。孔底滾動而破碎巖石的鉆進(jìn)方法稱為鋼粒鉆進(jìn)。u 曾廣泛用于曾廣泛用于級巖石，隨著金剛石鉆進(jìn)普及，它在中小級巖石，隨著金剛石鉆進(jìn)普及，它在中小口徑中已逐漸被取代。但在大口徑硬巖鉆進(jìn)中仍有一席之地。口徑中已逐漸被取代。但在大口徑硬巖鉆進(jìn)中仍有一席之地。 一、鋼粒及鋼粒鉆進(jìn)用鉆具一、鋼粒及鋼粒鉆進(jìn)用鉆具1. 1. 鋼粒的特性鋼粒的特性u 抗壓碎強(qiáng)度、硬度、耐磨性和屈服極限較高，可減少破巖過抗壓碎強(qiáng)度、硬度、耐磨性和屈服極限較高，可減少破巖過程中自身的消耗程中自身的消耗 ，在軸向載荷下不至于產(chǎn)生明顯的塑性變，在軸向載荷下不至于產(chǎn)生明顯的塑性變形，利于在孔底翻滾。形，利于在孔底翻滾。u 為保證鋼粒