【正文】 第四章 回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭 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、 全面鉆進與鉆頭 國家精品課程 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第四章 回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭 ? 巖土鉆進（井）方法絕大多數(shù)是機械方式，主要有： ① 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 回轉(zhuǎn)鉆進和長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進； ② 采用液動、氣動孔底沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進； ③ 鋼絲繩沖擊鉆進； ④ 振動鉆進。 ? 使用最廣泛的是回轉(zhuǎn)鉆進。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進是在回轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上增加孔底沖擊載荷；鋼絲繩沖擊鉆進主要用于水井施工；振動鉆進、長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進主要用于在土壤和軟巖中打淺孔（工程施工）。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 ? 回轉(zhuǎn)鉆進選擇鉆頭的一般原則是： ① 在軟巖和中硬巖層中用硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆頭； ② 在中硬及部分中硬以上巖層中采用銑齒牙輪鉆頭； ③ 在硬巖中采用金剛石鉆頭或鋼粒鉆頭； ④ 在硬脆巖層中采用鑲齒牙輪鉆頭。 ⑤ 金剛石鉆頭主要用于 5 76（ 75）、 91 mm的小口徑； ⑥ 鋼粒鉆頭主要用于 91mm以上的口徑； ⑦ 硬質(zhì)合金和牙輪鉆頭則既可鉆進小口徑，又可鉆進大口徑水井、工程施工孔和淺井。 第四章 回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 0、 硬質(zhì)合金鉆進的基本概念與特點 硬質(zhì)合金鉆進的基本概念 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，這種鉆進方法稱為硬合金鉆進。 硬合金鉆進是巖土鉆掘工程中的一種主要鉆進方法， 它用于軟巖層及中硬巖層的鉆進（ 1— 4級軟的沉積巖、 中硬的 5— 7級及部分 8級巖漿巖和變質(zhì)巖）。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 一、鉆探用硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金的特性 （ 1）鉆探用的鎢 (WC) 鈷 (Co)合金 ,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 YG類合金。 （ 2）牌號的意義：如 YG8c： YG— 鎢 鈷系硬質(zhì)合金； 8— 鈷的百分含量為 8%； c（ x） — 粗（細）粒合金。 （ 3）硬質(zhì)合金特性： ? 含鈷量 ↑ —— 相對密度 ↓ ,硬度 ↓ ,耐磨性 ↓ ,抗彎強度 ↑ ,沖擊韌性 ↑ ； ? WC的顆粒 ↓ —— 硬度 ↑ ,耐磨性 ↑ ； ? 反之 WC的顆粒 ↑ —— 則抗彎強度 ↑ 、韌性 ↑ 。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 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。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 ? 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 Ⅰ ～ Ⅴ 級軟巖； （ 2）柱狀硬質(zhì)合金 ： 抗彎能力較強，壓入阻力也較小，主要適 用于 Ⅳ ～ Ⅶ 級中硬巖石 ； 八角柱狀 合金的 抗崩能力強，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 ： 主要用于鑲焊自磨式鉆頭，在硬 地層或研磨性巖石中使用。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 二、硬合金鉆進的孔底碎巖過程 硬合金鉆進的過程，實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 。 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 性巖石的碎巖 和 彈 塑性巖石的碎巖 兩種情況。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 （一）塑性巖石的碎巖情況 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： Hy—— 巖石的壓入硬度； F0—— 切削具刃尖處與巖石的接觸面積。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 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； β—— 切削具的刃角 ， 度； Hy—— 巖石的壓入硬度； η—— 摩擦力影響系數(shù)（ η小于 1）。 ??tg0 yybHPh ?巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 上式表明： ? 塑性巖石的切入深度 h0與軸向力 Py成正比 ， 而與切削具的刃角 β、 刃寬 b、巖石的壓入硬度 Hy成反比 。 ? 雖然 β角越小切削具刃尖切入巖石越容易 ， 但如果 β很小則切削具會很快崩裂 ， 實際上 β角的最小值為 45176。 ～ 50176。 。 ??tg0 yybHPh ?巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 回轉(zhuǎn)切削過程 ? 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 。 ? 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)、平穩(wěn)的，其切削槽寬與切削具刃寬相同。 ? 實際上，由于振動、沖刷， 巖屑將碎裂并被沖洗液帶至地表； ? 在 Py 和 Px 共同作用下 的切入比 Py單獨作用下 切入更容易 ，也 切入的更深 。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 （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際的 Py力為（ 1/6~1/13）。 ? 碎巖顯著特點：以跳躍式的剪切破碎為主。巖石破碎大體分三個階段： 切入巖石，巖石剪切破碎，前移碰撞刃前巖石。 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。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 當(dāng) 刃前接觸面 較大時，前進受阻。繼續(xù)擠壓 刃前 巖石（部 分被壓成粉狀）；同時， Px 力急劇增大，當(dāng) Px 力達到極限值時， 產(chǎn)生大的剪切破碎，然后 Px力突然減小。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 切削具不斷向前推進，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 剪切時的切槽寬?？椎椎钠扑檫^程沿著 傾角為 γ的螺旋面進行。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 ? 綜上所述，用切削具破碎彈 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 Px都是跳躍式；而在塑性巖石中，水平力 Px 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 ? 費得洛夫得出磨損曲線。反映切削具單位時間磨損量 W與切削具刃端面積上比壓 σ 關(guān)系。在分界點 σ=σ0前后屬于兩種不同性質(zhì)的磨損 。 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 (1) 曲線 Ⅰ σσ0，切削具未能有效地吃入巖石，鉆進處于表面破碎狀態(tài)。切削具單位磨損量 W正比于切削具上的比壓 σ 。 (2) 曲線 Ⅱ σσ0，巖石呈體積破碎。隨著切削具上的比壓 ↑，磨損量 W不僅未 ↑，反而出現(xiàn) ↓。即在體積破碎條件下，切削具的磨損主 要不取決于軸向壓力，而取決于巖石的硬度、切削具的 費得洛夫提出，在一定條件下切削具 的磨鈍面積與其初始面積和鉆進時 間有關(guān) S(t)=S0+θt ； θ—— 磨損系數(shù) 巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 A—— 巖性、鉆進規(guī)程及鉆頭一定時為常量。 ? 切削具的磨損面積與鉆進時間成正比，而機械鉆速與切削具接觸面積的平方成反比。 ? 設(shè)鉆進的初始鉆速為 v0=A/S02，上式可寫成 ： 式中： k0—— 鉆速下降的特征系數(shù)， k0=θ/S0。 鉆頭在 t時間內(nèi)總進尺為 得到 20 )( tSAvm ??? ?20022020200)1(2 tkvttSSSvvm ?????? ???? t m dtvH 0)1( 00tkvvm ??巖土鉆掘工程學(xué) 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 ? 平均鉆速是進尺 H 的一元線性方程 ， ? v0 是縱坐標上的截距， ? k0 為直線的斜率。 ? 平均鉆速和進尺 H 在鉆進很容易測得，可以用一