【正文】 一、 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 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) 。 在硬巖中采用金剛石鉆頭或鋼粒鉆頭； ④ 上述方法中，使用最廣泛的是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。 金剛石鉆頭主要用于 5 76（ 75）、 91 mm的小口徑； ⑥ Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 二、鉆探用硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金的特性 （ 1）鉆探用的鎢 — 鈷合金： 主要是碳化鎢（ WC） — 鈷 (Co)系硬質(zhì)合金。 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。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 （一）塑性巖石的碎巖情況 回轉(zhuǎn)切削過程 切削具切入巖石并回轉(zhuǎn)時，在水平力 Px作用下，壓迫其前面的巖石，使之發(fā)生塑性變形并不斷地向自由面滑移，稱為 切削作用 。 刃前接觸面很小， 擠壓 力 較 大，小剪切破碎 。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 四、硬質(zhì)合金切削具的磨損 硬合金鉆進(jìn)時，隨著切削具破碎孔底巖石，切削具本身不斷被磨損，對機(jī)械鉆速產(chǎn)生影響。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 四、硬質(zhì)合金切削具的磨損 切削具的磨損與鉆進(jìn)時間、鉆進(jìn)速度的關(guān)系 費(fèi)得洛夫提出，在一定條件下切削具的磨鈍面積 S 和機(jī)械鉆速 vm分別為： S（ t） =S0 +θ t ； 式中： S0—— 切削具的初始面積， mm2； t—— 磨損時間， min； θ —— 取決于巖石性質(zhì)的磨損系數(shù)， mm2/min。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程 減輕切削具磨損的措施 (1) 避免切削具在表面破碎狀態(tài)下工作。這些決定鉆頭結(jié)構(gòu)的因素稱為硬質(zhì)合金鉆頭的結(jié)構(gòu)要素。 設(shè) 置不合理的危害： 出刃 過 大，合金抗外力的能力降低、碎巖 斷面和功耗增大， 鉆 孔 易 彎曲。一般為 2~5 mm。 ， 用于 Ⅴ ～ Ⅶ 級 巖石； ③ β =90176。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第二節(jié) 取心式硬質(zhì)合金鉆頭 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（雙）環(huán)排列、多環(huán)排列、密集排列等。保證切削具的冷卻和孔底及時排粉。 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)。有菱形與斜角薄片等形式。單雙粒硬合金鉆頭可鉆進(jìn) 4~5級巖石，品字形硬合金鉆頭可鉆進(jìn) 4~6級巖石。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 二、鉆探用金剛石 鉆探用金剛石的分類 鉆探用金剛石按成因分為天然的、人造的兩大類。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù)第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 金剛石的特性 （ 1）金剛石為碳的結(jié)晶體，晶體結(jié)構(gòu)為正四面體，碳原子之間以共價 鍵 相 連 ， 結(jié) 構(gòu)非常 穩(wěn) 定。 鉆探用金剛石常用一克拉（ ） 多少?；蜻^篩網(wǎng)目數(shù)（每平方英寸的網(wǎng)格數(shù)）來衡量。強(qiáng) 度 較 高，但形狀尚好，在 鉆 探中的 應(yīng) 用占有一定比例。 許多小的晶體無規(guī)則地聚合叢生稱為聚晶體?？椎啄骋稽c(diǎn)經(jīng)多次重復(fù)加載，產(chǎn)生破碎，碎巖過程 具有疲勞破碎的性質(zhì) 。 如果孕鑲金剛石鉆頭的胎體性能與所鉆巖石不適應(yīng)或沒有足夠的鉆壓，胎體不能超前磨耗，鉆進(jìn)中表現(xiàn)為 鉆頭 “ 打滑 ”，鉆速迅速下降。 鉆頭、擴(kuò)孔器、巖心管與套管之間有嚴(yán)密的級配關(guān)系。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 (一 )金 剛 石 鉆頭 胎體 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。 “ 400%濃 度制 ” 。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 （四）金剛石在胎體上的排列 金 剛 石在胎體上的排列主要是指表 鑲鉆頭 唇面上的金 剛 石顆 粒的排列， 其原 則為 ： 金 剛 石均勻布 滿鉆頭 的胎體表面，并有一定的重疊度； 便于沖洗液排除巖粉，充分冷卻金 剛 石； 鉆進(jìn)中，唇面內(nèi)外兩側(cè)的棱部金剛石負(fù)擔(dān)最重，其次為底刃，再次為側(cè)面刃。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 五、鉆頭的水口與水槽 （一）表鑲鉆頭的水口與水槽 表鑲鉆頭的主水路是唇面與孔底之間的間隙， 強(qiáng)制沖洗液從主水路通過，有效地冷卻唇面金剛石和及時排除孔底巖粉，唇面上的水口和水槽的數(shù)目不能太多，常用的水口形狀見圖 423。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 六、金剛石擴(kuò)孔器 （二）擴(kuò)孔器的結(jié)構(gòu)類型 擴(kuò) 孔器由 鋼 體和含金 剛 石的凸起胎體 組 成（形成水槽） 現(xiàn)用擴(kuò)孔器的樣式很多，有單管的、雙管的、繩索取心的；有天然金剛石、人造單晶金剛石、人造聚晶金剛石的；有直棱、直條、螺旋棱、螺旋條的等等。改變沖洗液量可改變分選狀態(tài)； Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 鋼粒鉆進(jìn)的特點(diǎn) （ 5）由于碎巖過程本身的特點(diǎn)，決定了這種方法可以破碎比鋼粒自身還要硬的巖石，可用于鉆進(jìn)中等硬度以上的堅硬巖石（ 9～ 12級的巖石），但鉆進(jìn)效率較低； （ 6）鋼粒、鉆頭鋼體和管材的磨耗量很大； （ 7）鉆探質(zhì)量較差（孔壁與巖心表面粗糙、巖心直徑變化大、采取率低、孔壁間隙大、鉆孔易彎曲等） （ 8）不能鉆水平、向上和大頂角的鉆孔，也不宜于在大裂隙、空洞和涌水量大的地層中采用； （ 9）鉆進(jìn)工藝較復(fù)雜，特別是沖洗液量的控制。 ② 外環(huán)間隙增大， 孔徑被擴(kuò)大，鉆桿和粗徑鉆具轉(zhuǎn)動不穩(wěn)，會造成過大的鉆孔彎曲。 ② 外徑上下一致，內(nèi)壁上部有 1﹕ 100的錐 度，以便卡取巖心。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 三、鋼粒鉆進(jìn)的碎巖機(jī)理 鋼粒鉆進(jìn)破碎孔底巖石主要有以下機(jī)理： 壓碎碎巖 —— 體積破碎 （ 1）尖楔壓入破碎巖石 —— 鉆進(jìn)開始階段 （ 2）球形壓模壓入碎巖 —— 鉆進(jìn)中后期 疲勞破碎 —— 鋼粒鉆進(jìn)的主要碎巖方式 脈動沖擊碎巖 —— 鋼粒鉆進(jìn)全過程 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 壓碎碎巖 （ 1）尖楔 壓 入破碎巖石： 開始 時 ， 鋼 粒呈柱狀 ，當(dāng) 邊 棱與巖石接觸 時 ，接觸面 積 小，壓 力集中，接觸面上的 壓 強(qiáng) 較大， 達(dá)到巖石的 壓 入硬度， 鋼 粒 壓 入巖石，巖石呈體 積 破碎方式破裂。 隨著眾多鋼粒的重復(fù)碾壓，裂紋加深加密，使交叉發(fā)育的裂紋以巖屑的形式被剝離下來離開母體。生產(chǎn)中以三牙輪鉆頭應(yīng)用最多。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 牙輪的布置 （ 1）不超頂布置。適用于軟及中硬地層鉆進(jìn)。 （ 2）鑲齒： 牙齒由硬質(zhì)合金鑲焊而成。單齒接觸孔底時，牙輪中心處于高點(diǎn)；雙齒接觸時牙輪中心處于低點(diǎn)。 （ 3） 速度合成后，在 ob段形成一個向后的滑動速度 vsx， 此時牙輪受到一滑動阻力 Ps（ 與滑動方向相反），因而有滑動阻力矩 Ms（ ） =PsR。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 復(fù)錐引起的滑動 復(fù)錐牙輪包括主錐和副錐（圖 432），主錐頂與鉆頭中心重合，而副錐錐頂?shù)难由炀€是超頂?shù)?。u 全面鉆頭的應(yīng)用： 。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 移軸引起的滑動 鉆頭 水平投影面上，牙 輪軸線 相 對 于 鉆頭 徑向平移一段距離， 這 種 結(jié) 構(gòu)稱 為 牙 輪 的移 軸 。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 超 頂 引起的滑 動 （ 4）由于牙輪角速度降低，在 oa段由 vbx和降低的 vcx合成一個滑動速度 vsx（ 靠近 o的一端向后，靠近 a的一端向前）。 實(shí)際鉆進(jìn)中，由于鉆頭在孔底的縱向振動，使鉆桿柱不斷壓縮與伸張，加之孔底的不平，在牙輪滾振的基礎(chǔ)上還疊加了振幅較大的低頻振動，對地層產(chǎn)生沖擊作用破碎巖石。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 主要有以下幾種作用： u 牙輪鉆頭的縱向振動及對地層的沖擊、壓碎作用 l 靜載壓入碎巖 l 沖擊動載碎巖u 牙齒對地層的剪切作用l 超頂引起的滑動l 復(fù)錐引起的滑動l 移軸引起的滑動Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 （一）牙輪的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn) 牙 輪 的公 轉(zhuǎn) 鉆頭繞鉆柱軸線順時針方向旋轉(zhuǎn)時，帶動牙輪也繞鉆頭軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這種運(yùn)動稱為 “ 公轉(zhuǎn) ” 。 牙輪軸線偏移，且主錐超頂，牙輪可自洗，且可以使牙輪產(chǎn)生軸向滑動。牙輪純滾動，無滑動。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 （二）牙輪鉆頭的基本參數(shù) 牙輪 帶有牙齒的錐體，用以破碎巖石。由于 鋼 粒 鉆進(jìn) 中， 這 種脈動沖 擊 比 較 強(qiáng) 烈。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 壓碎碎巖 壓碎碎巖方式雖屬于體積式碎巖，但在鋼粒鉆進(jìn)中，它所占的 碎巖比率不大 ，因?yàn)檫@種碎巖方式主要是靠接觸面積小而造成大的壓強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)的。 ④ 鉆頭 底部開有水口，用于流通沖洗液和向 鉆頭 唇面下 補(bǔ)給鋼 粒。一般，鋼粒直徑與鉆頭壁厚的配合關(guān)系為： t =（ 3~4） d式中： t—— 鉆頭壁厚，毫米； d—— 鋼粒直徑，毫米。 （ 2）鋼粒的材質(zhì)與性能： 一般是 60號、 70號高碳鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)、淬火可達(dá)到較高硬度。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 鋼粒鉆進(jìn)的基本原理 巖心管的下端接有鋼粒鉆頭（鉆頭鋼體），鉆頭上開有口。 （二）孕鑲鉆頭的水口與水槽 孕鑲金剛石鉆頭 的金剛石出刃非常小，它的 主水路 不是鉆頭唇面與孔底的間隙，而 是水口 。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 （四）金剛石在胎體上的排列 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 。當(dāng)小于巖石抗 壓 強(qiáng) 度 時 ，其 為 表面破碎和疲 勞 破碎， 鉆 速很低，甚至不 進(jìn) 尺； 濃 度 過 低，在端面上出露的金 剛 石太少，不能 滿 足全斷面切削孔底巖石，同 時還 造成 單 粒金 剛 石上的 壓 強(qiáng) 太大，出露的金 剛 石就 過 早地磨 鈍 或崩刃、脫粒 。反之，如果胎體磨損太快，則造成金剛石過早的崩刃或脫粒，從而失去鉆進(jìn)能力、鉆頭壽命縮短。 (3)巖心管的外徑與孔壁應(yīng)有足夠的間隙以便沖洗液暢通，其內(nèi)徑應(yīng)該能容納巖心。 在軸向壓力（鉆壓）下，鉆頭被緊壓在孔底巖石表面，鉆具的回轉(zhuǎn)振動和鉆柱彈性變形對孔底鉆壓的加強(qiáng)或減弱、泵送流體的壓力脈動，對孔底巖石的破碎起到了