【文章內(nèi)容簡介】 單雙粒鉆頭 Ⅳ ~Ⅵ 中研磨性砂巖，灰?guī)r 品字形鉆頭 Ⅳ ~Ⅵ 灰?guī)r， 大理巖，細(xì)砂巖 破擴式鉆頭 Ⅲ ~Ⅴ 砂礫巖 ，礫巖 負(fù)前角階梯鉆頭 Ⅴ ~Ⅶ 玄武巖 ，砂巖，輝長巖，灰?guī)r 胎體針狀鉆頭 Ⅵ ~Ⅷ 中研磨性片麻巖，閃長巖 鋼柱針狀鉆頭 Ⅵ ~Ⅷ 研磨性 石英砂巖，混合巖 薄片式自磨鉆頭 Ⅵ ~Ⅷ 研磨性 粉砂巖，砂頁巖 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 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 第三節(jié) 金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、 鉆探用 金剛石 鉆探用 金剛石的 分類 鉆探用金剛石分為天然的 、 人造的兩大類 。 ? 天然金剛石 “ 包布茲 ” （ Bortz） —— 制造表鑲鉆頭； ? 天然金剛石 “ 剛果 ” （ Congo） —— 孕鑲鉆頭； ? 天然 “ 卡邦納多 ” （ Carbonado） “ 巴拉斯 ” （ Ballas） ——首飾； ? 天然 “ 雅庫特 ” （ якут） —— 主要在前蘇聯(lián)境內(nèi)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 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 ? 人造金剛石單晶 ? 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 ? 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. 天然金剛石的特性 ? 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 。 ? 金剛石的弱點： ① 脆性較大 ， 遇沖擊出現(xiàn)碎裂； ② 熱穩(wěn)定性較差 ， 高溫下氧化并 “ 石墨化 ” 。 ? 金剛石工具制造過程中 ， 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 。 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 第三節(jié) 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) (1) 硬度極高，研磨硬度是剛玉的 150倍，石英的 1000 (2) 有極大的抗靜壓強度。天然金剛石的抗壓強度大約 8600MPa，約為剛玉的 ，硬質(zhì)合金的 ，鋼的 9倍。用于鉆探的人造金剛石一般要求強度達(dá) 2500MPa以上。 (3) 極高的耐磨性是剛玉的 90倍，硬質(zhì)合金的 40~200倍，鋼的2022~5000倍。人造金剛石聚晶體一般與中硬碳化硅砂輪的磨耗比在 1： 30000 (4) 金剛石是熱的良導(dǎo)體，它散熱比硬質(zhì)合金刃具快。線膨脹系數(shù)僅為硬質(zhì)合金的 1/4~1/5，鋼的 1/8~1/10，但隨溫度升高而增長較快，這對金剛石的包鑲和 鉆頭 使用不利 。 ? 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 。 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 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 鉆探用金剛石的粒度和品級 （ 1）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() 多少?；蜻^篩網(wǎng)目數(shù)來衡量。 鉆探用的金剛石粒度： ? 粗粒 —— 5～ 20粒 /克拉； ? 中粒 —— 20～ 40粒 /克拉； ? 細(xì)粒 —— 40～ 100粒 /克拉； ? 粉粒 —— 100～ 400粒 /克拉 。 粗、中粒多用于表鑲鉆頭和表鑲擴孔器，細(xì)、粉粒多用于孕鑲鉆頭和孕鑲擴孔器。 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 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 （ 2）金剛石的品級 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 第三節(jié) 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 1. 表鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程 ? 把鉆頭上的一粒金剛石看作在軸向壓力 Py和切向力 Px作用下沿巖石表面移動的切削具， ? 巖石破碎時力 Px 克服巖石抵抗破碎的反力 Pg和摩擦力 T上， Px = Pg +T= Pg + Py f f—— 金剛石與巖石的摩擦系數(shù)； Py —— 每粒金剛石上的載荷。 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 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 ? 表鑲單粒金剛石在 Py,Px聯(lián)合作用下，類似球體壓入巖石 (彈脆性巖石 )產(chǎn)生大小剪切體，切槽寬度＞金剛石顆粒直徑。 ? 金剛石被磨鈍時，在 Py,Px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。 ? 孔底某一點經(jīng)多次重復(fù)加載產(chǎn)生破碎，具有疲勞破碎的性質(zhì)。 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 第三節(jié) 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不同于表鑲鉆頭。 ? 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)程中保持自磨出刃的性能（“自銳”），才能維持鉆速恒定而不衰減。 ? 其碎巖機理類似于砂輪磨削工件。以唇面上多而小的硬質(zhì)點（金剛石）對加工件（孔底巖石）進(jìn)行刻劃、磨削，隨著硬質(zhì)點的逐漸磨損和消失及粘結(jié)胎體的不斷磨耗，新的硬質(zhì)點又裸露出來參加工作。 ? 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。 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 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 ? 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落，則孔底過程中表現(xiàn)為鉆頭“打滑”，鉆速迅速下降。 ? 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，孔底還存在著微動載的碎巖過程。 鉆壓、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。 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 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 根據(jù)碎巖特點，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。 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 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 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 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 一、表鑲金剛石鉆頭 1. 金剛石的粒度和選擇 ? 表鑲金剛石鉆頭大都選用天然金剛石，常用的粒度為 15~60粒/克拉。 表鑲鉆頭用的金剛石粒度 粒度 粗粒 中粒 細(xì)粒 粒 /克拉 15~25 25~40 40~60 巖層 中硬 硬 堅硬 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 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 2. 金剛石在唇面的排列 ? 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。 ? 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 。 ? 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 “ 巖脊 ” 。 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 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 3. 鉆頭的唇面斷面形狀 (1) 圓弧形唇面：較好保護(hù)內(nèi)外徑，用于中硬和硬巖層； (2) 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； (3) 多階梯形唇面 ： 用于厚壁鉆頭 (繩索取心 ) 用于中硬和硬巖，有利于破巖和導(dǎo)向； (4) 內(nèi)錐形唇面 ： 用于強研磨性和破碎巖層及內(nèi)邊刃過早磨損的巖層，也可鉆礫巖用于厚壁鉆頭； 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 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 (5) 外錐形唇面 :用于較軟和易碎地層，雙管和繩索取心鉆頭。 4. 鉆頭的水口與水槽 ? 鉆頭的水路直接影響著孔底沖洗及鉆進(jìn)效果。 ? 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，可強制沖洗，有效地冷卻唇面金剛石和及時排除孔底巖粉。 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 二、孕鑲金剛石鉆頭 ? ? 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 ? 不必用手工擺放金剛石顆粒，工業(yè)制造過程更簡單。 1. 孕鑲鉆頭用的金剛石 孕鑲鉆頭使用的天然和人造金剛石粒度取決于所鉆巖性 。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 粒度 (目 ) 人造 ＞ 46 46~60 60~80 80~100 天然 20~30 30~40 40~60 60~80 巖層 中硬 — 硬 硬 — 堅硬 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 2. 金剛石在胎體中的含量 ? 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)。 ? 濃度沿用砂輪制造業(yè)的“ 400%濃度制”，當(dāng)金剛石的體積占胎體工作層體積 1/4時濃度為 100%，全部是金剛石濃度400%。 ? 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。 ? 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好處。常用濃度 70%~120%，過高了將影響胎體的包鑲能力和鉆速。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 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 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 3. 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 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 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 損太快，則造成金剛石過早的崩刃