【正文】 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 ” 。 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(kuò)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。 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(kuò)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。 ? 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。 ? 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。 ? 其碎巖機(jī)理類似于砂輪磨削工件。 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。 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。 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 。 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。 ? 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。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。用于鉆探的人造金剛石一般要求強(qiáng)度達(dá) 2500MPa以上。 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(qiáng)度。 ? 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 ” 。 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。 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 。 ? 鉆頭可用于鉆進(jìn) 5~7級中等研磨性的巖石。胎塊內(nèi)包裹針狀硬質(zhì)合金 。 ? 切削具可以直鑲也可 以正斜鑲。 ? 中間的出刃較大 —— 掏槽，兩邊的出刃較小 —— 擴(kuò)槽。 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 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 （ 2）薄片硬合金鉆頭： ? 切削具鋒利，采用掏槽刃容易切入巖石； ? 出刃較大，保證較大間隙沖洗巖粉； ? 主要用于鉆進(jìn)粘結(jié)性較小的軟巖 。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。 螺旋肋骨，有助液流上返，提高清粉能力。 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，機(jī)械鉆速基本平穩(wěn)。 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。 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、取心式硬質(zhì)合金鉆頭 取心式硬質(zhì)合金鉆頭分為磨銳式和自磨式。 （ 3）水口的數(shù)目： 等于切削具的數(shù)目或組數(shù)。保證切削具的冷卻和孔底及時排粉。 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，一般應(yīng)取密集式排列。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。 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 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 （ 2）切削具布置方式 ① 單環(huán)排列： 一個或二個切削具并聯(lián)覆蓋唇面，加工簡單； ② 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 ； ③ 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。 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 第二節(jié) 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：單環(huán)排列、多環(huán)排列、密集排列等。 ?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。 的小切削具，用于自磨式鉆頭。 ， Ⅰ ～ Ⅳ 級非裂隙性巖石； ?β=65176。 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 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 （ 1）刃角 β的選擇： ?β=45176。 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 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 切削具的鑲焊角度 具有一定 刃角 β的切削具以不同的 前角 （亦稱鑲焊角）鑲焊在鉆 頭體上，形成不同的 切削角 α，從而獲得不同的鉆進(jìn)效果。 底出刃有平底式、階梯式。 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)。 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 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 （ 2） 底出刃 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。巖硬、孔壁穩(wěn)、鉆速低，取小值；反之取大值。 ? 出刃過小，流阻 增 大，容易堵塞巖心、沖毀孔壁、漂浮鉆具。 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 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 切削具出刃 （ 1） 內(nèi)、外出刃 —— 使 鉆頭體與孔壁、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。 ? DZ40無縫鋼管制成。 ? 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。 (5) 采用有潤滑作用的乳化液或泥漿洗孔， 減輕切削具的磨損。 (3) 及時修磨切削具， 減小初始接觸面積，以降低其磨損率。 (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。 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(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。 ? 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 ， 在若干觀測計算值的基礎(chǔ)上求出 k0 和 v0 ，從而利用（ 47）式來預(yù)測切削具磨損對鉆速的影響。 ? 設(shè)鉆進(jìn)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。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(jìn)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(jìn)孔底碎巖過程 A—— 巖性、鉆進(jìn)規(guī)程及鉆頭一定時為常量。 (2) 曲線 Ⅱ σσ0，巖石呈體積破碎。 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(jìn)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(jìn)處于表面破碎狀態(tài)。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。 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(jìn)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。切槽寬度有規(guī)律地變化， B1為大 剪切時的切槽寬。 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(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。 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(jìn)孔底碎巖過程 當(dāng) 刃前接觸面 較大時，前進(jìn)受阻。 刃前接觸面很小，擠壓力較大，小剪切破碎。 ? 碎巖顯著特點：以跳躍式的剪切破碎為主。 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(jìn)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