巖石的破巖方式及鑿巖合金牌號的選擇

劉華平，余立新

（蘇州新銳硬質合金有限公司，江蘇 蘇州 215121）

巖石的破巖方式及鑿巖合金牌號的選擇

劉華平，余立新

（蘇州新銳硬質合金有限公司，江蘇 蘇州 215121）

介紹了巖石種類及破巖方式，指出了鑿巖用硬質合金的選擇原則。新銳公司針對不同地層和鉆進方式開發(fā)出了相適應的牌號，并通過多次現場試驗考核，各牌號合金的進尺達到了國內先進水平。

鑿巖；硬質合金；巖石種類；潛孔鉆頭；低鈷粗晶合金

0 前言

硬質合金的一個重要應用領域就是用于鑿巖工具。鑿巖用硬質合金的消耗量大約為硬質合金總產量的30%左右。近年，隨著我國基礎建設投入增加，鑿巖硬質合金的使用量有較大幅度增長?，F代鑿巖條件，對硬質合金的強度、韌性和耐磨性的要求越來越高。從鑿巖合金的破巖和磨損機理出發(fā)，對合金的基本要求是：抗沖擊和耐磨損[1]。因此，正確選用合金牌號是保證有效使用鑿巖工具的重要條件之一。選擇鑿巖合金牌號不僅要考慮到巖石的物理性能（如硬度、磨蝕性等），還要考慮鑿巖機的型號（如輕型、重型），巖石的破碎方法（包括切削、剪碎、壓碎、擊碎）等。

1 巖石種類及破巖方式

自然界的巖石按成因的不同可分為三大類：火成巖、沉積巖和變質巖。

火成巖是由巖漿冷卻固結形成的，也叫巖漿巖，是一種硬而且完整的巖石，典型的火成巖有：花崗巖、花崗閃長巖。如果這類巖石沒有遭到嚴重破裂和風化的話，用沖擊方法比較容易鉆鑿，一般來說它們對于旋轉式鉆鑿來說太硬了。

沉積巖多數經歷過膠結、壓實和再結晶作用，代表性的沉積巖有：石灰?guī)r和砂巖。石灰?guī)r的硬度變化極大，硬的石灰?guī)r可以用沖擊式鑿巖或用重型旋轉式鉆機鑿巖，而軟的石灰?guī)r最好用旋轉式鉆機鑿巖。砂巖是磨蝕性的巖石，一般不能采用旋轉式鉆機，而使用沖擊式鑿巖機比較容易鉆進。

變質巖是由火成巖及沉積巖經過變質作用形成的，典型的變質巖為石英巖，它是由硅質巖（純 SiO2）變質形成的，一般采用沖擊式鑿巖機鉆進。

巖石的賦存狀態(tài)、成分、結構的非均質性和各向異性，使我們難以找到兩塊成分和物理力學性質完全相同的巖石。巖石的硬度、磨蝕性等特性決定了巖石的可鉆性和可爆性，此外還決定了鉆進方法。根據巖石的硬度、磨蝕性所確定的最適合的鑿巖方法見表1[2]。

2 鑿巖用硬質合金的選擇原則

選擇硬質合金牌號的基本原則是：所鑿的巖石愈硬，所選用的合金韌性應愈好。但不宜過軟，因為過軟會增加合金磨損，同時會降低鑿巖效率。對極硬巖石和沖擊功大的鑿巖機械，應側重于合金的韌性，選用含鈷量較高的合金牌號；對硬而脆，且磨蝕性強的巖石，應側重于合金的耐磨性，選用含鈷量較低的合金牌號；對中硬和中硬以下的巖石，宜選用含鈷量較低、硬度較高的合金[1]。

表1 不同巖石所推薦的鑿巖方法

上述合金牌號的選擇方法只是一個參考原則，在具體鑿巖條件下，必須綜合考慮諸如巖石的性質、鑿巖方式以及鑿巖設備的工作參數等?，F根據有關專家多年的經驗，結合主要巖石，將鑿巖合金的使用范圍大致劃分為五種類型，以供選擇牌號時參考，見表2[3]。

由表2看出，鑿巖合金的鈷含量主要為6%-10%。此外，鑿巖合金牌號的選擇和鉆頭類型也有關系。刃片型、球齒型兩種鑿巖合金的鈷含量、硬度及碳化鎢平均晶粒度有差別。前者鈷含量為8%-11%，硬度HRA87.5-88.0，碳化鎢平均晶粒度為2-4μm；后者鈷含量為6%-8%，硬度HRA90.0-90.6，碳化鎢平均晶粒度為1.6-2.0μm。這是因為球齒鉆頭主要用于鉆進堅硬以下巖層，其頭部呈球面型，與孔底接觸面積大，能有效承受鑿巖時的沖擊，其受力狀態(tài)比刃片型鑿巖鉆頭好得多。刃片型鉆頭用于極堅硬礦巖條件，要求合金具有很高的韌性，所以必須提高合金的鈷含量和晶粒度[4]。

此外，由于低鈷粗晶合金可同時獲得好的強度和斷裂韌性，以及耐磨性，所以在鉆進極堅硬地層時，選用的合金牌號可降低鈷含量，增加晶粒度。

表2 不同巖石的普氏硬度及所推薦的合適牌號

3 高質量球齒鉆頭合金牌號的研制

礦用合金的工作環(huán)境惡劣，鉆進巖層的狀況復雜多變。以高氣壓潛孔鉆頭為例，在其沖擊旋轉過程中，沖擊器氣壓可達3MPa，鉆頭旋轉速度為75-100rpm，承受的沖擊應力頻率達20-50Hz，合金齒同時承受強大的疲勞沖擊應力和剪切應力，這就要求鉆頭配備質量優(yōu)良的高性能硬質合金。為此，蘇州新銳硬質合金公司從WC粉的質量、合金晶粒度、鈷相分布及孔隙度方面，對硬質合金的組織結構進行了質量控制，開發(fā)出XR061、XR062、JZ08X等新牌號，用于中高氣壓潛孔鉆。表3是新銳公司主要礦用合金牌號介紹。

表3 新銳公司主要礦用合金牌號介紹

3.1 XR062用于中硬巖層的現場試驗情況

試驗的高氣壓潛孔鉆頭體由長沙礦院提供，裝配XR062合金，鉆頭在洛陽市欒川縣進行試用。鉆進巖層為f10-12的橄欖大理巖，磨蝕性中等，見圖1。鉆頭直徑為φ138，鉆進氣壓為1.5-1.8ΜΡa。本次試驗的XR062鉆頭的使用情況見表4。XR062鉆頭及現場鉆頭失效后的照片見圖2、3。

圖1 橄欖大理巖

表4 XR062合金在中硬巖層的使用情況

圖2 Z8B15

圖3 現場鉆頭

據了解：在該地層，市場上同類鉆頭的平均進尺為500m，30%鉆頭失效形式為中晚期碎齒。兩只XR062鉆頭進尺都在500m以上，鉆頭的失效形式都為合金正常磨損，說明XR062鉆頭優(yōu)于市場上同類產品。

3.2 XR062用于堅硬巖層的現場試驗情況

該試驗在四川攀枝花進行，地層為f12-16的磁鐵礦。鉆頭直徑為φ152，鉆頭邊齒數為 8，中齒數為 7，鉆進氣壓為 1.5-1.7MPa。本次試驗鉆頭的使用情況見表5。失效后的鉆頭照片見圖4，圖5。

圖4 XR062鉆頭

圖5 現場使用鉆頭

表5 XR062在堅硬地層的使用情況

由于鉆進地層為磁鐵礦，屬于堅硬而韌的巖石，所有廠家鉆頭的主要失效形式都為晚期碎齒，屬于疲勞斷裂。據了解：在該地層，市場上同類鉆頭的進尺一般為400m，而2只XR062鉆頭進尺為400m以上，高于市場上同類產品的水平。

3.3 XR061用于中硬巖層的現場試驗情況

本次試驗的XR061高氣壓潛孔鉆頭在揭陽市某石場使用，試驗鉆進巖層為f12-14的白色花崗閃長巖，見圖6。鉆頭直徑為φ115，邊齒數為8，中齒數為7，鉆進氣壓為1.8MPa。本次試驗鉆頭的使用情況見表6。XR061鉆頭的失效形式為合金正常磨損。在鉆進f12-14地層，市場上同類鉆頭的平均進尺一般為180m，兩只XR061鉆頭進尺為185m以上，高于市場上同類產品水平。

圖6 f12-14白色花崗閃長巖

表6 XR061在中硬巖層的使用情況

3.4 JZ08X用于石英砂巖的現場試驗情況

本次試驗的φ89螺紋球齒釬頭的合金牌號為JZ08X，在南非市場使用，鉆進巖層為磨蝕性強的f12石英砂巖，見圖9。釬頭邊齒數為8，中齒數為6，在英格索蘭液壓鑿巖臺車上使用，鉆進氣壓為0.60MPa。釬頭的使用情況見表8。失效后的XR061鉆頭的照片見圖 7，8。

表8 JZ08X鉆進石英砂巖的使用情況

圖7 11C51鉆頭

圖8 11C52鉆頭

失效后的JZ08X釬頭照片見圖10。

在該地層，Atlas釬頭的平均進尺為50m，而JZ08X釬頭進尺為60m，說明JZ08X釬頭的進尺達到了國外釬頭水平。

圖9 f12的石英砂巖

圖10 JZ08X球齒釬頭

4 結論

本文對巖石種類及破巖方式進行了闡述，指出了鑿巖用硬質合金的選擇原則，并針對不同巖層和鉆進方式選擇合適的牌號進行現場試驗，有如下結論：

（1）代表性巖石花崗巖、砂巖及石英巖，合適的鑿巖方式為沖擊鑿巖。

（2）鑿巖合金的鈷含量主要為6%-10%。對于刃片型鉆頭，通常采用鈷含量8%-11%的合金。對于球齒型鉆頭，一般采用鈷含量為6%-8%的合金。

（3）新銳公司針對不同地層和鉆進方式開發(fā)了XR061、XR062及JZ08X牌號，通過多次現場試驗表明，各牌號進尺達到了國內先進水平。

[1]張國櫸，劉榮湘，陳泓.鑿巖釬具的設計、制造和選用[M].湖南：湖南科技出版社，1988.165.

[2]（芬蘭）J.普基拉主編,龍維祺 等譯.巖石露天爆破手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1982：2-3.

[3]董鑫業(yè)，胡銘，翟利亞.鑿巖硬質合金手冊[M].北京：中國釬鋼釬具協會，2003：64-122.

[4]張俊熙，周書助.國外鑿巖合金鉆頭材質剖析結果與探討[M].湖南：中國鎢業(yè)協會硬質合金分會，2004：15-16.

TD421.2+5 文獻標識碼：B