孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)探討

■吳其干

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九三一隊(duì) 廣東汕頭 515041）

孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)探討

■吳其干

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九三一隊(duì) 廣東汕頭 515041）

目前解決堅(jiān)硬地層鉆頭打滑的方法多種多樣，但未明確哪些方法更為有效可行，本文通過進(jìn)一步的分析和計(jì)算，明確了影響鉆進(jìn)效率的主要因素，對(duì)孕鑲鉆頭的設(shè)計(jì)提出了建議。

金剛石碎巖機(jī)理孕鑲鉆頭鉆進(jìn)特點(diǎn)主要影響因素鉆頭設(shè)計(jì)原則

0 引言

通常我們在鉆進(jìn)堅(jiān)硬打滑地層時(shí)，通常會(huì)因金剛石被拋光而出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆頭無法進(jìn)尺。為解決上述問題，人們采取了各種辦法。例如降低胎體硬度、降低金剛石濃度、降低金剛石粒度，采用異型鉆頭，甚至采取打磨法、噴砂法、唇面酸蝕法、孔底投砂研磨法等多種不同的金剛石鉆頭人工出刃等辦法。上述方法有一定的效果，但未能總結(jié)出哪些方法更為有效。

研究分析提高孕鑲鉆頭在堅(jiān)硬打滑地層的鉆進(jìn)效率，除了要考慮金剛石碎巖機(jī)理外，還需綜合考慮孕鑲鉆頭的鉆進(jìn)特點(diǎn)以及金剛石強(qiáng)度，粒度，濃度以及胎體硬度，排粉等因素的影響。

1 金剛石的碎巖機(jī)理及破碎槽截面的推算

關(guān)于巖石在圓柱壓頭壓力作用下的破碎機(jī)理，個(gè)人在《巖石可鉆性及巖石破碎機(jī)理探討》一文中有所論述，金剛石對(duì)巖石的破碎機(jī)理有所不同，個(gè)人認(rèn)為金剛石對(duì)巖石的切削破碎隨著壓力的增加有如下三個(gè)階段的特點(diǎn)：Ⅰ.當(dāng)壓力較小時(shí)，巖石僅僅產(chǎn)生接觸變形，金剛石主要通過摩擦對(duì)巖石進(jìn)行切削破碎；Ⅱ.開始在接觸面下方某處以及在接觸面邊緣產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展和交匯，沿裂紋交匯線形成脫離圍巖的錐狀巖體，當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí)，金剛石壓力作用下的獨(dú)立巖體對(duì)其下面巖石的壓力使巖石沿剪切方向剪切破碎并因此對(duì)圍巖產(chǎn)生擠壓，而擠壓力的水平分力則將圍巖（與水平面）沿剪切角方向剪切破碎，剪切破碎體開始時(shí)從獨(dú)立巖體周邊的上部擴(kuò)展到表面，隨著壓力的增加，能擴(kuò)展到表面的剪切破碎體逐漸擴(kuò)展到獨(dú)立巖體的底部。Ⅲ.剪切破碎體在往深度擴(kuò)展的同時(shí)，開始從獨(dú)立巖體底部的中心往徑向擴(kuò)展，直到當(dāng)?shù)撞考羟衅扑轶w的徑向尺寸擴(kuò)展到大于金剛石的直徑時(shí)，金剛石將剪切破碎體擠壓崩離，形成破碎坑。

根據(jù)上述推理可對(duì)金剛石在不同壓力下對(duì)巖石所產(chǎn)生的剪切破碎體（金剛石隨鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)后成為破碎槽）的大小進(jìn)行推算。

1.1 壓力邊緣的半徑的推算

根據(jù)赫茲理論，球體（金剛石）壓人平面時(shí)，其壓力邊緣半徑a為：

式中μ1為金剛石的泊松比，E1為金剛石的彈性模量，μ2為巖石的泊松比，E2為巖石的彈性模量，p為作用于金剛石壓頭上的壓力，r為金剛石的近似半徑。由于E1遠(yuǎn)大于E2，為便于計(jì)算，（1）式可簡化為：

1.2 Z對(duì)稱軸上剪切裂紋起源點(diǎn)深度的推算

個(gè)人認(rèn)為接觸面下方的裂紋并非是產(chǎn)生于最大剪應(yīng)力，而是應(yīng)遵循庫倫-莫爾原則，當(dāng)沿剪切滑移面方向的應(yīng)力τ滿足下式條件時(shí)產(chǎn)生剪切裂紋。

式中σ為剪切滑移面上的正應(yīng)力；ψ為摩擦角；C為內(nèi)聚力。

根據(jù)赫茲理論，對(duì)稱軸Z軸上壓力面下面z(深度)垂直方向的應(yīng)力σz及水平徑向方向的應(yīng)力σr分別為：

此處沿剪切滑移面方向的應(yīng)力τ及剪切滑移面上的正應(yīng)力σ分別按下式計(jì)算：

式中α為最大主應(yīng)力與剪裂面法線之間的夾角，α=π/4+ψ/2。將τ=σtanψ+C對(duì)z/a求導(dǎo)并使其等于零，便可得到

由（8）式可求得產(chǎn)生剪切裂紋的源點(diǎn)深度z

1.3 獨(dú)立巖體對(duì)其下面圍巖的壓力

假設(shè)錐狀獨(dú)立巖體的錐頂角為2β（為便于計(jì)算，將其當(dāng)成圓錐體。β=arctan a/z），那么根據(jù)力的平衡原理可得：

由（9）式可得：

式中P為作用在金剛石壓頭上的壓力，PN為下面圍巖對(duì)獨(dú)立巖體的反作用力 （亦即為獨(dú)立巖體對(duì)下面圍巖的壓力），f為巖石之間的摩擦系數(shù) （個(gè)人認(rèn)為巖石之間的摩擦系數(shù)約為巖石與TBM滾刀之間摩擦系數(shù)的2倍）。

1.4 巖石破碎槽深度及寬度的推算

由于獨(dú)立巖體與下面圍巖的接觸面積為πa2/sinβ,故獨(dú)立巖體對(duì)下面圍巖的單位壓力為PN×sinβ/πa2，假設(shè)此時(shí)獨(dú)立巖體下面圍巖中裂紋已擴(kuò)展到表面的剪切破碎體的深度為h，那么此時(shí)獨(dú)立巖體對(duì)下面圍巖的有效壓力面積為[1-(z-h)2/z2]×(πa2/sinβ),其有效壓力為PN×[1-(z-h)2/z2]，該壓力使其下面的巖石沿剪切面方向剪切破碎的分力為PN×[1-(z-h)2/z2]×cosθ，所克服的摩擦力為PN×[1-(z-h)2/z2] ×sinθ×tanψ，故其沿剪切面方向的剩余壓力為：

式中θ為剪切角，由于剪切面方向與水平面方向的角度為β+ θ，因而使圍巖產(chǎn)生剪切破碎坑的水平擠壓力等于F?！羉os(β+θ)，即：

破碎巖石所需要的作用力通常按抗壓強(qiáng)度×受壓面積計(jì)算，即：

式中σC為巖石的抗壓強(qiáng)度；MC為受壓面積。假設(shè)Mτ為剪切面積。則MC=Mτ×sinθ（θ為剪切角），上式可換算為：巖石剪切破碎坑的側(cè)面積（剪切面積）為：

由(14)式和(15)式可得，使巖石產(chǎn)生剪切破碎坑的擠壓力F擠為：

由(12)式和(16)式可得

由（17）可求得巖石破碎體的深度(亦即破碎槽深度)h，那么破碎體底部的半徑為ar=a×(z-h)/z，破碎體頂部的半徑為aR=ar+z×tan(π/2–θ)，從而可求得破碎槽底寬wr=2ar、破碎槽頂寬wR=2aR，破碎槽截面積s=(aR+ar)×h。

當(dāng)剪切破碎體開始從獨(dú)立巖體底部的中心往徑向擴(kuò)展時(shí)，則可先通過下式求得ar：

從而可求得aR(aR=ar+z×tan(π/2–θ))、從而可求得破碎槽底寬(wr=2ar)、破碎槽頂寬(wR=2aR）以及破碎槽截面積[s=(aR+ar)×z]。

2 孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)的特點(diǎn)及其影響因素

對(duì)于孕鑲金剛石鉆頭而言，由于金剛石的出刃情況不同，其切入巖石的深度、所受的壓力、其刻劃所產(chǎn)生的破碎槽截面也各不相同。分析影響孕鑲鉆頭鉆進(jìn)效率的因素可從以下幾方面入手：

2.1 金剛石強(qiáng)度對(duì)切入深度的影響

根據(jù)赫茲理論，球體（金剛石）在壓力P作用下壓人巖石平面時(shí)，其中心位移（即切入巖石的深度）δ為：

由于金剛石的彈性模量E1遠(yuǎn)大于巖石的彈性模量E2，為便于計(jì)算，上式可簡化為：

表明金剛石強(qiáng)度越大（能承受的壓力就越大），能切入巖石的深度就越深

2.2 金剛石濃度對(duì)切入數(shù)量的影響

假設(shè)孕鑲金剛石鉆頭濃度為C%，則每1mm厚胎體內(nèi)所含的金剛石數(shù)量為：

式中s為孕鑲金剛石鉆頭胎體的底面積。若孕鑲金剛石鉆頭壓人巖石的深度為δ，則壓人巖石金剛石的數(shù)量為n×δ，即：

表明在金剛石鉆頭壓人巖石深度相同的情況下，孕鑲金剛石的濃度越大，能切入巖石的金剛石數(shù)量就越多。

2.3 壓力的影響

當(dāng)金剛石的強(qiáng)度允許單粒金剛石切入巖石的深度為δ時(shí)，孕鑲金剛石鉆頭壓人巖石的深度即為δ，由(20)、(21)可得此時(shí)所需的壓力為：

當(dāng)鉆壓超過該壓力（最大有效壓力）時(shí)，切入巖石深度大于δ的金剛石會(huì)因強(qiáng)度不夠而發(fā)生脆裂，壓力越大，發(fā)生脆裂的金剛石就越多，因而在金剛石濃度不變的情況下，金剛石有效切人巖石（不脆裂）的數(shù)量不再隨鉆壓的增加而增加。

3 孕鑲鉆頭所產(chǎn)生破碎槽截面的實(shí)例計(jì)算及分析

本文以φ75鉆頭（為便于比較，統(tǒng)一采用10個(gè)水口，胎體的底面積1880mm2）分別孕鑲不同強(qiáng)度、粒度的金剛石，分別對(duì)較軟的大理巖（選取ψ=43;σC=106Mpa;μ=0.27;E=20000 Mpa）和堅(jiān)硬的石英巖(選取ψ=57;σC=324Mpa;μ=0.145;E=70000 Mpa）進(jìn)行分析計(jì)算（見表1、表2）。以便更好地分析金剛石的強(qiáng)度、粒度、濃度以及鉆壓等因素對(duì)鉆進(jìn)效率的影響。

表1 金剛石強(qiáng)度等因素對(duì)大理巖進(jìn)尺效率的影響

表2 金剛石強(qiáng)度等因素對(duì)石英巖進(jìn)尺效率的影響

從表1表2可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）金剛石對(duì)軟巖的破碎槽截面積的累加遠(yuǎn)大于對(duì)堅(jiān)硬巖石的累加，表明其對(duì)軟巖的破碎能力遠(yuǎn)大于對(duì)堅(jiān)硬巖石。鉆進(jìn)軟巖時(shí)可能會(huì)因巖粉太多而造成燒鉆，而鉆進(jìn)硬巖時(shí)則會(huì)因巖粉太少而不能正常磨損胎體，造成金剛石被拋光而無法鉆進(jìn)；

（2）在金剛石強(qiáng)度和濃度相同的情況下，細(xì)粒金剛石和粗粒金剛石對(duì)巖石的破碎槽截面積的累加幾乎是一樣的，表明它們對(duì)巖石的破碎能力相同，所不同的是細(xì)粒金剛石對(duì)巖石的破碎槽截面寬度的累加大于粗粒金剛石對(duì)巖石的破碎槽截面寬度的累加。當(dāng)金剛石鉆進(jìn)堅(jiān)硬打滑地層時(shí)，金剛石刻劃巖石后產(chǎn)出的破碎槽很?。ǘ疑蠈捪抡?，只有上面小部分較寬的槽能重疊聯(lián)通，因而進(jìn)尺緩

慢，細(xì)粒金剛石對(duì)巖石的破碎帶截面寬度的增加有利于增加聯(lián)通，從而有利于堅(jiān)硬打滑地層的鉆進(jìn)。

（3）金剛石的孕鑲濃度取決于金剛石的強(qiáng)度以及巖石的堅(jiān)硬程度。當(dāng)金剛石在某一濃度下，其最大有效壓力與正常的鉆壓一致時(shí)，該濃度為最佳值。若濃度過低，則會(huì)因有效切入數(shù)量及有效壓力不夠而導(dǎo)致破碎量降低；若濃度高于此值，雖然有效切入數(shù)量增加，但分給單粒金剛石的壓力卻有所降低，其破碎量不僅不會(huì)增加，反而有可能會(huì)降低（本文為便于計(jì)算，采用平均壓力計(jì)算所得的結(jié)果是破碎量沒有降低），還增加了鉆頭的成本。由于金剛石具有脆性、怕沖擊震動(dòng)，而且熱穩(wěn)定性差，受鉆頭制作時(shí)高溫?zé)Y(jié)的影響以及鉆進(jìn)過程中無法完全避免的震動(dòng)，金剛石實(shí)際的工作強(qiáng)度可能不到原來的一半，在設(shè)計(jì)或使用時(shí)應(yīng)予考慮（本文按40%計(jì)算）。

從表1表2可以看出，巖石越硬，(最佳)濃度越大；金剛石的強(qiáng)度越大，(最佳)濃度越大。對(duì)于較軟的大理巖，金剛石強(qiáng)度為

15000kg/cm2的孕鑲鉆頭的(最佳)濃度為83%，而對(duì)于堅(jiān)硬的石英巖，金剛石強(qiáng)度為17000kg/cm2的孕鑲鉆頭在濃度為100%的情況下仍沒有達(dá)到最佳濃度。

4 孕鑲鉆頭的設(shè)計(jì)原則

根據(jù)以上的分析、計(jì)算，在設(shè)計(jì)孕鑲金剛石鉆頭時(shí)，應(yīng)綜合考慮以下幾方面：

4.1 金剛石品級(jí)

巖石越堅(jiān)硬致密，金剛石品級(jí)應(yīng)越高。金剛石的強(qiáng)度越大，能承受的壓力就越大，破碎巖石的能力就越強(qiáng)。

4.2 金剛石粒度

巖石越堅(jiān)硬致密，金剛石粒度應(yīng)越小。金剛石鉆進(jìn)堅(jiān)硬打滑地層時(shí)，金剛石刻劃巖石后產(chǎn)出的破碎槽很小，只有上面小部分較寬的槽能重疊聯(lián)通，因而進(jìn)尺緩慢，在金剛石強(qiáng)度、濃度不變的情況下，細(xì)粒金剛石對(duì)巖石的破碎槽截面寬度的累加大于粗粒金剛石對(duì)巖石的破碎槽截面寬度的累加，有利于增加破碎槽聯(lián)通，增加進(jìn)尺效率，同時(shí)，金剛石粒度小使胎體離巖粉更近，有利于胎體的“磨損”和金剛石的出刃。

4.3 金剛石濃度

對(duì)于堅(jiān)硬致密的巖石，應(yīng)在采用高品級(jí)金剛石的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低濃度。巖石越堅(jiān)硬、金剛石強(qiáng)度越低，切入巖石的深度就越小，有效切入巖石的金剛石就越少，破碎的巖粉就越少而無法“磨損”胎體，導(dǎo)致金剛石無法出刃而出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。只有增加金剛石強(qiáng)度，增加有效切入巖石的金剛石數(shù)量，才能有助于解決打滑現(xiàn)象。

4.4 胎體性能

對(duì)于堅(jiān)硬致密的巖石，應(yīng)適當(dāng)降低胎體的硬度。選擇胎體的硬度應(yīng)根據(jù)早期進(jìn)尺時(shí)效，不能盲目降低。

4.5 鉆頭唇面形狀

鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密的巖石時(shí)，采用階梯形、尖齒形等異形鉆頭有利于增加金剛石與巖石側(cè)面的接觸面積，金剛石與側(cè)面巖石磨削所增加的巖粉有利于底面金剛石的出刃，有助于解決打滑現(xiàn)象。

[1]武漢地質(zhì)學(xué)院主編.鉆探工藝學(xué) （上冊） 地質(zhì)出版社1980.

[2]張祖培，劉寶昌.碎巖工程學(xué) 地質(zhì)出版社2004.

[3]孫秀梅，劉建福.堅(jiān)硬"打滑"地層孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計(jì)與選用 探礦工程 （巖土鉆掘工程）2009年2月.

式中：S為地面最終沉降量 (mm)；ai為i層壓縮系數(shù) (MPa-1)；eoi為第主層土的原始孔隙比；△Pi為第i層土因降水產(chǎn)生的附加應(yīng)力(kPa)；△hi為第i層土的厚度(m)。

通過對(duì)在場地28個(gè)鉆孔在水位降深范圍內(nèi)的土層進(jìn)行逐一計(jì)算，結(jié)果沉降量為13～86 mm，平均值為48 mm。

地下水位以下為湛江組地層，已經(jīng)超過50萬a的自重固結(jié)。因此，由于基坑抽排水，地下水位下降引起土層壓縮量較小，經(jīng)計(jì)算平均值為48 mm。預(yù)測由于地下水位下降引起的地面沉降發(fā)育程度弱，危害小，對(duì)周邊建(構(gòu))筑物潛在的危險(xiǎn)性小。

4 結(jié)論與建議

（1）基坑排水將引起周邊地面沉降，對(duì)周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生一定程度的影響，影響范圍大致為基坑邊界外56m，地面沉降量為13～86mm，平均沉降量為48mm。

（2）基坑開挖前須進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，盡量選擇旱季施工，并盡量縮短工期，同時(shí)采取保土止水措施，以減少排水量。必要時(shí)對(duì)周邊重要建(構(gòu))筑物進(jìn)行簡易監(jiān)測。

（3）周邊地面沉降量計(jì)算結(jié)果反映的是在不采取任何防治措施情況下的沉降量，采取止水防治措施后沉降量將大大降低。預(yù)測由于地下水位下降引起的地面沉降發(fā)育程度弱，危害小，對(duì)周邊建(構(gòu))筑物潛在的危險(xiǎn)性小。

吳其干（1965～），男，工程師，研究方向?yàn)樘降V工程技術(shù)和相關(guān)管理。

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-10-356-3