不同材質(zhì)礦用鉆頭特性分析

劉衛(wèi)亮

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

不同材質(zhì)礦用鉆頭特性分析

劉衛(wèi)亮

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

列舉了3種不同材質(zhì)刀片鉆頭的特性及使用規(guī)程。結(jié)合實(shí)際使用要求，對每種材質(zhì)鉆頭的使用提出了參考意見。正確地使用鉆頭可延長其使用壽命，提高鉆孔效率，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。在實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件適當(dāng)選取鉆頭，將每種材質(zhì)鉆頭的特性發(fā)揮到極致。合理有效的鉆具配套組合對于提高鉆孔成孔率、瓦斯抽放效果，甚至鉆孔施工的安全性都具有非常積極的意義。

鉆頭；硬質(zhì)合金；PDC；金剛石

鉆頭是煤礦井下鉆機(jī)施工鉆孔的重要配套件，承擔(dān)切削煤巖的主要任務(wù)，礦井下因施工性質(zhì)、地質(zhì)條件的不同，所用的鉆頭也各有差異，正確的選用鉆頭以及合理的鉆機(jī)參數(shù)是成孔的前提條件。本文就煤礦用液壓鉆機(jī)在施工瓦斯抽放鉆孔、探水孔及地質(zhì)孔所用的3類刀片材質(zhì)不同的鉆頭進(jìn)行特性分析，供相關(guān)人員使用時(shí)進(jìn)行參考，避免因選型影響使用效果。

目前，煤礦井下施工鉆孔的3類鉆頭刀片材質(zhì)分別是硬質(zhì)合金、PDC及金剛石。3種材質(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，且因刀片布置、焊接方式的不同，其受力性能也有差異，因而在使用時(shí)，把握好各相關(guān)特性，可延長鉆頭使用壽命，提高鉆孔施工效率，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 硬質(zhì)合金刀片鉆頭

地質(zhì)礦山常用的硬質(zhì)合金刀片通常為鎢鈷合金(YG)，一般以碳化鎢粉末為骨架。鈷粉為粘接劑制成，鈷含量越多，則抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度越好，但硬度和耐磨性則略有下降。硬質(zhì)合金刀片合金牌號(hào)及其性能關(guān)系見表1[2]。

表1 部分牌號(hào)硬質(zhì)合金性能

從表1中可以看出，為達(dá)到高效使用的目的，制造不同種類的鉆頭需要不同牌號(hào)的合金刀片。如果用于制作全斷面鉆頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，則需要耐磨性與沖擊韌度均適中的牌號(hào)(如YG8)，因?yàn)樵谶@種情況下，鉆頭依靠鉆機(jī)輸出的進(jìn)給力壓入煤巖，鉆機(jī)同時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)鉆頭切削煤巖完成鉆進(jìn)，即同時(shí)需要旋轉(zhuǎn)切削的耐磨性和壓入時(shí)的沖擊韌度；如果鉆進(jìn)硬巖(堅(jiān)固性系數(shù)較高)時(shí)進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，則可選擇沖擊韌度較高的合金牌號(hào)，這樣可保證沖擊釬頭撞擊巖石的效率，能沖擊且自身損傷較低。硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)時(shí)受力情況分析如圖1所示。

圖1 硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)時(shí)受力情況分析圖

硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，各個(gè)主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足如下公式[3]：

式中，h是鉆進(jìn)深度；η是摩擦因數(shù)，η<1；Py是軸向壓力，單位為N；b是切削鉆具的刃寬，單位為mm；H是巖石的壓入硬度；β是切削鉆具的刃角，單位為(°)，軟巖中應(yīng)采用較小刃角，堅(jiān)硬及裂隙巖石中則應(yīng)選用較大刃角。

硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)過程中主要受軸向壓力Py和回轉(zhuǎn)力Px作用，使硬質(zhì)合金鉆具螺旋式切削煤巖。當(dāng)鉆進(jìn)深度較小、轉(zhuǎn)速較快時(shí)，切削介質(zhì)顆粒較小，成孔質(zhì)量較高；反之，切削介質(zhì)顆粒大，成孔質(zhì)量較差。

硬質(zhì)合金刀片成本相對低廉，加工簡單，主要用于巖石堅(jiān)固性系數(shù)較低的煤層或巖層鉆進(jìn)。一般來說，孔徑越小，要求鉆頭轉(zhuǎn)速越高；研磨性越強(qiáng)，要求轉(zhuǎn)速越低?？傊操|(zhì)合金是目前煤礦井下及地質(zhì)鉆探工程常用的刀片材質(zhì)之一。

2 PDC刀片鉆頭

聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)是另一種超硬材料，它能把高鈷硬質(zhì)合金刀片的強(qiáng)度和金剛石多晶聚合體的硬度特性有效地結(jié)合在一起，綜合性能比較優(yōu)越。考察PDC刀片鉆頭比較重要的一個(gè)參數(shù)就是其磨耗比，一般磨耗比為15萬～50萬(數(shù)值越大，表明其合成密度越高，性能越好)。

PDC材質(zhì)的鉆頭鉆進(jìn)參數(shù)見表2。

表2 常用PDC鉆頭鉆進(jìn)參數(shù)

一般來說，PDC材質(zhì)鉆頭主要由鉆頭體、PDC切削齒和出水孔等組成。按照鉆頭冠狀部的材料不同，其又可分為鋼體式和胎體式，鋼體式鉆頭一般采用高強(qiáng)度、低熔點(diǎn)(600～700 ℃)銀基材料焊接，該材料對PDC刀片和鋼體具有一定的浸潤性，可有效減少掉片和崩片現(xiàn)象；胎體式鉆頭的鉆頭體冠部采用碳化鎢粉、浸漬焊料等材料經(jīng)粉末冶金方法燒結(jié)而成，同時(shí)因鉆頭的使用要求差異，切削刀片的安裝方法、角度也不盡相同。2種形式的PDC鉆頭各有優(yōu)勢，鋼體式鉆頭加工工藝簡單，生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)；胎體式鉆頭對地層適用效果好，使用壽命較長，但生產(chǎn)成本較高，工藝復(fù)雜。

PDC鉆頭主要參數(shù)之間的關(guān)系參照表鑲金剛石鉆頭。

PDC材質(zhì)的鉆頭主要用于中硬巖層及煤層鉆進(jìn)，操作規(guī)程和使用方法與硬質(zhì)合金鉆頭大致相同，但使用壽命是硬質(zhì)合金的數(shù)十倍，鉆進(jìn)效率也成倍提高?？傊?，PDC鉆頭是目前煤礦井下施工各類鉆孔中使用最為廣泛的鉆頭。

3 金剛石刀片鉆頭

金剛石是自然界最硬的礦物質(zhì)，耐磨性好，正常情況下磨耗量極小，且性能穩(wěn)定，常溫下不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；但金剛石脆性大，不適合破碎巖層使用。另外，金剛石熱穩(wěn)定性不好，當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，300 ℃開始氧化；800 ℃開始石墨化，質(zhì)量減輕；900 ℃疏松易碎；到1 000 ℃則完全消失，因此使用金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)防止沖洗液不足或者間斷，以避免因摩擦溫度過高導(dǎo)致刀片性能下降或喪失。

鉆頭用金剛石顆粒按照來源可分為天然金剛石和人造金剛石，按照金剛石顆粒布置不同又可分為表鑲金剛石鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭。表鑲鉆頭一般采用較大的金剛石顆粒分布于胎體表面，按其布置位置可分為底刃、邊刃和側(cè)刃，底刃和邊刃因?yàn)橹苯訁⑴c切削，因此要求金剛石品級較高，側(cè)刃則可選用較低品級的金剛石以降低成本；孕鑲鉆頭一般采用較小的金剛石顆粒均勻分布于胎體工作層內(nèi)，相對于表鑲鉆頭來說對于金剛石品級要求較低，價(jià)格也相對低廉。

表鑲鉆頭主要參數(shù)之間的關(guān)系滿足如下公式[4]：

P1=(0.66～0.75)qmp

式中，P1是表鑲鉆頭上的總壓力，單位為N；q是鉆頭上金剛石克拉數(shù)；m是金剛石的粒度，單位為粒/克拉；p是單粒金剛石允許載荷，單位為N；0.66～0.75是金剛石參加破碎巖石的系數(shù)。

孕鑲鉆頭主要參數(shù)之間的關(guān)系滿足如下公式：

式中，P2是孕鑲鉆頭上的總壓力，單位為N；D是鉆頭外徑，單位為cm；d是鉆頭內(nèi)徑，單位為cm；f是經(jīng)驗(yàn)單位壓力，f=400～800 N/cm2。

金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，選取匹配的參數(shù)可以將鉆進(jìn)效能發(fā)揮到最大，完成經(jīng)濟(jì)、高效的鉆進(jìn)過程。

金剛石鉆頭主要用于巖石堅(jiān)固性系數(shù)較高的中硬至堅(jiān)硬巖的鉆進(jìn)，在鉆壓的作用下依靠自身硬度壓入被切削巖層，同時(shí)旋轉(zhuǎn)完成鉆進(jìn)，是硬巖鉆進(jìn)常用的鉆具。由于金剛石脆性較大，在破碎層較多以及層級較多且比較分明的頁巖巖層中，因旋轉(zhuǎn)時(shí)伴有沖擊，易損壞金剛石顆粒，因而不推薦使用。

4 結(jié)語

通過上述分析，得出結(jié)論如下：1)硬質(zhì)合金刀片鉆頭造價(jià)低廉，加工簡單，應(yīng)用較為廣泛，但使用周期較短，適用于軟巖及煤層鉆孔施工，對轉(zhuǎn)速要求較其他2種材質(zhì)鉆頭偏低，適應(yīng)性較好；2)PDC刀片材質(zhì)鉆頭綜合性能最為優(yōu)良，通常情況下其壽命可達(dá)硬質(zhì)合金鉆頭的十幾甚至幾十倍，可有效提高鉆進(jìn)效率，其使用規(guī)程接近硬質(zhì)合金鉆頭，是目前煤礦井下及地質(zhì)鉆進(jìn)應(yīng)用最為廣泛的一種；3)金剛石鉆頭性能最為優(yōu)越，適合于較硬巖層的鉆進(jìn)，但是其造價(jià)較高，使用時(shí)相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)要求比較嚴(yán)格，僅在一些特殊場合應(yīng)用。

此外，煤礦井下鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭的使用周期與諸多因素有關(guān)，例如操作人員熟練程度、開孔效果及排渣介質(zhì)的選擇和供應(yīng)量等都會(huì)影響鉆頭的壽命，使用時(shí)選擇合適材質(zhì)的鉆頭、正確的鉆進(jìn)規(guī)程及合理的操作流程才能將鉆頭的效能最大發(fā)揮，達(dá)到高效鉆進(jìn)的目的。

[1] 王扶志，張志強(qiáng)，宋小軍. 地質(zhì)工程鉆探工藝與技術(shù)[M]. 長沙：中南大學(xué)出版社，2008.

[2] 姚向榮，朱云輝 煤礦鉆探工藝與安全[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[3] 馬鎖柱，張海秋. 鉆探工程技術(shù)[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2009.

[4] 李貞杰，劉衛(wèi)亮，江科. 液壓鉆機(jī)鉆進(jìn)效率影響因素研究[J]. 新技術(shù)新工藝，2015(2):91-92.

責(zé)任編輯 鄭練

Characteristic Analysis of Different Materials Bit for Coal Mine

LIU Weiliang

(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation Co., Ltd., Chongqing 400039, China)

By enumerating the characteristic of three bits with different blade materials, their specification of usage, suggestions is put forward. In accord with its application requirement, the usage of each bit is supplied. The correct application leads to extend the application period, and improved drilling efficiency and greater economic benefits. Discretionary selections should be based on different geological conditions when the actual drilling, each material characteristic of the drill bit is to the limit. Reasonable and effective tool matching combination has a very positive meaning for improving the drilling hole rate, the gas drainage effect and the safety of drilling construction.

bit, carbide, PDC, diamond

TD 41

A

劉衛(wèi)亮(1979-)，男，副研究員，大學(xué)本科，主要從事鉆機(jī)研究及推廣等方面的研究。

2016-08-16