孕鑲金剛石齒輪鉆頭在蒙庫(kù)鐵礦地區(qū)的應(yīng)用

趙 濤

（核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆烏魯木齊830011）

近些年，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速鐵路的大量建設(shè)，鋼鐵行業(yè)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了我國(guó)對(duì)鐵礦石需求的增加[1]。新疆地區(qū)鐵礦資源豐富，但找礦效率低下是制約采礦業(yè)發(fā)展的重要因素。蒙庫(kù)鐵礦地區(qū)位于新疆富蘊(yùn)縣境內(nèi)，是進(jìn)行硬巖地質(zhì)巖芯鉆探找礦施工的主要區(qū)域之一。由于該地區(qū)地層復(fù)雜，應(yīng)用現(xiàn)有的S95、S75金剛石繩索取芯鉆探工藝和階梯、環(huán)齒金剛石鉆頭，會(huì)出現(xiàn)鉆頭壽命短、鉆進(jìn)效率低、鉆孔質(zhì)量差等施工問(wèn)題[2]，給該地區(qū)的鉆探取樣工作帶來(lái)諸多不便。

通常，鉆頭鉆進(jìn)效率的高低和使用壽命的長(zhǎng)短，是評(píng)價(jià)其質(zhì)量?jī)?yōu)劣的2個(gè)重要指標(biāo)[3]。根據(jù)鉆孔深度的不同，可將鉆探工程分為深孔鉆探和淺孔鉆探2類(lèi)。由于地層的復(fù)雜性和施工過(guò)程的繁瑣性，深孔鉆探對(duì)金剛石鉆頭性能要求較高[4]。淺孔鉆探由于起下鉆周期短，使得鉆頭的效率在鉆探成本中占據(jù)主導(dǎo)地位[3]。這2種鉆孔類(lèi)別在新疆蒙庫(kù)鐵礦地區(qū)廣泛分布，因此，在該地區(qū)鉆探工程中選擇合適的鉆頭顯得尤為重要。

為有效解決地區(qū)鉆探過(guò)程中鉆頭出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，現(xiàn)引進(jìn)孕鑲金剛石齒輪鉆頭。金剛石齒輪鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭同時(shí)提供擠壓力和鉆進(jìn)下滑力，便于巖石破碎，給鉆進(jìn)帶來(lái)了有利的工作環(huán)境。同時(shí)，鉆頭孕鑲的金剛石在對(duì)孔底巖石進(jìn)行刻劃磨蝕的過(guò)程中，隨著金剛石的逐漸磨損和消失以及粘結(jié)胎體的不斷磨耗，新的金剛石又裸露出來(lái)進(jìn)行工作[3]。這種自磨出刃而自銳的性能，大大提高鉆進(jìn)效率，延長(zhǎng)鉆頭壽命，顯著改善鉆頭的鉆探效能，是解決蒙庫(kù)鐵礦地區(qū)施工難題的有效選擇。

1 蒙庫(kù)鐵礦地區(qū)地質(zhì)概況

蒙庫(kù)一帶鐵礦處于阿爾泰山脈中部西南邊緣山前地帶，為中低山地形，海拔1000～1400m，相對(duì)高差50～400m，切割深度50～100m，多發(fā)育“V”型谷，屬構(gòu)造剝蝕侵蝕型中、低山地貌，總的趨勢(shì)北高南低。同時(shí)，本區(qū)處于歐亞大陸腹地，緯度較高，北東部毗鄰蒙古高壓中心，本區(qū)氣候深受其影響，年平均氣溫1.9℃，年最高溫度37.2℃，年最低溫度-43.1℃。11月至次年3月為冰凍期，凍土深1m，積雪厚0.8～1m。冬季嚴(yán)寒多雪，夏季炎熱少雨，屬典型的大陸性氣候。

礦區(qū)大地構(gòu)造位置位于西伯利亞板塊（Ⅰ）阿勒泰陸緣活動(dòng)帶（Ⅰ1）南阿爾泰弧后盆地（Ⅰ13）東段麥茲晚古生代火山盆地中。烏吐布拉克鐵礦就處于麥茲火山盆地中的麥茲復(fù)向斜北東翼次級(jí)褶皺——鐵木下?tīng)栃栂蛐睎|段，為蒙庫(kù)鐵床的東延部位。區(qū)內(nèi)出露地層主要有志留系中上統(tǒng)庫(kù)魯姆提群（S2-3Kl）、泥盆系下統(tǒng)康布鐵堡組（D1k）、泥盆系中統(tǒng)阿勒泰組（D2a），以泥盆系為主[5]。地層總體呈北西-南東向展布，區(qū)域內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)巖漿巖以侵入巖為主，分布廣泛，從華力西早期一直持續(xù)到中晚期形成巨大的花崗巖基?；◢徎鶐r硬度較大，抗風(fēng)化能力強(qiáng)。

礦區(qū)地層為下泥盆統(tǒng)康布鐵堡組的黑云母變粒巖、鈣鐵輝石磁鐵礦、石榴子石磁鐵礦、斜長(zhǎng)角閃巖、淺粒巖、大理巖、變粒巖、角閃變粒巖、斜長(zhǎng)角閃片巖、片麻巖。第四系呈條帶狀分布于河谷兩側(cè)。礦區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)巖按硬度差別可劃分為3組：（1）軟弱巖土組：主要指第四系松散堆積層，分布于巴利爾斯河及結(jié)別特河河谷，包括河流沖洪積層、殘坡積層和少量崩坡積層，巖性為砂土、卵石土、碎石土和塊石土等，該類(lèi)土結(jié)構(gòu)松散，呈散體狀，孔隙率大。（2）半堅(jiān)硬巖組：主要指斜長(zhǎng)黑云母角閃片巖、黑云母片巖，該類(lèi)巖石片理發(fā)育，淺部風(fēng)化強(qiáng)烈，錘擊易成粉狀，抗壓強(qiáng)度低。該類(lèi)巖石呈透鏡狀零星分布。（3）堅(jiān)硬巖組：礦區(qū)內(nèi)大部分巖石均屬于堅(jiān)硬巖石，包括淺粒巖、斜長(zhǎng)角閃巖、角閃變粒巖和礦體等。

總而言之，蒙庫(kù)鐵礦地區(qū)成礦條件良好，是進(jìn)行鉆探找礦的良好區(qū)域。但是由于該地區(qū)地層復(fù)雜，巖石堅(jiān)硬、破碎、研磨性強(qiáng)，進(jìn)行鉆探施工時(shí)常遇到一系列難題。傳統(tǒng)的階梯金剛石鉆頭和環(huán)齒金剛石鉆頭存在明顯的鉆進(jìn)效率低、使用壽命短等缺陷，無(wú)法滿足工程實(shí)際的要求，迫切需要尋找適合該地區(qū)地質(zhì)類(lèi)型的新型鉆頭。

2 礦區(qū)原用鉆頭鉆探存在問(wèn)題及原因分析

2.1 存在問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)階梯金剛石鉆頭和環(huán)齒金剛石鉆頭在該地區(qū)的使用情況如表1所示。階梯金剛石鉆頭和環(huán)齒金剛石鉆頭在該地區(qū)鉆探生產(chǎn)中出現(xiàn)的主要問(wèn)題有4個(gè)[6]：（1）內(nèi)外保徑差，出現(xiàn)早期磨損；（2）水口沖蝕嚴(yán)重；（3）胎體產(chǎn)生掉塊；（4）胎體出現(xiàn)裂縫。

表1 金剛石鉆頭使用情況一覽表

2.2 原因分析

通常，當(dāng)在該地區(qū)使用階梯金剛石鉆頭或環(huán)齒金剛石鉆頭進(jìn)行鉆探施工時(shí)，由于巖層研磨性強(qiáng)和巖芯破碎，鉆進(jìn)過(guò)程中巖芯不能順利進(jìn)入內(nèi)管，發(fā)生巖芯堵塞現(xiàn)象，造成巖芯在鉆頭內(nèi)徑處消耗，從而導(dǎo)致鉆頭內(nèi)保徑超前磨損失效。當(dāng)鉆頭胎體硬度偏軟或者在沖洗液過(guò)大，巖石研磨性強(qiáng)，沖洗液中含砂量過(guò)多時(shí)，水口在含砂沖洗液流的強(qiáng)烈沖刷下均易發(fā)生變形和沖蝕破壞，造成水口沖蝕嚴(yán)重。當(dāng)鉆頭掃殘留巖芯，孔內(nèi)不干凈有硬塊，鉆頭胎體強(qiáng)度不夠，鉆進(jìn)嚴(yán)重破碎裂縫巖層和鉆頭受到撞擊時(shí)常會(huì)出現(xiàn)胎體掉塊現(xiàn)象。當(dāng)鉆頭結(jié)構(gòu)不合理，鉆頭胎體偏脆，強(qiáng)度不夠，金剛石分布不均，密集處往往胎體薄弱或者操作過(guò)程中出現(xiàn)失誤，產(chǎn)生嚴(yán)重的擠夾、碰撞，而導(dǎo)致胎體出現(xiàn)裂縫[6]。

3 孕鑲金剛石齒輪鉆頭的鉆進(jìn)原理及保徑優(yōu)勢(shì)

孕鑲金剛石齒輪鉆頭具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。它采用齒輪式，齒輪形唇面的鉆頭，鉆頭胎體表面上分布有多而小的硬質(zhì)點(diǎn)。孕鑲金剛石齒輪鉆頭由于其特殊的結(jié)構(gòu)，其鉆進(jìn)原理也與普通的鉆頭不同。在鉆進(jìn)過(guò)程中，不但有壓力和扭力的共同作用，而且具有沿鉆頭底唇面垂直的擠壓力。擠壓力和鉆進(jìn)下滑力，這正是與平底鉆頭不同的獨(dú)特之處。齒輪給鉆頭鉆進(jìn)帶來(lái)了有利的工作環(huán)境：一方面，由于鉆頭唇面有齒輪形槽，在壓力和扭力的作用下，鉆頭底齒輪面不僅能緊緊地楔入巖石內(nèi)部，造成力量集中，而且在擠壓力的作用下，加速了鉆頭對(duì)巖石的破碎機(jī)能；另一方面，鉆頭唇相對(duì)地增強(qiáng)了鉆具的導(dǎo)向性和穩(wěn)定性。孕鑲的金剛石鉆頭在鉆進(jìn)的過(guò)程中有自磨出刃而自銳的性能，很好地延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。

除此之外，齒輪金剛石還有很好的保徑優(yōu)勢(shì)。在強(qiáng)研磨性地層中，常規(guī)的保徑方式由于圓柱狀聚晶工作面小而很快磨損導(dǎo)致鉆頭失效。孕鑲齒輪金剛石保徑層采用方聚晶，通過(guò)增加聚晶的工作體積來(lái)加強(qiáng)保徑能力，能起到非常好的效果?？梢杂行Ы鉀Q階梯金剛石鉆頭或環(huán)齒金剛石鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的內(nèi)外保徑差，胎體出現(xiàn)掉塊和裂縫的問(wèn)題，順利地達(dá)到預(yù)期效果。

4 孕鑲金剛石齒輪鉆頭在蒙庫(kù)鐵礦地區(qū)應(yīng)用實(shí)效

在蒙庫(kù)鐵礦地區(qū)，根據(jù)以往地層的地質(zhì)資料和工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)，所用的金剛石鉆頭都是因?yàn)閮?nèi)外徑磨損過(guò)大或工作層大范圍磨損掉齒而停止使用。在繩索取芯鉆進(jìn)工藝中，要求從鉆頭下孔后到鉆頭報(bào)廢才提一次大鉆，使用金剛石階梯鉆頭和金剛石環(huán)齒鉆頭需要逐個(gè)回次地觀察鉆頭的磨損情況，影響了機(jī)臺(tái)的生產(chǎn)實(shí)效。而使用孕鑲金剛石齒輪鉆頭，從最終提鉆上來(lái)的鉆頭形狀看，鉆頭內(nèi)外徑的磨損較為均勻，沒(méi)有發(fā)生拉槽現(xiàn)象，無(wú)需在鉆探施工過(guò)程中反復(fù)提拉鉆桿，大大提高鉆探效率，降低鉆探成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。孕鑲金剛石齒輪鉆頭現(xiàn)場(chǎng)使用情況見(jiàn)表2。

表2 孕鑲金剛石齒輪鉆頭使用情況

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將表2和表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知：孕鑲金剛石齒輪鉆頭在鉆進(jìn)鈣鐵輝石磁鐵礦、石榴子石磁鐵礦、斜長(zhǎng)角閃巖、斜長(zhǎng)角閃片巖、黑云母花崗巖時(shí)壽命較高。它的平均鉆進(jìn)時(shí)效是金剛石階梯鉆頭和金剛石環(huán)齒鉆頭的2.01倍，可以達(dá)到2.17m/h。它的平均使用壽命為98.13m/只，是金剛石階梯鉆頭和金剛石環(huán)齒鉆頭的2倍，單只鉆頭最高壽命可達(dá)到189.2m/只。孕鑲金剛石齒輪鉆頭其它各項(xiàng)指標(biāo)也均有明顯改善，取得了預(yù)期的試驗(yàn)效果[7]。

5 礦區(qū)鉆探施工技術(shù)

5.1 使用設(shè)備及鉆具組合

蒙庫(kù)鐵礦施工區(qū)使用的主要鉆探設(shè)備包括：18m四角鉆塔、XY-5型鉆機(jī)、NBB-250泥漿泵、NJ-1000型攪拌機(jī)、120kW發(fā)電機(jī)。針對(duì)鉆孔地質(zhì)要求及孔深特點(diǎn)，為保證鉆孔在鉆進(jìn)過(guò)程中安全，不出事故，順利完成鉆孔的施工，選用無(wú)錫鉆探工具廠生產(chǎn)的S95A、S75A繩索取芯鉆具，其級(jí)配系列見(jiàn)表3。該鉆具采用墩粗加厚鉆桿，鉆桿和接手的聯(lián)結(jié)絲扣螺紋齒高增加，連接強(qiáng)度提高，鉆頭、擴(kuò)孔器和接手外徑相應(yīng)加大。單管的取芯率較高，在鉆進(jìn)的過(guò)程中可以避免鉆頭冷卻不良、排粉不暢的問(wèn)題。同時(shí)，鉆具在鉆進(jìn)的過(guò)程中，可以減少輔助時(shí)間，提高鉆探的時(shí)效，對(duì)鉆芯具有很好的防斜保直效果[8]。

5.2 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

表3 繩索取芯鉆具級(jí)配系列（單位：mm）

根據(jù)該地區(qū)特殊的工程地質(zhì)特點(diǎn)，在堅(jiān)硬的研磨性強(qiáng)的巖層鉆進(jìn)，采用大鉆壓和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速和泵量；在裂隙發(fā)育的破碎巖層和研磨性強(qiáng)的巖層鉆進(jìn)，采用小鉆壓、中低轉(zhuǎn)速和適當(dāng)?shù)谋昧俊Ｔ谏羁足@進(jìn)時(shí)，為保證孔內(nèi)安全，則要限制轉(zhuǎn)速和鉆壓。

鉆探施工操作的要點(diǎn)是控制好孔內(nèi)壓力平衡，撈取巖芯及起下鉆時(shí)必須采取沖洗液回灌措施，并根據(jù)地層的實(shí)際情況，控制撈取巖芯及起下鉆的速度，防止孔內(nèi)壓力失衡造成孔壁坍塌。金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速、小泵量和適當(dāng)壓力。在低固相泥漿鉆進(jìn)條件下，為避免鉆桿內(nèi)結(jié)泥皮，應(yīng)限制鉆具轉(zhuǎn)速。推薦鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 推薦鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)表

5.3 沖洗液的配制

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，配制沖洗液所用泥漿的主要材料為膨潤(rùn)土、纖維素、聚丙烯酰胺，腐植酸鉀、植物膠。配制程序?yàn)椋海?）泥漿配制前，首先加純堿浸泡粘土，進(jìn)行預(yù)水化處理；（2）對(duì)溶解度較差的纖維素事先按要求溶于水中；（3）按照地層要求配制基漿，按比例加入泥漿添加劑。

6 結(jié)論

（1）孕鑲金剛石齒輪鉆頭從胎體性能、唇面結(jié)構(gòu)上看，適用于在蒙庫(kù)鐵礦地區(qū)作為高效率長(zhǎng)壽命的繩索取芯的鉆頭。

（2）孕鑲金剛石齒輪鉆頭的齒輪型唇面結(jié)構(gòu)將碎巖時(shí)效提高1.01倍，該唇面結(jié)構(gòu)還具有很好的導(dǎo)向性，對(duì)于不穩(wěn)定地層鉆孔的防斜保直具有很好的作用，是一種值得在野外鉆探項(xiàng)目中推廣的唇面結(jié)構(gòu)。

（3）孕鑲金剛石齒輪鉆頭將使用壽命延長(zhǎng)1倍，可以減少更換鉆頭和反復(fù)提拉鉆桿的次數(shù)，極大地減小勞動(dòng)強(qiáng)度，在生產(chǎn)上降低鉆探成本，達(dá)到了預(yù)期的使用效果。