高海拔礦區(qū)金剛石鉆頭及新工藝方法與應(yīng)用效果

1.1礦區(qū)概述
　　云南香格里拉普朗銅礦、紅山多金屬銅礦位于阿爾卑斯-喜馬拉雅褶皺帶的雅魯藏布江擠壓褶皺帶南延段，岡底斯―念青唐古拉褶皺系，伯舒拉嶺―高黎貢山褶皺帶。處于印度板塊與青藏板塊強(qiáng)烈擠壓、碰撞，斷裂、褶皺構(gòu)造發(fā)育，具高地應(yīng)力集中，巖漿侵入活動(dòng)頻繁，變質(zhì)作用強(qiáng)烈的云南“山”字型構(gòu)造體系西反射弧頂端，與青藏、滇緬、印尼“歹”字巨型構(gòu)造體系交接復(fù)合的部位。礦區(qū)位于滇西北著名的橫斷山脈東北部，屬高山峽谷區(qū)，為青藏雪域高原南緣部分，地勢(shì)總體較高，海拔3600―4500米；相對(duì)高差達(dá)300―1300米；屬高山中切割地區(qū)。地形總體西傾，東高西低，局部地段險(xiǎn)峻，形成懸崖陡壁，地質(zhì)隊(duì)鉆探施工的區(qū)域均在海拔4100米左右。
　　1.2施工特點(diǎn)
　　該礦區(qū)海拔4100米左右，高寒地區(qū)由于海拔高度偏高，天氣寒冷，氣壓低，空氣稀薄，含氧量少，動(dòng)力設(shè)施的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量不足而燃燒條件變差，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，煙色變差，燃油耗增加等，形成對(duì)鉆機(jī)實(shí)際有效功率的下降，鉆機(jī)操作人員體力消耗大，勞動(dòng)效率也下降，鉆進(jìn)效率降低，生產(chǎn)周期增加，生產(chǎn)成本也增加。
　　該區(qū)鉆探施工的技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)是：克服堅(jiān)硬打滑巖層帶來的小時(shí)效率低下和提高生鉆探施工生產(chǎn)效率。因此地質(zhì)隊(duì)在這些礦區(qū)的鉆探施工中一是采用了以金剛石繩索取芯鉆進(jìn)為主的金剛石體系鉆進(jìn)，配以低固相或無固相泥漿進(jìn)行孔壁維護(hù)及潤滑，并適當(dāng)采用一定量的技術(shù)套管作破碎層的技術(shù)隔離，以確保專用金剛石鉆頭發(fā)揮其最大效能。二是采用了定切入量鉆進(jìn)方法以提高堅(jiān)硬打滑巖層的鉆進(jìn)小時(shí)效率。
　　2專用金剛石鉆頭的研制與應(yīng)用
　　2.1專用金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)思路
　　傳統(tǒng)金剛石鉆頭的鉆進(jìn)主要還是以壓入后磨削破碎為主，體積破碎為輔。因此專用金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是如何在設(shè)備能力下降的條件下，提高體積破碎的幾率，從而提高機(jī)械鉆進(jìn)速度；此外考慮到采用繩索取芯鉆進(jìn)，為了保證其鉆進(jìn)輔助時(shí)間少的優(yōu)勢(shì)，必須保證一定的鉆頭壽命，否則僅提高機(jī)械鉆進(jìn)速度，臺(tái)月效率也無法保證。因此，與傳統(tǒng)鉆頭相比我們采取了如下措施：金剛石的總量保持不變，以保證鉆頭的壽命；采用大顆粒金剛石和高包鑲把持力的胎體，以提高金剛石出刃高度和容屑空間；采用永久性多凹槽唇面結(jié)構(gòu)，以保證適當(dāng)減少鉆頭的孔底接觸面積，提高局部的壓入力和提供利于產(chǎn)生體積破碎的巖石應(yīng)力釋放自由面；加強(qiáng)鉆頭的內(nèi)外保徑能力，減少鉆進(jìn)中擴(kuò)孔器的擴(kuò)徑厚度和消耗的能量，利于集中鉆機(jī)的能量到鉆頭唇面上。
　　2.2鉆頭樣品制作與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
　　根據(jù)上述思路，采用正交法和優(yōu)選法設(shè)計(jì)和制作了幾種型號(hào)的鉆頭樣品，在模擬鉆頭總壓力比傳統(tǒng)鉆頭壓力少15%的條件下鉆進(jìn)，并與傳統(tǒng)鉆頭在正常工藝下鉆進(jìn)對(duì)比，在其余條件相同的情況下，選取一種機(jī)械鉆進(jìn)速度和磨損速度均與傳統(tǒng)鉆頭接近的型號(hào)作為批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。
　　2.3金剛石鉆頭實(shí)際使用效果
　　近幾年，我們一直使用多種規(guī)格的專用鉆頭，均取得了比較滿意的效果。具體效果見下表一。
　　從表中可見，使用專用金剛石鉆頭鉆進(jìn)施工，得到了平均48.2%的純鉆率，巖芯采取率高達(dá)98.7%，優(yōu)質(zhì)孔率也達(dá)到了82.4%。
　　3優(yōu)化鉆進(jìn)-定切入量鉆進(jìn)方法的應(yīng)用
　　“優(yōu)化鉆進(jìn)”即采用合理的參數(shù)達(dá)到理想鉆進(jìn)效果的方法，這種鉆進(jìn)方法可通過多方途徑到達(dá)，但最優(yōu)化的鉆進(jìn)效果應(yīng)根據(jù)施工區(qū)域?qū)嶋H的地質(zhì)情況合理選擇鉆頭參數(shù)及操作方法來達(dá)到。速控鉆進(jìn)、定切入量鉆進(jìn)等是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化鉆進(jìn)的具體表現(xiàn)。
　　3.1定切入量鉆進(jìn)的可行性分析
　　根據(jù)施工巖層狀況以及地質(zhì)隊(duì)常規(guī)鉆進(jìn)采用的鉆頭形式，鉆桿強(qiáng)度等情況分析認(rèn)為：礦區(qū)主要地層均屬火山巖類巖層，巖石結(jié)構(gòu)致密，部分巖層硅化程度極強(qiáng)，給提高鉆進(jìn)速度帶來極大困難，采用常規(guī)鉆頭鉆進(jìn)受鉆桿強(qiáng)度制約及鉆頭唇面積大的影響，一般壓力鉆進(jìn)達(dá)不到對(duì)巖石產(chǎn)生體積破碎的目的。較大的壓力鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)阻力過大，鉆桿易斷，因此給采用控速鉆進(jìn)提高鉆進(jìn)速度帶來了安全隱患。但從定切入量鉆進(jìn)靠增加比壓值達(dá)到鉆進(jìn)目的的操作原理可知。
　　比?褐倒叵凳轎?：P=Q/F （千克/厘米2）
　　式中：P-比壓值（千克/厘米2）
　　Q-軸心壓力（千克）
　　F-鉆頭底唇面積（厘米2）
　　由于比壓值關(guān)系式看出：鉆進(jìn)比壓值是由軸心壓力Q和鉆頭底唇面積F兩個(gè)可變量確定的，當(dāng)鉆進(jìn)施加壓力Q不變時(shí)，比壓值P可隨鉆頭唇面積減小，同樣可以達(dá)到增加鉆頭對(duì)巖石的比壓值目的，根據(jù)這一原理，技術(shù)員在采用常規(guī)鉆頭鉆進(jìn)（以下簡(jiǎn)稱常規(guī)鉆進(jìn)）堅(jiān)硬巖層獲得小時(shí)效率較低的情況下，選用了經(jīng)過改進(jìn)的特殊鉆頭進(jìn)行定切入量方法鉆進(jìn)（以下簡(jiǎn)稱特定鉆進(jìn)）堅(jiān)硬巖層的生產(chǎn)實(shí)踐，從獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來看基本上達(dá)到了提高小時(shí)效率目的，這種特殊鉆頭與常規(guī)鉆頭相比有如下優(yōu)點(diǎn)，即：特殊鉆頭與巖石的接觸面積較常規(guī)鉆頭減少34%，也就是說在鉆進(jìn)壓力不變的條件下，比壓值在常規(guī)鉆頭比壓值的基礎(chǔ)上了提高51%，這樣就給采用定切入量鉆進(jìn)工作提供了可靠的必要條件。
　　3.2生產(chǎn)實(shí)踐
　　定切入量鉆進(jìn)試驗(yàn)在該礦區(qū)的鉆孔施工中，鉆進(jìn)巖石為黑云母花崗巖，由于巖石硅化強(qiáng)力，鉆頭打滑現(xiàn)象較為嚴(yán)重，采用“常規(guī)鉆進(jìn)”方法轉(zhuǎn)速達(dá)不到要求，造成鉆進(jìn)小時(shí)效率比較低，因此選擇了“特定鉆進(jìn)”方法（定切入量鉆進(jìn)）進(jìn)行施工試驗(yàn)，現(xiàn)將試驗(yàn)情況介紹如下： 　　3.3試驗(yàn)前提
　　在鉆孔的施工中采用“常規(guī)鉆進(jìn)”方法鉆進(jìn)黑云母花崗巖（巖石可鉆性8-10級(jí)，石英含量約40-50%，研磨性較弱）小時(shí)效極低，伴隨有“打滑”現(xiàn)象時(shí)有出現(xiàn)，使鉆孔的施工工作無法正常實(shí)施，后來我們改用“特定鉆進(jìn)”方法，經(jīng)過精心操作順利穿過了這一類堅(jiān)硬的打滑巖石。
　　3.4取得效果
　　試驗(yàn)采用“特定鉆進(jìn)”方法施工，原計(jì)劃臺(tái)月效率達(dá)到250m，小時(shí)效率達(dá)0.50米/小?r，鉆頭壽命達(dá)15米/每個(gè)以上。經(jīng)投入70個(gè)鉆頭的使用情況來看：累計(jì)144.6天（4.82臺(tái)月數(shù)）的時(shí)間共進(jìn)尺1809.60米、獲得臺(tái)月效率375.43米、小時(shí)效率0.92米/時(shí)、鉆頭壽命達(dá)到25.85米/個(gè)，比原計(jì)劃臺(tái)月效率提高125.24米，小時(shí)效率提高0.42米/時(shí)，鉆頭壽命提高10.85米/個(gè)。同類型巖層采用常規(guī)鉆進(jìn)方法，經(jīng)統(tǒng)計(jì)投入鉆頭50個(gè)，377.25天（12.575臺(tái)月數(shù)）的時(shí)間共進(jìn)尺1509.00米，獲得臺(tái)月效率120米，小時(shí)效率0.33米/時(shí)，鉆頭壽命30.18米/個(gè)?！疤囟ㄣ@進(jìn)”與“常規(guī)鉆進(jìn)”效果比較見表2：
　　3.5試驗(yàn)過程
　　鉆進(jìn)選用轉(zhuǎn)速為“常規(guī)鉆進(jìn)”轉(zhuǎn)速（181轉(zhuǎn)/分鐘），根據(jù)巖石選擇的每轉(zhuǎn)切入量是50 微米，鉆進(jìn)壓力開始采用800千克，比壓值為40.8千克/平方厘米，小時(shí)效率達(dá)0.4米/時(shí)左右，每轉(zhuǎn)的切入量?jī)H為37微米；將鉆進(jìn)壓力改為1000-1200千克時(shí)，比壓值為56-67千克/平方厘米，小時(shí)效率達(dá)0.60米/時(shí)，此時(shí)每轉(zhuǎn)的切入量?jī)H為55微米；而當(dāng)鉆進(jìn)壓力增加到1500千克時(shí)，比壓值達(dá)到76.5千克/平方厘米，此時(shí)小時(shí)效率為1.10米/ 時(shí)，每轉(zhuǎn)切入量是84微米，但此時(shí)鉆頭已變形，由于大壓力鉆進(jìn)時(shí)間短，鉆桿未受損壞。
　　從鉆進(jìn)操作過程來看，通過調(diào)整鉆壓可獲得不同的鉆進(jìn)效果，當(dāng)鉆壓過小時(shí)鉆頭磨料處于持續(xù)鈍化過程，產(chǎn)生的鉆進(jìn)效果不佳；當(dāng)使用過大的鉆進(jìn)壓力時(shí)雖能使鉆頭產(chǎn)生鈍化―銳化―再鈍化―再銳化的交變過程，獲得好的鉆進(jìn)效果，但在極為復(fù)雜的巖層中鉆進(jìn)，受鉆桿以及特殊鉆頭強(qiáng)度限制未能采用，因此，我們選定的鉆進(jìn)壓力是1000～1200千克，該壓力值與“常規(guī)鉆進(jìn)”壓力值基本一致，所獲得的效果基本上達(dá)到了預(yù)期目的。
　　結(jié)論
　?。?）研制的高海拔礦區(qū)專用金剛石鉆頭設(shè)計(jì)思路正確，采用的措施得當(dāng)。
　　（2）高海拔礦區(qū)專用金剛石鉆頭和新工藝方法結(jié)合使用，取得了比較滿意的綜合效果。
　?。?）為進(jìn)一步發(fā)揮“定切入量鉆進(jìn)”方法的優(yōu)越性，必須尋求較佳的鉆頭參數(shù)，提高鉆頭耐壓強(qiáng)度和壽命，以降低鉆探費(fèi)用。