大口徑孕鑲復合體金剛石取芯鉆探技術及其應用

1 大口徑金剛石鉆探技術概述
　　1.1 金剛石取芯鉆探技術的發(fā)展
　　金剛石鉆探技術已有一百多年的歷史，是鉆探技術中很重要的一部分。1862年，瑞士工程師J.R.李舒特研制出了金剛石鉆頭并用之鉆出一些爆破孔，隨后金剛石鉆探技術被推廣開來，金剛石鉆探技術鉆進速度快及鉆孔質量高的特點令其成為大多數礦產種的主要勘探手段。
　　隨著其他高新技術的發(fā)展，金剛石鉆探技術的步伐也逐漸被帶動起來，在水電、鐵路及交通建設等工程項目的勘查中，要求金剛石鉆頭的直徑越來越大，因此，大口徑金剛石鉆頭的設計規(guī)范逐漸得到完善從而滿足工程需求，例如俄羅斯的薄壁取芯金剛石轉筒等在技術深化的同時帶來了良好的經濟效益。
　　1.2 國內大口徑金剛石鉆探技術現狀
　　金剛石鉆探技術于20世紀60年代出現在我國，并通過40年的深入探究達到了發(fā)達國家的水平，甚至有些技術點已成為世界先進水平。我國的金剛石鉆探發(fā)展經歷了三個時期：我國的金剛石鉆探技術從1957年到1970年間開始起步；從1971年到1980年的10年期間，金剛石鉆探技術在我國大力推廣；1980年至今，我國的金剛石鉆探技術已趕超世界水平。
　　在我國，第一次涉及到大口徑取芯鉆探技術是在建立在宜賓的水利水電工程中，而后葛洲壩、三峽、萬安等地的壩址都沿用了大口徑取芯鉆孔技術，且鉆孔深度超過50米。大口徑金剛石取芯鉆探同樣可以應用到大陸科學鉆探工程中，其鉆頭直徑最大可達到25厘米。而在1999年青島流清河水庫項目中，金剛石鉆頭直徑已超過60厘米。
　　2 大口徑孕鑲金剛石鉆頭研究
　　2.1 金剛石鉆頭胎體性能
　　胎體性能是大口進孕鑲金剛石鉆頭的一個基本參數，胎體硬度、耐磨性、巖層巖性、研磨性記者之間相協(xié)調才能保證鉆頭的使用。尤其在孕鑲鉆頭的鉆進過程中，胎體的磨損應在金剛石之前，否則會因金剛石不易出露兒時的鉆進效率得不到保障，甚至出現鉆進打滑的可能。但如果孕鑲鉆頭的磨損太快，會使得金剛石因出露太快而出現過早脫落或崩刃的情況，這樣會大大影響鉆頭的使用壽命。
　　孕鑲金剛石鉆頭技術性能的主要指標就是胎體的耐磨性，但由于胎體耐磨性難以測定，因此在實際操作中人們常常用胎體硬度情況代替耐磨性的測定。在實踐過程中不難發(fā)現，很多硬度相同的胎體并不具備相同的耐磨性，所以胎體硬度并不能完全將耐磨性囊括在內。技術人員在長期研究后發(fā)現胎體硬度與耐磨性之間存在一定的聯系，由此胎體耐磨性能更好地測定出來。運用不同的胎體配方能使胎體的耐磨性達到不同的鉆探需求，同樣，鉆頭的類型不同對胎體的性能要求也會改變，所鉆巖層的巖性不同決定了對孕鑲金剛石鉆頭的胎體性能的不同要求。
　　2.2 大口徑孕鑲金剛石復合體鉆頭設計
　　在孕鑲金剛石復合體的設計過程中，做到理念創(chuàng)新、思路創(chuàng)新以及突破性從而完成工作層復合、復合塊保徑復合以及聚晶金剛石與硬質合金復合三個層次的工作。工作層復合指的是在工作層設計磨料的復合，其中有人造金剛石磨料與硬質柱狀合金的復合，也有金剛石磨料中不同粒徑的金剛石復合；復合塊保徑復合是將不同保徑材料的人造聚晶與柱狀合金體的復合，另外還有保徑不同位置的復合；聚晶金剛石和硬質合金復合是一種金剛石復合片的燒結工藝，其一是實現金剛石與基體間的微晶無間隙結合，其二是人造細顆粒金剛石與金剛石之間的結合。
　　2.3 金剛石鉆頭破巖機理
　　巖石破碎機理非常復雜，因而國內外專家都對此做出了大量研究，并在一定程度上取得了相應的成果。不同的巖層所表現出的破碎形式是不一樣的，其破碎形式受到了礦物成分、膠結物質、膠結類型以及組成結構等方面的影響。脆性均質巖層一般會出現微壓裂壓碎或體積破碎，塑性巖層的破巖往往表現為微切削和微翠削，而隱晶玻璃質巖層會形成抓擦式或磨削式的表面破碎現象。
　　孕鑲金剛石鉆頭主要鉆探物質一般為巖體堅硬、密度極大且具有脆性的巖層，而且這些巖層普遍是由不同的組織結構、不同成分、不同礦物組成及不同特性構成的非均質巖層。各礦物組成間因強度和硬度上存在很大的差別而產生了薄弱面，因此孕鑲金剛石鉆頭在工作過程中其胎體金剛石在壓入巖層的薄弱部位時產生作用，其剪切應力使得巖石顆粒脫落從而實現了優(yōu)質高效的鉆進目的。
　　3 金剛石取芯鉆探技術的應用
　　以黃河某水利樞紐為例，根據其勘探情況概述金剛石取芯鉆探技術的應用。在黃河水利樞紐的勘探中，所運用的鉆頭為直徑615毫米的大口徑孕鑲金剛石復合體鉆頭，此鉆頭目前在國內是最大口徑的鉆頭。
　　施工中分別用大口徑孕鑲金剛石復合體鉆頭鉆進了直徑615毫米深60米的孔1，并用鋼粒鉆頭同時鉆進了同直徑切同深度的孔2?？?的完成時間為27天，其鉆進時間為143.5小時，取芯時間為185小時，平均每天鉆進2.26米，工程消耗280元。孔2的完成時間為51天，其鉆進時間為322.4小時，取芯時間為417小時，平均每天鉆進1.18米，工程消耗630元。
　　孕鑲金剛石復合體鉆頭節(jié)約了近40%的時間，平均每天鉆進深度提高了近一倍，而與鋼粒鉆頭相比其所需成本節(jié)約了一半。由此可見，大口徑孕鑲金剛石復合體鉆頭應該廣泛投入使用當中。
　　結束語
　　大口徑孕鑲金剛石復合體鉆頭的使用開創(chuàng)了金剛石取芯鉆探工程中的新大陸，實現了金剛石鉆頭的技術跨越及規(guī)格跨越。將大口徑孕鑲金剛石復合體鉆頭透雨水利水電工程地質勘探及沿途挖掘中有能有效提高工程進度，并降低工程成本，應該大力推廣。