金剛石鉆頭分類及使用

1.　緒論
　　金剛石鉆頭在現(xiàn)代水電施工中使用廣泛。大壩防滲墻的加固，墻體入巖后的基巖灌漿、非灌漿段覆蓋層的打孔等水電施工中經(jīng)常遇到的打孔都需要金剛石鉆頭鉆孔。在使用金剛石鉆頭時(shí)，盡管在整體上是十分滿意的，但還是存在或多或少的疑惑。作者曾經(jīng)在福建寧德核電廠、四川樂(lè)山毛灘電站、江蘇省宜興市油車水庫(kù)、西藏旁多電站等主要為帷幕灌漿的工地進(jìn)行施工，現(xiàn)就了解的金剛石鉆頭種類及使用進(jìn)行總結(jié)。

2.　金剛石的性能及來(lái)源
　　金剛石是自然界最堅(jiān)硬物質(zhì)，金剛石的主要化學(xué)成分是C（碳元素），四周為十分穩(wěn)定共價(jià)鍵連接的碳元素，常溫下極其化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，不溶于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，但是在高溫狀態(tài)下會(huì)變得活躍，甚至還可能成為石墨（基于這一特性，故使用金剛石鉆頭時(shí)，嚴(yán)禁干磨）。

3.　金剛石鉆頭的種類
3.1 按照鉆頭胎體的磨料材質(zhì)分類
　　金剛石鉆頭胎體中可以采用的磨料，一般是一下材料中的一種，即人造金剛石單晶、天然金剛石單晶、人造金剛石聚晶體、金剛石復(fù)合體。具體各種鉆頭制作才倆具體區(qū)分如下：
　　1、 人造金剛石鉆頭：采用磨料為人造金剛石單晶；
　　2、 天然金剛石鉆頭：采用磨料為天然金剛石單晶；
　　3、 聚晶燒結(jié)鉆頭：采用磨料為金剛石聚晶體；
　　4、 復(fù)合片鉆頭：采用磨料為金剛石復(fù)合體。
　　盡管各類金剛石磨料的鉆頭都有其特定的適應(yīng)范圍，但是，在我公司中采用最為廣泛的是人造金剛石（單晶）鉆頭。由于使用者的稱謂習(xí)慣，大家把人造金剛石（單晶）鉆頭籠統(tǒng)地簡(jiǎn)稱為金剛石鉆頭。

3.2 按鉆頭胎體中磨料的鑲嵌方式分類

　　通過(guò)不同的手段將金剛石磨料鑲嵌進(jìn)胎體，從而制造出不同類型的金剛石鉆頭，按這種方法分類，一般分為兩種類型。

3.2.1 孕鑲金剛石鉆頭
　　孕鑲金剛石鉆頭（以下簡(jiǎn)稱為金剛石鉆頭）的胎體，是采用粉末冶金的方法，一次燒結(jié)成型并粘固在鉆頭鋼體上的。
3.2.2 表鑲金剛石鉆頭
　　表鑲金剛石鉆頭的切削刃具部分也是金剛石單晶體、金剛石聚晶體或是金剛石復(fù)合體。
3.2.3 牙輪鉆頭
　　牙輪鉆頭就是鉆頭中鑲嵌牙輪的鉆頭，利用牙輪的相互碾壓粉粹位于中間的巖心。此種鉆進(jìn)對(duì)巖石硬度的適應(yīng)范圍廣，特別是適合軟至中硬的巖石，但是要求地層完整，覆蓋層施工不宜采用。

4、金剛石鉆進(jìn)的破巖機(jī)理
4.1 孕鑲金剛石鉆進(jìn)的破巖機(jī)理
　　孕鑲金剛石鉆頭的破巖機(jī)理是碾壓磨削被侵入的巖石。在鉆機(jī)和鉆桿提供的軸向壓力作用下，孕鑲于鉆頭胎體中的金剛石將侵入巖石，這就是碾壓過(guò)程，隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，侵入到巖石中的金剛石將磨掉所接觸的巖石，這就是磨削過(guò)程。
4.2 表鑲金剛石鉆進(jìn)的破巖機(jī)理
　　表鑲金剛石鉆頭與孕鑲金剛石鉆頭破巖機(jī)理的最大區(qū)別在于胎體上，孕鑲鉆頭有數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)個(gè)金剛石單晶顆粒，并且刃具的數(shù)量和出刃高度的變化伴隨著整個(gè)工作層的消耗歷程，即舊的金剛石不斷脫落，新的金剛石不斷地暴露于工作面，而在單件表鑲金剛石鉆頭胎體上，一般僅有數(shù)個(gè)，最多也就是數(shù)百個(gè)金剛石切削刃具，不存在出刃和刃具數(shù)量變化的問(wèn)題，當(dāng)鑲嵌在胎體表面的刃具喪失了切削功能以后，該鉆頭也就整體報(bào)廢了。
4.3胎體磨削過(guò)程的分析
　　金剛石的出刃過(guò)程是鉆頭使用工況下的一個(gè)自銳過(guò)程。工作對(duì)象，即巖石，不斷對(duì)金剛石的胎體材料產(chǎn)生磨蝕。巖石對(duì)胎體的磨蝕，使內(nèi)部的金剛石不斷出露。產(chǎn)生新的金剛石切削面，當(dāng)巖石對(duì)胎體某個(gè)局部磨蝕很大，導(dǎo)致金剛石出刃過(guò)高時(shí)，該用過(guò)的金剛石將從胎體上脫落下來(lái)，隨著巖石粉末和冷卻水排出孔外。
　　金剛石出刃狀況與鉆頭的使用效果密切相關(guān)，金剛石出刃好，可提高鉆孔效率，延長(zhǎng)鉆頭進(jìn)尺壽命。要金剛石出刃狀態(tài)良好，通常的要求是：在整個(gè)鉆頭工作唇面上，出刃高度值盡可能大；胎體材料對(duì)外露金剛石支撐堅(jiān)固有力；金剛石兩側(cè)排水間隙大，切削面冷卻狀態(tài)良好。

5 金剛石鉆進(jìn)的主要參數(shù)
　　基于對(duì)孕鑲金剛石鉆頭的破巖機(jī)理的認(rèn)識(shí)，人們?cè)谑褂蒙蠎?yīng)注意某些關(guān)鍵參數(shù)。特別是由于鉆頭的使用工況千差萬(wàn)別，必須選型適當(dāng)，方可獲得令人滿意的使用效果。
5.1 胎體硬度的選擇
　　首先，胎體硬質(zhì)反應(yīng)了把持金剛石的能力，硬度越高，胎體越難以變形，金剛石越不容易脫落。其次，胎體硬度反應(yīng)了它抵抗巖石磨蝕的能力。硬度越高，胎體越不容易被腐蝕，金剛石出刃與脫落就大為減緩；用戶在鉆頭選型時(shí)，必須根據(jù)巖石的硬度，選用合適的胎體硬度的鉆頭。
　　江蘇省宜興油車水庫(kù)主壩及副壩的巖層主要為微風(fēng)化、為極軟巖，較完整，巖石硬度為五級(jí)，宜采用胎體硬度在38°--42°的孕鑲金剛石鉆頭，通常單個(gè)鉆頭的進(jìn)尺保持在150-250米之間。
　　在西藏自治區(qū)旁多電站的施工之中，施工段分為兩個(gè)部分，即防滲墻段墻體及墻下入巖灌漿，和非防滲墻段的覆蓋層和基巖入巖灌漿。施工中，防滲墻采用的是塑性混凝土，較硬，宜采用胎體硬度較低的孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，硬度在20°--25°最為合適，當(dāng)出墻后即進(jìn)入花崗巖，也可繼續(xù)采用20°--25°的孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行鉆孔。
5.2 鉆進(jìn)壓力和流量的的動(dòng)態(tài)調(diào)整
　　對(duì)于鉆進(jìn)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有一個(gè)恒定的鉆壓力和一個(gè)恒定的供水流量。
　　鉆進(jìn)中的鉆壓力、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速（也即鉆頭轉(zhuǎn)速）、沖洗流量是鉆進(jìn)中的三個(gè)基本要素，要合理控制這三個(gè)基本參數(shù)，重要的是要?jiǎng)討B(tài)的根據(jù)實(shí)時(shí)的鉆探情況進(jìn)行三個(gè)參數(shù)的調(diào)整。調(diào)控的主要依據(jù)就是鉆進(jìn)過(guò)程中的單位時(shí)間鉆進(jìn)量。比較主管的就是一分鐘鉆進(jìn)的進(jìn)尺數(shù)。
　　

6 金剛石鉆進(jìn)的注意事項(xiàng)
　　實(shí)際操作中要求機(jī)長(zhǎng)（或鉆機(jī)操作者）具有熟練的操作技能、豐富的鉆孔經(jīng)驗(yàn)、對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)有一定的了解。在鉆進(jìn)過(guò)程中，還要根據(jù)巖石情況、鉆機(jī)振動(dòng)情況、孔口返水出碴的顆粒粗細(xì)等情況，隨時(shí)調(diào)整作業(yè)參數(shù)即：推力、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，沖洗水流量。
　　在分析了鉆頭壽命和鉆孔效率兩個(gè)因素以后，再來(lái)看看價(jià)格因素。必須經(jīng)過(guò)對(duì)比試用后，將鉆頭壽命、鉆孔效率和鉆頭價(jià)格統(tǒng)一考慮，才是合理的辦法。

7 結(jié)語(yǔ)
　　水電市場(chǎng)灌漿前景廣闊，金剛石鉆頭的用量亦很大，旁多電站從2012年3月以來(lái)，只是金剛石鉆頭用量一項(xiàng)就有近1600萬(wàn)，如此大的用量，就要求物資人員能夠合理的選擇出最為合適的鉆頭，既能加快施工進(jìn)度，又能節(jié)約成本，這對(duì)施工效益來(lái)說(shuō)意義是很大的。