巖土工程硬質合金鉆進技術探討

范崇滿,底朝龍,郭林

摘要 本文就巖土工程的鉆頭壓力的選擇、鉆頭轉速的選擇及其沖洗液泵量及其性能的選擇進行了分析，并對P、n、Q參數間的合理配合和最優回次鉆程時間的確定進行了詳細的闡述。

關鍵詞 巖土工程；鉆頭；選擇；技術

中圖分類號P64 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）43-0078-02

1 鉆頭壓力的選擇

鉆壓是決定硬質合金鉆頭機械鉆速的最重要參數。在圖1中，a點繼續增加鉆壓，其鉆速將呈直線增長。

不同巖石鉆壓增大一倍時鉆速增長率是不同的。

硬質合金鉆進工藝應充分發揮切削具初刃的切入優勢。硬質合金鉆進開始時就應以允許的最大初始鉆壓鉆進。等切削具磨鈍后，再增大鉆壓也不可能獲得好的鉆效。

從兩個方面分析增加鉆壓的意義：

巖石方面：鉆壓是產生體積破碎的決定性因素，尤其在中硬巖層中增加鉆壓對提高鉆速更為有效；

在切削具方面：初始鉆壓應取合理的最大值，以充分發揮切削具初刃的優勢。隨著切削具被磨鈍，應逐漸補充鉆壓。

但在鉆進過程中頻繁調整鉆壓可能導致巖心堵塞及鉆孔彎曲。同時，由于孔內鉆柱的振動等原因，鉆頭上的實際瞬時鉆壓值與地表的測量值有較大差距。

實際生產中首先選擇每顆切削具上的壓力值p，然后根據鉆速的變化情況適時調整。巖石越硬、研磨性越強，p值取上限；粘性軟巖取小值；裂隙地層也應取小值。鉆頭上的總壓力為 P總=p×m。

YG8硬質合金切削具的單位壓力推薦值

2 鉆頭轉速的選擇(必須考慮巖性和時間因素的影響)

由于鉆頭直徑不一，切削具的運動以線速度更為科學，

（m/s）

鉆軟巖轉速的效果最顯；而另兩類巖石由于破巖時間效應影響顯著，故鉆速隨轉速而增大的趨勢下降。

時間效應：巖石在切削具作用下，從發生彈性變形-形成剪切體-跳躍式吃入一定深度，需要一短暫時間。切削具要在巖面停留短暫時間Δt，使裂隙發育至自由面形成剪切體。

如果轉速超過臨界值（n＞n0） 切削具作用于巖面時間＜Δt，裂隙尚未發育載荷便移走了，造成表面破碎。

3 沖洗液泵量及其性能的選擇

沖洗液的排粉、冷卻、潤滑和護壁諸功能中，以排粉所需的泵量最大，故以此為依據來選擇泵量。

液流的阻力與流速平方成正比，如泵量過大引起的孔底脈動舉離力將抵消一部分鉆壓；造成在巖心管內、外環間隙中流速過高，可能沖毀巖心或孔壁。

合理的泵量值應在滿足排粉前提下兼顧其他工藝因素。

孔內巖屑顆粒的上返速度主要取決于液流的上返流速、沖洗液的性能、巖屑顆粒尺寸及其密度。

清水沖洗時，液流上升速度取0.25m/s~0.6m/s；

泥漿沖洗液時，液流上升速度取0.20m/s~0.5m/s。

為提高鉆速，在可能的條件下應盡量選用清水作沖洗液；若用泥漿其粘度和密度值宜小不宜大，并盡量用低固相不分散泥漿。

4 P、n、Q參數間的合理配合

在實際鉆進中P、n、Q都不是單獨起作用，存在交互影響。

軟巖研磨性小易切入，應重視及時排粉延長鉆頭壽命，應取高轉速、低鉆壓、大泵量的參數配合；

研磨性較強的中硬及部分硬巖，為防止切削具早期磨鈍保持較高鉆速，應取大鉆壓、較低轉速、中等泵量；

中等研磨性中軟巖，應取兩者參數配合的中間狀態。

定性分析的原則是：鉆進Ⅳ~Ⅴ級及以下巖層，以較高轉速為主；鉆進Ⅴ~Ⅵ級 及以上巖層，應以較大的鉆壓為主。

5 最優回次鉆程時間的確定

5.1 思路原理

磨銳式鉆頭的瞬時鉆速隨切削具磨鈍而遞減。確定最佳回次鉆程時間的標準是回次鉆速達最大值。

鉆頭在t時間內的累計進尺H為：

代入到回次平均鉆速計算公式中，可以得到：

令，可求出最優回次鉆程時間：，代入上式得最優回次鉆速為：

據瞬時鉆速vm與進尺H的關系（），代入t0，可求出此時的瞬時鉆速為：

在t0時刻，瞬時鉆速與回次鉆速正好相等。這便為在現場用繪圖法確定最佳鉆程時間t0提供了理論依據。

5.2 作圖法確定最優回次鉆程時間

利用瞬時鉆速vm-t 和 vR-t 兩曲線的交點來確定t0 。在鉆進中，隨時計算vm=△H/△t ，vR=H/（t+T）。當兩者相等時，此時間即為最優鉆程時間t0 。

用回次進尺曲線的切點來確定t0 。起下鉆時間為T，令OA=T。當斜率直線AB與H-t相切時，tgθ為最大值，即vR為最大值。切點對應的時間為t0 。

5.3 自動確定最佳鉆程時間的方法

在有鉆參儀的情況下，鉆進過程中定期檢測進尺量，每7s由微機計算一次瞬時鉆速和回次鉆速，按不等式 vR /vm＜Cm（Cm取值1.1~1.2） 判斷是否需要終止回次鉆程。

為了防止偶然因素造成的假象，還需繼續觀察5min。這時微機系統給一個鉆壓增量ΔP，觀察瞬時鉆速vm 是否繼續增大而重新滿足不等式，同時每秒測算一次Cm 值，如果不滿足不等式的次數達60%，則發出“起 鉆”的命令。應用該方法曾使回次鉆速提高了10%~20%。

6 結論

總之，鉆探作為找礦勘探的重要手段，正面臨著更加復雜的地區施工和鉆孔深度增加的挑戰，這就意味著應用新的鉆進方法和設備，加大地質鉆探技術的研究勢在必行。

參考文獻

[1]耿瑞倫.中國現代地質鉆探技術[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，1996(4).

[2]章兼植.對我國地質鉆探技術發展的思考[J].中國地質，1991(12).

注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”