金剛石鉆頭分類及使用

1.　緒論
　　金剛石鉆頭在現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，盡管在整體上是十分滿意的，但還是存在或多或少的疑惑。作者曾經在福建寧德核電廠、四川樂山毛灘電站、江蘇省宜興市油車水庫、西藏旁多電站等主要為帷幕灌漿的工地進行施工，現就了解的金剛石鉆頭種類及使用進行總結。

2.　金剛石的性能及來源
　　金剛石是自然界最堅硬物質，金剛石的主要化學成分是C（碳元素），四周為十分穩定共價鍵連接的碳元素，常溫下極其化學性質極其穩定，不溶于強酸、強堿，但是在高溫狀態下會變得活躍，甚至還可能成為石墨（基于這一特性，故使用金剛石鉆頭時，嚴禁干磨）。

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、金剛石復合體。具體各種鉆頭制作才倆具體區分如下：
　　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、 聚晶燒結鉆頭：采用磨料為金剛石聚晶體；
　　4、 復合片鉆頭：采用磨料為金剛石復合體。
　　盡管各類金剛石磨料的鉆頭都有其特定的適應范圍，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慣，大家把人造金剛石（單晶）鉆頭籠統地簡稱為金剛石鉆頭。

3.2 按鉆頭胎體中磨料的鑲嵌方式分類

　　通過不同的手段將金剛石磨料鑲嵌進胎體，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（以下簡稱為金剛石鉆頭）的胎體，是采用粉末冶金的方法，一次燒結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。此種鉆進對巖石硬度的適應范圍廣，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、金剛石鉆進的破巖機理
4.1 孕鑲金剛石鉆進的破巖機理
　　孕鑲金剛石鉆頭的破巖機理是碾壓磨削被侵入的巖石。在鉆機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，這就是碾壓過程，隨著鉆頭的旋轉，侵入到巖石中的金剛石將磨掉所接觸的巖石，這就是磨削過程。
4.2 表鑲金剛石鉆進的破巖機理
　　表鑲金剛石鉆頭與孕鑲金剛石鉆頭破巖機理的最大區別在于胎體上，孕鑲鉆頭有數千乃至數萬個金剛石單晶顆粒，并且刃具的數量和出刃高度的變化伴隨著整個工作層的消耗歷程，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，一般僅有數個，最多也就是數百個金剛石切削刃具，不存在出刃和刃具數量變化的問題，當鑲嵌在胎體表面的刃具喪失了切削功能以后，該鉆頭也就整體報廢了。
4.3胎體磨削過程的分析
　　金剛石的出刃過程是鉆頭使用工況下的一個自銳過程。工作對象，即巖石，不斷對金剛石的胎體材料產生磨蝕。巖石對胎體的磨蝕，使內部的金剛石不斷出露。產生新的金剛石切削面，當巖石對胎體某個局部磨蝕很大，導致金剛石出刃過高時，該用過的金剛石將從胎體上脫落下來，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，金剛石出刃好，可提高鉆孔效率，延長鉆頭進尺壽命。要金剛石出刃狀態良好，通常的要求是：在整個鉆頭工作唇面上，出刃高度值盡可能大；胎體材料對外露金剛石支撐堅固有力；金剛石兩側排水間隙大，切削面冷卻狀態良好。

5 金剛石鉆進的主要參數
　　基于對孕鑲金剛石鉆頭的破巖機理的認識，人們在使用上應注意某些關鍵參數。特別是由于鉆頭的使用工況千差萬別，必須選型適當，方可獲得令人滿意的使用效果。
5.1 胎體硬度的選擇
　　首先，胎體硬質反應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，必須根據巖石的硬度，選用合適的胎體硬度的鉆頭。
　　江蘇省宜興油車水庫主壩及副壩的巖層主要為微風化、為極軟巖，較完整，巖石硬度為五級，宜采用胎體硬度在38°--42°的孕鑲金剛石鉆頭，通常單個鉆頭的進尺保持在150-250米之間。
　　在西藏自治區旁多電站的施工之中，施工段分為兩個部分，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行鉆進，硬度在20°--25°最為合適，當出墻后即進入花崗巖，也可繼續采用20°--25°的孕鑲金剛石鉆頭進行鉆孔。
5.2 鉆進壓力和流量的的動態調整
　　對于鉆進來說，沒有一個恒定的鉆壓力和一個恒定的供水流量。
　　鉆進中的鉆壓力、鉆機轉速（也即鉆頭轉速）、沖洗流量是鉆進中的三個基本要素，要合理控制這三個基本參數，重要的是要動態的根據實時的鉆探情況進行三個參數的調整。調控的主要依據就是鉆進過程中的單位時間鉆進量。比較主管的就是一分鐘鉆進的進尺數。
　　

6 金剛石鉆進的注意事項
　　實際操作中要求機長（或鉆機操作者）具有熟練的操作技能、豐富的鉆孔經驗、對鉆機系統有一定的了解。在鉆進過程中，還要根據巖石情況、鉆機振動情況、孔口返水出碴的顆粒粗細等情況，隨時調整作業參數即：推力、旋轉轉速，沖洗水流量。
　　在分析了鉆頭壽命和鉆孔效率兩個因素以后，再來看看價格因素。必須經過對比試用后，將鉆頭壽命、鉆孔效率和鉆頭價格統一考慮，才是合理的辦法。

7 結語
　　水電市場灌漿前景廣闊，金剛石鉆頭的用量亦很大，旁多電站從2012年3月以來，只是金剛石鉆頭用量一項就有近1600萬，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，既能加快施工進度，又能節約成本，這對施工效益來說意義是很大的。