金刚石钻头分类及使用
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摘 要：金刚石钻头在大坝施工、除险加固等工程施工中被广泛使用，不同施工环境需使用不同硬度的金刚石钻头。本文作者根据施工过的不同地质条件对钻头的使用进行总结，希望对以后相同或相似施工有所帮助。
1 绪论
金刚石钻头在现代水电施工中使用广泛。大坝防渗墙的加固，墙体入岩后的基岩灌浆、非灌浆段覆盖层的打孔等水电施工中经常遇到的打孔都需要金刚石钻头钻孔。在使用金刚石钻头时，尽管在整体上是十分满意的，但还是存在或多或少的疑惑。作者曾经在福建宁德核电厂、四川乐山毛滩电站、江苏省宜兴市油车水库、旁多电站等主要为帷幕灌浆的工地进行施工，现就了解的金刚石钻头种类及使用进行总结。
2 金刚石的性能及来源
金刚石是自然界最坚硬物质，金刚石的主要化学成分是C（碳元素），四周为十分稳定共价键连接的碳元素，常温下极其化学性质极其稳定，不溶于强酸、强碱，但是在高温状态下会变得活跃，甚至还可能成为石墨（基于这一特性，故使用金刚石钻头时，严禁干磨）。
3 金刚石钻头的种类
3.1 按照钻头胎体的磨料材质分类
金刚石钻头胎体中可以采用的磨料，一般是一下材料中的一种，即人造金刚石单晶、天然金刚石单晶、人造金刚石聚晶体、金刚石复合体。具体各种钻头制作才俩具体区分如下：
1、 人造金刚石钻头：采用磨料为人造金刚石单晶；
2、 天然金刚石钻头：采用磨料为天然金刚石单晶；
3、 聚晶烧结钻头：采用磨料为金刚石聚晶体；
4、 复合片钻头：采用磨料为金刚石复合体。
尽管各类金刚石磨料的钻头都有其特定的适应范围，但是，在我公司中采用最为广泛的是人造金刚石（单晶）钻头。由于使用者的称谓习惯，大家把人造金刚石（单晶）钻头笼统地简称为金刚石钻头。
3.2 按钻头胎体中磨料的镶嵌方式分类
通过不同的手段将金刚石磨料镶嵌进胎体，从而制造出不同类型的金刚石钻头，按这种方法分类，一般分为两种类型。
3.2.1 孕镶金刚石钻头
孕镶金刚石钻头（以下简称为金刚石钻头）的胎体，是采用粉末冶金的方法，一次烧结成型并粘固在钻头钢体上的。
3.2.2 表镶金刚石钻头
表镶金刚石钻头的切削刃具部分也是金刚石单晶体、金刚石聚晶体或是金刚石复合体。
3.2.3 牙轮钻头
牙轮钻头就是钻头中镶嵌牙轮的钻头，利用牙轮的相互碾压粉粹位于中间的岩心。此种钻进对岩石硬度的适应范围广，特别是适合软至中硬的岩石，但是要求地层完整，覆盖层施工不宜采用。
4、金刚石钻进的破岩机理
4.1 孕镶金刚石钻进的破岩机理
孕镶金刚石钻头的破岩机理是碾压磨削被侵入的岩石。在钻机和钻杆提供的轴向压力作用下，孕镶于钻头胎体中的金刚石将侵入岩石，这就是碾压过程，随着钻头的旋转，侵入到岩石中的金刚石将磨掉所接触的岩石，这就是磨削过程。
4.2 表镶金刚石钻进的破岩机理
表镶金刚石钻头与孕镶金刚石钻头破岩机理的最大区别在于胎体上，孕镶钻头有数千乃至数万个金刚石单晶颗粒，并且刃具的数量和出刃高度的变化伴随着整个工作层的消耗历程，即旧的金刚石不断脱落，新的金刚石不断地暴露于工作面，而在单件表镶金刚石钻头胎体上，一般仅有数个，最多也就是数百个金刚石切削刃具，不存在出刃和刃具数量变化的问题，当镶嵌在胎体表面的刃具丧失了切削功能以后，该钻头也就整体报废了。
4.3胎体磨削过程的分析
金刚石的出刃过程是钻头使用工况下的一个自锐过程。工作对象，即岩石，不断对金刚石的胎体材料产生磨蚀。岩石对胎体的磨蚀，使内部的金刚石不断出露。产生新的金刚石切削面，当岩石对胎体某个局部磨蚀很大，导致金刚石出刃过高时，该用过的金刚石将从胎体上脱落下来，随着岩石粉末和冷却水排出孔外。
金刚石出刃状况与钻头的使用效果密切相关，金刚石出刃好，可提高钻孔效率，延长钻头进尺寿命。要金刚石出刃状态良好，通常的要求是：在整个钻头工作唇面上，出刃高度值尽可能大；胎体材料对外露金刚石支撑坚固有力；金刚石两侧排水间隙大，切削面冷却状态良好。
5 金刚石钻进的主要参数
基于对孕镶金刚石钻头的破岩机理的认识，人们在使用上应注意某些关键参数。特别是由于钻头的使用工况千差万别，必须选型适当，方可获得令人满意的使用效果。
5.1 胎体硬度的选择
首先，胎体硬质反应了把持金刚石的能力，硬度越高，胎体越难以变形，金刚石越不容易脱落。其次，胎体硬度反应了它抵抗岩石磨蚀的能力。硬度越高，胎体越不容易被腐蚀，金刚石出刃与脱落就大为减缓；用户在钻头选型时，必须根据岩石的硬度，选用合适的胎体硬度的钻头。
江苏省宜兴油车水库主坝及副坝的岩层主要为微风化、为极软岩，较完整，岩石硬度为五级，宜采用胎体硬度在38°--42°的孕镶金刚石钻头，通常单个钻头的进尺保持在150-250米之间。
在自治区旁多电站的施工之中，施工段分为两个部分，即防渗墙段墙体及墙下入岩灌浆，和非防渗墙段的覆盖层和基岩入岩灌浆。施工中，防渗墙采用的是塑性混凝土，较硬，宜采用胎体硬度较低的孕镶金刚石钻头进行钻进，硬度在20°--25°最为合适，当出墙后即进入花岗岩，也可继续采用20°--25°的孕镶金刚石钻头进行钻孔。
5.2 钻进压力和流量的的动态调整
对于钻进来说，没有一个恒定的钻压力和一个恒定的供水流量。
钻进中的钻压力、钻机转速（也即钻头转速）、冲洗流量是钻进中的三个基本要素，要合理控制这三个基本参数，重要的是要动态的根据实时的钻探情况进行三个参数的调整。调控的主要依据就是钻进过程中的单位时间钻进量。比较主管的就是一分钟钻进的进尺数。
笔者曾在油车水库（图5）施工中选取了典型的施工段进行了测量，测量工具是手表，选取了钻进效率较高的一个机组中的两台同在镶管的钻机进行对比，从将机组换钻头开钻开始计时，钻进对象是宜兴左岸副坝覆盖层，此地层主要为黄泥，土中基本没有碎石，覆盖层深度为22.4米，两台钻机均从早晨7点钟开始钻孔，钻机中间不休息，到下午16点40分第一台钻机达到预定深度止，17点30分第二台钻机也达到预定深度，用时分别为9小时40分钟和10小时30分钟。两台钻机均为一个机长在负责指挥施工，地层也基本相同，然而时间确相差了50分钟。
6 金刚石钻进的注意事项
实际操作中要求机长（或钻机操作者）具有熟练的操作技能、丰富的钻孔经验、对钻机系统有一定的了解。在钻进过程中，还要根据岩石情况、钻机振动情况、孔口返水出碴的颗粒粗细等情况，随时调整作业参数即：推力、旋转转速，冲洗水流量。
在分析了钻头寿命和钻孔效率两个因素以后，再来看看价格因素。必须经过对比试用后，将钻头寿命、钻孔效率和钻头价格统一考虑，才是合理的办法。一句话，不一定价格高的就不值，也不一定价格低的就不好，物有所值才是科学的。
7 结语
水电市场灌浆前景广阔，金刚石钻头的用量亦很大，旁多电站从2012年3月以来，只是金刚石钻头用量一项就有近1600万，如此大的用量，就要求物资人员能够合理的选择出最为合适的钻头，既能加快施工进度，又能节约成本，这对施工效益来说意义是很大的。