不同材质矿用钻头特性分析

刘卫亮

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

不同材质矿用钻头特性分析

刘卫亮

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

列举了3种不同材质刀片钻头的特性及使用规程。结合实际使用要求，对每种材质钻头的使用提出了参考意见。正确地使用钻头可延长其使用寿命，提高钻孔效率，具有较大的经济效益。在实际钻进时，应根据不同的地质条件适当选取钻头，将每种材质钻头的特性发挥到极致。合理有效的钻具配套组合对于提高钻孔成孔率、瓦斯抽放效果，甚至钻孔施工的安全性都具有非常积极的意义。

钻头；硬质合金；PDC；金刚石

钻头是煤矿井下钻机施工钻孔的重要配套件，承担切削煤岩的主要任务，矿井下因施工性质、地质条件的不同，所用的钻头也各有差异，正确的选用钻头以及合理的钻机参数是成孔的前提条件。本文就煤矿用液压钻机在施工瓦斯抽放钻孔、探水孔及地质孔所用的3类刀片材质不同的钻头进行特性分析，供相关人员使用时进行参考，避免因选型影响使用效果。

目前，煤矿井下施工钻孔的3类钻头刀片材质分别是硬质合金、PDC及金刚石。3种材质各有优缺点，且因刀片布置、焊接方式的不同，其受力性能也有差异，因而在使用时，把握好各相关特性，可延长钻头使用寿命，提高钻孔施工效率，具有很大的经济效益[1]。

1 硬质合金刀片钻头

地质矿山常用的硬质合金刀片通常为钨钴合金(YG)，一般以碳化钨粉末为骨架。钴粉为粘接剂制成，钴含量越多，则抗弯强度和冲击韧度越好，但硬度和耐磨性则略有下降。硬质合金刀片合金牌号及其性能关系见表1[2]。

表1 部分牌号硬质合金性能

从表1中可以看出，为达到高效使用的目的，制造不同种类的钻头需要不同牌号的合金刀片。如果用于制作全断面钻头进行回转钻进，则需要耐磨性与冲击韧度均适中的牌号(如YG8)，因为在这种情况下，钻头依靠钻机输出的进给力压入煤岩，钻机同时输出转矩带动钻头切削煤岩完成钻进，即同时需要旋转切削的耐磨性和压入时的冲击韧度；如果钻进硬岩(坚固性系数较高)时进行冲击回转钻进，则可选择冲击韧度较高的合金牌号，这样可保证冲击钎头撞击岩石的效率，能冲击且自身损伤较低。硬质合金钻头钻进时受力情况分析如图1所示。

图1 硬质合金钻头钻进时受力情况分析图

硬质合金钻头钻进时，各个主要技术参数应满足如下公式[3]：

式中，h是钻进深度；η是摩擦因数，η<1；Py是轴向压力，单位为N；b是切削钻具的刃宽，单位为mm；H是岩石的压入硬度；β是切削钻具的刃角，单位为(°)，软岩中应采用较小刃角，坚硬及裂隙岩石中则应选用较大刃角。

硬质合金钻头钻进过程中主要受轴向压力Py和回转力Px作用，使硬质合金钻具螺旋式切削煤岩。当钻进深度较小、转速较快时，切削介质颗粒较小，成孔质量较高；反之，切削介质颗粒大，成孔质量较差。

硬质合金刀片成本相对低廉，加工简单，主要用于岩石坚固性系数较低的煤层或岩层钻进。一般来说，孔径越小，要求钻头转速越高；研磨性越强，要求转速越低。总之，硬质合金是目前煤矿井下及地质钻探工程常用的刀片材质之一。

2 PDC刀片钻头

聚晶金刚石复合片(PDC)是另一种超硬材料，它能把高钴硬质合金刀片的强度和金刚石多晶聚合体的硬度特性有效地结合在一起，综合性能比较优越。考察PDC刀片钻头比较重要的一个参数就是其磨耗比，一般磨耗比为15万～50万(数值越大，表明其合成密度越高，性能越好)。

PDC材质的钻头钻进参数见表2。

表2 常用PDC钻头钻进参数

一般来说，PDC材质钻头主要由钻头体、PDC切削齿和出水孔等组成。按照钻头冠状部的材料不同，其又可分为钢体式和胎体式，钢体式钻头一般采用高强度、低熔点(600～700 ℃)银基材料焊接，该材料对PDC刀片和钢体具有一定的浸润性，可有效减少掉片和崩片现象；胎体式钻头的钻头体冠部采用碳化钨粉、浸渍焊料等材料经粉末冶金方法烧结而成，同时因钻头的使用要求差异，切削刀片的安装方法、角度也不尽相同。2种形式的PDC钻头各有优势，钢体式钻头加工工艺简单，生产效率高，易实现批量化生产；胎体式钻头对地层适用效果好，使用寿命较长，但生产成本较高，工艺复杂。

PDC钻头主要参数之间的关系参照表镶金刚石钻头。

PDC材质的钻头主要用于中硬岩层及煤层钻进，操作规程和使用方法与硬质合金钻头大致相同，但使用寿命是硬质合金的数十倍，钻进效率也成倍提高。总之，PDC钻头是目前煤矿井下施工各类钻孔中使用最为广泛的钻头。

3 金刚石刀片钻头

金刚石是自然界最硬的矿物质，耐磨性好，正常情况下磨耗量极小，且性能稳定，常温下不易与其他物质发生反应；但金刚石脆性大，不适合破碎岩层使用。另外，金刚石热稳定性不好，当介质为空气时，300 ℃开始氧化；800 ℃开始石墨化，质量减轻；900 ℃疏松易碎；到1 000 ℃则完全消失，因此使用金刚石钻头钻进时，应防止冲洗液不足或者间断，以避免因摩擦温度过高导致刀片性能下降或丧失。

钻头用金刚石颗粒按照来源可分为天然金刚石和人造金刚石，按照金刚石颗粒布置不同又可分为表镶金刚石钻头和孕镶金刚石钻头。表镶钻头一般采用较大的金刚石颗粒分布于胎体表面，按其布置位置可分为底刃、边刃和侧刃，底刃和边刃因为直接参与切削，因此要求金刚石品级较高，侧刃则可选用较低品级的金刚石以降低成本；孕镶钻头一般采用较小的金刚石颗粒均匀分布于胎体工作层内，相对于表镶钻头来说对于金刚石品级要求较低，价格也相对低廉。

表镶钻头主要参数之间的关系满足如下公式[4]：

P1=(0.66～0.75)qmp

式中，P1是表镶钻头上的总压力，单位为N；q是钻头上金刚石克拉数；m是金刚石的粒度，单位为粒/克拉；p是单粒金刚石允许载荷，单位为N；0.66～0.75是金刚石参加破碎岩石的系数。

孕镶钻头主要参数之间的关系满足如下公式：

式中，P2是孕镶钻头上的总压力，单位为N；D是钻头外径，单位为cm；d是钻头内径，单位为cm；f是经验单位压力，f=400～800 N/cm2。

金刚石钻头钻进时，选取匹配的参数可以将钻进效能发挥到最大，完成经济、高效的钻进过程。

金刚石钻头主要用于岩石坚固性系数较高的中硬至坚硬岩的钻进，在钻压的作用下依靠自身硬度压入被切削岩层，同时旋转完成钻进，是硬岩钻进常用的钻具。由于金刚石脆性较大，在破碎层较多以及层级较多且比较分明的页岩岩层中，因旋转时伴有冲击，易损坏金刚石颗粒，因而不推荐使用。

4 结语

通过上述分析，得出结论如下：1)硬质合金刀片钻头造价低廉，加工简单，应用较为广泛，但使用周期较短，适用于软岩及煤层钻孔施工，对转速要求较其他2种材质钻头偏低，适应性较好；2)PDC刀片材质钻头综合性能最为优良，通常情况下其寿命可达硬质合金钻头的十几甚至几十倍，可有效提高钻进效率，其使用规程接近硬质合金钻头，是目前煤矿井下及地质钻进应用最为广泛的一种；3)金刚石钻头性能最为优越，适合于较硬岩层的钻进，但是其造价较高，使用时相关的各项参数要求比较严格，仅在一些特殊场合应用。

此外，煤矿井下钻进时，钻头的使用周期与诸多因素有关，例如操作人员熟练程度、开孔效果及排渣介质的选择和供应量等都会影响钻头的寿命，使用时选择合适材质的钻头、正确的钻进规程及合理的操作流程才能将钻头的效能最大发挥，达到高效钻进的目的。

[1] 王扶志，张志强，宋小军. 地质工程钻探工艺与技术[M]. 长沙：中南大学出版社，2008.

[2] 姚向荣，朱云辉 煤矿钻探工艺与安全[M]. 北京：冶金工业出版社，2012.

[3] 马锁柱，张海秋. 钻探工程技术[M]. 郑州：黄河水利出版社，2009.

[4] 李贞杰，刘卫亮，江科. 液压钻机钻进效率影响因素研究[J]. 新技术新工艺，2015(2):91-92.

责任编辑 郑练

Characteristic Analysis of Different Materials Bit for Coal Mine

LIU Weiliang

(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation Co., Ltd., Chongqing 400039, China)

By enumerating the characteristic of three bits with different blade materials, their specification of usage, suggestions is put forward. In accord with its application requirement, the usage of each bit is supplied. The correct application leads to extend the application period, and improved drilling efficiency and greater economic benefits. Discretionary selections should be based on different geological conditions when the actual drilling, each material characteristic of the drill bit is to the limit. Reasonable and effective tool matching combination has a very positive meaning for improving the drilling hole rate, the gas drainage effect and the safety of drilling construction.

bit, carbide, PDC, diamond

TD 41

A

刘卫亮(1979-)，男，副研究员，大学本科，主要从事钻机研究及推广等方面的研究。

2016-08-16