怎么提高水泥锯片的锋利度和寿命

　　这个问题比较复杂，牵涉到工艺，材料等方面。

　　不同的材料选用不同种类的金刚石锯片，不同粉类配方适合不同材质的特性，对材料产品的质量、效果、合格率乃至成本和效益造成直接的影响。

　　影响金刚石圆锯片效率和寿命的因素有锯切工艺参数和金刚石的粒度、浓度、结合剂硬度等。据切参数有锯片线速度、锯切浓度和进刀速度。

　　锯片速度：

　　在实际工作中，金刚石圆锯片的线速度受到设备条件、锯片质量和被锯切石才性质的限制。从最佳锯片使用寿命与锯切效率来说，应根据不同石材的性质选择锯片的线速度。锯切花岗石时，锯片线速度可在25m～35m/s范围内选定。对于石英含量高而难于锯切的花岗石，锯片线速度取下限值为宜。在生产花岗石面砖时，使用的金刚石圆锯片直径较小，线速度可以达到35m/s。

　　锯切深度

　　锯切深度是涉及金刚石磨耗、有效锯切、锯片受力情况和被锯切石材性质的重要参数。一般来讲，当金刚石圆锯片的线速度较高时，应选取小的切消深度，从目前技术来说，锯切金刚石的深度可在1mm～10mm之间选择。通常用大直径锯片锯切花岗石荒料时，锯切深度可控制在1mm～2mm之间，与此同时应降低进刀速度。当金刚石圆锯片的线速度较大时，应选取大的切削深度。但当在锯机性能和刀具强度许可范围内，应尽量取较大的切削浓度进行切削，以提高切削效率。当对加工表面有要求时，则应采用小深度切削。

　　进刀速度

　　进刀速度即被锯切石材的进给速度。它的大小影响锯切率、锯片受力以及锯切区的散热情况。它的取值应根据被锯切石材的性质来选定。一般来讲，锯切较软的石材，如大理石，可适当提高进刀速度，若进刀速度过低，更有利于提高锯切率。锯切细粒结构的、比较均质的花岗石，可适当提高进刀速度，若进刀速度过低，金刚石刃容易被磨平。但锯切粗粒结构而软硬不均的花岗石时，应降低进刀速度，否则会引起锯片振动导致金刚石碎裂而降低锯切率。锯切花岗石的进刀速度一般在9m～12m/min范围内选定。

　　寿命和锋利度

　　当金刚石浓度由低到高变化时，锯片锋利性和锯切效率逐渐下降，而使寿命逐渐延长，但是浓度过高，锯片会变钝。而采用低浓度，效率则提高。因此，在金刚石锯片的制造制造过程，要根据不同的切割对象以及使用的机器，合理控制金刚石浓度，从而使金刚石在使用过程得到充分利用。

　　粒度

　　常用的金刚石粒度在30/35～60/80范围内。岩石愈坚硬，宜选取用较细的粒度。因为在同等压力条件下，金刚石愈细愈锋利，有利于切入坚硬的岩石。另外，一般大直径的锯片要求锯切效率高，宜选取用较粗的粒度，如30/40，40/50；小直径的锯片锯切的效率低，要求岩石锯切截面光滑，宜选用较细的粒度，如50/60，60/80。

　　刀头浓度

　　所谓金刚石浓度，是指金刚石在工作层胎体中分布的密度(即单位面积内所含金刚石的重量)。“规范”规定，每立方厘米工作胎体中含44克拉的金刚石时，其浓度为100%，含33克拉的金刚石时，其浓度为75%。体积浓度表示结块中金刚石所占体积的多少，并规定，当金刚石的体积占总体积的1/4时的浓度为100%。增大金刚石浓度可望延长锯片的寿命，因为增加浓度即减小了每粒金刚石所受的平均切削力。但增加浓度必然增加锯片的成本，因而存在一个最经济的浓度，且该浓度随锯切率增大而增大。

　　刀头硬度

　　一般来说，结合剂的硬度越高，其抗磨损能力越强。因而，当锯切研磨性大的岩石时，结合剂硬度宜高；当锯切材质软的岩石时，结合剂硬度宜低；当锯切研磨性大且硬的岩石时，结合剂硬度宜适中。

　　效应

　　金刚石圆锯片在切割石材的过程中，会受到离心力、锯切力、锯切热等交变载荷的作用。

　　由于力效应和温度效应而引起金刚石圆锯片的磨破损。

　　力效应：在锯切过程中，锯片要受到轴向力和切向力的作用。由于在圆周方向和径向存在力的作用，使得锯片在轴向呈波浪状，在径向呈碟状。这两种变形都会造成岩石切面不平直、石材浪费多、锯切时噪音大、振动加剧，造成金刚石结块早期破损、锯片寿命降低。

　　温度效应：传统理论认为：温度对锯片过程的影响主要表现在两个方面：一是导致结块中的金刚石石墨化；二是造成金刚石与胎体的热应力而导致金刚石颗粒过早脱落。新研究表明：切割过程中产生的热量主要传入结块。弧区温度不高，一般在40～120℃之间。而磨粒磨削点温度却较高，一般在250～700℃之间。而冷却液只降低弧区的平均温度，对磨粒温度却影响较小。这样的温度不致使石墨炭化，却会使磨粒与工件之间摩擦性能发生变化，并使金刚石与添加剂之间发生热应力，而导致金刚石失效机理发生根本性变化。研究表明，温度效应是使锯片破损的最大影响因素。

　　磨破损：由于力效应和温度较应，锯片经过一段时间的使用往往会产生磨破损。磨破损的形式主要有以下几种：磨料磨损、局部破碎、大面积破碎、脱落、结合剂沿锯切速度方向的机械擦伤。磨料磨损：金刚石颗粒与式件不断摩擦，棱边钝化成平面，失去切削性能，增大摩擦。锯切热会使金刚石颗粒表面出现石墨化薄层，硬度大大降低，加剧磨损：金刚石颗粒表面承受交变的热应力，同时还承受交变的切削应力，就会出现疲劳裂纹而局部破碎，显露出锐利的新棱边，是较为理想的磨损形态；大面积破碎：金刚石颗粒在切入切出时承受冲击载荷，比较突出的颗粒和晶粒过早消耗掉；脱落：交变的切削力使金刚石颗粒在结合剂中不断的被晃动而产生松动。同时，锯切过程中的结合剂本身的磨损和锯切热使结合剂软化。这就使结合剂的把持力下降，当颗粒上的切削力大于把持力时，金刚石颗粒就会脱落。无论哪一种磨损都与金刚石颗粒所承受的载荷和温度密切相关。而这两者都取决于锯切工艺和冷却润滑条件。

以上回答希望对你有帮助，！

（一）满眼钻具防斜技术

满眼钻具防斜是通过优化孔底钻具结构，增加粗径钻具长度和刚性，做到“刚、直、满、长”，减小粗径钻具与孔壁之间间隙，以减弱上部钻杆柱等柔性刚体弯曲而带来的偏 斜力或弯曲力，保证轴向压力集中，防止钻孔弯曲（图9-8所示）。

图9-8 满眼钻具

1满眼钻具特点

（1 ）刚：岩心管壁厚10mm，机械性能满足：抗拉强度бB＝750MPa，屈服值 бS＝550MPa，保证在正常钻压下不发生弯曲。

（2）直：精心挑选岩心管，严格保证粗径钻具连接螺纹的同心度和同轴度。

（3）满：将原来的2根钻具（外管）连接成1根长钻具，并在每根钻具上下两端各安装 1个扩孔器（图9-9），这样粗径钻具两端和中间共有4个扩孔器；扩孔器外径比钻头外径大 04～05m，使粗径钻具充满孔眼，以尽可能防止钻具在孔底发生倾斜。

图9-9 钻具两端各加一个扩孔器

（4）长：将两根钻具连在一起，使粗径钻具加长1倍达到8m左右。

2技术装备和工艺措施

（1）选择性能优良的钻机。采用XY-6B、HXY-6和HXY-8钻机，确保主动钻杆不弯曲，卡盘卡紧牢固，无旷动。安装钻机，确保周正、水平、稳固。孔口管安装，确保垂直。并 确保钻塔天车前缘、回转器中心和孔口管中心在同一直线上。

（2）严把开孔和换径质量关。开孔时，要轻压、慢转，谨慎操作，确保开孔垂直。换径时，要采用带扶正器的钻具，并控制压力和转速，钻进1m左右，再换正常钻具钻进，确保同心。

（3）严格控制钻压。除在开孔、换径时严格执行低压、慢速钻进外，正常钻进遇变层时，钻压采用下限值。如S75WL钻进钻压一般为9～10kN。采用液动锤WL冲击回转钻进 时，钻压控制在8～9kN。

（4）严格控制给进速度。尤其在地层由硬变软或较破碎时，不能突然增大给进速度，应加以控制，缓慢、均匀、适度增加给进速度。

3实钻效果及分析

在济宁铁矿区利用钻孔“顶层进”弯曲规律，采用满眼钻具以及上述技术、工艺 措施，控制减轻钻孔顶角偏斜，使孔底偏移距离不超过勘探线间距的1/2，方位角不超 出30°～80° 范围。实钻试验成功完成ZK401、ZK701、ZK703等深孔7个，在降低钻 孔顶角弯曲强度方面取得明显的效果（图9-10），自1100m至终孔平均钻孔弯曲强度为 303° /100m（表9-4），比前期施工钻孔弯曲强度（651° /100m）降低535 ％，并在钻探深 度上有所突破，最深达到210018m。

图9-10 采用满眼钻具防斜技术前后完成的钻孔（部分）弯曲情况对比

表9-4 采用满眼钻具防斜技术施工强造斜地层深孔顶角弯曲强度

（二）防斜钻头＋满眼钻具防斜技术

采用满眼钻具一定程度减轻了钻孔弯曲，取得了较明显的效果，但是部分钻孔的防斜 效果还不理想，如ZK3502 、ZK3503孔钻孔弯曲强度仍然较大，1100m以深强造斜孔段分 别达到1028° /100m、536° /100m，为此，在满眼钻具的基础上，采用了防斜钻头。

1防斜钻头的防斜机理

钻孔发生偏斜的主要原因之一就是钻头底唇面沿孔底发生微滑移。如果特殊设计的钻头底唇面能减少或避免钻头沿孔底发生滑移，那么也就减少甚至避免了孔斜的发生。

防斜钻头正是采用独特的多环槽底唇面锥底形设计（图9-11），一是增加了对孔底岩石的“把持力”和“向心作用”，较传统的圆弧底唇面大大减小了钻头底唇面的滑移；二 是减少了钻头底唇面面积，相对“增大”了钻压，这样，在较小的钻压下使钻头能更快地 刻取岩石，提高了钻进速度，因此，可有效减少或避免钻头底唇面的横向滑移，从而达到 防斜的目的。

图9-11 多环槽底唇面锥底形防斜钻头

2技术工艺措施

在前述技术装备和工艺措施的基础上，采取以下措施：

（1）钻头底唇环槽磨损后应及时更换新钻头。防斜钻头主要是靠底唇环槽来防止或减轻孔斜，因此钻头底唇环槽磨损后应及时更换（图9-12）。可将更换下的钻头用于浅孔非 造斜地层使用。

（2）将防斜钻头＋满眼钻具组合使用，以取得更好的防斜效果。

（3）严格控制钻压和给进速度。钻入千枚岩强造斜地层后，宜采用小钻压钻进，特别是地层破碎时，在控制钻压的同时，还要控制给进速度，S75钻进，钻压采用 800～900kN，给进速度控制在8～10cm/min。

3实钻效果及分析

按照原计划，防斜钻头＋满眼钻具防斜技术从ZK003和ZK301孔开始试验应用，由于防斜钻头胎体根部强度不够，下钻过程中就有胎块被蹭掉（图9-13），故暂停使用。后来 在厂家改进后，还是同一单位（鲁南地质工程勘察院）的两台钻机在ZK3102等4个钻孔试 验应用，取得了更好的效果（图9-14），4个孔1100m以下强造斜孔段的平均钻孔弯曲强度 245°/100m（表9-5），比此前未能采用防斜钻头施工的ZK003和ZK301两个孔的平均弯曲 强度639° /100m（表9-3计算）下降6166％。

图9-12 唇面磨损后更换下的钻头

图9-13 胎块受损防斜钻头示意图

（三）液动锤WL冲击回转钻探防斜技术

1液动锤WL钻探工作原理

以SYZX系列液动锤WL钻探为例，SYZX系列液动锤WL钻具是由双喷嘴复合式液动锤与WL钻具结合而成，主要由打捞系统、冲击系统（液动锤）、传功及单动系统、碎岩和 采集系统等组成。是在WL钻具内管总成中加入了液动锤。液动锤是该项钻探技术的核心。液动锤主要有喷嘴、阀、上缸套、上活塞（下喷嘴）、冲锤、下活塞、下缸套和锤轴等机 构组成（图9-15）。

图9-14 采用防斜钻头＋粗径钻具组合防斜技术与前期施工钻孔弯曲情况对比

表9-5 采用防斜钻头＋满眼钻具组合施工钻孔强造斜地层深孔顶角弯曲强度

图9-15 SYZX系列液动锤结构原理示意图

启动时，工作液体从上喷嘴喷出，高速射流的卷吸作用将上缸套上腔介质抽往下腔，上腔迅速降压，同时由于下喷嘴的节流作用，上缸套下腔的压力升高；使阀迅速上行至上 限。进入下腔的液流，经下喷嘴高速喷出，同样由于卷吸作用使锤体腔内压力下降，而与 冲锤连接的下活塞底部由于水路被截断，压力升高，于是，形成压差，使冲锤上行抵达行 程上限，上活塞与阀接触关闭水路，至此回程结束。冲程时，由于冲锤上活塞顶部与活阀 下端闭合，高速液流被迅速切断而产生水击，上腔压力猛增；与此同时，冲锤下腔压力急 剧下降，故上、下腔间压力差推动冲锤活塞和活阀向下运动。活阀抵达行程下限后，冲锤 活塞因惯性继续向下运动，直至冲击砧子（锤轴接头）为止。活阀与冲锤活塞又进入下一 循环的回程，如此周而复始产生冲击。

钻探过程中，液动锤冲击产生的冲击功通过传功系统传递到外管作用在钻头上，使钻头在冲击回转双重作用下破碎岩石。

2液动锤WL钻探防斜机理

采用液动锤WL钻探技术，可使钻具在小钻压、低转速下进行冲击回转钻进。根据鲁宾斯基防斜理论，由于降低了钻压，就可一定程度地减轻孔斜。而冲击回转钻进，冲击产 生的载荷总是沿钻孔轴线方向传递到钻头，且瞬间达到极大值，比一般回转钻进轴向静压 力要大十几倍甚至几十倍。由于冲击作用速度快，时间较短，且作用力很大，使岩石受力 的局部区域应力、应变高度集中，来不及向周围的岩石传递，岩石不易产生塑性变形，不 仅有利于岩石形成体积破碎，而且能有效地克服岩石的各向异性，有利于预防和减轻孔斜［66］。

3液动锤WL钻具选择

在深孔钻探中防斜，所选液动锤必须首先适应深孔钻探。20世纪90年代以前，液动锤WL钻探深度刚刚超过1000m。由于多年进行研究、应用较少，目前国内能够用于小口 径WL钻探施工的液动锤不多。只有勘探技术研究所研制的几种类型可供选择。SYZX系 列液动锤是为中国大陆科学钻探专门研制的一种较大口径液动锤。经过潜心研究，技术上 取得突破，并在科钻施工中成功应用，达到国际领先水平。特别是静密封的可靠性和对深 孔背压的适应性都有了很大的改善和提高，而应用该技术研制的小口径SYZX系列液动锤（图9-16）是目前最先进的类型。

图9-16 SYZX型液动锤WL钻具

SYZX75型液动锤WL钻具的特点：

（1）内外管之间及阀锤高低压区之间的密封均采用机械式密封，取消固定式节流环，击砧水垫影响小，增强了对背压适应性，有利于深孔钻进；

（2）采用机械式密封，比橡胶密封耐磨性高、寿命长，且密封接头、阀、锤上的螺旋槽又具有排沙及液压定心作用，提高了液动锤对冲洗液的适应性，减少摩擦阻力，有利于 液动锤正常工作；

（3）采用双喷嘴配流结构，大幅度减少冲程阻力，从而使冲击功较传统的液动锤有了较大幅度的提高；

（4）由于依靠锤阀各自产生的压力差运动，减少了密封副数量，简化了钻具结构；

（5）液动锤内无易损坏的弹簧零件，钻具寿命较长；

（6）传递冲击功装置采用具有相互包容的刚性结构，简单、可靠、寿命长，使用维修 及更换方便；

（7）结构参数可调，能满足多种钻进要求；

（8）泵量、泵压较低，须配备附加装置较少。

SYZX75液动锤WL钻具主要性能参数：

钻具外径73mm、冲锤行程15～25mm、自由行程4～10mm、工作泵量52～90L/min、工作泵压05～20MPa、冲击频率25～40Hz、冲击功10～50J、长度5130mm、重量75kg，推荐冲洗液为清水、乳化液、无固相或低固相泥浆。

4设备配套

液动锤WL钻探是在WL钻探的基础上增加了液动锤而形成的复合钻探技术，通常情况下，采用WL钻探设备并在泥浆泵输出管路上增加一稳压罐即可。但在深孔钻探中，泥浆 泵的选择要满足液动锤工作泵压的要求，其额定泵压一般应比普通WL钻探高2MPa以上。

本次实钻钻机采用HXY-6立轴钻机（图9-17）。由于高压泥浆泵未及时购进，仍采用 BW250型泥浆泵（图9-18），只是增加了带泵压表的稳压罐（图9-19），以消除排量不均 匀，减少液动锤引起的水击压力波，保持液动锤的冲击频率，使液动锤稳定工作。

图9-17 HXY-6立轴钻机

图9-18 BW250型泥浆泵

图9-19 稳压罐（带泵压表）

5液动锤WL钻探工艺要求

（1）钻压：液动锤冲击回转钻进，钻压的作用主要是给予钻头唇面金刚石颗粒压入岩石一个预压，使岩石内部形成预加应力，改善冲击功的传递条件，改变冲击载荷的传递方 向，使液动锤产生的高频脉动载荷瞬时达极高值，从而使岩石产生体积破碎，提高钻进 效率。

但是，随着钻压的增加，切削刃单位进尺磨损量也增加。为减少切削刃的磨损，钻压不能过大，但必须克服液动锤的反弹力。钻压、钻头磨损与钻速的关系如图9-20所示。

钻压的大小还应根据不同岩石的抗压强度合理选择，一般采用液动锤选择的钻压可以略低，采用与常规钻进相同或略低的钻压就可获得了较好的钻进效率。如SYZX75的钻压 可以选择12kN。

图9-20 钻压、钻头磨损和钻速关系

（2）转速：转速则根据所钻岩石的性质，钻孔的结构、深度、倾角，设备和钻具的型号规格以及冲击功的大小和冲击频率的高低等因素进行确定。

如果单纯考虑冲击功的大小和冲击频率的高低确定转速，可以采用公式：

深部找矿钻探技术与实践

式中：n——转速，r/min。

D——钻头平均直径，mm；

δ——最优冲击间隔，mm；

f——冲击器冲击频率，Hz；

m——钻头的最优冲击频率，Hz；

对SYZX75液动锤WL冲击回转钻进，n＝300～400r/min。

在实际生产过程中，由于深孔钻进孔内工况复杂，加之设备能力等因素的影响，转速 远远达不到要求。液动锤WL钻进时一般采用转速见表9-6。

表9-6 液动锤WL钻探实际采用转速

（3）泵量与泵压：泵量是满足液动锤正常工作的重要参数。通常在液动锤结构参数一定的条件下，泵量越大，液动锤的冲击频率和冲击功也越高，因此液动锤WL钻探所采用 的泵量比常规WL要大。当然，泵量过大不利于孔壁稳定，同时也会影响钻头的使用寿命，因此要二者兼顾。SYZX75液动锤需要的额定泵量为60～90L/min。

对于小口径WL钻探，在不考虑漏失的情况下，上返速度v达到05～08m/s，能满足冷却钻头和排出孔内岩粉的需要。由于孔径和环状间隙小，因此所需的泵量较小。

按下列公式计算：

深部找矿钻探技术与实践

式中：Q——泵量，L/min。

S环——钻孔环状间隙截面积，

D孔——钻孔直径，m。

D杆——钻杆外径，m。

对于S75WL钻探，Q＝23～36L/min，实际生产中，考虑漏失等因素一般选择40～70L/min 即可，而对于液动锤，泵量应选择60～90L/min甚至更大。所以说，一般能满足液动锤正 常工作的泵量都能满足冷却钻头和携带岩粉的要求，因此在地层允许、泥浆泵工作正常的 情况下，应尽量满足液动锤的泵量。

SYZX75液动锤泵压适用范围为10～50MPa。因而在适应孔内其他钻进因素要求的 情况下，随着孔深的增加，同样的地层钻进所需的冲击功也会增加，所以，在进行深孔施 工时应该尽量使液动锤的泵压保持在推荐工作范围的上限。因为液动锤只有在一定的泵压 条件下才能启动，当达到一定的泵压范围才能发挥其有效的冲击作用。实钻过程中，当 钻进灰岩地层后，冲洗液就漏失，从部分漏失到全部漏失，泵压降低，一般情况下，在 1300～1400m时，BW250泥浆泵还能正常应用，此后，随着孔深的增加，泥浆泵多处于满 负荷甚至超负荷工作，易发生故障。

（4）钻头：常规WL钻探，金刚石钻头主要是孕镶式取心钻头，金刚石出刃的后侧存 在与金刚石出刃高度相近的胎体凸起，它对出露的金刚石起着重要的支撑保护作用。而液 动锤WL冲击回转钻进，岩石体积破碎下来的岩粉颗粒较大，并且有棱角，对胎体具有研 磨性磨损，加上冲击回转钻进泵量大，冲洗液对钻头有较强的冲蚀性，高频脉动冲击载荷 使金刚石容易破碎岩石。通常情况下液动锤WL使用的钻头胎体硬度和强度要略高于常规 金刚石钻头。冲击回转钻进，孔底冲洗液流量大，呈高频脉动冲击流动状态，钻头唇面与 岩石表面间隙是高频变化的，致使孕镶金刚石钻头唇面冲洗液漫流面扩大，携带岩粉、冷 却钻头能力增强，减少了岩粉黏附和重复破碎，也有利于提高效率和钻头寿命。此外，孔 底钻具受高频冲击作用而随之震动，岩心能顺利进入岩心管，防止岩心堵塞和钻头唇面的 金刚石抛光。

与常规金刚石钻头相比，液动锤WL用金刚石钻头在类型和结构上应具有以下特点：

1）首选人造孕镶金刚石钻头；

2）一般选用高强度或经过浑圆化和金属镀层处理的金刚石；

3）因为金刚石单晶的抗冲击韧性与粒度成反比，故粒度不能太大，可选用70～80目左右的金刚石，金刚石浓度在75％左右；

4）胎体要有足够的强度和硬度，避免受冲击作用而碎裂，一般选用中硬—硬胎体，唇面形状以平底形、圆弧形和同心圆齿形为好；

5）由于冲洗液量大，为减少冲洗液流经钻头时所产生的阻力，钻头的过水面积应增大，故应适当增大胎体外径。

试验主要选用60～80目梯齿形孕镶金刚石钻头，浓度75％，HRC40±1。

（5）冲洗液：液动锤对冲洗液的要求较高，主要是防止内部运动部件被卡阻和磨损。目前金刚石WL钻进，所采用的PHP、PVA无固相冲洗液一般都能使SYZX75液动锤正常工 作。在复杂地层，必须采用低固相泥浆时，可采用LBM泥浆。当然，施工过程中，要保 持冲洗液的性能稳定，防止颗粒固体和其他有害物质侵入。

6实钻效果及分析

本次第三地勘院应用液动锤WL钻探技术预防（减轻）孔斜，完成ZK001、ZK3501 和ZK4301共3个孔。实际在每个钻孔中，采用液动锤WL钻探技术是完成一部分孔段，其中，ZK001孔：112108～164836m；ZK3501孔：128715～196710m；ZK4301孔：7002～187012m，共计进尺227718m。终孔测斜数据（顶角）见表9-7。钻孔弯曲（顶角 随孔深变化）情况见图9-21。

表9-7 济宁铁矿区采用液动锤WL钻探技术施工钻孔测斜数据

续表

注：采用液动锤WL钻探技术完成的孔段分别为：ZK001—112108～164836m；ZK3501—128715～ 196710m；ZK4301—7002～187012m。

对ZK001、ZK3501和ZK4301孔采用液动锤WL完成孔段情况进行计算分析可以看出，该孔段的顶角弯曲强度都有所降低，分别为200° /100m、640° /100m和326° /100m，三个孔平均弯曲强度为376° /100m，比前期采用常规WL施工钻孔（651° /100m）降低 4224％（表9-8）。

表9-8 采用液动锤WL钻探技术施工强造斜地层深孔顶角弯曲强度

图9-21 采用液动锤WL和常规WL钻探技术施工的不同孔段顶角变化情况

ZK001孔，自112108m采用SYZX75液动锤WL钻探技术，钻进至164836m，顶角由 1150m的62°增大到1650m的162° ，孔段平均弯曲强度为200°/100m，比前期施工钻孔 平均弯曲强度（651° /100m）降低了6928％，防斜效果明显。此后孔段，由于液动锤锤 杆断裂，因暂无配件未能及时修复，无奈重新采用常规WL钻进，钻孔偏斜又进一步加剧，平均弯曲强度增大到841° /100m。

ZK3501孔，自128715m钻进至186710m终孔。顶角由1300m的116° 增大至1850m的 468°，孔段平均弯曲强度为640° /100m，比前期施工钻孔平均弯曲强度（651° /100m） 仅降低169％，防斜效果不明显。

ZK4301孔，钻进至500m时，测斜发现钻孔顶角达到51° ，由于顶角偏大，于是提 前采用了液动锤WL钻探技术，钻进至6811m时，顶角有所减小，但仍有48° ，为慎重起 见，在此采用LZ连续造斜器进行强制纠斜，至7002m，顶角纠至16° ，此后正式采用液 动锤WL技术进行钻进至187012m。期间，泵压达到7MPa时，换用BW320/10泥浆泵，保 证了液动锤的工作压力。不过由于泵压较高（BW320/10达到9MPa），负荷大，而当地配 电供应不足，时常发生故障而停止使用。其中，自700～1050m，进尺350m，而钻孔顶角 从16° 略减小到14° ，可以说钻孔顶角保持得很好。而从1100m开始，进入济宁群变质 岩后，顶角才逐渐增大，在1400～1450m遇破碎带顶角增加较大，至1870m达到398° 。采用液动锤WL钻探技术进尺116992m，对应孔段平均弯曲强度为326° /100m，比前期施 工钻孔平均弯曲强度（651° /100m）降低4992％，防斜效果明显。

从3个孔的防斜情况看，效果明显不同，钻孔顶角降低幅度差别较大（图9-22）。ZK001和ZK4301孔防斜效果明显，两个孔应用液动锤WL孔段平均弯曲强度289° /100m，比前期施工-钻孔平均弯曲强度（651° /100m）降低5561％，而ZK3501孔，仅降低169％，没有取得应有的防斜效果。当然，ZK3501孔与在同一勘探线上、同一单位（第三地勘院） 的另一个钻机未采用液动锤WL施工的相距最近的ZK3502孔相比（表9-9）下降66％，从 可比性角度来看不能说完全没有效果，只是效果很不明显。

图9-22 采用液动锤WL钻探比前期常规钻探钻孔弯曲强度降低情况

表9-9 ZK3502深孔顶角弯曲强度

分析ZK350 1孔防斜效果不明显的原因，有一个事实不能忽视，那就是ZK350 1施工过 程中，采用BW250/7泥浆泵，钻进至1350m后，泵压超负荷，致使泥浆泵曲轴发生断裂6 次。究其原因，从施工过程中冲洗液的漏失（或上返）情况可以找到答案。由于该矿区上 部灰岩和接触带及以下破碎带都存在漏失现象，钻进过程中普遍漏失严重，绝大多数钻孔 只能“顶漏”钻进，但不同钻孔还存在一定差别。有的钻孔还有时漏时返现象，极少钻孔 可经堵漏正常钻进，漏与不漏以及漏失程度、漏失部位有很大的偶然性。矿区内地下静水 位22m左右，漏失深度和漏失程度对泵压有直接影响。

ZK001孔属全部漏失且漏失部位较深（1200～1300m左右破碎带也严重漏失），未应用液动锤时，泵压只有2～3MPa，应用液动锤后泵压4～5MPa，直到164836m未超过6MPa，BW250泥浆泵能满足液动锤工作要求。

而ZK3501孔，上部灰岩地层全部漏失，下部变质岩破碎带在开始钻透时漏失量较大，泵压不高，但随着钻进过程中岩粉和冲洗液护壁发生作用，裂隙被堵塞，泵压很快明显升 高。应用液动锤之前，泵压已达到4～5MPa，应用液动锤后，初期泵压就达到6～7MPa，虽然液动锤还能正常工作，但BW250泥浆泵已经满负荷。随着孔深的增加，背压相应增 加，液动锤工作压力逐渐减小，冲击功减小，直至不能正常工作，失去了应有的作用，而 此时泥浆泵严重超负荷工作，致使曲轴6次断裂（图9-23），这是造成防斜效果不明显的主 要原因。另外，ZK001孔应用液动锤时，顶角较小（在43°～62° 之间），而ZK3501孔，应用时顶角已较大（96°～116° 之间），对防斜不利。还有，ZK3501孔在钻进破碎带过 程中，对钻压和进尺控制不够严格。这些对防斜效果也有一定影响。

图9-23 断裂的B W 250泥浆泵曲轴

ZK4301孔与ZK3501孔情况相似，只是上部灰岩漏失部位较浅，而下部济宁群变质岩 破碎带漏失部位更深，漏失量较小，表现在泵压比ZK3501孔上升早，在孔深1100m时就达 到7MPa，可以说对泥浆泵的要求比ZK3501孔更高，但由于及时更换了泥浆泵，使液动锤 能正常工作，因而也取得了较明显的防斜效果。

将ZK001、ZK3501、ZK4301孔应用液动锤施工孔段（1100m以深）顶角变化情况，与同是该单位钻机采用常规WL技术施工的ZK402、ZK403和ZK3502孔同孔段顶角变化情 况进行对比，液动锤WL钻探防斜效果显而易见（图9-24）。

由图9-24中可以看出，在1100m以下同一孔段，该单位采用常规WL施工的ZK402、ZK403和ZK3502孔，顶角明显增大，终孔时分别达到505° 、48° 和432°（表9-10），孔段顶角弯曲强度分别为616°/100m、554°/100m和1028°/100m；而ZK001、ZK3501和ZK4301孔，采用液动锤WL钻进孔段弯曲强度分别为200°/100m、640°/100m和 326°/100m。即使在ZK3501孔液动锤非正常工作情况下，3个孔的试验孔段平均弯曲强度 仍下降到376° /100m，比采用常规WL技术施工钻孔平均弯曲强度（685° /100m）下降 了4511％，而以ZK001和ZK4301两个孔试验孔段平均弯曲强度（289° /100m）与之对比，则下降5781％。

图9-24 第三地勘院钻机采用液动锤WL与常规WL施工钻孔顶角变化情况

表9-10 第三地勘院采用常规WL完成的部分钻孔顶角弯曲强度

由此证明：(1)SXYZ系列小口径液动锤WL钻探技术能在深孔钻探施工中成功应用，本次已在187012m成功应用，创造了固体矿产钻探液动锤WL的最深记录；(2)液动锤WL钻 探技术在强造斜地层中有较强的防斜作用。

寿命和锋利度

当金刚石浓度由低到高变化时，锯片锋利性和锯切效率逐渐下降，而使寿命逐渐延长，但是浓度过高，锯片会变钝。而采用低浓度，效率则提高。因此，在金刚石锯片的制造制造过程，要根据不同的切割对象以及使用的机器，合理控制金刚石浓度，从而使金刚石在使用过程得到充分利用。

　　金刚石中除按四面体成键方式互相连接的碳元素以外的其他元素及碳结构，都称为杂质。

天然金刚石中的主要杂质是氮，其他元素还有锶、钡、锆、镧、镥、铂、金、银、铅等。

一般来说需要除杂的是人造金刚石，人造金刚石提纯主要是将金刚石合成棒中的触媒金属、叶蜡石、石墨等杂质去除干净。触媒金属目前多采用电解（或酸溶）的方法去除。叶蜡石则采用碱处理的方法。石墨的去除传统一般采用高温加热硫酸和硝酸的方法。通过长期工作实践，去除石墨有以下经验：

1通过加热硫、硝酸除掉的石墨是极少量的，而金刚石中大量的石墨是通过水洗除去的。

2金刚石作为一种特殊的磨料，在其相互间不断的摩擦过程，完全可以将依附在其表面的少量石墨研磨成粉状，用水淘洗即可去除。

3再用酸除金刚石中含有极少金属的过程中也能对其表面少量的石墨起腐蚀作用

人造金刚石提纯新技术研究：气相氧化法是基于金刚石与石墨在空气中的起始氧化温度不同，选择合适的温度将石墨氧化掉，来实现金刚石与石墨、催化剂合金的初分离。

　　金刚石的化学本性在很长时间里都没有被弄清。牛顿首先提出假说：它们是由碳所组成的。直到19世纪末期，这个假说才被实验所证实：把金刚石燃烧并将所得到的二氧化碳数量换算成纯碳，金刚石燃烧后还残留若干灰分，这证明金刚石中存在其他杂质元素。当燃烧透明的金刚石晶体时，灰分为002％-005％。只有在某些情况下它的数量达48％。在灰分中查明存在着下列元素：Fe、Ca、M9、Ti和Si。有的天然金刚石燃烧后，于气态产物里找到氢和氧。还发现存在惰性气体氮、氖等。

　　由于用高灵敏度分析方法(发射光谱仪、分光光度计、等离子体色谱、放射性测量等)，因而可以检出微量杂质。发现存在于金刚石中的元素比以前知道的多得多。

　　金刚石中的气体杂质在早期的研究金刚石化学组成的著作里，已指出金刚石中氢的存在。但这些早期文献中，所列的氢的含量，显然是偏高的。

　　金刚石中的氮杂质，最初是用气体色谱法测出的。金刚石中氮的含量变动范围很大，某些晶体中达到023％(约4×1020原子／cm3)。在红外光谱中，谱线1280cm-1的吸收系数与氮杂质的含量有对比关系。氮的含量可按下式计算

　　n=33×10-5N•a

　　式中N为1cm3金刚石晶格中原子数，等于173×1023原子/cm3，为波长78um(1280cm-1)时的吸收系数。现代分析表明，工型金刚石中氮的含量最大，达025％，在Ⅱ型金刚石中它的浓度不高于0001％。

　　在金刚石中的顺磁中心，往往是单个氮原子，并异质同晶地取代碳。金刚石中这种形态的氮可用电子顺磁共振法来测定。

　　在工。型金刚石中，氮以小片状体存在其晶体中，这些小片状体影响了紫外线和红外光谱的吸收光，降低了热导率等物理性质。l型金刚石也含有氮，但量少，且以分散的顺磁方式存在。在Ⅱ型金刚石中，杂质氮以自由状态存在着，它导致金刚石具有特别的解理性质以及光学性质和热学性质。

　　在研究电子顺磁共振谱时发现，除N14外，在金刚石中还有少量的N15。

　　人造金刚石顺磁共振分析，同样发现含有氮杂质。由Ni-Fe-Mn触媒合成出来的金刚石用电子探针分析谱线可知有氮。

　　金刚石中有氧存在。例如对卡邦纳达的分析结果得知有氧15％。

　　金刚石中的金属和非金属杂质进行发射光谱分析时，发现金刚石中有杂质硼。有人研究工型和Ⅱ型透明金刚石晶体，发现其中有些含有硼，硼的含量在大多数情况下与Al、Fe、Mg和Si一样，这是一些经常存在于金刚石中的元素。

　　在具有半导体性(Ⅱb型金刚石)的青色和蓝色的天然金刚石中，必然存在有硼。因为某些研究者认为，这种性质与硼有关。而且目前所知，当天然和人造的金刚石渗硼时便染成深色并变成半导体。

　　金刚石中的杂质钠，是用发射光谱分析确定的。某些研究表明，钠的含量变动在44×10-9～42×10-6、g／g范围内。有的研究报道，金刚石晶体内外层钠含量不一，某些金刚石晶体外层钠含量达14X10-9／g，而在晶体其余部分里的含量不高于5X10-109／g。

　　在进行金刚石化学分析时，镁是作为灰分而经常出现在金刚石中的一种元素。在灰分MgO的含量从痕量到个位数之间的范围内变动。金刚石晶体中镁的含量，如某些测试结果在痕量到0001％之间。

　　在对金刚石灰分进行化学分析时，首次测出了金刚石中含有铝杂质，灰分中Al2O3的含量可达1877％。还有些测量结果表明，金刚石晶体中铝的含量大约在01×10-89／g之间。同时，在某晶体中铝和硅含量之问的对应关系是：铝的含量越多，硅的含量就越高。

　　在金刚石灰分中，一般都含有硅这个元素，其中SiO2的数量有时占4708％。有的金刚石晶体硅的含量变动于00046％～001％之间。

　　用发射光谱分析粗晶中的杂质元素，发现其中含有磷。某些金刚石的灰分中，含磷可达025％。

　　在粗晶和有壳的晶体的灰分中，第一次发现杂质钙。作放射分析时，在金刚石中找到了钪。分析中，钪的含量在54x10-10～52×10-89／g之间。

　　在金刚石灰分中，发现有少量的钛，它的含量在0001％～0005％。

　　有的金刚石，锰的含量在25X109～25×1016g／g之间。金刚石晶体中含有杂质铁。

　　用放射研究时，测出了金刚石中的钴。它的含量在31×10-8～77x10-79／g之间。

　　用发射光谱分析，几乎总能在金刚石晶体中找到痕量的铜。有些分析，铜的含量在56～73g／g的范围内。

　　金刚石中的杂质还有锶、钡、锆、镧、镥、铂、金、银、铅。

　　如上所述，金刚石中的主要杂质是氮，它对金刚石的物理性质和晶体结构有很大的影响。在文献中首先划分的两种类型的金刚石之间，它们彼此的区别就在于氮杂质的浓度。在1型金刚石中，氮的含量达4×1020原子／crn3(约025％)，现在这一类型的金刚石有时被称为“含氮的”金刚石。在Ⅱ型金刚石中，含氮量小于0001％(1015～1018原子／cm3)，与I型金刚石相反，它被称为“无氮的”金刚石。此外，还有中间型金刚石，其中含氮量在0001％～001％范围内变动。

　　根据对金刚石杂质元素的研究可以得出如下结论：在金刚石中几乎总是含有Si、Ca、M9和Mn。经常发现有Na、Ba、Cu、Fe、B、Cr和Ti。在有壳的晶体中，几乎总有Fe和Ti(而且通常是共存的)，可是在普通的晶体中，Fe并不多见，而Ti特别少见。其余元素Cr、CO、Zr、P、Sc、La、Lu、Pt、A9、An和Pb在金刚石中有时能找到。在各种晶体里，它们的含量不大，共存关系还不清楚。

　　不同矿床的金刚石中的杂质的浓度(g／g)是不同的。

　　由于人造金刚石有01-05mm／min的较快的晶体生长线速度，使得它一般都含有较多的杂质。这种情况下，生长的晶体能强烈而严重的包裹石墨、金属和金属碳化物。杂质含量可达3％以上，使金刚石成为不太透明或不透明的晶体。

　　在较慢的生长速度的条件下，生成透明的晶体，在这种晶体里，可以清楚地看出杂质的分布特性。这些杂质除了不规则地散布在整个晶体中外，在某些情况下，杂质相应于晶体的对称要素，有规律地排列着。

　　在人造金刚石中杂质元素的分布在被研究的金刚石中，杂质经常沿着晶体的对称轴排列。它们形成从晶体生长点(此点和晶体几何中心一般不重合)开始向晶体顶端成射线或点线。在八面体晶形的晶体中，杂质中心向八面体顶沿着L。排列是常有的。在某些金刚石中，杂质除线状分布外，还有薄片状、杆状、扁盘状或较大的不规则颗粒杂质。

　　人造金刚石中的杂质成分与选用的金属或合金触媒有关。一般说来，用Ni-Cr-Fe合金触媒合成出来的金刚石，其杂质主要是Ni、Cr、Fe；而用Ni-Mn合金触媒合成出来的金刚石，其杂质主要是Ni和Mn。表l是不同合金触媒合成出来的金刚石的电子探针分析数据。

　　人造金刚石中的杂质成分与选用的金属或合金触媒有关。一般说来，用Ni-Cr-Fe合金触媒合成出来的金刚石，其杂质主要是Ni、Cr、Fe；而用Ni-Mn合金触媒合成出来的金刚石，其杂质主要是Ni和Mn。



温度升高导致氮浓度升高。高氮型金刚石中氮的聚集行为直接受温度的影响，随着温度的上升，氮的聚集态转化率会升高，直接导致金刚石内的氮浓度升高。金刚石，俗称“金刚钻”，它是一种由碳元素组成的矿物，是石墨的同素异形体，化学式为C，也是常见的钻石的原身。

均为百分之百。金刚石为纯净物是由碳单质组成的，而纯净物的定义是由同种物质组成的，因此不同金刚石含量均为百分百。金刚石，是一种由碳元素组成的矿物，与石墨互为同素异形体，主要分为天然金刚石和人造金刚石两类。