岩石的破岩方式及凿岩合金牌号的选择

时间：2024-07-28

刘华平，余立新

（苏州新锐硬质合金有限公司，江苏苏州 215121）

岩石的破岩方式及凿岩合金牌号的选择

刘华平，余立新

（苏州新锐硬质合金有限公司，江苏苏州 215121）

介绍了岩石种类及破岩方式，指出了凿岩用硬质合金的选择原则。新锐公司针对不同地层和钻进方式开发出了相适应的牌号，并通过多次现场试验考核，各牌号合金的进尺达到了国内先进水平。

凿岩；硬质合金；岩石种类；潜孔钻头；低钴粗晶合金

0 前言

硬质合金的一个重要应用领域就是用于凿岩工具。凿岩用硬质合金的消耗量大约为硬质合金总产量的30%左右。近年，随着我国基础建设投入增加，凿岩硬质合金的使用量有较大幅度增长。现代凿岩条件，对硬质合金的强度、韧性和耐磨性的要求越来越高。从凿岩合金的破岩和磨损机理出发，对合金的基本要求是：抗冲击和耐磨损[1]。因此，正确选用合金牌号是保证有效使用凿岩工具的重要条件之一。选择凿岩合金牌号不仅要考虑到岩石的物理性能（如硬度、磨蚀性等），还要考虑凿岩机的型号（如轻型、重型），岩石的破碎方法（包括切削、剪碎、压碎、击碎）等。

1 岩石种类及破岩方式

自然界的岩石按成因的不同可分为三大类：火成岩、沉积岩和变质岩。

火成岩是由岩浆冷却固结形成的，也叫岩浆岩，是一种硬而且完整的岩石，典型的火成岩有：花岗岩、花岗闪长岩。如果这类岩石没有遭到严重破裂和风化的话，用冲击方法比较容易钻凿，一般来说它们对于旋转式钻凿来说太硬了。

沉积岩多数经历过胶结、压实和再结晶作用，代表性的沉积岩有：石灰岩和砂岩。石灰岩的硬度变化极大，硬的石灰岩可以用冲击式凿岩或用重型旋转式钻机凿岩，而软的石灰岩最好用旋转式钻机凿岩。砂岩是磨蚀性的岩石，一般不能采用旋转式钻机，而使用冲击式凿岩机比较容易钻进。

变质岩是由火成岩及沉积岩经过变质作用形成的，典型的变质岩为石英岩，它是由硅质岩（纯 SiO2）变质形成的，一般采用冲击式凿岩机钻进。

岩石的赋存状态、成分、结构的非均质性和各向异性，使我们难以找到两块成分和物理力学性质完全相同的岩石。岩石的硬度、磨蚀性等特性决定了岩石的可钻性和可爆性，此外还决定了钻进方法。根据岩石的硬度、磨蚀性所确定的最适合的凿岩方法见表1[2]。

2 凿岩用硬质合金的选择原则

选择硬质合金牌号的基本原则是：所凿的岩石愈硬，所选用的合金韧性应愈好。但不宜过软，因为过软会增加合金磨损，同时会降低凿岩效率。对极硬岩石和冲击功大的凿岩机械，应侧重于合金的韧性，选用含钴量较高的合金牌号；对硬而脆，且磨蚀性强的岩石，应侧重于合金的耐磨性，选用含钴量较低的合金牌号；对中硬和中硬以下的岩石，宜选用含钴量较低、硬度较高的合金[1]。

表1 不同岩石所推荐的凿岩方法

上述合金牌号的选择方法只是一个参考原则，在具体凿岩条件下，必须综合考虑诸如岩石的性质、凿岩方式以及凿岩设备的工作参数等。现根据有关专家多年的经验，结合主要岩石，将凿岩合金的使用范围大致划分为五种类型，以供选择牌号时参考，见表2[3]。

由表2看出，凿岩合金的钴含量主要为6%-10%。此外，凿岩合金牌号的选择和钻头类型也有关系。刃片型、球齿型两种凿岩合金的钴含量、硬度及碳化钨平均晶粒度有差别。前者钴含量为8%-11%，硬度HRA87.5-88.0，碳化钨平均晶粒度为2-4μm；后者钴含量为6%-8%，硬度HRA90.0-90.6，碳化钨平均晶粒度为1.6-2.0μm。这是因为球齿钻头主要用于钻进坚硬以下岩层，其头部呈球面型，与孔底接触面积大，能有效承受凿岩时的冲击，其受力状态比刃片型凿岩钻头好得多。刃片型钻头用于极坚硬矿岩条件，要求合金具有很高的韧性，所以必须提高合金的钴含量和晶粒度[4]。

此外，由于低钴粗晶合金可同时获得好的强度和断裂韧性，以及耐磨性，所以在钻进极坚硬地层时，选用的合金牌号可降低钴含量，增加晶粒度。

表2 不同岩石的普氏硬度及所推荐的合适牌号

3 高质量球齿钻头合金牌号的研制

矿用合金的工作环境恶劣，钻进岩层的状况复杂多变。以高气压潜孔钻头为例，在其冲击旋转过程中，冲击器气压可达3MPa，钻头旋转速度为75-100rpm，承受的冲击应力频率达20-50Hz，合金齿同时承受强大的疲劳冲击应力和剪切应力，这就要求钻头配备质量优良的高性能硬质合金。为此，苏州新锐硬质合金公司从WC粉的质量、合金晶粒度、钴相分布及孔隙度方面，对硬质合金的组织结构进行了质量控制，开发出XR061、XR062、JZ08X等新牌号，用于中高气压潜孔钻。表3是新锐公司主要矿用合金牌号介绍。

表3 新锐公司主要矿用合金牌号介绍

3.1 XR062用于中硬岩层的现场试验情况

试验的高气压潜孔钻头体由长沙矿院提供，装配XR062合金，钻头在洛阳市栾川县进行试用。钻进岩层为f10-12的橄榄大理岩，磨蚀性中等，见图1。钻头直径为φ138，钻进气压为1.5-1.8ΜΡa。本次试验的XR062钻头的使用情况见表4。XR062钻头及现场钻头失效后的照片见图2、3。

图1 橄榄大理岩

表4 XR062合金在中硬岩层的使用情况

图2 Z8B15

图3 现场钻头

据了解：在该地层，市场上同类钻头的平均进尺为500m，30%钻头失效形式为中晚期碎齿。两只XR062钻头进尺都在500m以上，钻头的失效形式都为合金正常磨损，说明XR062钻头优于市场上同类产品。

3.2 XR062用于坚硬岩层的现场试验情况

该试验在四川攀枝花进行，地层为f12-16的磁铁矿。钻头直径为φ152，钻头边齿数为 8，中齿数为 7，钻进气压为 1.5-1.7MPa。本次试验钻头的使用情况见表5。失效后的钻头照片见图4，图5。

图4 XR062钻头

图5 现场使用钻头

表5 XR062在坚硬地层的使用情况

由于钻进地层为磁铁矿，属于坚硬而韧的岩石，所有厂家钻头的主要失效形式都为晚期碎齿，属于疲劳断裂。据了解：在该地层，市场上同类钻头的进尺一般为400m，而2只XR062钻头进尺为400m以上，高于市场上同类产品的水平。

3.3 XR061用于中硬岩层的现场试验情况

本次试验的XR061高气压潜孔钻头在揭阳市某石场使用，试验钻进岩层为f12-14的白色花岗闪长岩，见图6。钻头直径为φ115，边齿数为8，中齿数为7，钻进气压为1.8MPa。本次试验钻头的使用情况见表6。XR061钻头的失效形式为合金正常磨损。在钻进f12-14地层，市场上同类钻头的平均进尺一般为180m，两只XR061钻头进尺为185m以上，高于市场上同类产品水平。

图6 f12-14白色花岗闪长岩

表6 XR061在中硬岩层的使用情况