鉆壓是決定硬質合金鉆頭機械鉆速的最重要參數。在圖5--1所示的鉆壓鉆速曲線中,如果在a點鉆壓的基礎上繼續增加鉆壓,其鉆速將呈直線增長。鉆壓增大一倍時鉆速增長率的試驗曲線(圖5-5)也證明了這一點。圖5-5表明,對不同巖石而言,其鉆速增長率對鉆壓的敏感程度是不同的。其中以中硬-硬(Ⅵ——Ⅶ級)巖石最敏感,也就是說,這類巖石增大鉆壓最有效。而Ⅳ——Ⅴ級巖石如果鉆壓過大,將使孔底排粉和冷卻條件惡化,從而阻礙了鉆速的成比例上升;另外Ⅷ——Ⅸ級巖石基本不適宜用硬質合金鉆進,在鉆桿強度允許的范圍內很難通過增大鉆壓來使鉆速呈直線增長。
圖5-5鉆壓增大一倍時,鉆速增長率與巖石級別的關系
在鉆進中,應充分發揮切削具初刃的切入破巖優勢。實踐證明,硬質合金鉆進開始時就應以允許的最大初始鉆壓鉆進。如果初始鉆壓不足,在切削具磨鈍后,再增大鉆壓也不可能獲得好的鉆效。
以上從兩個方面分析了增加鉆壓的意義,在巖石方面--鉆壓是產生體積破碎的決定性因素,尤其在中硬巖層中鉆進時,增加鉆壓對提高鉆速更為有效;在切削具方面--初始鉆壓應取合理的最大值,以充分發揮切削具初刃的優勢。隨著切削具被磨鈍,應逐漸補充鉆壓。但須注意,在鉆進過程中頻繁調整鉆壓可能導致巖心堵塞及鉆孔彎曲。同時,由于孔內鉆柱的振動等原因,鉆頭上的實際瞬時鉆壓值與地表的測量值有較大差距。
目前,還沒有一個公認的能反映上述影響因素的鉆壓公式。在實際生產中,一般根據經驗(表5-1)首先選擇每顆切削具上的壓力值p,然后在鉆進過程中根據鉆速的變化情況,適時加以調整。鉆頭上的總壓力為
P總=p×m(5-11)
式中:p--每顆切削具上應有的壓力;m--鉆頭唇面上的切削具數目。表5-1YG8硬質合金切削具的單位壓力推薦值
巖層切削具形狀單位壓力推薦值p(kN/顆)
Ⅰ——Ⅳ級軟-部分中硬巖石片狀0.40——0.70
Ⅴ——Ⅶ級中硬-部分硬巖石方柱狀0.80——1.20
中八角柱狀0.90——1.40
大八角柱狀1.50——1.80
研磨性大的巖石方柱狀1.20——1.40
中八角柱狀1.20——1.70
如果巖石愈硬,可鉆性級別愈高,p值可取上限;巖石的研磨性越高,p值也應該越大,以免切削具未能有效地切入巖石即被磨鈍;對粘性大,易糊鉆的軟巖,應取比推薦值更小的p值,以免進尺過快,排粉、冷卻困難釀成事故;對裂隙性巖石,也應取較小的p值,以免發生崩刃。
二、鉆頭轉速的選擇
人們長期習慣用轉速n來表述鉆頭的回轉速度,實際上用鉆頭切削具的線速度v更科學,它消除了口徑的影響。兩者的關系為(m/s)(5-12)式中:D--鉆頭平均直徑,m;n--鉆頭轉速,r/min。
選擇鉆頭轉速的主要依據是巖石的性質和破巖的時間效應影響。圖5-2所示的鉆速轉速關系曲線已表明,在軟巖層中鉆進時(曲線Ⅰ)提高轉速的效果最明顯;而在另兩類巖石中(曲線Ⅱ、Ⅲ)由于破巖的時間效應影響更顯著,故鉆速隨轉速而增大的趨勢下降。
所謂時間效應指的是,巖石在切削具作用下,從發生彈性變形-形成剪切體-跳躍式吃入巖石至一定深度,需要一個短暫的時間Δt。即要求承受載荷的切削具在即將發生破碎的巖石表面停留一個短暫的時間Δt,使裂隙得以沿剪切面發育至自由面,才能形成剪切體。如果轉速超過臨界值(n>n0),則切削具作用于巖石的時間小于Δt,巖層中的裂隙尚未完全發育載荷便移走了,從而造成破巖深度減少,甚至使巖石破碎狀態轉化為表面破碎。
巖石的研磨性影響也從另一個角度說明了時間效應的重要性,當轉速過高(n>n0)時,不僅破巖深度減小,而且切削具在單位時間內與巖石的摩擦功明顯加大,切削具快速被磨鈍,造成接觸面上比壓降低,從而使得在巖石中裂紋發育所需的時間間隔更長,對破碎巖石更加不利。
綜上所述,對于較軟的、研磨性較小的巖石,可以用增大轉速的辦法來提高鉆速;而在硬的、研磨性較強的巖石中,轉速過高不僅不能提高鉆效,而且對鉆進過程無益有害。一般推薦的轉速值用線速度表示(表5-2),選擇轉速的取值范圍時,還應考慮到鉆頭形式、沖洗液類型(有無潤滑劑)、鉆機能力、鉆桿柱的強度和切削具的情況,通過綜合分析來確定所需的轉速值。
表5-2硬質合金切削具的線速度推薦值
巖石性質線速度取值范圍(m/s)
軟的、弱研磨性巖石1.2——1.6
中硬的、具有研磨性的巖石0.9——1.2
中硬-硬的研磨性巖石0.6——0.8
裂隙性巖石0.3——0.6
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