Research of diamond bit in Wulong Gold Mine, Liaoning Province
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摘要: 五龙金矿是辽东矿集区的大型石英脉型金矿床，累计黄金储量超过80 t，但随着开采量的增加，目前该矿床开采深度达近千米，保有储量不断减少，所以亟须开展矿区深部找矿研究。在以往研究的基础上，通过钻头胎体配方、金刚石参数及钻头结构等研究，试制高胎块金刚石取芯钻头。现场试验表明：钻头效果显著，机械钻速为1.4 m/h，钻头寿命达到132.2 m，解决了该矿区钻头钻进效率低、使用寿命短的问题。Abstract: The Wulong gold deposit is located in the ore-concentrated district of eastern Liaoning Province. It is a large quartz vein type mine hosting more than 80 tons of gold. However, with the increase of mining volume, the mining depth of the deposit is nearly 1 km, and the retained reserves are decreasing. Therefore, it is urgent to carry out deep prospecting research in the mining area. On the basis of previous studies, a high matrix diamond coring bit was developed through the study of bit matrix formula, diamond parameters and bit structure. The field test indicates that the bit effect is remarkable and that the problems of low drilling efficiency and short service life of original bits in this mining area have been solved.
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Key words:
- diamond bit /
- iron based matrix formula /
- eccentric cutter /
- ultrahigh matrix
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五龙金矿是辽东矿集区的大型石英脉型金矿床，位于丹东市区以西约30 km。自1939年被发现以来，累计黄金储量超过80 t，平均品位为5.35 g/t。随着开采量的增加，目前该矿床开采深度达近千米，保有储量不断减少，步入危机矿山行列[1]，而深部丰富的黄金资源还在等待被发现、开发，但是由于诸多深部探测找矿技术有待突破，阻碍了五龙金矿向“深部进军”的脚步。近年来，随着科技部将五龙金矿矿集区定为重点勘查靶区，并将国家重点研发计划项目3 000 m深钻落地五龙金矿[2]，确立了五龙金矿区的深部找矿工作方向。
在深孔找矿钻探中，金刚石绳索取芯钻进方法有利于减少起下钻的次数和间隔、提高回次钻速或台月效率，从而节约钻进成本[3-5]。但制约金刚石绳索取芯钻进效果的瓶颈是金刚石钻头的钻进效率和使用寿命[6-9]。针对上述问题，很多科研工作者对金刚石钻头胎体进行了研究，如郭庆清等[10]研究了不同胎体弱化颗粒材质对钻头胎体结构、力学性能和摩擦磨损行为的影响；也有对钻头的结构方面进行了研究，如叶宏煜等[11]研究了直角梯形齿金刚石钻头，通过调整直角梯形齿的底角和齿顶宽来调整钻头的工作性能，以适应不同岩石的钻进需要。
本文中，针对五龙金矿区深部硬岩地层特点，开展关于胎体配方、钻头结构和金刚石参数等方面的研究，进而试制金刚石取芯钻头并进行现场试验，观察钻头的钻进效率和使用寿命表现。
1. 五龙金矿区的地层特点
五龙金矿区处于辽东—吉南多金属成矿带西南部，出露的岩石类型包括变质岩、火山岩和侵入岩。区域内岩浆露的岩石类型包括变质岩、火山岩和侵入岩。区域内岩浆活动频繁，形成了一系列花岗质岩石，最早的为五龙岩体，岩性主要为中细粒片麻状黑云母二长花岗岩，其后为燕山期的花岗闪长岩−花岗岩系[11]。
区域构造发育，以北东向和北西向断裂构造为主，褶皱构造次之；局部，特别是五龙金矿区，近南北向，和北西向断裂发育，是金矿体的定位空间（图1）。鸭绿江深大断裂，北东向断裂，以及控矿的近南北向及北西向断裂，形成了较完整的控矿构造体系。
图 1 五龙地区地质−构造−矿产简图Figure 1. Brief diagram of geology, structure and mineral resources in Wulong Area五龙金矿区钻遇地层以中细粒片麻状黑云母二长花岗岩（图2）为主，岩石硬度大、研磨性强，可钻性等级为9～10级。使用普通金刚石钻头钻进时，平均机械钻速不足1 m/h，平均寿命80 m左右；且地层存在局部破碎（图3），易造成金刚石钻头寿命短、钻进效率低等施工难题，严重影响了机台施工效率。
2. 金刚石钻头的研制
2.1 钻头胎体配方材料
结合以往的研究成果，本研究采用预合金粉末状的铁基胎体配方，其热压烧结温度为820 ℃，具有各组分均匀（显微照片见图4）、烧结活性高等优点，可有效降低对金刚石的热损伤，提高钻头胎体性能和把持金刚石的能力。通过室内试验，该铁基胎体配方的基本性能参数如表1所示。
表 1 铁基胎体配方的基本性能Table 1. Basci property of iron-base matrix formula烧结温度
θ / ℃密度
ρ / (g·cm−3)硬度
HRC抗冲击韧性
ak / (J·cm−2)抗弯强度
R / MPa耐磨性
/ 10−5820 9 26.2 8 1617 1.62 2.2 金刚石取芯钻头结构
针对该区硬岩地层，引入偏心齿结构设计，得到的金刚石取芯钻头如图5所示。将切削齿设计为偏心条状的平面结构（图5a）[12]，可将金刚石取芯钻头工作唇面的面积减少35%～45%，进而提高钻进过程中单齿工作压力，以实现硬岩地层的快速进尺；在切削齿后衬位置设计扭面过渡后支撑结构[12]，以保证钻头在钻进过程中的扭转强度和耐冲击性能。图5b所示为在静压力下条件下所模拟的偏心齿金刚石钻头的水力流场，在钻头旋转过程中，液流以一定的体积流量自行排出。可见，偏心布齿配合扭面后支撑设计起到了一定的“自排屑”效果。
针对该矿区破碎硬岩地层，引入高胎体结构[13]，制备如图6所示的高胎块金刚石取芯钻头。其扇形切削齿唇面设计为同心圆尖齿形式，且切削齿间固定了支撑柱（图6a、图6b），保证钻头在钻进过程中的强度，以实现钻头的高效长寿命钻进；在保证钻头配方具有足够耐磨及强度的基础上，通过有限元模拟进行高胎体工作层钻头的水路设计，利用Ansys（CFD）模块对其进行了旋转水力流场模拟，最终计算速度矢量图如图6c所示。从图6c中可见：钻头可以得到充分冷却，有助于提高钻头寿命。
2.3 金刚石参数
对于坚硬岩石，较小粒度金刚石更有利于钻进[14-15]。为了避免过细粒度造成出刃不足，将中等粒度与细粒度金刚石单晶进行混合配料[16]。钻头切削齿设计采用表镶大颗粒人造金刚石 + 孕镶多级人造金刚石的热压胎块，表镶粒度尺寸为1 000～1 180 μm的人造金刚石，孕镶粒度尺寸分别为425～500 μm，355～425 μm和212～250 μm的人造金刚石（图7）。选用品级最好的D90级人造金刚石，其中1 000～1 180 μm的人造金刚石的热冲击韧性值是88（TTI），孕镶的3种人造金刚石的热冲击韧性值是84～86（TTI）[17]。钻头的工作层高度设计为22～25 mm；可根据地层硬度和研磨性，设计相适应的金刚石浓度，并可以添加一定浓度的自锐材料，以改善钻头的表面粗糙度，提高金刚石自出刃比例，达到提高钻效的目的。
2.4 金刚石取芯钻头试制
针对该区的硬岩地层，设计的金刚石取芯钻头的具体参数见表2。钻头的切削齿采用热压法烧结成形后，通过二次镶焊技术将其与钻头钢体进行低温焊接，焊接温度为750 ℃左右，以减少人造金刚石的热损伤。钻头成品如图8、图9所示。
表 2 金刚石取芯钻头参数表Table 2. Parameters of diamond coring bits冠部形
状代号钻头
规格工作层高度
H / mm水口数量
N金刚石浓度
c / %自锐材料质量分数ω / % 金刚石粒度尺寸 d / μm 数量
na ϕ98-62 20 12/10 65 80 425~500 + 355~425 + 212~250 2 b 10/9 80 0 425~500 + 355~425 + 212~250 3 3. 钻头野外试验情况
结合以往的研究基础，将使用上述2种方案制备的孕镶金刚石钻头在五龙金矿区的某钻孔中进行了应用试验。钻头的使用情况见表3，钻头使用后照片见图10、图11。
表 3 金刚石取芯钻头应用试验结果Table 3. Results of application tests on diamond coring bits编号 水口
数量 N寿命
l / m平均机械钻速
v / (m·h−1)备注 a-1 12 15.20 2.30 正常消耗
（568.44~583.64 m）a-2 10 22.31 2.20 正常消耗
（604.17~626.95 m）b-1 10 129.90 1.00 正常消耗
（930.94~1 060.84 m）b-2 9 132.20 1.40 正常消耗
（1 213.05~1 345.25 m）b-3 9 -- -- 扫孔时损坏 
图 10 斜齿孕镶金刚石钻头出井照片Figure 10. Picture of helical impregnated diamond bit after drilling
图 11 高胎块金刚石钻头出井后照片Figure 11. Pictures of diamond bits with high matrice after drilling该钻孔共使用北京探矿工程研究所研制的偏心齿金刚石取芯钻头2只和高胎块金刚石取芯钻头3只。其中偏心齿金刚石取芯钻头的平均机械钻速可达2.2～2.3 m/h，是现用普通钻头的钻速（1 m/h）的2倍以上；但钻头的寿命较低，主要是由于地层破碎导致的钻头的快速消耗，所以其并不适用于该矿区。高胎块金刚石取芯钻头-9齿的平均机械钻速为1.4 m/h，比普通的钻速提高了40%；平均寿命为132.2 m，是普通钻头平均寿命的1.6倍。
4. 结论
经过五龙金矿区的现场试验验证，高胎块金刚石取芯钻头−9齿可有效提高该矿区的机械钻速和寿命，平均机械钻速为1.4 m/h，平均寿命为132.2 m，比现用普通钻头的性能分别提高了40%和60%，表现出优良的钻进性能，较高的施工效率和良好的经济技术效果，可在该类硬岩地层推广应用。
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图 1 五龙地区地质−构造−矿产简图
Figure 1. Brief diagram of geology, structure and mineral resources in Wulong Area
图 10 斜齿孕镶金刚石钻头出井照片
Figure 10. Picture of helical impregnated diamond bit after drilling
图 11 高胎块金刚石钻头出井后照片
Figure 11. Pictures of diamond bits with high matrice after drilling
表 1 铁基胎体配方的基本性能
Table 1. Basci property of iron-base matrix formula
烧结温度
θ / ℃密度
ρ / (g·cm−3)硬度
HRC抗冲击韧性
ak / (J·cm−2)抗弯强度
R / MPa耐磨性
/ 10−5820 9 26.2 8 1617 1.62 
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表 2 金刚石取芯钻头参数表
Table 2. Parameters of diamond coring bits
冠部形
状代号钻头
规格工作层高度
H / mm水口数量
N金刚石浓度
c / %自锐材料质量分数ω / % 金刚石粒度尺寸 d / μm 数量
na ϕ98-62 20 12/10 65 80 425~500 + 355~425 + 212~250 2 b 10/9 80 0 425~500 + 355~425 + 212~250 3
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表 3 金刚石取芯钻头应用试验结果
Table 3. Results of application tests on diamond coring bits
编号 水口
数量 N寿命
l / m平均机械钻速
v / (m·h−1)备注 a-1 12 15.20 2.30 正常消耗
（568.44~583.64 m）a-2 10 22.31 2.20 正常消耗
（604.17~626.95 m）b-1 10 129.90 1.00 正常消耗
（930.94~1 060.84 m）b-2 9 132.20 1.40 正常消耗
（1 213.05~1 345.25 m）b-3 9 -- -- 扫孔时损坏
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