煤田地質勘探中大直徑鉆孔用刮刀鉆頭的設計與應用分析

高相云

摘 要：本文主要分析了煤田地質勘探中大直徑鉆孔用刮刀鉆頭的設計與應用，闡述了在當前形勢下，加強大直徑鉆孔用刮刀鉆頭設計與應用的重要性。針對目前刮刀鉆頭的種類以及切削底層的基本原理進行研究。筆者通過研究，總結和歸納自身多年工作經驗，提出一些加強刮刀鉆頭應用的對策。希望通過本文的分析能幫助相關煤田地質勘探部門提高勘探工作水平和質量，能更好地應對工作中存在的問題。

關鍵詞：地質勘探；刮刀鉆頭；設計；應用

煤田地質勘探是一項十分復雜且重要的工作，勘探工作包括很多方面，而大直徑鉆孔用刮刀鉆頭作為整個煤田地質勘探中鉆機最重要的組成部分，其設計和應用水平將直接影響著整個工鉆機的工作效能和經濟效能，關系著煤田地質勘探工作的進度。因此，探討、分析煤田地質勘探中大直徑鉆孔用刮刀鉆頭的設計和應用具有重要的作用和意義，只有刮刀鉆頭設計和加工工作人員重視工作、研究工作中的問題，最終，才能提高整個煤田地質勘探工作的水平和質量。

1.刮刀鉆頭切削地層的基本原理及種類

根據不同的地質構造我們應該選擇不同形式的鉆孔，并且還要配合不同的破碎方法使其掘削成孔。例如，針對由砂粘土等構造成的非巖層地層，為了達到切削地層的目的，可以使用銳利的鉆刃，同時配合超出地層抗壓強度的壓力之后，在給鉆頭施加旋轉扭矩的同時將鉆刃切入地層。刮刀鉆頭主要的類型是切削型鉆頭，破碎底層的方式主要是通過剪切、刮擠及切削來完成。而且該鉆頭設計、制造方便，比較適用于地質較為松軟的地層。例如，地層主要分布的是泥質膠結的砂巖、頁巖以及泥巖等，就可以通過使用該鉆頭取得非常好的效果。但是，對于堅硬且耐磨性較強的地層中，使用這些鉆頭就具有一定的缺陷，比如說，機械鉆速較慢、鉆頭磨損度較高等問題，同時，還會降低鉆頭的使用周期。刮刀鉆頭在切削底層的過程中最重要的就是要讓刀具克服土壤的阻力，然后排除切削力便可。

2.刮刀鉆頭的設計分析

2.1刮刀鉆頭的結構設計

刮刀鉆頭根據口徑的大小，可以將其分為兩種：一種是前刃和刀翼分離式，主要應用于大口徑樁基施工；第二種是一體式，主要應用于口徑較小的施工中。

鉆頭的基體是鉆頭主要通過絲扣或是法蘭等連接方式與鉆桿相連。鉆頭上的腰帶主要的作用是導正、保徑，同時，還可以強度加固鉆頭翼片。通常情況下，為了能夠取得更好的效果，將其加工為雙腰帶。針對翼片的切削刃，需要根據鉆頭大小的不同，選擇合適的焊接物。大鉆頭的翼片上可以直接加工刀頭或是將直接焊接釬頭；小鉆頭可以通過直接銑刨或是將硬質合金直接焊在翼片上。鉆孔時，鉆頭除了會受到回轉扭矩和軸向壓力的作用外，還要承受相應的載荷作用。因此，只有鉆頭結構簡單且耐磨性強，同時還具備使用周期長、成本消耗低等特點，才能實現鉆孔生產效率高以及鉆孔成本低的目的。

2.2出水口或返水口位置的確定

在實際的施工中，應該為刮刀鉆頭留有足夠的出水或是返水位置，而且返水口一定要比正循環的壓力高以及排量小更大。同時，根據地層的軟硬程度確定水口與鉆頭刃部的實際距離。一般情況下，巖層越軟距離越大。根據相關研究，正循環鉆進距離應該保持在15厘米，而反循環的距離應該保持在20厘米。并且還要控制水口的高度，如果太高循環水流的容易形成死角，導致巖屑淤積，而如果太低，則會形成堵塞。刮刀鉆頭設計應該從兩個方面考慮：減少重復破碎以及防止鉆頭泥包，主要是為了保證水路和孔底的清洗效果。

2.3角度選擇

影響鉆進效果以及鉆頭使用周期的主要影響因素就是鉆頭角度的選擇，鉆頭的角度主要包括兩個方面：一是鉆頭每個刀齒的刀尖角；二是中心鉆頭的中心角。對于翼型鉆頭來說，破土阻力隨著中心角的增加而增大，并且很容易引起刀尖磨鈍的情況，因此，一般采用110b～130b最好。刀尖角的選擇主要根據地層情況確定一個大致范圍。

2.4刀齒的配置

刀齒在設計過程中，為了保證鉆頭壓力復合平衡以及井壁的平整度，鉆頭上的刀齒應該沿著圓周交錯排列，半徑上的總齒面寬能夠剛好布滿，并且在最外圈采取加密的措施。

2.5刀具材料的選擇

影響鉆頭可靠性的主要因素是刮刀鉆頭構件的剛度和強度，同時，這也是保證鉆頭可靠性的基本要求。刀翼在保證有足夠的剛度且不變形的情況下，應該分析和計算構件形狀大小的受力情況。刮刀鉆頭刀具的材料主要采用的是16或是32號鋼作為基體。

3.刮刀鉆頭的實踐應用

某勘探區的地層分布情況主要由泥巖、粉砂質泥巖、砂巖、粉砂及細砂巖、砂礫巖等組成，屬弱膠結或半膠結、代成巖。巖石松軟，膠結疏松。針對這種特殊情況，在鉆探時，施工技術人員使用ZK0906鉆孔，設計孔深750 m，終孔直徑不小于75 mm，直孔鉆進。要求巖（礦）心采取率：巖心采取率不低于65%，煤心采取率不低于75%。鉆孔彎曲度：每鉆進100 m測頂角一次，頂角每百米間距內不超過2°，鉆探工藝是采用Φ60mm外絲鉆桿打Φ91 mm普通雙管，因環狀問隙大，既可用濃泥漿護壁防坍塌、防掉塊、防縮徑，又可以更有效地處理縮徑。

經過多項研究表明，三翼鉆頭與四翼鉆頭在砂夾卵石層、砂層以及表土層等在鉆進工作中功效沒有太大的差別，而四翼鉆頭在砂卵石分布不均勻的地層，磨損度更小一些。在搬放鉆頭時，應該輕拿輕放，避免出現猛烈碰撞的現象。在鉆頭快要接觸到井底前，為了避免憋斷刮刀片，應該先啟動轉盤。

4.結束語

綜上所述，本文主要分析了煤田地質勘探中大直徑鉆孔用刮刀鉆頭的設計和應用。在煤田地質勘探的過程中，由于刮刀鉆頭加工工藝簡單以及結構簡單等特點，具有良好的可靠性，能夠提高地質勘探工作的效率。筆者希望更多的專業人士能投入到該課題研究中，針對文中存在的不足，提出指正建議，為提高我國煤田地質勘探中大直徑鉆孔用刮刀鉆頭的設計和應用工作做出重要的貢獻。

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