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第三章 金刚石钻进 金刚石又称“钻石”，是大自然中最坚硬的宝石。英文中钻石一词，源自希腊文“adnmas”，是“无法征服”的意思。长期以来，人类就利用金刚石特有的坚硬性来钻凿岩石或切割瓷器等。但金刚石以切削具的形式用于钻探工作，则是近百年来的事情。世界上第一台金刚石手摇钻机，出现于1862年，当时用于隧道工程掘进中的爆破孔。此后，金刚石钻进逐渐在一些发达国家中获得应用；由于当时所用金刚石都是大颗粒的高级品，价值十分昂贵，所以它的发展受到了限制，后来随着粉末冶金技术的发展，廉价的细粒金刚石被应用于钻孔技术；从此，金刚石钻进才得到较大的发展。近年来随着人造金刚石和金刚石复合超硬材料的应用，更展示了金刚石钻进技术具有广阔的发展前景，目前，金刚石钻进是矿山勘探中的主要钻进、探矿方法。 我国金刚石钻进技术的研究工作，开始于1957年，1963年制成了表镶天然金刚石钻头。与此同时，人造金刚石在我国也已开始制造；1972年制成了人造金刚石钻头并试用于生产实践中；此后，金刚石钻进技术在我国迅速发展起来，人造金刚石厂和钻头制造车间大量兴起，产品成倍增加，质量不断提高，品种亦不断增多，制造钻头的新方法也相继研究成功。在钻探设备方面还研制出多种适用于小口径金刚石钻进的新型钻机；小口径管材和工具亦形成系列；此外，还研制出各种适用的冲洗液及孔内、地表用的各种仪表。 现今。金刚石钻进技术已推广到全国各行业的矿山勘探中。 金刚石钻进的常用钻具由钻头1、扩孔器2、岩心管3、异径接头4和钻杆5等所组成，如图 31所示。钻头1镶有作为切削具的金刚石以破碎岩石；扩孔器2上也镶有金刚石以修整孔壁；岩心管3以容纳所钻岩心，有单层与双层之分。双层岩心管应用较为广泛。 单层岩心管如图 32(a)所示；卡簧2装在钻头1上方的扩孔器3内，提钻时，卡簧可把岩心卡住并随钻具提出孔外。单管钻具只用于钻进完整地层。双层岩心管如图 32(b)所示；内管7是静止不转的，可容纳岩心使之不受扰动。外管6传递扭矩于钻头1。冲洗液经内外管间隙流向孔底，使岩心不受冲蚀。内管下端装有卡簧2的卡簧座，其作用与单层管相同。 实践证明，金刚石钻进比其它钻进方法有许多优越性，它具有钻进效率高、钻探质量好、孔内事故少、钢材消耗少、成本低及应用范围广等特点。 金刚石钻进的孔径不受限制，最小为28mm，最大达30mm；孔深可超过4000m。因此，它广泛地用于金属和非金属、煤田、石油等地质勘探中，也用于石油、天然气、地下水的开采及其它工程孔上。 金刚石钻进的钻孔倾角不受限制，它不仅能钻垂直孔、斜孔，还能钻水平孔和仰孔，因此，它可广泛用于隧道掘进工程及矿山坑道中钻凿爆破孔和追索矿体的勘探孔钻进中。 图 31 钻具组成 1—钻头；2—扩孔器；3—双层岩心管；4—异径接头；5—钻杆 图 32 单层、双层岩心管 a—单层管；1—钻头；2—卡簧；3—扩孔器；4—岩心管； b—双层管；1—钻头；2—卡簧；3—卡簧座；4—短截管；5—扩孔器；6—外管；7—内管 第一节 钻探用金刚石 一、金刚石的分类 金刚石是迄今为止人类发现的最坚硬的研磨切削材料，它在机械、采矿、冶金、光学仪器、电子等工业部门得到广泛的应用。地质钻探用金刚石约占世界工业金刚石用量的五分之一。якут)，亦称包尔兹 产于俄罗斯的雅库特．结晶似刚果。 (二)人造金刚石 1．单晶 人造单晶是人造金刚石的基本品种。由于合成时使用的触媒不同，因而具有不同的颜色。目前，生产的以不同深浅的黄绿色晶体及含硼黑色晶体为主，是我国金刚石钻探使用的主要品种。 2．聚晶 是由细小的金刚石微粒(直径大约在1～100μm之间)，在粘结剂参与下烧结而成的较大颗粒的多晶金刚石。聚晶的形状可根据需要制成圆柱形、三角形或其它多边形状或立方形。 3．金刚石复合片 由一薄的金刚石多晶层和较厚的硬质合金层复合而成(PDC)。一般呈圆片状，也可以加工成各种所需形状。粒度中等或偏粗的多晶金刚石的产品，适用于钻探工程。 4．人造卡邦 用人工方法合成，具有与天然卡邦金刚石类似结构的黑色金刚石多晶体颗粒，故称人造卡邦。人造卡邦金刚石是一种子晶间主要形成金刚石－金刚石键（D－D键）界面特性的新型人造金刚石超硬材料，其硬度大、耐磨性好、强度高、韧性好、显微结构致密且各向同性，是在压力P≥8Gpa、温度T≥2200K的超高压高温条件下生长而成的，是一种具有纳米级微结构、杂质含量少、内部应力小、可生长成大尺寸的优质多晶体金刚石。人造卡邦金刚石可用于制作拉丝模、高压喷嘴、地质钻头、金刚石刀具、修正笔、金刚石轴承、硬度计压头等工具和器件。 二、金刚石的化学成分和晶形 (一)金刚石的化学成分 金刚石的化学成分是碳(C)。但在生产过程中常渗入了其他微量元素，因而纯洁的金刚石很少。最常见的杂质是：氮(N)达0.2