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张鉴新 师殿才
新中国诞生后，人民政府为治理黄河水害，进行黄河流域水利水电枢纽地质勘探工作，1951年至1953年，由燃料工业部水电局承担黄河流域选坝的地质钻探；1954年之后由地质部水文地质局和当时的电力部(后为水利电力部)水电局等共同承担黄河三门峡的初设和技施设计的地质勘探工作。
黄河流域选坝址钻探，1951年至1953年，先后完成由刘家峡至三门峡的坝址，计有：
1951年，黄河朱喇嘛峡；
1952年，黄河三门峡、刘家峡、牛鼻子峡、龙口；
1953年，黄河小沙弯、万家寨。
上述选坝址钻探，水电局任命汪鸿为队长，张鉴新、吴中浩、原应亨为副队长，并组成三个分队，分别承担以上钻探工程，经过朱喇嘛峡、三门峡两个选坝的实际工程中，培训50多名钻探人员，特别是通过三门峡培训的钻探人员，多成为全国水利水电地质钻探队伍中的主要技术力量。
在上述选坝钻探中，除少数钻孔，试用直径为?73mm的铁砂钻头外，均用小孔径金刚石钻头钻孔，这些金刚石钻头是1946年至1947年，美国人承担长江三峡选坝钻探用的器材，新中国诞生后，属燃料部所有。
1954年之后，由于帝国主义封锁我国，金刚石材料严重缺少，改用铁砂钻头钻孔。
金刚石钻头，比铁砂钻头钻孔，钻速快，质量好。
现介绍黄河三门峡选坝钻探，使用小孔径金刚石钻头钻进技术，并以砥柱石、张公岛、神门岛的钻孔为例，说明钻进中的实情。
一、黄河三门峡选坝勘探，使用的小孔径金刚石钻头，是天然金刚石钻头
天然金刚石，其化学成分是纯碳元素，在地下高压作用下，由岩浆中产生，比重为3～3.52，按莫氏硬度标准，金刚石硬度为10，在10类岩石硬度作标准中，金刚石硬度最高，金刚石重量以克拉为单位计算，米制，一克拉等于200mg( )。钻探用金刚石，一般选用：普通金刚石、透明金刚石(红刚玉)和粉粒金刚石。由相关资料介绍，20世纪40年代，一些国家，如美国、加拿大、南非等国家，广泛使用粉粒金刚石钻头钻孔，用机镶法(相当我国孕镶法)，把粉粒金刚石，锒焊在钻头上，其制作方法有：铸镶法、烧结法和充实法。
美国人承担长江三峡坝址钻探使用的机镶粉粒金刚石钻头，是用充实法制作的，是将粉粒金刚石与金属粉末混合后，再将混合体充实在环状压模上，放入高温下烧结，制成圆环，焊在钻头胎体的底端上。
机镶法，能把较多的金刚石镶焊在钻头上，例如，直径为?46mm(AX型)钻头，可镶焊10克拉以上金刚石，这是手镶法办不到的。
由于金刚石价格贵，为降低成本，国际上多采用小直径金刚石钻头钻孔。
二、使用的钻探设备
(一)钻机：沙利文(水压)100～150型，由汽油内燃机12Hp为动力机。
1.三挡变速：400、600、800转/分钟。
2.使用水压力，加压钻进。钻机立轴两侧各安装一个水压缸，缸体内通过活塞及活塞连杆与钻机立轴上的横梁相连接，活塞受到水泵水压后，推动活塞及活塞连杆，带动立轴上下运行，再由主轴的卡盘，卡住钻杆给钻头加压。
活塞直径约为D0=?80mm；
活塞连杆直径约为d0=?20mm；
3.逰星式起重机：整体结构与我国生产的100～150型油压式钻机相似。
(二)水泵：单缸往复式，Q(水量)=60L/min，P(水压)=30kg/cm2。
(三)钻具
1.钻杆直径近似?42mm。
2.岩心管：双层单动岩心管，钻进中外管转动内管不转动；冲洗液由内外管之间流经岩心管卡簧器的槽口及钻头水口，将岩粉冲洗到岩心管的外管与孔壁之间，流出孔口。
当钻头的水口被岩粉堵住，这时冲洗液经岩心管内管与岩心之间反向流，经异径接头的反出孔，流经岩心管的外管与孔壁之间，冲洗钻头，起到暂时冷却钻头的作用。
钻进中，如水泵的泵压表指针突然增大，即反映钻进中的冲洗液受到堵住现象，需要及时处理，以免发生烧钻事故。
3.锥形岩心卡簧器
锥形长度约25mm，锥度为13.7°，水槽深1.5mm，宽11mm，缺口宽12mm，其上(大)端的外径大于岩心管内管的外径2mm，下(小)端的外径大于钻头唇部的内径2mm，卡簧器的内径小于岩心直径0.1mm。
将岩心卡簧器放在钻头锥形体位置，距钻头底端10～15mm，距岩心管内管底部5mm，当钻头钻进岩层岩心进入钻头内部即被套住，这时钻头转动，而卡簧套住岩心不转，但它却随着钻头进尺，被岩心管的内管压住顺岩心向下移动，待岩心装满岩心管的内管，起钻时，卡簧器在钻头锥体内向下移动、收紧，卡住岩心，随着吊起钻头，把岩心卡断，留在岩心管的内管内，吊出钻孔。
三、钻进
(一)天然金刚石钻头钻孔，需掌握以下知识
1.金刚石硬度高，但富有脆性，碰撞易碎，在钻孔中金刚石钻头不能受到碰撞。
2.前已说明，机镶金刚石钻头，是将制成的粉粒金刚石圈环镶焊在钻头胎体上的底端，钻头下入钻孔底，如被孔底尚留未断岩心(长度1.5cm～2cm左右)，卡住金刚石圈环，若处理不妥当，开动钻机带动钻头，会扭断圈环与钻头胎体的焊接。
1947年在长江三峡南津关选坝钻孔中，1948年初在新安江街口选坝钻孔中，1952年在黄河三门峡选坝神门岛的钻孔中，均发生这种扭断金刚石钻头的严重孔内事故，因此需掌握不会发生这种事故的操作事项。
3.手镶金刚石钻头，在钻进中由于包镶金刚石颗粒的金属体，磨损后易使金刚石松动，因此要经常检查金刚石钻头上的金刚石是否有松动现象，严禁使用有松动金刚石的钻头，以防发生金刚石脱落孔内。
(二)开孔
按照钻孔安全操作规程要求，做好钻机设备安装定位后，钻孔定点位置的岩层面铲平，并凿成直径与开孔钻头直径相等的圆孔，深1～1.5cm。
1.依据钻孔结构，把钻孔导向的开孔钻进工作做好；
开孔不能偏移或偏斜，由于是浅孔，可用?56cm(BX型)手镶金刚石钻头开孔，结合钻具的实际情况，可使用长度1.0～1.5m的短节双层岩心管，每钻的岩心，装满岩心管后取出岩心，累计钻孔深度满足孔口导向管的长度(包括钻孔换径后的岩心管长度)后，下入孔口导向管。
导向管要高出钻场台面2cm，并附有管口保护装置，严防杂物落入孔内，然后改用直径?46mm(AX型)机镶金刚石钻头钻进。
2.下入AX型钻头前，要用十字型钻头清理孔内残留岩心，再下入钻具。
3.为防止AX型钻头开钻后，由于岩粉未尽，AX钻具与导管发生夹钻事故，要用大量冲洗液，清理孔内岩粉，然后慢速小压力钻进，等钻头超过导向管底部10cm以上，可逐渐加快钻速钻进。
(三)下入钻具前的准备工作
1.检查钻头质量要合格，对于同规格两个以上钻头要按新旧或磨损小、磨损大的顺序编号，先用新钻头(或磨损小的钻头)，后用旧钻头(或磨损大的钻头)，否则会发生钻头卡在钻孔狭窄位置，损坏钻头外侧金刚石。
2.卡簧器，放在钻头的锥体内，转动要自如，并加些机油；卡簧内径要小于岩心外径0.1mm，卡簧器弹性要好，锥度要与钻头内部的锥度相同，断口宽≤12mm，高度为25～30mm，放在钻头锥体可高出2mm。
3.拧上或拧下金刚石钻头，应使用专用弓形搬子，严防拧伤钻头上的金刚石。
4.检查扩管器(或扩孔器)上的金刚石是否磨损严重，其外径要大于岩心管外管的外径1mm以上。
5.钻杆、岩心管等丝扣要无损伤，不用弯曲的钻杆和岩心管，要妥善存放钻杆和岩心管，不要受到弯曲压力。
岩心管上，变径接头的输水孔眼要畅通。
(四)选择合适的钻速
1.下降钻具
(1)钻具下入孔底前，要计算孔深所需钻杆的数量，并在最后一根钻杆做出标记，标明钻头降到距孔底15cm，这个标记正落到孔口。
(2)钻头下到距孔底15cm，可将下降钻杆与钻机立轴内钻杆相连接，然后慢速下降，同时向孔内送水，并用小管钳转动钻具，边转动边下降钻头，直至钻头轻轻落到孔底，把残留未断岩心顺利套在钻头内，当手感；转动没阻力，表明孔底状态良好。
2.在孔口返回的冲洗液中，确认孔底岩粉已清理后，钻头在无压状态下开动钻机，由慢速至快速，压力由小到大，逐渐选择合适的钻进速度。
机镶钻头的钻速可达到：
砂岩层中钻进纯进尺可达16.6cm/min。
煤系岩层钻进纯进尺可达15cm/min。
为避免烧坏钻头，冲洗液的水量和水压必需把岩粉及时冲出孔外。
3.水量计算：
水量与钻速相关，黄河三门峡的钻速，可选用煤系岩层的纯进尺15cm/min来计算所需水量，通常按以下计算水量：
(1)Q=FV (1)
式中：
Q=水量(L/min)；
F=孔壁与钻杆之间面积=0.785(D2-d2)；(2)
D=孔壁直径=?(46+3)=?4.9cm
d=钻杆直径=?42mm=?4.2cm
V=冲洗液的流速=a(Uw+UC) (3)
a=水流不均匀系数 选用a=1.2；
Uw=钻屑岩粉在静水中下降速度，可使用；
黄河三门峡水利枢纽工程地质勘察史
K=钻屑岩粉形状系数(按圆球)K=51.1；
δ=钻屑岩粉大小=
Ψ0=钻进不均匀系数=2～3选取Ψ0=3；
S0=最大钻速，煤系，S0=15cm/min；
N=钻头转数，N=400转/分钟；
M=钻头块数，当小水口为二个，M=2；
γN=岩粉比重，2.6；
γI=冲洗液比重，清水，γI=1；
UC=冲洗液带钻屑岩粉上升的速度，可使用：
黄河三门峡水利枢纽工程地质勘察史
F0=孔底钻开相当面积=0.785(D2— ) (7)
=岩石收获折减系数0.7～0.9取 =0.8]]
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