可在极坚硬强磨蚀性岩石中实现高效低耗凿岩的φ41mm重型三刃形钎头——山西“阳五高速”佛岭隧道钎头攻关首轮产品的工业考核

张国榉，叶凌云，张汉斌，杨太奎赵书涛，邓美龙，杨海曙，张华庆

（1.中国地质大学（武汉）掘进工程研究所；湖北武汉410083；2.中建交通建设集团有限公司；3.湖北嘉裕管业股份有限公司，湖北咸宁43721）

1 问题的提出

阳泉至五台山高速公路，是山西省东纵干线公路的重要组成部分，全长182公里，按双向四车道设计，路基宽度24.5m。由国家特大型中央企业中国建筑工程总公司投资，中建交通建设集团有限公司承建。2008年1月11日开工迄今，南段阳泉至盂县段已建成；北段五台山至盂县段正紧张施工。北段五盂高速主要工程量之一的佛岭隧道，为分离式特长隧道：正洞右洞全长8805m，左洞全长8803m，隧道净空宽×高为10.25×5.0m，采用钻爆法施工。2011年11月底，佛岭隧道中部1号斜井隧道（坡度每40m交替为1%和7.7%，开挖断面宽×高为13.0×10.0m）施工中，遭遇到极坚硬强磨蚀性石英岩和高硅质花岗片麻岩，原用各种品牌的一字、球齿形钎头纷纷早期报废，钎头消耗量剧增，工程进度剧降，工人劳累不堪重负。这次钎头技术攻关，起因于山西“阳五高速”佛岭隧道1号斜井施工现场的一封技术求援短信。2011年12月3日，北京中建一局的黄常波同志，将此短信转发给了中国地质大学（武汉）的张国榉和张汉斌。

信中主要内容是：一号斜井掌子面开始逐渐进入二级围岩，目前掌子面处于石英岩与花岗片麻岩之间的岩性，颜色呈浅灰色或肉红色，中粗粒结构，片麻状构造，之间夹杂石英微小颗粒，岩体较完整，节理裂隙不发育，硬度特别高。每次钻爆需要磨损近二百个钻头，平常只需几十个钻头就行。同时打钻的时间也比以增加了近三分之二（平常钻爆工序只需3.5小时，每天能爆三炮，共掘进9米以上，现在钻爆工序需花8个多小时，工人太累，每天只能爆一炮，共掘进2.8米）。在此期间我们也使用了其它十几个品牌型号的钻头，时间，磨损程度稍有好转，但不能满足施工要求。目前我们采用的是金龙40梅花柱齿钻头，现在成一个孔需要约半个小时，以前成一个孔只需十一二分钟。钻头情况如表1，岩石状况见图1。

表1

2 调查发现

针对上述施工现场的凿岩条件（极坚硬石英岩、高硅质花岗片麻岩和冲击功率较高的YT-28型气腿式凿岩机），我们认为首先必须解决原用各种一字、球齿钎头的早期片齿碎脱和裤体变形与胀裂问题。实践证明，国内一般厂家包括知名厂家在内的常规钎头产品，已经不能解决问题。施工中暴露的问题是：

图1

①一字形钎头，单位刃长冲击功负荷过大；合金片偏薄、偏矮，抗冲击能力弱；刃锋磨损不均匀、抗径向磨损能力低，出现的扇形钝台和倒锥形磨损，直接导致单位刃耗和径耗进尺减少；由于国内市场的无序竞争，该类产品利润很低，厂家所用硬质合金和钢材材质较差，特别是钢体硬度与强度均难达标，且锥孔偏浅，几何精度较差，一般不考虑国际流行的对锥孔热喷涂软金属涂层或加紫铜皮衬垫——这对使用部门和国家造成的钎头、钎杆耗量大、工程进度慢、工程造价高和资源浪费，反而对这些厂家眼前多卖钎头有利；

②球齿钎头，尤其是具有我国特色的各种“沉底式感应钎焊固齿”小直径球齿钎头，在分布广泛的单轴抗压强度σD≤200MPa的硬脆岩石中，具有刃齿分布合理，破岩效率高，不需要修磨，残齿便于回收利用，且较过盈固齿球齿钎头布齿方便、固齿牢度高、整体坚固性好、钎头最小直径不受限制和制造成本较低的巨大优势，从上世纪八十年代初在我国问世以来，在这种凿岩条件下逐步更新一字形钎头的发展趋势，已经日渐显现。但是，面对“阳五高速”佛岭隧道的极坚硬强磨蚀性石英岩，边齿早期碎齿，刃齿迅速磨钝、磨平而不能重磨，使其对于刃片状钎头的优势丧失殆尽；

③钎头与钎杆的连接、拆卸和修磨方法落后。例如：钎梢与钎头锥孔的连接普遍插入深度不足，锥孔偏浅，钎梢梢端直径偏大。φ22×7°锥孔，配φ19×7°车制钎梢成品钎杆，插入深度不足25mm；配φ20×7°锻制钎梢成品钎杆，插入深度只有16mm左右，且梢面与锥孔壁接触不良；如果钎梢端不能到达钎头锥孔的直壁小端，加上钎头裤体硬度或强度不足，则钎梢端部孔壁工作不久就会被钎梢挤压塑变起台而导致连接破坏，裤体胀裂、断腰、脱钎、钎梢损坏等事故将接踵而至；又如：钎头磨钝后普遍采用手锤砸打卸钎，加剧了钎头裤体和钎梢的变形损伤，缩短了钎头、钎梢的使用寿命；再如：钎头修磨不规范。钎头已经磨钝而不及时更换重磨后再用，打钝钎头导致的钎头、钎杆和凿岩机零件损伤现象较为常见；不同的凿岩工按各自的习惯干磨，导致钎头重磨次数减少，砂轮消耗过快，砂轮机过载烧毁现象也时有发生；

④施工现场不具备符合要求的钎头和钎杆（钎柄、钎梢）专用修复设备。钎头、钎梢都在普通大直径平砂轮上干磨；钎头锥孔胀大了，甚至在砂轮上把新成品钎杆的钎梢磨短使用；钎梢断了，就在砂轮上大致磨尖使用。

以上所发现的四个方面问题造成的综合结果是：在石英岩中，各种品牌常规φ40一字钎头，平均寿命不足4m；较好的φ40弹头四齿球齿钎头，平均寿命不足6m。均一次性使用，打坏为止；在高硅质花岗片麻岩中，各种一字形钎头可重磨2～3次，各种球齿钎头不需修磨，其平均寿命大致相当，约20～30m，少数为合金刃齿磨平，绝大多数为非正常报废。工人一般比较喜用《金龙》牌φ40弹头四齿球齿钎头，也仅仅因其寿命稍长，操作比较省事。

3 对策——新钎头的几何结构参数、材质、制造工艺和使用技术设计

根据上述存在问题，结合我们多年积累的国内外工作经验，主要针对极坚硬强磨蚀性石英岩（自然也适用于坚硬的高硅质花岗片麻岩），我们提出了四项改进建议，并已初步付诸实施：

3.1 提高钎头质量

采用三刃一中水孔双侧水孔几何结构。水孔直径φ5.3mm，确保破岩有效、排粉及时，合金片尺寸调整方便；钎头几何参数确定为钎头直径φ41+0.3mm，裤体直径φ33±0.3mm,钎头锥孔口直径φ22+0.10mm；锥孔角度为7°-2′30″；锥孔小端直径φ18+0.10mm；孔底直壁深度5mm；孔底半球拱形半径9mm；锥孔总深47±0.3mm，以确保φ18×7°成品钎杆钎梢有效插深达到33mm左右；钎刃合金片名义尺寸为半圆头型长×厚×高=17×10×18mm，其细部尺寸参数按相关企标执行；合金片底部平面至锥孔顶部距离为6～8mm；钎头总高为73±0.5mm；钎头大端隙角为3°；钎头大端高度为25mm；钎头刃翼厚度为23±0.15mm；其它细部参数按产品图纸的要求执行。钎头几何结构参数确定后，合金片采用国内经过真空-加压烧结或真空-气淬热处理的优质凿岩硬质合金牌号，如中南大学研制的YJ1·1R（Co含量9%，晶粒度2.0～2.5μm，硬度HRA87.5～88.5，抗弯强度σbb≥2600MPa）和G308（Co含量8%，晶粒度1.8～2.2μm，硬度HRA88.5～89.0，抗弯强度σbb≥2500MPa）；成都天源硬质合金工具有限公司研制的N-2合金（“一步法”物理冶金新工艺制粉，形成WC平均晶粒度为3.2μm粗晶粒非均匀结构基体合金，包覆0.8～1.0μm细晶非均匀结构团粒的晶粒组织结构异同、力学性能良好的非均匀包覆结构合金。N-2合金钴含量为9.5%，6MPa真空低压烧结，孔隙度低于A02B00C00，硬度HRA88.5～89.0，抗弯强度σbb≥2800MPa）；钢材选用具有超级钢特征（高洁净度、超细晶粒、高均匀度）的24SiMnNi2CrMo、25SiMnNiCrMoV(XGQ25)或40MnMoV空冷洁净钢，以确保新钎头在感应加热钎焊固片空冷（或风冷）条件下，钎头钢体具有足够的强度（抗拉强度σb≥1500MPa）和硬度（头部表面硬度达到HRC40左右，裤体表面硬度达到HRC35左右）。为此，在钢材订货时应明确提出较高的钢质标准。例如：φ32mm锻坯料或φ42mm机加工棒料，要求选择由50吨以上电弧炉熔炼（EBT），经过炉外精炼（LF）和真空脱气（VD）处理，并具有高压缩比的连铸连轧棒坯；每炉产品各钢号化学元素目标成分（%）含量波动范围（已注明者除外）≤0.015%；P≤0.014%；S≤0.009%；氧含量≤0.0012%；非金属夹杂物尺寸≤8μm，达到优质轴承钢水平；平均晶粒度细至7级以上；低倍组织不得有缩孔、汽泡、裂纹、夹杂、翻皮、白点、晶间裂纹，点状偏析、锭型偏析≤1级，中心和一般疏松≤1级，棒坯不允许有明显的脱碳层（总脱碳层深度[铁素体+过渡区]应小于棒坯直径的0.1%），从而保证钎头钢体经过机加工、焊接、热处理等工艺后，其机械性能实现窄带供货（同炉号同批次钢材钎头成品表面硬度变化范围≤3HRC）；焊料选用湖南“三一集团”或武汉铜材厂生产的801号成品焊料。这是一种Cu-Zn-Mn-Co系合金。其成分(%)为Cu58、Zn36、Mn4、Co2，熔点为911℃，线胀系数17.12×10-6（mm/m·℃）；铸造抗拉强度σb≥420MPa，轧材抗拉强度σb≥600MPa，铸造伸长率≥20%，焊缝抗剪强度≥300MPa，具有良好的抗多冲击疲劳性能；焊剂选用脱水硼砂粉（Na2B4O7）。它由五缩四原硼酸钠（Na2B4O7·10H2O）加热脱水炼制后机械粉碎而成，在钎头感应钎焊固片时，对合金片、焊液和钎焊面发挥润湿、清洁、排渣和绝氧保护的作用，确保获得均匀、饱满的坚实焊缝。钎头几何结构参数与材质确定后，制造工艺对钎头成品质量将起到决定性作用。要求作到：

（1）严格按产品图纸和技术要求进行机械切削加工；

（2）精确配片。包括焊接组件的准备、精度检测和清洗、干燥；焊缝间隙的调整（用厚薄规测量，双侧缝厚可控制到0.25～0.30mm）；所购合金片内侧刃尖如未倒角，应在焊前作1×45°倒角；钎头钢体如需滚刻标记，也应在焊前完成；

（3）感应钎焊固片和热处理。可选用10～40kH的中频或超音频设备，由有经验的熟练技工进行单支整体感应加热钎焊固片，须确保双侧焊缝均匀饱满；钎头头部与裤体加热温度与焊接后空冷保温方式，视季节环境而定，须保证头部和裤体表面硬度分别达到HRC40和HRC35左右；

（4）焊后修磨与成品清理。钎头大端需用外圆磨床修磨3°斜角锥面；修磨三刃钎头刃面（假定成品钎头刃角α=110°），需用专用的三刃钎头砂轮修磨机，所用成型砂轮的锥角θ=146°44′，进刀仰角γ=31°13′；刃翼外侧棱尖须按图纸要求倒棱、倒角；钎头内外表面喷砂或喷丸处理后，尽可能在锥孔内热喷涂Zn-Al合金软金属涂层，然后喷漆、包装、入库。

3.2 科学使用，充分发挥钎头的工作潜力

针对凿岩条件设计、制造出高性能钎头后，科学的钎头使用技术和方法，是充分发挥钎头、钎杆工作潜力，确保钎头、钎杆、凿岩机工作稳定，钻速快，寿命长，从而实现高效、低耗凿岩的最终保证。首先必须领导重视，努力培训出资质合格、技术熟练的优秀凿岩工，能够理论联系实际，自觉地克服困难，创造条件，坚决贯彻实施钎头科学使用三原则：

（1）正确连接。

φ41mm重型三刃钎头采用φ22×7°-φ18mm锥孔，建议配用“贵钢”、“三占”、“三山”等知名厂商生产的φ18mm×7°车制钎梢的优质成品钎杆，确保钎梢插入钎头锥孔的深度达到33mm左右，并且梢孔锥面均匀接触，不能前紧后松，也不能过量后紧前松。在整过钎头使用过程中，锥孔壁不能起台，锥孔内外表面不允许出现塑性变形，所有变形应控制在弹性变形范围内；

（2）正确拆卸。

凿岩过程中，应保持距离钎刃外沿5mm处钎刃磨钝刃宽Δ钝≤2.5mm，达到2.5mm时钻速会明显减慢，必须立即卸下钎头，留待重磨后再用，禁止继续使用“打钝钎头”。因为这会造成钎头、钎杆和凿岩机易损件的人为损伤。钝钎头拆卸方法，建议使用中国地质大学研发的DY-I型滑锤式卸钎器，逐步废除落后的手锤砸打卸钎，以求增加钎头重磨次数，防止钎头裤体和钎梢人为变形损坏；

（3）合理修磨。

钎头修磨技术，如同机床工人修磨刀具一样，是一个精细的技术活，应当成为一个合格凿岩工应知应会的必要条件。钝钎头修复的目的，是尽可能恢复钎头原有的几何结构参数。——应按照钎头修磨规范要求，努力作到“勤磨少修”。既恢复其原有的凿岩速度，又尽可能地减少钎刃和砂轮的无谓消耗，以求增加钎头重磨次数，确保钎头直径和残留刃高等强度正常磨损报废，从而最大限度地延长钎头使用寿命，实现高效低耗凿岩。

3.3 建议使用φ41mm重型三刃形钎头（见图2）

图2 山西“阳五高速”佛岭隧道极坚硬石英岩推荐用φ准41mm重型三刃形钎头图

3.4 建议DY-1型卸钎器（见图3）委托成都探矿机械厂加。

4 φ41mm重型三刃形钎头的工业考核报告

时间：2012年4月12日至4月24日

地点：山西省忻州市五台县陈家庄乡3公里处，中建交通建设集团有限公司五盂高速LJ4标项目部佛岭隧道1号斜井工地。

图3 H22、H25mm锥体连接钎具用DY-I型滑锤式缷器图纸

图4 山西“阳五高速”佛岭隧道1号斜井工地的钻架凿岩现场(2012.4.14)

凿岩条件：1号斜井坡度为每40m交替为1%、7.7%缓坡。隧道开挖断面宽×高=13×10m，采用11台YT-28型气腿式凿岩机三层钻架凿岩，见图4。岩石为极坚硬致密块状的石英岩和高硅质花岗片麻岩。岩石的物理力学性质，经岩石薄片和爆破后捡块岩样单轴抗强度检测结果：现场称作石英砂岩的手标本，为灰白色岩石，质地致密、坚硬，小刀刻划不动，约为莫氏硬度7级以上。显微镜下观察：该岩石主要由它形石英组成，粒径在0.4～1.2mm大小，残余碎屑结构，块状构造，浅变质重结晶形成致密状硅质胶结，其中原来的碎屑石英具有广泛次生加大生长边发育。岩石定名为石英岩。其显微组织结构见图5。石英岩和花岗片麻岩单轴抗压强度检测试样及检测结果，见图6和表2。石英岩爆破捡块岩样，单轴抗压强度平均实测值σD=235.8MPa，如换算成原岩试样值，约为259.4MPa，相当普氏坚固性系数f=18；花岗片麻岩捡块岩样，单轴抗压强度平均实测值σD=177.5MPa，如换算成原岩试样值，约为195.3MPa，相当普氏坚固性系数f=16。

图5 “阳五高速”佛岭隧道1号斜井隧道石英岩的显微组织

图6 山西“阳五高速”佛岭隧道石英岩、花岗片麻岩单轴抗压强度试样(2012.5.30)

试钻用钎杆：为《贵钢》H22×108mm钎柄、φ19mm×7°车制钎梢精品钎杆，全长4000、4500mm，质量稳定，但钎梢偏粗，对φ22mm×7°锥孔，钎梢插深不足25mm，见图7。试钻用首批《田野》φ41mm重型三刃形钎头简介：该批钎头共20支，是受中国地质大学（武汉）张汉斌高工委托，按所提供的图纸和YJ1.1R合金片(长×厚×高=17×10×16mm)加工，其外貌见图8。由于该钎头图纸是在相关三刃钎头原图上加注修改，又因时间仓猝，钢材备料不及，工装等准备工作不到位，加工时设计委托方未到现场，致使该批钎头虽然总体上体现了设计意图，但仍存在几点不足：

表2 岩石试验成果表

图7 山西“阳五高速”佛岭隧道用《贵钢》H22×108mm钎柄—长4000、4500mm钎杆-φ19mm×7°车制钎梢残体

图8 山西“阳五高速”佛岭隧道用《田野》φ41mm重型三刃形钎头(2012.1.8)

（1）钎头设计总高73±0.5mm被忽略，使大端高度不必要地加高了5mm；

（2）钢体采用了现有的42Cr Mo钢未按图纸要求，致使钢体硬度与强度指标未能达标，裤体表面硬度值仅HRC20左右，这导致了这批钎头的主要质量缺陷；

（3）侧水孔出水口偏低，这是钎头总高控制失误所致；

（4）钎头刃面、外沿均手工修磨未上工装，也未作钎头头部特别是合金钎刃的细部参数修磨，也在一定程度上影响了这批钎头的内在和外观质量；

（5）因条件尚不具备，锥孔未喷涂Zn-Al合金软金属涂层，裤体未滚刻永久标记。虽然存在以上不足，也在一定程度上影响了钎头的使用寿命（磨次进尺、重磨次数）和钻速，但因钎头总体几何结构参数比较合理、合金片与焊接质量较好，加上科研人员亲临施工现场指导，采用了比较先进的使用技术和方法，一定程度上弥补了这批钎头的先天缺陷，现场试钻表明，这批钎头仍比较好的适应了现场较为苛刻的凿岩条件，杜绝了原用钎头的早期损坏现象，全部实现了正常磨损报废，重磨次数达到了10次以上，使用寿命也因此有了大幅度提高。

图9 一组6支《田野》φ41mm重型三刃形钎头在山西“阳五高速”佛岭隧道1号斜井石英岩中的试钻情形(2012.4.12)

试钻结果：新钎头第一个磨次凿岩试验，在石英岩中进行，见图9。岩石极坚硬，磨蚀性极强，工作面风压约0.6MPa，钎头经强烈冲击工作正常，进尺约1.5m时，钻速明显下降，钎头磨钝刃宽Δ钝已达2.2mm，于是磨次终止。但已足够证明该钎头的抗冲击、抗磨损能力，明显优于原用一字、球齿钎头。由于生产安排，随后13天的试钻，全部在正常生产的以花岗片麻岩为主的隧道掘进工作面进行，见图10。钎头的拆卸与修磨，均在现有修磨条件下，由科研人员用卸钎器卸下已磨钝钎头后，在普通用作修磨硬质合金刃具的小直径（φ250、φ300mm）46或60目绿色碳化硅平砂轮上，按新的修磨规范示范操作（因条件所限，只能干磨）。磨好后的钎头刃锋，一般仍留有0.1～0.3mm前磨次磨损钝台的残痕，即钎头新磨次的起始刃宽Δ始；重磨后钎头刃角一般保持为α刃=105°左右。钎头修磨情况见图11。试钻过程中，全部进尺、钻速数据，均由施工部门组织技术人员跟班测定、记录和整理，经过13天紧张的连续工作，所投入试钻的一组6支φ41mm重型三刃形钎头，全部工作正常，实现了直径、刃高正常磨损报废。其中1、2、3、4、5号钎头残留刃高仍大于8mm，还可工作1～2个磨次。获得的最终数据是：平均使用寿命94.2m；平均钝钻速16.9cm/min；平均磨次数10.33次；平均磨次进尺9.12m/次；平均终径φ38.03mm；平均残留刃高9.18mm。具体数据见表3和图12。首轮φ41mm重型三刃钎头，尽管还存在一些不足，但与原用φ40一字、球四齿钎头在同等凿岩条件比较，使用寿命为原用钎头的3倍以上，纯钻速大致相当，硬质合金有效利用率大幅度提高，仍取得了良好的技术和经济效果，受到了施工部门好评。

图10 一组6支《田野》φ41mm重型三刃形钎头在山西“阳五高速”佛岭隧道1号斜井隧道掘进工作面的试钻情形(2012.4.18)

图11 因陋就简，科研人员用普通砂轮机按规范修磨三刃形钎头

5 结论及建议

图12 《田野》φ准41mm重型三刃形钎头使用效果（山西忻州市五台县陈家庄乡中建交通“阳五高速”LJ4标项目经理部，2012.4.25）

通过半年的紧张工作，以及近半个月的现场工业考核，可以得出初步结论如下：

①φ41mm重型三刃形钎头，是解决“阳五高速”佛岭隧道施工中，在极坚硬强磨蚀性石英岩和高硅质花岗片麻岩所遭遇凿岩难题的正确选择；

②首轮φ41mm重型三刃形钎头在几何结构参数、材质选择、制造工艺和使用技术方法等方面，还有许多需要进一步改进和完善的工作要做，也具有很大的发展空间和潜力；

③φ41mm重型三刃形钎头，在普氏坚固性系数f≥15，单轴抗压强度σD≥200MPa的极坚硬强磨蚀性岩石中，相对于当前我国普遍流行的常规小直径一字和球齿钎头，更有利于实现高效低耗凿岩，因而具有普遍适用价值，值得全面推广使用。

表3 《田野》φ41mm重型三刃钎头使用效果调查统计表

为了推广工作的顺利和进一步提升我国钎具生产厂商长期缺失的售后服务能力，特建议：

①本论文提供的φ41mm重型三刃形钎头和DY-I型卸钎器图纸，不存在知识产权问题，只要对国家和行业发展有利，谁都可以借鉴、复制和进一步创新；

②在我国钎头和钎杆质量已有大幅提升的基础上，为进一步提高凿岩速度、改善工人作业条件、方便生产管理、加快工程进度和降低工程造价，应针对不同凿岩条件，加速研发和推广小直径一字、三刃、球齿形硬质合金整体钎子的步伐；

③由钎具科研、生产、使用部门三结合，尽速研发出物美价廉的三刃形钎头和三刃形整钎修磨机；

④较大型或固定的采掘工程部门，应建有比较先进适用的修钎房。该修钎房设备应包括车床、砂轮锯、钎头或整钎修磨机、适当功率感应加热炉和小型锻钎机等，由专职技工负责修磨钎头、修复钎杆的钎柄和钎梢。

致谢：这次钎头技术攻关和论文撰写过程中，得到了北京中建一局黄常波，中南大学周建华、周德富、成都天源硬质合金工具有限公司邓治洲、邓海宇、湖北嘉裕管业股份有限公司罗新南、金成勇、中建交通建设集团山西“五孟高速”LJ4标项目部秦志红、胡丁宁、任宪章、李和利、邱志发、杨宾、郑天鹏、苏宏恩、中国地质大学（武汉）胡民安、郭蔓丽、彭凤娟、武汉尼佳数码图文公司郭邦山等同志的大力支持和帮助，谨表谢意。

[1]张国榉等.凿岩钎具的设计、制造和选用[M].湖南科学技术出版社，1986.10

[2]张国榉等.极坚韧岩石用特重型钎头[M].中国地质大学出版社，1988.8

[3]洪达灵等.钎钢与钎具[M].冶金工业出版社，2000.9

[4]周建华.矿用硬质合金发展动向分析[J].凿岩机械气动工具，2011，(1):5～11.