CN104596790A - 一种软岩干式取芯装置及取芯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软岩干式取芯装置及取芯方法，它包括取芯钻头、内风式降温系统和外风式吸尘系统。取芯前，先将各部分组装起来并安装在取芯机上；取芯过程中，经过压缩、干燥、冷却后的空气通过环状吹风器注入岩芯管内壁，使钻头与岩石磨削产生的热量快速耗散，降低钻头及岩石试件的温度，并将钻头内壁与岩芯之间残留的岩屑从钻头岩芯管外壁上的排屑口及时排出；同时，吸尘罩与岩石、岩芯管等组成密闭空腔，阻止了岩屑及冷空气的外泄，并将岩屑和热量通过吸尘系统排出。通过以上部件之间的协调运作，实现冷却钻头与排屑双重功能。本发明适合于各类软岩干燥无水取芯，可保证软岩试样结构的完整性，能提高岩样加工质量和取芯效率。

Description

一种软岩干式取芯装置及取芯方法

技术领域

本发明涉及用于岩石室内试验研究取芯装置和方法，尤其涉及一种软岩干式取芯装置及取芯方法。

背景技术

在我国软岩分布广泛，仅泥岩和页岩就占地表所有岩石的50％左右。随着我国矿山开采以及重大基础设施建设的迅猛发展，在工程建设中常揭露软岩地层，由于软岩遇水后软化崩解效应明显，给矿山开采和工程建设带来了大量问题。

因此，开展软岩物理力学性质研究成为岩土工程领域的热点问题之一，室内试验是一种重要的研究手段。

目前在室内实验前，需要对现场采集的岩石进行取芯处理。钻头在钻取岩芯时，会产生大量的岩屑以及热量，若不及时清理岩屑，不仅会阻塞钻头钻进，更会阻碍钻头散热，会导致钻头的磨削、切割刃热量集中，损坏钻头。因此，目前众所周知的取芯钻头在钻取岩芯时用水作为冷却液降温。水不仅可以冲刷掉所钻取的岩屑，同时也可以将钻头与岩石磨削、切割产生的热量快速耗散，起到了排屑、降温至关重要的作用。但是，在钻头钻取岩芯过程中，如果碰到胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的泥岩、页岩等泥质软岩时，由于软岩遇水后发生软化，容易造成软岩软化崩解；有时在取芯机的机械扰动下软岩原有的结构极易发生破坏，导致取芯失败或无法真实的反映软岩的物理力学特性。

所以，在软岩室内试验研究中，常遭遇软岩取芯不完整的难题。有些研究人员采用液氮和液态二氧化碳对钻头进行降温处理；然而，液氮和液态二氧化碳温度过低，对钻头和软岩都有相当大的破坏作用，并且二者无法消除水的影响。

发明内容

为了解决软岩取芯过程中岩屑清理和钻头降温问题，同时保证取芯过程中岩芯的原有结构及物理力学特性不被破坏，本发明提供一种在实验室内对大块岩石进行无水取芯的装置，取名：软岩干式取芯装置。

本发明同时提供利用该取芯装置对软岩进行取芯的方法，可为软岩室内试验提供完整、原态的软岩试件，有利于软岩物理力学特性的研究，保证软岩物理力学试验结果的准确性及可靠性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种软岩干式取芯装置，它包括取芯钻头、内风式降温系统和外风式吸尘系统，其中：

所述的取芯钻头是一个空心钻头，由磨削部分、钻体和钻柄组成；其中钻头的磨削部分设计成若干组磨削刃，每组磨削刃设计成内刃、中刃和外刃三类，内刃、中刃和外刃共同形成空心钻头的磨削面；磨削刃的刃与刃之间留有缝隙，该缝隙形成碎屑流动沟槽；每个磨削刃的外表面都均匀的电镀上粒径为0.5mm的金刚石颗粒；在靠近磨削部分的钻体壁上分布有若干个排屑口；钻柄是空心的，钻柄顶部密封并与岩石取芯机螺纹连接，钻柄的空腔与钻体空腔相通，在钻柄上加工有与钻体空腔相通的进风孔；

所述的内风式降温系统由空气压缩机、吸水干燥装置、冷却器和进风套依次连接而成；进风套是一个内壁带有环槽的部件，进风套上设有与冷却器连接的进风嘴，进风套套在钻柄的进风孔位置上，使进风嘴通过环槽与进风孔相通；进风套上设有密封圈，实现与钻柄之间的旋转密封；

所述的外风式吸尘系统由吸尘机、吸尘管和伸缩式吸尘罩连接组成；伸缩式吸尘罩套在取芯钻头上，伸缩式吸尘罩的顶部设有轴承，通过轴承安装在钻柄上，从而实现取芯钻头在伸缩式吸尘罩内的旋转；

上述的伸缩式吸尘罩的结构是，在一个漏斗罩的小端口上设有能安装在钻柄上的轴承，漏斗罩的大端口上用扎带扎上伸缩管，伸缩管的底端设有用以加固的钢圈。

利用本发明装置对软岩进行取芯的方法如下：

第一步，连接取芯装置

首先，将伸缩式吸尘罩套在取芯钻头上，并通过轴承安装在钻柄上，并保证取芯钻头在伸缩式吸尘罩内自由旋转，伸缩式吸尘罩通过吸尘管与吸尘机相连；将冷却器的风管连接在进风套的进风嘴上；最后，将软岩取芯钻头安装在台式取芯机上；

第二步，软岩加工

将要取芯的软岩上表面加工平整，安放在取芯机底座上，用夹持装置固定；调整底座高度使软岩上表面触及取芯钻头，使吸尘罩钢圈压置在软岩上表面上；

第三步，软岩钻取岩芯

取芯前，打开取芯机、空气压缩机和吸尘机电源开关，开始取芯；随着钻头钻进，伸缩式吸尘罩受压折叠，使得伸缩式吸尘罩一直压在软岩表面上，防止漏风；空气进入空气压缩机内，经过压缩产生一定的压强；压缩后的空气从出气口进入吸水干燥装置，将空气中含有的水气吸收，使压缩空气处于干燥状态；经过干燥的气体再通过冷却器使干燥的空气温度降低；干燥、冷却后的空气通过进风套进入取芯钻头内，再从磨削刃下部排出，使磨削产生的热量快速耗散，降低钻头及岩石试件的温度，残留的岩屑通过取芯钻头上的排屑口排出；切割产生的岩尘经外风式吸尘系统排除，防止在室内扩散；

第四步，钻头取芯

当钻头端部钻取到接近软岩底部时，关闭取芯机电源，提升钻头，关闭空气压缩机、外风式吸尘系统电源；将取芯机上的钻头卸下，用橡皮锤轻轻敲打钻头，使圆柱形岩芯与岩石脱离，将取出的岩芯用保鲜膜包住，放在阴凉处待用。

本发明的有益效果：

本发明在磨削过程中，每类磨削刃只负责1/3左右的磨削工作量，减少了钻头与岩石的摩擦，分散产热区、减少热量集中；采用风流进行降温、排屑，解决了软岩在取芯过程中遇水后易软化崩解的难题，为软岩室内试验研究提供了完整、原态的软岩试件，有利于软岩物理力学特性的研究，保证了软岩物理力学试验结果的准确性及可靠性。

本发明的装置结构紧凑、操作简单、取芯效率快速高效、取芯方法简单可靠，能够实现多种软岩的取芯工作，在软岩取芯以及室内试验研究方面具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明实施例的示意图；

图2是本发明取芯钻头主视图示意图；

图3是本发明取芯钻头内刃、中刃和外刃三类磨削刃的立体示意图；

图4是本发明取芯钻头仰视图；

图5是本发明吸尘罩的示意图。

图中：1-取芯钻头，2-排屑口，3-内刃，4-中刃，5-外刃，6-金刚石颗粒，7-碎屑流动沟槽，8-空气压缩机，9-冷却器，10-吸水干燥装置，11-通风管，12-进风套，13-吸尘机，14-吸尘管，15-吸尘罩，16-伸缩管，17-扎带，18-漏斗罩，19-轴承，20-钢圈，21-进风孔，22-环槽，23-旋转风管，24-进风嘴，25-钻柄，26-螺纹，27-岩石取芯机，28-软岩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

如图1—5所示的软岩干式取芯装置，它包括取芯钻头、内风式降温系统和外风式吸尘系统，其中：

所述的取芯钻头1是一个空心钻头，由磨削部分、钻体和钻柄25组成；钻体内直径为50mm、长度为120mm、壁厚为3mm；其中取芯钻头1的磨削部分设计成六个磨削刃，磨削刃设计成内刃3、中刃4和外刃5三类，内刃3、中刃4和外刃5共同形成空心钻头的磨削面；磨削刃的刃与刃之间留有宽度为2mm的缝隙，该缝隙形成碎屑流动沟槽7；每个磨削刃的外表面都均匀的电镀上粒径为0.5mm的金刚石颗粒6；在距离磨削部分的30mm处钻体壁上分布有三个排屑口2，排屑口2的长×宽＝20×15mm；钻柄25是空心的，钻柄25上部密封并加工有用于与岩石取芯机连接的螺纹26，钻柄25的空腔与钻体空腔相通，在钻柄25上加工有与空腔相通的进风孔21；

所述的内风式降温系统由空气压缩机8、吸水干燥装置10、冷却器9、进风套12用进风管11依次连接而成；进风套12是一个内壁带有环槽22的部件，进风套12上设有与冷却器连接的进风嘴24，进风套12套在钻柄25的进风孔21位置上，使进风嘴24通过环槽22与进风孔21相通；进风套12上设有密封圈，实现与钻柄25之间的旋转密封；

所述的外风式吸尘系统由吸尘机13、吸尘管14和伸缩式吸尘罩15连接组成；伸缩式吸尘罩15套在取芯钻头1上；伸缩式吸尘罩15通过轴承19安装在钻柄25上，从而实现取芯钻头1在伸缩式吸尘罩15内的旋转；

上述的伸缩式吸尘罩15的结构是，在一个漏斗罩18的小端口上设有能安装在钻柄上的轴承19，漏斗罩18的大端口上用扎带17绑扎上伸缩管16，伸缩管16的底端设有用于加固的钢圈20；伸缩管16是直径为70mm的折叠式圆筒，折叠式圆筒每20mm一折，在折叠处内壁周圈上固定有一钢丝圈。

利用本发明的装置对软岩进行取芯的方法，如下：

第一步，连接取芯装置，首先，将伸缩式吸尘罩15套在取芯钻头1上，并通过轴承19安装在钻柄25上，并保证取芯钻头1在伸缩式吸尘罩15内自由旋转，伸缩式吸尘罩15通过吸尘管14与吸尘机13相连；将冷却器9的风管连接在进风套的进风嘴24上；最后，将软岩取芯钻头1安装在台式取芯机27上；

第二步，软岩加工

将要取芯的软岩28上表面加工平整，安放在取芯机底座上，用夹持装置固定；调整底座高度使软岩28上表面触及取芯钻头1，使吸尘罩钢圈17压置在软岩28上表面上；

第三步，软岩钻取岩芯

取芯前，打开取芯机、空气压缩机、吸尘机电源开关，开始取芯；随着钻头钻进，吸尘罩15受压折叠，使得吸尘罩15一直压在软岩28表面上，防止漏风；空气进入空气压缩机8内，经过压缩产生一定的压强；压缩后的空气从出气口进入吸水干燥装置10，将空气中含有的水气吸收，使压缩空气处于干燥状态；经过干燥的气体再通过冷却器9使干燥的空气温度降低；干燥、冷却后的空气通过进风套12进入取芯钻头1内，再从磨削刃下部排出，使磨削产生的热量快速耗散，降低钻头及软岩试件的温度，残留的岩屑通过取芯钻头1上的排屑口2排出；切割产生的岩尘经外风式吸尘系统排除，防止在室内扩散；

第四步，钻头取芯

当取芯钻头1钻取到接近软岩28底部时，关闭取芯机27电源，提升取芯钻头1，关闭空气压缩机8、吸尘机13的电源；将取芯机27上的取芯钻头1卸下，用橡皮锤轻轻敲打钻头，使圆柱形岩芯与岩石脱离，将取出的岩芯用保鲜膜包住，放在阴凉处待用。

Claims (2)

1.一种软岩干式取芯装置，其特征在于，它包括取芯钻头、内风式降温系统和外风式吸尘系统，其中：

所述的取芯钻头是一个空心钻头，由磨削部分、钻体和钻柄组成；其中钻头的磨削部分设计成多组磨削刃，每组磨削刃设计成内刃、中刃和外刃三类，内刃、中刃和外刃共同形成空心钻头的磨削面；磨削刃的刃与刃之间留有缝隙，该缝隙形成碎屑流动沟槽；每个磨削刃的外表面都均匀的电镀上粒径为0.5mm的金刚石颗粒；在靠近磨削部分的钻体壁上分布有多个排屑口；钻柄是空心的，钻柄顶部密封并与岩石取芯机螺纹连接，钻柄的空腔与钻体空腔相通，在钻柄上加工有与钻体空腔相通的进风孔；

所述的内风式降温系统由空气压缩机、吸水干燥装置、冷却器和进风套依次连接而成；进风套是一个内壁带有环槽的部件，进风套上设有与冷却器连接的进风嘴，进风套套在钻柄的进风孔位置上，使进风嘴通过环槽与进风孔相通；进风套上设有密封圈，实现与钻柄之间的旋转密封；

所述的外风式吸尘系统由吸尘机、吸尘管和伸缩式吸尘罩连接组成；伸缩式吸尘罩套在取芯钻头上，伸缩式吸尘罩的顶部设有轴承，通过轴承安装在钻柄上，从而实现取芯钻头在伸缩式吸尘罩内的旋转；

上述的伸缩式吸尘罩的结构是，在一个漏斗罩的小端口上设有能安装在钻柄上的轴承，漏斗罩的大端口上用扎带扎上伸缩管，伸缩管的底端设有用以加固的钢圈。

2.一种利用权利要求1所述的软岩干式取芯装置对软岩进行取芯的方法，其特征在于，

第一步，连接取芯装置

首先，将伸缩式吸尘罩套在取芯钻头上，并通过轴承安装在钻柄上，并保证取芯钻头在伸缩式吸尘罩内自由旋转，伸缩式吸尘罩通过吸尘管与吸尘机相连；将冷却器的风管连接在进风套的进风嘴上；最后，将软岩取芯钻头安装在台式取芯机上；

第二步，软岩加工

将要取芯的软岩上表面加工平整，安放在取芯机底座上，用夹持装置固定；调整底座高度使软岩上表面触及取芯钻头，使吸尘罩钢圈压置在软岩上表面上；

第三步，软岩钻取岩芯

取芯前，打开取芯机、空气压缩机和吸尘机电源开关，开始取芯；随着钻头钻进，伸缩式吸尘罩受压折叠，使得伸缩式吸尘罩一直压在软岩表面上，防止漏风；空气进入空气压缩机内，经过压缩产生一定的压强；压缩后的空气从出气口进入吸水干燥装置，将空气中含有的水气吸收，使压缩空气处于干燥状态；经过干燥的气体再通过冷却器使干燥的空气温度降低；干燥、冷却后的空气通过进风套进入取芯钻头内，再从磨削刃下部排出，使磨削产生的热量快速耗散，降低钻头及岩石试件的温度，残留的岩屑通过取芯钻头上的排屑口排出；切割产生的岩尘经外风式吸尘系统排除，防止在室内扩散；

第四步，钻头取芯

当钻头端部钻取到接近软岩底部时，关闭取芯机电源，提升钻头，关闭空气压缩机、外风式吸尘系统电源；将取芯机上的钻头卸下，用橡皮锤轻轻敲打钻头，使圆柱形岩芯与岩石脱离，将取出的岩芯用保鲜膜包住，放在阴凉处待用。