CN110567752A - 一种弱胶结软岩取芯装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弱胶结软岩取芯装置及方法，涉及岩石力学技术领域，包括取芯机框架、液压升降模组、电机模组、主轴、钻头、制冷除湿系统、吸尘系统、柔性透明罩和岩块固定装置。取芯机框架包含顶部桁架、立柱、高度调节装置和底座。液压升降模组包括注油模块、流量监测模块以及内部伸缩油缸，油缸与顶部桁架和电机模组相连接，用于控制钻头匀速地升降。钻头通过顶端固定螺纹与主轴固定，电机带动其转动，主轴套筒上的柔性透明罩用来隔绝外界环境。底座上的岩块固定装置能很好的将岩石块体固定，防止取芯过程中的失稳。本发明能够实现各类软岩的高精度取芯，避免了人为因素对试件的二次破坏，提高了取芯效率。

Description

一种弱胶结软岩取芯装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是一种用于弱胶结软岩取芯的装置。

背景技术

我国弱胶结软岩分布广泛，受特殊地理气候环境、沉积过程及地质条件作用形成了其独特的工程性状和物理力学性质，典型特征是强度低、胶结差，在天然状态下，结构较为致密、完整，但遇水后易软化甚至崩解，力学性质不稳定，给我国矿产资源绿色开采及各类工程建设带来巨大的经济损失和安全威胁。如今，对软岩取样加工进行室内试验，研究其物理力学特性已经成为研究软岩工程灾害的必要手段。

软岩室内取样加工的精准度和完整性是测试其物理力学性质准确与否的关键因素。钻头在取芯过程中与岩块摩擦释放大量热能，极易造成钻头损坏和软岩性质的改变。并且取芯过程中，钻头旋转带出大量的粉尘，对操作人员的健康造成极大的损害。所以要采取有效的措施进行降温、除尘。

目前，大多数岩石在取芯过程中使用水来进行降温和除尘，但是这种方法仅限于质地较致密，受水作用较小的岩体，弱胶结软岩因其遇水易软化崩解的特性限制了软岩取芯过程中不能有水的参与。此外，岩石取芯过程中，钻头是非常重要的部件，现在所使用的钻头大都不易于散热和排屑，并且在岩芯取出时会不可避免的产生二次扰动损坏，所以要对钻头进行合理的设计，加快散热和排屑，提高试件的钻取效率，减小扰动。岩块的夹持固定也是一个重要问题，经常会因为岩块尺寸的差异造成加持不稳固致使取芯过程中产生扰动，所以要对岩样固定装置进行合理设计，使其适应不同尺寸的岩块。现在大多数的取芯机都是用手动旋转控制钻头的下降，不能保持一个恒定工作速度，会造成取芯过程中的多次扰动，影响岩样的精度和完整性。为了保证弱胶结软岩取芯的高效和完整性，本发明对现有的取芯设备作进一步的改进，并优化了软岩取芯的方法。

发明内容

为解决上述问题，提高软岩取芯效率和完整性，保持其原有的物理力学性质，为室内试验提供高精度的软岩试件，本发明提供了一种弱胶结软岩取芯装置及方法，具体技术方案如下。

1.一种弱胶结软岩取芯装置，其特征在于，取芯机框架、液压升降模组、电机模组、主轴、钻头、制冷除湿系统、吸尘系统、柔性透明罩和岩块固定装置。取芯机框架包含顶部桁架、立柱、高度调节装置和底座，取芯过程中利用立柱上的高度调节装置来调整取芯机高度，使其与试件尺寸相匹配。液压升降模组包括注油模块、流量监测模块以及内部伸缩油缸，油缸与顶部桁架和电机模组相连接，用于控制钻头匀速地升降。钻头通过钻头顶端固定螺纹与主轴固定，电机带动其转动，并在主轴套筒上用钢箍固定安装柔性透明罩，用来隔绝灰尘、提高制冷效果。底座上的岩块固定装置能很好的将软岩固定，防止取芯过程中的失稳。

2.所述立柱上的高度调节装置是由丝杠机构和圆盘摇把手组成，用来调节取芯机的高度以匹配岩块尺寸高度。

3.所述液压升降模组包括注油模块、流量监测模块以及内部伸缩油缸，油缸与顶部桁架和电机模组相连接。通过注油模块和流量监测模块可以控制油缸伸缩，进而控制钻头升降的速度，针对不同岩性施加不同的速度。

4.所述钻头通过钻头顶端固定螺纹与主轴固定，电机模组带动主轴和钻头一起转动，而主轴外侧是不随之转动的套筒。套筒外侧用钢箍固定有柔性透明罩，将整个底座上的试件所笼罩，并将透明罩底部通过绳索与岩块固定装置的挡板固定，制造一个封闭的环境，防止漏风。此外，吸尘系统和制冷除湿系统通过输气管与透明罩内的环境相通，避免了取芯过程中粉尘的飞扬、降低了钻头取芯过程中的温度。

5.所述吸尘系统包括吸尘器，用来吸收取芯过程中的粉尘；制冷除湿系统包括制冷机和除湿器，用来产生干燥的冷气，给钻头和岩块降温。

6.所述钻头设有钻刃和表面粗螺纹，易于在岩体内部钻进，并且表面粗螺纹可以将碎屑带出，利于排屑；钻头表面粗螺纹的设计减少了钻头与软岩的接触面积，从而减少了热量的产生。钻头上部还开设排屑散热孔，用来排屑和散热。钻头设有顶端固定螺纹，且顶端内部为中空结构。钻头内部安装一垫片，取芯完成后将钻头取下，用顶出柱铁通过垫片将试件取出，避免了敲击钻头取件的二次损伤。

7.所述底座岩块固定装置包含前后左右四块挡板，与底座固定焊接。挡板内部设有夹板，夹板上附着一层橡胶垫，在固定软岩时用来减震和防滑。推进螺杆控制夹板沿底座轨槽移动，用来固定不同尺寸的岩块。其中挡板和夹板均为钢制材料。

8.一种软弱岩石取芯方法，利用本发明所述的一种软弱岩石取芯装置，其特征在于，步骤包括：

第一步，装置调试：

首先将垫片安放在钻头内部，然后通过钻头顶端固定螺纹将钻头安装在主轴上。将岩块放置在底座上，通过底座的推进螺杆和夹板固定岩样。之后调整取芯机立柱上的高度调节装置，使钻头下降到大约与软岩高度相持平的状态。调试液压升降模组，看其能否正常匀速地升降。

第二步，组装工作部件：

在主轴套筒上用钢箍固定安装柔性透明罩，将整个岩石块体笼罩，使其与外界环境隔绝。之后将透明罩底部通过绳索与岩块固定装置的挡板固定，制造一个封闭的环境，防止漏风。将吸尘系统和制冷除湿系统分别通过吸尘管和输气管与透明罩内环境相通，确保管路与透明罩的连接处紧密，防止漏气影响降温除尘的效果。

第三步，软岩取芯：

打开电机、吸尘系统、制冷除湿系统，调整液压升降系统的速度，使钻头在自转过程中以一个恒定速度下降。钻头取芯过程中将通过钻头表面粗螺纹和排屑散热孔把碎屑排出，柔性透明罩防止粉尘外泄，吸尘系统将粉尘吸纳，制冷除湿系统给钻头和岩块降温，同时避免了空气中的水汽对软岩的影响。

第四步，岩芯取出及装置处理：

当钻头即将钻透岩块时，关闭电源，同时将钻头缓慢提升。钻头脱离岩块后，将其卸下，之后用顶出柱铁通过垫片将试件取出，避免了敲击钻头取芯时的二次破坏。将取出后的试件用保鲜膜包裹，置于阴凉处。最后将液压升降模组复位，并对吸尘系统内的粉尘进行清理，以免对下次使用造成不便。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供的弱胶结软岩取芯装置，通过液压升降模组来实现钻头的匀速升降，可以在取芯的过程中实现一次高精度取芯，避免手动取芯对岩芯造成的多次扰动破坏。另外可以通过钻头下降速度和下降时间来计算钻头内岩芯的长度，还可以针对软岩的尺寸来控制液压升降系统的行程，避免钻头钻透岩样触及底座而造成损坏，此举措很大程度上解放了人力，提高了取芯精度。

(2)本发明提供的弱胶结软岩取芯装置，取芯机中间立柱通过圆盘摇把手和丝杠机构实现上下升降，用以适应岩样尺寸，使钻机高度能够略微高于岩样，便于取芯作业。岩样底座的岩块固定装置采用四面固定的方式，通过螺杆控制夹板在轨槽中的位置以适应不同尺寸岩样，并在夹板上附着一层橡胶垫进行防滑减震。

(3)本发明提供的弱胶结软岩取芯装置，采用制冷除湿系统中的制冷机对钻头进行降温，同时利用除湿器消除水汽对软岩试件的影响。利用吸尘机、吸尘管，吸尘罩等对取芯过程中的粉屑进行处理，柔性透明罩隔绝了取芯环境与外部环境的联系，防止漏风影响除尘和降温的效果。

(4)本发明提供的弱胶结软岩取芯装置，钻头外壁上设计有表面粗螺纹和排屑散热孔，用以散热和除尘。钻头设有钻刃和表面粗螺纹，易于钻头钻入岩体，并且表面粗螺纹和排屑散热孔会将粉尘带出，达到了很好的排屑效果。此外，钻头表面粗螺纹设计会减少钻头与软岩的接触面积，减少摩擦产生的热量。钻头设有顶端固定螺纹，且顶端内部为中空结构，钻头内部安设垫片，取芯完成后将钻头取下，用顶出柱铁通过垫片将试件取出，解决了岩芯卡在钻头里的问题，避免了敲击钻头取件的二次损伤。

附图说明

图1是弱胶结软岩取芯装置结构示意图；

图2是钻头主视图和剖面图；

图3是底座岩块固定装置俯视图。

图中：1-顶部桁架；2-液压升降模组；3-电机模组；4-可升降空间；5-立柱；6-底座；7-高度调节装置；71-丝杠机构；72-圆盘摇把手；8-钻头；9-主轴；91-主轴套筒；92-钢箍；10-注油模块；101-伸缩油缸；11-流量监测模块；12-吸尘系统(吸尘器)；131-吸尘管；132-输气管；111-制冷除湿系统；14-除湿器；15-制冷机；16-柔性透明罩；222-岩块固定装置；17-左挡板；18-左夹板；19-前挡板；20-右夹板；21-右挡板；22-推进螺杆；23-软岩；24-橡胶垫；25-后挡板；26-后夹板；27-前夹板；28-轨槽；29-钻头顶端固定螺纹；30-排屑散热孔；31-钻头表面粗螺纹；32-钻刃；33-垫片；34-顶出柱铁。

具体实施方式

结合图1至图3所示，本发明提供的一种软岩取芯装置及方法，具体实施方式如下。

为了提高软岩取芯效率和完整性，保持其原有的物理力学性质，为室内试验提供高精度的软岩试件，本发明提供了一种弱胶结软岩取芯装置及方法。

如图1所示，一种弱胶结软岩取芯装置包括，顶部桁架1、立柱5、高度调节装置7、底座6、液压升降模组2、电机模组3、主轴9、钻头8、制冷除湿系统111、吸尘系统(吸尘器)12、柔性透明罩16和岩块固定装置222。取芯过程中利用立柱5上的高度调节装置7来调整取芯机高度，使其与软岩尺寸相匹配。液压升降模组2包括注油模块10、流量监测模块11以及内部伸缩油缸101，油缸与顶部桁架1和电机模组3相连接，用于控制钻头8匀速地升降。钻头8通过钻头顶端固定螺纹29与主轴9固定，电机模组3带动其转动，并在主轴套筒91上用钢箍92固定安装柔性透明罩16，用来隔绝灰尘、提高制冷效果。底座6上的岩块固定装置222能很好的将软岩23固定，防止取芯过程中的失稳。

所述立柱上的高度调节装置7是由丝杠机构71和圆盘摇把手72组成，用来调节取芯机的高度以匹配软岩尺寸高度。液压升降模组2包括注油模块10、流量监测模块11以及内部伸缩油缸101，油缸与顶部桁架1和电机模组3相连接。通过注油模块10和流量监测模块11可以控制油缸伸缩，进而控制钻头8升降的速度，针对不同岩性施加不同的速度。

所述钻头8通过钻头顶端固定螺纹29与主轴9固定，电机模组3带动主轴9和钻头8一起转动，而主轴外侧是不随之转动的主轴套筒91。主轴套筒91外侧用钢箍92固定有柔性透明罩16，将整个底座上的试件所笼罩，并将透明罩底部通过绳索与岩块固定装置222的挡板固定，制造一个封闭的环境，防止漏风。此外，吸尘系统(吸尘器)12和制冷除湿系统111分别通过吸尘管131和输气管132与透明罩内的环境相通，避免了取芯过程中粉尘的飞扬、降低了钻头取芯过程中的温度。其中，吸尘管131和输气管132的内径均为30mm。制冷除湿系统111包含除湿器14和制冷机15，制冷机15用来制造冷气给钻头8降温，除湿器14用来将冷气干燥处理，避免水汽对软岩23造成影响。

如图2所示，所述钻头8内径50mm、壁厚5mm、高度130mm。钻头设有钻刃32和钻头表面粗螺纹31，螺纹深度2mm，易于钻头在岩体内部的钻入，并且钻头表面粗螺纹31可以将碎屑带出，利于排屑。并且，钻头外表面的螺纹设计减少了钻头与软岩的接触面积，从而减少了热量的产生。钻头上部还开设排屑散热孔30，直径5mm，用来排屑和散热。钻头设有钻头顶端固定螺纹29，且内部为中空结构。钻头内部安装一垫片33，直径为50mm。取芯完成后将钻头8取下，用顶出柱铁34通过垫片33将试件取出，避免了敲击钻头8取件的二次损伤。

如图3所示，所述底座岩块固定装置222包含前挡板19、后挡板25、左挡板17和右挡板21，均与底座6固定焊接。挡板内部设有前夹板27、后夹板26、左夹板18和右夹板20，夹板上附着一层橡胶垫24，在固定软岩时用来减震和防滑。推进螺杆22控制夹板沿底座轨槽28进行移动，用来固定不同尺寸的岩块，其中挡板和夹板均为钢制材料。

一种软弱岩石取芯方法，利用本发明所述的一种软弱岩石取芯装置，步骤包括：

第一步，装置调试：

首先将垫片33安放在钻头8内部，然后通过钻头顶端固定螺纹29将钻头8安装在主轴9上。将软岩23放置在底座6上，通过底座6的推进螺杆22和夹板固定岩样。之后调整立柱5上的高度调节装置7，使钻头8下降到大约与软岩23高度相持平的状态。调试液压升降模组2，看其能否正常匀速地升降。

第二步，组装工作部件：

在主轴套筒91上用钢箍92固定安装柔性透明罩16，将整个软岩23笼罩，使其与外界环境隔绝。将吸尘系统(吸尘器)12和制冷除湿系统111分别通过吸尘管131和输气管132与柔性透明罩16内环境相通，确保管路与透明罩的连接处紧密。将透明罩底部通过绳索与岩块固定装置222的挡板固定，制造一个封闭的环境，防止漏气影响降温除尘的效果。

第三步，软岩取芯：

打开电机模组3、吸尘系统(吸尘器)12和制冷除湿系统111，调整液压升降模组2的速度，使钻头8在自转过程中以一个恒定速度下降。钻头8取芯过程中将通过钻头表面粗螺纹31和排屑散热孔30把碎屑排出，柔性透明罩16防止粉尘外泄，吸尘系统(吸尘器)12将粉尘吸纳，制冷除湿系统111中的制冷机15产生冷气给钻头8降温，除湿器14进行除湿，避免了空气中的水汽对软岩23的影响。

第四步，岩芯取出及装置处理：

当钻头8即将钻透软岩23时，关闭电源，同时将钻头8缓慢提升。钻头8脱离岩块后，将其卸下，之后用顶出柱铁34通过垫片33将试件取出，避免了敲击钻头取芯时的二次破坏。将取出后的试件用保鲜膜包裹，置于阴凉处。最后将液压升降模组2复位，并对吸尘系统(吸尘器)12内的粉尘进行清理，以免对下次使用造成不便。

Claims (8)

1.一种弱胶结软岩取芯装置，其特征在于，取芯机框架、液压升降模组、电机模组、主轴、钻头、制冷除湿系统、吸尘系统、柔性透明罩和岩块固定装置；取芯机框架包含顶部桁架、立柱、高度调节装置和底座，取芯过程中利用立柱上的高度调节装置来调整取芯机高度，使其与软岩尺寸相匹配；液压升降模组包括注油模块、流量监测模块以及内部的伸缩油缸，油缸与顶部桁架和电机模组相连接，用于控制钻头匀速地升降；钻头通过顶部固定螺纹与主轴固定，电机带动其转动，并在主轴套筒上用钢箍固定安装柔性透明罩，用来隔绝灰尘、提高制冷效果；底座上的岩块固定装置能很好的将岩石块体固定，防止取芯过程中的失稳。

2.根据权利要求1所述的一种软弱岩石取芯装置，其特征在于，所述立柱上的高度调节装置是由丝杠机构和圆盘摇把手组成，用来调节取芯机的高度以匹配岩块尺寸高度。

3.根据权利要求1所述的一种软弱岩石取芯装置，其特征在于，所述液压升降模组包括注油模块、流量监测模块以及内部伸缩油缸，油缸与顶部桁架和电机模组相连接；通过注油模块和流量监测模块可以控制油缸伸缩，进而控制钻头升降的速度，针对不同岩性施加不同的速度。

4.根据权利要求1所述的一种弱胶结软岩取芯装置，其特征在于，所述钻头通过顶端固定螺纹与主轴固定，电机模组带动主轴和钻头一起转动，而主轴外侧是不随之转动的主轴套筒；套筒外侧用钢箍固定有柔性透明罩，将整个底座上的试件所笼罩，并将透明罩底部通过绳索与岩块固定装置的挡板固定，制造一个封闭的环境，防止漏风；此外，吸尘系统和制冷除湿系统分别通过吸尘管和输气管与透明罩内的环境相通，避免了取芯过程中粉尘的飞扬、降低了钻头取芯过程中的温度。

5.根据权利要求1所述的一种弱胶结软岩取芯装置，其特征在于，所述吸尘系统包括吸尘器，用来吸收取芯过程中的粉尘；制冷除湿系统包括制冷机和除湿器，用来产生干燥的冷气，给钻头和岩块降温。

6.根据权利要求1所述的一种弱胶结软岩取芯装置，其特征在于，所述钻头设有钻刃和表面粗螺纹，易于在岩体内部钻进，并且表面粗螺纹可以将碎屑带出，利于排屑；钻头表面粗螺纹设计减少了钻头与软岩的接触面积，从而减少了热量的产生；钻头上部还开设排屑散热孔，用来排屑和散热；钻头设有钻头顶端固定螺纹，且钻头顶端内部为中空结构；钻头内部安装一垫片，取芯完成后将钻头取下，用顶出柱铁通过垫片将试件取出，避免了敲击钻头取件的二次损伤。

7.根据权利要求1所述的一种弱胶结软岩取芯装置，其特征在于，所述底座岩块固定装置包含前后左右四块挡板，与底座固定焊接；挡板内部设有夹板，夹板上附着一层橡胶垫，在固定软岩时用来减震和防滑；推进螺杆控制夹板沿底座轨槽移动，用来固定不同尺寸的岩块；其中挡板和夹板均为钢制材料。

8.一种软弱岩石取芯方法，根据权利要求1至6任一项所述的一种软弱岩石取芯装置，其特征在于，步骤包括：

第一步，装置调试：

首先将垫片安放在钻头内部，然后通过钻头顶端固定螺纹将钻头安装在主轴上；将岩块放置在底座上，通过底座的推进螺杆和夹板固定岩样；之后调整取芯机立柱上的高度调节装置，使钻头下降到大约与软岩高度相持平的状态；调试液压升降模组，看其能否正常匀速地升降；

第二步，组装工作部件：

在主轴套筒上用钢箍固定安装柔性透明罩，将整个岩石块体笼罩，使其与外界环境隔绝；之后将透明罩底部通过绳索与软岩固定装置的挡板固定，制造一个封闭的环境，防止漏风；将吸尘系统和制冷除湿系统分别通过吸尘管和输气管与透明罩内环境相通，确保输气管与透明罩的连接处紧密，防止漏气影响降温除尘的效果；

第三步，软岩取芯：

打开电机、吸尘系统和制冷除湿系统，调整液压升降系统的速度，使钻头在自转过程中以一个恒定速度下降；钻头取芯过程中将通过钻头表面粗螺纹和排屑散热孔把碎屑排出，柔性透明罩防止粉尘外泄，吸尘系统将粉尘吸纳，制冷除湿系统给钻头和岩块降温，同时避免了空气中的水汽对软岩的影响；

第四步，岩芯取出及装置处理：

当钻头即将钻透岩块时，关闭电源，同时将钻头缓慢提升；钻头脱离岩块后，将其卸下，之后用顶出柱铁通过垫片将试件取出，避免了敲击钻头取芯时的二次破坏；将取出后的试件用保鲜膜包裹，置于阴凉处；最后将液压升降模组复位，并对吸尘系统内的粉尘进行清理，以免对下次使用造成不便。