CN111855275A - 一种岩石取芯装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩石取芯装置及工作方法，包括能够升降且转动的空心杆，空心杆连接有取芯管，取芯管连接有钻头，空心杆内固定有两端伸出至空心杆外的内管，内管顶端一侧设有与液氮瓶连接的且能够升降的外管，内管端部转动至与外管端部对齐时，外管内的液氮能够喷射入内管，液氮瓶的出口阀与第一脉冲控制器连接，内管底端设有套在钻头外周的环形管，环形管设有分别朝向钻头不同位置刀刃的喷嘴，本发明的取芯装置对岩石试件损伤小。

Description

一种岩石取芯装置及工作方法

技术领域

本发明涉及岩石取芯设备技术领域，具体涉及一种岩石取芯装置及工作方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

现阶段室内试验研究以圆柱形岩石试件为主，在制备试件时大多数采用湿法操作。需要用水对取芯机钻头进行冷却并对钻进过程中的粉尘进行降尘，发明人发现，从现场取出的岩石试块的自然状态在剥离岩体、运输、储放过程中已经发生了变化，再对其使用湿法钻孔取芯，对其内部节理裂隙的填充物发生溶蚀、掏蚀等劣化现象，容易对岩石造成二次损伤，从而使岩石强度产生较大影响；同时对于含有膨胀性矿物的泥岩、页岩等软岩在湿法取芯时，泥质矿物发生泥化膨胀，造成钻出岩芯卡在取芯管中，无法取出，最终造成试件断芯等问题，导致出芯率大大降低。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种岩石取芯装置，对岩石试件的影响小，出芯率高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种岩石取芯装置，包括能够升降且转动的空心杆，空心杆连接有取芯管，取芯管连接有钻头，空心杆内固定有两端伸出至空心杆外的内管，内管顶端一侧设有与液氮瓶连接的且能够升降的外管，内管端部转动至与外管端部对齐时，外管内的液氮能够喷射入内管，液氮瓶的出口阀与第一脉冲控制器连接，内管底端设有套在钻头外周的环形管，环形管设有分别朝向钻头不同位置刀刃的喷嘴。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述岩石取芯装置还包括粉尘收集机构，所述粉尘收集机构包括收集盒，收集盒内部设有试件放置台，收集盒扣接有保护罩，保护罩的侧部罩臂采用静电帷幕，静电帷幕通过第二脉冲控制器与电源连接。

第二方面，本发明的实施例提供了第一方面所述的岩石取芯装置的工作方法，空心杆带动取芯管及钻头转动的同时并向下运动，对位于钻头下方的岩石试件进行取芯，取芯过程中，当空心杆转动至外管与内管对齐时，第一脉冲控制器控制液氮瓶的出口阀打开，液态氮通过外管喷射入内管，内管内的液氮经过环形管后由不同的喷嘴喷出，通过喷嘴和环形管对钻头的不同位置刀刃进行冷却。

本发明的有益效果：

1.本发明的钻石取芯装置，具有液氮瓶，采用液态氮对钻头进行降温，液态氮能够迅速气化，避免了对岩石试件的二次损伤，提高了出芯率。

2.本发明的岩石取芯装置，内管能够转动至与外管对齐，且液氮瓶的出口阀与第一脉冲控制器连接，能够通过第一脉冲控制器使得外管内的液态氮以脉冲形式进入内管，进而使得内管内的液氮以脉冲的形式喷射出，且通过喷嘴的设置，液态氮喷射向钻头的刀刃部位，最大程度的减少了液体氮喷射向岩石试件，最大程度的保证了取芯岩石试件的物理力学性质得以完整保持，同时能够延长钻头的使用寿命。

3.本发明的岩石取芯装置，能够利用静电帷幕对取芯过程中产生的灰尘进行收集，且静电帷幕通过第二脉冲控制器与电源连接，当第二脉冲控制器控制静电帷幕断电时，静电帷幕上的粉尘能够落入收集盒中，方便对粉尘进行收集。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明图1中的A处放大图；

图3为本发明图1中的B处放大图；

图4为本发明实施例1内管与取芯管连接示意图；

图5为本发明实施例1环形管与钻头连接示意图；

图6为本发明实施例1粉尘收集机构结构示意图；

其中，1.空心杆，2.转动电机，3.立柱，4.底座，5.电机安装座，6.升降电机，7.丝杠，8.连接臂，9.管古，10.取芯管，11.钻头，12.内管，12-1.第一竖直段，12-2.第一水平段，12-3.第二水平段，12-4.第二竖直段，12-5.环形管，12-6.第一喷嘴，12-7.第二喷嘴，13.液氮存储罐，14.外管，15.安装台，16.伸缩管，17.连接管，18.固定扣，19.液氮瓶，20.第一脉冲控制器，21.电源，22.保护壳，23.收集盒，24.岩石试件，25.调节螺栓，26.静电帷幕，27.第二脉冲控制器，28.控制系统，29.开关，30.电线，31.试件放置台。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的岩石试件取芯方法容易对岩石试件造成二次损伤，且出芯率低，针对上述问题，本申请提出了一种岩石取芯装置。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-图6所示，一种岩石取芯装置，包括空心杆1，所述空心杆能够转动并且做升降运动。

所述空心杆的顶端与转动驱动件连接，所述转动驱动件采用转动电机2，所述转动电机的输出轴与空心杆的顶端固定连接，能够带动空心杆转动。

所述转动电机的电机壳与升降机构连接，升降机构能够通过转动电机带动空心杆做升降运动。

所述升降机构包括竖向设置的立柱3，所述立柱底端与底座4固定连接，所述底座固定在地面基础上，所述立柱的顶端固定有电机安装座5，所述电机安装座上安装有升降驱动件，本实施例中，所述升降驱动件采用升降电机6，所述升降电机的输出轴通过联轴器与轴线竖向设置的丝杠7固定连接，所述丝杠与连接臂8连接，连接臂与立柱滑动连接，升降电机能够带动丝杠转动，进而带动连接臂沿丝杠的轴线方向做升降运动，所述转动电机的电机壳固定在连接臂上。

所述空心杆的顶端与转动电机的输出轴固定连接，空心杆的底端通过管古9与取芯管10可拆卸固定连接，取芯管与空心杆同轴设置，所述取芯管的顶端与管古连接，底端设置有钻头11，所述钻头采用现有的取芯机用钻头即可，包括中刃和设置在中刃上下两端的上刃和下刃。

所述空心杆内固定设置有内管12，所述内管包括第一竖直段12-1，所述第一竖直段与空心杆同轴设置，所述第一竖直段的顶端与第一水平段12-2连接，所述第一水平段端部伸出至空心杆外部，所述第一竖直段的底端伸出至空心杆外部并连接有第二水平段12-3，所述第二水平段布置在取芯管的顶端面上，并通过管古上设置的开口伸出至管古外部，所述第二水平段伸出至管古外部的端部与第二竖直段12-4的顶端连接，所述第二竖直段沿取芯管的管壁外周面设置，且第二竖直段的轴线与取芯管的轴线相平行。

本实施例中，所述取芯管的顶端面和管壁外周面均设置有管槽，所述第二水平段和第二竖直段均布置在管槽内。

所述第二竖直段的底端固定有环形管12-5，环形管内部空间与第二竖直段内部空间相连通，所述环形管的上部沿圆周均匀设置有多个第一喷嘴12-6，所述第一喷嘴朝向钻头的上刃，不仅能够对上刃进行液氮降温，还能够利用喷射的液氮将取芯过程中产生的粉尘吹出，所述环形管的底端沿圆周均匀设置有多个第二喷嘴12-7，所述第二喷嘴朝向钻头的下刃，且其端部与钻头的下刃贴合，所述环形管套接在钻头的中刃外周，环形管能够存储一部分液氮，对钻头进行持久性降温。

本实施例中，所述第二喷嘴设置在漏斗状结构，靠近下刃的端部截面面积大于另一端的端部截面面积，能够将液氮最大程度的辐射到下刃，进行持续降温。

所述第一竖直段上还设置有液氮存储罐13，液氮存储罐能够对液氮进行二次存储。液氮存储管顶端连接的第一竖直段直径大于液氮存储罐底端连接的第一竖直段直径，且液氮存储罐底端连接的第一竖直段直径等于第二水平段及第二竖直段直径，使得液氮存储罐顶端连接的内管管段直径大于液氮存储罐底端连接的内管管段直径。液态氮进入液氮存储罐后，能够进行存储。

所述第一水平段的一侧设有外管14，所述外管为L型管，具有水平部分和竖直部分，所述L型管的水平部分固定在安装台15上，所述安装台与连接臂固定连接，L型管的水平部分能够与第一水平段同轴对齐设置，所述L型管的竖直部分与伸缩管16的一端连接，伸缩管的另一端与连接管17的一端连接，连接管的另一端与液氮瓶19的出口阀连接，连接管通过固定扣18与立柱固定连接。

在伸缩管的作用下，外管能够随连接臂做与第一水平段同步的升降运动，当第一水平段转动至端部与外管的水平部分端部对齐时，外管内的液态氮能够喷射进入第一水平段。

所述液氮瓶的出口阀与第一脉冲控制器20连接，第一脉冲控制器安装在安装台上，且通过电线30与安装台上的电源21连接，电源能够对第一脉冲控制器供电，第一脉冲控制器能够输出脉冲信号，控制液氮瓶的出口阀间歇性打开。且脉冲周期与转动电机的转速相对应，使得脉冲控制器输出脉冲使得出口阀打开时，转动电机正好驱动内管的第一水平段与外管的水平部分端部对齐。

第一脉冲控制器使得外管内的液态氮以脉冲形式进入内管，进而使得内管内的液氮以脉冲的形式喷射出，且通过第一喷嘴和第二喷嘴的设置，液态氮喷射向钻头的刀刃部位，最大程度的减少了液体氮喷射向岩石试件，最大程度的保证了取芯岩石试件的物理力学性质得以完整保持，同时能够延长钻头的使用寿命。

所述液氮瓶放置在底座上，且其外周设有保护壳22，保护壳用于对液氮瓶进行保护。

所述岩石取芯装置还包括粉尘收集机构，所述粉尘收集机构设置在钻头的正下方，包括收集盒23，所述收集盒内部设置有试件放置台31，所述试件放置台用于固定岩石试件24，所述收集盒的四个盒壁上均连接有调节件，所述调节件用于调节试件放置台的位置，所述调节件采用调节螺栓25，每个盒壁均螺纹连接一个调节螺栓，调节螺栓与试件放置台的侧端面接触，通过旋转调节螺栓，能够调节试件放置台在的位置，进而调节岩石试件的取芯位置。

所述收集盒顶部扣接有保护罩，所述保护罩的顶部罩壁设有用于取芯管和钻头穿过的通孔，所述保护罩的四个侧部罩臂采用静电帷幕26，所述静电帷幕通过电线30及第二脉冲控制器27与电源连接，第二脉冲控制器能够调节输入到静电帷幕的电压及波形，通过调节达到静电帷幕的最佳吸附效果，通过调节波形能够静电帷幕进行粉尘的吸附和掉落，利用波形长度对时间进行控制，从而使静电帷幕在吸附粉尘的过程中能够在吸附一定量的粉尘后断电，使其吸附的粉尘掉落进收集盒中。

本实施例的取芯装置，采用液氮进行冷却，液态氮能够迅速气化，避免了对岩石试件的二次损伤，提高了出芯率。

本实施例中，所述第一脉冲控制器、第二脉冲控制器、转动电机、升降电机等元件与设置在安装台的控制系统28连接，能够利用控制系统控制其工作，所述控制系统与操作面板连接，操作面板上设有开关29，用于启动各个元件。

实施例2：

本实施例公开了一种实施例1所述的岩石取芯装置的工作方法：将岩石试件固定在试件放置台上，并通过调节螺栓调整其位置，将保护罩扣接在收集盒上，通过开关启动升降电机，转动电机，同时启动第一脉冲控制器，第二脉冲控制器，升降电机带动空心杆、取芯管和钻头下降，伸入保护罩中，下降过程中，第一脉冲控制器控制液氮瓶的出口阀间歇性打开，当转动电机带动第一水平段转动至与外管的端部对齐时，第一脉冲控制器恰好控制液氮瓶的出口阀打开，液氮瓶内的液态氮经过外管进入内管并进入液氮存储罐，液氮存储管流出的液氮进入第二水平段和第二竖直段，由于第二水平段、第二竖直段的直径小于第一水平段的直径，所以液氮能够在液氮存储罐内进行存储。

取芯过程中，内管内的液氮经过环形管后由第一喷嘴和第二喷嘴喷出，配合环形管对钻头的刀刃进行冷却降温，本实施例中，液氮存储罐内预先存储一定量的液氮，使得刀刃处始终有液氮进行冷却，由于液氮存储罐内始终存有液氮，所以钻头始终有液氮对其进行冷却，而由于第一脉冲控制器的脉冲作用，外管喷入内管的液氮在动能和自身重力作用下能够对液氮存储罐内的液氮以脉冲形式进行冲击，所以喷嘴喷出的液氮能够对钻头进行间歇性冲击。

第一喷嘴能够将取芯过程中产生的粉尘吹出，静电帷幕能够利用静电作用对粉尘进行吸附固定，在第二脉冲控制器的作用下，静电帷幕能够间歇性断电，使其吸附的粉尘落入收集盒中，对粉尘进行收集，最大程度的保证了试验人员在操作过程中的人身安全。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种岩石取芯装置，其特征在于，包括能够升降且转动的空心杆，空心杆连接有取芯管，取芯管连接有钻头，空心杆内固定有两端伸出至空心杆外的内管，内管顶端一侧设有与液氮瓶连接的且能够升降的外管，内管端部转动至与外管端部对齐时，外管内的液氮能够喷射入内管，液氮瓶的出口阀与第一脉冲控制器连接，内管底端设有套在钻头外周的环形管，环形管设有分别朝向钻头不同位置刀刃的喷嘴。

2.如权利要求1所述的一种岩石取芯装置，其特征在于，所述岩石取芯装置还包括粉尘收集机构，所述粉尘收集机构包括收集盒，收集盒内部设有试件放置台，收集盒扣接有保护罩，保护罩的侧部罩臂采用静电帷幕，静电帷幕通过第二脉冲控制器与电源连接。

3.如权利要求2所述的一种岩石取芯装置，其特征在于，所述收集盒的盒壁上连接有调节件，用于调节试件放置台的位置。

4.如权利要求1所述的一种岩石取芯装置，其特征在于，所述空心杆与转动驱动件连接，转动驱动件固定在连接臂上，连接臂与升降机构连接。

5.如权利要求3所述的一种岩石取芯装置，其特征在于，所述升降机构包括固定设置的立柱，所述立柱与连接臂滑动连接，立柱顶端固定有升降驱动件，所述升降驱动件与丝杠连接，丝杠与连接臂连接，丝杠的转动能够带动连接臂做升降运动。

6.如权利要求1所述的一种岩石取芯装置，其特征在于，所述内管设置有与其连通的液氮存储罐，所述液氮存储罐设置在空心杆内部并与空心杆固定连接，内管与液氮存储罐顶端连接的管段直径大于与液氮存储罐底端连接的管段直径。

7.如权利要求1所述的一种岩石取芯装置，其特征在于，所述内管包括与空心杆同轴的第一竖直段，第一竖直段顶端设有伸出至空心杆外部的第一水平段，外管端部能够与第一水平段伸出至空心杆外部的端部对齐，第一竖直段底端伸出至空心杆外部，并连接有布置在取芯管顶端面的第二水平段，所述第二水平段连接有布置在取芯管外周面的第二竖直段，第二竖直段底端连接有环形管。

8.如权利要求7所述的一种岩石取芯装置，其特征在于，所述取芯管的顶部端面和外周面设有用于布置内管的管槽。

9.如权利要求1所述的一种岩石取芯装置，其特征在于，所述外管与伸缩管的一端连接，伸缩管的另一端通过连接管与液氮瓶的出口阀连接。

10.一种权利要求1-9任一项所述的岩石取芯装置的工作方法，其特征在于，空心杆带动取芯管及钻头转动的同时并向下运动，对位于钻头下方的岩石试件进行取芯，取芯过程中，当空心杆转动至外管与内管对齐时，第一脉冲控制器控制液氮瓶的出口阀打开，液态氮通过外管喷射入内管，内管内的液氮经过环形管后由不同的喷嘴喷出，通过喷嘴和环形管对钻头的不同位置刀刃进行冷却。

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