CN112983264A - 一种冰层钻探装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰层钻探装置，包括顶盖、外套筒、筛孔、弧形头、内筒、第一外延固定板、固定杆、螺杆、固定环、第二外延固定板、安装块、固定座、转动杆、连接杆、固定块、导向杆、活动座、弹簧、固定支撑架、连接环和凹槽，该发明装置结构简单、制作成本低，安装和操作容易，并且可重复使用，有利于大规模推广，通过敲击固定支撑架、酒精燃烧发热融化和顶盖吸热融化均可实现内筒与外套筒之间的夹层冰的融化，有利于快速取出内筒，通过内筒底部弧形头和筛孔的设置，有利于减少冰芯中杂质的含量，同时通过拧动螺杆，有利于实现固定环高度的调整，高度调整合适后，将钢管从固定环中插入，有利于实现多人合力抽出内筒。

Description

一种冰层钻探装置及方法

技术领域

本发明涉及环境工程技术以及生态恢复技术领域，具体为一种冰层钻探装置及方法。

背景技术

河流封冻是一种常见的自然现象，河流封冻后，其自由表面消失，冰盖形成，而冰盖的阻隔作用和阻碍作用使得地表水体的水质特征、流速结构及混合特性发生改变，同时，亦使水质指标的长距离输移扩散特征发生变化，冰盖的形成阻断了水体与岸带间污染物的交换路径，使得河流非点源污染负荷量锐减，各类点源排污成为了冰封水体污染的主要来源，成分较为复杂，同时，冰盖的阻隔作用也切断了水体与大气之间的气体交换，阻碍了阳光及太阳辐射热能进入水体，影响光解反应、光合作用等与阳光相关的生化反应以及与水温相关的生化反应，降低了水体的自净能力。

此外，冰盖也为人类对于冰下的研究工作带来困难，从而需要研究开发实用而高效的冰层钻探技术，穿透冰层，使水体与大气相连，既能够为地表水体的各种管理提供保障，又能够为涉及水体的相关科研等工作提供便利，目前以有的技术大多为机械钻孔或者人工手动钻孔，钻孔之后结冰需要再次进行钻探，费时费力，成本高昂，极大的降低了工作效率，并且需要取冰芯做科研时，冰芯中含有大量的杂质，降低了研究价值，并且市面上现有的方法在取冰芯时经常会出现冰芯碎裂的情况，同时冰芯质量较大，单人取出比较费力，降低了装置的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冰层钻探装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种冰层钻探装置，包括顶盖、外套筒、筛孔、弧形头、内筒、第一外延固定板、固定杆、螺杆、固定环、第二外延固定板、安装块、固定座、第一螺母块、转动杆、连接杆、第二螺母块、固定块、导向杆、活动座、弹簧、固定支撑架、连接环和凹槽，所述外套筒顶部外圆周与第一外延固定板焊接，且第一外延固定板顶部中心四处分别与固定座底部固定连接，所述固定座内部底面中心与弹簧底端固定连接，且弹簧顶端与活动座内部顶面固定连接，所述活动座与固定座滑动连接，所述活动座顶部分别与第二外延固定板底部四处贴合，所述第二外延固定板中心套接固定在连接环顶部外圆周，且连接环底部套接固定在内筒顶部外圆周，所述内筒套接在外套筒内部，且内筒底部从外套筒底部伸出，所述第二外延固定板顶部中心四角分别与安装块底部固定连接，且安装块相向一侧中心分别与转动杆一端转动连接，所述转动杆另一端分别与连接杆一侧底部固定连接，且连接杆顶部分别与固定杆底部两端固定连接，所述固定杆中心两端分别通过螺纹固定连接有螺杆，且螺杆顶部与固定环底部中心固定连接。

一种冰层钻探的方法，包括步骤一，冰面钻孔；步骤二，装置安放；步骤三，破除夹层冰；步骤四，内筒抽出；

其中上述步骤一中，首先选定需要钻孔的位置，然后利用小型动力机械钻探或人工手动钻探方法凿穿冰面，开设一个直径比外套筒直径大2-3cm的冰孔；

其中上述步骤二中，此时将外套筒从冰孔插入，同时第一外延固定板卡在冰面上，随后将内筒从外套筒顶部插入，直至第一外延固定板顶部四处的活动座与第二外延固定板底部贴合，随后将螺杆通过螺纹固定安装到固定杆上，然后将第一螺母块和第二螺母块安装到螺杆上，从而完成装置的安放；

其中上述步骤三中，步骤二中的装置安放完成后，当需要破冰时可利用以下三种方法进行破冰，其一，利用锤子等重物轻轻敲击固定支撑架，向下敲击时，带动内筒向下运动，随后带动连接环向下运动，继而带动第二外延固定板向下运动，随后带动活动座向下运动，从而压缩弹簧，向上拿起锤子时，在弹簧的复原力的作用下带动第二外延固定板向上运动，随后带动连接环向上运动，继而带动内筒向上运动，从而实现内筒的上下跳动，由于内筒与外套筒之间间隙小结构，夹层冰层薄，金属与冰之间材料差异，从而破除夹层冰；其二，将适量的酒精沿着内筒的外壁倒入凹槽内，随后点燃酒精，酒精燃烧产生的热量通过内筒进行传递，从而融化内筒与外套筒之间的夹层冰；其三，将顶盖盖到第一外延固定板上，由于顶盖是由深色金属材料制成，同时顶盖具有较大的能够吸收太阳能辐射的表面积，利用太阳能辐射产生的热量将夹层冰融化；

其中上述步骤四中，当步骤三中的夹层冰融化之后，将金属管从固定环中穿入，随后几人合力将金属管向上提，从而带动固定环向上运动，随即带动螺杆向上运动，随后带动固定杆向上运动，然后带动连接杆向上运动，从而带动转动杆向上运动，随后带动安装块向上运动，继而带动第二外延固定板向上运动，随即带动连接环向上运动，然后带动内筒向上运动，从而将内筒从外套筒中抽出，从而实现了冰孔的重复使用。

根据上述技术方案，所述内筒与外套筒为间隙配合，且内筒与外套筒之间的间距为1cm。

根据上述技术方案，所述螺杆中心顶端与底端分别通过螺纹固定连接有第一螺母块和第二螺母块，且第一螺母块和第二螺母块相向一侧分别与固定杆顶部与底部两处贴合。

根据上述技术方案，所述连接环与内筒之间开设有凹槽，所述内筒顶部内侧壁与固定支撑架外围贴合。

根据上述技术方案，所述第一外延固定板顶部罩合有顶盖。

根据上述技术方案，所述内筒底部与弧形头顶部焊接，且弧形头上均匀开设有若干筛孔。

根据上述技术方案，所述活动座底部两侧分别与固定块相向一侧固定连接，且固定块中心贯穿有导向杆，所述导向杆与固定块滑动连接，且导向杆顶端与底端分别与固定座内部顶面与底面两侧固定连接。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1.该发明装置结构简单、制作成本低，安装和操作容易，并且可重复使用，有利于大规模推广。

2.该发明通过敲击固定支撑架、酒精燃烧发热融化和顶盖吸热融化均可实现内筒与外套筒之间的夹层冰的融化，有利于快速取出内筒，从而实现冰孔的重复使用，提高了工作效率，大大降低了再次钻孔的成本。

3.该发明通过内筒底部弧形头和筛孔的设置，有利于减少冰芯中杂质的含量，同时通过拧动螺杆，有利于实现固定环高度的调整，高度调整合适后，将钢管从固定环中插入，有利于实现多人合力取出冰芯，有利于提高装置的实用性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体结构立体示意图；

图2是本发明的局部结构立体示意图；

图3是本发明的图2中A区域放大示意图；

图4是本发明的整体结构正视图；

图5是本发明的整体结构正视剖视图；

图6是本发明的图5中B区域放大示意图；

图7是本发明的图5中C区域放大示意图；

图8是本发明的方法流程图；

图中：1、顶盖；2、外套筒；3、筛孔；4、弧形头；5、内筒；6、第一外延固定板；7、固定杆；8、螺杆；9、固定环；10、第二外延固定板；11、安装块；12、固定座；13、第一螺母块；14、转动杆；15、连接杆；16、第二螺母块；17、固定块；18、导向杆；19、活动座；20、弹簧；21、固定支撑架；22、连接环；23、凹槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种冰层钻探装置，包括顶盖1、外套筒2、筛孔3、弧形头4、内筒5、第一外延固定板6、固定杆7、螺杆8、固定环9、第二外延固定板10、安装块11、固定座12、第一螺母块13、转动杆14、连接杆15、第二螺母块16、固定块17、导向杆18、活动座19、弹簧20、固定支撑架21、连接环22和凹槽23，外套筒2顶部外圆周与第一外延固定板6焊接，且第一外延固定板6顶部中心四处分别与固定座12底部固定连接，第一外延固定板6顶部罩合有顶盖1，有利于通过顶盖1吸收太阳辐射，固定座12内部底面中心与弹簧20底端固定连接，且弹簧20顶端与活动座19内部顶面固定连接，活动座19与固定座12滑动连接，活动座19底部两侧分别与固定块17相向一侧固定连接，且固定块17中心贯穿有导向杆18，导向杆18与固定块17滑动连接，且导向杆18顶端与底端分别与固定座12内部顶面与底面两侧固定连接，有利于通过导向杆18来限制活动座19的运动方向，活动座19顶部分别与第二外延固定板10底部四处贴合，第二外延固定板10中心套接固定在连接环22顶部外圆周，且连接环22底部套接固定在内筒5顶部外圆周，连接环22与内筒5之间开设有凹槽23，内筒5顶部内侧壁与固定支撑架21外围贴合，有利于通过固定支撑架21对内筒5侧壁进行支撑固定，内筒5套接在外套筒2内部，且内筒5底部从外套筒2底部伸出，内筒5与外套筒2为间隙配合，且内筒5与外套筒2之间的间距为1cm，便于将内筒5从外套筒2中抽出，内筒5底部与弧形头4顶部焊接，且弧形头4上均匀开设有若干筛孔3，有利于通过筛孔3来阻止杂质进入，第二外延固定板10顶部中心四角分别与安装块11底部固定连接，且安装块11相向一侧中心分别与转动杆14一端转动连接，转动杆14另一端分别与连接杆15一侧底部固定连接，且连接杆15顶部分别与固定杆7底部两端固定连接，固定杆7中心两端分别通过螺纹固定连接有螺杆8，且螺杆8顶部与固定环9底部中心固定连接，螺杆8中心顶端与底端分别通过螺纹固定连接有第一螺母块13和第二螺母块16，且第一螺母块13和第二螺母块16相向一侧分别与固定杆7顶部与底部两处贴合，有利于螺杆8的固定连接。

请参阅图8，本发明提供一种技术方案：一种冰层钻探的方法，包括步骤一，冰面钻孔；步骤二，装置安放；步骤三，破除夹层冰；步骤四，内筒抽出；

其中上述步骤一中，首先选定需要钻孔的位置，然后利用小型动力机械钻探或人工手动钻探方法凿穿冰面，开设一个直径比外套筒2直径大2-3cm的冰孔；

其中上述步骤二中，此时将外套筒2从冰孔插入，同时第一外延固定板6卡在冰面上，随后将内筒5从外套筒2顶部插入，直至第一外延固定板6顶部四处的活动座19与第二外延固定板10底部贴合，随后将螺杆8通过螺纹固定安装到固定杆7上，然后将第一螺母块13和第二螺母块16安装到螺杆8上，从而完成装置的安放；

其中上述步骤三中，步骤二中的装置安放完成后，当需要破冰时可利用以下三种方法进行破冰，其一，利用锤子等重物轻轻敲击固定支撑架21，向下敲击时，带动内筒5向下运动，随后带动连接环22向下运动，继而带动第二外延固定板10向下运动，随后带动活动座19向下运动，从而压缩弹簧20，向上拿起锤子时，在弹簧20的复原力的作用下带动第二外延固定板10向上运动，随后带动连接环22向上运动，继而带动内筒5向上运动，从而实现内筒5的上下跳动，由于内筒5与外套筒2之间间隙小结构，夹层冰层薄，金属与冰之间材料差异，从而破除夹层冰；其二，将适量的酒精沿着内筒5的外壁倒入凹槽23内，随后点燃酒精，酒精燃烧产生的热量通过内筒5进行传递，从而融化内筒5与外套筒2之间的夹层冰；其三，将顶盖1盖到第一外延固定板6上，由于顶盖1是由深色金属材料制成，同时顶盖1具有较大的能够吸收太阳能辐射的表面积，利用太阳能辐射产生的热量将夹层冰融化；

其中上述步骤四中，当步骤三中的夹层冰融化之后，将金属管从固定环9中穿入，随后几人合力将金属管向上提，从而带动固定环9向上运动，随即带动螺杆8向上运动，随后带动固定杆7向上运动，然后带动连接杆15向上运动，从而带动转动杆14向上运动，随后带动安装块11向上运动，继而带动第二外延固定板10向上运动，随即带动连接环22向上运动，然后带动内筒5向上运动，从而将内筒5从外套筒2中抽出，从而实现了冰孔的重复使用。

基于上述，本发明的优点在于，该发明的装置结构简单、制作成本低，操作容易，有利于大范围推广，同时该发明通过酒精燃烧产生热量、敲击固定支撑架21以及通过顶盖1吸收太阳辐射这三种方法来融化夹层冰，有利于快速取出内筒5，有利于实现冰孔的重复利用，无需二次开凿，有利于提高工作效率，降低了钻孔的成本，通过内筒5的设置，有利于完整的取出冰芯，并且通过内筒5底部的弧形头4和筛孔3的设计，有利于避免杂质和鱼类进入内筒5，有利于减少冰芯中杂质的含量，同时拧动螺杆8，可实现螺杆8的上升或者下降，有利于实现固定环9高度的调节，并且通过将钢管穿过固定环9，有利于实现多人合力抽出内筒5，有利于提高装置的实用性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种冰层钻探装置，包括顶盖(1)、外套筒(2)、筛孔(3)、弧形头(4)、内筒(5)、第一外延固定板(6)、固定杆(7)、螺杆(8)、固定环(9)、第二外延固定板(10)、安装块(11)、固定座(12)、第一螺母块(13)、转动杆(14)、连接杆(15)、第二螺母块(16)、固定块(17)、导向杆(18)、活动座(19)、弹簧(20)、固定支撑架(21)、连接环(22)和凹槽(23)，其特征在于：所述外套筒(2)顶部外圆周与第一外延固定板(6)焊接，且第一外延固定板(6)顶部中心四处分别与固定座(12)底部固定连接，所述固定座(12)内部底面中心与弹簧(20)底端固定连接，且弹簧(20)顶端与活动座(19)内部顶面固定连接，所述活动座(19)与固定座(12)滑动连接，所述活动座(19)顶部分别与第二外延固定板(10)底部四处贴合，所述第二外延固定板(10)中心套接固定在连接环(22)顶部外圆周，且连接环(22)底部套接固定在内筒(5)顶部外圆周，所述内筒(5)套接在外套筒(2)内部，且内筒(5)底部从外套筒(2)底部伸出，所述第二外延固定板(10)顶部中心四角分别与安装块(11)底部固定连接，且安装块(11)相向一侧中心分别与转动杆(14)一端转动连接，所述转动杆(14)另一端分别与连接杆(15)一侧底部固定连接，且连接杆(15)顶部分别与固定杆(7)底部两端固定连接，所述固定杆(7)中心两端分别通过螺纹固定连接有螺杆(8)，且螺杆(8)顶部与固定环(9)底部中心固定连接。

2.一种冰层钻探的方法，包括步骤一，冰面钻孔；步骤二，装置安放；步骤三，破除夹层冰；步骤四，内筒抽出；其特征在于：

其中上述步骤一中，首先选定需要钻孔的位置，然后利用小型动力机械钻探或人工手动钻探方法凿穿冰面，开设一个直径比外套筒(2)直径大2-3cm的冰孔；

其中上述步骤二中，此时将外套筒(2)从冰孔插入，同时第一外延固定板(6)卡在冰面上，随后将内筒(5)从外套筒(2)顶部插入，直至第一外延固定板(6)顶部四处的活动座(19)与第二外延固定板(10)底部贴合，随后将螺杆(8)通过螺纹固定安装到固定杆(7)上，然后将第一螺母块(13)和第二螺母块(16)安装到螺杆(8)上，从而完成装置的安放；

其中上述步骤三中，步骤二中的装置安放完成后，当需要破冰时可利用以下三种方法进行破冰，其一，利用锤子等重物轻轻敲击固定支撑架(21)，向下敲击时，带动内筒(5)向下运动，随后带动连接环(22)向下运动，继而带动第二外延固定板(10)向下运动，随后带动活动座(19)向下运动，从而压缩弹簧(20)，向上拿起锤子时，在弹簧(20)的复原力的作用下带动第二外延固定板(10)向上运动，随后带动连接环(22)向上运动，继而带动内筒(5)向上运动，从而实现内筒(5)的上下跳动，由于内筒(5)与外套筒(2)之间间隙小结构，夹层冰层薄，金属与冰之间材料差异，从而破除夹层冰；其二，将适量的酒精沿着内筒(5)的外壁倒入凹槽(23)内，随后点燃酒精，酒精燃烧产生的热量通过内筒(5)进行传递，从而融化内筒(5)与外套筒(2)之间的夹层冰；其三，将顶盖(1)盖到第一外延固定板(6)上，由于顶盖(1)是由深色金属材料制成，同时顶盖(1)具有较大的能够吸收太阳能辐射的表面积，利用太阳能辐射产生的热量将夹层冰融化；

其中上述步骤四中，当步骤三中的夹层冰融化之后，将金属管从固定环(9)中穿入，随后几人合力将金属管向上提，从而带动固定环(9)向上运动，随即带动螺杆(8)向上运动，随后带动固定杆(7)向上运动，然后带动连接杆(15)向上运动，从而带动转动杆(14)向上运动，随后带动安装块(11)向上运动，继而带动第二外延固定板(10)向上运动，随即带动连接环(22)向上运动，然后带动内筒(5)向上运动，从而将内筒(5)从外套筒(2)中抽出，从而实现了冰孔的重复使用。

3.根据权利要求1所述的一种冰层钻探装置，其特征在于：所述内筒(5)与外套筒(2)为间隙配合，且内筒(5)与外套筒(2)之间的间距为1cm。

4.根据权利要求1所述的一种冰层钻探装置，其特征在于：所述螺杆(8)中心顶端与底端分别通过螺纹固定连接有第一螺母块(13)和第二螺母块(16)，且第一螺母块(13)和第二螺母块(16)相向一侧分别与固定杆(7)顶部与底部两处贴合。

5.根据权利要求1所述的一种冰层钻探装置，其特征在于：所述连接环(22)与内筒(5)之间开设有凹槽(23)，所述内筒(5)顶部内侧壁与固定支撑架(21)外围贴合。

6.根据权利要求1所述的一种冰层钻探装置，其特征在于：所述第一外延固定板(6)顶部罩合有顶盖(1)。

7.根据权利要求1所述的一种冰层钻探装置，其特征在于：所述内筒(5)底部与弧形头(4)顶部焊接，且弧形头(4)上均匀开设有若干筛孔(3)。

8.根据权利要求1所述的一种冰层钻探装置，其特征在于：所述活动座(19)底部两侧分别与固定块(17)相向一侧固定连接，且固定块(17)中心贯穿有导向杆(18)，所述导向杆(18)与固定块(17)滑动连接，且导向杆(18)顶端与底端分别与固定座(12)内部顶面与底面两侧固定连接。

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