CN116558886A - 井下胶结充填体原位取样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及填充体取样技术领域，公开了井下胶结充填体原位取样装置及方法，包括套筒装置和校平基座，校平基座包括伸缩杆以及安装在伸缩杆底端的支撑结构，伸缩杆的顶端设有自动调水平装置；自动调水平装置包括水平圆板和柱体，柱体固定在伸缩杆的顶端，柱体的顶端设有圆球，水平圆板通过球形滑槽嵌套在圆球上，柱体上对称设置有竖向滑槽，每个竖向滑槽内均滑动安装有滑块一，滑块一的外侧固定有水平滑槽，水平滑槽内滑动安装有滑块二，滑块二与连接板的一端铰接，连接板的另一端与水平圆板的底面转动连接。本发明仅需人为进行简单的辅助锁定工作，即可无需整平的原始土地上平放套筒装置。

Description

井下胶结充填体原位取样装置及方法

技术领域

本发明涉及充填体取样技术领域，尤其是涉及一种井下胶结充填体原位取样装置及方法。

背景技术

随着充填采矿法在我国金属矿山的推广应用，针对于不同矿体赋存条件的充填体开采强度要求不尽相同，因此对于井下充填体实际强度的测试十分重要。以往对于充填体强度测试主要是通过室内试验获得，虽然模拟井下环境进行恒温恒湿养护，但井下充填体实际强度与实验室测试结果相差较大。针对这种情况，近年来，人们逐渐采用原位取样技术。

授权公告号为CN113405850B的中国专利，公开了一种采空区充填过程中料浆现场取样装置及使用方法，属于矿山充填取样技术领域。该装置包括外套管、内套管、盖板和L型钢板支架，外套管设有外套管导轨，内套管设有内套管滑轨和滑槽，内套管滑轨与外套管导轨对准，实现内套管插入外套管，盖板可插入滑槽，外套管通过一对L型钢板支架和底板固定膨胀螺栓固定。该装置采用分离式套管结构，可根据取样要求，灵活进行拼装，结构简单，安装迅速。内套管可重复利用，降低成本，外套管保留在充填体内，可作为增强结构，提高充填体整体强度。取样深度大，具有典型代表性，取样成功率高。根据生产需要，既可以原位取出充填料浆，也可取出不同龄期的充填体，以满足不同的生产检查及试验需求。

上述方案在说明书中记载：“S1：平整场地，保证底板平整，根据取样方案，确定取样深度、取样深度及取样类型”，可见该装置需要对土地进行修整，则需要一定量的施工人员和专业设备（例如推土机、铲运机、平地机）进行配合施工，需要较多的人力物力，且需要较多时间。

发明内容

本发明的目的在于提供井下胶结充填体原位取样装置及方法，以解决前述背景技术中的技术问题。

本发明提供以下技术方案：

一种井下胶结充填体原位取样装置，包括套筒装置以及用于将套筒装置插入充填体的驱动装置，套筒装置通过校平基座水平布置在取样预定位置，校平基座包括伸缩杆以及安装在伸缩杆底端的支撑结构，支撑结构具有至少三条扎入腿，伸缩杆的顶端设有自动调水平装置以水平安装套筒装置；

自动调水平装置包括水平圆板和柱体，柱体固定在伸缩杆的顶端，柱体的顶端设有圆球，水平圆板通过球形滑槽嵌套在圆球上，柱体上对称设置有竖向滑槽，每个竖向滑槽内均滑动安装有滑块一，滑块一的外侧固定有水平滑槽，水平滑槽内滑动安装有滑块二，滑块二与连接板的一端铰接，连接板的另一端与水平圆板的底面转动连接。

优选地，水平圆板的四周设置有配重块；

球形滑槽的内壁上设有开槽，开槽内活动嵌设有挤压固定块。

优选地，套筒装置包括封板、底座和至少一个外套筒，每个外套筒内均嵌设有内模具；

每个外套筒的外端设有凹螺纹端，每个外套筒的内端设有凸螺纹端，两个相邻的外套筒之间通过凹螺纹端和凸螺纹端咬合进行可拆卸连接；底座螺纹连接于位于所有外套筒中最外侧的外套筒的凹螺纹端上，封板螺纹套设于位于所有外套筒中最内侧的外套筒的凸螺纹端上；

外套筒的上部设有进料孔一，内模具的上部设有与进料孔一对应的进料孔二；

还包括设于外套筒与内模具之间的监测装置。

优选地，监测装置包括电位传感器、温湿度传感器，电位传感器、温湿度传感器布置于外套筒与内模具之间的空隙中，分别用于实时监测内模具是否注满料浆和充填体不同养护龄期的温湿度变化；

驱动装置的输出端与底座固定连接用于向外套筒施加旋进和旋出的力，外套筒的外壁上设有用于辅助其旋入或旋出的螺纹。

优选地，还包括网罩，网罩套设在所有外套筒的外侧，用于防止充填体内结块或石块堵塞进料孔一或进料孔二；

外套筒的内壁上设有用于对内模具进行导向的滑槽，内模具的外壁上设有用于配合滑槽进行滑动的滑轮；

底座上设有定位孔。

优选地，内模具为亚克力材质制成的圆柱体试模或立方体试模。

优选地，圆柱体试模包括两个半圆形腔体，两个半圆形腔体通过设于两者外侧的卡箍进行拼接，两个半圆形腔体的接口处通过卡扣结构可拆卸密封。

优选地，两个半圆形腔体拼接所形成的密封内腔中设有多个隔板，多个隔板用于将密封内腔分隔成多个独立的空腔，用于一次浇筑多个充填体试块以减少试验误差，两个半圆形腔体上通过卡槽以安装隔板。

一种采用前述装置的井下胶结充填体原位取样方法，包括以下步骤：

下井布设前检查套筒装置、监测装置、校平基座的完整性和密闭性；

根据井下不同充填体揭露情况及取样方案，进行定位布孔，确定取样位置；

安装校平基座使得支腿扎入底板，每个外套筒下部设有一个校平基座，使得外套筒呈水平布置；

组装套筒装置时，先用封板将第一节外套筒的凸螺纹端侧封闭，然后在内模具内侧及导轨表面涂抹润滑油，并安装监测装置，固定好后由另一侧装入第一节内模具；将第二节外套筒与第一节外套筒旋紧，重复以上操作，直至完成取样所需长度；将最后一节外套筒布置于充填板墙处；

根据底座上的定位孔，旋转套筒装置，保证进料孔位于上方；将传感器接入数据采集盒，调试正常；

采场充填时，实时监测充填体温湿度及内模具充满程度；同时地表进行同时间取样浇块养护；

井下进行充填体原位养护，根据不同养护龄期进行取样测试，与地表形成对比分析；

取样时，用驱动装置将部分套筒装置旋出，根据需要拆除相应节数，剩下的继续养护，直至试验完成。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

（1）本发明的井下胶结充填体原位取样装置，通过校平基座，仅需人为进行简单的辅助锁定工作，即可在无需整平的原始土地上平放套筒装置，大大提高了套筒装置安装的效率，从而使得套筒装置能够水平进行组装和呈水平状态的旋入。

（2）通过凸螺纹端和凹螺纹端的设计，使得外套筒可以随意进行拼接，从而可以控制充填体采样的深度，还可以控制取样的体积；另一方面，本发明的井下胶结充填体原位取样装置还通过监测装置对料浆是否充满进行检测，而且还可以记录充填体不同养护龄期的温湿度变化，进行充填体原位养护，根据不同养护龄期进行取样测试，与地表形成对比分析。

（3）本发明的圆柱体试模能够一次浇筑多个充填体试块以减少试验误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的套筒装置的一种实施例（当外套筒数量为1时）的结构示意图；

图2为本发明的套筒装置的另一种实施例（当外套筒数量为2时）的结构示意图；

图3为本发明的网罩、外套筒与内模具的爆炸示意图；

图4为本发明的内模具的一种实施例（内模具为圆柱体试模时）的立体结构示意图；

图5为图4中内模具的侧视图；

图6为本发明的内模具的另一种实施例（内模具为立方体试模时）的侧视图；

图7为本发明的充填体试验盒的结构示意图；

图8为本发明的校平基座的结构示意图；

图9为本发明的自动调水平装置的结构示意图；

图10为本发明的自动调水平装置的截面图。

附图标记：

1、底座；11、手柄；12、定位孔；13、承压板；2、外套筒；21、进料孔一；22、螺纹；3、网罩；4、滑轮；5、内模具；51、卡箍；52、进料孔二；53、卡槽；54、隔板；55、半圆形腔体；6、封板；7、温湿度传感器；8、电位传感器；91、伸缩杆；92、支撑结构；93、自动调水平装置；931、水平圆板；932、柱体；934、圆球；935、滑块一；936、水平滑槽；937、滑块二；938、连接板；939、挤压固定块；810、球形滑槽；811、竖向滑槽；812、配重块；10、充填体试验盒。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1-图10所示，本发明实施例提供了一种井下胶结充填体原位取样装置，包括套筒装置以及用于将套筒装置插入充填体的驱动装置，套筒装置通过校平基座水平布置在取样预定位置，校平基座包括伸缩杆91以及安装在伸缩杆91底端的支撑结构92，支撑结构92具有至少三条扎入腿，伸缩杆91的顶端设有自动调水平装置93以水平安装套装装置（具体为其中一个外套筒2）；自动调水平装置93包括水平圆板931和柱体932，柱体932固定在伸缩杆91的顶端，柱体932的顶端设有圆球934，水平圆板931通过球形滑槽810嵌套在圆球934上，柱体932上对称设置有竖向滑槽811，每个竖向滑槽811内均滑动安装有滑块一935，滑块一935的外侧固定有水平滑槽936，水平滑槽936内滑动安装有滑块二937，滑块二937与连接板938的一端铰接，连接板938的另一端与水平圆板931的底面转动连接。水平圆板931的四周设置有配重块812；球形滑槽810的内壁上设有开槽，开槽内活动嵌设有挤压固定块939。

校平基座在实施时：将支撑结构92具有至少三条扎入腿（即末端呈现尖锐型）插入，一般由三条钢筋制成，支腿底部尖锐，可扎入采场底板中，但是在刺入的过程中，支撑结构92可能无法保持水平；此时通过自动调水平装置93进行自动调水平；首先使挤压固定块939收缩在开槽内，滑块一935和滑块二937可以自动滑动，此时水平圆板931相当于放置在圆球934上，由于水平圆板931的四周的重量相等，因此不处于水平位置的水平圆板931可以在重力的作用下沿着圆球934转动，直至水平圆板931水平，此时，通过挤压固定块939对水平圆板931的位置进行锁定。

水平圆板931上通过现有技术的卡接结构安装外套筒2，卡接结构的重量可以通过配重块一类结构进行平衡，外套筒2放入之前可以预先套好网罩3，还可以待所有外套筒2完成组装后再套好网罩3，此时需要人为轻微抬起外套筒2。

由于本发明中水平圆板931通过球形滑槽810与圆球934进行咬合的形式，对水平圆板931转动连接，使得水平圆板931可以朝向任一方向进行转动，保证了水平调节准确性。而在此水平调节的过程中，通过滑块一935的竖向滑动和滑块二937横向滑动，去分解水平圆板931的运动，此时只需要对滑块一935和滑块二937分别进行锁定，即可变相对水平圆板931进行锁定，从而配合挤压固定块939对水平圆板931进行二次锁定，从而保证水平圆板931水平调节后的稳定性。其中，挤压固定块939可通过一般的直线移动设备控制，滑块一935和滑块二937可通过电磁铁一类技术进行锁定，属于现有技术，在本发明中就不多赘叙。

套筒装置包括封板6、底座1和至少一个外套筒2，每个外套筒2内均嵌设有内模具5；每个外套筒2的外端设有凹螺纹端，每个外套筒2的内端设有凸螺纹端，两个相邻的外套筒2之间通过凹螺纹端和凸螺纹端咬合进行可拆卸连接；底座1螺纹连接于位于所有外套筒2中最外侧的外套筒2的凹螺纹端上，封板6螺纹套设于位于所有外套筒2中最内侧的外套筒2的凸螺纹端上；外套筒2的上部设有进料孔一21，内模具5的上部设有与进料孔一21对应的进料孔二52；还包括设于外套筒2与内模具5之间的监测装置。

具体来说，驱动装置为现有技术，在本发明中就不多赘叙，其工作原理主要是将旋转运动和直线运动过程进行复合，从而达到旋入和旋出的效果。一般而言，通过螺纹22从而将外套筒2在充填体内旋入旋出的方式，产生的振动幅度稍小于直接将外套筒2往复挤压进入充填体产生的振动幅度

在本发明中还提供了监测装置的具体实施方式：监测装置包括电位传感器8、温湿度传感器7，电位传感器8、温湿度传感器7布置于外套筒2与内模具5之间的空隙中，分别用于实时监测内模具5是否注满料浆和充填体不同养护龄期的温湿度变化。

需要注意的是：本发明中主要是为了提供电位传感器8、温湿度传感器7的安装方式和安装位置，电位传感器8、温湿度传感器7具体实现检测的方法不属于本发明的核心，且属于现有技术，因此在本发明中不多赘叙。

在本发明中，为了进一步降低套筒装置插入和拔出时所产生的振动，本发明还作了如下限定：驱动装置的输出端与底座1固定连接用于向外套筒2施加旋进和旋出的力，外套筒2的外壁上设有用于辅助其旋入或旋出的螺纹22。

还包括网罩3，网罩3套设在所有外套筒2的外侧，用于防止充填体内结块或石块堵塞进料孔一21或进料孔二52；外套筒2的内壁上设有用于对内模具5进行导向的滑槽，内模具5的外壁上设有用于配合滑槽进行滑动的滑轮4；底座1上设有定位孔12。

网罩3由较为柔软的弹性网或钢丝网组成，其能够较好地贴合在外套筒2的外表面上。定位孔12还能与驱动装置进行连接。最外侧的外套筒2的外端还设有手柄11和承压板13，承压板13使得与底座1的连接更加稳定；手柄11用于在外套筒2较少时，人工直接将外套筒2旋出。

内模具5为亚克力材质制成的圆柱体试模或立方体试模。

圆柱体试模包括两个半圆形腔体55，两个半圆形腔体55通过设于两者外侧的卡箍51进行拼接，两个半圆形腔体55的接口处通过卡扣结构可拆卸密封。

两个半圆形腔体55拼接所形成的密封内腔中设有多个隔板54，多个隔板54用于将密封内腔分隔成多个独立的空腔，用于一次浇筑多个充填体试块以减少试验误差，两个半圆形腔体55上通过卡槽53以安装隔板54。

本发明的井下胶结充填体原位取样装置通过凸螺纹端和凹螺纹端的设计，使得外套筒2可以随意进行拼接，从而可以控制充填体采样的深度，还可以控制取样的体积；另一方面，本发明的井下胶结充填体原位取样装置还通过监测装置对料浆是否充满进行检测，而且还可以记录充填体不同养护龄期的温湿度变化，进行充填体原位养护，根据不同养护龄期进行取样测试，与地表形成对比分析。

具体来说，外套筒2用不锈钢制作，壁厚约2mm；外套筒2单节长约400mm，可以根据试验需要进行增减。其外套筒2的进料孔一21和内模具5的对应的进料孔二52均为三排直径为5mm的圆孔，用于导入料浆。

当外套筒2的数量为1时，套筒装置的实施例如图1所示，套筒装置各个结构的连接关系请参考图1。

当外套筒2的数量为2时，套筒装置的实施例如图2所示，套筒装置各个结构的连接关系请参考图2。

当外套筒2的数量大于2时，套筒装置各个结构的连接情况与图2所示实施例的原理基本相同，因此本实施方式就不一一进行赘叙。

圆柱体试模尺寸为310*φ54mm，单试块尺寸100*φ50mm；立方体试模尺寸为220*74.7*72.7mm，单试块尺寸70.7*70.7*70.7mm。采用高强度亚克力制作，重量一般为金属款的1/5，降低成本的同时也大大提高了便携性。

本发明还包括充填体试验盒10，充填体试验盒10的外箱采用硬质塑料制成，每个充填体芯一个格，防止运输搬运过程中发生碰撞，损坏充填体芯；充填体试验盒10的内衬有软性垫层，具有减震、密封的作用；充填体试验盒10的上部设有观察口，有标签栏，可以进行样品编录。

本发明还提供了一种前述的装置的井下胶结充填体原位取样方法，包括以下步骤：

下井布设前检查套筒装置、监测装置、校平基座的完整性和密闭性；

根据井下不同充填体揭露情况及取样方案，进行定位布孔，确定取样位置；

安装校平基座使得支腿扎入底板，每个外套筒2下部设有一个校平基座，使得外套筒2呈水平布置；

组装套筒装置时，先用封板6将第一节外套筒2的凸螺纹端侧封闭，然后在内模具5内侧及导轨表面涂抹润滑油，并安装监测装置，固定好后由另一侧装入第一节内模具5；将第二节外套筒2与第一节外套筒2旋紧，重复以上操作，直至完成取样所需长度；将最后一节外套筒2布置于充填板墙处；

根据底座1上的定位孔12，旋转套筒装置，保证进料孔一21和进料孔二52位于上方；将监测装置接入数据采集盒，调试正常；

采场充填时，实时监测充填体温湿度及内模具5充满程度；同时地表进行同时间取样浇块养护；

井下进行充填体原位养护，根据不同养护龄期进行取样测试，与地表形成对比分析；

取样时，用驱动装置将部分套筒装置旋出，根据需要拆除相应节数，剩下的继续养护，直至试验完成。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种井下胶结充填体原位取样装置，包括套筒装置以及用于将所述套筒装置插入充填体的驱动装置，其特征在于：所述套筒装置通过校平基座水平布置在取样预定位置，所述校平基座包括伸缩杆（91）以及安装在所述伸缩杆（91）底端的支撑结构（92），所述支撑结构（92）具有至少三条扎入腿，所述伸缩杆（91）的顶端设有自动调水平装置（93）以水平安装其中所述套筒装置；

所述自动调水平装置（93）包括水平圆板（931）和柱体（932），所述柱体（932）固定在所述伸缩杆（91）的顶端，所述柱体（932）的顶端设有圆球（934），所述水平圆板（931）通过球形滑槽（810）嵌套在所述圆球（934）上，所述柱体（932）上对称设置有竖向滑槽（811），每个所述竖向滑槽（811）内均滑动安装有滑块一（935），所述滑块一（935）的外侧固定有水平滑槽（936），所述水平滑槽（936）内滑动安装有滑块二（937），所述滑块二（937）与连接板（938）的一端铰接，所述连接板（938）的另一端与所述水平圆板（931）的底面转动连接。

2.根据权利要求1所述的井下胶结充填体原位取样装置，其特征在于：所述水平圆板（931）的四周设置有配重块（812）；

所述球形滑槽（810）的内壁上设有开槽，所述开槽内活动嵌设有挤压固定块（939）。

3.根据权利要求2所述的井下胶结充填体原位取样装置，其特征在于：所述套筒装置包括封板（6）、底座（1）和至少一个外套筒（2），每个所述外套筒（2）内均嵌设有内模具（5）；

每个所述外套筒（2）的外端设有凹螺纹端，每个所述外套筒（2）的内端设有凸螺纹端，两个相邻的所述外套筒（2）之间通过凹螺纹端和凸螺纹端咬合进行可拆卸连接；所述底座（1）螺纹连接于位于所有所述外套筒（2）中最外侧的外套筒（2）的凹螺纹端上，所述封板（6）螺纹套设于位于所有所述外套筒（2）中最内侧的外套筒（2）的凸螺纹端上；

所述外套筒（2）的上部设有进料孔一（21），所述内模具（5）的上部设有与所述进料孔一（21）对应的进料孔二（52）；

还包括设于所述外套筒（2）与所述内模具（5）之间的监测装置。

4.根据权利要求3所述的井下胶结充填体原位取样装置，其特征在于：所述监测装置包括电位传感器（8）、温湿度传感器（7），所述电位传感器（8）、温湿度传感器（7）布置于所述外套筒（2）与所述内模具（5）之间的空隙中，分别用于实时监测所述内模具（5）是否注满料浆和充填体不同养护龄期的温湿度变化；

所述驱动装置的输出端与所述底座（1）固定连接用于向所述外套筒（2）施加旋进和旋出的力，所述外套筒（2）的外壁上设有用于辅助其旋入或旋出的螺纹（22）。

5.根据权利要求4所述的井下胶结充填体原位取样装置，其特征在于：还包括网罩（3），所述网罩（3）套设在所有所述外套筒（2）的外侧，用于防止充填体内结块或石块堵塞所述进料孔一（21）或所述进料孔二（52）；

所述外套筒（2）的内壁上设有用于对所述内模具（5）进行导向的滑槽，所述内模具（5）的外壁上设有用于配合所述滑槽进行滑动的滑轮（4）；

所述底座（1）上设有定位孔（12）。

6.根据权利要求5所述的井下胶结充填体原位取样装置，其特征在于：所述内模具（5）为亚克力材质制成的圆柱体试模或立方体试模。

7.根据权利要求6所述的井下胶结充填体原位取样装置，其特征在于：所述圆柱体试模包括两个半圆形腔体（55），两个所述半圆形腔体（55）通过设于两者外侧的卡箍（51）进行拼接，两个所述半圆形腔体（55）的接口处通过卡扣结构可拆卸密封。

8.根据权利要求7所述的井下胶结充填体原位取样装置，其特征在于：两个所述半圆形腔体（55）拼接所形成的密封内腔中设有多个隔板（54），所述多个隔板（54）用于将所述密封内腔分隔成多个独立的空腔，用于一次浇筑多个充填体试块以减少试验误差，两个所述半圆形腔体（55）上通过卡槽（53）以安装所述隔板（54）。

9.一种如权利要求5-8中任一项所述的井下胶结充填体原位取样装置的取样方法，其特征在于：包括以下步骤：

下井布设前检查套筒装置、监测装置、校平基座的完整性和密闭性；

根据井下不同充填体揭露情况及取样方案，进行定位布孔，确定取样位置；

安装校平基座使得支腿扎入底板，每个外套筒（2）下部设有一个校平基座，使得外套筒（2）呈水平布置；

组装套筒装置时，先用封板（6）将第一节外套筒（2）的凸螺纹端侧封闭，然后在内模具（5）内侧及导轨表面涂抹润滑油，并安装监测装置，固定好后由另一侧装入第一节内模具（5）；将第二节外套筒（2）与第一节外套筒（2）旋紧，重复以上操作，直至完成取样所需长度；将最后一节外套筒（2）布置于充填板墙处；

根据底座（1）上的定位孔（12），旋转套筒装置，保证进料孔一（21）和进料孔二（52）位于上方；将监测装置接入数据采集盒，调试正常；

采场充填时，实时监测充填体温湿度及内模具（5）充满程度；同时地表进行同时间取样浇块养护；

井下进行充填体原位养护，根据不同养护龄期进行取样测试，与地表形成对比分析；

取样时，用驱动装置将部分套筒装置旋出，根据需要拆除相应节数，剩下的继续养护，直至试验完成。