CN116609110A - 一种钻孔内土体连续采样装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及工程地质勘查技术领域，提供一种钻孔内土体连续采样装置。本装置由双重取样器、钻杆、取样仓组成；双重取样器整体呈双重管状结构，其中，外套管与钻头用于钻孔底部切削钻进，切土环刀和样品管用于采集土体原状试样，接头与钢丝绳用于样品管的上提与下放；切土环刀与样品管之间采用可脱离结构，外套管与接头之间采用可伸缩的弹性卡扣结构，便于样品管的固定与更换。本申请提供的方案，其有益效果在于：能够连续、快速、高质量采集钻孔内土体原状试样，避免钻杆的反复提出与放入，大大提高钻探工作效率。
Description
技术领域
本申请涉及工程地质勘查技术领域，尤其涉及一种钻孔内土体连续采样装置。
背景技术
钻探是利用钻孔探明地下资源及地质岩土性状分布的一种方法，是获取地下资料应用最广泛的勘探方法，又是采取岩土样和进行孔内原位测试必不可少的辅助手段。
然而，传统钻探方法中，土体原状样品采集往往采用一体式采样钻头，每次采集到样品后必须将所有钻杆整体提出后才能获得样品，大大增加了工作时间，同时也增加了钻孔塌孔风险。因此，一款能够在不将钻孔提出条件下连续采集土体样本的连续采样装置亟待开发。
发明内容
本申请的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种钻孔内土体连续采样装置，能够连续、快速、高质量采集钻孔内土体原状试样，提高钻探工作效率。
为实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：
一种钻孔内土体连续采样装置，其特征在于，本装置包括双重取样器、钻杆、取样仓，整个装置通过钻机吊装并钻杆施加压力和旋转力。
所述的双重取样器整体呈双重管状结构，包括外套管、钻头、切土环刀、样品管、接头、钢丝绳，用于钻孔内土体原状试样采集；所述的外套管位于双重取样器最外端，底部通过螺纹与钻头连接，顶部通过螺纹与钻杆连接；所述的钻头底部设有切削齿，用于切屑钻孔底部土体；切土环刀位于外套管内，底部设有环形刃刀用于切入钻孔底部土体，样品管位于外套管内环形刃刀上方；所述的接头通过螺纹与样品管顶部连接，顶部设有沿平面自由转动的连接件，接头通过连接件与钢丝绳连接，接头顶部设有贯穿的排水/气孔，其内设有单向阀，使得水、空气只能从接头底部向顶部排出。
进一步，为了实现双重取样器下放、样品管和双重取样器上提过程中切土环刀始终位于钻孔底部，设计了如下结构：钻头顶部内侧壁设有环形凸起，切土环刀顶部外侧壁直径大于钻头环形凸起内径，可卡住切土环刀防止其在双重取样器下放过程中向下掉落；切土环刀中部外侧壁设有若干个对称凸起点，凸起点之间最大外直径大于钻头环形凸起内径，可卡住切土环刀防止其在样品管和双重取样器上提过程中向上移动；
为了实现采样过程中切土环刀与样品管紧密接触，设计了如下结构：切土环刀顶部内侧壁设有环形凹槽，样品管位于外套管内环形刃刀上方，样品管底部外侧壁设有环形卡槽，可与切土环刀环形凹槽卡固连接；
为了实现采样过程中样品管不随外套管旋转，设计了如下结构：外套管顶部内侧壁通过轴承设有环形卡圈；接头外侧壁设有若干个弹性卡扣，并通过若干根弹簧与若干个电磁铁连接，若干个电磁铁通过若干根导线与外部电源连接，可通过外部开关控制电磁铁的通电与断电；当电磁铁通电时，弹簧压缩、弹性卡扣收入接头内，接头可垂向自由通过外套管环形卡圈；当电磁铁断电时，弹簧回弹、弹性卡扣伸出接头外，接头受外套管环形卡圈约束不可自由通过，外套管与环形卡圈之间采用轴承连接，只能将轴向压力传递给接头，接头再依次将轴向压力传递给样品管和切土环刀，使切土环刀压入钻孔底部土体进行采样；
所述的钻杆由若干根组成，根据钻孔深度自由选择数量，最底部钻杆通过螺纹与双重取样器连接，若干根钻杆之间通过螺纹连接。
所述的取样仓通过螺纹安装于两根钻杆之间，位于地表以上，其侧壁设有半圆形可开合密封舱门，用于样品管的取出与放入。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案，作为举例而非限定，具有如下有益效果：本申请涉及工程地质勘查技术领域，能够连续、快速、高质量采集钻孔内土体原状试样，避免钻杆的反复提出与放入，大大提高钻探工作效率。
附图说明
图1为本申请实施例提供的采样装置整体拼装结构示意图；
图2为本申请实施例提供的采样装置中的双重取样器的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的采样装置中的双重取样器钻进采样步骤状态示意图；
图4为本申请实施例提供的采样装置中的双重取样器取样步骤状态示意图；
图5为本申请实施例提供的采样装置中的取样仓的结构示意图。
附图标记说明
1为双重取样器、16为钢丝绳；
11为外套管、111为环形卡圈；
12为钻头、121为切削齿、122为环形凸起；
13为切土环刀、131为凸起点、132为环形凹槽、133为环形刃刀；
14为样品管、141为环形卡槽；
15为接头、151为连接件、152为弹性卡扣、153为弹簧、154为电磁铁、155为导线、156为排水/气孔、157为单向阀；
2为钻杆、4为钻机、5为钻孔、6为土体；
3为取样仓、31为舱门。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1所示场景，一种钻孔内土体连续采样装置由双重取样器1、钻杆2、取样仓3组成，装个装置通过钻机4吊装，双重取样器1位于钻孔5底部；钻杆2由四根组成，最底部钻杆2通过螺纹与双重取样器1连接，钻杆2之间通过螺纹连接，取样仓3通过螺纹安装于两根钻杆2之间，位于地表以上。
图1中的双重取样器1，整体呈双重管状结构(如图2所示)，包括外套管11、钻头12、切土环刀13、样品管14、接头15、钢丝绳16，其中：外套管11位于双重取样器1最外端，底部通过螺纹与钻头12连接，顶部通过螺纹与钻杆2连接；接头15通过螺纹与样品管14顶部连接，顶部设有沿平面自由转动的连接件151，接头15通过连接件151与钢丝绳16连接，接头15顶部设有贯穿的排水/气孔156，其内设有单向阀157，使得水、空气只能从接头15底部向顶部排出；
设计有三大相互配合的关键机构，详述如下：
如图2所示细节放大图A所示，为机构A：钻头12底部设有切削齿121，顶部内侧壁设有环形凸起122；切土环刀13位于外套管11内，顶部外侧壁直径大于钻头12环形凸起122内径，可卡住切土环刀13防止其向下掉落，中部外侧壁设有六个对称凸起点131，凸起点131之间最大外直径大于钻头12环形凸起122内径，可卡住切土环刀13防止其向上移动；
如图2所示细节放大图B所示，为机构B：切土环刀13顶部内侧壁设有环形凹槽132，底部设有环形刃刀133；样品管14位于外套管11内环形刃刀133上方，样品管14底部外侧壁设有环形卡槽141，可与切土环刀13环形凹槽132卡固连接；
如图2所示细节放大图C所示，为机构C：接头15外侧壁设有四个弹性卡扣152，分别通过四根弹簧153与四个电磁铁154连接；外套管11顶部内侧壁通过轴承设有环形卡圈111；
在优选的实施方式中，可以在钻杆2中开设贯通的穿线孔，用于穿设四根导线155，四根导线155分别连接四个电磁铁154与外部电源；所述的导线155、电磁铁154均经过防水处理，具备水下工作能力；通过控制外部电源的开关分别为四个电磁铁154通电或断电：
如图3细节图所示机构C状态，当电磁铁154通电时，弹簧153压缩、弹性卡扣152收入接头15内，接头15可垂向自由通过外套管11环形卡圈111。
如图4细节图所示机构C状态，当电磁铁154断电时，弹簧153回弹、弹性卡扣152伸出接头15外，接头15受外套管11环形卡圈111约束不可自由通过。
图1中取样仓3(如图5所示)侧壁设有半圆形可开合密封舱门31。
本申请基于上述钻孔内土体连续采样装置，其工作实施方法如下：
工作前，首先将双重取样器1、钻杆2、取样仓3按照图1、图2所示结构拼装，根据钻孔5深度选择合适数量的钻杆2串接长度，将装置放入钻孔5底部，关闭取样仓3舱门31。
步骤一：钻进采样，如图1所示，利用钻机4对钻杆2施加向下压力和旋转力，并向钻杆2内输入循环泥浆；
钻杆2将压力和旋转力依次传递给双重取样器1的外套管11和钻头12，使钻头12在钻孔5底部沿轴线方向旋转钻进，钻进碎屑随循环泥浆带出钻孔5；
同时，如图2所示，机构C中的外套管11带动环形卡圈111向下移动并与接头15四个弹性卡扣152接触；由于外套管11与环形卡圈111之间采用轴承连接，因此在机构C中只能将压力传递给接头15；接头15再依次将压力传递给机构B中的样品管14和切土环刀13，在上端的机构C的传力机制和下端的机构A的配合约束下使切土环刀13压入钻孔5底部土体6进行采样，切土环刀13在径向不动(切土环刀13内土体6未扰动)，当切土环刀13内土体6达到一定高度时将进入样品管14。
步骤二：取样(如图4所示)，通过控制外部电源的开关分别为四个电磁铁154通电，在机构C中弹簧153压缩、弹性卡扣152收入连接件151内；对钢丝绳16施加上拉力，在钢丝绳16的带动下接头15连同样品管14一起被上拉，机构B中样品管14环形卡槽141与切土环刀13环形凹槽132脱离，内部土体6原状样从此界面处被拉断；机构C中接头15垂向自由通过外套管11环形卡圈111；
结合图1和图5所示，当样品管14上升至取样仓3时，打开舱门31，取出样品管14与接头15；拧开接头15与样品管14之间螺纹，取下样品管14。
步骤三：放置取样管，更换新的样品管14，并通过螺纹与接头15连接；将连接好的样品管14与接头15通过放入舱门31放入取样仓3；利用钢丝绳16将两者下方，机构C中接头15垂向自由通过外套管11环形卡圈111，机构B中样品管14环形卡槽141与切土环刀13环形凹槽132卡固连接；通过控制外部电源的开关分别为四个电磁铁154断电，机构C中弹簧153回弹、弹性卡扣152伸出接头15外，机构C中接头15受外套管11环形卡圈111约束不可自由通过。
步骤四：连续采样，重复步骤一至三实现连续采样。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。
Claims (9)
1.一种钻孔内土体连续采样装置，其特征在于：本装置包括双重取样器(1)、钻杆(2)、取样仓(3)组成，整个装置通过钻机(4)吊装并钻杆(2)施加压力和旋转力；
还机构A、机构B、机构C；
所述的双重取样器(1)用于在钻孔(5)底部进行钻进并采集土体(6)原状样；所述的钻杆(2)由若干根组成，根据钻孔(5)深度自由选择数量，最底部钻杆(2)通过螺纹与双重取样器(1)连接，若干根钻杆(2)之间通过螺纹连接；所述的取样仓(3)通过螺纹安装于两根钻杆(2)之间，位于地表以上，其侧壁设有半圆形可开合密封舱门(31)，用于样品管(14)的取出与放入。
2.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于：所述的双重取样器(1)整体呈双重管状结构，包括外套管(11)、钻头(12)、切土环刀(13)、样品管(14)、接头(15)、钢丝绳(16)；所述的外套管(11)位于双重取样器(1)最外端，底部通过螺纹与钻头(12)连接，顶部通过螺纹与钻杆(2)连接；所述的钻头(12)底部设有切削齿(121)，用于切屑钻孔(5)底部土体(6)；所述的切土环刀(13)位于外套管(11)内，底部设有环形刃刀(133)用于切入钻孔(5)底部土体(6)，样品管(14)位于外套管(11)内环形刃刀(133)上方；所述的接头(15)通过螺纹与样品管(14)顶部连接，顶部设有沿平面自由转动的连接件(151)，接头(15)通过连接件(151)与钢丝绳(16)连接，接头(15)顶部设有贯穿的排水/气孔(156)，其内设有单向阀(157)，使得水、空气只能从接头(15)底部向顶部排出。
3.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于：所述的取样仓(3)通过螺纹安装于两根钻杆(2)之间，位于地表以上，其侧壁设有半圆形可开合密封舱门(31)，用于样品管(14)的取出与放入。
4.根据权利要求2所述的采样装置，其特征在于，双重取样器(1)中：所述的钻头(12)顶部内侧壁设有环形凸起(122)，顶部外侧壁直径大于钻头(12)环形凸起(122)内径，可卡住切土环刀(13)防止其在双重取样器(1)下放过程中向下掉落；所述的切土环刀(13)中部外侧壁设有若干个对称凸起点(131)，凸起点(131)之间最大外直径大于钻头(12)环形凸起(122)内径，可卡住切土环刀(13)防止其在样品管(14)和双重取样器(1)上提过程中向上移动。
5.根据权利要求2所述的采样装置，其特征在于，双重取样器(1)中：所述的切土环刀(13)顶部内侧壁设有环形凹槽(132)，样品管(14)底部外侧壁设有环形卡槽(141)，可与切土环刀(13)环形凹槽(132)卡固连接；实现采样过程中切土环刀(13)与样品管(14)紧密接触。
6.根据权利要求2所述的采样装置，其特征在于，双重取样器(1)中：所述的外套管(11)顶部内侧壁通过轴承设有环形卡圈(111)；接头(15)外侧壁设有若干个弹性卡扣(152)，并通过若干根弹簧(153)与若干个电磁铁(154)连接，若干个电磁铁(154)通过若干根导线(155)与外部电源连接，可通过外部开关控制电磁铁(154)的通电与断电；当电磁铁(154)通电时，弹簧(153)压缩、弹性卡扣(152)收入接头(15)内，接头(15)可垂向自由通过外套管(11)环形卡圈(111)；当电磁铁(154)断电时，弹簧(153)回弹、弹性卡扣(152)伸出接头(15)外，接头(15)受外套管(11)环形卡圈(111)约束不可自由通过；所述的外套管(11)与环形卡圈(111)之间采用轴承连接，只能将轴向压力传递给接头(15)，接头(15)再依次将轴向压力传递给样品管(14)和切土环刀(13)，使切土环刀(13)压入钻孔(5)底部土体(6)进行采样。
7.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，机构A中钻头(12)底部设有切削齿(121)，顶部内侧壁设有环形凸起(122)；切土环刀(13)位于外套管(11)内，顶部外侧壁直径大于钻头(12)环形凸起(122)内径，可卡住切土环刀(13)防止其向下掉落，中部外侧壁设有六个对称凸起点(131)，凸起点(131)之间最大外直径大于钻头(12)环形凸起(122)内径，可卡住切土环刀(13)防止其向上移动。
8.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，机构B中切土环刀(13)顶部内侧壁设有环形凹槽(132)，底部设有环形刃刀(133)；样品管(14)位于外套管(11)内环形刃刀(133)上方，样品管(14)底部外侧壁设有环形卡槽(141)，可与切土环刀13环形凹槽(132)卡固连接。
9.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，机构C中接头(15)外侧壁设有四个弹性卡扣(152)，分别通过四根弹簧(153)与四个电磁铁(154)连接；外套管(11)顶部内侧壁通过轴承设有环形卡圈(111)；当电磁铁(154)通电时，弹簧(153)压缩、弹性卡扣(152)收入接头(15)内，接头(15)可垂向自由通过外套管(11)环形卡圈(111)；当电磁铁(154)断电时，弹簧(153)回弹、弹性卡扣(152)伸出接头(15)外，接头(15)受外套管(11)环形卡圈(111)约束不可自由通过。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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