CN116952650A - 煤体材料取芯装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤体材料取芯装置及方法，取芯装置包括框架单元、刀具单元、试件升降单元及轴向夹持单元；框架单元内设有第一支撑板，第一支撑板上设有安装孔；刀具单元包括刀具，刀具外周套设有第一轴承，第一轴承固定于安装孔内；刀具连接转动驱动机构，使刀具能在安装孔内转动；试件升降单元设于刀具单元下方，包括用于放置试件的第二支撑板，第二支撑板底部设有升降机构，使第二支撑板能在竖直方向上升降；轴向夹持单元包括若干竖向的第一液压杆，固定于框架单元顶部，第一液压杆的端部能向下伸出并与第二支撑板上的试件相抵。本发明可以避免取芯过程中刀具旋转对煤体等节理、层理发育材料产生的扰动，提高煤体试件取芯的成功率。

Description

煤体材料取芯装置及方法

技术领域

本发明涉及煤体取样技术领域，特别涉及一种煤体材料取芯装置及方法。

背景技术

我国能源赋存“富煤、贫油、少气”的基本情况决定了煤炭作为我国的主体能源且相当长时间内难以改变。开展实验室内煤岩体力学参数测试是保障煤炭的安全开采的必要工作，而煤体试件快速、高成功率加工则是保证试验准确性的前提。

目前对于煤体试件的加工，是在室内对现场采集的大块煤样首先采用取芯机取芯，然后利用切割机修整加工，最终利用磨平机加工成符合试验标准的煤体试件。然而，在取芯过程中，煤体材料周围及顶端失去束缚，由于煤体材料的层理性、节理性，在取芯加工过程中常常因为钻头的机械扰动而崩解无法形成完整岩芯。

综上所述，对于煤体等层理、节理发育的材料，利用传统取芯技术常常会破坏材料原有结构，导致取芯失败或者无法真实反映材料的物理力学特性。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种煤体材料取芯装置，其可以避免取芯过程中刀具旋转对煤体等节理、层理发育材料产生的扰动，极大程度提高煤体试件取芯的成功率。

本发明的第二目的在于提供一种煤体材料取芯方法，其适用于煤体等节理、层理发育材料，取芯成功率高。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明第一方面提供一种煤体材料取芯装置，包括框架单元、刀具单元、试件升降单元及轴向夹持单元；

所述框架单元内设有第一支撑板，所述第一支撑板上设有竖向的安装孔；

所述刀具单元包括筒状的刀具，所述刀具外周套设有第一轴承，所述第一轴承固定于所述安装孔内；所述刀具连接转动驱动机构，使所述刀具能在所述安装孔内转动；

所述试件升降单元设于所述刀具单元下方，包括用于放置煤体试件的第二支撑板，所述第二支撑板底部设有升降机构，使所述第二支撑板能在竖直方向上升降；

所述轴向夹持单元包括若干竖向的第一液压杆，固定于所述框架单元顶部，所述第一液压杆的端部能向下伸出并与所述第二支撑板上的煤体试件相抵。

根据本发明的一个实施方式，所述第一液压杆位于所述刀具外周。

根据本发明的一个实施方式，所述第一液压杆位于所述刀具内部。

根据本发明的一个实施方式，所述刀具内部设有隔板，所述隔板设有若干与所述第一液压杆对应的通孔；和/或

所述升降机构包括若干第二液压杆，设于所述框架单元底部与所述第二支撑板之间。

根据本发明的一个实施方式，所述隔板外周与所述刀具内壁之间通过第二轴承连接；和/或

所述通孔内穿设有供水管，所述供水管连接外部水源。

根据本发明的一个实施方式，所述第二支撑板上设有竖向的固定夹板及与所述固定夹板相对的活动夹板，所述活动夹板远离所述固定夹板的侧面与调节螺杆枢接；所述第二支撑板上固定设有带螺孔的调节座，所述调节螺杆穿设于所述调节座的螺孔内。

根据本发明的一个实施方式，所述框架单元外部设有挡板；和/或

所述升降机构外周设有防水罩；和/或

所述第一液压杆底端包覆有橡胶。

本发明第二方面提供一种煤体材料取芯方法，利用上述的煤体材料取芯装置，所述取芯方法包括下列步骤：

A.根据所述第二支撑板的尺寸，按照煤块层理方向，将大块煤样利用切割机切割为与所述第二支撑板尺寸对应的长宽与厚度；

B.将切割好的煤体试件置于所述第二支撑板上，并通过所述第二支撑板上的固定夹板和活动夹板将煤体试件在水平方向上固定；

C.通过外部控制机构控制所述升降机构升高，带动所述第二支撑板升高至煤体试件顶部接近所述刀具底端时停止升高；

D.通过外部控制机构控制所述第一液压杆下压，使所述第一液压杆底部与煤体试件接触，并施加初始应力；

E.通过外部控制机构控制所述转动驱动机构开启，带动所述刀具旋转；

F.通过外部控制机构控制取芯：使所述升降机构上升的同时，所述第一液压杆收缩，同时所述刀具旋转直至钻透煤体试件；

G.保持刀具旋转，控制所述升降机构下降的同时，所述第一液压杆伸出，直至煤样全部退出所述刀具范围；

H.通过外部控制机构控制所述转动驱动机构关闭，并控制所述第一液压杆、所述升降机构回到初始位置。

根据本发明的一个实施方式，所述步骤B中，在所述煤体试件与所述第二支撑板之间放置木板；和/或

所述步骤C中，所述煤体试件顶部距离所述刀具底端10mm时停止升高。

根据本发明的一个实施方式，所述步骤D中，初始应力为2MPa；和/或

所述步骤E中，向所述刀具内部通入水。

与现有技术相比，本发明实施例的优点和有益效果在于：

第一，本发明实施例通过两部液压泵的配合，改变了传统取芯机在取芯过程中缺少对煤体材料的轴向及周向约束，煤体材料易在取芯机刀具转动扰动下易崩解破坏的弊端，在取芯过程中保证了试件的轴向和周向方向不缺失约束，极大地提高了煤体等层理、节理发育材料的取芯成功率。

第二，本发明实施例的刀具的钻进速度由液压机控制，可以根据取芯材料的强度及破碎度实现均匀、无极调速地推进，避免了对煤体材料的二次扰动，提升了取芯的成功率。

第三，本发明实施例可以根据取芯材料的强度及破碎度选择合适的轴向压力，并且数个液压杆的设定可以适应煤体材料凹凸不平的表面，适应性较好。

第四，煤体等节理性材料遇水易崩解，易堵塞在刀具内部难以清理，降低煤样取芯成功率的同时浪费了大量的时间。本发明实施例中的轴向夹持单元位于刀具内部，与刀具可以实现相对分离，在遇到煤体崩解堵塞刀具时可以方便地将煤芯推出，节约了时间。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例提供的煤体材料取芯装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的煤体材料取芯装置的框架单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的煤体材料取芯装置的试件升降单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的煤体材料取芯装置的隔板的结构示意图。

附图标记说明：

1、框架单元；11、第一支撑板；111、安装孔；12、挡板；2、刀具单元；20、刀具；21、第一轴承；22、带轮；23、传动皮带；24、电机；25、带轮；26、第三轴承；3、试件升降单元；31、第二支撑板； 32、固定夹板；33、活动夹板；34、调节螺杆；35、调节座；36、第二液压杆；37、第二液压泵；4、轴向夹持单元；41、第一液压杆；42、第一液压泵；5、煤体试件；6、隔板；61、通孔；62、供水管；7、防水罩；8、外部控制机构；81、控制器；82、电路板。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供一种煤体材料取芯装置，包括框架单元1、刀具单元2、试件升降单元3及轴向夹持单元4。

如图1、图2所示，该框架单元1内设有第一支撑板11，该第一支撑板11上设有竖向的安装孔111。具体来说，该框架单元1可以包括给其余功能单元提供支持的桁架结构，该桁架结构外部覆盖有挡板12。优选地，桁架结构的上下、左右、后方的挡板为不锈钢制挡板，前方的挡板为防爆玻璃挡板。进一步地，防爆玻璃挡板通过铰接结构与不锈钢制挡板相连，可实现防爆玻璃挡板的开合，以便于煤体试件的放置和取出。

如图1所示，该刀具单元2包括筒状的刀具20，该刀具20外周套设有第一轴承21，该第一轴承21固定于该安装孔111内。该刀具20连接转动驱动机构，使该刀具20能在该安装孔111内转动。具体来说，该刀具20为钢制圆筒状，其内径为50mm，高度为300mm。

在本实施例中，该转动驱动机构可以包括设于该刀具20外部的带轮22，该刀具20的带轮22通过传动皮带23与电机24的带轮25连接，电机24的带轮25为主动轮，刀具20的带轮22为从动轮，电机24带动与其连接的带轮25转动，通过传动皮带23带动刀具20的带轮22及刀具20转动。通过第一轴承21与刀具20的带轮22的配合，可以实现刀具20仅仅可以绕自身轴线旋转而不可产生其他方向的移动。在其他实施例中，该转动驱动机构还可以为齿轮传动等方式，不作限制。

如图1、图3所示，该试件升降单元3设于该刀具单元2下方，用于将煤体试件5向刀具20的方向移动，以进行取芯。该试件升降单元3包括用于放置煤体试件5的第二支撑板31，该第二支撑板31底部设有升降机构，使该第二支撑板31能在竖直方向上升降，以向旋转的刀具20方向移动进行取芯操作。该第二支撑板31可以为厚度为5mm、长宽为100mm的不锈钢板。进一步地，为了在煤块周向对其进行限位，该第二支撑板31上设有竖向的固定夹板32及与该固定夹板32相对的活动夹板33，该活动夹板33远离该固定夹板32的侧面与调节螺杆34枢接。该第二支撑板31上固定设有带螺孔的调节座35，该调节螺杆34穿设于该调节座35的螺孔内。该固定夹板32可以为与该第二支撑板31同等材质的不锈钢板，与第二支撑板31焊接。该活动夹板33与固定夹板32对称分布，可通过调节螺杆34与调节座3的螺孔的配合实现活动夹板33与固定夹板32的相对移动，达到在周向上固定煤体试件5的目的。

如图1所示，该轴向夹持单元4包括若干竖向的第一液压杆41，固定于该框架单元1顶部，各第一液压杆41连接第一液压泵42，通过第一液压泵42的送油，该第一液压杆41的端部能向下伸出并与该第二支撑板31上的煤体试件5相抵，以对煤体试件5的轴向产生约束限位。

本发明实施例提供的煤体材料取芯装置，在使用时，首先将大块煤样置于该第二支撑板31上，并通过该第二支撑板31上的固定夹板32和活动夹板33将煤体试件5在水平方向上固定，限制其移动；然后控制该升降机构升高，带动该第二支撑板31升高至煤体试件5顶部接近该刀具20底端时停止升高；接着控制该第一液压杆41下压，使该第一液压杆41底部与煤体试件5接触，并施加初始应力；然后控制该转动驱动机构开启，带动该刀具20旋转；然后控制该升降机构上升的同时，使煤体试件5向旋转的刀具20方向移动以进行切割取芯，同时该第一液压杆41同步收缩并一直保持对煤体试件5的轴向约束力，直至旋转的刀具20钻透煤体试件5完成取芯。

通过第一液压杆41与试件升降单元的配合，可以避免取芯过程中刀具旋转对煤体试件5等节理、层理发育材料产生的扰动，改变了传统取芯机在取芯过程中缺少对煤体材料的轴向约束，煤体材料易在取芯机刀具转动扰动下易崩解破坏的弊端，在取芯过程中保证了煤体试件的轴向方向不缺失约束，极大地提高了煤体等层理、节理发育材料的取芯成功率。

在本发明的实施例中，该升降机构包括若干第二液压杆36，设于该框架单元1底部与该第二支撑板31之间。第二液压杆36可以有四根，上下两端通过焊接的方式分别与第二支撑板31、框架单元1底部相连，由焊接在框架单元1底部的第二液压泵37控制，可实现第二支撑板31在竖直方向上的移动。在其他实施例中，该升降机构还可以为电动升降机。

在本发明的实施例中，该第一液压杆41位于该刀具20内部，其对煤体试件5的轴向约束力直接作用在欲取芯的试样上，能够更好地提供轴向约束力，防止刀具20对煤体试件5产生扰动。煤体等节理性材料遇水易崩解，易堵塞在刀具内部难以清理，降低煤样取芯成功率的同时浪费了大量的时间。本发明实施例中的轴向夹持单元4位于刀具20内部，与刀具20可以实现相对分离，在遇到煤体崩解堵塞刀具时可以向下运动，方便地将煤芯推出，节约了时间。

在本发明的实施例中，该刀具20内部设有隔板6，如图4所示，该隔板6为蜂窝状不锈钢板，设有若干通孔61，供第一液压杆41穿过，隔板6可以阻挡取芯时的碎屑和粉尘向上飞溅。另外，该通孔61内还可以穿设有供水管62，该供水管62连接外部水源，以向刀具20底部喷水，用于在刀具20切割煤体材料时给刀具20降温并减少煤粉尘浓度。优选地，该升降机构外周设有防水罩7。防水罩7为可伸缩的橡胶套结构，两端分别与第二支撑板31、框架单元1底部通过防水胶相连，将第二液压杆36、第二液压泵37保护在内，防止取芯过程中煤粉、水污染第二液压泵37与第二液压杆36。

在本发明的实施例中，该隔板6外周与该刀具20内壁之间通过第二轴承连接，以防止隔板6与旋转的刀具20内壁产生摩擦。该刀具20下部分布有锯齿状刀齿，增加刀齿的目的为增加刀具与煤体材料的摩擦力，方便煤体材料的切割取芯。进一步地，为了使刀具20转动稳定，可以在刀具20外周再设置一个第三轴承26，并将该第三轴承26安装在框架单元1的另一个支撑板上。

为了保护煤体试件5，该第一液压杆41底端包覆有橡胶，防止在对其产生约束的同时破坏煤体试件5表面。在取芯操作过程中，为了防止刀具20穿透煤体试件5后对第二支撑板31造成破坏，该第二支撑板31上方可以设置木板，放置于煤体试件5底部。

在本发明的其他实施例中，该第一液压杆41还可以位于该刀具20外周，同样可以提供煤体试件5轴向的约束限位，防止刀具20对煤体试件5产生扰动。

另外，本发明实施例还包括用于控制该转动驱动机构、该升降机构、该第一液压杆41、第二液压杆36的外部控制机构8，该外部控制机构8可以包括控制器81与电路板82，控制器81通过螺栓连接在框架单元1外部，通过电线与电路板82相连，控制器81上分布有按钮，通过按钮的开与闭控制电路板82；该电路板82为普通市售电路板，外接电源，控制第一液压泵42、第二液压泵37的输油与回收，以及控制电机24的旋转。

本发明还提供一种煤体材料取芯方法，利用上述的煤体材料取芯装置，该取芯方法包括下列步骤：

A.根据该第二支撑板31的尺寸，按照煤块层理方向，将大块煤样利用切割机切割为与该第二支撑板31尺寸对应的长宽与厚度；检查设备各部分是否正常，检查液压泵、电机是否正常工作；

B.将切割好的煤体试件5置于该第二支撑板31上，并通过该第二支撑板31上的固定夹板32和活动夹板33将煤体试件5在水平方向上固定，限制其移动，关闭框架单元1的玻璃挡板；优选地，在该煤体试件5与该第二支撑板31之间放置木板，防止刀具20钻透试件破坏刀具20和第二支撑板31；

C.通过外部控制机构8控制该升降机构升高，带动该第二支撑板31升高至煤体试件5顶部接近该刀具20底端时停止升高；优选地，该煤体试件顶部距离该刀具20底端10mm时停止升高；

D.通过外部控制机构8控制该第一液压杆41下压，使该第一液压杆41底部与煤体试件5接触，并施加初始应力，例如2MPa；

E.通过外部控制机构8控制该转动驱动机构开启，带动该刀具20旋转；同时向该刀具20内部通入水，防止产生粉尘和刀具温度过高；

F.通过外部控制机构8控制取芯：使该升降机构上升的同时，该第一液压杆41收缩，同时该刀具20旋转直至钻透煤块；

G.保持刀具20旋转，控制该升降机构下降的同时，该第一液压杆41伸出，直至煤体试件5全部退出该刀具范围；

H.通过外部控制机构8控制该转动驱动机构关闭，并控制该第一液压杆41、该升降机构回到初始位置。

煤芯取样完成，打开玻璃挡板取出煤芯，关闭外接水源，利用切割机、角磨机进一步将煤芯加工为符合国标的标准试件。如果需要多个标准试件，重复上述步骤，取芯、加工成多个标准试件即可。

与传统取芯方式相比，本发明实施例提供的煤体材料取芯装置及方法可以实现表面凹凸不平、不同强度及破碎度的煤体材料取芯，极大的提高了取芯的成功率，满足了采矿工程室内试验对于试样的实验需求。当轴向夹持单元位于刀具内部时，还可以便于将煤芯从刀具内取出，解决了煤体试件遇水易崩解，易堵塞在刀具内部难以清理的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种煤体材料取芯装置，其特征在于，包括框架单元（1）、刀具单元（2）、试件升降单元（3）及轴向夹持单元（4）；

所述框架单元（1）内设有第一支撑板（11），所述第一支撑板（11）上设有竖向的安装孔（111）；

所述刀具单元（2）包括筒状的刀具（20），所述刀具（20）外周套设有第一轴承（21），所述第一轴承（21）固定于所述安装孔（111）内；所述刀具连接转动驱动机构，使所述刀具能在所述安装孔（111）内转动；

所述试件升降单元（3）设于所述刀具单元（2）下方，包括用于放置煤体试件（5）的第二支撑板（31），所述第二支撑板（31）底部设有升降机构，使所述第二支撑板（31）能在竖直方向上升降；

所述轴向夹持单元（4）包括若干竖向的第一液压杆（41），固定于所述框架单元（1）顶部，所述第一液压杆（41）的端部能向下伸出并与所述第二支撑板（31）上的煤体试件（5）相抵。

2.根据权利要求1所述的煤体材料取芯装置，其特征在于，所述第一液压杆（41）位于所述刀具（20）外周。

3.根据权利要求1所述的煤体材料取芯装置，其特征在于，所述第一液压杆（41）位于所述刀具（20）内部。

4.根据权利要求3所述的煤体材料取芯装置，其特征在于，所述刀具（20）内部设有隔板（6），所述隔板（6）设有若干与所述第一液压杆（41）对应的通孔（61）；和/或

所述升降机构包括若干第二液压杆（36），设于所述框架单元（1）底部与所述第二支撑板（31）之间。

5.根据权利要求4所述的煤体材料取芯装置，其特征在于，所述隔板（6）外周与所述刀具（20）内壁之间通过第二轴承连接；和/或

所述通孔（61）内穿设有供水管（62），所述供水管（62）连接外部水源。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的煤体材料取芯装置，其特征在于，所述第二支撑板（31）上设有竖向的固定夹板（32）及与所述固定夹板（32）相对的活动夹板（33），所述活动夹板（33）远离所述固定夹板（32）的侧面与调节螺杆（34）枢接；所述第二支撑板（31）上固定设有带螺孔的调节座（35），所述调节螺杆（34）穿设于所述调节座（35）的螺孔内。

7.根据权利要求1所述的煤体材料取芯装置，其特征在于，所述框架单元（1）外部设有挡板（12）；和/或

所述升降机构外周设有防水罩；和/或

所述第一液压杆（41）底端包覆有橡胶。

8.一种煤体材料取芯方法，其特征在于，利用根据权利要求1-7中任一项所述的煤体材料取芯装置，所述取芯方法包括下列步骤：

A.根据所述第二支撑板（31）的尺寸，按照煤块层理方向，将大块煤样利用切割机切割为与所述第二支撑板（31）尺寸对应的长宽与厚度；

B.将切割好的煤体试件（5）置于所述第二支撑板（31）上，并通过所述第二支撑板（31）上的固定夹板（32）和活动夹板（33）将煤体试件（5）在水平方向上固定；

C.通过外部控制机构（8）控制所述升降机构升高，带动所述第二支撑板（31）升高至煤体试件（5）顶部接近所述刀具（20）底端时停止升高；

D.通过外部控制机构（8）控制所述第一液压杆（41）下压，使所述第一液压杆（41）底部与煤体试件（5）接触，并施加初始应力；

E.通过外部控制机构（8）控制所述转动驱动机构开启，带动所述刀具（20）旋转；

F.通过外部控制机构（8）控制取芯：使所述升降机构上升的同时，所述第一液压杆（41）收缩，同时所述刀具（20）旋转直至钻透煤体试件（5）；

G.保持刀具（20）旋转，控制所述升降机构下降的同时，所述第一液压杆（41）伸出，直至煤体试件（5）全部退出所述刀具（20）范围；

H.通过外部控制机构（8）控制所述转动驱动机构关闭，并控制所述第一液压杆（41）、所述升降机构回到初始位置。

9.根据权利要求8所述的煤体材料取芯方法，其特征在于，所述步骤B中，在所述煤体试件（5）与所述第二支撑板（31）之间放置木板；和/或

所述步骤C中，所述煤体试件（5）顶部距离所述刀具（20）底端10mm时停止升高。

10.根据权利要求8所述的煤体材料取芯方法，其特征在于，所述步骤D中，初始应力为2MPa；和/或

所述步骤E中，向所述刀具（20）内部通入水。