深层岩石自动取样装置设计研究

兰州资源环境职业技术学院 曾永耀 朱雅芸 高磊 赵文青 寇佩佩

引言

地质钻探是岩土工程勘查、区域地质调查和矿产资源勘查等工程地质与资源勘查工作最直接、最有效的技术手段之一（图1）。地质钻探是指利用相关的钻探设备和钻进工艺从地表向地下钻进，在地层中形成圆柱形钻孔，取得地表以下岩矿心，以鉴别和划分地层，为获取地质和矿产资源参数进行可靠性评价的一项地质工作[1-2]。我们可以从钻孔中的不同深度处取得岩心、矿样、土样进行分析研究，用以测定岩石和土层的物理、力学性质和指标[3-4]。目前的地质钻探深层岩石取样装置，大多直接采用钻头进行样品采集，普通的钻头在进行深层岩石采集时，会对岩石造成破坏，不够完整，同时在收集时不容易脱离钻头内部，光滑的钻头在进行钻取时效率不高[5-7]。

图1 常见地质钻机取样装置平面结构图

鉴于现有地质钻探深层岩石取样装置的诸多不足，结合工程实际，在钻取筒外侧设置钻取螺纹，以加快对深层岩石的钻取，提高装置采集岩石样品的效率；在钻取筒上设置多个出浆孔，来排出钻取过程产生的浆液，便于钻取样本，提高工作效率。我们通过改进生产技术和工艺，研发了一种地质勘探用的深层岩石自动取样装置。正因为本设计的创造性与先进性，获得了国家实用新型专利授权（专利号：ZL201920445758.4）。

1 设备的组成和结构

1.1 设备的组成

我们设计的地质勘探用的深层岩石自动取样装置，主要由钻取筒1、转动轴5、安装筒体12、转动电机13和安装块15组成（图2）。

图2 深层岩石自动取样装置平面结构图

1.2 设备的结构

上述钻取筒1、转动轴5、安装筒体12、转动电机13和安装块15的组成和结构如下：钻取筒1的一端设置钻料口2（图3），钻取筒1的外侧设置钻取螺纹3，钻取筒1上端设置多个出浆孔4，钻取筒1上端中心位置固定连接转动轴5，钻取筒1内部设置有对称的滑动槽6，钻取筒1内设置有一抵板7（图3），抵板7的两侧对称连接卡接块8，卡接块8与滑动槽6活动卡接设置，抵板7上固定连接固定螺杆10并上设置多个弹簧9，弹簧9的一端与钻取筒1底部接触连接，固定螺杆10的一端连接垫块11，安装筒体12内设置有一转动电机13，转动电机13与电源线17连接，转动电机13的一端与联轴器14连接，联轴器14的一端与转动轴5固定连接，联轴器14通过螺栓连接，安装筒体12上端中心位置固定连接安装块15，安装块15上设置连接孔16。

图3 钻取筒连接示意图图中数字代表的部件同图1

图4 A处（图1中）放大示意图图中数字代表的部件同图2

2 设备技术原理

深层岩石自动取样装置采用的主要技术方案包括：钻取筒、转动轴、安装筒体、转动电机和安装块。钻取筒的一端设置钻料口，钻取筒的外侧设置钻取螺纹，钻取筒上端设置多个出浆孔，钻取筒上端中心位置固定连接转动轴，钻取筒内部设置有对称的滑动槽和一抵板，抵板的两侧对称连接卡接块，卡接块与滑动槽活动卡接设置，抵板上固定连接固定螺杆，抵板上设置多个弹簧，弹簧的一端与钻取筒底部接触连接，固定螺杆的一端连接垫块，安装筒体内设置有一转动电机，转动电机与电源线连接，转动电机的一端与联轴器连接，联轴器的一端与转动轴固定连接，联轴器通过螺栓连接，安装筒体上端中心位置固定连接安装块，安装块上设置连接孔。

钻取筒为中空设置，钻取筒上设置弧形钻料口。钻取筒的外侧设置多个螺旋设置的钻取螺纹，所述钻取螺纹为多个均匀螺旋排列。

钻取筒上设置有多个出浆孔，出浆孔设置在钻取筒上端位置，出浆孔为倾斜设置。钻取筒内设置对称的滑动槽，滑动槽与卡接块活动卡接。

抵板上设置多个弹簧，和对称的固定螺杆，固定螺杆一端通过螺栓连接。转动电机与电源线连接，所述电源线与外部电源连接。

3 技术的创造性与先进性

我们设计的地质勘探用的深层岩石自动取样装置，在钻取筒的外侧设置有螺旋形的钻取螺纹，通过钻取螺纹加快对深层岩石的钻取，提高装置采集岩石样品的效率，并在钻取筒上设置有多个出浆孔，通过出浆孔将钻取过程中的浆液排出，以便于钻取样本，提高效率。

另外该装置在钻取筒的内部设置有抵板，在抵板上设置有多个弹簧，抵板通过固定螺杆进行固定，固定螺杆设置一定长度，固定螺杆通过垫块安装连接，在样品较难取出时，可通过拧松固定螺杆上端的螺母，将抵板通过弹簧进行抵出样品，以便于样品的收集。

4 技术的成熟程度、适用范围

4.1 技术的成熟程度

我们设计的深层岩石自动取样装置，从设计思路来看，其技术成熟度较高、具备一定的推广价值。

4.2 适用范围

本深层岩石自动取样装置可广泛应用于岩土工程勘查、地质调查、矿产资源勘查和寻找地下水资源等地勘行业的深层取心工作。