尾矿钻探多功能钻头 |
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| 申请号 | CN201510046075.8 | 申请日 | 2015-01-29 | 公开(公告)号 | CN104612676A | 公开(公告)日 | 2015-05-13 |
| 申请人 | 中冶集团武汉勘察研究院有限公司; | 发明人 | 陈定安; 于沉香; 陈洪全; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 尾矿 钻探多功能 钻头 。所述钻头包括金属外管，其特征在于：金属外管从钻头的头端向尾端依次包括旋转切土刀头段、扩孔段、切样测量段、储样段和上盖段，在储样段内设有储样过多个 支架 固定在储样段内；在扩孔段内设有标准取样管，所述标准取样管是由环形切刀和静压取样管组成，静压取样管两端分别通过平面 轴承 固定在扩孔段内，环形切刀设置在静压取样管的前端，其环形刀口伸出旋转切土刀头段；在切样测量段内设有螺旋切样管，螺旋切样管上端与储样管密封连通，下端通过缓冲管与静压取样管连通。本发明结构简单，使用方便，在回转钻进的同时可以静压取样，并通过 传感器 记录每回次进尺 地层 从上至下的物理特性与 力 学特性的变化特征。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种尾矿钻探多功能钻头，包括金属外管，其特征在于：所述金属外管从钻头的头端向尾端依次包括旋转切土刀头段(1)、扩孔段(2)、切样测量段(3)、储样段(4)和上盖段(5)，金属外管的各段之间通过丝扣完全钢性连接，在旋转切土刀头段(1)和扩孔段(2)的外壁刻有正向螺纹，在上盖段(5)的外壁刻有反向螺纹，在储样段(4)内设有储样管(4-1)，所述储样管(4-1)通过多个支架(4-2)固定在储样段内，其上端通过储样管帽(4-3)固定在上盖段(5)内；在扩孔段(2)内设有标准取样管，所述标准取样管是由环形切刀(2-1)和静压取样管(2-2)组成，静压取样管(2-2)两端分别通过平面轴承(6)固定在扩孔段(2)内，环形切刀(2-1)通过丝扣连接在静压取样管(2-2)的前端，其环形刀口伸出旋转切土刀头段(1)，并在钻头转动过程中通过静压取样管(2)静压环形切刀(2-1)取样；在切样测量段(3)内设有螺旋切样管(3-1)，所述螺旋切样管(3-1)上端与储样管(4-1)密封连通，下端通过缓冲管(3-2)与静压取样管(2-2)连通。 |
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| 说明书全文 | 尾矿钻探多功能钻头技术领域[0001] 本发明涉及岩土勘探技术领域，具体的说是一种尾矿工程钻探的多功能钻头。 背景技术[0002] 钻探是工程地质勘察的基本手段，传统的工程地质钻头有螺旋钻头与回转钻头。两种钻头在粘性土层或砂层钻进中，只能掘进地层与提取非原状土样，不能在钻进的同时又能采取原状试样和进行相关的原位测试。在实际工程中实现钻进、采取原状试样与相关的原位测试一体化的钻探技术必能显著提高工程地质勘察效率与质量，具有较大的实用价值和经济价值。 发明内容[0003] 本发明的目的是提供一种结构简单，适用于粘性土层与砂层的尾矿工程钻探的多功能钻头，该钻头在钻进的同时，具有采取原状试样，进行力学特性与物理特性测试功能一体化的多功能。 [0004] 本发明提供的技术方案：所述一种尾矿钻探多功能钻头包括金属外管，其特征在于：所述金属外管从钻头的头端向尾端依次包括旋转切土刀头段、扩孔段、切样测量段、储样段和上盖段，金属外管的各段之间通过丝扣完全钢性连接，在旋转切土刀头段和扩孔段的外壁刻有正向螺纹，在上盖段的外壁刻有反向螺纹，在储样段内设有储样管，所述储样管通过多个支架固定在储样段内，其上端通过储样管帽固定在上盖段内；在扩孔段内设有标准取样管，所述标准取样管是由环形切刀和静压取样管组成，静压取样管两端分别通过平面轴承固定在扩孔段内，在平面轴承上设有丝扣，静压取样管的前端通过前侧平面轴承上的丝扣与环形切刀连接，后端通过后侧的平面轴承上的丝扣与切样测量段内的内管丝扣连接，确保在金属外管转动过程中该静压取样管不转动，而是保持静压的状态，环形切刀的环形刀口伸出旋转切土刀头段，并在钻头转动过程中通过静压取样管静压环形切刀取样，在松软地层中钻进，为增加抗转动力，在环形切刀超前段外壁沿直径方焊一对侧翼板；在切样测量段内设有螺旋切样管，所述螺旋切样管上端与储样管密封连通，下端通过缓冲管与静压取样管连通。 [0005] 本发明进一步的技术方案：在切样测量段与储样段连接的端口设有环形盖板，环形盖板的外缘与切样测量段外管内壁密封连接，内缘与螺旋切样管的外壁密封连接，在环形盖板上开设有至少两个上导流泥浆孔；在缓冲管的下端套设有环形的轴力转换测量模块，在轴力转换测量模块上开设有与环形盖板对应的下导流泥浆孔，所述轴力转换测量模块与环形盖板在测量段外管与螺旋切样管、缓冲管之间形成一个环形密封腔体，在环形密封腔内设有与泥浆孔个数相等的泥浆管，每根泥浆管端通过环形盖板上对应的上导流泥浆孔通向储样段的泥浆输送腔，下端通过轴力转换测量模块上对应的下导流泥浆孔通向扩孔段的泥浆输送腔，且泥浆管通入泥浆导流孔的部分其外管壁与泥浆孔的内壁密封连接；所述缓冲管采用带电极的钢化玻璃或陶瓷直流电场扫描管，所述电极也是传感器，是通过标准电压加载到试样两侧检测试样的电流特征参数，反映试样的物理变化特征，在环形密封腔体内还设有低功耗检测存储传输电路模块和移动电源，在轴力转换测量模块的压力腔设有压力传感器，在轴力转换测量模块内设有与泥浆相通的孔，并在孔内壁设有温度传感器和液位传感器，所述电极、压力传感器、温度传感器和液位传感器的信号输出端均与低功耗检测存储传输电路模块的信号输入端连接，在切样测量段的金属管外壁上设有数据传输口和充电端口。低功耗检测存储传输电路模块包括开关电路模块、信号调理模块、A/D转换单片机模块、通讯电路模块、存储模块，还可以设置无线模块，电极、压力传感器、温度传感器和液位传感器均通过开关电路模块与信号调理模块的信号输入端连接，信号调理模块的信号输出端与A/D转换单片机模块的信号输入端连接，A/D转换单片机模块与通信电路模块信号连接，通信电路模块的信号输出端可以与存储模块连接，也可以与无线模块连接然后输出到外界的计算机上，还可以通过数据传输口输送到外界的计算机上；所述检测电路模块中的传感器以及所有模块都与移动电源模块连接，通过移动电源供电，移动电源与设置在外管上的充电端口连接，充电端口充电。 [0006] 本发明进一步的技术方案：所述旋转切土刀头段、扩孔段和上盖段的金属外管均为圆台状管体，在旋转切土刀头段的小端口均匀焊接有6-8个六边柱状合金或人造金刚石，旋转切土刀头段的大口管径与扩孔段的小口端管径相同，并通过丝扣连接在扩孔段的小口端；切样测量段和储样段均为圆柱形直管，其管径与扩孔段和上盖段的大口端管径相同，且切样测量段通过丝扣连接在扩孔段的大口端，储样段通过丝扣连接在上盖段的大口端，在上盖段的小口端设有与钻杆连接的螺孔；所述整个钻头的金属外管管臂厚度为8-10mm，两相邻管段连接丝扣长度20-30mm。 [0007] 本发明较优的技术方案：所述轴力转换测量模块包括环形模块和环形密封盖，在环形模块的环形部分内设有至少三个相同活塞，最佳设三个，每个活塞的活塞腔在环形模块的上端面对应开设有腔口，在环形模板的上端面开设有多条用于将多个活塞腔相互连通的凹槽状通道，所述环形密封盖盖合在环形模块的上端面，将多个活塞腔完全密封；所述每个活塞的活塞杆下端通过环形底盘固定在与扩孔段连接处的平面轴承上；在环形密封盖和环形模块对应多个活塞之间的位置处，开设有相互对应的下导流泥浆孔；所述压力传感器与活塞腔相连。设置有三个活塞时，具体的方案为三根活塞的外端与刻有轴承钢珠滑轨的圆环钢性连接，三根活塞的压力腔两两相通、并注满液压油，压力传感器、温度传感器、液位传感器均固定在轴力转换测量模块上，压力传感器与活塞的压力腔相通，温度传感器、液位传感器通过小孔与管内泥浆相通，两根泥浆通道管通过丝扣密封连接下导流泥浆孔。 [0008] 本发明较优的技术方案：所述扩孔段的长度为为280-320mm，在扩孔段距小端1/3的位置处沿圆周等距设有三个截面为梯形的出水口，在出口上设有杠杆式活动舌，并在下钻过程中杠杆式活动舍闭合，上提过程中杠杆式活动舍张开。 [0010] 本发明较优的技术方案：所述储样管采用塑料管或不锈钢管，一端与切样测量段的内螺旋切样管插接，内螺旋切样管内表面焊接螺旋切土刀，另一端通过储样管帽固定，在储样管帽的顶端设有单向阀；设置在储样管与储样段外管之间的支架采用塑料或橡胶材料制成，并通过多个具有弹性的支架将其固定在储样段的中轴线上，多个弹性支架的分布间距为500-600mm。 [0011] 本发明较优的技术方案：所述环形切刀的刀口内径为61.8mm-65mm，刃角10度，其前端伸出旋转切土刀头段10mm-30mm；所述静压取样管是由两个半圆管构成，内径与土工试验刀的外径一致，两端通过带丝扣的不锈钢平面轴承将两个半圆管锁成一体，并通过两个平面轴承将其固定在扩孔段的中心轴线上。 [0012] 本发明较优的技术方案：所述数据传输口和充电端口开设在对应低功耗检测存储传输电路模块的外管壁上，并在外部设有高强钢化玻璃密封窗盖。 [0013] 本发明的钻头在旋转钻进中，通过轴力转换测量模块和带丝扣的平面轴承使静压取样管静压直线下切土层；每回次钻进结束，原样留存在静压准取样管的储样管中，扰动样储存在储样管中；每回次结束只需分别打开上盖与旋转切土刀头段即可取出储样管与准取样管。 [0014] 本发明的切样测量段段通过传感器按程序设定的模式，记录每回次进尺地层从上至下的物理特性与力学特性的变化电特征参数；通过比对试验建立电特性参数与土的物理特性之间的关系、标准取样管的阻力与土的力学指标之间的关系，可直接用于划分地层与推算各层土的物理力学指标。 [0015] 本发明所述的尾矿钻探多功能钻头其工作原理是：通过钻机驱动钻头转动向土层钻进时，标准取样管切入土层后，旋转切土刀头破除标准取样管外土层，通过螺旋扩孔段挤压成孔；在钻进时标准取样管通过平面轴承的转换始终保持直线静压下切，当土样到达钢化玻璃(或陶瓷)直流电场扫描管顶时，内螺旋切样管将高出的土柱切割提升到储样管存留；通过传感器按程序设定的模式，记录每回次进尺地层从上至下的物理特性与力学特性的变化电特征参数；通过比对试验建立电特性参数与土的物理特性之间的关系、标准取样管的阻力与土的力学指标之间的关系，可直接用于划分地层与推算各层土的物理力学指标；每回次进尺标准取样管留存一个原状试样；每回次结束只需分别打开上盖与旋转切土刀头段即可取出储样管与静压取样管。 [0016] 本发明的优点是：结构简单，使用方便，每回次进尺在标准取样管中留存一个原状试样，只需打开上盖与旋转切土刀头段即可取出储样管与标准取样管；在回转钻进的同时，标准取样管进行静压取样，通过传感器记录每回次进尺地层从上至下的物理特性与力学特性的变化特征；通过比对试验建立电特性参数与土的物理特性之间的关系、标准样管的阻力与土的力学指标之间的关系，可直接用于划分地层与推算各层的物理力学指标；适用于粘性土层与砂土层。附图说明 [0017] 图1是本发明的整体结构示意图； [0018] 图2是本发明中旋转切土刀头段与扩孔段结构示意图； [0019] 图3是本发明中扩孔段的立体图； [0020] 图4是本发明中切样测量段的立体图； [0021] 图5是本发明中切样测量段结构横向剖面图； [0022] 图6是图5中AA’剖面图； [0023] 图7是图2中BB’剖面图； [0024] 图8是图5中CC’剖面图； [0025] 图9是图1中DD’剖面图； [0026] 图10是图2中EE’剖面图； [0027] 图11是图2的右视图； [0028] 图12是本发明中轴力转换模块的结构示意图。 [0029] 图13是本发明中检测电路模块原理框图。 [0030] 图中：1—旋转切土刀头段，2—扩孔段，2-1—环形切刀，2-2—静压取样管，3—切样测量段，3-1—螺旋切样管，3-2—缓冲管，3-3—环形密封腔体，4—储样段，4-1—储样管，4-2—支架，4-3—储样管帽，4-4—单向阀，5—上盖段，5-1—螺孔，6—平面轴承，7—环形盖板，7-1—上导流泥浆孔，7-2—下导流泥浆孔，8—不锈钢封装管，8-1—电极，9—轴力转换模块，9-1—环形模块，9-2—环形密封盖，9-3—活塞腔，9-4—凹槽状通道，9-5—活塞杆， 9-6—环形底盘，10—泥浆管，11—数据传输口，12—充电端口，13—高强钢化玻璃密封窗盖。 具体实施方式[0031] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。如图1所述的一种尾矿钻探多功能钻头，包括金属外管，其特征在于：所述金属外管从钻头的头端向尾端依次包括旋转切土刀头段1、扩孔段2、切样测量段3、储样段4和上盖段5，金属外管的各段之间通过丝扣完全钢性连接，所述旋转切土刀头段1、扩孔段2和上盖段5的金属外管均为圆台状管体，在旋转切土刀头段1的小端口均匀焊接有6-8个六边柱状合金或人造金刚石，旋转切土刀头段1的大口端管径与扩孔段2的小口端管径相同，并通过丝扣连接在扩孔段2的小口端；切样测量段3和储样段4均为圆柱形直管，其管径与扩孔段2和上盖段5的大口端管径相同，且切样测量段3通过丝扣连接在扩孔段2的大口端，储样段4通过丝扣连接在上盖段5的大口端，在上盖段5的小口端设有与钻杆连接的螺孔5-1，可以与钻杆螺纹连接；所述整个钻头的金属外管管臂厚度为8-10mm，两相邻管段连接丝扣长度20-30mm，在旋转切土刀头段1和扩孔段 2的外壁刻有正向螺纹，主要用于扩孔，在上盖段5的外壁刻有反向螺纹。 [0032] 如图1、图9所示，在储样段4内设有储样管4-1，所述储样管4-1采用塑料管或不锈钢管，储样管4-1的管体通过多个具有弹性的支架4-2固定在储样段的内壁，确保整个储样管4-1处于储样段4的中轴线上，具有弹性的支架4-2采用塑料或橡胶材料制成，多个支架4-2的分布间距为500-600mm；所述储样管的上端通过储样管帽4-3固定在上盖段5内，储样管帽4-3固定设置在上盖段5与储样段4的连接处，在在储样管帽4-3的顶端设有单向阀4-4，便于单向开启，取出样土；储样管4-1的下端伸与切样测量段3的内螺旋切样管3-1插接，内螺旋切样管3-1内表面焊接螺旋切土刀，可以将将高出静压取样管2-2之后的样土切碎，然后送到储样管4-1内。 [0033] 如图2所示，在扩孔段2内设有标准取样管，所述标准取样管是由环形切刀2-1和静压取样管2-2组成，所述环形切刀2-1的刀口内径为61.8mm-65mm，刃角10度，其前端伸出旋转切土刀头段10mm-30mm；所述静压取样管2-2是由两个半圆管构成，内径与土工试验专用环刀的外径一致，如图7和图11所示，两端通过带丝扣的不锈钢平面轴承6将两个半圆管锁成一体，并通过两个平面轴承6将其固定在扩孔段2的中心轴线上，静压取样管的前端通过前侧平面轴承上的丝扣与环形切刀连接，后端通过后侧的平面轴承上的丝扣与切样测量段内的内管丝扣连接，确保在金属外管转动过程中该静压取样管不转动，而是保持静压的状态，环形切刀2-1的环形刀口伸出旋转切土刀头段1，并在钻头转动过程中通过静压取样管2-2静压环形切刀2-1取样。 [0034] 如图4、图5所示，在切样测量段3内设有螺旋切样管3-1和缓冲管3-2，在切样测量段3与储样段4连接的端口设有环形盖板7，环形盖板7的外缘与切样测量段3外管内壁密封连接，内缘与螺旋切样管3-1的外壁密封连接，在环形盖板7上开设有至少两个上导流泥浆孔7-1，如图4和图8中的实施例均为开设有两个上导流泥浆孔7-1。如图4、图5所示，所述缓冲管3-2采用带电极8-1的钢化玻璃或陶瓷直流电场扫描管，带电极8的钢化玻璃或陶瓷直流电场扫描管用胶封装在壁厚1-2mm的不锈钢管8内，一端与内螺旋切样管丝扣密封连接，缓冲管3-2采用钢化玻璃或陶瓷管的主要作用是起到连接静压取样管2-1和螺旋切样管3-1，由于螺旋切样管3-1在工作过程中始终保持转动，而静压取样管2-1是不转动的，中间采用钢化玻璃或陶瓷管连接，可以减小摩擦，使静压效果更好；在缓冲管3-2的下端套设有环形的轴力转换测量模块9，缓冲管3-2下端与轴力转换测量模块9中心圆孔丝扣密封连接，在轴力转换测量模块9上开设有与环形盖板7对应的下导流泥浆孔7-2，所述轴力转换测量模块9与环形盖板7在测量段外管与螺旋切样管3-1、缓冲管3-2之间形成一个环形密封腔体3-3，在环形密封腔3-3内设有与泥浆孔个数相等的泥浆管10，每根泥浆管10上端通过环形盖板7上对应的上导流泥浆孔7-1通向储样段的泥浆输送腔，可以直接与上导流泥浆孔密封连通，也可以穿过上导流泥浆孔7-1伸入储样段，下端通过轴力转换测量模块9上对应的下导流泥浆孔7-2通向扩孔段2的泥浆输送腔，且泥浆管通入泥浆导流孔的部分其外管壁与泥浆孔的内壁密封连接，确保泥浆在进入切样测量段3时，是沿着泥浆管10输送，不会将泥浆或水漏到环形密封腔体3-3内。 [0035] 如图6和图12所示，所述轴力转换测量模块9包括环形模块9-1和环形密封盖9-2，轴力转换测量模块9外径比外管外径小10mm、厚50mm、中心开有圆孔，在环形模块9-1的环形部分内设有至少三个活塞，如图中的实施例设置有三个活塞，三根活塞沿圆环均匀分布，三根活塞的直径完全相同，每根活塞的外端与刻有轴承钢珠滑轨的圆环钢性连接，每个活塞的活塞腔9-3在环形模块9-1的上端面对应开设有腔口，在环形模板9-1的上端面开设有多条用于将多个活塞腔9-3相互连通的凹槽状通道9-4，凹槽状通道9-4确保三根活塞的压力腔两两相通、并在活塞腔内注满液压油，所述环形密封盖9-2密封盖合在环形模块9-1的上端面，将多个活塞腔9-2完全密封；所述每个活塞的活塞杆9-5下端通过环形底盘9-6与扩孔段2连接处的平面轴承6的丝扣连接；在环形密封盖9-2和环形模块9-1对应多个活塞之间的位置开设有相互对应的下导流泥浆孔7-2。 [0036] 本发明在环形密封腔体3-3内还设有低功耗检测存储传输电路模块和移动电源，在轴力转换测量模块9的压力腔设有压力传感器，在轴力转换测量模块(9)内设有与泥浆相通的孔，并在孔内壁设有温度传感器和液位传感器，压力传感器也可以不设置在压力腔内，设置在轴力转换测量模块上，并与活塞的压力腔相通，温度传感器、液位传感器也可以通过小孔与管内泥浆相通；所述电极8-1也是传感器，是通过标准电压加载到试样两侧检测试样的电流特征参数，反映试样的物理变化特征，如图4所示，在切样测量段的金属管外壁上设有数据传输口11和充电端口12。如图13所示，低功耗检测存储传输电路模块包括开关电路模块、信号调理模块、A/D转换单片机模块、通讯电路模块、存储模块，还可以设置无线模块，所述电极8-1、压力传感器、温度传感器和液位传感器均通过开关电路模块与信号调理模块的信号输入端连接，信号调理模块的信号输出端与A/D转换单片机模块的信号输入端连接，A/D转换单片机模块的信号输出端与通信电路模块信号连接，其采集指令控制开关电路模块，通信电路模块的信号输出端可以与存储模块连接，通信电路模块的信号输出端还与无线模块信号连接，然后通过无线通讯模块将信号输出到外界的计算机上，通信电路模块的信号输出端还可以通过设在外管壁上数据传输口11输送到外界的计算机上。所述检测电路模块中的传感器以及所有模块都与移动电源连接模块连接，通过移动电源供电，移动电源与设置在外管上的充电端口12连接，利用充电端口充电。所述数据传输口11和充电端口12开设在对应低功耗检测存储传输电路模块的外管壁上，具体是在数据传输通信模块处的外管壁开一小窗口用于给移动电源充电及数据传输，并用高强钢化玻璃做密封窗盖，用于遥控发送接收窗口。所述低功耗检测存储传输电路的工作原理是通过电极8-1采集试样两侧检测试样的电流特征参数、压力传感器采集钻进时活塞腔内的压力数据、温度传感器和液位传感器分别采集钻进时孔内的泥浆深度和温度数据，采集好的数据通过开关电路模块传递给信号调理模块，信号调理模块对于数据进行分析调理后传递给A/D转换单片机模块，A/D转换单片机模块将转换的数学信号通过通信电路模块输出或者传送到存储模块内，将数据都储存起来，开关电路模块的采集指令由A/D转换单片机模块发出。 [0037] 如图2、图3和图10所示，所述扩孔段2的长度为280-320mm，在扩孔段2距小端1/3的位置处沿圆周等距设有三个截面为梯形的出水口2-3，在出口上设有杠杆式活动舌 2-4，并在下钻过程中杠杆式活动舌闭合，上提过程中杠杆式活动舌张开，下行时活动舌闭合，上行时活动舌张开，可以使泥浆和水可以从该出水口2-3快速排出，进入钻孔内。 [0038] 本发明工作时：通过钻机驱动钻头转动向土层钻进时，通过旋转切土刀头段1和环形切刀2-1切土，钻头的旋转切土刀头段1破除标准取样管外土层，通过螺旋扩孔段2挤压成孔，在钻进时标准静压取样管2-2过平面轴承6的转换始终保持直线静压下切，开始取样，土样通过静压取样管2-2进入钢化玻璃(或陶瓷)直流电场扫描管内，当土样到达钢化玻璃(或陶瓷)直流电场扫描管顶时，上部的内螺旋切样管3-1将高出的土柱切割提升到储样管4-1内存留；整个过程中可以通过传感器按程序设定的模式，记录每回次进尺地层从上至下的物理特性与力学特性的变化电特征参数；通过比对试验建立电特性参数与土的物理特性之间的关系、标准取样管的阻力与土的力学指标之间的关系，可直接用于划分地层与推算各层土的物理力学指标；每回次进尺标准取样管留存一个原状试样；每回次结束只需分别打开上盖段5与旋转切土刀头段1即可取出储样管4-1与静压取样管2-2取出原土样和经过切割后的土样。 |
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