一种充填体井下现场取样装置制造方法
【专利摘要】本发明提出一种充填体井下现场取样装置，由外部结构和内部结构构成。外部结构包括外套筒(6)、顶盖(1)、加力手柄(17)、金刚石钻头(10)；装置的内部结构包括内套筒(7)、内套筒上套管(5)、内套筒下套管(8)、止动装置、C型活动卡环(9)。该装置可获得井下充填体的标准试块，具有加工简单、携带方便、取样快捷、取出的充填体样(14)不受损伤等一系列优点。取样时，转动加力手柄(17)，并对取样装置施加向充填体的压力，使金刚石钻头(10)逐渐切削入充填体；当取样装置钻至预定的位置后，折断充填体，取出取样装置，取样随之从孔内拿出。此装置能保证充填体试样的完整性以获得最真实的充填体强度，携带方便，也可使用电力设备，但装置的使用不受动力源地点的限制。
【专利说明】一种充填体井下现场取样装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种充填体取样装置，特别是充填体井下现场取样装置，可应用于充填采矿法的矿山，通过该装置取样，以获得井下充填体强度检测的试块。
【背景技术】
[0002]充填采矿法在充分回收矿产资源、控制深井开采地压活动和改善环境保护方面具有明显的优势且已取得显著的成效，因而引起了矿业界的普遍重视，充填采矿法在我国乃至世界各国得到了越来越广泛的应用，我国地下矿山中45%的有色金属大中型矿山和37%的黄金矿山都采用充填法。
[0003]充填体强度是充填采矿法的关键参数，但由于充填料浆各组分材料物理化学性质、料浆浓度、充填工艺等各因素的影响，每个矿山的充填体强度都处于不断变化状态。如果充填体强度过高，则意味着添加了过多的水泥等胶结剂，导致充填成本过高，造成了不必要的浪费；如果充填体强度过低，则有可能导致采场垮塌、人员伤亡、设备受损、矿石损失等一系列问题。准确掌握井下充填体的实际强度，不仅关系到矿山人员、设备的安全，对降低采矿成本、提高矿石回收率和贫化率都是至关重要的。井下充填体取样一直是一个技术难题，一般可采用井下金刚石钻机取样、井下预埋试模、取充填体试样后切割等方法。
[0004]如果采用井下金刚石钻机取样，会存在如下几个问题:
金刚石钻机主要用于获取充填体样，故转动速度比较快，但充填体强度通常为
0.lMPa-5MPa，仅为一般岩石强度的1/20-1/100，充填体在金刚石钻机高速旋转的作用下非常容易受到破坏，难以获得完整的充填体；
充填体具有含水量大、强度低的特征，如果采用岩芯钻机取样，在高转速作用下，充填体还也容易出现液化现象，难以获得完整的样品；
一般井下用岩芯钻内径为Φ45_或更�。捎诔涮钐迩慷戎敌。枰洗笾本�(一般大于Φ70_)的试样才可以获得较为精确的充填体强度，因此井下岩芯钻机难以获得适用于充填体试样尺寸要求的合适钻头、钻具；
采用井下预埋试模获得充填体试块的途径，也存在很大的弊病:
在井下预埋充填试模，采场充填后须等待至邻采场开采至预埋地点才可以取出，充填体被揭露的最短时间往往超过一个月甚至数月，取样周期过长；
不能实现对任意地点充填体的随机取样，因此无法监测任意一个采场充填体的实际强度，也无法监测采场内任一点的充填体强度，不利于充填体质量控制和管里。
[0005]充填体内取预埋试块时，往往采用机械甚至爆破的手段，不仅费时费力，充填试样非常容易在取样过程中受到损伤；
采用井下取大块充填体，也可切割加工为标准的充填体试块，但由于充填体强度低，从井下充填体上取大块的过程就是一个对充填体的破坏过程，充填试块再次加工过程中又会导致其二次损伤，该方法难以获得准确的充填体强度值。
【发明内容】
[0006]本发明旨在至少解决上述技术缺陷之一。
[0007]为此，本发明的第一个目的在于提出一种充填体井下现场取样装置，应用于充填体井下现场取样，包括外部结构和内部结构两部分，
其特征在于:外部结构包括外套筒(6)、顶盖(I)、加力手柄(17)、金刚石钻头(10);夕卜套筒(6)上端与顶盖⑴下端连接，外套筒(6)下端和金刚石钻头(10)连接；
内部结构包括内套筒(7)、内套筒上套管(5)、内套筒下套管(8)、止动装置、C型活动卡环(9)，内套筒(7)上下两端分别与内套筒上套管(5)和内套筒下套管(8)连接；止动装置置于顶盖(I)与内套筒(7)之间，所述止动装置上部与顶盖非固定接触，下部通过内套筒上套管(5)与内套筒(7)间接相连，内套筒下套管(8)与金刚石钻头(10)非固定接触，C型活动卡环(9)置于内套筒下套管(8)内。
[0008]优选地，所述外套筒(6)上端与顶盖(I)下端的连接方式为可拆卸式连接，所述外套筒(6)下端和金刚石钻头(10)的连接方式也为可拆卸式连接。
[0009]优选地，所述止动装置包括滚珠槽(2)、轴承或滚珠(3)以及支撑帽(4);所述滚珠槽(2)内装载有所述轴承或滚珠(3)，滚珠槽(2)下端与支撑帽(4)固定连接。
[0010]优选地，所述止动装置上部与顶盖非固定接触，下部通过内套筒上套管(5)与内套筒(7)间接相连具体为:滚珠槽(2)上端与顶盖(I)非固定接触，内套筒上套管(5)上下两端分别与支撑帽(4)下端和内套筒(7)上端可拆卸式相连。
[0011]优选地，所述的顶盖⑴上端为圆柱体，其上有一插入加力手柄的通孔(12)以及一方形孔(13)，所述通孔(12)方向为所述圆柱体径向方向；所述方形孔(13)沿圆柱体轴向方向；所述加力手柄(17)为一字型杆。
[0012]优选地，所述外套筒(6)为一管状构造；所述的内套筒(7)由两个半圆槽结构组成，所述内套筒(7)上、下两端与内套筒上套管(5)、内套筒下套管(8)可拆卸式连接。
[0013]优选地，所述内套筒(7)上、下两端与内套筒上套管(5)、内套筒下套管(8)通过螺纹连接机构可拆卸式连接。
[0014]优选地，所述的内套筒下套管(8)外部为一圆柱形，外径保持不变；内套筒下套管(8)的内部为一个倒圆台形，内径由上至下逐渐变小。
[0015]优选地，C型活动卡环(9)为非闭合圆环，呈漏斗形结构，外侧面紧贴内套筒下套管(8)内侧面，外径由上至下逐渐减小，内径与金刚石钻头(10)内径相等，可在内套筒下套管⑶内上下移动。
[0016]优选地，所述金刚石钻头(10)呈圆筒型，金刚石钻头(10)下端钻头面内镶入金刚石(11)。
[0017]该取样装置的优点在于:
(I)充填体取样装置采用人工加载取样，与充填体样钻机、凿岩台车等机械加载取样方式相比，取样装置转速可自由控制，避免了对于单轴抗压强度仅有岩体1/20-1/100的充填体的损伤和破坏，能够获得最真实的充填体强度。
[0018](2)由于设计了内套筒(7)，当外套筒(6)旋转向下钻进时，内套筒(7)不随外套筒(6)旋转,充填体样(14)与内套筒(7)之间不产生相对位移，对充填体的损伤�。杂诘ブ峥寡骨慷冉闲〉某涮钐澹杀Ｖこ涮钐迨匝耐暾�。[0019](3)取样装置携带方便，即可使用人力作为取样时的旋转、切入充填体的动力，也可采用蓄电池式驱动的转速可调电动马达作为动力，不受动力源地点的限制，可以在井下任一地点、任意时间取样，适用于矿山充填体质量监控，也适用于井下作业面广、作业地点变化大、动力源受限的实际情况。
[0020](4)取样装置设计简单，各组成部分均为矿山常用备件，加工十分方便，可根据待取充填体试样不同直径的要求，加工不同的取样装置。
[0021]本发明成功解决了井下充填体取样难的问题，对优化充填配合比和采场结构尺寸，对降低水泥掺量及充填成本，提高井下人员、设备在井下作业的安全都具有非常重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为充填体现场取样装置正视图。
[0023]图2为充填体现场取样装置侧视图。
[0024]图3为充填体现场取样装置俯视图。
[0025]图4为加力手柄，Ca)为加力手柄侧视图，(b)为加力手柄正视图。
[0026]图5为电动设备。
[0027]图6为充填体现场取样装置剖视图(沿1-1剖视图)。
[0028]图7为充填体现场取样装置剖视图(沿I1-1I剖视图)。
[0029]图8为充填体现场取样装置剖视图(沿II1-1II剖视图)。
[0030]图9为充填体现场取样装置取样时，充填体样刚进入内套筒下套管时状态图。
[0031]图10为充填体现场取样装置取样时，充填体样刚进入内套筒时状态图。
[0032]图11为充填体现场取样装置取样结束后将充填体样上提时状态图。
[0033]图中:1_顶盖；2_滚珠槽；3_轴承/滚珠；4_支撑帽；5-内套筒上套管；6-外套筒内套筒；8_内套筒下套管；9-C型活动卡环；10_金刚石钻头；11_金刚石；12_通孔；13-方形孔；14_充填体样；15-变速按钮；16_电源按钮；17_加力手柄。
【具体实施方式】
[0034]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0035]图1-3、6分别为本发明实施例的充填体现场取样装置的正视图、侧视图、俯视图以及剖视图。
[0036]本实施中充填体现场取样装置主要由外部结构和内部结构两部分构成。
[0037]其中，充填体现场取样装置的外部结构由外套筒(6)、顶盖(I)、加力手柄(17)、金刚石钻头(10)组成。
[0038](I)外套筒(6)为一管状构造，上下两端均有内螺纹，上端与顶盖(I)下端连接，下端与金刚石钻头(10)连接，起到传力作用。
[0039](2)顶盖(I)上端为圆柱体，其上有一垂直圆柱体轴向的通孔(12)贯穿顶盖，可将加力手柄(17)插入孔内，在加力手柄(17)进行圆周运动时带动该装置旋转运动；此外，顶盖(I)上有一个沿圆柱轴向的方形孔(13)，可将电动设备(如图5所示)的旋转头插入带动装置旋转；顶盖下端车削了与外套筒(6)上端内螺纹匹配的外螺纹，用于将其与外套筒(6)上端可拆卸式连接，使施加于顶盖(I)的力传递至外套筒(6)及金刚石钻头(10)。
[0040](3)如图4所示，加力手柄(17)为一字型杆，存储、搬运取样装置时可将手柄卸下，减小取样装置体积；到现场取样时，将加力手柄(17)插入横穿顶盖(I)的垂直圆柱轴向的通孔(12)，通过握紧加压、旋转加力手柄(17)，带动与之相连的顶盖(I)、外套筒(6)、金刚石钻头(10)转动，使钻头切削入充填体中；针对不同强度的充填体，也可采用不同长度的加力手柄(17)加力，以达到不同的加力效果。
[0041](4)金刚石钻头(10)呈圆筒型，其上端车削了与外套筒(6)下端内螺纹匹配的外螺纹，使得其与外套筒(6)下端可拆卸式相连；金刚石钻头(10)下端钻头面内镶入金刚石
(11)。
[0042]充填体现场取样装置的内部结构由内套筒(7)、内套筒上套管(5)、内套筒下套管
(8)、止动装置、C型活动卡环(9)组成。
[0043](1)内套筒(7)为由两个半圆槽相互扣合所组成的管状结构，两个半圆槽可以由一段圆管沿轴向劈开而成，半圆槽上下两端均加工了外螺纹，将分别安装内套筒上套管(5)与内套筒下套管(8)。
[0044](2)内套筒上套管(5)两端均车削了内螺纹，下端内螺纹与半圆槽上端外螺纹匹配，以便与内套筒(7)上端可拆卸式相连，上端内螺纹与支撑帽(4)下端外螺纹匹配，以便与止动装置中的支撑帽(4)可拆卸式相连。
[0045](3)内套筒下套管(8)上端车削了内螺纹，该内螺纹与半圆槽下端外螺纹匹配，使得内套筒下套管(8)上端与内套筒(7)下端可拆卸式相连，下端与金刚石钻头(10)非固定接触(即两者接触但不机械连接，使得两者可相对独立运动)。内套筒下套管(8)外部为一圆柱形，外径保持不变；内套筒下套管(8)的内部为一个倒圆台形，内径由上至下逐渐变�。缤�8和9所示。
[0046](4)止动装置置于顶盖(I)与内套筒(7)之间，将两者隔离开，其上部与顶盖接触但不机械相连，下部则通过内套筒上套管(5)与内套筒(7)间接相连，使得顶盖(I)的旋转不会带动内套筒(7)旋转。其中，该止动装置由滚珠槽(2)、轴承/滚珠(3)、支撑帽(4)组成。滚珠槽(2)内装轴承/滚珠(3)，其上端与顶盖(I)非固定接触，其下端与支撑帽(4)紧密固定相连，并且不会发生相对旋转移动；如上所述，支撑帽(4)上端与滚珠槽(2)下端紧密固定相连，下端则车有与内套筒上套管(5)内螺纹匹配的外螺纹，使其与内套筒上套管(5)可拆卸式连接。
[0047](5) C型活动卡环(9)为非闭合圆环，置于内套筒下套管(8)内；其外形呈漏斗形结构，外侧面紧贴内套筒下套管(8)内侧面，外径由上至下逐渐减�。稍谀谔淄蚕绿坠�
(8)内一定范围内上下移动；其内部呈圆管状，内径保持不变，大小与金刚石钻头(10)内径相等。C型活动卡环(9)下端呈喇叭口结构，取样时当充填体样(14)进入内套筒(6)后，可以起到导向作用。
[0048]根据本发明的充填体现场取样装置，由于其外套筒(6)和内套筒(7)非固定连接，当顶盖(I)靠外力进行旋转时，仅仅带动外套筒(6)旋转取样，内套筒(7)则因止动装置的设置不随顶盖(I)旋转而旋转，起到保护充填体试样完整性的目的。[0049]取样时，首先将加力手柄(17)插入垂直圆柱轴向的孔(12)内或将电动设备的旋转头插入沿圆柱轴向的方形孔(12)内；将取样装置置于待取样的充填体上，转动加力手柄
(17)或开启电动设备带动装置旋转，并对取样装置施加向充填体的压力，在旋转及压力作用下，金刚石钻头(10)逐渐切削入充填体。
[0050]取样过程中，由于C型活动卡环(9)与内套筒下套管(8)接触但不机械相连，因此可在内套筒下套管(8)内上下移动，以下结合本发明的充填体现场取样装置在取样过程中的不同阶段，对C型活动卡环(9)的工作方式进行详细介绍:
(O正常情况下或取样时充填体样(14)未进入到内套筒(7)时，C型活动卡环(9)仅受重力，其状态如图9中的局部放大图所示。
[0051](2)当充填体样(14)进入到内套筒(7)时，C型活动卡环(9)与充填体样(14)表面接触产生摩擦，在摩擦力的作用下，C型活动卡环(9)上移直至受到内套筒(7)限制后停�。渥刺缤�10中的局部放大图所示。
[0052](3)当取样装置钻至预定的位置后，稍向左右摆动取样装置，可折断充填体，使用该装置将充填体样(14)从充填体中取出，此时受重力作用充填体样(14)与C型活动卡环
(9)向下移动，此时整体呈漏斗形结构的C型活动卡环(9)向下滑动到一定位置便停止滑动，但是此时充填体样(14)可能将继续下滑，在这个过程中，充填体样(14)与C型活动卡环(9)由于接触发生摩擦，充填体样(14)将继续带动C型活动卡环(9)产生下向位移，C型活动卡环(9)在向下移动的过程中，C型卡环开口(9)逐步收缩，当其内径小于充填体样(14)的直径时，充填体样(14)下滑时受到来自C型活动卡环(9)的摩擦阻挡无法继续下滑，局部卡死，如图11所示。通过以上动作，完成充填体取样装置取样的过程。
[0053]以下为本发明充填体现场取样装置一个示例的规格参数:
(I)取样装置顶盖(I)外径94_，长40_，采用普通钢材。
[0054](2)加力手柄(17)直径20mm,长600mm,米用普通钢材。
[0055](3)外套筒(6)外径94mm，内径88mm，上下两端设置有内螺纹，采用普通钢材。
[0056](4)内套筒(7)外径84mm,内径78mm,长260_ (充填体样(14)长度200mm,可以加工为160mm长的标准试块，满足标准充填试块的取样要求)，材质为普通钢管。
[0057](5)内套筒上套管(5)外径86mm，内径84mm，开口端车削内螺纹，采用普通钢材。
[0058](6)内套筒下套管⑶外径86mm,内径最大处为84mm、最小处为74mm,其内部为一个倒圆台形，内径由上至下逐渐变小，开口端车削内螺纹，采用普通钢材。
[0059](7)金刚石钻头(10)内径73mm,外径100mm,长120mm,可采用国家标准产品。
[0060](8) C型活动卡环(9)为非闭合圆环，置于内套筒下套管⑶内；其外形呈漏斗形结构，外侧面紧贴内套筒下套管(8)内侧面，外径由上至下逐渐减�。畲笪�84mm、最小为80mm，其内径为74臟，采用普通钢材。
[0061]利用本发明充填体现场取样装置的进行取样的步骤如下:
(I)将取样装置置于待取样的充填体上，转动加力手柄(17)，并对取样装置施加向充填体的压力，在旋转及压力作用下，金刚石钻头(10)逐渐切削入充填体。
[0062](2)当取样装置钻至预定的位置后，稍向左右摆动取样装置，可折断充填体样(14)，之后出取样装置，取样装置内的充填体样(14)随之从孔内拿出。
[0063](3)拆卸下金刚石钻头(10)，稍微倾斜取样装置，内套筒(7)及其内部的充填体样(14)会随之取出，也可拆除内套筒上套管(5)、内套筒上套管(8)，将其内的充填体样(14)取出。
[0064](4)取样结束后，清洗取样装置，在取样装置各部位涂抹润滑油后，将各部件安装复位。
[0065]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
【权利要求】
1.一种充填体井下现场取样装置，应用于充填体井下现场取样，包括外部结构和内部结构两部分， 其特征在于:外部结构包括外套筒(6)、顶盖(I)、加力手柄(17)、金刚石钻头(10);夕卜套筒(6)上端与顶盖⑴下端连接，外套筒(6)下端和金刚石钻头(10)连接； 内部结构包括内套筒(7)、内套筒上套管(5)、内套筒下套管(8)、止动装置、C型活动卡环(9)，内套筒(7)上下两端分别与内套筒上套管(5)和内套筒下套管(8)连接；止动装置置于顶盖(I)与内套筒(7)之间，所述止动装置上部与顶盖非固定接触，下部通过内套筒上套管(5)与内套筒(7)间接相连，内套筒下套管(8)与金刚石钻头(10)非固定接触，C型活动卡环(9)置于内套筒下套管(8)内。
2.根据权利要求1所述的一种充填体井下现场取样装置，其特征在于:所述外套筒(6)上端与顶盖(I)下端的连接方式为可拆卸式连接，所述外套筒(6)下端和金刚石钻头(10)的连接方式也为可拆卸式连接。
3.根据权利要求1所述的一种充填体井下现场取样装置，其特征在于:所述止动装置包括滚珠槽(2)、轴承或滚珠(3)以及支撑帽(4);所述滚珠槽(2)内装载有所述轴承或滚珠(3)，滚珠槽(2)下端与支撑帽(4)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种充填体井下现场取样装置，其特征在于:所述止动装置上部与顶盖非固定接触，下部通过内套筒上套管(5)与内套筒(7)间接相连具体为:滚珠槽(2)上端与顶盖(I)非固定接触，内套筒上套管(5)上下两端分别与支撑帽(4)下端和内套筒(7)上端。
5.根据权利要求1所述的一种充填体井下现场取样装置，其特征在于:所述的顶盖(I)上端为圆柱体，其上有一插入加力手柄的通孔(12)以及一方形孔(13)，所述通孔(12)方向为所述圆柱体径向方向；所述方形孔(13)沿圆柱体轴向方向；所述加力手柄(17)为一字型杆。
6.根据权利要求1所述的一种充填体井下现场取样装置，其特征在于:所述外套筒(6)为一管状构造；所述的内套筒(7)由两个半圆槽结构组成，所述内套筒(7)上、下两端与内套筒上套管(5)、内套筒下套管(8)可拆卸式连接。
7.根据权利要求6所述的一种充填体井下现场取样装置，其特征在于:所述内套筒(7)上、下两端与内套筒上套管(5)、内套筒下套管(8)通过螺纹连接机构可拆卸式连接。
8.根据权利要求1所述的一种充填体井下现场取样装置，其特征在于:所述的内套筒下套管(8)外部为一圆柱形，外径保持不变；内套筒下套管(8)的内部为一个倒圆台形，内径由上至下逐渐变小。
9.根据权利要求1所述的一种充填体井下现场取样装置，其特征在于:C型活动卡环(9)为非闭合圆环，呈漏斗形结构，外侧面紧贴内套筒下套管(8)内侧面，外径由上至下逐渐减�。诰队虢鸶帐晖�(10)内径相等，可在内套筒下套管(8)内上下移动。
10.根据权利要求1所述的一种充填体井下现场取样装置，其特征在于:所述金刚石钻头(10)呈圆筒型，金刚石钻头(10)下端钻头面内镶入金刚石(11)。
【文档编号】G01N1/08GK103884534SQ201410138880
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】韩思愉 申请人:韩思愉
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