弹簧滚珠解锁悬挂机构、弹卡机构、取芯装置及使用方法

本发明涉及地层勘探技术领域，尤其涉及弹簧滚珠解锁悬挂机构、弹卡机构、取芯装置及使用方法。

背景技术：

我国既是煤炭生产大国，也是煤炭消费大国，煤炭是我国重要的基础能源和原料。当前高瓦斯矿井开采整体趋于盲目状态，而煤与瓦斯突出是我国煤矿频发且危害最为严重的事故，是赋存在煤层裂隙或孔洞中的高压瓦斯由于煤壁或岩壁被揭穿而向巷道突然喷出的现象，能在短时间内向巷道喷出大量瓦斯及碎煤，破坏巷道内的设施和风流状态，直接危害人的生命安全，而且由于瓦斯具有爆炸性，极易诱发瓦斯爆炸等继发性灾害事故的发生，造成更大的人员伤亡和财产损失。

按照煤矿安全规划，到2020年全国煤矿死亡人数下降15%以上、煤矿百万吨死亡率下降15％以上，煤矿安全生产形势实现根本好转。要保障煤炭安全高效开采，其重点和难点仍然是煤矿瓦斯灾害防治。然而，煤层瓦斯含量通常采用地面煤层气含量测定、地勘瓦斯含量测定、矿井井下煤层钻孔取芯等方法进行测定，由于煤层瓦斯含量测试条件和测试方法等区别，上述煤层瓦斯含量测试结果往往差异较大精度不高，普遍存在估算损失，对煤矿开采的指导意义有限。

原位保压取芯可减少瓦斯损失，可提高测试的准确性。现有的保压取芯装置通常采用启动剪销来实现中心杆与取芯器的初步固定如中国专利文献cn201920310321公开的一种取芯钻机自动启停机构，当取芯器由中心杆放入井下后，通入钻井液，该启动剪销在一定液压剪切力作用下可被拉断，此时，内管总成方可相对于中心杆轴向运动。但是，在取芯器的下放过程中，由于取芯器自重也可能造成启动剪销被拉断，内管总成与中心杆发生相对于运动，从而导致取芯工作无法进行。

技术实现要素：

本申请为了解决上述技术问题提供弹簧滚珠解锁悬挂机构、弹卡机构、取芯装置及使用方法，该机构能够更加稳定的实现中心杆初始轴向运动的约束。

本申请通过下述技术方案实现：

一种弹簧滚珠解锁悬挂机构，包括中心杆、内管和悬挂环装置，所述悬挂环装置包括上悬挂环、下悬挂环、悬挂环滚珠和悬挂环弹簧；

所述上悬挂环和内管均套装在所述中心杆外，内管上端与上悬挂环固接；

下悬挂环套在内管外，下悬挂环通过悬挂环弹簧与上悬挂环连接，所述内管上有用于装悬挂环滚珠的第一通孔，悬挂环滚珠装于所述第一通孔中，悬挂环滚珠的直径大于第一通孔的深度；

所述中心杆外壁有用于适配悬挂环滚珠凸出部分的第二环形槽，在下悬挂环内壁有用于适配悬挂环滚珠凸出部分的第四环形槽，在所述悬挂环弹簧的作用下，所述下悬挂环的第四环形槽向下越过所述悬挂环滚珠，此时的下悬挂环将悬挂环滚珠限制在中心杆的第二环形槽和所述第一通孔中；

当下悬挂环相对于上悬挂环向上运动至所述第四环形槽与所述悬挂环滚珠相对时，若此时中心杆与内管发生轴向相对运动，悬挂环滚珠能够从所述第二环形槽内滑出并进入所述第四环形槽中。

其中，悬挂环弹簧为一螺旋弹簧，悬挂环弹簧套在内管外；

或者，悬挂环弹簧围绕内管等间隔设有至少两个。

进一步的，下悬挂环下端有用于限制上悬挂环相对于下悬挂环向下移动的凸台。

进一步的，所述上悬挂环下端有与所述悬挂环弹簧适配的弹簧孔，悬挂环弹簧装于与所述弹簧孔中。优选地，悬挂环滚珠周向等间隔设有至少两个。

一种弹卡机构，包括一对弹卡钳、弹卡弹簧和所述的弹簧滚珠解锁悬挂机构；

所述弹卡钳下端与上悬挂环转动连接，弹卡钳上部与上悬挂环之间设有所述弹卡弹簧。

进一步的，弹卡机构还包括位于弹卡钳内侧的弹卡滚珠，上悬挂环上有用于装弹卡滚珠的第二通孔，弹卡滚珠装于所述第二通孔中，弹卡滚珠的直径大于第二通孔的深度；

所述中心杆外壁有用于适配弹卡滚珠凸出部分的第一环形槽和第三环形槽，所述第二环形槽位于第一环形槽与第三环形槽之间；

当弹卡滚珠凸出部分位于第一环形槽或第三环形槽中时，弹卡钳在外力作用下可收拢；当中心杆与上悬挂环发生轴向相对运动时，弹卡滚珠能够从所述第一环形槽或第三环形槽内滑出，此时弹卡滚珠使得弹卡钳不可收拢。

进一步度，弹卡机构还包括与上悬挂环固接的弹卡挡环，弹卡挡环位于弹卡钳上方，弹卡钳上端与弹卡挡环斜面配合。

其中，第一环形槽和第二环形槽的距离与悬挂环滚珠与弹卡滚珠的距离相等。

一种取芯装置，包括外管和所述的弹卡机构，所述外管有与所述弹卡机构适配的弹卡室，弹卡室的下台阶可轴向限制所述下悬挂环相对于外管向下移动；

中心杆上用于与内管轴向抵触的外台阶，外台阶位于环形槽的下方。

上述取芯装置的使用方法，包括以下三个阶段：

第一阶段：将取芯器沿着外钻管向井底下放，此过程中由于悬挂环弹簧弹力，下悬挂环的第四环形槽向下越过悬挂环滚珠，下悬挂环使悬挂环滚珠推入中心杆的第二环形槽中，此时悬挂环滚珠限制在中心杆的第二环线槽与内管的孔洞中，中心杆与内管无法相对轴向运动，整个取芯器内管总成的重力主要通过悬挂环滚珠传导至中心杆；

第二个阶段：当下悬挂环与外钻管的弹卡室下台阶相接触后，在取芯器重力的作用下，上悬挂环与内管相对于下悬挂环整体向下移动并压缩悬挂环弹簧；

当悬挂环滚珠随内管运动至与下悬挂环的第四环形槽相对时，中心杆的轴向运动约束解除，此时，中心杆可沿着内管总成向上做轴向相对运动；

由于弹卡室下台阶的限制，内管总成无法沿着外钻杆向下的做轴向运动；同时，弹卡板也进入弹卡室中，弹卡板顶部与弹卡室上端相接触限制内管总成沿着外钻杆向上的轴向运动，此时整个内管总成在外钻杆弹卡室的约束下无法在外钻杆内进行轴向运动；在钻机的驱动下外钻杆带着内管总成向井底做轴向进给运动；

第三个阶段：取到岩芯后，中心杆的外台阶也运动到与内管轴向相抵触；

上提中心杆，中心杆可带动整个取芯器上提，弹卡机构解锁，内管总成可沿着外钻杆向上做轴向运动。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请通过可解锁的滚珠来实现内管与中心杆在轴向方向的相对运动限制与解锁，可避免在取芯器下放过程中，内管总成与中心杆发生相对于运动，利于保证取芯工作的顺利进行；

2，本申请的弹卡机构，可同时实现保压取芯中取芯器内管总成与外管的轴向定位及取芯器下放；

3，本申请的弹卡结构增加了滚珠锁止与解锁功能，只有当悬挂环与中心杆的轴向位移达到设定值时才能解锁，当该轴向位移小于设定值时，悬挂环与中心杆保持锁止状态，其尤其适用于保压取芯；

4，本申请的取芯装置能够使得取芯动作完整完成时才能取出取芯器，能提前预知取芯器取芯动作是否顺利完成，方便查找取芯器工作故障原因。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本说一下实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。

图1是弹簧滚珠解锁悬挂机构的结构示意图；

图2是图1中a处的局部放大图；

图3是弹卡机构的结构示意图；

图4是图3中b处的局部放大图；

图5是第一阶段时取芯装置的示意图；

图6是第二阶段时取芯装置的示意图；

图7是第三阶段时取芯装置的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“轴向”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2所示，本发明公开的弹簧滚珠解锁悬挂机构，包括中心杆1、内管9和悬挂环装置。悬挂环装置包括上悬挂环71、下悬挂环72、悬挂环滚珠8和悬挂环弹簧6。

上悬挂环71和内管9均套装在中心杆1外，内管9上端与上悬挂环71固接；

下悬挂环72套在内管9外，下悬挂环72通过悬挂环弹簧6与上悬挂环71连接，内管9上有用于装悬挂环滚珠8的第一通孔，悬挂环滚珠8装于第一通孔中，悬挂环滚珠8的直径大于第一通孔的深度。

中心杆1外壁有用于适配悬挂环滚珠8凸出部分的第二环形槽12，在下悬挂环72内壁有用于适配悬挂环滚珠8凸出部分的第四环形槽721，在悬挂环弹簧6的作用下，下悬挂环72的第四环形槽721向下越过悬挂环滚珠8，此时的下悬挂环72将悬挂环滚珠8限制在中心杆1的第二环形槽12和第一通孔中。

当下悬挂环72相对于上悬挂环71向上运动至第四环形槽721与悬挂环滚珠8相对时，若此时中心杆1与内管9发生轴向相对运动，悬挂环滚珠8能够从第二环形槽12内滑出并进入第四环形槽721中。

其中，悬挂环弹簧6可为一螺旋弹簧，则悬挂环弹簧6套在内管9外。或者，悬挂环弹簧6围绕内管9等间隔设有至少两个。

为便于悬挂环弹簧6的安装，本实施方式在上悬挂环71下端加工有与悬挂环弹簧6适配的弹簧孔，悬挂环弹簧6装于与弹簧孔中。

理论上，设置一个悬挂环滚珠8即可满足需要。但为了增强稳定性和可靠性，悬挂环滚珠8最好设置至少两个，具体的数量可根据需要设置，一般2-4个为宜，当设置多个悬挂环滚珠8时，多个悬挂环滚珠8最好周向等间隔设置。

如图2所示，下悬挂环72下端有用于限制上悬挂环71相对于下悬挂环72向下移动的凸台722，当上悬挂环71下端与凸台722相抵持时，下悬挂环72与上悬挂环71不可再相向移动。

如图3、图4所示，本发明公开的弹卡机构，包括一对弹卡钳4、弹卡弹簧3以及上述弹簧滚珠解锁悬挂机构；

弹卡钳4下端与上悬挂环71转动连接，弹卡钳4上部与上悬挂环71之间设有弹卡弹簧3，在弹卡弹簧3的作用下弹卡钳4有向外张开的趋势。

在上悬挂环71上部设有弹卡挡环41，弹卡钳4上端有第一引导斜面，弹卡挡环41有与第一引导斜面适配的第二引导斜面，该第二引导斜面与第一引导斜面配合用于限制弹卡钳4完全弹出，使弹卡钳4能够顺利收回。

为避免在取芯未完成时，就提出取芯器，本实施方式中的弹卡机构还包括位于弹卡钳4内侧的弹卡滚珠5，上悬挂环71上有用于装弹卡滚珠5的第二通孔，弹卡滚珠5装于第二通孔中，弹卡滚珠5的直径大于第二通孔的深度。

中心杆1外壁有用于适配弹卡滚珠5凸出部分的第一环形槽11和第三环形槽13，第二环形槽12位于第一环形槽11与第三环形槽13之间。第一环形槽11与第三环形槽13之间的距离根据取芯长度等合理设置。

当弹卡滚珠5凸出部分位于第一环形槽11或第三环形槽13中时，弹卡钳4在外力作用下可收拢；当中心杆1与上悬挂环71发生轴向相对运动时，弹卡滚珠5能够从第一环形槽11或第三环形槽13内滑出，此时弹卡滚珠5使得弹卡钳4不可收拢。第一环形槽11和第二环形槽12的距离与悬挂环滚珠8与弹卡滚珠5的距离相等。

如图1-图7所示，本发明公开的取芯装置，包括外管2和上述弹卡机构；外管2有与弹卡机构适配的弹卡室21，弹卡室21的下台阶可轴向限制下悬挂环72相对于外管2向下移动；

如图6所示，当下悬挂环72的凸台722与外管1的弹卡室21的下台阶相抵触，上悬挂环71下端与凸台722相抵持时，弹卡钳4也正好位于弹卡室11中。

中心杆1上用于与内管9轴向抵触的外台阶14，外台阶14位于第三环形槽13的下方。当外台阶14与内管9轴向抵触时，中心杆1可带动内管9向上移动。

外台阶14和内管9的轴向抵触部位之间的距离与第一环形槽11和第三环形槽13之间的距离相等，该距离可根据取芯长度设置。

本发明的取芯装置的使用方法，主要可分为三个阶段。

第一个阶段：如图5所示，连续导管连接中心杆1将取芯器沿着外钻管2向井底下放，此过程中由于悬挂环弹簧6弹力，下悬挂环72的第四环形槽721向下越过悬挂环滚珠8，下悬挂环72使悬挂环滚珠8推入中心杆1的第二环形槽12中，此时悬挂环滚珠8限制在中心杆1的第二环线槽12与内管9的孔洞中，中心杆1与内管9无法相对轴向运动，整个取芯器内管总成的重力主要通过悬挂环滚珠8传导至中心杆1。

此过程中，弹卡滚珠5也位于第一环形槽11中。

第二个阶段：如图6所示，当下悬挂环72与外钻管2的弹卡室下台阶相接触后，在取芯器重力的作用下，上悬挂环71与内管9相对于下悬挂环72整体向下移动并压缩悬挂环弹簧6；

当悬挂环滚珠8随内管9运动至与下悬挂环72的第四环形槽721相对时，中心杆1的轴向运动约束解除，此时，中心杆1可沿着内管总成向上做轴向相对运动；

由于弹卡室21下台阶的限制，内管总成无法沿着外钻杆2向下的做轴向运动；同时，弹卡板4也进入弹卡室21中，弹卡板4顶部与弹卡室21上端相接触限制内管总成沿着外钻杆2向上的轴向运动，此时整个内管总成在外钻杆2弹卡室的约束下无法在外钻杆2内进行轴向运动；在钻机的驱动下外钻杆带着内管9总成向井底做轴向进给运动。

与此同时，中心杆1与内管9、上悬挂环71发生轴向相对运动，中心杆2使弹卡滚珠5从第一环形槽11内滑出，滑出的弹卡滚珠5会给弹卡钳4向外的推力，使弹卡钳4无法收回，此时弹卡钳4被锁；

弹卡钳4无法通过压缩弹卡弹簧3离开弹卡室21，此时向上提拉中心杆1将无法提起内管9。

第三个阶段：如图7所示，取到岩芯后，通过连续管抽动中心杆1上提，中心杆1上的第三个环形槽13运动到弹卡滚珠5位置时，弹卡机构解锁，内管总成可沿着外钻杆2向上做轴向运动，此时中心杆1的外台阶14也运动到与内管9台阶相接触，此时抽动中心杆1便可带动整个取芯器上提，完成整个取芯动作。

以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。