一种含空心包体岩芯获取装置及方法与流程

本申请属于地应力测试装置，具体而言涉及一种含空心包体岩芯获取装置及方法。

背景技术：

1、地应力是存在于地层中的天然应力，受多种因素相互作用影响，较为复杂，主要是由重力作用与构造运动引起，并受地质体岩性、地形地貌、温度应力等影响，是影响一切地下工程稳定性的根本力源。冲击矿压(也可称为“冲击地压”)是煤矿典型动力现象，随着煤矿采深不断增大，冲击地压危险性逐步升高，深部开采时掌握区域的地应力条件，才能合理确定开采总体布置，选取适当的巷道布置与采煤方法，为冲击地压发生机制、危险性预测提供基础。

2、在采用空心包体应力解除法测量地应力时，在解除过程中直接测量到的是应变，解除完成后还需将含包体岩芯完整地取出进行围压率定，求取弹性模量和泊松比，最终通过应变与弹性模量获得地应力。在实际的测试中，含包体岩芯解除完成后，若岩体完整性较好，岩芯通常难以通过钻机扭断。此时，若继续向前钻进，岩芯断裂位置及时刻无法控制，包体导线容易随岩芯管旋转，包体底部导线应力集中，使得导线缠断而无法进行围压率定，导致测试失败。

3、现有技术中有一种三维地应力测试中含空心包体岩芯的取芯装置，包括连接件，连接件与取芯筒连接，取芯筒内焊接有楔形切削块，在折断岩芯时将楔形切削块推进岩芯与钻孔壁之间的空隙内，以撬动的方式折断岩芯，但由于楔形切削块与岩芯端部为点接触，在遇到岩芯硬度小，或者，岩芯端部残缺的情况，楔形切削块即便向前持续推进也难以折断岩芯，造成取芯失败；而且，当岩芯被楔形切削块撬断后，岩芯在取芯筒中呈自由状态，在取出含包体岩芯时，岩芯容易从取芯筒中脱落，不易取出，造成取芯失败，即便在取芯时安排一人拉紧包体电缆，也存在取芯失败的情况，仍存在取芯失败的可能，而且增加人工成本。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种含空心包体岩芯获取装置及方法，用以解决现有技术中存在的上述问题。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、一种含空心包体岩芯获取装置，包括：

4、取芯筒，具有同轴设置的第一直筒段和第二直筒段，第一直筒段和第二直筒段均为圆筒结构，第二直筒段的直径小于第一直筒段的直径，且第二直筒段与第一直筒段通过变径过渡段连接；

5、夹持机构，被配置为夹持含空心包体的岩芯；夹持机构设于取芯筒内，且能够沿取芯筒的轴线做直线往复移动；其中，夹持机构具有连接端和夹持端，连接端位于第二直筒段的第一端外侧，用于与钻杆连接；夹持端能够由第二直筒段的第二端向第一直筒段的内部伸出并张开，以夹住含空心包体的岩芯；

6、钻头，钻头同轴设于第一直筒段的前端，被配置为钻取岩芯。

7、进一步地，夹持机构包括金属夹、连接件、弹簧和撑开件；金属夹的数量为多个，多个金属夹铰接于连接件的一端；弹簧设于连接件与第二直筒段之间，且连接件的至少一部分位于第二直筒段的内部，能够沿第二直筒段的轴线做直线往复移动；撑开件设于变径过渡段的内部，被配置为当连接件向第一直筒段方向移动时，使撑开件张开。

8、进一步地，连接件具有一体设置的螺纹段和光杆段，螺纹段用于与钻杆连接，光杆段可移动的设于第二直筒段内，螺纹段和光杆段的连接处设置阻挡部；弹簧套设在光杆段上，弹簧的一端抵接于阻挡部，另一端抵接于第二直筒段的第一端轴向端面。

9、进一步地，光杆段上设置限位部，第二直筒段上设置引导孔，引导孔为长条孔，长条孔沿第二直筒段的轴线布置；限位部可移动的卡设于引导孔内，并能够在引导孔的限定下做直线往复移动。

10、进一步地，金属夹的内表面设置凸齿。

11、进一步地，金属夹的凸齿成排布置，包括奇数排齿和偶数排齿；其中，奇数排齿顺时针倾斜排布，偶数排齿为倒钩状布置。

12、进一步地，金属夹具有连接段和夹持段，凸齿设于夹持段，夹持段通过连接段与光杆段转动连接，连接段与夹持段之间的角度为120°-140°。

13、进一步地，夹持段的外表面为外凸圆弧面，外凸圆弧面与第一钻孔的内壁面相适配；夹持段的内表面为内凹圆弧面，内凹圆弧面与含空心包体的岩芯的外周面相适配。

14、进一步地，夹持段的前端为夹持端，夹持段的前端纵向截面为楔形。

15、进一步地，撑开件为金属球，金属球的球心位于取芯筒的轴线上，金属球设有径向通孔，径向通孔供导线穿过，导线的一端连接空心包体，导线的另一端从钻杆伸出，供操作者扯动。

16、进一步地，径向通孔的轴线与取芯筒的轴线重合。

17、另一方面，提供一种含空心包体岩芯获取方法，使用上述的含空心包体岩芯获取装置，含空心包体岩芯获取方法包括如下步骤：

18、步骤一：在巷道两侧岩体内倾斜钻取第一钻孔，在第一钻孔的孔底留有一段未解除应力的岩芯，岩芯与第一钻孔的孔壁之间具有间隙；岩芯上同轴设置第二钻孔，将空心包体固定安装在第二钻孔中，得到未应力解除的含空心包体岩芯；

19、步骤二：使用获取装置对含空心包体岩芯进行应力解除，从第一钻孔中取出应力解除后的含空心包体岩芯。

20、进一步地，步骤二中，使用获取装置对含空心包体岩芯进行应力解除，包括：

21、向第一钻孔内推进获取装置，通过钻杆上的刻度记录解除深度，当待解除深度至所需深度l时，改变与钻杆连接的钻机转速、推力以扭断岩芯；

22、若通过钻机转速、推力未能扭断含空心包体岩芯，则向第一钻孔的孔底继续推进获取装置，随着连接件和取芯筒向钻孔的孔底方向移动，取芯筒的前端插入含空心包体岩芯与第一钻孔孔壁之间的孔隙内，金属夹在撑开件的作用下撑开，金属夹前端深入到岩芯与取芯筒的空隙中，金属夹上的凸齿能够咬紧岩芯外周面，随着获取装置的继续转动，给岩芯施加一个扭动的力，从而使岩芯扭断。

23、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

24、a)本发明提供的含空心包体岩芯获取装置，采用金属夹能够抱紧岩芯，通过旋转钻杆就能在第一钻孔内直接扭断含空心包体岩芯，无需将岩芯管和钻杆从测试孔中取出，再更换其它装置来折断岩芯，大幅缩短取芯时间，而且由于金属夹采用抱紧岩芯的方式，而不是撬动的方式，能够提升岩芯扭断的成功率，从而提高了测试效率。

25、b)本发明提供的含空心包体岩芯获取装置，金属夹的凸齿包括奇数排齿和偶数排齿，其中，奇数排齿顺时针倾斜排布，偶数排齿倒钩状设计，这样可以利用钻杆顺时针扭断岩心，同时岩芯扭断后，拉动钻杆取出岩芯过程中，倒钩状设计能够牢牢咬住岩芯，防止岩芯滑落。

26、c)本发明提供的含空心包体岩芯获取方法，操作方便，能够准确控制岩芯解除长度与岩芯扭断位置，而且采用金属夹抱紧岩芯的方式，岩芯扭断的成功率高。

27、d)本发明提供的含空心包体岩芯获取方法，在安装空心包体时，使用鼓风机向第一钻孔送风，并根据第一钻孔的孔渗差异性设置送风压力，通过鼓风措施大幅缩短固结时间至15h(正常固结时间为24h)，进而提升了整体测试效率。

技术特征：

1.一种含空心包体岩芯获取装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的含空心包体岩芯获取装置，其特征在于，所述夹持机构包括金属夹、连接件、弹簧和撑开件；

3.根据权利要求2所述的含空心包体岩芯获取装置，其特征在于，所述连接件具有一体设置的螺纹段和光杆段，所述螺纹段用于与钻杆连接，所述光杆段可移动的设于所述第二直筒段内，所述螺纹段和光杆段的连接处设置阻挡部；

4.根据权利要求3所述的含空心包体岩芯获取装置，其特征在于，所述光杆段上设置限位部，所述第二直筒段上设置引导孔，所述引导孔为长条孔，所述长条孔沿所述第二直筒段的轴线布置；

5.根据权利要求2所述的含空心包体岩芯获取装置，其特征在于，所述金属夹的内表面设置凸齿。

6.根据权利要求5所述的含空心包体岩芯获取装置，其特征在于，所述金属夹的凸齿成排布置，包括奇数排齿和偶数排齿；

7.根据权利要求5或6所述的含空心包体岩芯获取装置，其特征在于，所述金属夹具有连接段和夹持段，所述凸齿设于所述夹持段，所述夹持段通过连接段与光杆段转动连接，连接段与夹持段之间的角度为120°-140°。

8.根据权利要求7所述的含空心包体岩芯获取装置，其特征在于，所述夹持段的外表面为外凸圆弧面，所述外凸圆弧面与第一钻孔的内壁面相适配；

9.根据权利要求2所述的含空心包体岩芯获取装置，其特征在于，所述撑开件为金属球，所述金属球的球心位于所述取芯筒的轴线上，所述金属球设有径向通孔，所述径向通孔供导线穿过，所述导线的一端连接空心包体，所述导线的另一端从钻杆伸出，供操作者扯动。

10.一种含空心包体岩芯获取方法，其特征在于，使用权利要求1至9任一项所述的含空心包体岩芯获取装置，所述含空心包体岩芯获取方法包括如下步骤：

技术总结
本申请涉及一种含空心包体岩芯获取装置及方法，含空心包体岩芯获取装置包括取芯筒、夹持机构和钻头，取芯筒具有同轴设置的第一直筒段和第二直筒段；所述夹持机构设于所述取芯筒内，用于夹持含空心包体的岩芯；其中，所述夹持机构具有连接端和夹持端，所述连接端位于第二直筒段的第一端外侧，用于与钻杆连接；所述夹持端能够由第二直筒段的第二端向所述第一直筒段的内部伸出并张开，以夹住含空心包体的岩芯；所述钻头同轴设于所述第一直筒段的前端，被配置为钻取岩芯。本申请实现了含空心包体岩芯的快速获取，获取成功率高。

技术研发人员：赵龙,张田录,贺虎,柴发英,张玉生,包云龙,蔡武,李许伟
受保护的技术使用者：窑街煤电集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14