节理煤岩干式取岩样装置及其取样方法
【专利摘要】本发明涉及的是节理煤岩干式取岩样装置及其取样方法，其中节理煤岩干式取岩样装置包括切割装置和取样装置，切割装置具有切割座，切割壁一端与切割座连接，切割壁另一端安装锯片，切割座与锯片之间安装有高度调节装置；切割座还具有切割轨道，滑轨底座与切割轨道连接，滑轨底座为双向滑轨，滑轨底座可沿切割轨道移动，也可沿与切割轨道相垂直的方向移动，滑轨底座上安装有底座平移控制手轮；滑轨底座的中心安装有转盘，转盘具有手轮，岩样放置在转盘上；取样装置包括取样底座、夹持装置、金刚石取样钻头、可打开的透明罩体、制冷装置、吹气装置、排风扇。本发明能有效避免在煤岩切割过程中因为不稳定而造成的煤块脱落和煤岩开裂，又可以精确控制煤岩的切割厚度，达到精确切割的目的。
【专利说明】节理煤岩干式取岩样装置及其取样方法
[0001]一、【技术领域】:
本发明涉及的是岩石力学工程、石油工程、采矿工程等领域中的岩石力学试样的制备工具，具体涉及的是节理煤岩干式取岩样装置及其取样方法。
[0002]二、【背景技术】:
岩石力学实验是研究地表及地下深层岩石物理力学性质的关键方法，根据《煤和岩石物理力学性质测定方法》所规定的，岩石物理力学测试常用是圆柱形试样，尺寸多为C>25mm*50mm或C>50mm*100mm。然而煤岩多具有结构复杂,脆性大,易破碎,易压缩的性质，并且内部经常存大量的贯通或不贯通、间断或连续的裂隙，其非均质性和各向异性十分显著。不仅煤岩垂直层理方向上和平行层理方向上的力学物理性质差异较大，而且其组成成份在同一煤层中不同方向和不同深度上的差异也很大。层理为煤岩层的第一级弱结合面，面割理为次一级弱结合面。这些弱结合面对煤岩试样的制备、力学物理性质的测试有着不容忽视的影响。
[0003]若采用常规的室内取样方法，常存在以下问题:1、由于煤岩的非均质性和各向异性，试验时需要对不同方向钻取试样进行试验，而原煤的形状不规则及夹持不稳定等原因，导致了取样方向上往往会造成偏差；2、钻取过程中轻微的震动都可能使得煤样沿裂隙开裂，造成取样失败，即使成功钻成完整试样，要从整块煤岩块中取出试样，也十分困难，经常造成损坏已钻成样品的情况发生。3、煤岩对温度和水都十分敏感，常规的取样装置都需要用水来冷却钻头和携出岩屑，而煤样在水分的润湿软化作用下，节理裂隙等结构面的粘结力降低，煤体的刚度降低，塑性增强，这造成了煤岩取样时，只能用干取得方式进行取样，即不对钻头进行冷却直接进行取样的方式。然而在干钻取岩样过程中，试样层理常断裂或者松散，钻头温度过高，易被烧毁且影响了岩样的性质，这种方法的取样成功率很低。这些都使得煤岩地层岩石力学参数的测试成为了一个难题，极大的限制了现场施工进度，提高了施工成本。
[0004]三、
【发明内容】
:
本发明的目的是提供节理煤岩干式取岩样装置，它用于解决目前煤岩取样过程中，取样成功率低、成本高的问题，本发明还提供了这种节理煤岩干式取岩样装置的取样方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:这种节理煤岩干式取岩样装置包括切割装置和取样装置，切割装置具有切割座，切割电机安装在切割座的顶端，切割壁一端与切割座连接，切割壁另一端安装锯片，切割座与锯片之间安装有高度调节装置；切割座还具有切割轨道，滑轨底座与切割轨道连接，滑轨底座为双向滑轨，滑轨底座可沿切割轨道移动，也可沿与切割轨道相垂直的方向移动，滑轨底座上安装有底座平移控制手轮；滑轨底座的中心安装有转盘，转盘具有手轮，岩样放置在转盘上；岩样夹紧装置安装在滑轨底座四个角上，其通过伸缩式夹持臂和夹持件夹持岩样，夹持件为直角型的，伸缩式夹持臂为水平的，夹持件的垂直部分与伸缩式夹持臂固定连接，夹持件的水平部分通过螺栓与岩样紧固在一起；滑轨底座上具有与切割轨道相垂直的切削厚度调节轨道，滑轨底座上还安装有切削厚度调节手轮； 取样装置包括取样底座、夹持装置、金刚石取样钻头、可打开的透明罩体、制冷装置、吹气装置、排风扇，夹持装置设置在微调轨道上，微调轨道固定在取样底座上，可打开的透明罩体安装将夹紧装置罩住，金刚石取样钻头安装在岩石试样机上并处于透明罩体上方，金刚石取样钻头与夹持装置相对应；制冷装置安装在吹气装置的出口处并通过管线与吹气喷嘴相连接，吹气喷嘴设置透明罩体内，排风扇与透明罩体相通。
[0006]上述方案中高度调节装置为液压杆；滑轨底座是车床溜板箱。
[0007]上述方案中夹持装置为夹持器，内部有5-10mm的橡胶垫。
[0008]上述方案中制冷装置为小型冷气机，吹气装置是鼓风机或者空气压缩机。
[0009]上述节理煤岩干式取岩样装置的取样方法:
1、切割
a、观察煤岩，确定所需试样方向和裂缝走向，按方向将原煤放置在切割装置的转盘上，用夹紧装置固定，打开切割装置，移动转盘所在底座进行切割；
b、第一次切完后，移开底座，以尺寸025mm*50mm试样为例，用切割厚度调节装置调节切割厚度为27?28mm，然后再次进行切割，取得所需长方体煤样，长方体煤块的厚度应该大于钻头内径小于钻头外径，以尺寸O25mm*50mm试样为例，切割厚度应为27_28mm ；
2、取样
a、将岩石试样机稳固的固定在十分平整的台面上,并打开岩石试样机观察其振动情况，确定平稳后安装金刚石取样钻头，并保证其清洁；
b、打开透明罩体，用夹持装置将长方体岩样固定，并对准金刚石取样钻头，然后封闭罩体，在煤岩钻取岩样过程中，两侧各有Imm的部分钻头始终裸露在试样外面；
C、打开制冷装置和吹气装置，当吹气喷嘴有冷空气喷出时，打开岩石试样机和排风扇。
[0010]d、缓慢下放金刚石取样钻头进行煤岩取样，吹气喷嘴喷出的冷气流会冷却金刚石取样钻头和清洁岩屑。
[0011]e、钻到所需长度后，关闭岩石试样机、制冷装置、吹气装置及排风扇，打开透明罩体和夹持装置，取下岩样，用小型电锯切割，取出试样。
[0012]有益效果:
1、本发明中的切割装置通过设置带有滑轨的底座和双向夹持装置，加强了对形状不规则煤岩进行切割的稳定性，既能有效避免在煤岩切割过程中因为不稳定而造成的煤块脱落和煤岩开裂，又可以精确控制煤岩的切割厚度，达到精确切割的目的。
[0013]2、本发明中切割装置通过在底座上设置转盘，可以对煤岩进行不同方向的切割，取得不同方向岩样，满足了试验的要求。
[0014]3、本发明的取样装置通过在透明罩体内设置制冷装置、吹气装置、吹气喷嘴、排气装置，一次来形成冷气循环系统，既能有效的清洁岩屑和粉尘，又能很好的冷却钻头，防止其因为温度而烧毁钻头。
[0015]4、本发明的取样装置中，通过对夹持装置设置橡胶垫和微调轨道，加强了装置的稳定性和精确性。橡胶垫可以使煤岩的受力更加合理，防止了因为受力不均匀而造成夹碎试样的情况发生；微调轨道能有效调整岩样与金刚石钻头的位置关系，避免了钻取过程中偏心现象的发生。
[0016]5、本发明通过改进取样方法，在钻取时采用钻头部分裸露方式进行钻进，既能有效的排除岩屑，避免因岩屑堆积而造成试样挤断或扭断，又能增加冷气对钻头的冷却效率。
[0017]四、【专利附图】
【附图说明】:
图1是本发明中切割装置的结构示意图；
图2是本发明中取样装置的结构示意图；
图3是本发明切割装置中滑轨底座、夹紧装置、转盘的关系示意图；
图4是图3中夹紧装置旋转的示意图；
图5是本发明取样装置取样过程的示意图。
[0018]1.切割电机 2.锯片 3.高度调节装置 4.切割轨道 5.夹紧装置 6.转盘7.滑轨底座8.切削厚度调节手轮9.底座平移控制手轮10.切削厚度调节轨道11.岩石试样机12.金刚石取样钻头13.夹持装置14.微调轨道15.透明罩体16.制冷装置17.吹气装置18.吹气喷嘴19.排风扇20.取样底座21.水槽。
[0019]五、【具体实施方式】:
下面结合附图对本发明做进一步的说明:
这种节理煤岩干式取岩样装置包括切割装置和取样装置，切割装置具有切割座，参阅图1，切割电机I安装在切割座的顶端，切割电机I提供动力，切割壁一端与切割座连接，切割壁另一端安装锯片2，切割座与锯片2之间安装有高度调节装置3，高度调节装置3为液压杆，锯片2可以切换，锯片2高度可调节；切割座还具有切割轨道4，滑轨底座7与切割轨道4连接，滑轨底座7为双向滑轨，滑轨底座7可以是由车床溜板箱制；参阅图3、图4滑轨底座7可沿切割轨道4移动，也可沿与切割轨道4相垂直的方向移动，即可以沿平行于锯片2方向平移对煤岩进行切削，也可以沿垂直于锯片2方向进行滑动，根据要求切割精确厚度的岩样；滑轨底座7上安装有底座平移控制手轮9 ;滑轨底座7的中心安装有转盘6，转盘6具有手轮，岩样放置在转盘6上，可以由转盘6来调节切割方向，再由夹紧装置5将煤岩夹紧。转盘6上有刻度，可控制旋转角度。
[0020]岩样夹紧装置5安装在滑轨底座7四个角上，其通过伸缩式夹持臂和夹持件夹持岩样，夹持件为直角型的，伸缩式夹持臂为水平的，夹持件的垂直部分与伸缩式夹持臂固定连接，夹持件的水平部分通过螺栓与岩样紧固在一起，岩样夹紧装置5可在90°范围内转动，不仅在水平方向有夹持，而且可以在垂直方向固定岩样，这样一来可以更加稳固的固定岩石，避免晃动，二来可以对形状不规则的岩石进行固定，从而达到精确切割的目的。当需要切割不同方向的岩样时，例如平行于割理方向和垂直于割理方向，就可以打开夹紧装置5，由把手转动转盘，再夹紧而进行切割。
[0021]滑轨底座7上具有与切割轨道相垂直的切削厚度调节轨道10，滑轨底座7上还安装有切削厚度调节手轮8。滑轨底座7安装在切割轨道4上面，可由底座平移控制手轮9控制切削速度，滑轨底座7通过切削厚度调节手轮8来控制切取岩样的厚度。
[0022]由切割装置切割出不同方向岩块，岩块厚度要大于金刚石取样钻头12内径，小于其外径。使钻头轴线和岩块厚度方向平分线重合，这样在钻取试样时，就会有一部分钻头裸露在岩块以外，这种方法不会对钻取过程产生负面效果。
[0023]参阅图2，取样装置包括取样底座20、夹持装置13、金刚石取样钻头12、可打开的透明罩体15、制冷装置16、吹气装置17、排风扇19，夹持装置13为夹持器，内部有5_10_的橡胶垫，夹持装置13设置在微调轨道上14，微调轨道14固定在取样底座上，微调轨道14可以调节煤样切割的位置；透明罩体15可以由一侧打开，可打开的透明罩体15安装将夹持装置13罩住，金刚石取样钻头12安装在岩石试样机11下端并处于透明罩体15上方，金刚石取样钻12头与夹持装置13相对应，金刚石取样钻头12可通过透明罩体15上方的孔洞自由进出；制冷装置16为小型冷气机，吹气装置17是鼓风机或者空气压缩机，制冷装置16安装在吹气装置17的出口处并通过管线与吹气喷嘴18相连接，吹气喷嘴18设置透明罩体15内，排风扇19与透明罩体15相通。在钻取时，通过透明罩体15将制冷装置16、吹气装置17以及排风扇19连接起来组成冷气循环系统经由吹气喷嘴18以一定角度对钻头裸露部分进行冷却同时对岩屑进行清除，这样在钻取过程中通过吹气喷嘴18喷出冷却气体对金刚石取样钻头12进行冷却，同时还能清洁岩屑和粉尘，再通过排风扇19抽吸出含有粉尘和碎屑的气体，并通入水槽21内，防止粉尘的扩散。同时与常规钻头不同，金刚石取样钻头具有多个孔洞以增加排出岩屑的效果。
[0024]如图5所示为钻取过程示意图，以钻取尺寸为O25mm*50mm岩样为例，采用的金刚石取样钻头12尺寸应该为内径25mm、外径30mm、长度10mm。因此通过切割装置取得的长方体岩样厚度应该为27-28mm,这样在钻取的过程中，由于岩样厚度大于钻头内径,在夹持状况稳定，垂直良好的情况下，在钻取过程中，一部分钻头是裸露在岩样外面的，通过吹气喷嘴18喷出的冷却气体便可以对钻头进行冷却，避免了钻头温度过高烧毁钻头，还可以对切肖Ij产生的岩屑和粉尘进行清洁，再加上金刚石钻头上的孔洞，可以提高清洁和冷却效果。钻取过程中还应该放慢钻进速度，避免钻进过快导致的试件晃动和排屑不及时导致的卡钻等情况发生。岩样成功钻取后，可以直接用小型电机进行切割取出。
[0025]上述节理煤岩干式取岩样装置的取样方法将切割装置和取样装置两部分，紧密衔接两个过程，用精确切割来弥补常规取样中无法有效避开裂隙，不易排出岩屑等问题，并形成的一种新型的节理煤岩冷却气取样法，具体如下:
1、切割
a、观察大块煤岩层面及割理方向，根据需要将煤岩按一定方向放置在切割装置的转盘6，用夹紧装置5固定好岩石，将切削厚度调节手轮8锁死，防止切割过程中的偏移。再按岩石高度通过高度调节装置3调节锯片2的高度。
[0026]b、打开切割电机1，转动底座平移控制手轮9，使滑轨底座7沿切割轨道4进行平移，对岩石进行切割。切割完成后退出锯片2，通过切削厚度调节手轮8按刻度使滑轨底座7平移28mm，再将切削厚度调节手轮8锁死，重复上述切割过程。
[0027]2、取样
a、将岩石试样机11放置在平稳的水泥面上，打开岩石试样机11，观察震动情况，检查放置是否平稳，若取样底座20不平稳，则应将其固定在更加平稳的硬质平面上。清洁金刚石取样钻头12并安装钻头。
[0028]b、打开透明罩体15，检查夹持装置13，打开并将煤岩试样固定，再检查试样是否垂直，若不垂直，则应该调解夹持装置13使之垂直。固定好后通过微调轨道14将试样与金刚石取样钻头12对准，最后关闭透明罩体15。
[0029]C、打开制冷装置16和吹气装置17，当吹气喷嘴喷出冷却气体后，打开取样装置11和排风扇19。
[0030]d、若上述过程没有问题则可以下放钻头进行取样。[0031]e、由于试样表面可能不平整，开始时要缓慢放下金刚石取样钻头12，直到钻头完全切削到煤岩试样里面，切削过程通过吹气喷嘴18喷出的冷却气体来冷却钻头和清洁岩屑及粉尘。
[0032]f、钻进过程应注意缓慢均匀的钻取，避免骤然加大钻压和加速等错误操作。
[0033]g、在钻到所需要的长度后，关闭岩石试样机11，等金刚石取样钻头12完全停下，缓慢上提金刚石取样钻头12，关闭制冷装置16、吹气装置17、排风扇19，打开透明罩体15和夹持装置13取下岩块，再用小型电锯进行切割取下所得岩样。
【权利要求】
1.一种节理煤岩干式取岩样装置，其特征在于:这种节理煤岩干式取岩样装置包括切割装置和取样装置，切割装置具有切割座，切割电机(I)安装在切割座的顶端，切割壁一端与切割座连接，切割壁另一端安装锯片(2)，切割座与锯片(2)之间安装有高度调节装置(3);切割座还具有切割轨道(4)，滑轨底座(7)与切割轨道(4)连接，滑轨底座(7)为双向滑轨，滑轨底座(7)可沿切割轨道(4)移动，也可沿与切割轨道(4)相垂直的方向移动，滑轨底座(7)上安装有底座平移控制手轮(9);滑轨底座(7)的中心安装有转盘(6)，转盘(6)具有手轮，岩样放置在转盘(6)上；岩样夹紧装置(5)安装在滑轨底座(7)四个角上，其通过伸缩式夹持臂和夹持件夹持岩样，夹持件为直角型的，伸缩式夹持臂为水平的，夹持件的垂直部分与伸缩式夹持臂固定连接，夹持件的水平部分通过螺栓与岩样紧固在一起；滑轨底座(7)上具有与切割轨道相垂直的切削厚度调节轨道(10)，滑轨底座(7)上还安装有切削厚度调节手轮(8); 取样装置包括取样底座(20)、夹持装置(13)、金刚石取样钻头(12)、可打开的透明罩体(15)、制冷装置(16)、吹气装置(17)、排风扇(19)，夹持装置设置在微调轨道(14)上，微调轨道(14)固定在取样底座上，可打开的透明罩体(15)安装将夹持装置(13)罩住，金刚石取样钻头(12)安装在岩石试样机(11)上并处于透明罩体(15)上方,金刚石取样钻头(12)与夹持装置(13)相对应；制冷装置(16)安装在吹气装置(17)的出口处并通过管线与吹气喷嘴(18 )相连接，吹气喷嘴(18 )设置透明罩体(15 )内，排风扇(19 )与透明罩体(15 )相通。
2.根据权利要求1所述的节理煤岩干式取岩样装置，其特征在于:所述的高度调节装置(3)为液压杆 ；滑轨底座(7)是车床溜板箱。
3.根据权利要求1或2所述的节理煤岩干式取岩样装置，其特征在于:所述的夹持装置(13)为夹持器，内部有5-10mm的橡胶垫。
4.根据权利要求3所述的节理煤岩干式取岩样装置，其特征在于:所述的制冷装置(16)为小型冷气机，吹气装置(17)是鼓风机或者空气压缩机。
5.一种权利要求1所述的节理煤岩干式取岩样装置的取样方法:其特征在于:这种节理煤岩干式取岩样装置的取样方法如下， 一、切割 a、观察煤岩，确定所需试样方向和裂缝走向，按方向将原煤放置在切割装置的转盘上，用夹紧装置(5)固定，打开切割装置，移动转盘(6)所在底座进行切割； b、第一次切完后，移开底座，以尺寸025mm*50mm试样为例，用切割厚度调节手轮调节切割厚度为27~28mm，然后再次进行切割，取得所需长方体煤样，长方体煤块的厚度应该大于钻头内径小于钻头外径，以尺寸O25mm*50mm试样为例，切割厚度应为27_28mm ； 二、取样 a、将岩石试样机(11)稳固的固定在十分平整的台面上，并打开岩石试样机(11)观察其振动情况，确定平稳后安装金刚石取样钻头(12)，并保证其清洁； b、打开透明罩体(15)，用夹持装置(13)将长方体岩样固定，并对准金刚石取样钻头(12),然后封闭罩体,在煤岩钻取岩样过程中,两侧各有Imm的部分钻头始终裸露在试样外面； C、打开制冷装置(16)和吹气装置(17)，当吹气喷嘴有冷空气喷出时，打开岩石试样机(11)和排风扇(19)；d、缓慢下放金刚石取样钻头(12)进行煤岩取样，吹气喷嘴(18)喷出的冷气流会冷却金刚石取样钻头(12)和清洁岩屑； e、钻到所需长度后，关闭岩石试样机(11)、制冷装置(16)、吹气装置(17)及排风扇(19 ),打开透明罩 体(15 )和夹持装置(13),取下岩样，用小型电锯切割，取出试样。
【文档编号】G01N1/04GK103837368SQ201410107871
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】艾池, 李玉伟, 张军, 高长龙, 胡超洋, 刘亚珍 申请人:东北石油大学