扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置及方法

技术领域

本发明涉及采样装置技术领域，具体涉及扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置及方法。

背景技术

随着对煤炭开采强度和开采深度的增加，加之煤田地质条件的复杂性，我国煤矿受底板突水和冲击地压等动力灾害的威胁日益加剧。在扰动及构造破碎区域取样时样品易破碎。而且在断层目标区域取样时取样范围较小，取样时不完整。针对该问题，众多学者在断层构造破碎区域监测预警和综合防治当面的研究取得了长足的进展，为煤炭的安全开采提供保障。

影响取样效果的因素主要包括地质因素和技术因素，其中地质因素在特定区域的取样的影响甚微，技术因素占据主要。然而，单纯的钻孔取样技术在扰动及构造破碎区钻进过程中无法有效的冷却完整取样，取出的样品碎杂，从而无法判断断层区域的地质构造。因此，研发一种既能保证在复杂煤层地质条件下钻孔取样能够满足需要，又能满足深入断层注浆加固的钻进采样装置成为现阶段亟需解决的问题。

目前，现有技术中主要通过钻孔采样装置及相关方法来进行取样，但是其还存在以下不足之处：

(1)一般采用后退式扩孔方法，即采用小孔径钻孔钻进至钻孔末端，使用高压水激发装置进行扩孔，该方式工作量较大造成施工成本升高；(2)在钻进过程中无法调节钻头角度，无法进行目标区域的全方位的大范围取样及注浆；(3)无法在煤层地质条件复杂危险区域进行精确控制钻取的角度，进行多角度全方位的钻孔取样；(4)无法冷却构造破碎区的煤岩体，取出完整的样品观察断层区域的地质组成。

现有技术的相关报道主要有：

CN115436090A公开了一种采矿勘查用便携式地质取样设备，包括支架、丝杆和取样组件，支架底部设有底座，取样组件包括壳盖和壳身，丝杆下端依次贯穿支架、壳盖，且丝杆上端与驱动件连接。该装置调节钻头发动机角度，无法实现大范围的扩径取样。

CN211425907U公开了一种地质钻头取样装置，主要是采用拉杆和滑杆实现取样，该装置无法精确控制底部开出的扩孔的直径，只能取到钻孔以内，无法实现钻孔以外的取样，并无法保证取样的完整性。

CN211230247U公开了一种岩石钻探技术领域的扩孔钻头，主要是多个滚刀围绕设于钻杆的外侧面上用于扩大孔径，该装置无法实现钻进式钻孔，无法实现钻进全过程的精确调节钻孔直径大小，同时扩孔直径是固定的，无法实现多方位取样。

综上所述，现有技术中的采样装置还没有解决在煤层地质条件复杂区域内钻孔钻进过程中实现保证取样规则完整、大范围扩径取样及注浆等技术问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，其在断层目标区域的钻进过程中可实现对破碎岩体冷却、完整取样及注浆、全自动扩径卸压的目的。

为了实现上述目的，本发明所需克服的主要技术难点在于：如何能使得该装置在钻进过程中同时达到“破碎岩体冷却、完整取样、注浆以及全自动扩径卸压”的目的。

为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，其包括钻头、调节结构以及收集机构，所述的调节结构用于调节所述的钻头的摆动；

所述的收集机构用于收集所述的钻头钻进得到的样品；

所述的钻头包括杆主体、所述的杆主体具有一定的长度且内部中空，在所述的杆主体的外围设置有呈螺旋状的环向切割刃，所述的杆主体的一端设置有钻爪，另一端设置有法兰，通过所述的法兰与调节结构连接；

所述的收集机构位于所述的钻爪的前端，且钻头进行工作时，所述的钻爪可完全通过所述的收集机构；

所述的钻爪包括机架、动力机构、四个抓手以及与四个抓手分别连接的抓手连杆，抓手连杆连接在所述的机架上，所述的动力机构用于控制四个抓手的开合；

所述的调节机构包括环形壳体和位于环形壳体内的齿轮机构，所述的收集机构连接在所述的环形壳体上，所述的调节机构上设置有与所述的杆主体相连通的开口，通过向所述的开口内通入二氧化碳或者浆液，可将所述的杆主体作为二氧化碳运输通道或者浆液运输通道；

在所述的四个抓手中间的机架上连接有喷管；

所述的喷管与杆主体连通，通过所述的喷管可喷出二氧化碳或浆液，当所述的喷管喷出二氧化碳时，通过二氧化碳对钻头钻进得到的样品进行冷却，当所述的喷管喷出浆液时，通过浆液对目标区域的破碎带进行充填。

上述的一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，所述的齿轮机构包括支架、第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮以及圆柱齿轮，所述的支架包括水平板和位于水平板两侧的垂直板；

在两块垂直板的内侧分别设置有螺旋电机；在两块垂直板的外侧分别设置有第一圆锥齿轮，螺旋电机启动后带动两个第一圆锥齿轮进行转动，在所述的水平板的中间连接有中空管，所述的中空管的顶端为所述的开口，中空管底端连接在连杆上，所述的连杆将所述的中空管与杆主体连通，在所述的连杆顶部的法兰的上方设置所述的圆柱齿轮，所述的圆柱齿轮的两侧啮合两个所述的第二圆锥齿轮，且两个第二圆锥齿轮分别与其对应第一圆锥齿轮啮合。

上述的一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，所述的调节机构的最大延伸范围为90度，螺旋电机通过螺栓连接在两块垂直板上，电机的输出轴带动两个第一圆锥齿轮进行转动。

上述的一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，所述的收集机构包括收集料斗，所述的收集料斗是内部中空的环状壳体。

上述的一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，所述的环向切割刃由金刚石微粉、硬质合金制成；所述的杆主体为圆柱形，其长度最大为45mm，杆主体的最大直径为100mm。

上述的一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，所述的抓手的最大直径为200mm。

上述的一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，所述的动力机构为空心电机，所述的空心电机连接在所述的杆主体的前端，并与所述的机架连接，所述的空心电机内部设置有独立的通道，该通道用于二氧化碳或浆液通过。

本发明的另一目的在于提供上述的一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置的使用方法，包括以下步骤：

a、确定卸压目标

依据某矿实际地质条件，选取需要进行局部卸压处理的施工地点，确定卸压钻孔距离巷道帮部或煤壁的距离为0.5L～3L，扩孔直径为0.01L，L为岩体最大弹性积累区距离煤壁的距离，距离的计算公式如式(1)：

L＝13-0.5f-0.16R

式(1)中：f--煤体坚固性系数，取f＝1.3；

R

θ--煤层的倾角，取3°；

M-采煤机割煤高度，1.4m；

H-巷道埋深，卸压区域煤层的埋深206.5～223.5m，计算中取215m；

经计算L＝11.9m；

b、在进行局部卸压处理的施工地点，将所述的一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置与钻杆、钻机依次连接，开启钻进向目标区域钻进，在达到目标区域后，通过调整动力机构，使得钻爪可进行90度摆动，通过扭动钻机使得钻头进行旋转，使得目标区域内的样品完全脱落到收集机构内。

进一步的，通过调节空心电机使得抓手处于张开状态，通过喷管喷出二氧化碳冷却要取出的样品，然后利用抓手将样品取出，再通过喷管向目标区域注入砂浆来修复加固断层破碎带。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

第一、可以实现对断层构造破碎处的目标区域多角度全方位的取样；运用液态二氧化碳冷却所取样品，保证样品完整性，对断层处的地质构造组成得到了充分地研究。

第二、在对特定的断层破碎目标区域进行注浆加固时，由于大范围的空间扩张，所以对于目标区域的注浆效率更快，注浆效果更好。

第三、扩孔时的施工参数可以定量，在施工过程中扩孔直径可以实现全过程的自动化控制，在特定的煤矿工作面弧形三角形悬板煤层危险区域，可以防止冲击地压的显现，防止钻进过程岩爆的发生。

第三、采用前进式扩孔方法，在钻孔钻进过程可直接进行扩孔，同时可以实现钻孔直径大小的定量化控制，该方式有效的减少了施工工作量，降低了工程成本；提出可变螺旋扩孔，面对煤矿或金属矿山复杂的地质条件，提出螺旋卸压钻孔的使用及施工方法，有效、精准的实现对冲击地压危险区域进行合理的局部冲击地压的显现，减小了施工工作量。

第四、本发明方法针对扰动及构造破碎区域取样时，可以有效冷却煤岩体，保证取样的完整性，并在取样后针对危险复杂的断层区域可以及时进行注浆加固；本发明装置在螺旋电机的螺旋转动下，在煤体或岩体钻进过程中在断层目标区域能够实现钻进过程中的对破碎岩体冷却完整取样及注浆、全自动扩径卸压。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1、图2为本发明一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置的整体装配图；

图3、图4为本发明装置的剖视图；

图5为本发明连杆主体的结构示意图；

图6为本发明调节结构的结构示意图；

图7为本发明收集料斗的结构示意图；

图8为本发明钻爪的结构示意图；

图9为本发明圆锥齿轮的结构示意图；

图10为本发明圆柱齿轮的结构示意图；

图11为本发明抓手的结构示意图；

图12为本发明螺栓的结构示意图；

图13为本发明连杆的结构示意图；

图14为本发明断层充填物取样及注浆施工示意图。

图15为本发明防止煤矿工作面弧形三角煤区域冲击地压显现施工示意图；

图16为本发明装置的整体装配图；

图中：

1、钻头，2、调节机构，3、收集机构，4、钻杆，5、钻机，6、顺槽，7、目标区域，8、断层区域，11、空心电机，12、杆主体，13、喷管，14、抓手，15、连杆，16、抓手连杆，17、抓手连接法兰，21、第一圆锥齿轮，22、圆柱齿轮，23、第二圆锥齿轮，24、螺栓，25、支架，26、螺旋电机，27、开口。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

可理解的，本申请中所描述的连接关系指的是直接或间接连接。例如，A与B连接，既可以是A与B直接连接，也可以是A与B之间通过一个或多个其它电学元器件间接连接。例如可以是A与C直接连接，C与B直接连接，从而使得A与B之间通过C实现了连接。还可理解的，本申请中所描述的“A连接B”可以是A与B直接连接，也可以是A与B通过一个或多个其它电学元器件间接连接。

在本申请的描述中，除非另有说明，“/”表示“或”的意思，例如，A/B可以表示A或B。本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

在本申请的描述中，“第一”、“第二”等字样仅用于区别不同对象，并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

下面结合附图来对本申请的技术方案作进一步的详细描述。

目前现有技术中的钻进采样装置，有部分可实现在钻进过程中进行扩孔，但是其无法实现对其进行及时充填，另外，通过传统方法得到的样品容易破碎，本发明从如何能使得该装置在钻进过程中同时达到“破碎岩体冷却、完整取样、注浆以及全自动扩径卸压”的目的来考虑，对采样装置进行改进，可以达到上述目的。通过本发明装置各个部件的相互配合，才可以带来显著的有益技术效果。

结合图1至图4、图16所示，本发明一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，其在断层目标区域的钻进过程中可实现对破碎岩体冷却、完整取样及注浆、全自动扩径卸压的目的。其包括钻头1、调节结构2以及收集机构3，其中，钻头借助于钻杆4以及钻机5，在断层目标区域进行钻进，具体如图14、图15所示，图中示出了顺槽6、目标区域7以及断层区域8，通过采用现有技术中的钻杆以及钻机，即可将钻头推入目标区域。通过对钻头1进行结构的改进，可以使得其在钻孔的同时得到扩孔的目的，另外可确保样品的完整性，并且得到的样品可以通过收集机构3收集，避免其破碎。

下面对钻头1进行说明，钻头包括杆主体12，杆主体具有一定的长度且内部中空，环向切割刃由金刚石微粉、硬质合金制成；优选杆主体为圆柱形，其长度最大为45mm，杆主体的最大直径为100mm。

作为本发明的一个主要创新点，如图5所示，在杆主体的外围设置有呈螺旋状的环向切割刃，当杆主体在缓慢的向上转动时，随着钻头的推进和环形切割刃的设计，可实现钻孔的扩径卸压。

所述的杆主体的一端设置有钻爪，另一端设置有法兰，在杆主体与钻爪之间也通过设置在杆主体底部的法兰连接在一起，杆主体的另一端通过位于顶部的法兰与调节结构连接。

杆主体内部设置为中空状，可提供二氧化碳和砂浆的运输通道。

作为本发明的一个主要创新点，如图6所示，调节机构包括环形壳体和位于环形壳体内的齿轮机构，收集机构连接在环形壳体上，也就是说，收集机构与调节机构连接在一起，所述的调节机构上设置有与所述的杆主体相连通的开口27，通过向所述的开口内通入二氧化碳或者浆液，可将所述的杆主体作为二氧化碳运输通道或者浆液运输通道；具体的，开口位于调节机构的支架25的水平板上。结合图9和图10所示，齿轮机构包括支架25、第一圆锥齿轮21、第二圆锥齿轮23以及圆柱齿轮22，支架包括水平板和位于水平板两侧的垂直板，整体结构类似于U形，U形结构的支架位于环形壳体内。

在两块垂直板的内侧分别设置有螺旋电机26，螺旋电机连接输出轴，输出轴穿过各自对应的垂直板伸出，与位于两块垂直板的外侧设置的第一圆锥齿轮连接，当螺旋电机启动后，可带动第一圆锥齿轮旋转，在所述的水平板的中间连接有中空管，中空管的长度小于连杆的长度，中空管的两端开口，位于中空管顶部的开口即可注浆或者注入二氧化碳，中空管底端连接在连杆13上，如图13所示，连杆将所述的中空管与杆主体连通，在所述的连杆顶部的法兰的上方设置所述的圆柱齿轮，所述的圆柱齿轮的两侧啮合两个所述的第二圆锥齿轮，且两个第二圆锥齿轮分别与其对应第一圆锥齿轮啮合。当第一圆锥齿轮旋转时，啮合的第二圆锥齿轮进行旋转，因此带动圆柱齿轮旋转，从而带动杆主体进行旋转，在钻头推进过程中实现扩径泄压。调节机构的最大延伸范围为90度，螺旋电机通过螺栓连接在两块垂直板上，电机的输出轴带动两个第一圆锥齿轮进行转动。

上述的一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，如图7所示，收集机构包括收集料斗，收集料斗是内部中空的环状壳体，该环状壳体可使得钻头通过，因此钻进的试样可放置在该环状壳体内，避免破碎。

作为本发明的一个主要发明点，上述的一种扰动及构造破碎区螺旋钻进采样、注浆一体化装置，结合图8和图11所示，钻爪包括机架、动力机构、四个抓手14以及与四个抓手分别连接的抓手连杆16，抓手连杆16连接在所述的机架上，所述的动力机构用于控制四个抓手的开合；在四个抓手中间的机架上连接有喷管13；喷管13与杆主体12连通，通过所述的喷管可喷出二氧化碳或浆液，当所述的喷管喷出二氧化碳时，通过二氧化碳对钻头钻进得到的样品进行冷却，当所述的喷管喷出浆液时，通过浆液对目标区域的破碎带进行充填。

当四个抓手达到水平时，通过动力机构控制其打开，喷管喷出二氧化碳，随后抓手夹取冷却的煤岩体，并将其放入收集料斗中，对断层破碎区域进行注浆加固。

动力机构主要为空心电机11，空心电机连接在所述的杆主体的前端，并与所述的机架连接，所述的空心电机内部设置有独立的通道，该通道用于二氧化碳或浆液通过。

优选的，抓手和杆主体之间通过抓手连接法兰17连接，优选抓手的最大直径为200mm。

如图12所示，两个螺旋电机与两块垂直板之间通过螺栓24连接。

下面对上述装置的使用方法做详细说明。

步骤一、首先确定扰动及构造破碎区

依据某矿实际地质条件，选取需要进行采样处理的施工地点。断层构造破碎区根据探测位置以及地质状况不同，实际应用下也不同。所以根据现场巷道的埋深情况以及煤矿的地质概况才能确定。

步骤二、现场施工，在进行局部采样处理的施工地点，依次将钻头通过钻杆连接于钻机上，开启钻机向目标区域钻进，在达到目标区域后，调节调节机构开始调节钻头，使钻头可以进行90°的摆动，达到预定角度后，开启空心电机使冷却冲压的四个抓手处于张开状态，喷管喷出二氧化碳冷却将要取出的样品，然后利用钻爪将样品取出，放入收集料斗中，随后对于断层构造破碎危险区，利用喷管将注浆材料注入目标区域，修复加固断层破碎带，防止其垮落，然后利用钻机缓慢收回相关装置。

有关卸压目标区域的确定步骤为:

a、确定卸压目标

依据某矿实际地质条件，选取需要进行局部卸压处理的施工地点，确定卸压钻孔距离巷道帮部或煤壁的距离为0.5L～3L，扩孔直径为0.01L，L为岩体最大弹性积累区距离煤壁的距离，距离的计算公式如式(1)：

L＝13-0.5f-0.16R

式(1)中：f--煤体坚固性系数，取f＝1.3；

R

θ--煤层的倾角，取3°；

M-采煤机割煤高度，1.4m；

H-巷道埋深，卸压区域煤层的埋深206.5～223.5m，计算中取215m；

经计算L＝11.9m；

综上所述，本发明装置，在钻进过程中在目标区域能够实现高效的采样，即在设定的范围杆主体围绕中间连杆旋转，将周围的矿砂剥落，四个抓手处于闭合状态，达到设想角度后，四个抓手开始张开，液态二氧化碳从四个抓手中心的喷管流出，对煤岩体进行冷却，然后打开空心电机控制四个抓手，将采取的煤岩体放进收集料斗中，最后对于该构造破碎区即将垮落地带，利用进行二氧化喷管对该地区进行注浆加固，即同时实现了“破碎岩体冷却、完整取样、注浆以及全自动扩径卸压”的目的。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。