一种采用连续管的水平地质勘察设备及取芯方法

技术领域

本发明属于水平钻孔设备技术领域，尤其涉及一种采用连续管的水平地质勘察设备及取芯方法。

背景技术

随着国家基础建设的持续投入，公路铁路隧道、地铁、跨海隧道的建设需求持续激增。隧道工程的线路规划、施工、支护方案等的确定均需详细且准确的地质数据作为支撑，对地下工程地质和地下资源进行勘探是必不可少的。相比垂直钻探，水平地质勘察方法近年来在钻探效率，施工成本等方面已逐步取代垂直钻探，在地质勘查中发挥了十分重要的作用。

现有的水平绳索取芯技术是利用一根取芯筒和连续绳索进行取芯作业。主要包括以下步骤：（1）拆开取芯钻具与钻杆之间的螺纹；（2）放入取芯筒；（3）以水力作为输送介质，将捞矛头与取芯筒连接；（4）动力头驱动外钻杆水平钻进；（5）取芯钻进结束后，回收绳索与取芯筒，并取出岩芯；（6）重复上述2-5操作，直至完成所有取芯计划。因此现有的水平绳索取芯技术利用水力输送，水压随水流量和流速的变化而不稳定，从而驱动捞矛头的输送效率较低；且该项技术对外钻杆内壁表面粗糙度要求较高，需要对外钻杆内壁的进行二次加工，因此额外增加了设备的使用成本；此外由于水压的不稳定性因素，在利用水力输送技术时，会经常出现取芯管卡住的情况，严重制约了整个钻探取芯的作业效率，因此该项技术亟需更新突破。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种采用连续管的水平地质勘察设备及取芯方法，本发明采用的连续管通过动力头总成、输送机构和卷筒总成对连续管进行牵引、传送和矫正，使连续管中的高压流体驱动取芯设备，从而高效地对取芯设备中的取芯钻具进行输送，有效解决了水平孔输送取芯钻具困难的难题，大大提高了设备的水平取芯钻进效率，降低综合施工成本。

技术方案：第一方面，本发明提供一种采用连续管的水平地质勘察设备，包括：

钻架，固定安装在钻架上的输送机构，移动安装在钻架上的动力头总成，连接在动力头总成一端的外钻杆，以及连接在外钻杆一端的外钻头；

其中，所述钻架的底部固定安装有底盘，所述钻架顶部一侧固定安装有与动力总成配合的滑轨；

所述动力头总成包括：卡接在滑轨上的推拉箱体，固定安装在推拉箱体上的推拉马达，固定安装在推拉箱体上的旋转箱体，设置在旋转箱体上且与外钻杆连接的旋转主轴；

所述旋转主轴、外钻杆分别为中空结构，所述外钻杆的内部一端设置有连续管，所述外钻杆的内部另一端设置有取芯设备；

所述连续管的一端插接在取芯设备中，所述连续管的另一端缠绕在卷筒总成上，所述连续管的所有中间段均通过输送机构、旋转主轴、外钻杆至取芯设备中。

在进一步的实施例中，所述输送机构包括：固定安装在钻架上的输送架，对称设置在输送架上的上组滚轮和下组滚轮，固定安装在上组滚轮一侧上的夹紧油缸，所述夹紧油缸的动力输出端与上组滚轮连接，进而带动上组滚轮相对于下组滚轮进行纵向位置的调整，从而改变上组滚轮和下组滚轮之间的间距。

在进一步的实施例中，所述输送机构还包括上组滚轮马达和下组滚轮马达，所述上组滚轮马达和下组滚轮马达的动力输出端分别与上组滚轮和下组滚轮进行传动连接，进而驱动上组滚轮相对于下组滚轮进行同步的反向运动，最终对铺设在上组滚轮和下组滚轮之间的连续管进行输送。

在进一步的实施例中，所述取芯设备包括：设置在外钻杆远离旋转主轴端内部的泥浆马达，连接在泥浆马达另一端的取芯筒，以及连接在取芯筒另一端的取芯钻具；所述泥浆马达的一端还设有捞矛头。

在进一步的实施例中，所述连续管中还贯穿有电缆束，用于传送数字信号的传输。

在进一步的实施例中，所述卷筒总成包括：设置在底盘设有输送机构一端的支撑架，安装在支撑架上的卷筒马达，以及安装在支撑架上且传动连接在卷筒马达动力输出端的卷筒。

在进一步的实施例中，所述旋转箱体上还安装有旋转马达，所述旋转马达的动力输出端啮合有驱动小齿轮，所述驱动小齿轮的一侧啮合有旋转大齿轮，所述旋转大齿轮与旋转主轴同轴设置，进而旋转马达驱动旋转小齿轮旋转，旋转小齿轮进而驱动旋转大齿轮旋转，最终将动力传递至旋转主轴。

在进一步的实施例中，所述钻架上设有齿条，所述推拉马达的动力输出端啮合有推拉小齿轮，所述推拉小齿轮的一侧与齿条啮合，进而推拉马达的动力驱动推拉小齿轮旋转，旋转力驱动推拉小齿轮在齿条上进行直线运动，最终驱动动力总成沿着滑轨进行直线运动。

在进一步的实施例中，所述泥浆马达通过连续管与泵站连通，泵站产生的高压流体流经连续管至泥浆马达，从而驱动泥浆马达为取芯钻具提供动力。

第二方面，本发明提供一种采用连续管的水平地质勘察设备的取芯方法，基于上述的设备包括：连续管、输送机构、动力头总成、外钻杆、外钻头、取芯设备、钻架、泥浆马达、取芯筒、取芯钻具、捞矛头；

不连续提钻取芯步骤包括：动力头总成驱动外钻杆及外钻头旋转钻进至取芯目标位置后，停止动力头总成旋转；

取芯设备为在连续管的前方装配的泥浆马达和取芯筒，并将连续管与泵站连通；

利用输送机构将连续管及其前方的泥浆马达和取芯筒输送至取芯位置，利用连续管中的流体动力对取芯筒中的取芯钻具输送操作，进而完成取芯钻进工作；

连续提钻取芯步骤包括：外钻杆内部装有可拆卸的内钻杆，动力头总成驱动外钻杆及外钻头旋转钻进至取芯目标位置后，停止动力头总成旋转；

取芯设备为在连续管的前方加装配捞矛头，并将连续管与泵站连通；

取芯时利用输送机构将连续管其前方的捞矛头输送至取芯位置打捞内钻杆，捞矛头打捞取到合适长度岩芯的内钻杆后，输送机构回收连续管，从而带动捞矛头和内钻杆进行上提运动，将内钻杆取出；

重新预设取芯位置，并组装内钻杆，再次进行钻进及取芯工序。

有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：

与传统的水平绳索取芯技术不同，本发明采用的连续管通过动力头总成、输送机构和卷筒总成对连续管进行牵引、传送和矫正，使连续管中的高压流体驱动取芯设备，从而高效地对取芯设备中的取芯钻具进行输送，有效解决了水平孔输送取芯钻具困难的难题，大大提高了设备的水平取芯钻进效率，降低综合施工成本，解决了水力输送捞矛头效率较低的问题；且本发明在实际应用中对外钻杆内壁表面粗糙度要求不高，只需保证内平即可，大大节约了钻杆加工制造成本；最后，连续管内可连接或预埋线束进行水平地质勘查工作。

附图说明

图1是本发明水平地质勘察设备的整机结构示意图；

图2是本发明动力头及钻具的结构示意图；

图3是本发明动力头俯视图结构示意图；

图4是本发明卷筒总成的结构示意图；

图5是本发明连续管穿入线束的结构示意图；

图6是本发明输送机构的结构示意图；

图7是本发明输送机构俯视图的结构示意图；

图8是本发明取芯设备的结构示意图；

图9是本发明水平地质勘察设备的结构示意图。

附图标记： 1、水平地质勘察设备；11、连续管；12、输送机构；13、动力头总成；14、外钻杆；15、外钻头；16、取芯设备；17、钻架；18、底盘；19、卷筒总成；111、连续管壁；112、线束；121、输送架；122、夹紧油缸；123、滚轮；124、滚轮马达；131、推拉马达；132、推拉箱体；133、旋转箱体；134、旋转小齿轮；135、旋转大齿轮；136、旋转马达；137、旋转主轴；138、推拉小齿轮；161、取芯钻具；162、取芯筒；163、泥浆马达；164、捞矛头；171、滑轨；172、齿条；191、卷筒马达；192、卷筒；193、支撑架。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

如图1至图9所示本实施例提供一种采用连续管的水平地质勘察设备包括：连续管11、输送机构12、动力头总成13、外钻杆14、外钻头15、取芯设备16、钻架17、底盘18、卷筒总成19、连续管壁111、线束112、输送架121、夹紧油缸122、滚轮123、滚轮马达124、推拉马达131、推拉箱体132、旋转箱体133、旋转小齿轮134、旋转大齿轮135、旋转马达136、旋转主轴137、推拉小齿轮138、取芯钻具161、取芯筒162、泥浆马达163、捞矛头164、滑轨171、齿条172、卷筒马达191、卷筒192、支撑架193。

其中，输送机构12固定安装在钻架17上，动力头总成13移动安装在钻架17上，外钻杆14连接在动力头总成13的一端，外钻头15连接在外钻杆14的一端；

钻架17的底部固定安装有底盘18，钻架17顶部一侧固定安装有与动力总成配合的滑轨171；

动力头总成13包括：推拉箱体132、推拉马达131、旋转箱体133、旋转主轴137；

推拉箱体132卡接在滑轨171上，推拉马达131固定安装在推拉箱体132上，旋转箱体133固定安装在推拉箱体132上，旋转主轴137设置在旋转箱体133上且与外钻杆14连接；

旋转主轴137、外钻杆14分别为中空结构，外钻杆14的内部一端设置有连续管11，外钻杆14的内部另一端设置有取芯设备16；连续管壁111采用高强度材料制成，用于输出高压流体；

连续管11的一端插接在取芯设备16中，连续管11的另一端缠绕在卷筒总成19上，连续管11的所有中间段均通过输送机构12、旋转主轴137、外钻杆14至取芯设备16中。

输送机构12包括：输送架121、夹紧油缸122、上组滚轮123、下组滚轮123、滚轮马达124；

输送架121固定安装在钻架17上，上组滚轮123和下组滚轮123对称设置在输送架121上，夹紧油缸122固定安装在上组滚轮123的一侧，夹紧油缸122的动力输出端与上组滚轮123连接，进而带动上组滚轮123相对于下组滚轮123进行纵向位置的调整，从而改变上组滚轮123和下组滚轮123之间的间距。

滚轮马达124包括上组滚轮马达124和下组滚轮马达124，上组滚轮马达124和下组滚轮马达124的动力输出端分别与上组滚轮123和下组滚轮123进行传动连接，进而驱动上组滚轮123相对于下组滚轮123进行同步的反向运动，最终对铺设在上组滚轮123和下组滚轮123之间的连续管11进行输送，从而完成连续管11的前进或后退。

连续提钻取芯场景下取芯设备16包括：泥浆马达163、捞矛头164、取芯筒162、取芯钻具161；

不连续提钻取芯场景下取芯设备16包括：泥浆马达163、取芯筒162、取芯钻具161；

泥浆马达163设置在外钻杆14远离旋转主轴137端的内部，取芯筒162连接在泥浆马达163的另一端，取芯钻具161连接在取芯筒162的另一端；

在连续提钻取芯场景下在泥浆马达163的一端装配有捞矛头164，且外钻杆14内部装有可拆卸的内钻杆，在连续管11的前方加装配捞矛头164，并将连续管11与泵站连通；取芯时利用输送机构12将连续管11其前方的捞矛头164输送至取芯位置打捞内钻杆；

在不连续提钻取芯场景下，在连续管11的前方装配泥浆马达163和取芯筒162，并将连续管11与泵站连通；利用输送机构12将连续管11及其前方的泥浆马达163和取芯筒162输送至取芯位置，利用连续管11中的流体动力对取芯筒162中的取芯钻具161输送操作。

连续管11中还贯穿有电缆束，用于传送数字信号的传输，还可用于预埋线束112操作方便侦察工作的开展。

卷筒总成19包括：支撑架193、卷筒马达191和卷筒192。

支撑架193靠近钻架17设置输送机构12的一端，卷筒马达191安装在支撑架193上，卷筒192安装在支撑架193上且传动连接在卷筒马达191动力的输出端，卷筒192上缠绕有连续管11，通过卷筒马达191动力端输出的动力带动卷筒192旋转，从而对输送机构12提供连续延伸的连续管11段或回收从输送机构12输出的连续管11段。

进一步的，旋转箱体133上还安装有旋转马达136，旋转马达136的动力输出端啮合有驱动小齿轮，驱动小齿轮的一侧啮合有旋转大齿轮135，旋转大齿轮135与旋转主轴137同轴设置，进而旋转马达136驱动旋转小齿轮134旋转，旋转小齿轮134进而驱动旋转大齿轮135旋转，最终将动力传递至旋转主轴137，使旋转主轴137带动外钻杆14和外钻头15进行旋转钻进。

钻架17上设有齿条172，推拉马达131的动力输出端啮合有推拉小齿轮138，推拉小齿轮138的一侧与齿条172啮合，进而推拉马达131的动力驱动推拉小齿轮138旋转，旋转力驱动推拉小齿轮138在齿条172上进行直线运动，最终驱动动力总成沿着滑轨171进行直线运动，从而使动力头总成13在钻架17上移动。

泥浆马达163通过连续管11与泵站连通，泵站产生的高压流体流经连续管11至泥浆马达163，从而驱动泥浆马达163为取芯钻具161提供动力。

采用连续管11的水平地质勘察设备的取芯方法，包括：不连续提钻取芯步骤和连续提钻取芯步骤；

不连续提钻取芯步骤包括：动力头总成13驱动外钻杆14及外钻头15旋转钻进至取芯目标位置后，停止动力头总成13旋转；

在连续管11的前方装配泥浆马达163和取芯筒162，并将连续管11与泵站连通；

利用输送机构12将连续管11及其前方的泥浆马达163和取芯筒162输送至取芯位置，利用连续管11中的流体动力对取芯筒162中的取芯钻具161输送操作，进而完成取芯钻进工作；

连续提钻取芯步骤包括：外钻杆14内部装有可拆卸的内钻杆，动力头总成13驱动外钻杆14及外钻头15旋转钻进至取芯目标位置后，停止动力头总成13旋转；

在连续管11的前方加装配捞矛头164，并将连续管11与泵站连通；

取芯时利用输送机构12将连续管11其前方的捞矛头164输送至取芯位置打捞内钻杆，捞矛头164打捞取到合适长度岩芯的内钻杆后，输送机构12回收连续管11，从而带动捞矛头164和内钻杆进行上提运动，将内钻杆取出；

重新预设取芯位置，并组装内钻杆，再次进行钻进及取芯工序。

本发明与传统的水平绳索取芯技术不同，本发明采用的连续管11通过动力头总成13、输送机构12和卷筒总成19对连续管11进行牵引、传送和矫正，使连续管11中的高压流体驱动取芯设备16，从而高效地对取芯设备16中的取芯钻具161进行输送，有效解决了水平孔输送取芯钻具161困难的难题，大大提高了设备的水平取芯钻进效率，降低综合施工成本，解决了水力输送捞矛头164效率较低的问题；且本发明在实际应用中对外钻杆14内壁表面粗糙度要求不高，只需保证内平即可，大大节约了钻杆加工制造成本；最后，连续管11内可连接或预埋线束112进行水平地质勘查工作。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。