阅读说明：本技术 一种多重防转的保压取芯器 (Multiple pressure maintaining corer that prevents changeing ) 是由 李佳南 高明忠 陈领 李聪 吴年汉 杨明庆 赵乐 何志强 余波 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种多重防转的保压取芯器,包括外管总成、内管总成,内管总成与外管总成卡合连接；内管总成包括内管组件、中心组件,内管组件和中心组件之间设有复合轴承组,中心组件包括定位管段、保压控制器,内管组件包括岩芯外筒,复合轴承组包括基座,基座为推力轴承形式,基座固连内管组件内壁,基座内壁设有环形的滚珠凹陷,定位管段中部沿周向设有多个滚珠孔洞,球形滚子安装于滚珠孔洞内,球形滚子凸出的部分适配滚珠凹陷。本发明结构简单,操作性能好,可以防止取芯筒在取芯过程中转动,可以保持岩芯纯净,内管总成与外管总成容易脱离。(The invention discloses a multiple anti-rotation pressure-maintaining corer, which comprises an outer pipe assembly and an inner pipe assembly, wherein the inner pipe assembly is connected with the outer pipe assembly in a clamping manner; the inner tube assembly comprises an inner tube assembly and a center assembly, a composite bearing assembly is arranged between the inner tube assembly and the center assembly, the center assembly comprises a positioning tube section and a pressure maintaining controller, the inner tube assembly comprises a rock core outer tube, the composite bearing assembly comprises a base, the base is in a thrust bearing form, the inner wall of the inner tube assembly is fixedly connected with the base, an annular ball is arranged on the inner wall of the base and is sunken, a plurality of ball holes are formed in the middle of the positioning tube section along the circumferential direction, spherical rollers are installed in the ball holes, and the convex parts of the spherical rollers are matched. The core taking device has the advantages of simple structure and good operation performance, can prevent the core taking barrel from rotating in the core taking process, can keep the core pure, and is easy to separate the inner pipe assembly from the outer pipe assembly.)

一种多重防转的保压取芯器

技术领域

本发明涉及煤矿坑道取芯作业装置领域，尤其涉及一种多重防转的保压取芯器。

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。煤层瓦斯含量和煤层瓦斯压力是突出煤层突出危险性区域预测和区域效果检验的主要指标，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。

对于煤层坑道取芯，现有技术中存有公开号为CN204646157U，名为一种煤层气绳索取芯装置，该装置使用绳索提升/下放取芯器，同时需要为取芯装置通入压缩空气，驱动取芯装置动作，而公开号为CN107905752A的取芯器，该装置也是使用绳索提升/下放取芯器，同时取芯装置需要依靠水压驱动取芯装置动作，

为了进一步实现对煤层的保压取芯，有公开号为CN201811862U煤样取样器，其依靠粘液、真空装置进行样品的保压取芯，上述装置中均存在流体介质，会对煤层岩芯造成一定的污染，并影响含水率等参数的测定，

目前还存在申请号为CN201410739874.9，名为地面钻井煤层气、岩层气含量测试密闭取心装置，该装置依靠样品自身推动作用打开启动割心密封球阀，结构较为复杂，对于不同的煤层需要更换不同的配件来实现切割，操作不易，工作效率低。

取芯器通常由内管总成和外管总成组成，内管总成和外管总成之间存在间隙，导致瓦斯泄漏风险较高，目前常常使用设于钻杆顶端的防喷盒阻止瓦斯泄漏，但钻杆内依旧存在瓦斯，导致取芯操作存在安全隐患，

内管总成和外管总成之间的间隙还会导致取芯筒容易随取芯外筒一同转动，当外部扰动较大时，取芯成分与真实情况可能存在较大误差，

为了减少由于转动带来的误差，目前使用的取芯器常在外管总成和内管总成之间设置单动装置来减少取芯筒的转动，但是单动装置虽然具有防转作用，但取芯筒仍存在一定转动，很难有效减小测量误差。

发明内容

本发明旨在提供一种多重防转的保压取芯器，结构简单，操作性能好，可以防止取芯筒在取芯过程中转动，保持岩芯纯净，内管总成与外管总成容易脱离。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开一种多重防转的保压取芯器，包括外管总成、内管总成，内管总成与外管总成卡合连接；

内管总成包括内管组件、中心组件，内管组件和中心组件之间设有复合轴承组，中心组件包括定位管段、保压控制器，内管组件包括岩芯外筒，

复合轴承组包括基座，基座为推力轴承形式，基座固连内管组件内壁，基座内壁设有环形的滚珠凹陷，定位管段中部沿周向设有多个滚珠孔洞，球形滚子安装于滚珠孔洞内，球形滚子凸出的部分适配滚珠凹陷，

岩芯外筒底部设有自重力阀门，自重力阀门包括环形阀座、圆形阀瓣，圆形阀瓣边沿铰接环形阀座顶面边沿。

优选的，圆形阀瓣具有弹性结构，当自重力阀门开启时，圆形阀瓣处于竖直位置，圆形阀瓣呈弧形，圆形阀瓣适配岩芯外筒内壁。

优选的，中心组件还包括中心杆，中心杆底端固连活塞，活塞内设有保压控制器，

保压控制器包括保压缸，保压缸竖直设置，保压缸内设有保压活塞，保压活塞与保压缸内壁滑动配合，保压活塞将保压缸分为上部腔室、下部腔室，下部腔室与活塞底面连通，上部腔室内充有气体。

优选的，中心组件设有第一环形凸楞，第一环形凸楞与内管组件之间设有推力轴承，第一环形凸楞位于两个推力轴承之间。

优选的，内管组件顶部设有弹卡机构，外管总成顶部内壁设有弹卡室，弹卡机构外壁设有锁闩槽，锁闩槽内安装有锁闩，锁闩底部转动连接锁闩槽内壁，锁闩顶部与锁闩槽之间设有弹簧，锁闩适配弹卡室。

优选的，中心杆尾端通过快速接头连接连续导管，连续导管通过注入头驱动。

优选的，注入头包括两个并排设置的传送机构，连续导管位于两个传送机构之间，连续导管由两个传送机构夹持传递。

优选的，传送机构包括传送链，传送链顶部设有传送链马达，传送链底部设有下链轮，下链轮上设有张紧装置，，传送链上安装有加持块，两个传送链,的相邻部分通过液压夹紧机构。

优选的，加持块包括加持基座、加持爪，加持爪内设有摩擦凸起，加持爪为适配连续导管的弧形。

优选的，液压夹紧机构包括两个夹紧臂，夹紧臂两端分别设有夹紧液压缸，夹紧臂和传送链滑动配合。

本发明的有益效果：

1、本发明使用自重力阀门结构简单，操作性能好。

2、本发明中使用连续导管、双重推力轴承等防转装置，可以防止取芯筒在取芯过程中转动，由于适用于坑道内，取芯深度有限，使用的连续导管长度有限，其防扭能力好，可以提供较好的防转能力。

3、本发明中使用自重力阀门，不用为保压保真额外提供动力，可以保持岩芯纯净。

4、本发明中使用复合轴承组，不仅可以起到对岩芯内筒的防转作用，同时可以在岩芯内筒下放/提起时起到定位作用。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为外管总成的示意图；

图3为外管总成的剖视图；

图4为取芯前中心组件安装在内管组件的剖视图；

图5为取芯后中心组件安装在内管组件的剖视图；

图6为图5中弹卡机构处的示意图；

图7为图5中推力轴承处的示意图；

图8为图5中活塞处的示意图；

图9为图5中自重力阀门处的示意图；

图10为取芯前复合轴承组处的示意图；

图11为注入头的示意图；

图12为加持块的示意图；

图13为液压夹紧机构的示意图。

图中：1-卷盘装置、2-传递装置、3-取芯器、4-钻杆、51-第一管段、511-弹卡室、512-悬挂环、52-第二管段、53-第三管段、54-第四管段、55-扩孔段、551-扩孔凸楞、56-取芯钻头、561-刀片、562-第一坡面、563-第一通孔、61-锁紧螺母、611-第一固定螺钉、62-弹卡机构、621-锁闩槽、622-锁闩、623-销轴、624-弹簧孔、625-凹陷、626-弹簧、627-限位环、628-第一斜面、629-第二斜面、63-连接段、631-第一环形凸楞、632-推力轴承、633-密封组件、64-第五管段、641-第二环形凸楞、65-第六管段、651-第一密封凹槽、67-第七管段、671-复合轴承组、6711-基座、6712-顶环、6713-中环、6714-底环、6715-滚子、6716-滚珠凹陷、672-第四固定螺钉、68-岩芯外筒、681-环形凹陷、682-自重力阀门、683-环形阀座、684-圆形阀瓣、71-中心杆、711-第二固定螺钉、712-活塞、713-第二密封凹槽、714-第四斜面、715-第三密封凹槽、81-岩芯内筒、811-补偿管段、8111-第三固定螺钉、812-定位管段、8121-滚珠孔洞、8122-球形滚子、8123-第三斜面、813-储存筒、8131-防滑凸楞、814-固定管段、8141-第二通孔、8142-键、8143-第一键槽、8144-第二键槽、9-连续导管、1211-传送链、1212-传送链马达、1213-下链轮、1214-加持块、1215-加持基座、1216-加持爪、1217-摩擦凸起、1218-液压夹紧机构、1219-夹紧臂、1220-夹紧液压缸、1226-张紧装置、1501-保压缸、1502-保压活塞、1503-上部腔室、1504-下部腔室。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1～10所示，本发明公开了一种多重防转的保压取芯器；

取芯器3包括外管总成、内管总成，内管总成通过连续导管进行上提或者下放运动运动，内管总成安装在外管总成内部，内管总成外壁与外管总成内壁间隙配合，内管总成包括内管组件、中心组件，中心组件安装在内管组件内，中心组件外壁与内管组件内壁滑动配合，外管总成连接钻杆4。

外管总成包括自顶至底同轴安装连接的第一管段51、第二管段52、第三管段53、第四管段54、扩孔段55、取芯钻头56，

第一管段51、第二管段52、第三管段53、第四管段54组成外管，

其中第一管段51与第二管段52可拆卸的连接，第一管段51底端为公头，第二管段52顶端为母头，第一管段51中部设有弹卡室511，弹卡室511沿周向设置，弹卡室511共有两个，两个弹卡室511相对设置，第一管段51和第二管段52之间设有第一密封环，第一密封环与内管组件滑动配合，第一管段51与第二管段52之间设有悬挂环512，悬挂环512适配弹卡机构62底面边沿，内管总成到达外管总成中的预定位置时，弹卡机构62底面坐落在悬挂环512上，用于限制内管总成的下行位置。

第二管段52与第三管段53可拆卸的连接，第二管段52底端为公头，第三管段53顶端为母头，

第三管段53与第四管段54可拆卸的连接，第三管段53底端为公头，第四管段54顶端为母头，

第四管段54与扩孔段55可拆卸的连接，第四管段54底端为公头，扩孔段55顶端为母头，扩孔段55外壁沿周向设有多个扩孔凸楞551，扩孔凸楞551与竖直方向呈角度设置，相邻扩孔凸楞551之间形成斜向通道，

扩孔段55与取芯钻头56可拆卸的连接，扩孔段55底端为公头，取芯钻头56顶端为母头，钻头的刀片561布置在取芯钻头56的底面上，多个刀片561以取芯钻头56中心点为圆心呈环形阵列分布，取芯钻头56底面中心设有第一通孔563，第一通孔563直径小于取芯钻头56内径，取芯钻头56中部内壁设有自顶至底直径逐渐减小的第一坡面562。

内管组件包括自顶至底依次设置的锁紧螺母61、弹卡机构62、连接段63、第五管段64、第六管段65、第七管段67、岩芯外筒68，

锁紧螺母61可拆卸的连接弹卡机构62，锁紧螺母61底端为母头，弹卡机构62顶端为公头，锁紧螺母61顶面设有第一固定螺钉611，第一固定螺钉611沿轴向设置，第一固定螺钉611贯穿锁紧螺母61后插入弹卡机构62顶面的凹坑内，第一固定螺钉611与锁紧螺母61螺纹连接，

弹卡机构62可拆卸的连接连接段63，弹卡机构62底端为母头，连接段63顶端为公头，弹卡机构62外壁设有锁闩槽621，锁闩槽621沿周向设置，锁闩槽621有两个，两个锁闩槽621相对设置，锁闩槽621内安装有锁闩622，锁闩槽621两侧壁间设有销轴623，销轴623贯穿锁闩622，销轴623与锁闩622转动连接，销轴623设于锁闩槽621的底部，锁闩622顶部朝向弹卡机构62的面设有弹簧孔624，锁闩槽621顶部设有凹陷625，锁闩622和锁闩槽621之间安装有弹簧626，弹簧626一端插于弹簧孔624内，弹簧626另一端插于凹陷625内，锁闩槽621顶部边沿处安装有限位环627，限位环627套装在弹卡机构62外周，限位环627与弹卡机构62滑动连接，限位环627底面为朝向锁闩槽621的第一斜面628，锁闩622顶部背向弹卡机构62的面为第二斜面629，第一斜面628适配第二斜面629进而控制锁闩622顶部弹出的距离，弹卡机构62底部内壁为阶梯孔结构，

连接段63中部设有第一环形凸楞631，第五管段64顶端内壁设有第二环形凸楞641，第一环形凸楞631位于第五管段64内，第一环形凸楞631外周与第五管段64内壁间隙配合，第一环形凸楞631顶面与第二环形凸楞641底面之间安装有推力轴承632，第一环形凸楞631内壁与连接段63外壁之间设有密封组件633，

第五管段64与第六管段65可拆卸的连接，第五管段64底端为母头，第六管段65顶端为公头，第六管段65顶面与第一环形凸楞631底面之间安装有推力轴承632，第六管段65公头的底部外周设有第一密封凹槽651，第一密封凹槽651内安装有O型密封环，

第六管段65与第七管段67可拆卸的连接，第六管段65底端为公头，第七管段67头端为母头，第七管段67头部内壁安装有复合轴承组671，复合轴承组671通过第四固定螺钉672固定在第七管段67内，

第七管段67与岩芯外筒68可拆卸的连接，第七管段67底端为公头，岩芯外筒68顶端为母头，岩芯外筒68底端内壁设有环形凹陷681，环形凹陷681顶部安装有自重力阀门682，自重力阀门682包括环形阀座683、圆形阀瓣684，环形阀座683固连环形凹陷681内壁，圆形阀瓣684为可形变结构，圆形阀瓣684边缘铰接环形阀座683顶面边沿，环形阀座683中心的通道自顶至底尺寸逐渐减小，

自重力阀门682开启时，圆形阀瓣684呈弧形，圆形阀瓣684储存在环形凹陷681内，

环形凹陷681底端安装有锁紧段，锁紧段顶部内壁为阶梯孔结构，锁紧段底端外壁为自顶至底尺寸逐渐减小的第二坡面，第一坡面562适配第二坡面。

中心组件包括中心杆71、岩芯内筒81，中心杆71底部插入岩芯内筒81内，中心杆71与岩芯内筒81滑动配合，岩芯外筒68与岩芯内筒81组成岩芯筒，

弹卡机构62顶部设有第二固定螺钉711，第二固定螺钉711贯沿径向设置，第二固定螺钉711贯穿弹卡机构62顶部后插入中心杆71，

岩芯内筒81包括自顶至底依次安装的补偿管段811、定位管段812、储存筒813，

补偿管段811与定位管段812可拆卸的连接，补偿管段811底端为公头，定位管段812顶端为母头，第三固定螺钉8111贯穿定位管段812后旋入补偿管段811，补偿管段811与中心杆71滑动配合，

定位管段812与储存筒813可拆卸的连接，定位管段812底端为公头，储存筒813顶端为母头，定位管段812内壁与中心杆71存在间隙，

复合轴承组671包括基座6711，基座6711为推力轴承，基座6711内壁设有环形的滚珠凹陷6716，定位管段812中部沿周向设有多个滚珠孔洞8121，球形滚子8122安装于滚珠孔洞8121内，球形滚子8122凸出的部分可以在滚珠凹陷6716内滑动，滚珠凹陷6716深度较小，当定位管段812受到外力向上移动时，球形滚子8122可以较为容易的从滚珠凹陷6716内滑出，

基座6711包括依次层叠设置的顶环6712、中环6713、底环6714，顶环6712与中环6713之间设有滚子6715，中环6713与底环6714之间设有滚子6715，中环6713内壁设有滚珠凹陷6716，

定位管段812顶部内壁安装有固定管段814，固定管段814套设于中心杆71外周，键8142为球形，固定管段814设有适配键8142的第二通孔8141，键8142的直径大于第二通孔8141的长度，定位管段812内壁设有第一键槽8143，第一键槽8143适配键8142，中心杆71底部外壁设有第二键槽8144，第二键槽8144适配键8142，

当取芯前，键8142位于第二通孔8141和第一键槽8143内，固定管段814与定位管段812通过键8142固定连接，

当取芯时，中心杆71向上移动，键8142从第一键槽8143内脱离，随后键8142进入第二键槽8144，固定管段814与中心杆71通过键8142固定连接，中心杆71带动固定管段814上移，固定管段814抵住补偿管段811底面，中心杆71进而带动岩芯内筒81上移，

定位管段812底面内壁边沿为自顶至底直径逐渐增大的第三斜面8123，

储存筒813底部内壁沿轴向设有多道防滑凸楞8131，防滑凸楞8131为环形结构。

中心杆71底端固连活塞712，中心杆71底端外周设有多道第二密封凹槽713，第二密封凹槽713内装有O型密封环，中心杆71底端的O型密封环用于与定位管段812内壁密封连接，中心杆71和活塞712一体制造，卷盘装置1向传递装置2提供连续导管9，连续导管9贯穿钻杆4后与中心杆71顶端连接，

活塞712顶面外边沿为自顶至底直径逐渐增大的第四斜面714，第三斜面8123适配第四斜面714，活塞712与储存筒813内壁滑动连接，活塞712顶部外周设有第三密封凹槽715，第三密封凹槽715内安装有密封圈，

活塞712内设有保压控制器，保压控制器包括保压缸1501，保压缸1501竖直设置，保压缸1501内设有保压活塞1502，保压活塞与保压缸内壁滑动配合，保压活塞1502将保压缸1501分为相互隔绝的上部腔室1503、下部腔室1504，下部腔室1504与储存筒813连通，上部腔室1503内充有气体，如氮气等。

上述取芯器3使用连续导管作业装备进行内管总成的动作，连续导管作业装备包括卷盘装置1、传递装置2，卷盘装置1用于收纳连续导管9，传递装置2用于传递连续导管9，进而驱动内管总成进行上提或下放运动。

如图11～13所示，为了在传递连续导管9时防止连续导管9的转动，传递装置2用于传递连续导管9的部件为注入头，注入头包括两个并排设置的传送机构，连续导管9位于两个传送机构之间，传送机构包括传送链1211，传送链1211顶部设有传送链马达1212，传送链1211底部设有下链轮1213，下链轮1213上设有张紧装置1226，张紧装置1226用于保持传送链1211处于张紧状态，传送链1211上安装有加持块1214，加持块1214包括加持基座1215、加持爪1216，加持爪1216内设有摩擦凸起1217，两个传送链1211的相邻部分通过液压夹紧机构1218，液压夹紧机构1218包括两个夹紧臂1219，夹紧臂1219两端分别设有夹紧液压缸1220，夹紧臂1219和传送链1211滑动配合。

实际使用时，将内管组件和中心组件安装在一起后，使用连续导管9连接中心杆71顶端，将内管组件装入外管总成，弹卡机构62卡合在锁闩槽621内，

当进行取芯时，通过连续导管9提起中心杆71，第二固定螺钉711在剪力的作用下断裂，中心组件和内管组件脱离，此时储存筒813保持不动，活塞712上移，岩芯进入储存筒813，当第三斜面8123和第四斜面714接触后，中心杆71带动岩芯内筒81上移，当岩芯内筒81底端从圆形阀瓣684上端移除后，圆形阀瓣684在重力和弹性的作用下向环形阀座683闭合，达到保压、保瓦斯的取芯工作。

在工作过程中，连续导管9与中心杆71连接，对于煤矿取芯，使用的连续导管9长度较短，连续导管9抗扭转性能好，

同时本发明使用复合轴承组671，复合轴承组671与定位管段812之间设有球形滚子8122，也可以防止岩芯内筒81的转动，

本发明还设有连接段63，可以将外管总成的转动先传递至岩芯外筒68，减少外管总成对岩芯内筒81的影响，进一步防止岩芯内筒81转动，

中心组件与内管组件设有两组推力轴承632，在弹卡机构62转动时，两组推力轴承632作用，防止岩芯筒转动。

取芯前，在上部腔室1503充满氮气，保压活塞1502位于保压缸1501底部，

取芯时，中心组件被提起，岩芯进入岩芯筒，活塞712提升减少岩芯筒内对岩芯的阻力，同时下部腔室1504内充入瓦斯等样品所含气体，保压活塞1502受到环境中瓦斯压力后向上移动，上部腔室1503内气体被压缩，

取芯后，自重力阀门682关闭，取芯筒形成密闭结构，若发生瓦斯泄漏，上部腔室1503内气体膨胀，将下部腔室1504内瓦斯充入取芯筒，减少压力损失，起到保压作用。

主要的取芯工作流程包括以下步骤：

S1、安装续导管作业装备；

S2、连接取芯钻头56与外管装配好外管总成，利用坑道钻机相关设备连接外管总成和钻杆4，从地面逐渐下放外管总成至取芯位置；

S3、地面装配好内管总成后，通过快速接头将连续导管9和内管总成的中心杆71连接；

S4、通过连续导管作业装备连续下放连续导管9，从而在钻杆4内下放内管总成，内管总成到达外管总成相应位置(弹卡机构62的锁闩622进入弹卡室511，此时弹卡机构62坐落在悬挂环512上)；

S5、启动地面钻机，转动转盘1204并加压钻进，此时内管总成与外管总成配合向下钻进，开始取芯作业，此时地面防喷盒1223实现钻具井口的密封；

S6、取芯作业过程中，连续导管作业装备停止下放连续导管9，保持连续导管9在钻杆4内的位置不变，中心组件保持静止，随着内管组件及外管总成的下移，岩心入筒；

作业过程中通过多重防转机构与连续导管9的共同作用，在外部钻具旋转的工况下，保持岩芯内筒81静止，减少对岩芯扰动；同时活塞712对岩芯具有抽吸作用，降低岩芯入筒阻力；

S7、取芯完成后，岩芯充满岩芯内筒81，中心杆71的活塞712移动到定位管段812处，取芯完成；

S8、启动连续导管作业装备，上提连续导管9，连续导管9通过中心杆71向上拉岩芯筒，岩芯内筒81端部的防滑凸楞8131卡断岩心，保压控制器动作，将岩心提入保压舱内，保压舱下端自重力阀门682的圆形阀瓣684关闭；

S9、继续上提连续导管9，当上提力大于F时，弹卡机构62收缩，将内管总成从外管总成内提出，然后快速上提连续导管9；

S10、通过连续导管9将内管总成提出钻杆4后，拆卸连续导管9末端的快速接头，取下内管总成进行拆分，将保真舱部分放入转移舱，上部悬挂部分进行二次使用。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。