阅读说明：本技术 一种地质矿产勘查pdc取芯钻及其装配设备和方法 (PDC coring drill for geological mineral exploration and assembling equipment and method thereof ) 是由 李秋魁 张彦海 董立帅 胡靖烯 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种地质矿产勘查PDC取芯钻及其装配设备和方法,属于钻探设备技术领域,取芯钻包括刀翼部分和钻杆,刀翼部分包括头部和保径部；头部均匀设有若干U型凹槽,头部上均匀设有若干排齿；取芯钻的钻杆上设有锥形部,锥形部的外径由远离刀翼部分的一端向靠近刀翼部分的一端逐渐缩小,锥形部内活动嵌有一排沿钻杆轴向设置的滚珠,滚珠直径由远离刀翼部分的一端向靠近刀翼部分的一端逐渐缩小,锥形部外套有环套。本发明借助环套对滚珠的单向抑制作用,将滚珠逆向转动锁死,进而控制矿芯下滑,实现对矿芯的单向抑制；在取矿芯时,矿芯带动滚珠滚动,滚珠的球状结构不会对矿芯产生套紧形式的抑制和阻碍,不会影响采取矿芯过程。(The invention relates to a PDC core drill for geological mineral exploration and assembly equipment and a method thereof, belonging to the technical field of drilling equipment, wherein the core drill comprises a blade part and a drill rod, wherein the blade part comprises a head part and a gauge protection part; the head part is uniformly provided with a plurality of U-shaped grooves, and the head part is uniformly provided with a plurality of rows of teeth; be equipped with the toper portion on the drilling rod of coring drill, the external diameter of toper portion is reduced to the one end that is close to the wing portion by the one end of keeping away from the wing portion gradually, and the activity is inlayed one row of ball that sets up along the drilling rod axial in the toper portion, and the ball diameter is reduced to the one end that is close to the wing portion gradually by the one end of keeping away from the wing portion, and the toper portion overcoat has the ring cover. The invention locks the ball by the reverse rotation of the ring sleeve under the one-way inhibition effect of the ring sleeve on the ball, thereby controlling the ore core to slide downwards and realizing the one-way inhibition on the ore core; when getting the ore core, the ore core drives the ball and rolls, and the spherical structure of ball can not produce the suppression and the hindrance of the tight form of cover to the ore core, can not influence and take the ore core process.)

一种地质矿产勘查PDC取芯钻及其装配设备和方法

技术领域

本发明涉及钻探设备技术领域，具体地说，涉及一种地质矿产勘查PDC取芯钻及其装配设备和方法。

背景技术

地质矿产勘查是依据先进的地质科学理论，在获取了大量的野外地质观察和搜集整理有关地质资料的基础上，采用地质测量、物化探、钻坑探工程等综合地质手段和方法，取得可靠的地质矿产信息资料。地质钻(坑)探作业是地质勘查活动中最常用、最直接的地质找矿手段，在金属、非金属浅地表出露甚至中深部盲矿体矿床勘查中，通常采用钻探方式获得岩矿芯。地质钻坑探主要为野外作业，受所在地区的地形地貌、自然地质、气象环境等自然因素，及所采用的钻坑探设备、施工技术工艺、工程布置、作业流程等生产管理因素，钻坑探作业人员及身体状况等个体因素的多方面复合影响，勘查效果稳定性不容易保证，勘查过程比较复杂，因此不易获得理想的勘查结果。

为了辅助勘探人员在复杂多变的环境下获得比较满意的地质勘探样本，人们采用了很多先进的辅助设备和科学的方法，比如名称为采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法及装置的专利，该专利的申请号为200810956515，公开日为2009年1月28日，其公开了一种采集井下突出煤层完整煤芯的取芯方法及装置，当钻机通过岩层向煤层打一岩石钻孔进入煤层后，装上取芯装置，边旋转边向前推进，钻头上镶嵌的合金片便切割煤层，划出的圆柱状煤芯被送入处于悬浮稳定状态的半合内管中保护起来；带有螺旋刃的外管在旋转的过程中，边输送钻进过程中形成的煤屑，边切割压入煤孔的软分层煤体，始终保持排肩通道的畅通。当钻进的深度等于半合内管的长度时，退出钻杆，钻头体上的卡环便卡住煤芯，将煤芯取出，继续按同样的方法钻进，便能将整个煤层的完整煤芯采集出来。然而该发明存在以下缺陷：第一，在采用钻杆和钻头钻孔之后，需要至少两次提出钻杆，将取芯装置安装在钻杆上之后再次送入钻孔，浪费了人力物力，增加了钻探程序，因为不但在复杂环境下难以保证每次钻探均能高效准确地下钻，不破坏孔壁，而且在土质较为松散的地质环境中，拉出钻杆之后，也会产生大量碎屑落下，掩埋住了之前钻出的煤芯，为再次下钻留下了比较大的麻烦；第二，卡环的设置会对煤芯进入半合内管形成一定的干涉，伸至会导致煤芯卡在卡环上，因此难以保证卡环对煤芯产生预想的约束作用。

另一现有技术为软硬互层岩体大直径钻孔取芯装置，该专利的申请号为201320369378X，公开日为2013年11月27日，其包括液压装置、钻杆、钻头装置、液压连接管，在钻头装置的底部设置有岩芯切断装置，岩芯切断装置为一弧形刀具，包括刀头与刀体及第二液压千斤顶，在钻杆上设置有进刀推进装置及第一液压千斤顶，岩芯切断装置能够在当钻进到一定深度后，从根部切断岩芯，然后将岩芯取块提出。然而该发明存在以下缺陷：弧形刀具在下探过程中会被岩石挤压，从而对横向设置的千斤顶产生巨大力矩，千斤顶虽然能够承受较大轴向力，但是却不能承受垂直于轴向的力，否则会严重破坏液体的密封环境，损坏千斤顶；再者，对于较深的探坑，随着钻杆下坠的液压系统会成为钻杆的巨大负担，现实使用中并不实用。

为了更好地解决钻探设备难以完整获取矿芯的问题，人们迫切需要一种实用、高效、便捷的取芯设备及方法。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中，钻探设备难以完整获取矿芯的问题，本发明提供一种地质矿产勘查PDC 取芯钻及其装配设备和方法，采用排列的滚珠与矿芯产生的摩擦力，以及环套设备对排列的滚珠的限制，实现对矿芯的灵活控制，进而较为完整地获取矿芯。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种地质矿产勘查PDC取芯钻，所述取芯钻包括刀翼部分和钻杆，所述刀翼部分包括头部和保径部，所述保径部包括若干沿取芯钻径向设置的保径柱；所述头部均匀设有U型凹槽，头部上均匀设有排齿，其中一部分排齿位于U型凹槽的边缘处；所述取芯钻的钻杆上设有锥形部，所述锥形部的外径由远离刀翼部分的一端向靠近刀翼部分的一端逐渐缩小，锥形部内活动嵌有一排沿钻杆轴向设置的滚珠，所述滚珠直径由远离刀翼部分的一端向靠近刀翼部分的一端逐渐缩小，所述锥形部外套有环套。

优选地，所述环套的截面为楔形，环套的内径由远离刀翼部分的一端向靠近刀翼部分的一端逐渐变大，从而实现与锥形部的适配。

优选地，所述滚珠贯穿钻杆的内侧面与外侧面，且不同直径的滚珠在钻杆的内侧面或者外侧面处露出的球冠高度相同。

优选地，所述环套的靠近刀翼部分的端面上设有凹口，所述凹口内安装有弹簧，所述弹簧的轴向与钻杆的轴向平行。

优选地，所述环套的靠近刀翼部分的端面上设有限位块，所述刀翼部分对应位置处设有用于限位块***的插槽。

优选地，所述保径柱由碳化钨材料制成，所述保径柱的***电镀套有金刚石环。

一种地质矿产勘查PDC取芯钻的装配设备，包括两个卡托架和一个剪架，所述取芯钻上的环套侧面上开设有缝隙，所述剪架包括两个相互铰接的L型剪板，所述L型剪板的下端分别对应铰接有一个拉块，所述拉块分别对应卡在环套缝隙处的两个相对侧面上，用于将环套从缝隙处张开；两个卡托架分别卡在环套的大端面的相对两侧部，卡托架包括压在环套大端面上的顶块，所述顶块上设有滑道，所述滑道内滑动设有滑块；所述滑块上安装有推杆；所述推杆的另一端活动穿过顶块后，在顶端连接有牵拉绳；所述牵拉绳的另一端与对应侧的L 型剪板连接，所述滑块的内端固连有紧缩块，所述紧缩块压在环套对应内侧面上。

优选地，所述的两个滑块之间的最小距离小于两个顶块之间的最小距离，所述的两个紧缩块之间的最小距离小于两个滑块之间的最小距离。

优选地，所述紧缩块的沿轴向截面形状为楔形，紧缩块的压紧钻杆的侧面为内凹的弧面。

一种地质矿产勘查PDC取芯钻的装配方法，其步骤为：

S1、套装：以环套的小端为套入端，将环套套装在钻杆的刀翼部分连接端上；

S2、扩口：将紧缩块的小端包围在钻杆的外侧，然后对顶块施加推力，随着紧缩块进一步被推进套装在钻杆***，紧缩块利用其小端至大端过程中的尺寸变化逐步挤压钻杆，使紧缩块之间的距离被钻杆扩开；

S3、牵拉绳索：紧缩块带动滑块沿径向朝外侧移动，带动对应推杆向外侧移动，推杆向外移动过程中张紧牵拉绳，通过牵拉绳牵拉L型剪板；

S4、扩缝：L型剪板受拉之后，利用杠杆原理带动拉块将环套以缝隙为突破口扩开，便于环套套在钻杆上。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明借助排列的滚珠与矿芯的摩擦力实现对矿芯的控制，具体地，借助环套对滚珠的单向抑制作用，将滚珠逆向转动锁死，进而控制矿芯下滑，实现对矿芯的单向抑制；在取矿芯时，矿芯带动滚珠滚动，滚珠的球状结构不会对矿芯产生套紧形式的抑制和阻碍，不会影响采取矿芯过程。

(2)本发明的滚珠露出钻杆的内侧面的球冠高度相同，实现滚珠对矿芯具有统一的支撑力，防止由于摩擦力不同导致对矿芯的压损或压裂，破坏矿芯完整性。

(3)本发明的滚珠露出钻杆外侧面的球冠高度相同，由于钻杆在该处的外侧面为锥形结构，因此滚珠也沿锥形分布，露出的球冠高度相同能够保证与钻杆适配的环套与排列的滚珠统一匹配，均匀接触，实现环套对滚珠的最佳的抑制效果。

(4)本发明的环套上设置的凹口和设置在凹口内的弹簧能够使环套复位，当矿芯被采取之后，弹簧将环套推至与滚珠压紧的位置，从而在矿芯的进一步压紧滚珠的情况下，环套配合矿芯将滚珠锁死，同时保证了矿芯的固定。

(5)本发明为了环套的装配便捷，在环套上开设了缝隙，同时在环套与刀翼部分之间设置了限位块，采用限位块与插槽的配合，避免环套转动，进而避免缝隙与滚珠接触时将滚珠卡死。

(6)本发明为了克服采用碳化钨作为保径柱时，保径效果不佳，有缩颈现象，不具备孕镶金刚石钻头的超强耐磨性能的问题，将金刚石层焊接于钻头齿端的方式和金刚石电镀于保径位置的方式相结合，借助现有碳化钨保径方式，将金刚石电镀于碳化钨的***，实现金刚石保径和碳化钨支撑的综合效果，克服了现有碳化钨保径不足产生的缩颈问题，合理地使用了金刚石，控制了产品成本，达到了最佳的保径效果。

(7)本发明采用卡托架与剪架配合的方式，利用卡托架与钻杆挤压时产生的压力以杠杆作用传递至剪架的下端，将缝隙撬开，进而实现顺利装配，与直接采用外力拉开缝隙相比，将拉开缝隙和推压卡托架的两种形式的外力需求转化为一种仅推压卡托架的外力，节省了专用于拉开缝隙的外接设备，且拉开缝隙的设备需要在缝隙的两侧均设置装置，无疑增大了设备使用量，且提供推压形式的力比提供双侧拉紧形式的力要容易得多，因此本方案大大简便了装配设备和装配工艺。

附图说明

图1为本发明的取芯钻的立体图；

图2为本发明的取芯钻的主视图；

图3为本发明的取芯钻的左视图；

图4为本发明的取芯钻的俯视图；

图5为图4中沿A-A的半剖视图；

图6为图5中B的变大图；

图7为本发明的装配设备的使用示意图；

图8为本发明的装配设备的紧缩块立体图。

图中：

1、刀翼部分；101、头部；1011、U型凹槽；1012、排齿；102、保径部；1022、插槽；1023、金刚石环；

2、钻杆；201、锥形部；2011、滚珠；2012、环套；2013、凹口；2014、弹簧；2015、限位块；

3、卡托架；301、顶块；302、滑道；303、滑块；304、推杆；305、紧缩块；

4、剪架；401、L型剪板；402、拉块；

5、缝隙；

6、牵拉绳。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图8所示，一种地质矿产勘查PDC取芯钻，所述取芯钻包括刀翼部分1和钻杆 2，所述刀翼部分1包括头部101和保径部102，所述保径部102包括若干沿取芯钻径向设置的保径柱1021；所述头部101均匀设有若干U型凹槽1011，头部101上均匀设有若干排齿1012，其中一部分排齿1012位于U型凹槽1011的边缘处，用于最先接触矿体，进行切碎，其余部分的排齿1012用于补充切碎。所述取芯钻的钻杆2上设有锥形部201，所述锥形部201 的外径由远离刀翼部分1的一端向靠近刀翼部分1的一端逐渐缩小，即锥形部201的尖端超下，小端面朝下，大端面朝上；锥形部201内活动嵌有一排沿钻杆2轴向设置的滚珠2011，所述滚珠2011直径由远离刀翼部分1的一端向靠近刀翼部分1的一端逐渐缩小，所述锥形部 201外套有环套2012；所述环套2012的截面为楔形，环套2012的内径由远离刀翼部分1的一端向靠近刀翼部分1的一端逐渐变大，从而实现与锥形部201的适配。所述环套2012的靠近刀翼部分1的端面上设有凹口2013，所述凹口2013内安装有弹簧2014，所述弹簧2014的轴向与钻杆2的轴向平行。

使用时，当采取矿芯，矿芯进入钻杆2内部，推动滚珠2011转动，滚珠2011进而推动环套2012向靠近钻头的一侧移动，压缩弹簧2014，环套2012远离滚珠2011之后，对滚珠2011的压力不再增加，从而不会过度挤压滚珠2011，即不会过度对矿芯形成阻力；即在取矿芯时，矿芯带动滚珠2011滚动，滚珠2011的球状结构不会对矿芯产生套紧形式的抑制和阻碍，不会影响采取矿芯过程。当取芯完毕，矿芯在重力作用下下移，弹簧2014复位，推动环套2012卡在滚珠2011外部，实现对滚珠2011的单向抑制作用，将滚珠2011逆向转动锁死，进而控制矿芯下滑，实现对矿芯的单向抑制。

所述滚珠2011穿透钻杆2的内侧面与外侧面，且不同直径的滚珠2011在钻杆2的内侧面或者外侧面处露出的球冠高度相同，实现滚珠2011对矿芯具有统一的支撑力，防止由于摩擦力不同导致对矿芯的压损或压裂，破坏矿芯完整性。

所述环套2012的靠近刀翼部分1的端面上设有限位块2015，所述刀翼部分1对应位置处设有用于限位块2015***的插槽1022，使用时，由于在环套2012上开设了缝隙5，缝隙5转动至滚珠2011位置处时，会卡死在滚珠2011上，本发明在环套2012与刀翼部分1之间设置了限位块2015，采用限位块2015与插槽1022的配合，避免环套2012转动，进而避免缝隙5与滚珠2011的接触。

现有技术中，采用碳化钨作为保径柱时，保径效果不佳，略有缩颈现象，不具备孕镶金刚石钻头的超强耐磨性能，本发明采用保径柱1021由碳化钨材料制成，并在保径柱1021的***电镀套有金刚石环1023，实现将金刚石层焊接于钻头齿端的方式和金刚石电镀于保径位置的方式相结合，借助现有碳化钨保径方式，将金刚石电镀于碳化钨的***，达到金刚石保径和碳化钨支撑的最佳综合效果，克服了现有碳化钨保径不足产生的缩颈问题，合理地使用了金刚石，控制了产品成本。

一种地质矿产勘查PDC取芯钻的装配设备，包括两个卡托架3和一个剪架4，所述取芯钻上的环套2012上开设有缝隙5，通过缝隙5的扩张可以实现环套2012顺利套在钻杆2上；所述剪架4包括两个相互铰接的L型剪板401，所述L型剪板401的下端分别对应铰接有一个拉块402，所述拉块402分别对应卡在环套2012缝隙5处的两个相对侧面上，L型剪板401 利用杠杆原理将拉块402向两侧拉开，进而将缝隙5扩大；具体夹持时，两个卡托架3分别卡在环套2012的大端面的相对两侧部，卡托架3包括压在环套2012大端面上的顶块301。所述顶块301上设有滑道302，所述滑道302内滑动设有滑块303，所述滑块303上安装有推杆304，所述推杆304的另一端活动穿过顶块301上设有的通孔连接有牵拉绳6，该通孔对推杆304进行限位和径向固定，所述牵拉绳6的另一端与对应侧的L型剪板401连接，所述滑块303的内端固连有用于卡在环套2012内侧壁上进行扩张的紧缩块305。

所述的两个滑块303之间的最小距离小于两个顶块301之间的最小距离，所述的两个紧缩块305之间的最小距离小于两个滑块303之间的最小距离，从而实现先以紧缩块305接触钻杆2，为钻杆2反推紧缩块305和滑块303滑动流出足够的空间余量，借助该余量，推杆304张紧牵拉绳6对L型剪板401进行牵拉，实现将缝隙5撬开的目的。

所述紧缩块305的沿轴向截面形状为楔形，利用该楔形结构，紧缩块305能够实现逐渐对钻杆2的压紧，即钻杆2对紧缩块305的逐渐增压，推动紧缩块305紧缩块305的压紧钻杆2的侧面为内凹的弧面，以适应钻杆2的外形。

一种地质矿产勘查PDC取芯钻的装配方法，其步骤为：

S1、套装：以环套2012的小端为套入端，将环套2012套装在钻杆2的刀翼部分1连接端上；

S2、扩口：将紧缩块305的小端包围在钻杆2的外侧，然后对顶块301施加推力，随着紧缩块305进一步被推进套装在钻杆2***，紧缩块305利用其小端至大端过程中的尺寸变化逐步挤压钻杆2，使紧缩块305之间的距离被钻杆2扩开；

S3、牵拉绳索：紧缩块305带动滑块303沿径向朝外侧移动，带动对应推杆304向外侧移动，推杆304向外移动过程中张紧牵拉绳6，通过牵拉绳6牵拉L型剪板401；

S4、扩缝：L型剪板401受拉之后，利用杠杆原理带动拉块402将环套2012以缝隙5为突破口扩开，便于环套2012套在钻杆2上。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本专利中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的普通技术人员应当了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都应落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。