一种多功能地质勘察高效钻探装置[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010864022.8
(22)申请日 2020.08.25
(71)申请人 中国地质大学（武汉）
地址 430000 湖北省武汉市洪山区鲁磨路
388号
(72)发明人 孟令琨　
(74)专利代理机构 苏州拓云知识产权代理事务
所(普通合伙) 32344
代理人 徐冰
(51)Int.Cl.
G01N 1/08(2006.01)
G01V 3/30(2006.01)
(54)发明名称
一种多功能地质勘察高效钻探装置
(57)摘要
本发明公开了一种多功能地质勘察高效钻
探装置，包括探测组件、井架、滑动机构，其中，所
述井架通过调整机构可转动地安装在基座上，所
述滑动机构通过电机以齿轮齿条驱动的方式使
其能够沿井架移动，所述滑动机构与钻探杆的上
端固定连接，所述钻探杆的底部固定有探测组
件，所述探测组件能够从侧面分别采取不同深度
的样品。

与现有技术相比，该多功能地质勘察高
效钻探装置传动距离短，扭力损失小，样品刮取
位置准确，防止样品在钻头取回过程中泄露，一
次下钻可以采取不同深度的样品。

权利要求书2页 说明书5页 附图5页CN 111929098 A 2020.11.13
C N 111929098
A
1.一种多功能地质勘察高效钻探装置，包括探测组件(5)、井架(2)、滑动机构(4)，其特征在于，所述井架(2)通过调整机构(9)可转动地安装在基座(1)上；
所述滑动机构(4)通过电机以齿轮齿条驱动的方式使其能够沿井架(2)移动，所述滑动机构(4)与钻探杆(3)的上端固定连接，所述钻探杆(3)的底部固定有探测组件(5)，所述探测组件(5)能够从侧面分别采取不同深度的样品。

2.根据权利要求1所述的一种多功能地质勘察高效钻探装置，其特征在于，所述探测组件(5)主要包括探测壳体(15)、芯杆(17)、刮刀组件(6)、取样仓组件(7)、钻头组件(8)，所述探测壳体(15)为底部开口的圆柱形空腔壳体，其上端连接钻探杆(3)，中心为一根芯杆(17)，其内从上到下依次设有刮刀组件(6)、取样仓组件(7)、钻头组件(8)；
所述钻头组件(8)横截面稍大于探测壳体(15)的横截面，其能够钻开土壤引导探测壳体(15)进入地底；
多个所述刮刀组件(6)在探测壳体(15)内圆周均布，在刮刀组件(7)的对应位置设有开口；
所述取样仓组件(7)能够将样品分层保存。

3.根据权利要求2所述的一种多功能地质勘察高效钻探装置，其特征在于，所述钻头组件(8)主要包括边钻(85)、芯钻(86)、钻头外壳(81)，所述钻头外壳(81)的顶部与探测壳体(15)的底部开口可拆卸连接，钻头外壳(81)内设有钻头电机(16)，所述钻头电机(16)的输出轴穿过钻头外壳(81)的底部在连接板(82)中伸出，所述连接板(82)是固定在钻头外壳(81)底部的凸起，钻头电机(16)的输出轴通过主齿轮(88)跟连接板(82)上圆周分布的另外三个斜齿轮(87)啮合，三个圆周分布的所述斜齿轮(87)与连接板(82)转动连接，其上各连接有一个芯钻(86)，三个芯钻(86)由中心向外倾斜分布；
所述连接板(82)的外侧面通过薄壁轴承(83)与边钻(85)连接，所述边钻(85)外侧面有螺纹，内侧有能够容纳三个芯钻(86)的空腔，内侧顶部有一圈齿圈(84)，所述齿圈(84)与三个圆周分布的斜齿轮(87)啮合，即主齿轮(88)、三个斜齿轮(87)和齿圈(84)组成行星齿轮结构。

4.根据权利要求2所述的一种多功能地质勘察高效钻探装置，其特征在于，每个所述刮刀组件(6)上下各由一根伸缩杆(14)连接到探测壳体(15)内的芯杆(17)上，能够通过伸缩杆(14)的伸缩使刮刀组件(6)在取样筒(51)内外伸缩，所述刮刀组件(6)与伸缩杆(14)连接处还设置有刮刀电机(68)，所述刮刀电机(68)的输出轴为刮刀轴(67)。

5.根据权利要求4所述的一种多功能地质勘察高效钻探装置，其特征在于，所述刮刀组件(6)主要包括刀片(63)、刀座(61)、转盘(64)和转刀连杆(62)，所述刀座(61)与刮刀轴(67)同轴固定连接，刀座(61)为圆形且圆周分布有四根与之相切的连杆，每根连杆末端各与一个刀片(63)的中间铰接，所述刀片(63)远离刀刃一端铰接有转刀连杆(62)，所述转刀连杆(62)另端铰接到位于刀座(61)中心的转盘(64)边缘，所述转盘(64)铰接在刮刀轴(67)的外表面，且转盘(64)中还设有扭力弹簧，所述扭力弹簧提供使刀片(63)收拢的力；
所述刀座(61)的每根连杆上还有限位块(66)，所述限位块(66)限制刀片(63)的最大张开角度；
所述刀片(63)的刀刃弧形弯曲，且弯曲方向与其取样时的旋转方向相同。

6.根据权利要求2所述的一种多功能地质勘察高效钻探装置，其特征在于，所述取样仓
组件(7)包括分层隔板(71)、齿轮组(72)和分层电机(73)，所述刮刀组件(6)下的芯杆(17)上上下均匀分布多组两块为一组的分层隔板(71)，所述分层隔板(71)为对称铰接在芯杆(17)两侧的半圆形板，且每组所述分层隔板(71)的间隙等于分层隔板(71)的半径，每组分层隔板(71)组成的圆形将探测壳体(15)上下分隔成数个取样仓；
所述分层隔板(71)通过齿轮组(72)连接到芯杆(17)上，所述齿轮组(72)通过分层电机(73)能够同时驱动同一组的两块分层隔板(71)上下开合。

7.根据权利要求1所述的一种多功能地质勘察高效钻探装置，其特征在于，所述探测组件(5)内设有电磁波发射器(13),所述滑动机构(4)上设有电磁波接收器(11)。

8.根据权利要求1所述的一种多功能地质勘察高效钻探装置，其特征在于，所述调整机构(9)为固定在井架(2)与基座(1)间的液压杆，且井架(2)的底部与基座(1)铰接，通过液压杆的伸缩能够使井架(2)竖直或水平，且当其水平时，能够架到基座(1)上的支架(12)上。

9.根据权利要求1所述的一种多功能地质勘察高效钻探装置，其特征在于，所述井架(2)两边的基座(1)上设有抽风设备(10)。

一种多功能地质勘察高效钻探装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种钻探装置技术领域，具体是一种多功能地质勘察高效钻探装置。

背景技术
[0002]地质勘探即是通过各种手段、方法对地质进行勘查、探测，确定合适的持力层，根据持力层的地基承载力，确定基础类型，计算基础参数的调查研究活动。

是在对矿产普查中发现有工业意义的矿床，为查明矿产的质和量，以及开采利用的技术条件，提供矿山建设设计所需要的矿产储量和地质资料，对一定地区内的岩石、地层、构造、矿产、水文、地貌等地质情况进行调查研究工作。

[0003]现有的钻探技术中，使用从地面上驱动长钻头钻入地底，使样品从钻头底下进入钻头内部来取样，取样位置精确性较低，在松软的土壤中出钻时样品容易泄露，且不同深度取样需要多次下钻，效率低，且功能单一，一次勘探需要用到多种设备。

[0004]因此，有必要提供一种多功能地质勘察高效钻探装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容
[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多功能地质勘察高效钻探装置，包括探测组件、井架、滑动机构，其中，所述井架通过调整机构可转动地安装在基座上；[0006]所述滑动机构通过电机以齿轮齿条驱动的方式使其能够沿井架移动，所述滑动机构与钻探杆的上端固定连接，所述钻探杆的底部固定有探测组件。

[0007]进一步的，作为优选，所述探测组件主要包括探测壳体、芯杆、刮刀组件、取样仓组件、钻头组件，所述探测壳体为底部开口的圆柱形空腔壳体，其上端连接钻探杆，中心为一根芯杆，其内从上到下依次设有刮刀组件、取样仓组件、钻头组件；
[0008]所述钻头组件横截面稍大于探测壳体的横截面，其能够钻开土壤引导探测壳体进入地底；
[0009]多个所述刮刀组件在探测壳体内圆周均布，在刮刀组件的对应位置设有开口；[0010]所述取样仓组件能够将样品分层保存。

[0011]进一步的，作为优选，所述钻头组件主要包括边钻、芯钻、钻头外壳，所述钻头外壳的顶部与探测壳体的底部开口可拆卸连接，钻头外壳内设有钻头电机，所述钻头电机的输出轴穿过钻头外壳的底部在连接板中伸出，所述连接板是固定在钻头外壳底部的凸起，钻头电机的输出轴通过主齿轮跟连接板上圆周分布的另外三个斜齿轮啮合，三个圆周分布的所述斜齿轮与连接板转动连接，其上各连接有一个芯钻，三个芯钻由中心向外倾斜分布；[0012]所述连接板的外侧面通过薄壁轴承与边钻连接，所述边钻外侧面有螺纹，内侧有能够容纳三个芯钻的空腔，内侧顶部有一圈齿圈，所述齿圈与三个圆周分布的斜齿轮啮合，即主齿轮、三个斜齿轮和齿圈组成行星齿轮结构。

[0013]进一步的，作为优选，其特征在于，每个所述刮刀组件上下各由一根伸缩杆连接到
探测壳体内的芯杆上，能够通过伸缩杆的伸缩使刮刀组件在取样筒内外伸缩，所述刮刀组件与伸缩杆连接处还设置有刮刀电机。

[0014]进一步的，作为优选，所述刮刀组件主要包括刀片、刀座、转盘和转刀连杆，所述刀座为圆形且圆周分布有四根与之相切的连杆，每根连杆末端各与一个刀片的中间铰接，所述刀片远离刀刃一端铰接有转刀连杆，所述转刀连杆另一端铰接到位于刀座中心的转盘边缘，所述转盘与刀座铰接，且转盘中还设有扭力弹簧，所述扭力弹簧提供使刀片收拢的力；[0015]所述刀座的每根连杆上还有限位块，所述限位块限制刀片的最大张开角度；[0016]所述刀片的刀刃弧形弯曲，且弯曲方向与其取样时的旋转方向相同。

[0017]进一步的，作为优选，所述取样仓组件包括分层隔板、齿轮组和分层电机，所述刮刀组件下的芯杆上上下均匀分布多组两块为一组的分层隔板，所述分层隔板为对称铰接在芯杆两侧的半圆形板，且每组所述分层隔板的间隙等于分层隔板的半径，每组分层隔板组成的圆形将探测壳体上下分隔成数个取样仓；
[0018]所述分层隔板通过齿轮组连接到芯杆上，所述齿轮组通过分层电机能够同时驱动同一组的两块分层隔板上下开合。

[0019]进一步的，作为优选，所述探测组件内设有电磁波发射器,所述滑动机构上设有电磁波接收器。

[0020]进一步的，作为优选，所述调整机构为固定在井架与基座间的液压杆，且井架的底部与基座铰接，通过液压杆的伸缩能够使井架竖直或水平，且当其水平时，能够架到基座上的支架上。

[0021]进一步的，作为优选，所述井架两边的基座上设有抽风设备。

[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0023] 1.本申请中，钻头电机驱动主齿轮转动，使斜齿轮带动芯钻自转，对土壤和岩石产生破碎作用，同时齿圈带动边钻转动，对土壤和岩石进行切削进一步破碎，并将土壤和岩石向上方和侧边挤压，引导探测壳体进入地底，不同钻头的配合使钻探效率更高，且由于传动距离短，扭力损失小，钻头组件能够达到较大的扭矩和转速。

[0024] 2.本申请中，刮刀电机正转时，伸缩杆同时使刀片伸出探测壳体外部，刀片刮取土壤时受到阻力能够使其克服扭力弹簧的扭力而逐渐张开到限位块所限制的角度以刮取样品；所述刮刀电机反转时，伸缩杆同时使刀片缩入探测壳体内部，刀片受到阻力消失，由于扭力弹簧的扭力使其收拢，使得样品刮取位置准确，还能防止样品在钻头取回过程中泄露。

[0025] 3.本申请中，在取样开始前每组分层隔板转到垂直向上，每刮取一组样品后，从最底下的分层隔板开始转到水平，以将每个取样仓封闭，卸下样品时，将钻头组件拆卸后，从下到上取出样品，每取出一个取样仓的样品后，上一个分层隔板转到向下垂直以取出上一个取样仓的样品，使样品能够分层保存，一次下钻可以采取不同深度的样品，节省钻探的时间。

[0026] 4.本申请中，所述探测组件钻探入地底时，其内的电磁波发射器持续向电磁波接收器发射高频电磁脉冲，由于电磁波在地下介质中传播速度主要是由介质中的相对介电常数确定的，而磁波发射器与电磁波接收器的距离是固定的，因此根据其二者发出和收到信号的时间差能够确定其间的介质种类，一次下钻能够实现多种功能，能够更详细和准确地勘察地质情况。

附图说明
[0027]图1为一种多功能地质勘察高效钻探装置的结构示意图；
[0028]图2为一种多功能地质勘察高效钻探装置的探测组件结构示意图；
[0029]图3为一种多功能地质勘察高效钻探装置的钻头组件结构示意图；
[0030]图4为一种多功能地质勘察高效钻探装置的刮刀组件结构示意图；
[0031]图5为一种多功能地质勘察高效钻探装置的刮刀组件截面结构示意图；
[0032]图6为一种多功能地质勘察高效钻探装置的刀片张开结构示意图；
[0033]图7为一种多功能地质勘察高效钻探装置的刀片收拢结构示意图；
[0034]图8为一种多功能地质勘察高效钻探装置的取样仓组件结构示意图；
[0035]图中：1、基座；2、井架；3、钻探杆；4、滑动机构；5、探测组件；6、刮刀组件；61、刀座；
62、转刀连杆；63、刀片；64、转盘；66、限位块；67、刮刀轴；68、刮刀电机；7、取样仓组件；71、分层隔板；72、齿轮组；73、分层电机；8、钻头组件；81、钻头外壳；82、连接板；83、薄壁轴承；
84、齿圈；85、边钻；86、芯钻；87、斜齿轮；88、主齿轮；9、调整机构；10、抽风机构；11、电磁波接收器；12、支架支架；13、电磁波发射器；14、伸缩杆；15、检测壳体；16、钻头电机；17、芯杆。

具体实施方式
[0036]请参阅图1，本发明实施例中，一种多功能地质勘察高效钻探装置,包括探测组件5、井架2、滑动机构4，其中，所述井架2通过调整机构9可转动地安装在基座1上，所述基座1可以是车辆的形式，通过调整机构9能够使井架2在基座14上旋转水平到竖直间的任意角度，以便于本发明的钻探和周转；
[0037]所述滑动机构4通过电机以齿轮齿条驱动的方式使其能够沿井架2移动，此为现有技术，在此不再赘述，所述滑动机构4与钻探杆3的上端固定连接，所述钻探杆3的底部固定有探测组件5、内部有强弱电导线，且所述钻探杆3的长度大致等于井架2的长度，在该实施例中，井架2具有大约20m的长度，而钻探杆3的长度大约为18m，钻探杆3的长度比井架2稍短，这是由于滑动机构4和钻探头5的尺寸所致。

[0038]请参阅图2，本实施例中，所述探测组件5主要包括探测壳体15、芯杆17、刮刀组件6、取样仓组件7、钻头组件8，所述探测壳体15为底部开口的圆柱形空腔壳体，其上端连接钻探杆3，中心为一根芯杆17，其内从上到下依次设有刮刀组件6、取样仓组件7、钻头组件8；[0039]所述钻头组件8横截面稍大于探测壳体15的横截面，其能够钻开土壤引导探测壳体15进入地底；
[0040]多个所述刮刀组件6在探测壳体15内圆周均布，在刮刀组件6的对应位置设有开口，能够在地底时伸出并刮取样品，使样品掉落到取样仓组件7中；
[0041]所述取样仓组件7能够将样品分层保存。

[0042]请参阅图3，本实施例中，所述钻头组件8主要包括边钻85、芯钻86、钻头外壳81，所述钻头外壳81的顶部与探测壳体15的底部开口可拆卸连接，钻头外壳81内设有钻头电机16，所述钻头电机16的输出轴穿过钻头外壳81的底部在连接板82中伸出，所述连接板82是固定在钻头外壳81底部的凸起，钻头电机16的输出轴通过主齿轮88跟连接板82上圆周分布的另外三个斜齿轮87啮合，三个圆周分布的所述斜齿轮87与连接板82转动连接，其上各连接有一个芯钻86，三个芯钻86由中心向外倾斜分布；
[0043]所述连接板82的外侧面通过薄壁轴承83与边钻85连接，所述边钻85外侧面有螺纹，内侧有能够容纳三个芯钻86的空腔，内侧顶部有一圈齿圈84，所述齿圈84与三个圆周分布的斜齿轮87啮合，即主齿轮88、三个斜齿轮87和齿圈84组成行星齿轮结构；
[0044]所述钻头电机16驱动主齿轮88转动，使斜齿轮87带动芯钻86自转，对土壤和岩石产生破碎作用，同时齿圈84带动边钻85转动，对土壤和岩石进行切削进一步破碎，并将土壤和岩石向上方和侧边挤压，引导探测壳体15进入地底。

[0045]请参阅图4，本实施例中，每个所述刮刀组件6上下各由一根伸缩杆14连接到探测壳体15内的芯杆17上，能够通过伸缩杆14的伸缩使刮刀组件6在取样筒51内外伸缩，所述刮刀组件6与伸缩杆14连接处还设置有刮刀电机68，以驱动刮刀组件6旋转以刮取样品。

[0046]请参阅图5、图6和图7，本实施例中，所述刮刀组件6主要包括刀片63、刀座61、转盘64和转刀连杆62，所述刀座61与刮刀轴67同轴固定连接，所述刀座61为圆形且圆周分布有四根与之相切的连杆，每根连杆末端各与一个刀片63的中间铰接，所述刀片63远离刀刃一端铰接有转刀连杆62，所述转刀连杆62另端铰接到位于刀座61中心的转盘64边缘，所述转盘64与刀座61铰接，所述转盘64铰接在刮刀轴67的外表面，且转盘64中还设有扭力弹簧，所述扭力弹簧提供使刀片63收拢的力；
[0047]所述刀座61的每根连杆上还有限位块66，所述限位块66限制刀片63的最大张开角度；
[0048]所述刀片63的刀刃弧形弯曲，且弯曲方向与其取样时的旋转方向相同；[0049]所述刮刀电机68正转时，伸缩杆14同时使刀片63伸出探测壳体15外部，刀片63刮取土壤时受到阻力能够使其克服扭力弹簧的扭力而逐渐张开到限位块66所限制的角度；[0050]所述刮刀电机68反转时，伸缩杆14同时使刀片63缩入探测壳体15内部，刀片63受到阻力消失，由于扭力弹簧的扭力使其收拢；
[0051]且，所述刀片63缩入探测壳体15内部时，收拢后朝外的两个刀片63与探测壳体15外壁贴合，两刀片63形成的钩状面能够将探测壳体15内部密封。

[0052]请参阅图8，本实施例中，所述取样仓组件7包括分层隔板71、齿轮组72和分层电机73，所述刮刀组件6下的芯杆17上上下均匀分布多组两块为一组的分层隔板71，所述分层隔板71为对称铰接在芯杆17两侧的半圆形板，且每组所述分层隔板71的间隙等于分层隔板71的半径，每组分层隔板71组成的圆形将探测壳体15上下分隔成数个取样仓；
[0053]所述分层隔板71通过齿轮组72连接到芯杆17上，所述齿轮组72通过分层电机73驱动中间的齿轮，从而带动两侧与分层隔板71铰接处固定的齿轮，能够同时驱动同一组的两块分层隔板71上下开合；
[0054]在取样开始前每组分层隔板71转到垂直向上，每刮取一组样品后，从最底下的分层隔板71开始转到水平，以将每个取样仓封闭，卸下样品时，将钻头组件8拆卸后，从下到上取出样品，每取出一个取样仓的样品后，上一个分层隔板71转到向下垂直以取出上一个取样仓的样品。

[0055]请参阅图1和图2，本实施例中，所述探测组件5内设有电磁波发射器13,所述滑动机构4上设有电磁波接收器11；
[0056]所述探测组件5钻探入地底时，其内的电磁波发射器13持续向电磁波接收器11发射高频电磁脉冲，由于电磁波在地下介质中传播速度主要是由介质中的相对介电常数确定
的，比如空气的相对介电常数为1、软弱夹层(黏土)在9～14之间、水为81、砾岩在4～6之间，几者间的相对介电常数差异较大，这为电磁波探测提供了较好的物理前提，而电磁波发射器13与电磁波接收器11的距离是固定的，因此根据其二者发出和收到信号的时间差能够确定其间的介质种类；
[0057]其中，直接从探钻孔中传出的电磁波信号，即未经过土壤的信号，通过滤波器将其过滤掉，由于电磁波是辐射的，过滤掉的信号对勘察结果并无影响
[0058]在另一个实施例中，所述电磁波接收器11可放在地面的任意位置，虽然在探测组件5钻探入地底时其二者距离发生了变化，但变化值是已知的，因此也能够实现该功能；[0059]特别地，将磁波发射器13与电磁波接收器11位置对换也能够实现该功能，并不落于本发明之外；
[0060]在另一个实施例中，所述磁波发射器13与电磁波接收器11各通过一个探测组件5钻探入地底，能够实现勘察横向地质分布的目的。

[0061]请参阅图1，本实施例中，所述调整机构9为固定在井架2与基座1间的液压杆，且井架2的底部与基座1铰接，通过液压杆的伸缩能够使井架2竖直或水平，且当其水平时，能够架到基座1上的支架12上，以便于周转运输。

[0062]请参阅图1，本实施例中，所述基座1上，井架2的两边设有抽风设备10，能够在探测组件5钻探入地底时吸走地面的扬尘，改善工作环境。

[0063]具体实施时，通过调整机构9能够使井架2在基座14上旋转到合适角度，所述滑动机构4通过电机以齿轮齿条驱动的方式使其沿井架2向下移动，同时所述钻头电机16驱动主齿轮88转动，使斜齿轮87带动芯钻86自转，对土壤和岩石产生破碎作用，同时齿圈84带动边钻85转动，对土壤和岩石进行切削进一步破碎，并将土壤和岩石向上方和侧边挤压，引导探测壳体15进入地底；
[0064]通过伸缩杆14的伸缩使刮刀组件6在取样筒51内外伸缩，所述刮刀组件6与伸缩杆14连接处还设置有刮刀电机68，以驱动刮刀组件6旋转刮取样品，在取样开始前每组分层隔板71转到垂直向上，每刮取一组样品后，从最底下的分层隔板71开始转到水平，以将每个取样仓封闭，卸下样品时，将钻头组件8拆卸后，从下到上取出样品，每取出一个取样仓的样品后，上一个分层隔板71转到向下垂直以取出上一个取样仓的样品；
[0065]同时，探测组件5钻探入地底时，其内的电磁波发射器13持续向电磁波接收器11发射高频电磁脉冲，由于电磁波在地下介质中传播速度主要是由介质中的相对介电常数确定的，因此根据其二者发出和收到信号的时间差能够确定其间的介质种类。

[0066]为方便说明，使用了方位术语例如“顶部”、“底部”、“向上”和“向下”对各种部件加以描述，从而为描述这些部件提供了相对的参照系。

这些术语并不暗示那些所公开的装置必须在特定的定向上使用。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

图1
图2
图3
图4
图5
图6
图7
图8。