一种稀土矿风化层原位保真取样装置及方法

1.本技术属于稀土矿取样技术领域，更具体地说，是涉及一种稀土矿风化层原位保真取样装置及方法。


背景技术：

2.稀土矿取样是稀土资源开采设计中的关键环节。现有的采样方法，一般先是划定取样区域，然后利用钻进取样装置进行钻孔取样。由于地下情况不明确，在取样过程中，经常会遇到地下矿块或岩石等情况，矿块或岩石一方面会导致采集的稀土样的分布密度、含水率、粒径分布等物理性质发生变化，从而使稀土试样失真；另一方面会严重阻碍所需要的取样深度，导致取样真实性受到影响，因此，通常需要在取样区域内进行多点钻孔重复取样，耗时长且严重破坏地表植被。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种稀土矿风化层原位保真取样装置，通过快速采集分析待取样区域的地震波数据，反演出待取样区域的风化层结构组成，根据成像结果对取样作业区域进行调整，一次性完成取样，使得取样的真实性得到保障。
4.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：提供一种稀土矿风化层原位保真取样装置，包括：钻进平台、钻孔取样装置、地震波激发装置、地震波接收装置、中控系统和操作显示屏，所述钻孔取样装置设置在所述钻进平台的中心，所述地震波激发装置和所述地震波接收装置围绕所述钻孔取样装置设置多个，所述钻孔取样装置、地震波激发装置和地震波接收装置、操作显示屏均与所述中控系统电连接。
5.在一个实施方式中，所述钻孔取样装置包括：升降装置、钻机、转接头、钻进筒和切削刀；所述升降装置设置在所述钻进平台上，所述钻机设置在所述升降装置上，所述转接头设置在所述钻机上，所述钻进筒的一端与所述转接头连接，另一端安装所述切削刀。
6.在一个实施方式中，所述转接头和所述钻进筒卡接，所述切削刀为环形切削刀且切削端呈中空圆锥状。
7.在一个实施方式中，所述升降装置为竖直设置在所述钻进平台上的丝杆组件，所述钻机固定在所述丝杆组件的滑块上；或者，所述升降装置包括：龙门架和设置在龙门架上的直线驱动器，所述直线驱动器与所述钻机连接；所述直线驱动为气缸、液压缸或电动推杆。
8.在一个实施方式中，所述的地震波激发装置包括：定位套筒、抵接杆、旋转卡扣、第一弹簧和地震波触发器，所述第一弹簧的一端与所述抵接杆连接，另一端与所述地震波触发器连接，所述抵接杆、第一弹簧和所述地震波触发器均活动式设置在所述定位套筒内，所述定位套筒的一端固定在所述钻进平台上，另一端支撑在地面上，所述定位套筒远离地面的一端上设有旋转卡扣，所述旋转卡扣与所述抵接杆配合以使所述抵接杆稳定的停留在当
前位置。
9.在一个实施方式中，所述地震波接收装置包括：固定筒、第二弹簧和地震波接收器；所述固定筒的下端敞口，所述固定筒设置在所述定位套筒的下端外侧，所述第二弹簧和所述地震波接收器设置在所述固定筒内，所述第二弹簧的一端固定在所述固定筒上，另一端与所述地震波接收器连接。
10.在一个实施方式中，定位套筒和固定筒均采用金属材料制成；所述固定筒和所述定位套筒通过卡槽和卡块径向卡接装配。
11.在一个实施方式中，所述中控系统设置在一个绝缘盒内，所述地震波触发器和所述地震波接收器的外周均设置绝缘保护套。
12.在一个实施方式中，钻进平台上设有储蓄电源。
13.本技术的另一目的在于提供一种稀土矿风化层原位保真取样方法，基于上述的稀土矿风化层原位保真取样装置，所述方法包括以下步骤：
14.s1、根据取样作业区域确定取样初始位置；
15.s2、将该装置移动至取样初始位置，并使地震波激发装置和地震波接收装置均与地表接触；
16.s3、在中控系统的控制作用下，地震波激发装置向地面激发地震波，地震波接收装置接收地下反射的地震波，并将地震波数据反馈给中控系统；
17.s4、中控系统根据接收的地震波数据进行地震波成像，识别取样作业区域周围的风化层结构；
18.s5、工作人员根据在操作显示屏上显示的地震波成像结果决定是否选取原位取样位置；若该取样初始位置符合取样要求则进行步骤s6，若该取样初始位置不符合取样要求，则重复步骤s1，重新选择一个新的取样初始位置；
19.s6、中控系统控制钻孔取样装置进行钻孔取样；
20.s7、重复步骤s1-s6，直至完成所有的取样作业。
21.本技术提供的稀土矿风化层原位保真取样装置及方法的有益效果在于：该装置实现了地震波成像和取样一体化，取样所有工作都由中控系统调控，弥补了传统取样区域风化层地质信息未知的缺点；能够获取较高精度的取样区域地质信息，实现了高质量保真取样。该装置可以精准避开钻取取样扰动大的区域，实现了精准定点自然取样，为稀土风化层自然赋存情况的研究，提供了更可靠的样本依据。另外，在原取样方法的基础上未增加大量繁琐操作即可获得原始自然状态下的稀土样本，提高了样本采集的真实性，有效提高了多地点稀土取样时的效率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本技术实施例提供的稀土矿风化层原位保真取样装置的前视结构示意图；
24.图2为本技术实施例提供的稀土矿风化层原位保真取样装置的局部剖视结构示意
图；
25.图3为图2中a处的放大图；
26.图4为图2中b处的放大图；
27.图5为本技术实施例提供的稀土矿风化层原位保真取样装置的俯视结构示意图；
28.图6为本技术实施例提供的稀土矿风化层原位保真取样装置进行地震波成像的示意图。
29.其中，图中各附图标记：
30.1、钻进平台；2、钻孔取样装置；21、升降装置；22、钻机；23、转接头；24、钻进筒；25、切削刀；3、地震波激发装置；31、定位套筒；32、抵接杆；321、环槽；33、旋转卡扣；34、第一弹簧；35、地震波触发器；4、地震波接收装置；41、固定筒；42、第二弹簧；43、地震波接收器；44、卡块；5、中控系统；6、操作显示屏；7、储蓄电源。
具体实施方式
31.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
32.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
33.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，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技术的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.如图1-图6所示，现对本技术实施例提供的一种稀土矿风化层原位保真取样装置进行详细说明。
36.该稀土矿风化层原位保真取样装置，包括：钻进平台1、钻孔取样装置2、地震波激发装置3、地震波接收装置4、中控系统5和操作显示屏6。其中，钻进平台1为承载主体，钻孔取样装置2设置在钻进平台1的中心，钻孔取样装置2用于钻孔取样；地震波激发装置3和地震波接收装置4围绕钻孔取样装置2设置多个，用于提高地震波探测的区域范围。中控系统5和操作显示屏6设置在钻进平台1上，中控系统5为控制中心，操作显示屏6用于工作人员进行操作及确认成像结果；钻孔取样装置2、地震波激发装置3和地震波接收装置4、操作显示屏6均与中控系统5电连接。中控系统5用于控制各个部件的工作并用于地震波成像，并将成像通过操作显示屏6进行显示，以便工作人员确认。操作显示屏6为触摸屏。
37.地震波激发装置3和地震波接收装置4用于实现对采样区地下的地震波探测，并将地震波数据反馈给中控系统5，中控系统5用于将反馈的地震波数据进行地震波成像，反演
出待取样区域的风化层结构组成并通过操作显示屏6进行显示，工作人员根据成像结果对取样作业区域进行调整，以便一次性完成取样，既保证了取样真实性，又不会破坏稀土原状结构。
38.在本实施例中，该装置实现了地震波成像和取样一体化，取样所有工作都由中控系统5调控，弥补了传统取样区域风化层地质信息未知的缺点；能够获取了较高精度的取样区域地质信息，实现了高质量保真取样。该装置可以精准避开钻取取样扰动大的区域，实现了精准定点自然取样，为稀土风化层自然赋存情况的研究提供了更可靠的样本依据。另外，相对原取样方法的基础上未增加大量繁琐操作即可获得原始自然状态下的稀土样本，提高了采集的真实性，在进行多地点稀土取样时，提高了采集的效率。
39.在本实施例中，如图1和图2所示，钻孔取样装置2包括：升降装置21、钻机22、转接头23、钻进筒24和切削刀25。其中，升降装置21设置在钻进平台1上，钻机22设置在升降装置21上，转接头23设置在钻机22上，钻进筒24的一端与转接头23连接，另一端安装切削刀25。钻进平台1上设有供钻进筒24进行升降活动的通孔，升降装置21用于驱使钻进进行升降，钻进通过转接头23带动钻进筒24进行旋转，以使切削刀25旋转时进行钻孔，土样会随着钻进筒24的深入而进入到钻进筒24内。钻进筒24的侧壁可以开设沿轴线延长的开口，这样方便确认土样的完整性；开口处可以设置透明的亚力克板进行封闭。
40.在本实施例中，转接头23和钻进筒24卡接，如转接头23和钻进筒24通过卡接槽卡接，这样方便拆装，以及将土样从钻进筒24内取出，或者，转接头23和钻进筒24通过连接法兰的方式连接。在本实施例中，切削刀25为环形切削刀且切削端呈中空圆锥状，即切削刀25的钻进端为圆锥状，这样方便进行钻孔，中空状是方便土样进入到钻进筒24内。
41.如图2所示，在本实施例中，升降装置21为竖直设置在钻进平台1上的丝杆组件，钻机22固定在丝杆组件的滑块上；丝杠组件为现有常规结构，一般包括底座、丝杆电机、丝杆、滑块和导向杆。在其他实施方式中，升降装置21包括：龙门架和设置在龙门架上的直线驱动器，直线驱动器与钻机22连接；直线驱动为气缸、液压缸或电动推杆。升降装置21的目的是用于实现钻进的升降动作，以便进行钻进取样。
42.如图2、图3所示，在本实施例中，地震波激发装置3包括：定位套筒31、抵接杆32、旋转卡扣33、第一弹簧34和地震波触发器35。其中，定位套筒31为两端均敞口的筒状结构，定位套筒31的一端固定在钻进平台1上，另一端支撑在地面上，在本实施例中，定位套筒31通过焊接或固定法兰与钻进平台连接，定位套筒31用于将整个装置支撑在地面上。在本实施例中，抵接杆32、第一弹簧34和地震波触发器35均活动式设置在定位套筒31内，定位套筒31还起到了保护地震波触发器35的作用。其中，第一弹簧34的一端与抵接杆32连接，另一端与地震波触发器35连接，地震波触发器35设置在定位套筒31靠近地面的一端内，定位套筒31远离地面的一端上设有旋转卡扣33，旋转卡扣33与抵接杆32配合以使抵接杆32稳定的停留在当前位置。如图5所示，同一个定位套筒31处设置有两个旋转卡扣33，旋转卡扣33为一字型结构，一端铰接，另一端为卡接端；在抵接杆32上设有内凹的环槽321，当卡接端卡接在环槽321内时，抵接杆32的位置并限定，此时两个旋转卡扣33呈直线；当卡接端从环槽321内旋出时，抵接杆32可自由移动，此时两个旋转卡扣33平行。在实际工作过程中，当定位套筒31放置在地面上时，工作人员按压抵接杆32，压缩第一弹簧34，使得抵接杆32上的环槽321与旋转卡扣33处于同一水平面上，然后将旋转卡扣33与环槽321配合将抵接杆32的位置进行
固定，此时第一弹簧34处于压缩状态，第一弹簧34的弹力会驱使地震波触发器35紧密抵接地面。
43.如图2和图4所示，在本实施例中，地震波接收装置4包括：固定筒41、第二弹簧42和地震波接收器43。其中，固定筒41的下端敞口，固定筒41设置在定位套筒31的下端外侧，固定筒41的长度小于定位套筒31，固定筒41的下端面与定位套筒31的下端面齐平，第二弹簧42和地震波接收器43设置在固定筒41内，第二弹簧42的一端固定在固定筒41上，另一端与地震波接收器43连接。在固定筒41未抵接地面时，地震波接收器43会部分伸出固定筒41，当固定筒41抵接地面时，地震波接收器43会压入至固定筒41内，此时第二弹簧42处于压缩状态，第二弹簧42会驱使地震波接收器43紧密抵接地面。
44.在本实施例中，地震波触发器35和地震波接收器43紧邻设置，这样地震波接收器43能接收地震波触发器35经地下反射后的地震波。在本实施例中，地震波激发装置3和地震波接收装置4等弧距设置有三个、四个或五个。
45.在本实施例中，定位套筒31和固定筒41均采用金属材料制成，优先为钢材料制成。固定筒41和定位套筒31通过卡槽和卡块44径向卡接装配。如固定筒41上凸设有卡块44，定位套筒31的外壁设有卡槽，卡块44径向卡入至卡槽内，这样固定筒41相对于定位套筒31在轴向上和径向上均进行了固定。当然，卡块44也可以设置在固定筒41上，卡槽设置在定位套筒31上。
46.在本实施例中，中控系统5设置在一个绝缘盒内，这样设置的目的是保证中控系统5处于一个良好的环境内，不会受到外界异常电流的影响。地震波触发器35和地震波接收器43的外周均设置绝缘保护套，这样设置的目的是避免异常电流干扰以及摩擦损坏。
47.在本实施中，如图5所示，钻进平台1上设有储蓄电源7，储蓄电源7可以为锂电池等常规移动电源，用于提供电力。
48.在本实施例中，钻进平台1上可以设置多个支撑腿，支撑腿上设置滚轮，从而方便进行位置调整。钻进平台1上设置提手或吊环，方便搬运该装置。
49.在本实施例中，中控系统5为常规的控制系统，一般包括信号发射器、智能主板、电池、控制接口模块和信号存储模块。信号发射器、控制接口模块、信号存储模块均与智能主板通过导线连接，电池与其他部分通过导线连接。信号发射器的主要作用为：智能主板的工作指令由信号发射器发出；智能主板的主要作用为：控制钻机22的转速，升降装置21的下降速度以及控制地震波触发器35激发的地震波的频率以及对地震波数据进行成像处理等，通过中控系统5对地震波数据进行处理，并在操作显示屏6上完成地震波成像，根据成像结果进一步指导取样区域选取，据根不同取样区域成像的结果模拟出一定大范围区域稀土风化层内部结构；控制接口模块的主要作用为：统一调控各个地震波触发器35、地震波接收器43与智能主板之间的数据传输接口；信号存储模块的主要作用为：智能主板的所有工作信息储存在信号储存模块中。
50.其中，地震波成像原理可以参考现有的三维地震波探测仪tsp-3d设备；该探测仪通过激发震源点所产生的地震波信号沿垂直方向以球面波的形式向前传播，当地震波前方异常体时产生反射波(x,y,z)，从而得到大量的三维数据组，来预测取样区域地质赋存空间结构以及分布情况。
51.需说明的是，地震波触发器35以及地震波接收器43均可采用市面上的产品，且由
于选取地震波成像方法丰富，可自行选取一种或者多种成像方法，并入中控系统5内即可，这里不再对成像原理进行详细赘述。
52.在本实施例中，还提供一种稀土矿风化层原位保真取样方法，该方法基于上述的稀土矿风化层原位保真取样装置实现，该方法包括以下步骤：
53.s1、根据取样作业区域确定取样初始位置。
54.s2、将该装置移动至取样初始位置，并使地震波激发装置3和地震波接收装置4均与地表接触；其中，定位套筒31用于起到支撑作用，地震波触发器35在第一弹簧34的弹力下紧密抵接地面，地震波接收器43在第二弹簧42的弹力下紧密抵接地面。
55.s3、工作人员通过操作显示屏6进行操作，并在中控系统5的控制作用下，地震波激发装置3向地面内部发出地震波，地震波接收装置4接收地下反射的地震波，并将地震波数据反馈给中控系统5；
56.s4、中控系统5根据接收的地震波数据进行地震波成像，识别取样作业区域周围的风化层结构。
57.s5、中控系统5将地震波成像结构在操作显示屏6上进行显示，工作人员根据地震波成像结果，决定是否选取原位取样位置；若该取样初始位置符合取样要求则进行步骤s6，若该取样初始位置不符合取样要求，则重复步骤s1，重新选择一个新的取样初始位置；不符合要求一般指地下有大矿块或岩石等影响取样真实性的情况。
58.s6、确定原位取样位置后，中控系统5控制钻孔取样装置2进行钻孔取样；在升降装置21的作用下驱使钻机22下降，钻进工作带动钻进筒24和切削刀25进行旋转，实现钻进取样。达到取样深度后，升降装置21驱使钻机22上升，将钻进筒24和切削刀25从地下退出，取出土样，则完成一次取样。
59.s7、重复步骤s1-s6，直至完成所有的取样作业。
60.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种稀土矿风化层原位保真取样装置，其特征在于，包括：钻进平台(1)、钻孔取样装置(2)、地震波激发装置(3)、地震波接收装置(4)、中控系统(5)和操作显示屏(6)，所述钻孔取样装置(2)设置在所述钻进平台(1)的中心，所述地震波激发装置(3)和所述地震波接收装置(4)围绕所述钻孔取样装置(2)设置多个，所述钻孔取样装置(2)、地震波激发装置(3)和地震波接收装置(4)、操作显示屏(6)均与所述中控系统(5)电连接。2.如权利要求1所述的稀土矿风化层原位保真取样装置，其特征在于：所述钻孔取样装置(2)包括：升降装置(21)、钻机(22)、转接头(23)、钻进筒(24)和切削刀(25)；所述升降装置(21)设置在所述钻进平台(1)上，所述钻机(22)设置在所述升降装置(21)上，所述转接头(23)设置在所述钻机(22)上，所述钻进筒(24)的一端与所述转接头(23)连接，另一端安装所述切削刀(25)。3.如权利要求2所述的稀土矿风化层原位保真取样装置，其特征在于：所述转接头(23)和所述钻进筒(24)卡接，所述切削刀(25)为环形切削刀且切削端呈中空圆锥状。4.如权利要求3所述的稀土矿风化层原位保真取样装置，其特征在于：所述升降装置(21)为竖直设置在所述钻进平台(1)上的丝杆组件，所述钻机(22)固定在所述丝杆组件的滑块上；或者，所述升降装置(21)包括：龙门架和设置在龙门架上的直线驱动器，所述直线驱动器与所述钻机(22)连接；所述直线驱动为气缸、液压缸或电动推杆。5.如权利要求1-4中任一项所述的稀土矿风化层原位保真取样装置，其特征在于：所述的地震波激发装置(3)包括：定位套筒(31)、抵接杆(32)、旋转卡扣(33)、第一弹簧(34)和地震波触发器(35)，所述第一弹簧(34)的一端与所述抵接杆(32)连接，另一端与所述地震波触发器(35)连接，所述抵接杆(32)、第一弹簧(34)和所述地震波触发器(35)均活动式设置在所述定位套筒(31)内，所述定位套筒(31)的一端固定在所述钻进平台(1)上，另一端支撑在地面上，所述定位套筒(31)远离地面的一端上设有旋转卡扣(33)，所述旋转卡扣(33)与所述抵接杆(32)配合以使所述抵接杆(32)稳定的停留在当前位置。6.如权利要求5所述的稀土矿风化层原位保真取样装置，其特征在于：所述地震波接收装置(4)包括：固定筒(41)、第二弹簧(42)和地震波接收器(43)；所述固定筒(41)的下端敞口，所述固定筒(41)设置在所述定位套筒(31)的下端外侧，所述第二弹簧(42)和所述地震波接收器(43)设置在所述固定筒(41)内，所述第二弹簧(42)的一端固定在所述固定筒(41)上，另一端与所述地震波接收器(43)连接。7.如权利要求6所述的稀土矿风化层原位保真取样装置，其特征在于：定位套筒(31)和固定筒(41)均采用金属材料制成；所述固定筒(41)和所述定位套筒(31)通过卡槽和卡块(44)径向卡接装配。8.如权利要求7所述的稀土矿风化层原位保真取样装置，其特征在于：所述中控系统(5)设置在一个绝缘盒内，所述地震波触发器(35)和所述地震波接收器(43)的外周均设置绝缘保护套。9.如权利要求8所述的稀土矿风化层原位保真取样装置，其特征在于：钻进平台(1)上设有储蓄电源(7)。10.一种稀土矿风化层原位保真取样方法，其特征在于，基于如权利要求1-9中任一项所述的稀土矿风化层原位保真取样装置，所述方法包括以下步骤：s1、根据取样作业区域确定取样初始位置；
s2、将该装置移动至取样初始位置，并使地震波激发装置(3)和地震波接收装置(4)均与地表接触；s3、在中控系统(5)的控制作用下，地震波激发装置(3)向地面发出地震波，地震波接收装置(4)接收地下反射的地震波，并将地震波数据反馈给中控系统(5)；s4、中控系统(5)根据接收的地震波数据进行地震波成像，识别取样作业区域周围的风化层结构；s5、工作人员根据在操作显示屏上显示的地震波成像结果决定是否选取原位取样位置；若该取样初始位置符合取样要求则进行步骤s6，若该取样初始位置不符合取样要求，则重复步骤s1，重新选择一个新的取样初始位置；s6、中控系统控制钻孔取样装置(2)进行钻孔取样；s7、重复步骤s1-s6，直至完成所有的取样作业。

技术总结
本申请涉及稀土矿取样技术领域，提供一种稀土矿风化层原位保真取样装置及方法，该稀土矿风化层原位保真取样装置包括：钻进平台、钻孔取样装置、地震波激发装置、地震波接收装置、中控系统和操作显示屏，所述钻孔取样装置设置在所述钻进平台的中心，所述地震波激发装置和所述地震波接收装置围绕所述钻孔取样装置设置多个，所述钻孔取样装置、地震波激发装置和地震波接收装置、操作显示屏均与所述中控系统电连接。通过快速采集分析待取样区域的地震波数据，反演出待取样区域的风化层结构组成，根据成像结果对取样作业区域进行调整，一次性完成取样，既保证了取样真实性，又避免破坏稀土的原状结构。的原状结构。的原状结构。


技术研发人员：董陇军 刘传政 王宏伟
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/22