[0001] 本发明属于土壤与地下水污染处理技术领域，具体来说，涉及一种高保真钻探采样装置及其采样方法。

[0002] 场地土壤与地下水污染状况调查的根本是采集土壤与地下水污染样品，而高保真样品采集是实现污染场地土壤与地下水污染状况精准调查的先决要素。

[0003] 现有的样品采集方法是利用一个空心钻具，里面装有上下连通的取样管，空心钻具下钻，取样管取得地下样品，待收集至目标深度样品后，将取样管拔出，用剖刀将样品管剖开，得到目标样品。然而，现有采样方法存在以下缺陷：（1）采样过程中地面以下除了土壤还会有地下水，现有采样技术钻探取样遇到含水较多的土层时，钻取出来的样品会含有大量地下水，地下水在取样管中会上下流动，会造成二次污染，同时会干扰取样管中土样成形，无法形成完整土柱，难以实现对地层结构的高度还原。（2）钻探过程因压缩与摩擦，会产生热量，钻具和样品的温度会升高。由于现有钻探取样方法中，样品收集装置未密封，样品中易挥发的有机污染物会随温度升高造成VOCs的逸散，难以反应土壤样品VOCs的真实污染情况。（3）现有样品采集管需利用剖刀剖管取样，费时费力，也存在安全隐患。

[0020] 下面对本发明的技术方案进行详细的说明。

[0021] 本发明实施例提供一种高保真钻探采样装置，如图1所示，包括钻具本体1和取样管2，钻具本体1的一端为锥形从而形成钻头。钻具本体1内设有贯穿钻具本体两端的采样腔。取样管2可拆卸安装在钻具本体1的采样腔中，取样管2的一端与回拔装置4连接。取样过程中，当还未到达目标钻取深度时，通过回拔装置4将装满样品的取样管从采样腔中拔出，再将新的空取样管2安装到采样腔中，以便继续下钻取样。取样管2的另一端设有取样口，取样口与采样腔的位于钻头一端的开口相对。取样管2的取样口处设有球阀3。当钻具本体1下钻时，地下样品经钻具本体1底端的开口进入取样管2的取样口，挤压取样口处的球阀3而进入取样管2中；回拔装置4将取样管2向上拔起时，取样管2中的球阀3不受挤压力作用后恢复到初始位置而密封取样口。

[0022] 钻具本体1包括同轴设置的内筒11和外筒12，内筒内腔形成采样腔，内筒与外筒之间形成圆环形的冷却腔13。冷却腔用于对安装在采样腔中的取样管进行冷却，同时也对钻具本体进行冷却。可将进入取样管内的地下样品中的地下水迅速被降温冷冻，使得地下样品形成完整土柱，防止地下水在取样管中流动导致二次污染；同时防止因钻具本体下钻过程中产生热量而导致地下样品中的挥发性有机物的逸散，保证采集得到的地下样品保持真实污染情况。

[0023] 一种优选结构，冷却腔的两端封闭，冷却腔13用于充入冷却介质，冷却腔的冷却介质进口131和冷却介质出口132与冷却循环装置连接。冷却介质可以是冷却水、不同比例的冷却乙醇与丙二醇、液氮或冷风等。冷却循环装置将冷却介质经冷却介质进口131输入冷却腔13中，冷却介质在冷却腔中与取样管和钻具本体进行热交换，使得取样管和钻具本体温度下降，吸收热量后的冷却介质再经冷却介质出口132流入冷却循环装置中，冷却介质被降温后再次输入冷却腔中，从而进行循环冷却。

[0024] 本实施例中，冷却介质直接通过内筒与取样管接触进行热交换，同时直接接触外筒进行热交换，冷却效果好。

[0025] 优选的，冷却介质进口131和冷却介质出口132分别位于冷却腔的两端，冷却腔内设有螺旋形的导叶片。冷却介质从冷却腔的一端输入冷却腔中，在螺旋形的导叶片的导流作用下，从冷却腔的一端向另一端螺旋式地流动，从而延长了在冷却腔中的冷却时间，防止冷却介质刚进入冷却腔不久又流入冷却循环装置，提高了冷却效果，进一步保证采集得到的地下样品能够保持真实污染情况。

[0026] 另一种优选结构，冷却腔的位于钻头的一端封闭，另一端开口。冷却腔内安装有冷却组件，冷却组件与内筒可拆卸连接。冷却组件可拆卸安装在冷却腔中，便于更换，可重复利用。

[0027] 优选的，如图2所示，冷却组件包括第一冷却体51和第二冷却体52，第一冷却体和第二冷却体均具有空腔，用于通入冷却介质。第一冷却体51的顶端设有冷却进口511，第二冷却体52的顶端设有冷却出口521，第一冷却体和第二冷却体的底端设有连接管53。冷却进口511和冷却出口521与冷却循环装置连接。冷却介质经冷却进口511输入第一冷却体的内腔中，由上向下流动，经连接管53流入第二冷却体的内腔中，再由下向上流动，经冷却出口521流入冷却循环装置中，冷却介质被降温后再次输入第一冷却体的内腔中，从而进行循环冷却。

[0028] 作为优选例，取样管2采用拉链式管。优选的，拉链式管包括两个半管体，两个半管体对接的两边均设有固定卡头，对接的两个固定卡头上设有适配的拉链扣条。固定卡头上设有卡槽，拉链扣条的两侧设有与卡槽适配的卡扣，从而拉链扣条与两个固定卡头连接，从而将两个半管体合在一起。

[0029] 本实施例中，取样管采用拉链式管，从取样管中取出地下样品时，可直接拆卸两个半管体对接处的拉链扣条，从而两个半管体分离，得到完整的柱状地下样品，无需采用剖刀剖开管体，操作方便且安全。

[0030] 上述优选实施例的高保真钻探采样装置的工作流程如下：将钻具本体1移动到目标钻取区域的地表，将取样管安装到钻具本体中。开启循环制冷装置，将取样管冷却至预设温度。

[0031] 驱动钻具本体1下钻，地下样品经钻具本体底端的开口进入取样管的取样口，挤压取样口处的球阀而进入取样管2中。钻具本体持续下钻，循环制冷装置持续工作以冷却取样管，使得取样管的温度稳定在预设温度。地下样品进入取样管后，迅速被降温，地下样品中的水被冷冻成冰，不会在取样管中流动，仍然处于原始高度，从而形成完整土柱。

[0032] 如果取样管2已满或钻具本体到达目标钻取深度，则钻具本体停止下钻。

[0033] 回拔装置4将取样管2向上拔起，取样管中的球阀3不受挤压力作用后恢复到初始位置而密封取样口。拔出取样管2，将取样管2两端加封堵头，对取样管定进行标记后低温环境储存。

[0034] 如果钻具本体未到达目标钻取深度，则将新的取样管安装到钻具本体1中，冷却循环装置持续工作将取样管冷却至预设温度，驱动钻具本体1继续下钻进行取样。

[0035] 如果钻具本体到达目标钻取深度，则冷却循环装置停止工作，驱动钻具本体上移，完成取样工作。

[0036] 将装有样品的取样管低温环境下运输至检测实验室。检测时，拆卸两个半管体对接处的拉链扣条，从而两个半管体分离，得到完整的柱状地下样品。

[0037] 本发明实施例还提供一种高保真钻探采样方法，采用上述高保真钻探采样装置。包括以下步骤：
步骤10，将钻具本体移动到目标钻取区域的地表，将取样管安装到钻具本体中，将取样管冷却至预设温度。优选的，预设温度为‑10～0℃。

[0038] 步骤20，驱动钻具本体下钻，地下样品经钻具本体底端的开口进入取样管的取样口，挤压取样口处的球阀而进入取样管中；钻具本体持续下钻，并持续冷却取样管，使得取样管的温度稳定在预设温度；如果取样管已满或钻具本体到达目标钻取深度，则钻具本体停止下钻，执行步骤30。

[0039] 步骤30，回拔装置将取样管向上拔起，取样管中的球阀不受挤压力作用后恢复到初始位置而密封取样口；拔出取样管，将取样管两端加封堵头，对取样管定进行标记后低温环境储存；如果钻具本体未到达目标钻取深度，则将新的取样管安装到钻具本体中，将取样管冷却至预设温度，执行步骤20；如果钻具本体到达目标钻取深度，则执行步骤40。

[0040] 步骤40，驱动钻具本体上移，完成取样。

[0041] 步骤50，将装有样品的取样管低温环境下运输至检测实验室。检测时，拆卸两个半管体对接处的拉链扣条，从而两个半管体分离，得到完整的柱状地下样品。

[0042] 优选的，本实施例采用直推方式驱动钻具本体下钻。钻具本体直推式下钻，不会对地下土壤进行扰动，有利于取样管中形成完整土柱，采样得到的土柱保持了原本层级结构，实现高保真采样。

[0043] 上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，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，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。