一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统及方法，该系统包括激光钻机和静态破裂设备；所述激光钻机包括用于产生激光束的激光器、气体辅助装置和激光头运动控制装置，所述激光头运动装置包括激光头、用于控制激光头空间运动方向的方向控制装置和可调节高度的移动小车底座；所述静态破裂设备包括液压劈裂机或采用膨胀剂的装置，在将所述静态破裂设备插入到设在岩石上的若干个劈裂孔或填充膨胀剂后，基于岩石内部产生高压，进而破碎岩石。本发明专利技术结合中心孔取心和静态破裂方法对现有的掘进钻孔系统进行改进，其结构简单、操作简便且易于实现自动化，可以有效的提高相关技术人员的工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统及方法
本专利技术涉及激光掘进领域，更具体地说，涉及一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统及方法。
技术介绍
激光钻机因其高效率、低污染、易于自动化等特点成为钻井领域研究热点，但受大功率激光器发展的影响，其应用于实际平硐或隧道掘进尚需时日，因此相应的钻进工艺更是缺乏。这里提供一种中心孔取心和静态破裂相结合的全断面激光掘进工艺方法，所述方法能够充分利用激光钻机复杂轨迹成孔灵活性和快速性，同时结合解压劈裂工艺，能够极大程度提高掘进面岩土去除率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的掘进面岩土去除率低的缺陷，提供一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统及方法。本专利技术第一方面为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，包括激光钻机和静态破裂设备；所述激光钻机包括用于产生激光束的激光器、气体辅助装置和激光头运动控制装置，所述激光头运动装置包括激光头、用于控制激光头空间运动方向的方向控制装置和可调节高度的移动小车底座；所述静态破裂设备包括液压劈裂机或采用膨胀剂的装置，在将所述静态破裂设备劈裂枪插入到设在岩石上的若干个劈裂孔或装填膨胀剂后，基于岩石内部产生高压，进而破碎岩石。本专利技术另一方面公开的一种利用本专利技术第一方面公开的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统的全断面激光掘进方法，包括以下步骤：S1、确定采掘地，设定激光工艺和辅助气体工艺参数；>S2、规划方向控制装置的移动路径；S3、启动激光钻机，当激光头接收到激光束后，在方向控制装置的作用下沿着先前规划好的移动路径照射指定的掘进面后，采用中心孔取心的方法，将切出的岩心取出后形成中心孔，将中心孔作为临空面；S4、采用静态破裂方法，沿着硐壁边缘钻取多个劈裂孔；S5：将液压劈裂机劈裂枪插入劈裂孔中，或往劈裂孔中装入膨胀剂，使岩石内部产生高压从而破裂；S6：重复步骤S3-步骤S5，在依次进行层层掘进后，形成平硐或隧道实施本专利技术的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统及方法，具有以下有益效果：1、根据激光钻机掘进特点设计，为激光钻机应用于平硐或隧道掘进早日实现助力；2、能够灵活创造临空面，且可实现临空面形状多样化；3、激光在熔融气化岩石时对地层影响小，且利用静态破裂方法有效的提高了岩石的劈裂效率。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进方法的一个实施例的流程图；图2是本专利技术一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进方法下的中心孔取心的方法流程图；图3是岩石上形成的劈裂孔的分布图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。本专利技术公开的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，包括激光钻机和静态破裂设备；其中：激光钻机包括用于产生激光束的激光器、气体辅助装置和激光头运动控制装置，激光头运动装置包括激光头和用于控制激光头空间运动方向的方向控制装置和可调节高度的移动小车底座；为实现激光束的远距离传输，本实施例中，激光器是通过光纤连接到激光头，其中，由激光器产生的激光束经由光纤传输到激光头。需要说明的是，为了能够实现对激光头空间运动方向的控制，本实施例中考虑使用机械臂或滑台实现上述技术效果，而激光头安装在机械臂终端或滑台的末端，机械臂或滑轨安装在可调节高度的移动小车底座上。静态破裂设备包括液压劈裂机或采用膨胀剂的装置，在将静态破裂设备劈裂枪插入到设在岩石上的若干个劈裂孔或装填膨胀剂后，基于岩石内部产生的高压，进而破碎岩石。为了实现对激光钻孔内产物的排出，本实施例的激光钻机还包括气体循环系统和相关辅助装置；其中：气体产生循环系统，用于起清孔作用；具体的：气体产生循环系统中包括气体管道、气体喷嘴、气体产生装置和气路系统，其中，气体产生装置通过气体管道连接到气体喷嘴，为了达到清孔的目的，气体喷嘴设置于激光钻头周围，气体喷嘴连接到气路系统；当气体产生装置产生压缩气体，并通过气体管道输送产生的压缩气体到气体喷嘴后，通过气路系统来输送高压循环气体到激光钻孔孔内，从而将激光钻孔产物的排出孔外；所述相关辅助装置包括人机安全辅助设备。本专利技术的另一个实施例，请参考图1，其为本专利技术公开的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进方法的一个实施例的流程图，包括以下步骤：S100、确定采掘地，设定激光和辅助气体工艺参数；需要说明的是，设定的激光和辅助气体工艺参数包括但不限于以下几种：激光能量密度、光斑大小、照射距离、照射时间、吹扫气体种类及流速/压力。S200、规划方向控制装置的移动路径；具体的，规划方向控制装置的移动路径即为规划机械臂终端或滑轨末端的移动轨迹，具体的移动轨迹包括起始位置、移动速度、沿轨迹运动的重复次数等。S300、启动激光钻机，当激光头接收到激光束后，沿着先前规划好的移动路径照射到指定的掘进面后，采用中心孔取心的方法，将切出的岩心取出后形成中心孔，将中心孔作为临空面。需要说明的是，中心孔取心即指利用激光头的运动使激光束能够沿着圆环轨迹在照射岩石后，使其熔融或者气化，再通过吹扫气体将熔融物或岩屑从孔底带出形成圆环割缝，将环切出的岩心取出后，即完成静态破裂技术的临空面。对于切割得到的割缝深度和割缝宽度，本实施例基于以下规则确定：1、基于中心孔取心切割到的割缝的深度即可以通过延长激光的照射时间，也可以设定激光的重复照射次数来实现。2、基于中心孔取心切割到的割缝的宽度即可由激光光斑的直径决定，也可通过扩大或缩小激光的运动轨迹来加宽或减小割缝宽度。然而，在取出岩心的时候采用的方式也不限于以下几种：1、用改变激光头的运动方向进行取出；2、传统取心方法取出。S400、沿着硐壁边缘钻取多个劈裂孔；形成的劈裂孔的分布情况可参考图3，图3中“1”指示的黑体为中心孔所在的位置，“2”指示的黑体为劈裂孔所在的位置，需要说明的是每个劈裂孔的大小保持一致。请参考图2，其为本专利技术一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进方法的中心孔取心的方法流程图，在实施步骤S400时具体包括以下子步骤：S410、在掘进面的内部钻取多个劈裂孔；其中：劈裂孔的数量按照拱形断面大小、岩层可钻性和运输能力进行定量设置。S420、利用激光照射破碎、融化岩石、气化岩石和/或利用旋转钻进的方法钻取劈裂孔。S500：将劈裂枪插入每个劈裂孔中或装入膨胀剂，岩石内部产生高压从而破裂；劈裂孔的分布须沿着硐壁边缘和掘进面内部，可将岩石沿着平硐或隧道截面劈裂出拱形断面，劈裂后的岩石成小块方便运输；劈裂孔的数量需综合考虑断面大小、岩层可钻性、劈裂机能力、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，包括激光钻机和静态破裂设备；/n所述激光钻机包括用于产生激光束的激光器、气体辅助装置和激光头运动控制装置，所述激光头运动装置包括激光头、用于控制激光头空间运动方向的方向控制装置和可调节高度的移动小车底座；/n所述静态破裂设备包括液压劈裂机或采用膨胀剂的装置，在将所述静态破裂设备插入到设在岩石上的若干个劈裂孔或填充膨胀剂后，基于岩石内部产生的高压，进而破碎岩石。/n

【技术特征摘要】
1.一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，包括激光钻机和静态破裂设备；
所述激光钻机包括用于产生激光束的激光器、气体辅助装置和激光头运动控制装置，所述激光头运动装置包括激光头、用于控制激光头空间运动方向的方向控制装置和可调节高度的移动小车底座；
所述静态破裂设备包括液压劈裂机或采用膨胀剂的装置，在将所述静态破裂设备插入到设在岩石上的若干个劈裂孔或填充膨胀剂后，基于岩石内部产生的高压，进而破碎岩石。


2.根据权利要求1所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，所述方向控制装置可为机械臂或滑轨。


3.根据权利要求2所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，所述激光头安装在机械臂终端或滑轨的末端；所述机械臂或滑轨安装在可调节高度的移动小车底座上。


4.根据权利要求1所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，所述激光器通过光纤连接到激光头，产生的激光束经由光纤传输到激光头。


5.根据权利要求1所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，所述激光钻机还包括气体循环系统和相关辅助装置；
所述气体产生循环系统，用于起清孔作用；
所述气体产生循环系统中包括气体管道、气体喷嘴和气体产生装置，所述气体产生装置通过气体管道连接到气体喷嘴；所述气体喷嘴设置于激光钻头周围；当气体产生装置产生压缩气体，并通过气体管道输送压缩气体到气体喷嘴后，通过所述气体产生循环系统内包括的气路系统来输送高压循环气体到激光钻孔孔内，从而将激光钻孔产物的排出孔外；
所述相关辅助装置包括人机安全辅助设备。


6.一种利用权利要求1-5所述的任意一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统的全断面激光掘进方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定采掘地，设定激光工艺和辅助气体工艺参数；
S2、规划方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：文国军，吴玲玲，王玉丹，官东林，罗耀坤，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42