基于磨料浆体TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及方法，系统包括：高压水供给装置、磨料浆体供给装置和后混式磨料射流喷头装置，所述高压水供给装置、磨料浆体供给装置分别和所述后混式磨料射流喷头装置连接。高压水供给装置为整个系统提供高压水；磨料浆体供给装置为整个系统供给磨料浆体；磨料浆体和高压水通过后混式磨料射流喷头装置混合，形成磨料射流，从而辅助TBM滚刀破岩。本发明专利技术采用渣浆泵泵送磨料浆体至后混式磨料射流喷头装置，克服了干燥磨料的长距离密封传输困难问题，便于工业化应用，且杜绝了大量空气吸入混合腔，提高了磨料射流的汇聚性，提高了磨料射流的切割效果和工作效率，从而可提高磨料射流的辅助破岩能力。料射流的辅助破岩能力。料射流的辅助破岩能力。

【技术实现步骤摘要】
基于磨料浆体TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及方法


[0001]本专利技术涉及隧道施工
，特别涉及一种基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及方法。

技术介绍

[0002]TBM应对超硬岩的破岩效率一直是困扰TBM应用的共性难题，随着TBM的应用越来越广泛，该问题也越来越凸显。为克服现有设备存在的短板和痛点，解决超硬岩条件下“掘不动、掘进慢”等问题，亟需从破岩原理上实现TBM技术突破。水射流破岩技术是一种利用高压水冲击岩石并诱导岩石发生损伤的一种破岩方法，由于其具有高效、无尘、低热和低振动等优势，高压水射流辅助破岩技术在石油钻探、矿山开采和隧道开挖等领域被广泛应用。目前高压水射流辅助TBM破岩工业应用的最大工作压力在270MPa左右，而当岩石强度超过250MPa时，高压水射流的辅助破岩作用大大减弱，甚至起不到辅助破岩的作用。因此，优化改进TBM高压水射流辅助破岩技术迫在眉睫。
[0003]高压水射流中加入一定数量的磨料微粒，可大大提高高压水射流的冲击能力。磨料射流技术已较为成熟，但如何将磨料射流系统耦合于TBM系统，实现协同控制和稳定运行，是一个关键问题。在本专利技术之前，中国专利“一种磨料射流辅助机械破岩系统及方法(ZL 202011069014.0)”、“一种掘进机及其磨料射流辅助破岩装置(ZL 202011070045.8)”公开了一种磨料射流辅助TBM破岩的装置及系统，该系统将磨料罐放置于TBM滑车上，干燥的磨料需通过长距离的密封传输，才能到达刀盘中的射流喷嘴，长距离密封传输干燥的磨料是十分困难的。此外，后混式磨料射流中易吸入大量空气，造成磨料混合不均匀，射流汇聚性变差，从而影响射流的破岩效果。因此，如何将磨料射流系统有效耦合于TBM系统，实现工业化应用，是目前本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及方法，用以解决
技术介绍
提出的：将磨料罐放置于TBM滑车上，干燥的磨料需通过长距离的密封传输，才能到达刀盘中的射流喷嘴，长距离密封传输干燥的磨料十分困难的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，包括：高压水供给装置、磨料浆体供给装置和后混式磨料射流喷头装置，所述高压水供给装置、磨料浆体供给装置分别和所述后混式磨料射流喷头装置连接。
[0006]优选的，所述高压水供给装置包括依次连接的：水箱、水处理模块、高压泵组、高压管路、管接头、分流器；
[0007]所述磨料浆体供给装置包括：磨料浆体池、搅拌器、渣浆泵、调节阀、磨料浆体管路，所述磨料浆体池中设置搅拌器，所述渣浆泵入口连接所述磨料浆体池，所述渣浆泵出口经磨料浆体管路连接管接头；
[0008]所述管接头为双通道管接头，一个通道为高压水通道，连接所述高压管路，另一个
通道为磨料浆体通道，连接所述磨料浆体管路。
[0009]优选的，所述水处理模块包括：过滤单元和软化水单元；
[0010]所述水箱、水处理模块、高压泵组、磨料浆体池、渣浆泵均设置于TBM滑车上；所述磨料浆体管路上设置调节阀；
[0011]所述管接头设置于TBM内铠固定端与旋转刀盘之间。
[0012]优选的，磨料浆体的配制方案为：用甲基纤维素高聚合物添加剂，其含量为2
×
104mg/L，溶解于水中，形成表观粘度为12700mPa
·
s的溶液；磨料采用石榴石，粒径为53～57μm或75～106μm，磨料的质量浓度为105g/L；
[0013]或所述磨料浆体的配制方案为：高聚合物添加剂为聚丙烯酰胺，含量1.5
×
103mg/L，溶解于水中，制成的溶液表观粘度为1730～9300mPa
·
s；磨料采用石榴石，粒径为53～57μm或75～106μm，磨料的质量浓度为105g/L。
[0014]优选的，所述后混式磨料射流喷头装置设置于TBM刀盘上，所述后混式磨料射流喷头装置包括：高压水射流喷嘴、磨料浆体进口、混合腔和磨料射流喷嘴；所述混合腔上开设有磨料浆体进口，所述高压水射流喷嘴和磨料射流喷嘴分别与所述混合腔连接，所述高压水射流喷嘴与所述高压水供给装置的出水端连接，所述磨料浆体进口与所述磨料浆体供给装置的出料端连接。
[0015]优选的，所述高压水射流喷嘴选用宝石喷嘴，喷嘴直径由高压水供给装置中高压泵组的压力和流量来确定；
[0016]所述混合腔的尺寸由高压水射流喷嘴的结构来确定，混合腔的长度取高压水射流喷嘴直径的30～40倍，所述磨料浆体进口进入所述混合腔；
[0017]所述磨料射流喷嘴直径取高压水射流喷嘴直径的3～5倍，同时大于磨料粒径的3倍以上；所述磨料射流喷嘴距掌子面的距离取40～50mm。
[0018]优选的，所述搅拌器设置有检测模块，用于检测所述搅拌器的搅拌叶片是否发生变形，检测步骤包括：
[0019]获取搅拌叶片在正常工作时的第一振动信号以及温度变化值；
[0020]将所述第一振动信号以及温度变化值确认为搅拌叶片的正常工作向量；
[0021]根据所述第一振动信号以及搅拌叶片在搅拌器不同功率下的转动参数构建叶片旋转模型；
[0022]利用所述叶片旋转模型确定搅拌叶片在正常工作时的振动频率变化范围；
[0023]检测所述搅拌器中的当前温度和第二振动信号，确认所述当前温度是否在搅拌叶片的正常工作向量的温度变化范围内，若是，确认工作温度正常，否则，确认工作温度异常；
[0024]获取所述第二振动信号的当前振动频率，确认所述当前振动频率是否在振动频率变化范围内，若是，确认搅拌叶片工作参数正常，否者，确认搅拌叶片工作参数异常；
[0025]当确认搅拌叶片工作参数异常时，根据当前振动频率的变化确定搅拌叶片的动态模量变化值；
[0026]根据搅拌叶片的面积预先设置多个轮廓点，获取每个轮廓点的点云特征数据；
[0027]根据每个轮廓点的点云特征数据构建搅拌叶片的第一点云特征矩阵；
[0028]测试搅拌叶片在动态模量变化每个轮廓点的点云数据变化情况并根据其确定每个轮廓点的点云特征数据与搅拌叶片的动态模量变化之间的相关性系数；
[0029]根据每个轮廓点的点云特征数据与搅拌叶片的动态模量变化之间的相关性系数与搅拌叶片的动态模量变化值确定每个轮廓点的点云数据变化值；
[0030]根据每个轮廓点的点云特征数据变化值构建搅拌叶片的第二点云特征矩阵；
[0031]对所述第一点云特征矩阵和第二点云特征矩阵进行差值计算，获取残差矩阵，对残差矩阵中的矩阵因子的变化度进行统计，若所述变化度大于等于预设阈值，确认搅拌叶片已经发生变形，若所述变化度小于所述预设阈值，确认搅拌叶片未发生变形。
[0032]优选的，所述系统还包括：评估模块，用于根据磨料射流喷嘴喷射的磨料射流的流量和喷射压力评估其是否堵塞，当确认本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，其特征在于，包括：高压水供给装置、磨料浆体供给装置和后混式磨料射流喷头装置(12)，所述高压水供给装置、磨料浆体供给装置分别和所述后混式磨料射流喷头装置(12)连接。2.根据权利要求1所述的基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，其特征在于，所述高压水供给装置包括依次连接的：水箱(1)、水处理模块(2)、高压泵组(3)、高压管路(4)、管接头(5)、分流器(6)；所述磨料浆体供给装置包括：磨料浆体池(7)、搅拌器(8)、渣浆泵(9)、调节阀(11)、磨料浆体管路(10)，所述磨料浆体池(7)中设置搅拌器(8)，所述渣浆泵(9)入口连接所述磨料浆体池(7)，所述渣浆泵(9)出口经磨料浆体管路(10)连接管接头(5)；所述管接头(5)为双通道管接头(5)，一个通道为高压水通道，连接所述高压管路(4)，另一个通道为磨料浆体通道，连接所述磨料浆体管路(10)。3.根据权利要求2所述的基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，其特征在于，所述水处理模块(2)包括：过滤单元和软化水单元；所述水箱(1)、水处理模块(2)、高压泵组(3)、磨料浆体池(7)、渣浆泵(9)均设置于TBM滑车(13)上；所述磨料浆体管路(10)上设置调节阀(11)；所述管接头(5)设置于TBM内铠固定端与旋转刀盘之间。4.根据权利要求1所述的基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，其特征在于，磨料浆体的配制方案为：用甲基纤维素高聚合物添加剂，其含量为2
×
104mg/L，溶解于水中，形成表观粘度为12700mPa
·
s的溶液；磨料采用石榴石，粒径为53～57μm或75～106μm，磨料的质量浓度为105g/L；或所述磨料浆体的配制方案为：高聚合物添加剂为聚丙烯酰胺，含量1.5
×
103mg/L，溶解于水中，制成的溶液表观粘度为1730～9300mPa
·
s；磨料采用石榴石，粒径为53～57μm或75～106μm，磨料的质量浓度为105g/L。5.根据权利要求1所述的基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，其特征在于，所述后混式磨料射流喷头装置(12)设置于TBM刀盘(14)上，所述后混式磨料射流喷头装置(12)包括：高压水射流喷嘴(16)、磨料浆体进口(17)、混合腔(18)和磨料射流喷嘴(19)；所述混合腔(18)上开设有磨料浆体进口(17)，所述高压水射流喷嘴(16)和磨料射流喷嘴(19)分别与所述混合腔(18)连接，所述高压水射流喷嘴(16)与所述高压水供给装置的出水端连接，所述磨料浆体进口(17)与所述磨料浆体供给装置的出料端连接。6.根据权利要求5所述的基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，其特征在于，所述高压水射流喷嘴(16)选用宝石喷嘴，喷嘴直径由高压水供给装置中高压泵组(3)的压力和流量来确定；所述混合腔(18)的尺寸由高压水射流喷嘴(16)的结构来确定，混合腔(18)的长度取高压水射流喷嘴(16)直径的30～40倍，所述磨料浆体进口(17)进入所述混合腔(18)；所述磨料射流喷嘴(19)直径取高压水射流喷嘴(16)直径的3～5倍，同时大于磨料粒径的3倍以上；所述磨料射流喷嘴(19)距掌子面(15)的距离取40～50mm。7.根据权利要求2所述的基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，其特征在
于，所述搅拌器(8)设置有检测模块，用于检测所述搅拌器(8)的搅拌叶片是否发生变形，检测步骤包括：获取搅拌叶片在正常工作时的第一振动信号以及温度变化值；将所述第一振动信号以及温度变化值确认为搅拌叶片的正常工作向量；根据所述第一振动信号以及搅拌叶片在搅拌器(8)不同功率下的转动参数构建叶片旋转模型；利用所述叶片旋转模型确定搅拌叶片在正常工作时的振动频率变化范围；检测所述搅拌器(8)中的当前温度和第二振动信号，确认所述当前温度是否在搅拌叶片的正常工作向量的温度变化范围内，若是，确认工作温度正常，否则，确认工作温度异常；获取所述第二振动信号的当前振动频率，确认所述当前振动频率是否在振动频率变化范围内，若是，确认搅拌叶片工作参数正常，否者，确认搅拌叶片工作参数异常；当确认搅拌叶片工作参数异常时，根据当前振动频率的变化确定搅拌叶片的动态模量变化值；根据搅拌叶片的面积预先设置多个轮廓点，获取每个轮廓点的点云特征数据；根据每个轮廓点的点云特征数据构建搅拌叶片的第一点云特征矩阵；测试搅拌叶片在动态模量变化每个轮廓点的点云数据变化情况并根据其确定每个轮廓点的点云特征数据与搅拌叶片的动态模量变化之间的相关性系数；根据每个轮廓点的点云特征数据与搅拌叶片的动态模量变化之间的相关性系数与搅拌叶片的动态模量变化值确定每个轮廓点的点云数据变化值；根据每个轮廓点的点云特征数据变化值构建搅拌叶片的第二点云特征矩阵；对所述第一点云特征矩阵和第二点云特征矩阵进行差值计算，获取残差矩阵，对残差矩阵中的矩阵因子的变化度进行统计，若所述变化度大于等于预设阈值，确认搅拌叶片已经发生变形，若所述变化度小于所述预设阈值，确认搅拌叶片未发生变形。8.根据权利要求5所述的基于磨料浆体的TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，其特征在于，所述系统还包括：评估模块，用于根据磨料射流喷嘴(19)喷射的磨料射流的流量和喷射压力评估其是否堵塞，当确认是...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金良，杨风威，曹智国，李冰洋，苏伟林，
申请(专利权)人：黄河勘测规划设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：