自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统及破岩方法技术方案

本发明专利技术公开了一种自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统及破岩方法，包括试验釜，待破碎岩样设置在试验釜中；检测装置，其包括硬度计和声发射传感器，所述硬度计以及声发射传感器均与待破碎岩样相对设置；激光发生装置，其包括激光发生器和激光头，激光头与待破碎岩样相对设置；液态二氧化碳射流发生装置，其包括液态二氧化碳泵站和自激振荡脉冲喷嘴，所述自激振荡脉冲喷嘴与待破碎岩样相对设置；控制装置，其与硬度计、声发射传感器、激光发生装置以及液态二氧化碳射流发生装置电性连接。能够模拟地下岩石所处的压力温度状态，检测岩石性质，匹配最优破岩参数，利用自激振荡脉冲液态二氧化碳射流抑制激光的二次效应，实现岩石的高效破碎。石的高效破碎。石的高效破碎。

【技术实现步骤摘要】
自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统及破岩方法


[0001]本专利技术属于复合加工破岩的
，具体涉及一种液态二氧化碳协同激光破岩试验系统及岩石破碎方法。

技术介绍

[0002]破岩技术广泛应用在我国各个工业领域，如油气开采、勘探钻井、地铁交通隧道建设工程。随着我国工业化的不断发展，破岩技术也在不断进步，从最初的钻爆法破岩到机械破岩法，再发展到如今激光特种加工破岩方法等等。
[0003]单一的激光破岩方法是利用激光技术产生高能激光聚焦到岩石表面，使岩石在局部高温作用下产生热爆裂并发生弱化、碎化、熔化和汽化，然后利用高速辅助气流将其清除，是一种非机械接触式破岩方法。在激光破岩过程中，随着辐射时间的增加，岩石在达到熔点之前其热破碎效率最高；随着进一步增加辐射时间，岩石会开始熔化甚至蒸发，更多的激光能量用于岩石的熔化和蒸发，同时孔道内杂物排出的效率降低，大量的能量被孔内杂质吸收、反射和散射，造成一定的能量损失，降低了激光破岩效率。岩石一般位于地下较深位置，处于高温高压的状态环境，此外，岩石的性质如硬度、表观形貌也会对破岩效率产生很大的影响。因此，有必要提出一种考虑激光破岩的二次效应以及岩石环境状态和性质的试验性破岩方法及系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统，该系统能够模拟地下岩石所处的压力温度状态，检测岩石性质，匹配最优破岩参数，利用自激振荡脉冲液态二氧化碳射流抑制激光的二次效应，实现岩石的高效破碎。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统，其特征在于，包括试验釜、检测装置、激光发生装置以及液态二氧化碳射流发生装置，其中，
[0007]试验釜，待破碎岩样设置在试验釜中；
[0008]检测装置，其包括硬度计和声发射传感器，所述硬度计以及声发射传感器均与待破碎岩样相对设置，其中，所述硬度计用于检测岩石工件硬度，所述声发射传感器用于检测岩石工件表面形貌以及内部结构；
[0009]激光发生装置，其包括激光发生器和激光头，所述激光头与待破碎岩样相对设置且其用于聚焦激光并辐射待破碎岩样表面；
[0010]液态二氧化碳射流发生装置，其包括液态二氧化碳泵站和自激振荡脉冲喷嘴，所述自激振荡脉冲喷嘴与待破碎岩样相对设置且其用于产生高压液态二氧化碳射流；
[0011]控制装置，其与硬度计、声发射传感器、激光发生装置以及液态二氧化碳射流发生装置电性连接。
[0012]进一步地，所述试验釜包括釜体、设置在釜体两相对侧壁上且用于对待破碎岩样加压的加压装置以及设置在釜体内且用于对待破碎岩样进行加热的加热装置。
[0013]进一步地，所述加压装置包括设置在釜体侧壁上的液压缸以及与液压缸垂直连接的加压板，在加压时，所述液压缸推动加压板对待破碎岩样加压。
[0014]进一步地，所述加热装置为U形加热板。
[0015]进一步地，所述自激振荡脉冲喷嘴包括第一喷嘴体、可上下活动地设置在第一喷嘴体中的第二喷嘴体、推动第二喷嘴体在第一喷嘴体中上下移动的驱动装置，其中，第一喷嘴体还通过固定肋与液态二氧化碳泵站固接，所述驱动装置也与液态二氧化碳泵站固接。
[0016]进一步地，在第一喷嘴体和第二喷嘴体轴线方向均设置有供液体喷出的喷射孔，并且在所述第一喷嘴体轴向方向设置有第一腔体以及与第一腔体连接的第二腔体，其中，第一腔体内径小于第二腔体内径，第二喷嘴体包括与第一腔体适配的第一柱体以及与第一柱体一体成型且与第二腔体适配的第二柱体，第一柱体可上下移动地穿设在第一腔体中，第二柱体可上下移动地穿设在第二腔体中，第二喷嘴体在第一喷嘴体中上下运动的过程改变了喷嘴孔的总长度。
[0017]进一步地，所述驱动装置包括与液态二氧化碳泵站通过支撑架连接的电机、与电机输出轴轴接的丝杠、与丝杠通过螺纹连接的滑块以及一端与滑块铰接、另一端与第二喷嘴体铰接的连杆。
[0018]本专利技术的另一个目的时提供一种根据上述的自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统的破岩方法，包括如下步骤：
[0019]S1：将待破碎岩样放置在试验釜底部；
[0020]S2：控制装置控制硬度计和声发射传感器在待破碎岩样表面移动，检测待破碎岩样的硬度和表面微观形貌并将结果传递给控制装置；
[0021]S3：控制装置根据检测系统的检测结果，确定待破碎岩样的薄弱位置并控制激光头和自激振荡脉冲喷嘴抵达该位置，同时控制装置为激光发生器提供最优的破岩参数，且为液态二氧化碳泵站提供最优的工作参数；
[0022]S4：控制装置控制自激振荡脉冲喷嘴处于最佳的工作长度；
[0023]S5：对待破碎岩样进行加热，达到指定温度后停止加热；
[0024]S6：在X、Y、Z三个方向对待破碎岩样施加压力；
[0025]S7：启动激光发生器，以控制装置提供的破岩参数对岩石工件表面的薄弱位置进行破岩，经过时间T1后，关闭激光发生器；
[0026]S8：启动液态二氧化碳泵站，以步骤S3中确定的射流参数对破岩位置产生的碎屑和熔融物进行清除并降低破岩位置的温度，经过时间T2后，关闭液态二氧化碳泵站；
[0027]S9：经过第一次激光
‑
自激振荡脉冲液态二氧化碳的破岩，焦距D1和靶距d1均有所增大，调节激光头和自激振荡脉冲喷嘴距离岩石表面的高度，使得焦距D1和靶距d1保持不变；
[0028]S10：重复步骤S7至S9，直至岩石工件破碎完成。
[0029]进一步地，最优的破岩参数包括但不限于激光功率E、辐射时间T1、激光波长λ、焦距D1。
[0030]进一步地，最优的工作参数包括但不限于射流压力P、靶距d1、射流时间T2、自激振
荡脉冲喷嘴腔长L。
[0031]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0032](1)本专利技术在破岩前利用检测系统对岩石进行检测，寻找岩石的薄弱位置，根据岩石的硬度属性提供最优的破岩参数，并能够模拟地底岩石所处的压力温度状态；
[0033](2)本专利技术在激光与液态二氧化碳射流联合破岩的基础上，引入自激振荡脉冲射流，与普通射流相比，自激振荡脉冲射流冲击压力更大，同时利用液态二氧化碳冲击岩石瞬间产生的巨大温差以及相变膨胀产生的强冲击对岩石进行二次致裂，大大提高了破岩效率；
[0034](3)本专利技术液态二氧化碳射流冲击岩石表面后可以对激光破碎后的熔渣进行清除并降低岩石温度，使得后续激光岩石致裂更易实现；
[0035](4)本专利技术自激振荡脉冲喷嘴的喷射孔总长度可以根据岩样的表面形貌以及内部结构进行调节，从而将连续射流转变为强烈的脉冲射流，增强射流破岩能力。
附图说明
[0036]图1是本专利技术实施例自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统的结构示意图。
[0037]图2是本专利技术实施例试验釜的结构示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统，其特征在于，包括试验釜、检测装置、激光发生装置以及液态二氧化碳射流发生装置，其中，试验釜，待破碎岩样设置在试验釜中；检测装置，其包括硬度计和声发射传感器，所述硬度计以及声发射传感器均与待破碎岩样相对设置，其中，所述硬度计用于检测岩石工件硬度，所述声发射传感器用于检测岩石工件表面形貌以及内部结构；激光发生装置，其包括激光发生器和激光头，所述激光头与待破碎岩样相对设置且其用于聚焦激光并辐射待破碎岩样表面；液态二氧化碳射流发生装置，其包括液态二氧化碳泵站和自激振荡脉冲喷嘴，所述自激振荡脉冲喷嘴与待破碎岩样相对设置且其用于产生高压液态二氧化碳射流；控制装置，其与硬度计、声发射传感器、激光发生装置以及液态二氧化碳射流发生装置电性连接。2.根据权利要求1所述的自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统，其特征在于，所述试验釜包括釜体、设置在釜体两相对侧壁上且用于对待破碎岩样加压的加压装置以及设置在釜体内且用于对待破碎岩样进行加热的加热装置。3.根据权利要求1所述的自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统，其特征在于，所述加压装置包括设置在釜体侧壁上的液压缸以及与液压缸垂直连接的加压板，在加压时，所述液压缸推动加压板对待破碎岩样加压。4.根据权利要求1所述的自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统，其特征在于，所述加热装置为U形加热板。5.根据权利要求1所述的自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统，其特征在于，所述自激振荡脉冲喷嘴包括第一喷嘴体、可上下活动地设置在第一喷嘴体中的第二喷嘴体、推动第二喷嘴体在第一喷嘴体中上下移动的驱动装置，其中，第一喷嘴体还通过固定肋与液态二氧化碳泵站固接，所述驱动装置也与液态二氧化碳泵站固接。6.根据权利要求5所述的自激振荡脉冲液态二氧化碳协同激光破岩系统，其特征在于，在第一喷嘴体和第二喷嘴体轴线方向均设置有供液体喷出的喷射孔，并且在所述第一喷嘴体轴向方向设置有第一腔体以及与第一腔体连接的第二腔体，其中，第一腔体内径小于第二腔体内径，第二喷嘴体包括与第一腔体适配的第一柱体以及与第一柱体一体成型且与第二腔体适配的第二柱体，第一柱体可上下移动地穿设在第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李登，孙硕，康勇，王晓笋，张海涛，樊辰星，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：