[發明專利]周緣熔融氣化和靜態破裂相結合的全斷面激光掘進方法

在審

• 申請號: 202010810851.8
• 申請日: 2020-08-13
• 公開（公告）號: CN112096402A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 文國軍;吳玲玲;王玉丹;官東林;羅耀坤
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: E21D9/10
• 分類號: E21D9/10;E21D9/11;E21F17/00
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 孔燦

本發明提供了一種周緣熔融氣化和靜態破裂相結合的全斷面激光掘進方法，采用激光周緣熔融氣化與靜態破裂相結合的方法，利用激光鉆機的高功率激光束沿著隧道(巷道)邊緣切割出斷面輪廓槽，形成臨空面，然后在斷面內鉆適量孔進行靜態破裂，移除巖塊巖屑后形成隧道(巷道)斷面，如此循環進尺可掘進隧道(巷道)。激光鉆機包括激光器、氣體循環系統、激光鉆頭運動控制裝置及輔助裝置。激光器和循環氣體等通過光纖、氣體管道和控制線控制設備并輸送激光束及循環氣體進入隧道(巷道)內。本發明的有益效果是：施工輪廓清晰，不產生超挖、欠挖，非爆破式掘進，對地層破壞小，對周邊環境影響小，無振動和噪音，方法結構簡單、操作簡便、易于實現自動化。

技術領域

本發明涉及隧道或巷道鉆進領域，尤其涉及一種周緣熔融氣化和靜態破裂相結合的全斷面激光掘進方法。

背景技術

激光鉆機因其高效率、低污染、易于自動化等特點成為鉆井領域研究熱點，但受大功率激光器發展的影響，其應用于實際隧道或巷道或隧道掘進尚需時日，因此相應的鉆進工藝更是缺乏。這里提供一種周緣熔融氣化和靜態破裂相結合的全斷面激光掘進工藝方法，所述方法能夠充分利用激光鉆機復雜軌跡成孔靈活性和快速性，同時結合解壓劈裂工藝，能夠極大程度提高掘進面巖土去除率，所述方法施工輪廓清晰，不產生超挖、欠挖，非爆破式掘進，對地層破壞小。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種周緣熔融氣化和靜態破裂相結合的全斷面激光掘進方法，利用激光鉆機、靜態破裂機和移動底座進行實施；所述激光鉆機包括激光器、激光頭運動控制裝置、激光鉆頭、氣體循環系統及輔助裝置，所述激光頭運動控制裝置包括方向控制系統，所述方向控制系統包括機械臂或滑臺；所述靜態破裂機包括液壓動力站或膨脹劑、運輸架、劈裂槍和高壓液壓連接裝置；所述運輸架安裝在移動底座上；主要包括以下步驟：

S1：根據巖層情況調整激光器工藝參數和循環氣體工藝參數，所述激光器工藝參數包括激光功率、激光光斑大小、離焦量、照射時間和調制頻率，所述循環氣體工藝參數包括氣體種類、流速或壓力、與激光束同軸或旁軸、射流方向和環繞方式；

S2：規劃機械臂或滑臺末端的移動軌跡和位姿，包括起始位置、移動速度和沿軌跡運動的重復次數；

S3：采用周緣熔融氣化方法，使激光鉆機發射的激光束沿機械臂或滑臺規劃的閉環軌跡照射硐壁邊緣，熔融或氣化巖石，通過循環氣體將熔融物或巖屑帶出后形成拱形割縫，然后關閉該激光鉆機；

S4：采用靜態破裂方法，在拱形割縫的斷面內鉆出一定量劈裂孔；

S5：將劈裂槍插入劈裂孔中或在劈裂孔中裝入膨脹劑，進而在內部高壓的作用下將巖石劈裂；

S6：將碎的巖塊運出隧道或巷道；

S7：重復上述操作即可掘進隧道或巷道。

進一步地，所述激光鉆頭安裝在所述激光頭運動控制裝置上，具體安裝在多自由度機械臂或滑軌多坐標軸滑臺末端，用于實現該激光鉆頭在空間位置以任一姿態的自由運動。

進一步地，所述激光束經由光纖傳送至激光鉆頭，實現空間運動，所述空間運動為隧道或巷道拱形曲線或其他形狀。

進一步地，所述周緣熔融氣化方法是指利用激光鉆頭的運動使激光束沿一定的閉環軌跡照射巖石使其熔融或者氣化，再通過循環氣體將熔融物或巖屑從孔底帶出形成拱形割縫；所述拱形割縫作為靜態破裂的臨空面，該拱形割縫的深度通過延長激光較長時間照射或者多次重復照射實現，所述拱形割縫的寬度由激光光斑直徑決定，可通過擴大激光運動軌跡來加寬拱形割縫寬度。

進一步地，所述靜態破裂方法是指在拱形割縫斷面上鉆取若干一定直徑和深度的劈裂孔，將劈裂槍插入劈裂孔中或在劈裂孔中裝入膨脹劑，將巖塊劈裂。

進一步地，所述劈裂孔利用激光束照射破碎、融化或氣化巖石形成或者利用傳統的旋轉鉆進方式形成。