[發明專利]一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進系統及方法

在審

• 申請號: 202010810998.7
• 申請日: 2020-08-13
• 公開（公告）號: CN112096410A
• 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: E21D9/11
• 分類號: E21D9/11;E21D9/10;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

1.一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進系統，其特征在于，包括激光鉆機和靜態破裂設備；

所述激光鉆機包括用于產生激光束的激光器、氣體輔助裝置和激光頭運動控制裝置，所述激光頭運動裝置包括激光頭、用于控制激光頭空間運動方向的方向控制裝置和可調節高度的移動小車底座；

所述靜態破裂設備包括液壓劈裂機或采用膨脹劑的裝置，在將所述靜態破裂設備插入到設在巖石上的若干個劈裂孔或填充膨脹劑后，基于巖石內部產生的高壓，進而破碎巖石。

2.根據權利要求1所述的一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進系統，其特征在于，所述方向控制裝置可為機械臂或滑軌。

3.根據權利要求2所述的一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進系統，其特征在于，所述激光頭安裝在機械臂終端或滑軌的末端；所述機械臂或滑軌安裝在可調節高度的移動小車底座上。

4.根據權利要求1所述的一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進系統，其特征在于，所述激光器通過光纖連接到激光頭，產生的激光束經由光纖傳輸到激光頭。

5.根據權利要求1所述的一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進系統，其特征在于，所述激光鉆機還包括氣體循環系統和相關輔助裝置；

所述氣體產生循環系統，用于起清孔作用；

所述氣體產生循環系統中包括氣體管道、氣體噴嘴和氣體產生裝置，所述氣體產生裝置通過氣體管道連接到氣體噴嘴；所述氣體噴嘴設置于激光鉆頭周圍；當氣體產生裝置產生壓縮氣體，并通過氣體管道輸送壓縮氣體到氣體噴嘴后，通過所述氣體產生循環系統內包括的氣路系統來輸送高壓循環氣體到激光鉆孔孔內，從而將激光鉆孔產物的排出孔外；

所述相關輔助裝置包括人機安全輔助設備。

6.一種利用權利要求1-5所述的任意一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進系統的全斷面激光掘進方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、確定采掘地，設定激光工藝和輔助氣體工藝參數；

S2、規劃方向控制裝置的移動路徑；

S3、啟動激光鉆機，當激光頭接收到激光束后，在方向控制裝置的作用下沿著先前規劃好的移動路徑照射指定的掘進面后，采用中心孔取心的方法，將切出的巖心取出后形成中心孔，將中心孔作為臨空面；

S4、采用靜態破裂方法，沿著硐壁邊緣鉆取多個劈裂孔；

S5：將液壓劈裂機的劈裂槍插入劈裂孔中，或往劈裂孔中裝入膨脹劑，使巖石內部產生高壓從而破裂；

S6：重復步驟S3-步驟S5，在依次進行層層掘進后，形成平硐或隧道。

7.根據權利要求6所述的一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進方法，其特征在于，步驟S2中，所述移動路徑包括激光鉆頭的控制起始位置、控制終止位置、控制移動速度、沿預設移動軌跡運動的重復次數。

8.根據權利要求6所述的一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進方法，其特征在于，步驟S4中還包括：

S41、在掘進面的內部鉆取多個劈裂孔；其中：

劈裂孔的數量按照拱形斷面大小、巖層可鉆性和運輸能力進行定量設置；

S42、利用激光照射破碎、融化巖石、氣化巖石和/或利用旋轉鉆進的方法鉆取劈裂孔。

9.根據權利要求6所述的一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進方法，其特征在于，步驟S3中所述采用中心孔取心的方法，將環切出的巖心取出后形成中心孔具體為：

S31、利用激光束沿規劃好的移動路徑照射巖石使其熔融或者氣化；

S32、通過吹掃氣體將熔融物或巖屑從孔底帶出形成圓環割縫；

S33、將環切出的巖心取出，形成中心孔；其中：

在進行巖心取出的時候包括：改變激光頭的燒蝕方向。

10.根據權利要求9所述的一種取心和靜態破裂結合的全斷面激光掘進方法，其特征在于，形成的圓環割縫的深度包括通過延長激光的照射時間或者照射次數，進行設定；

形成的圓環割縫的寬度一方面包括由激光光斑的直徑確定，另一方面包括通過擴大或縮小激光運動軌跡來加寬或縮小圓環割縫的寬度。