[發明專利]自激振蕩脈沖液態二氧化碳協同激光破巖系統及破巖方法

在審

• 申請號: 202310188012.0
• 申請日: 2023-02-28
• 公開（公告）號: CN116148441A
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 李登;孫碩;康勇;王曉筍;張海濤;樊辰星
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;G01N3/40;G01N29/04;B08B3/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 羅敏清

本發明公開了一種自激振蕩脈沖液態二氧化碳協同激光破巖系統及破巖方法，包括試驗釜，待破碎巖樣設置在試驗釜中；檢測裝置，其包括硬度計和聲發射傳感器，所述硬度計以及聲發射傳感器均與待破碎巖樣相對設置；激光發生裝置，其包括激光發生器和激光頭，激光頭與待破碎巖樣相對設置；液態二氧化碳射流發生裝置，其包括液態二氧化碳泵站和自激振蕩脈沖噴嘴，所述自激振蕩脈沖噴嘴與待破碎巖樣相對設置；控制裝置，其與硬度計、聲發射傳感器、激光發生裝置以及液態二氧化碳射流發生裝置電性連接。能夠模擬地下巖石所處的壓力溫度狀態，檢測巖石性質，匹配最優破巖參數，利用自激振蕩脈沖液態二氧化碳射流抑制激光的二次效應，實現巖石的高效破碎。

技術領域

本發明屬于復合加工破巖的技術領域，具體涉及一種液態二氧化碳協同激光破巖試驗系統及巖石破碎方法。

背景技術

破巖技術廣泛應用在我國各個工業領域，如油氣開采、勘探鉆井、地鐵交通隧道建設工程。隨著我國工業化的不斷發展，破巖技術也在不斷進步，從最初的鉆爆法破巖到機械破巖法，再發展到如今激光特種加工破巖方法等等。

單一的激光破巖方法是利用激光技術產生高能激光聚焦到巖石表面，使巖石在局部高溫作用下產生熱爆裂并發生弱化、碎化、熔化和汽化，然后利用高速輔助氣流將其清除，是一種非機械接觸式破巖方法。在激光破巖過程中，隨著輻射時間的增加，巖石在達到熔點之前其熱破碎效率最高；隨著進一步增加輻射時間，巖石會開始熔化甚至蒸發，更多的激光能量用于巖石的熔化和蒸發，同時孔道內雜物排出的效率降低，大量的能量被孔內雜質吸收、反射和散射，造成一定的能量損失，降低了激光破巖效率。巖石一般位于地下較深位置，處于高溫高壓的狀態環境，此外，巖石的性質如硬度、表觀形貌也會對破巖效率產生很大的影響。因此，有必要提出一種考慮激光破巖的二次效應以及巖石環境狀態和性質的試驗性破巖方法及系統。

發明內容

本發明的一個目的在于針對現有技術的不足之處，提供一種自激振蕩脈沖液態二氧化碳協同激光破巖系統，該系統能夠模擬地下巖石所處的壓力溫度狀態，檢測巖石性質，匹配最優破巖參數，利用自激振蕩脈沖液態二氧化碳射流抑制激光的二次效應，實現巖石的高效破碎。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種自激振蕩脈沖液態二氧化碳協同激光破巖系統，其特征在于，包括試驗釜、檢測裝置、激光發生裝置以及液態二氧化碳射流發生裝置，其中，

試驗釜，待破碎巖樣設置在試驗釜中；

檢測裝置，其包括硬度計和聲發射傳感器，所述硬度計以及聲發射傳感器均與待破碎巖樣相對設置，其中，所述硬度計用于檢測巖石工件硬度，所述聲發射傳感器用于檢測巖石工件表面形貌以及內部結構；

激光發生裝置，其包括激光發生器和激光頭，所述激光頭與待破碎巖樣相對設置且其用于聚焦激光并輻射待破碎巖樣表面；

液態二氧化碳射流發生裝置，其包括液態二氧化碳泵站和自激振蕩脈沖噴嘴，所述自激振蕩脈沖噴嘴與待破碎巖樣相對設置且其用于產生高壓液態二氧化碳射流；

控制裝置，其與硬度計、聲發射傳感器、激光發生裝置以及液態二氧化碳射流發生裝置電性連接。

進一步地，所述試驗釜包括釜體、設置在釜體兩相對側壁上且用于對待破碎巖樣加壓的加壓裝置以及設置在釜體內且用于對待破碎巖樣進行加熱的加熱裝置。

進一步地，所述加壓裝置包括設置在釜體側壁上的液壓缸以及與液壓缸垂直連接的加壓板，在加壓時，所述液壓缸推動加壓板對待破碎巖樣加壓。

進一步地，所述加熱裝置為U形加熱板。

進一步地，所述自激振蕩脈沖噴嘴包括第一噴嘴體、可上下活動地設置在第一噴嘴體中的第二噴嘴體、推動第二噴嘴體在第一噴嘴體中上下移動的驅動裝置，其中，第一噴嘴體還通過固定肋與液態二氧化碳泵站固接，所述驅動裝置也與液態二氧化碳泵站固接。