CN109899081A - 利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，解决了现有掘进机的盘形滚刀易异常损坏、掘进效率低、成本高的技术问题。本发明包括刀盘系统，刀盘系统上设置有超临界二氧化碳喷射嘴，超临界二氧化碳喷射嘴通过高压管路连接有超临界二氧化碳发生装置，超临界二氧化碳喷射嘴与超临界二氧化碳发生装置通过高压泵站相连。超临界二氧化碳发生装置能够产生超临界二氧化碳，高压泵站可将超临界二氧化碳输送至超临界二氧化碳喷嘴，通过超临界二氧化碳喷嘴可将超临界二氧化碳以极高的速度喷出，形成能量高度集中的射流束，这种射流束具有很强的破坏性，可破碎岩石实现掘进。本发明不仅破岩效率高、成本低，而且破岩介质绿色环保。

Description

利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机

技术领域

本发明涉及掘进机技术领域，特别是指利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机。

背景技术

目前隧道掘进针对于岩层来讲，主要是依靠盘型滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，其主要克服的是岩石的抗压强度，针对一般强度的岩层（100MPA以内）其破岩效率尚可，但掘进机掘进过程中碰到孤石和较硬的岩石时，滚刀挤压破岩的效率会下降，滚刀异常磨损和更换频率的增加，随之带来盾构掘进效率的降低，掘进成本增加。同时在掘进上软下硬、软硬不均等严重不均匀地质时，传统的金属刀具极易发生异常损坏。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，解决了现有掘进机的盘形滚刀易异常损坏、掘进效率低、成本高的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，包括刀盘系统，所述刀盘系统上设置有超临界二氧化碳喷射嘴，超临界二氧化碳喷射嘴通过高压管路连接有超临界二氧化碳发生装置，超临界二氧化碳喷射嘴与超临界二氧化碳发生装置通过高压泵站相连。超临界二氧化碳发生装置能够产生超临界二氧化碳，高压泵站可将超临界二氧化碳输送至超临界二氧化碳喷嘴，通过超临界二氧化碳喷嘴可将超临界二氧化碳以极高的速度喷出，形成能量高度集中的射流束，这种射流束具有很强的破坏性，可破解岩石实现掘进。

进一步地，所述超临界二氧化碳喷射嘴和高压泵站均与控制系统相连，控制系统能够调节高压泵站的输出压力、控制二氧化碳喷射嘴的启毕，进而能够根据不同地质便捷地调节超临界二氧化碳喷射嘴所射出的超临界二氧化碳的压力。

进一步地，所述高压泵站与超临界二氧化碳喷射嘴之间的高压管路上设置有压力表，可根据压力表实时监测所喷出的超临界二氧化碳的压力，进而可通过高压泵站实时调节压力。

进一步地，所述高压泵站与超临界二氧化碳喷射嘴之间的高压管路上设置有压力传感器，压力传感器与所述控制系统相连。通过压力传感器的设置，进一步提高了压力调节的便捷性，能够形成闭环控制系统，确保超临界二氧化碳喷射的稳定性。

进一步地，所述超临界二氧化碳发生装置与高压泵站之间的高压管路的接口、高压泵站与超临界二氧化碳喷射嘴之间的高压管路的接口均通过法兰密封连接，充分保证了管路连接的可靠性。

本发明选用的介质为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳无色无臭、无毒无害，水溶液略呈酸性，三相点为－56.56℃(216.59K、0.52MPa），临界点为31.10℃(304.25K、7.38MPa)，二氧化碳的温度和压力大于临界点温度和临界点压力时，达到超临界状态，此时的二氧化碳称为超临界二氧化碳。超临界二氧化碳扩散性好且动力黏度小，是安全、洁净的理想介质。而且超临界二氧化碳不能燃烧、易被液化，也容易回收循环利用，在化工领域被称为环境友好型绿色溶剂。超临界二氧化碳破岩主要体现为空化破坏作用、水射流冲击作用、水楔作用等。超临界二氧化碳射流相比常规水射流具有更低的喷嘴压能损失，具有更高的热破裂作用；相比氮气射流，超临界二氧化碳射流具有更高的射流冲击剪切力、剥蚀力和热破裂作用。本发明采用超临界二氧化碳射流代替传统的金属刀具，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬、孤石等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本，降低了换刀风险，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中刀盘系统的正视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，如图1和图2所示，包括刀盘系统1，刀盘系统1上设置有超临界二氧化碳喷射嘴2，超临界二氧化碳喷射嘴2通过高压管路5连接有超临界二氧化碳发生装置3。超临界二氧化碳发生装置3能够产生超临界二氧化碳，超临界二氧化碳发生装置3能够通过高压管路5将产生的超临界二氧化碳输送至超临界二氧化碳喷射嘴2，超临界二氧化碳喷射嘴2将超临界二氧化碳以超高的速度喷出，形成能量高度集中的射流束，这种射流束具有空化破坏作用、水射流冲击作用、水楔作用及热破裂作用，可破解岩石实现掘进。

超临界二氧化碳喷射嘴2与超临界二氧化碳发生装置3之间的高压管路5上设置有高压泵站4。高压泵站4能够调节超临界二氧化碳发生装置3产生的超临界二氧化碳的压力，进而为不同的地质提供不同的破岩喷射压力。

实施例2，利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，所述超临界二氧化碳喷射嘴2和高压泵站4均与控制系统相连，控制系统能够远程调节高压泵站4的输出压力、控制超临界二氧化碳喷射嘴2的启毕，进而能够根据不同地质便捷地调节超临界二氧化碳喷射嘴2所射出的超临界二氧化碳的压力。

本实施例的其他结构可以与实施例1相同。

实施例3，利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，所述高压泵站4与超临界二氧化碳喷射嘴2之间的高压管路5上设置有压力表，可根据压力表实时监测所喷出的超临界二氧化碳的压力，进而可通过高压泵站4实时调节压力。

本实施例的其他结构可以与实施例1或2相同。

实施例4，利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，所述高压泵站4与超临界二氧化碳喷射嘴2之间的高压管路5上设置有压力传感器，压力传感器与所述控制系统相连。通过压力传感器的设置，进一步提高了压力调节的便捷性，压力传感器、控制系统和高压泵站4能够形成闭环控制系统，确保超临界二氧化碳喷射的稳定性。

本实施例的其他结构可以与实施例1或2相同。

实施例5，利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，所述超临界二氧化碳发生装置3与高压泵站4之间的高压管路5的接口、高压泵站4与超临界二氧化碳喷射嘴2之间的高压管路5的接口均通过法兰密封连接，充分保证了管路连接的可靠性。

本实施例的其他结构可以与实施例1-4任一项相同。

本发明的工作过程为：控制系统启动超临界二氧化碳发生装置3，萃取的超临界二氧化碳存储在特定容器内，高压泵站4将萃取的超临界二氧化碳高压输出，超临界二氧化碳经过压力表或者压力传感器被测出实时输出压力值，控制系统根据压力传感器测得的压力值高压泵站4输出的压力，直至达到破岩所需压力；启动掘进机主机，刀盘系统1受驱动系统8驱动开始旋转，同时带动超临界二氧化碳喷射喷射嘴2开始旋转，超临界二氧化碳发生装置输出的超临界二氧化碳经过高压泵4进入超临界二氧化碳喷射嘴2，超临界二氧化碳喷射嘴2射出超临界二氧化碳破碎岩石。破岩后的岩渣经刀盘系统1的开口处随出渣系统6排出，同时步进系统7驱动掘进机主机继续移动，直至破岩工程结束。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，包括刀盘系统（1），其特征在于：所述刀盘系统（1）上设置有超临界二氧化碳喷射嘴（2），超临界二氧化碳喷射嘴（2）通过高压管路（5）连接有超临界二氧化碳发生装置（3），超临界二氧化碳喷射嘴（2）与超临界二氧化碳发生装置（3）通过高压泵站（4）相连。

2.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，其特征在于：所述超临界二氧化碳喷射嘴（2）和高压泵站（4）均与控制系统相连。

3.根据权利要求1或2所述的利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，其特征在于：所述高压泵站（4）与超临界二氧化碳喷射嘴（2）之间的高压管路（5）上设置有压力表。

4.根据权利要求1或2所述的利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，其特征在于：所述高压泵站（4）与超临界二氧化碳喷射嘴（2）之间的高压管路（5）上设置有压力传感器，压力传感器与所述控制系统相连。

5.根据权利要求4所述的利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，其特征在于：所述超临界二氧化碳发生装置（3）与高压泵站（4）之间的高压管路（5）的接口、高压泵站（4）与超临界二氧化碳喷射嘴（2）之间的高压管路（5）的接口均通过法兰密封连接。

6.根据权利要求3所述的利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机，其特征在于：所述超临界二氧化碳发生装置（3）与高压泵站（4）之间的高压管路（5）的接口、高压泵站（4）与超临界二氧化碳喷射嘴（2）之间的高压管路（5）的接口均通过法兰密封连接。