CN112096409A - 一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法，即利用高功率激光沿着硐壁边缘先切割出拱形岩块，然后在拱形岩块内做曲线运动，全面熔融气化岩石的掘进方法。所述方法应用于一种激光钻机设备上，所述激光钻机设备包括激光发生装置、辅助装置、激光钻头运动控制装置、气体循环系统和激光钻头。所述方法具体步骤如下：全断面掘进时，根据岩层情况调整好激光工艺参数和气体工艺参数；规划激光钻头移动轨迹；激光沿硐壁边缘切割出拱形岩石；激光做曲线运动熔融气化岩石；重复上述操作即可掘进平硐。本发明提供的激光曲线运动全断面熔融气化掘进工艺方法能满足任意形状的断面掘进，不产生超挖、欠挖，轮廓清晰，结构简单、操作简便、易于实现自动化。
Description
技术领域
本发明涉及激光掘进工艺技术领域，尤其涉及一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法。
背景技术
激光钻机因其高效率、低污染、易于自动化等特点成为钻井领域研究热点，但受大功率激光器发展的影响，其应用于实际平硐或隧道掘进尚需时日，因此相应的钻进工艺更是缺乏。这里提供一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法，所述方法能够充分利用激光钻机复杂轨迹成孔灵活性和快速性，不会产生超挖和欠挖，掘进轮廓清晰，能够极大程度提高掘进面岩土去除率。
发明内容
本发明考虑到目前激光器并没有应用到实际平硐或隧道掘进领域，而且相应的钻进工艺十分缺乏，针对上述问题，本发明提出了一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法。
一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法，应用于一种激光钻机设备上；
所述激光钻机设备包括激光发生装置、辅助装置、激光钻头运动控制装置、气体循环系统和激光钻头；
具体包括以下步骤：
S1，全断面掘进时，根据岩层情况调整激光工艺参数和气体工艺参数；
S2，根据所需掘进面积和岩层情况规划激光钻头移动轨迹，包括起始位置、移动速度、沿轨迹运动的重复次数；
S3，激光钻头根据所需掘进面积沿硐壁边缘切割出一个拱形岩石割缝；
S4，激光钻头在所述拱形割缝岩石块上按照规划的移动轨迹做曲线运动，熔融气化岩石；
S5，重复步骤S1-S4，从而完成掘进。
进一步地，所述激光发生装置，通过光纤与激光钻头连接，激光发生装置产生激光束，通过光纤传送至激光钻头运动装置；
所述激光钻头安装在激光钻机运动控制装置多自由度机械臂或滑轨多坐标轴滑台末端，能实现空间位置和姿态的自由运动；
所述激光钻机运动控制装置安装在可调节高度的移动小车底座上；
所述气体循环系统，包括气体产生装置、气体管道、气体喷嘴和气路系统，主要起清孔作用，气体产生装置通过气体管道与气体喷嘴连接，气体喷嘴设置于激光钻头周围；
所述气体产生装置产生高压气体并通过气体管道输送至气体喷嘴，然后通过气路系统输送到孔内，将激光钻孔产物排出孔外；
所述辅助装置包括安全防护设施和人机交互设施。
进一步地，S1的具体步骤为：在激光钻机的控制系统的界面统一调节所述激光工艺参数和气体工艺参数；
所述激光工艺参数具体包括：激光能量密度功率、激光光斑大小、离焦量、照射时间和调制频率；
所述气体工艺参数具体包括：高压气体种类、气体压力、流速、与激光束同轴或旁轴、射流方向和环绕方式。
进一步地，步骤S3的具体操作为：激光发生装置产生高能激光经光纤传送至激光钻头，激光钻头根据工程所需的掘进面积在硐壁或隧道边缘运动，激光烧灼出一个拱形岩石割缝。
进一步地，步骤S4的具体操作：激光钻头在步骤S3切割出的拱形岩石割缝后，按照所述规划的轨迹继续进行曲线运动，将切割出的岩石都熔融气化，同时，所述气体喷嘴吹扫出大量气体，将熔融气化后的岩石残渣吹扫干净。进一步地，所述方法利用激光钻机产生的高能激光束沿硐壁或隧道边缘切割出拱形岩块，然后在拱形岩块内做曲线运动熔融气化岩石从而完成掘进。所述激光熔融气化岩石指利用高能激光照射岩石，使岩石温度瞬时增加至熔点或气化点甚至更高，岩石因此破碎、融化或气化，从而形成孔洞。
进一步地，所述高能激光经由光纤传送至激光钻头，所述激光钻头安装在机器人或滑轨末端，实现空间运动，所述空间运动可为任意曲线运动，结合一定大小的光斑实现全部熔融气化。
进一步地，所述光斑大小可调节，光斑较小时激光能量密度高，熔融气化岩石快且凹槽更深；光斑较大时激光能量密度低，但岩石辐照范围广，浅孔钻进速率快。
附图说明
图1是本发明一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法示意图。
图2是本发明一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法，包括高功率激光束沿着硐壁切割出拱形轨迹1和激光钻头螺旋运动熔融气化岩石轨迹2和直线轨迹3移除岩石，实现平硐或隧道掘进。
在进行激光钻机全断面掘进平硐或隧道时，激光钻头发射出高功率激光，能够瞬间熔融气化岩石，使激光钻头螺旋运动能够全面熔融气化岩石形成弧形面，然后在弧形面下方直线运动移除岩石，构造平硐拱形面。
激光螺旋运动时应保证每一圈运动都紧靠上一圈运动光斑熔融气化出的外圈运动，实现无缝结合，全断面熔融气化岩石。
请参考图2，本发明的实施例提供了一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法，包括以下步骤：
S1，全断面掘进时，根据岩层情况调整激光工艺参数和气体工艺参数；
所述激光工艺参数具体包括：激光能量密度功率、激光光斑大小、离焦量、照射时间和调制频率；
所述气体工艺参数具体包括：高压气体种类、气体压力、流速、与激光束同轴或旁轴、射流方向和环绕方式。
S2，根据所需掘进面积和岩层情况规划激光钻头移动轨迹，包括起始位置、移动速度、沿轨迹运动的重复次数；
S3，激光钻头根据所需掘进面积沿硐壁边缘切割出一个拱形岩石割缝；
具体操作为：激光发生装置产生高能激光经光纤传送至激光钻头，激光钻头根据工程所需的掘进面积在硐壁或隧道边缘运动，激光烧灼出一个拱形岩石割缝。
S4，激光钻头在所述拱形岩石割缝里按照规划的移动轨迹做曲线运动，熔融气化岩石；
具体操作为：激光钻头在步骤S3切割出的拱形岩石割缝里，按照所述规划的轨迹继续进行曲线运动，将割缝内的岩石都熔融气化，同时，所述气体喷嘴吹扫出大量气体，将割缝里熔融气化后的岩石残渣吹扫干净。
S5，重复步骤S1-S4，从而完成掘进。
本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中各装置位于图中以及设备相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (5)
1.一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法，应用于一种激光钻机设备上，其特征在于：
所述激光钻机设备包括激光发生装置、辅助装置、激光钻头运动控制装置、气体循环系统和激光钻头；
具体包括以下步骤：
S1，全断面掘进时，根据岩层情况调整激光工艺参数和气体工艺参数；
S2，根据所需掘进面积和岩层情况规划激光钻头移动轨迹，包括起始位置、移动速度、沿轨迹运动的重复次数；
S3，激光钻头根据所需掘进面积沿硐壁边缘切割出一个拱形岩石割缝；
S4，激光钻头在所述拱形割缝岩石块上按照规划的移动轨迹做曲线运动，熔融气化岩石；
S5，重复步骤S1-S4，从而完成掘进。
2.如权利要求1所述的一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法，其特征在于：
所述激光发生装置，通过光纤与激光钻头连接，激光发生装置产生激光束，通过光纤传送至激光钻头运动控制装置；
所述激光钻头安装在激光钻机运动控制装置多自由度机械臂或滑轨多坐标轴滑台末端，能实现空间位置和姿态的自由运动；
所述激光钻机运动控制装置安装在可调节高度的移动小车底座上；
所述气体循环系统，包括气体产生装置、气体管道、气体喷嘴和气路系统，主要起清孔作用，气体产生装置通过气体管道与气体喷嘴连接，气体喷嘴设置于激光钻头周围；
所述气体产生装置产生高压气体并通过气体管道输送至气体喷嘴，然后通过气路系统输送到孔内，将激光钻孔产物排出孔外；
所述辅助装置包括安全防护设施和人机交互设施。
3.如权利要求1所述的一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法，其特征在于：
S1的具体步骤为：在激光钻机的控制系统的界面统一调节所述激光工艺参数和气体工艺参数；
所述激光工艺参数具体包括：激光能量密度功率、激光光斑大小、离焦量、照射时间和调制频率；
所述气体工艺参数具体包括：高压气体种类、气体压力、流速、与激光束同轴或旁轴、射流方向和环绕方式。
4.如权利要求1所述的一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法，其特征在于：
步骤S3的具体操作为：激光发生装置产生高能激光经光纤传送至激光钻头，激光钻头根据工程所需的掘进面积在硐壁或隧道边缘运动，激光烧灼出一个拱形岩石割缝。
5.如权利要求1所述的一种激光曲线运动的全断面激光掘进工艺方法，其特征在于：
步骤S4的具体操作：激光钻头在步骤S3切割出的拱形岩石割缝后，按照所述规划的轨迹继续进行曲线运动，将切割出的岩石都熔融气化，同时，所述气体喷嘴吹扫出大量气体，将熔融气化后的岩石残渣吹扫干净。
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