CN112360491B - 一种复合破岩方法、刀盘和掘进机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合破岩方法，采用高速水射使岩体产生裂缝，采用超临界二氧化碳射入所述裂缝中，采用微波发生系统加热裂缝中的超临界二氧化碳使其快速相变，采用刀具系统使裂缝中超临界二氧化碳相变后的岩体进行破除。本发明还公开了一种复合破岩刀盘，包括刀盘面板，刀盘面板上设置有刀具系统和高速水射流系统，所述刀盘面板上设置有超临界二氧化碳射流系统和微波发生系统。本发明还公开了一种复合破岩掘进机，包括与所述复合破岩刀盘相同的刀盘。本发明解决了现有复合破岩掘进机推力大、扭矩大、装机工率高、刀具磨损严重的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及硬岩隧道掘进破岩技术领域，特别是指一种复合破岩方法、刀盘和掘进机。
背景技术
在隧道掘进的现场试验研究过程中，对于隧道工程中超硬岩（一般饱和单轴抗压强度≥200MPa）来说，现有滚刀在破岩过程中不易使岩体产生贯通裂纹，如图1所示，导致破岩效率不高，滚刀8磨损严重，大大降低了施工效率，增加了施工成本。并且现有硬岩TBM滚刀破岩的顶推力和扭矩大，导致整个设备装机功率大，设备费用巨大。同时高的装机功率，导致设备的用电费用巨高。
为提高施工效率、降低成本，出现了复合破岩刀盘，例如申请公布号为CN110985032A、申请公布日为2020.04.10的发明专利申请，公开了一种水力-机械联合破岩TBM装置，它包括呈周向布置在所述TBM刀盘结构上的机械滚刀结构和水力切割刀具模块，所述机械滚刀结构和所述水力切割刀具模块均呈间隔设置；所述水力切割刀具模块安装在径向上间隔设置的二个所述机械滚刀结构之间。
上述高速水射流辅助破岩刀具的发明专利中，水射流要求的水压高，切割岩石仅形成一道0.5mm-0.8mm的裂缝，与滚刀压痕形成的裂纹不易联通，不易形成裂纹桥，导致破岩效果不佳。同时水压要求高，对喷嘴的质量要求高，施工成本较高。由于仅能产生一道0.5mm-0.8mm的直缝，不能形成缝网结构，造缝效果差，仅能作为滚刀破岩的辅助设备，不能成为单独高效破岩方法。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出了一种复合破岩方法、刀盘和掘进机，解决了现有复合破岩掘进机推力大、扭矩大、装机工率高、刀具磨损严重的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种复合破岩方法，采用高速水射流使岩体产生裂缝，采用超临界二氧化碳射入所述裂缝中，采用微波发生系统加热裂缝中的超临界二氧化碳使其快速相变，采用刀具系统使裂缝中超临界二氧化碳相变后的岩体进行破除。首先采用高速水射流使岩体产生一定角度的交叉裂缝，然后将超临界二氧化碳快速射入所述交叉裂缝中，采用微波发生系统对射入预制裂缝的超临界二氧化碳进行加热使其迅速升温，超临界二氧化碳在水射流产生的裂缝中快速相变，产生爆生气体，达到相变致裂的效果，形成广泛的贯通裂纹缝网。最后在微波增益型水力和二氧化碳相变射孔的轨迹上，采用刀具系统把已经产生广泛的贯通裂纹缝网的掌子面岩体剥落下来，达到破岩效果，突破了现有高顶推力、高扭矩的滚刀破岩方式。
进一步地，所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝、微波发生系统加热、刀具系统破岩依次进行且循环操作。可使超临界二氧化碳能够在高速水射流制造的裂缝中的膨胀达到最大后，刀具系统能够更容易地进行高效破岩。
进一步地，所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝、微波发生系统加热、刀具系统破岩同步进行，能够使高速水射流破岩产生的裂缝与超临界二氧化碳爆生气体及刀具系统破岩同时叠加、层层叠加，达到高效破岩的效果。
一种复合破岩刀盘，包括刀盘面板，刀盘面板上设置有刀具系统和高速水射流系统，所述刀盘面板上设置有超临界二氧化碳射流系统和微波发生系统。
进一步地，所述高速水射流系统、超临界二氧化碳射流系统包括若干个工作单元，每个工作单元包括两个间隔设置的高速水射流喷嘴，两个高速水射流喷嘴射出的水流在掌子面相交。
进一步地，每个工作单元的两个高速水射流喷嘴之间设置有超临界二氧化碳射流系统的超临界二氧化碳喷嘴，超临界二氧化碳喷嘴射出的流体指向所述水流在掌子面的相交点。
进一步地，所述刀具系统包括刮削刀具和/或滚动刀具。
进一步地，所述刀具系统包括成列设置在刀盘面板上的刮刀，所述工作单元成列设置在两列刮刀之间。
进一步地，所述刀盘面板的边缘处设置有边缘刮刀。
进一步地，所述刀盘面板的中心设置有中心滚刀。
进一步地，所述刀盘面板上设置有刮刀主梁，刮刀主梁包括从刀盘面板的中心向外延伸的若干个刀梁组，每个刀梁组包括两条间隔设置的刀梁，所述刮刀设置在刀梁上。
进一步地，所述微波发生系统包括设置在刀盘面板上的微波照射臂，微波照射臂设置在两个刀梁组之间。
进一步地，所述微波照射臂运动轨迹与所述工作单元的射孔轨迹相同。
一种复合破岩掘进机，包括刀盘，所述刀盘与所述复合破岩刀盘相同。
本发明在刀盘面板转动过程中，首先采用高速水射流产生一定角度的交叉裂缝，然后将超临界二氧化碳快速射入水射流产生的交叉裂缝中，同时微波发生系统通过微波臂对射入裂缝的超临界二氧化碳迅速升温，超临界二氧化碳在水射流产生的裂缝中快速相变，产生爆生气体，达到相变致裂的效果，形成广泛的贯通裂纹缝网。最后在微波增益型水力和二氧化碳相变射孔轨迹上，采用刀具把已经产生广泛的贯通裂纹缝网的掌子面岩体剥落下来，达到破岩效果，突破现有高顶推力高扭矩的滚刀破岩方式。
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为采用滚刀对超硬岩进行破岩的原理示意图；
图2为本发明中复合破岩刀盘的正视图；
图3为图1中刮刀与刀梁的装配图；
图4为采用高速水射流系统对超硬岩进行破岩的原理示意图；
图5为采用高速水射流系统和超临界二氧化碳射流系统对超硬岩进行破岩的原理示意图；
图6为采用高速水射流系统和、超临界二氧化碳射流系统及微波发生系统对超硬岩进行破岩的原理示意图；
图中：1.刀盘面板，2.高速水射流喷嘴，3.超临界二氧化碳喷嘴，4.微波照射臂，5.刮刀，6.边缘刮刀，7.中心滚刀，8.滚刀，51.刮刀刀头，52.刮刀底座，53.刀梁。
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1，一种复合破岩方法，如图4所示，从高速水射流喷嘴2喷出的高速水射流使岩体产生裂缝；如图5所示，从超临界二氧化碳喷嘴喷出的超临界二氧化碳射入所述裂缝中；如图6所示，微波发生系统通过微波辐射臂4加热裂缝中的超临界二氧化碳，使其快速相变，采用刀具系统使裂缝中超临界二氧化碳相变后的岩体进行破除。首先采用高速水射流使岩体产生一定角度的交叉裂缝，然后将超临界二氧化碳快速射入所述交叉裂缝中，采用微波发生系统对射入预制裂缝的超临界二氧化碳进行加热使其迅速升温，超临界二氧化碳在水射流产生的裂缝中快速相变，产生爆生气体，达到相变致裂的效果，形成广泛的贯通裂纹缝网。最后在微波增益型水力和二氧化碳相变射孔的轨迹上，采用刀具系统把已经产生广泛的贯通裂纹缝网的掌子面岩体剥落下来，达到破岩效果，突破了现有高顶推力、高扭矩的滚刀破岩方式。
实施例2，一种复合破岩方法，所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝、微波发生系统加热、刀具系统破岩依次进行且循环操作。可使超临界二氧化碳能够在高速水射流制造的裂缝中的膨胀达到最大后，刀具系统能够更容易地进行高效破岩。
本实施例的其他方法与实施例1相同。
实施例3，一种复合破岩方法，所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝、微波发生系统加热、刀具系统破岩同步进行，能够使高速水射流破岩产生的裂缝与超临界二氧化碳爆生气体及刀具系统破岩同时叠加、层层叠加，达到高效破岩的效果。
本实施例的其他方法与实施例1相同。
实施例4，一种复合破岩刀盘，如图2和图3所示，包括刀盘面板1，刀盘面板1上设置有刀具系统和高速水射流系统，所述刀盘面板1上设置有超临界二氧化碳射流系统和微波发生系统。
具体地，所述高速水射流系统、超临界二氧化碳射流系统包括若干个工作单元，每个工作单元包括两个间隔设置的高速水射流喷嘴2，两个高速水射流喷嘴2射出的水流在掌子面相交。每个工作单元的两个高速水射流喷嘴2之间设置有超临界二氧化碳射流系统的超临界二氧化碳喷嘴3，超临界二氧化碳喷嘴3射出的流体指向所述水流在掌子面的相交点。
所述刀具系统包括成列设置在刀盘面板1上的刮刀5、边缘刮刀6和中心滚刀7。具体地，刀盘面板1上设置有刮刀主梁，刮刀主梁包括从刀盘面板1的中心向外延伸的四个刀梁组，每个刀梁组包括两条间隔设置的刀梁53，所述刮刀5通过刀梁底座52设置在刀梁53的前端面，边缘刮刀5设置在刀梁53的外端部，中心滚刀7设置在各个刀梁组相交的内端部之间。
所述工作单元成列设置在刀梁组的两列刮刀5之间。所述微波发生系统包括设置在刀盘面板1上的微波照射臂4，微波照射臂4设置在两个刀梁组之间，且微波照射臂4运动轨迹与所述工作单元的射孔轨迹相同。
本实施例的复合破岩方法与实施例1-3任一项相同，具体如图4和图5所示。
实施例5，一种复合破岩掘进机，包括如实施例4所述的复合破岩刀盘。
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 (14)
1.一种复合破岩方法，其特征在于：采用高速水射流使岩体产生裂缝，采用超临界二氧化碳射入所述裂缝中，采用微波发生系统加热裂缝中的超临界二氧化碳使其快速相变，采用刀具系统使裂缝中超临界二氧化碳相变后的岩体进行破除。
2.根据权利要求1所述的复合破岩方法，其特征在于：所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝、微波发生系统加热、刀具系统破岩依次进行且循环操作。
3.根据权利要求1所述的复合破岩方法，其特征在于：所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝、微波发生系统加热、刀具系统破岩同步进行。
4.一种使用权利要求1-3任一项所述的复合破岩方法的复合破岩刀盘：包括刀盘面板（1），刀盘面板（1）上设置有刀具系统和高速水射流系统，其特征在于：所述刀盘面板（1）上设置有超临界二氧化碳射流系统和微波发生系统。
5.根据权利要求4所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述高速水射流系统、超临界二氧化碳射流系统包括若干个工作单元，每个工作单元包括两个间隔设置的高速水射流喷嘴（2），两个高速水射流喷嘴（2）射出的水流在掌子面相交。
6.根据权利要求5所述的复合破岩刀盘，其特征在于：每个工作单元的两个高速水射流喷嘴（2）之间设置有超临界二氧化碳射流系统的超临界二氧化碳喷嘴（3），超临界二氧化碳喷嘴（3）射出的流体指向所述水流在掌子面的相交点。
7.根据权利要求5或6所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述刀具系统包括刮削刀具和/或滚动刀具。
8.根据权利要求7所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述刀具系统包括成列设置在刀盘面板（1）上的刮刀（5），所述工作单元成列设置在两列刮刀（5）之间。
9.根据权利要求8所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述刀盘面板（1）的边缘处设置有边缘刮刀（6）。
10.根据权利要求8或9所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述刀盘面板（1）的中心设置有中心滚刀（7）。
11.根据权利要求10所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述刀盘面板（1）上设置有刮刀主梁，刮刀主梁包括从刀盘面板（1）的中心向外延伸的若干个刀梁组，每个刀梁组包括两条间隔设置的刀梁（53），所述刮刀（5）设置在刀梁（53）上。
12.根据权利要求11所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述微波发生系统包括设置在刀盘面板（1）上的微波照射臂（4），微波照射臂（4）设置在两个刀梁组之间。
13.根据权利要求12所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述微波照射臂（4）运动轨迹与所述工作单元的射孔轨迹相同。
14.一种复合破岩掘进机，包括刀盘，其特征在于：所述刀盘与权利要求4-13任一项中所述的复合破岩刀盘相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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