CN112539069A - 一种激光盾构机及掘进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光盾构机及掘进方法，该激光盾构机包括用于向工作面射孔的激光射孔装置、用于向经激光射孔装置射孔后的工作面掘进的掘进装置，激光射孔装置与掘进装置为一体式结构或分体式结构。本发明通过激光射孔装置对岩石阵列式射孔，对工作面岩石进行预破碎，增加了工作面岩石的可钻性，用掘进装置进行掘进，在岩石强度降低的情况下提高了掘进的效率，同时减少了钻头的磨损，通过压缩空气对射筒内的熔渣进行吹除，能够较好的对激光输出头进行保护，可以采用单光源多加工头以光源快速切换的方式并行射孔，或采用多光源多加工头同时射孔，进一步提高了掘进效率。
Description
技术领域
本发明属于激光破岩应用技术领域，具体地说涉及一种激光盾构机及掘进方法。
背景技术
在大型隧道的挖掘过程中，特别是山体和深层地下大分布都是岩石层，特别是玄武岩等硬岩层，使得掘进速度比较慢。
现有技术通常采用放炮破拆和掘进机直接掘进。其中放炮破拆的掘进方式存在问题是火工品管制、安全问题及费用问题，同时工作面可控性差，掘进效率低。而掘进机直接掘进的方式由于用齿直接对岩层进行破碎挖掘，使掘进效率低，钻头损耗高。
如图1所示，针对于隧道的工作面100，直径大于20m，掘进机的钻头直径为1m，这种小尺寸的钻头在隧道的工作面100上采用扫描逐层去除的方法实现掘进，其在隧道的工作面100上的掘进轨迹200呈蛇形排布，每次掘进量约为50公分，掘进效率亟待提高。
通过高功率激光对岩石的冲击损伤和热损伤，对岩石产生预破碎，使岩石的内应力得到一定的释放，降低岩石的强度，改善岩石的可钻性，再利用机械破岩，这就可以大大提高钻井破岩效率。随着中国及全球基建的飞速发展，可以说激光在隧道掘进中的应用具有迫切需求及广阔市场前景。
但是，目前激光破岩还是存在着较大的技术难度，主要还是在实验室进行模拟实验，然而人们对于激光破岩理论研究所需实验装置并不完备，现有的实验系统一般采用激光固定照射的方法，存在实验性能单一的缺点，同时无法与掘进装置有效配合实现快速掘进的目的。
因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种激光盾构机及掘进方法，通过激光射孔装置与掘进装置有效配合实现快速掘进的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光盾构机，其包括用于向工作面射孔的激光射孔装置、用于向经激光射孔装置射孔后的工作面掘进的掘进装置，所述激光射孔装置与掘进装置为一体式结构或分体式结构。
进一步地，所述激光射孔装置设置至少一个，所述激光射孔装置包括激光器、激光输出头、连接于激光输出头输出端用于保护激光通道的射筒，所述激光器与激光输出头通过激光线路连接，经激光输出头输出的激光束光轴与射筒中心轴重合，所述射筒的末端设置有用于实现激光束传输至工作面的第一激光孔。
进一步地，所述激光射孔装置还包括用于保护光学系统维持干净光通道的同轴送气装置，所述同轴送气装置通过气体管路与射筒内部连通，经气体管路进入射筒内的气体流动方向与射筒中心轴平行。
进一步地，所述掘进装置包括传动连接的驱动组件和第一动作组件，所述第一动作组件设置至少一组，所述第一动作组件包括转筒、设置于转筒内部且与转筒固定连接的转轴、位于转筒末端的钻头，所述驱动组件包括驱动电机、主动齿轮和减速电机，所述减速电机上设有从动齿轮，所述从动齿轮套设于转轴的外围，所述主动齿轮位于电机的输出端且其与从动齿轮相啮合。
进一步地，所述激光射孔装置与掘进装置为一体式结构，所述射筒集成于转筒的内部，所述射筒内设置有与激光输出头连接的分束器，所述分束器将激光输出头输出的激光分为多个光束，所述第一激光孔对应各激光束设置多个，所述钻头上对应各第一激光孔设置第二激光孔，激光输出头发出激光经过第一激光孔和第二激光孔射向工作面。
进一步地，所述激光射孔装置与掘进装置为分体式结构，所述激光盾构机包括连接于掘进装置底部的第一车载平台及连接于激光射孔装置底部的第二车载平台，所述驱动组件设置于第一车载平台上，所述激光射孔装置还包括第二动作组件，所述第二动作组件的一端与第二车载平台连接，另一端与射筒连接。
一种采用上述所述激光盾构机的掘进方法，所述激光射孔装置与掘进装置为分体式结构，通过激光射孔装置对工作面射孔实现对工作面处的岩石进行预破碎，所述掘进装置对射孔的工作面进行掘进，或通过激光射孔装置在对工作面部分区域进行射孔后，所述掘进装置进入该区域进行掘进，同时激光射孔装置在工作面另一部分区域进行射孔；
所述激光射孔装置与掘进装置为一体式结构，通过激光射孔装置对工作面处的岩石进行预破碎，所述掘进装置延迟开始运行并对工作面处的岩石进行破碎。
优选的，采用单光源激光束及激光光路上设置的用于将单光源激光束转化为若干子光束的光学组件，通过光源快速切换的方式实现各子光束的并行射孔。
优选的，采用多光源与多个射筒同时射孔。
进一步地，所述激光射孔装置相对于工作面射出的孔沿掘进轨迹呈阵列分布。
有益效果
本发明提出的激光盾构机及掘进方法，具有如下有益效果：
(1)通过激光射孔装置对岩石阵列式射孔，对工作面岩石进行预破碎，增加了工作面岩石的可钻性，用掘进装置进行掘进，在岩石强度降低的情况下提高了掘进的效率，同时减少了钻头的磨损。
(2)通过压缩空气对射筒内的熔渣进行吹除，能够较好的对激光输出头进行保护，避免在激光射孔作业过程中激光输出头被熔渣及破岩过程中产生的碎屑等物质污染而损坏。
(3)可以采用单光源多加工头以光源快速切换的方式并行射孔，进一步提高掘进效率。
(4)可以采用多光源多加工头同时射孔，进一步提高掘进效率，其中多光源可采用大功率激光器分光束。
附图说明
图1是背景技术中隧道工作面掘进过程示意图；
图2是本发明具体实施例1中激光盾构机的结构示意图；
图3是本发明具体实施例1中两步掘进过程的示意图；
图4是本发明具体实施例1中单光源与多射筒通过光源快速切换的方式并行射孔第一种结构示意图；
图5是本发明具体实施例1中单光源与多射筒通过光源快速切换的方式并行射孔第二种结构示意图；
附图中：100、工作面；200、掘进路径；300、孔；410、第一车载平台；420、第二车载平台；510、激光器；520、激光输出头；530、射筒；540、第二动作组件；611、电机；612、减速电机；620、第一动作组件；630、钻头；700、同轴送气装置；800、电光开关；910、第二反射镜；920、旋转轴。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
具体实施例1
一种激光盾构机，参见图1-2，其包括用于向工作面100射孔的激光射孔装置、用于向经激光射孔装置射孔后的工作面100掘进的掘进装置，激光射孔装置与掘进装置为分体式结构。
进一步地，激光射孔装置设置至少一个，激光射孔装置包括激光器510、激光输出头520、连接于激光输出头520输出端用于保护激光通道的射筒530，激光器510与激光输出头520通过激光线路连接，经激光输出头520输出的激光束光轴与射筒530中心轴重合，射筒530的末端设置有用于实现激光束传输至工作面100的第一激光孔，在射筒530内形成供激光束传输的激光通道。
具体的，激光输出头520为光纤激光器QBH输出头，其具有紧凑、柔性等优点。
进一步地，激光射孔装置还包括用于保护光学系统、维持激光通道清洁度的同轴送气装置700，同轴送气装置700通过气体管路与射筒530内部连通，经气体管路进入射筒530内的气体流动方向与射筒530中心轴平行。
具体的，该气体为压缩空气，可以实现将射筒530内的熔渣进行吹除，避免熔渣对激光输出头520的损害，同时保护光学系统，维持干净的激光通道。
进一步地，掘进装置包括传动连接的驱动组件和第一动作组件620，第一动作组件620设置至少一组，第一动作组件620包括转筒、设置于转筒内部且与转筒固定连接的转轴、位于转筒末端的钻头630，驱动组件包括驱动电机611、主动齿轮和减速电机612，减速电机612上设有从动齿轮，从动齿轮套设于转轴的外围，主动齿轮位于电机611的输出端且其与从动齿轮相啮合。
具体的，转轴的中心轴线与转筒的中心轴线重合。
进一步地，激光盾构机包括连接于掘进装置底部的第一车载平台410及连接于激光射孔装置底部的第二车载平台420，驱动组件设置于第一车载平台410上，激光射孔装置还包括第二动作组件540，第二动作组件540的一端与第二车载平台420连接，另一端与射筒530连接。两个车载平台分别承载激光射孔装置及掘进装置，使二者可以独立进行作业。
具体的，第二动作组件540为工业机器人，通过其机械臂抓取射筒530左右移动实现激光射孔装置相对于工作面的移动。
优选的，该激光盾构机还包括监测装置及设备异常报警装置，监测装置与设备异常报警装置分别与激光射孔装置及掘进装置信号连接，防止激光盾构机异常情况的发生。
一种采用上述激光盾构机的掘进方法，激光射孔装置与掘进装置为分体式结构，通过激光射孔装置对工作面100射孔实现对工作面100处的岩石进行预破碎，掘进装置对射孔的工作面100进行掘进，或通过激光射孔装置在对工作面100部分区域进行射孔后，掘进装置进入该区域进行掘进，同时激光射孔装置在工作面100另一部分区域进行射孔，参见图3。
通过上述的激光盾构机及掘进方法，在岩层强度降低后再进行掘进可大大提高掘进机掘进的效率，有效减少钻头630的磨损。
优选的，采用单光源激光束及激光光路上设置的用于将单光源激光束转化为若干子光束的光学组件，通过光源快速切换的方式实现各子光束并行射孔。具体可采用两种结构实现，具体为：
如图4所示，第一种是该光学组件包括设置于激光光路上的电光开关800及第一反射镜，电光开关800与第一反射镜设置多个且各电光开关与各第一反射镜分别对应各子光束设置，通过各子光束光路上的电光开关800和第一反射镜共同作用实现光源的快速切换，在电光开关800不工作的情况下，电光开关800对激光光束无影响，在电光开关800工作的情况下通过电光开关800与第一反射镜的共同作用实现改变光束的偏转方向的目的，如a、b、c光路之间的快速切换；第二种是该光学组件包括在激光光路上设置可旋转的第二反射镜910，具体为该第二反射镜910固定于一个旋转底座上，旋转底座的旋转中心与第二反射镜910镜片中心重合，以保证第二反射镜910旋转过程中入射激光束的入射点不变，第二反射镜910中间设置旋转轴920且通过旋转轴920与旋转底座连接，对应旋转轴920设置有用于驱动旋转轴920旋转的驱动电机。使用时，入射激光束按照一定角度入射到第二反射镜910表面，通过控制驱动电机驱动旋转轴920的转动量来控制反射激光束的方向，以三束反射激光束为例，如图5所示，确定三个一定间隔的角度，旋转轴920在三个角度之间快速切换，在每一个角度上反射激光束并分别通过激光光路传导到一个对应的射筒，进而反射激光束通过对应的射筒进行打孔，打孔完毕后，旋转轴920转到下一个角度并反射进入下一个射筒，进而完成激光打孔的一次循环过程，实现A、B、C光路之间的快速切换。
进一步地，激光射孔装置相对于工作面100射出的孔300沿掘进轨迹呈阵列分布，保证掘进轨迹孔均匀排布，利于掘进装置掘进。
具体实施例2
本实施例与具体实施例1相同的地方不再赘述，不同的如下：
采用多光源与多个射筒同时射孔，可采用两种结构实现，具体为：
一种是一个激光器对应多个射筒，由激光器射出的激光光路上设置有激光分束器，该激光分束器为大功率激光分束器，将激光分为多束，各束激光与各射筒一一对应，实现多光源与多个射筒同时射孔的目的；另一种是多个激光器对应多个激光输出头及射筒，以实现多光源对应多个射筒同时射孔的目的。
具体的，将各射筒集成为一体，仅通过一组第二动作组件即可实现各射筒的同步移动，保证多光源与多个射筒射孔的同时性。
具体实施例3
本实施例与具体实施例1、具体实施例2相同的地方不再赘述，不同的如下：
激光射孔装置与掘进装置为一体式结构，射筒530集成于转筒的内部，射筒530内设置有与激光输出头连接的分束器，分束器将激光输出头520输出的激光分为多个光束，第一激光孔对应各激光束设置多个，钻头630上对应各第一激光孔设置第二激光孔，激光输出头发出激光经过第一激光孔和第二激光孔射向工作面。
优选的，各第二激光孔在钻头上表面均匀布置。
一种采用上述激光盾构机的掘进方法，通过激光射孔装置对工作面处的岩石进行预破碎，掘进装置延迟开始运行并对工作面处的岩石进行破碎。通过上述的激光盾构机及掘进方法，在岩层强度降低后再进行掘进可大大提高掘进机掘进的效率，有效减少钻头的磨损。
以上已将本发明做一详细说明，以上，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种激光盾构机，其特征在于，包括用于向工作面射孔的激光射孔装置、用于向经激光射孔装置射孔后的工作面掘进的掘进装置，所述激光射孔装置与掘进装置为一体式结构或分体式结构。
2.根据权利要求1所述的激光盾构机，其特征在于，所述激光射孔装置设置至少一个，所述激光射孔装置包括激光器、激光输出头、连接于激光输出头输出端用于保护激光通道的射筒，所述激光器与激光输出头通过激光线路连接，经激光输出头输出的激光束光轴与射筒中心轴重合，所述射筒的末端设置有用于实现激光束传输至工作面的第一激光孔。
3.根据权利要求2所述的激光盾构机，其特征在于，所述激光射孔装置还包括用于保护光学系统维持干净光通道的同轴送气装置，所述同轴送气装置通过气体管路与射筒内部连通，经气体管路进入射筒内的气体流动方向与射筒中心轴平行。
4.根据权利要求3所述的激光盾构机，其特征在于，所述掘进装置包括传动连接的驱动组件和第一动作组件，所述第一动作组件设置至少一组，所述第一动作组件包括转筒、设置于转筒内部且与转筒固定连接的转轴、位于转筒末端的钻头，所述驱动组件包括驱动电机、主动齿轮和减速电机，所述减速电机上设有从动齿轮，所述从动齿轮套设于转轴的外围，所述主动齿轮位于电机的输出端且其与从动齿轮相啮合。
5.根据权利要求4所述的激光盾构机，其特征在于，所述激光射孔装置与掘进装置为一体式结构，所述射筒集成于转筒的内部，所述射筒内设置有与激光输出头连接的分束器，所述分束器将激光输出头输出的激光分为多个光束，所述第一激光孔对应各激光束设置多个，所述钻头上对应各第一激光孔设置第二激光孔，激光输出头发出激光经过第一激光孔和第二激光孔射向工作面。
6.根据权利要求4所述的激光盾构机，其特征在于，所述激光射孔装置与掘进装置为分体式结构，所述激光盾构机包括连接于掘进装置底部的第一车载平台及连接于激光射孔装置底部的第二车载平台，所述驱动组件设置于第一车载平台上，所述激光射孔装置还包括第二动作组件，所述第二动作组件的一端与第二车载平台连接，另一端与射筒连接。
7.一种采用如权利要求1-6任一项所述激光盾构机的掘进方法，其特征在于，所述激光射孔装置与掘进装置为分体式结构，通过激光射孔装置对工作面射孔实现对工作面处的岩石进行预破碎，所述掘进装置对射孔的工作面进行掘进，或通过激光射孔装置在对工作面部分区域进行射孔后，所述掘进装置进入该区域进行掘进，同时激光射孔装置在工作面另一部分区域进行射孔；
所述激光射孔装置与掘进装置为一体式结构，通过激光射孔装置对工作面处的岩石进行预破碎，所述掘进装置延迟开始运行并对工作面处的岩石进行破碎。
8.根据权利要求7所述的掘进方法，其特征在于，采用单光源激光束及激光光路上设置的用于将单光源激光束转化为若干子光束的光学组件，通过光源快速切换的方式实现各子光束的并行射孔。
9.根据权利要求7所述的掘进方法，其特征在于，采用多光源与多个射筒同时射孔。
10.据权利要求7所述的掘进方法，其特征在于，所述激光射孔装置相对于工作面射出的孔沿掘进轨迹呈阵列分布。
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