CN113818892A - 一种破岩掘进装置及其破岩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种破岩掘进装置,包括驱动装置,刀盘和清理机构,还包括高能发射装置、脉冲液体射流系统、实时监测系统、温度监控装置、智能控制系统和回收利用系统,信息采集装置对所述实时监测系统的数据信息进行采集。所述智能控制系统对所述信息采集装置、实时监测系统、温度监控装置输出的各种物理量信号进行调理和识别,控制所述高能发射装置和脉冲液体射流系统的工作,控制刀盘的工作。本发明的破岩掘进装置,能根据地质特性选择合适的破岩模式,提高了破岩效率,减少了刀具磨损程度,延长了设备使用寿命,节省了施工成本,实现了复杂性地质的高效破碎。本发明还提供了上述破岩掘进装置的破岩方法。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域,特别涉及一种破岩掘进装置及其破岩方法。
背景技术
目前,岩层的隧道掘进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。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会增加,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。更换刀具不仅成本高、风险大,而且严重影响掘进效率。现有的破岩模式单一,对复杂地质的适应性差。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种破岩掘进装置,能根据地质特性选择合适的破岩模式,提高了破岩效率,减少了刀具磨损程度,延长了设备使用寿命,节省了施工成本,实现了复杂性地质的高效破碎。
本发明还提供了上述破岩掘进装置的破岩方法。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种破岩掘进装置,包括驱动装置,刀盘和清理机构,还包括:
高能发射装置,其高能输出口设置在所述刀盘的正面,高能辐照岩石使得岩石萌生裂纹;
脉冲液体射流系统,其液体喷射口设置在所述刀盘的正面,所述液体喷射口设置在所述高能输出口的周围,用于喷射低温液体使得岩石温度骤降;
实时监测系统,包括传感器系统,通过所述传感器系统对掘进过程中待挖掘的掌子面的相应数据进行采集,所述传感器系统与信息采集装置电连接;
温度监控装置,掘进前,探测岩石温度性能,判断是否为热岩,传输信号至智能控制系统;掘进中,监控所述高能发射装置对待掘进的掌子面的加热部分的加热温度;
智能控制系统,根据所述实时监测系统和温度监控装置输出的各种信号,智能决策破岩模式并控制所述高能发射装置和脉冲液体射流系统的工作,控制刀盘的工作。
可选地,所述高能发射装置为激光发生装置、高频电脉冲发生装置、电弧发生装置中的一种或多种。
可选地,所述高能输出口设置有若干行,每行包括若干个所述高能输出口,每行的若干个所述高能输出口沿所述刀盘的径向分布;
所述液体喷射口设置有若干行,每行包括若干个所述液体喷射口,每行的若干个所述液体喷射口沿所述刀盘的径向分布。
可选地,所述脉冲液体射流系统包括液体回收利用系统,所述液体回收利用系统包括依次连通设置的排气检测装置、固气分离装置、CO2气体制冷换热器、颗粒状干冰制得装置和脉冲射流液体高压注入泵。
可选地,所述传感器系统包括压力传感器和超声波传感器,所述压力传感器用于监测待掘进掌子面的岩石硬度,所述超声波传感器用于监测待挖掘位置的地质条件;
所述温度监控装置,包括红外温度传感器、微处理单元和无线通信模块,所述红外温度传感器用于监测掘进前和掘进中的掌子面的温度,所述微处理单元用以处理所述红外温度传感器感测的温度信息,所述无线通信模块将温度信息传递给所述智能控制系统。
可选地,所述实时监测系统还包括图像可视模块,所述图像可视模块用于监测掘进处的工作情况。
本发明还提供了一种破岩掘进装置的破岩方法,智能控制系统根据实时监测系统采集到的掌子面的地质数据,以及温度监控装置实时采集的岩面的温度数据,采取不同的破岩模式。
可选地,具体步骤包括:
a)、所述实时监测系统对掘进隧道的岩性进行实时信息采集,所述温度监控装置实时采集岩面的温度数据,采集的信息和数据传递给智能控制系统;
b)、所述智能控制系统根据信息采集输入的数据进行分析、识别,根据待掘进掌子面的温度、岩性、地质,匹配不同的破岩模式;
c)、刀盘驱动装置根据所述智能控制系统传输的掘进参数及控制信号,驱动高能发射装置空间布局的调整及破岩模式间的切换,调整完毕后推进装置启动,开始辅助破岩的工作;
d)、滚刀破岩,使刀盘缓慢旋转推进,开始滚刀破岩;当刀盘的扭矩增大到一定程度后,智能控制系统控制将刀盘回缩,重复步骤a)至步骤d)。
可选地,所述辅助破岩的过程包括:
岩石加热过程,高能发射装置开启,以加热待掘进的掌子面岩石,同时使刀盘缓慢转动;
降温破岩过程,脉冲液体射流系统在高能发射装置加热岩石,且当岩石温度到达温度监控装置预设的温度阈值时,高能发射装置关闭,同时触发脉冲液体射流系统喷射低温液体使得岩石温度骤降,岩石降温到预设温度以下后脉冲液体射流系统关闭。
可选地,所述破岩模式包括:滚刀破碎模式、高能辐照-脉冲射流-滚刀破碎模式、高能辐照-滚刀破碎模式、脉冲射流-滚刀破碎模式。
从上述技术方案可以看出,本发明提供的破岩掘进装置,包括高能发射
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装置、脉冲液体射流系统、实时监测系统、温度监控装置和智能控制系统,所述高能发射装置产生的高能辐照岩石使得岩石萌生裂纹,所述脉冲液体射流系统用于喷射低温液体使得岩石温度骤降,所述实时监测系统用于监测待挖掘掌子面的地质特性,采集到的地质特性信息传递给智能控制系统,智能控制系统用于根据地质特性参数判断地质的温度、软硬和湿度特性,从而选择合适的破岩模式。本发明的破岩掘进装置具有多种破岩模式,根据需要选择合适的破岩模式,提高了破岩效率,减少了纯机械开挖对地层的扰动,减少了刀具磨损程度,延长了设备使用寿命,节省了施工成本,实现了复杂性地质的高效破碎。本发明还提供了上述破岩掘进装置的破岩方法,因此具有上述掘进装置的有益效果,此处不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术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为本发明实施例提供的破岩掘进装置的刀盘的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的破岩掘进装置的破岩流程示意图;
图3为本发明实施例提供的破岩掘进装置的刀盘的剖视结构示意图;
图4为本发明实施例提供的脉冲液体射流系统液体循环利用示意图。
其中:
1、刀盘,2、正滚刀,3、中心滚刀,4、高频电脉冲发生装置,5、激光发生装置,6、电弧发生装置,7、液体喷射口,8、喷头保护罩,9、各传感器子系统,10、智能控制系统,11、激光发射头,12、激光传输光缆,13、激光发生器,14、高压软管,15、高压脉冲射流配套系统,16、脉冲射流液体高压注入泵,17、颗粒状干冰制得装置,18、CO2气体制冷换热器,19、固气分离装置,20、排气检测装置。
具体实施方式
本发明公开了一种破岩掘进装置,能根据地质特性选择合适的破岩模式,提高了破岩效率,减少了刀具磨损程度,延长了设备使用寿命,节省了施工成本,实现了复杂性地质的高效破碎。
本发明还提供了上述破岩掘进装置的破岩方法。
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做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。
请参阅图1至图4,本发明的破岩掘进装置,包括驱动装置,刀盘1和清理机构,所述驱动装置用于驱动刀盘1工作,所述清理机构用于将装置挖掘下的碎石等清理出挖掘位置。本发明的破岩掘进装置还包括高能发射装置、脉冲液体射流系统、实时监测系统、温度监控装置和智能控制系统10。
其中,所述高能发射装置包括高能输出口和高能发射装置,所述高能输出口设置在刀盘1的正面,所述高能发射装置产生的高能辐照岩石使得岩石萌生裂纹。所述脉冲液体射流系统包括液体喷射口7,液体喷射口7设置在刀盘1的正面,同时设置在所述高能输出口的周围,用于喷射低温液体使得岩石温度骤降。液体喷射口7通过高压软管14与高压脉冲射流配套系统15连通。所述实时监测系统包括传感器系统9,通过传感器系统9对掘进过程中待挖掘的掌子面的相应数据进行采集,传感器系统9与信息采集装置电连接。所述温度监控装置掘进前,探测岩石温度性能,判断是否为热岩,传输信号至智能控制系统;掘进中,监控所述高能发射装置对待掘进的掌子面的加热部分的加热温度。所述信息采集装置对所述实时监测系统的数据信息进行采集。
智能控制系统10对所述信息采集装置、实时监测系统、温度监控装置输出的各种物理量信号进行调理和识别,智能决策破岩模式,并根据上述识别数据控制所述高能发射装置和脉冲液体射流系统的工作,同时控制刀盘1的工作。高压脉冲液体射流系统喷射的低温液体为液氮、液氮裹挟冰粒或液氮裹挟干冰颗粒。
本发明的破岩掘进装置,包括高能发射装置、脉冲液体射流系统、实时监测系统、温度监控装置和智能控制系统10,所述高能发射装置产生的高能辐照岩石使得岩石萌生裂纹,所述脉冲液体射流系统用于喷射低温液体使得岩石温度骤降,所述实时监测系统用于监测待挖掘掌子面的地质特性,采集到的地质特性信息传递给智能控制系统10,智能控制系统10用于根据地质特性参数判断地质的温度、湿度和软硬特性,从而选择合适的破岩模式。本发明的破岩掘进装置具有多种破岩模式,根据需要选择合适的破岩模式,提高了破岩效率,减少了纯机械开挖对地层的扰动,减少了刀具磨损程度,延长了设备使用寿命,节省了施工成本,实现了复杂性地质的高效破碎。
具体的,所述高能发射装置为激光发生装置5、高频电脉冲发生装置4、电弧发生装置6中的一种或多种。如图1中,所述高能发射装置包括激光发生装置5、高频电脉冲发生装置4和电弧发生装置6。刀盘1上设置有中心滚刀3和正滚刀2,中心滚刀3和正滚刀2为本领域常用的齿轮滚刀。正滚刀2沿刀盘1的径向布置。所述高能发射装置具有两种分布方式,第一种分布方式为:在刀盘1上均匀布置;第二种分布方式为:与刀盘1上的滚刀数量相同且一一对应布置,即每个滚刀的旁边布置有一个所述高能发射装置。
激光发生装置5包括依次电连接设置的激光发射头11、激光传输光缆12和激光发生器13,此为本领域常用的激光发生装置,此处不再赘述。
所述脉冲液体射流系统的液体喷射口7根据所述高能发射装置的分布而分布。所述脉冲液体射流系统的高压脉冲射流装置与高能发射装置一一对应,对应的高压脉冲射流装置、高能发射装置和滚刀的工作轨迹重合。刀盘1上设置有用于保护液体喷射口7的喷头保护罩8,避免破碎的石块撞击堵塞液体喷射口7。
其中,所述高能输出口设置有若干行,每行包括若干个所述高能输出口,每行的若干个所述高能输出口沿刀盘1的径向分布。同样的,液体喷射口7设置有若干行,每行包括若干个所述液体喷射口,每行的若干个所述液体喷射口沿刀盘1的径向分布。
进一步的,所述脉冲液体射流系统还包括液体回收利用系统,所述液体回收利用系统包括依次连通设置的排气检测装置20、固气分离装置19、CO2气体制冷换热器18、颗粒状干冰制得装置17和脉冲射流液体高压注入泵16。排气检测装置20监测气体排量及携屑情况,并结合携岩屑的二氧化碳气体的各个参数,适时调整干冰钻井液的注入量,有效保证破岩效率和携岩屑的能力。回收的液体进行固气分离、降温冷却后重新生成颗粒状干冰,再次被注入到掌子面。脉冲射流液体高压注入泵16为液体喷射口7泵入高压脉冲低温液体。
在一具体实施例中,传感器系统9包括压力传感器和超声波传感器,所述压力传感器用于监测待掘进掌子面的性能,所述超声波传感器用于监测待挖掘位置的地质条件。为了方便检查,信息采集模块集成以上各传感器采集的数据,然后将数据实时传递给智能控制系统10。
具体的,所述温度监控装置包括红外温度传感器、微处理单元和无线通信模块。所述红外温度传感器的感应头经温度探测口感测岩面的红外线信号的变化,这些变化反映出温度的信息。所述微处理单元用以处理所述红外温度传感器感测的温度信息,并控制通过所述无线通信模块传递给智能控制系统10,所述微处理单元将红外线信号转换成电压信号后,可以再转换为数字信号,以提供外部装置执行监控。所述红外温度传感器用于监测掘进前和掘进中的掌子面的温度。所述智能控制系统为现有技术中常用的控制用计算机或者控制器,此处不做限定。
所述温度监控装置还包括电源模块和存储单元。所述电源模块用于为所述温度监控装置的各个模块提供电能。所述存储单元电连接所述微处理单元,用以暂存所述微处理单元产生的温度信号。当所述温度监控装置监测的温度超过设定的第一阈值时,高能发射装置停止加热岩石,与此同时触发所述脉冲液体射流系统喷射低温液体使得岩石温度骤降,所述温度监控装置监测的岩石温度降温到第二阈值时,所述脉冲液体射流系统关闭。
在一实施例中,所述高能发射装置包括激光发生装置5、高频电脉冲发生装置4和电弧发生装置6,即刀盘1上设置上述三种高能加热装置。当掌子面的岩面坚固性系数f的范围为3≤f<8时,且需导流性工况,如页岩等致密气储层导流通道开掘,或者高硬度(f≥15)的花岗岩或玄武岩,采用高压脉冲放电的加热模式,高频电脉冲发生装置4对岩面加热。激光辅助破岩适用于深层地层的高硬度岩石(f≥8),如花岗岩、大理石、石灰岩、砂岩等高强度岩石,不适用于干/湿页岩、强碱地质等工况,激光发生装置5对岩面加热。电子束破岩的辅助加热工况适用于20≥f≥15的极硬岩,或孤石等特殊岩性联合破障模式,电弧发生装置6对岩面加热。f<3的不坚固岩石不需要对岩面加热,直接使用滚刀破岩。
有些岩石不容易破坏,一些则难于破碎,则它们的硬度也比较大,因此,用岩石的坚固性这个概念来表示岩石在破碎时的难易程度。坚固性的大小用坚固性系数来表示,又叫硬度系数,也叫普氏硬度系数f。坚固性系数f=R/100(R单位kg/cm2),式中,R为岩石标准试样的单向极限抗压强度值。
为了方便监控工作位置的情况,所述实时监测系统还包括图像可视模块,所述图像可视模块用于监测掘进处的工作情况。所述图像可视模块具体包括摄像头,所述摄像头用于拍摄刀具与掌子面的接触图像,以及采集待掘进掌子面的图像。
本发明还提供了一种破岩掘进装置的破岩方法,智能控制系统10根据实时监测系统采集到的掌子面的地质数据,以及温度监控装置实时采集的岩面的温度数据,采取不同的破岩模式。
具体步骤包括:
a)、所述实时监测系统对待掘进隧道的岩性进行实时信息采集,所述温度监控装置实时采集岩面的温度数据,采集的信息和数据传递给智能控制系统10;
b)、智能控制系统10根据信息采集输入的数据进行分析、识别,根据待掘进掌子面的温度、岩性、地质,匹配不同的破岩模式;
c)、刀盘驱动装置根据所述智能控制系统传输的掘进参数及控制信号,驱动高能发射装置空间布局的调整及破岩模式间的切换,调整完毕后推进装置启动,开始辅助破岩的工作;
d)、滚刀破岩,使刀盘1缓慢旋转推进,开始滚刀破岩。当刀盘1的扭矩增大到一定程度后,智能控制系统10接收到传感器的传输信号,自动控制将刀盘1回缩合适距离,开始新一轮的上述破岩步骤。
进一步的,所述辅助破岩的过程包括岩石加热过程和降温破岩过程。所述岩石加热过程为:高能发射装置开启,以加热掘进的掌子面岩石,同时使刀盘缓慢转动,以便对整个掌子面进行均匀加热。所述降温破岩过程为:脉冲液体射流系统在高能发射装置加热岩石,且当岩石温度到达温度监控装置预设的温度阈值时,触发脉冲液体射流系统喷射低温液体使得岩石温度骤降,岩石降温到预设温度以下后脉冲液体射流系统关闭。所述温度监控装置的温度感测结构为红外温度传感器,用来监控加热部分(岩面)的温度,同时可以通过温度反馈控制高能发射装置的输出功率、模式以达到最佳效果。
所述高能发射装置辐照加热岩石,使岩石萌生裂纹,降低岩石强度;高压脉冲液体射流冲击辐照后的岩石时,填充岩石的原有裂纹及辐照萌生裂纹,脉冲液体瞬间气化,气体急剧膨胀产生高压进一步破碎岩石;高压脉冲液体溅射到被加热岩石产生瞬时高温差,使得岩石产生拉应力而破碎;高压脉冲射流辅助破岩可以间隙性产生多个“水锤压力”,多源压缩应力波在岩石内部叠加、反射等作用造成岩石体积破碎和疲劳破坏。通过以上四种效应,实现了高能辐射热裂及喷射低温流体迅速冷却实现高效的辅助破岩的目的。
具体的,所述破岩模式包括:滚刀破碎模式、高能辐照-脉冲射流-滚刀破碎模式、高能辐照-滚刀破碎模式和脉冲射流-滚刀破碎模式。在软岩地段,采用滚刀破岩模式,降低施工成本。在干热岩性地段,使用脉冲射流-滚刀破岩模式。面对软硬不均、孤石等特殊岩性地段,实时监控系统的图像可视化模块、传感器模块和信息采集模块共同采集信息并将信息传递至智能控制系统,智能控制系统根据实际工况和岩性,智能选择多模式联合破障模式。
本发明的破岩掘进装置及破岩方法,具有多种破岩模式,能够智能选择破岩模式,既提高了破岩效率,又节省了施工成本,对极硬岩、软岩、软硬相间、干热岩等复杂地质条件的适应性极强,骤冷破岩所用液体可回收循环利用,施工成本低,环境污染小。岩石加热、岩石骤冷、滚刀破岩过程多种破岩机理共同作用,能量利用率高,破岩效率高,降低了隧道施工难度,提高了施工安全性和施工效率。
当岩面的坚固性系数的范围为0.8<f≤3时,采用常规的滚刀破碎模式进行隧道掘进;当岩面的坚固性系数的范围为f>3时,采用高能辐照-脉冲射流-滚刀破碎的模式工作;含水量较大的工况,采用高能辐照-滚刀破碎的模式工作;待破碎岩石为干热岩时,采用脉冲射流-滚刀破碎的模式工作。
在本方案的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本方案的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本方案的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种破岩掘进装置,包括驱动装置,刀盘和清理机构,其特征在于,还包括:
高能发射装置,其高能输出口设置在所述刀盘的正面,高能辐照岩石使得岩石萌生裂纹;
脉冲液体射流系统,其液体喷射口设置在所述刀盘的正面,所述液体喷射口设置在所述高能输出口的周围,用于喷射低温液体使得岩石温度骤降;
实时监测系统,包括传感器系统,通过所述传感器系统对掘进过程中待挖掘的掌子面的相应数据进行采集,所述传感器系统与信息采集装置电连接;
温度监控装置,掘进前,探测岩石温度性能,判断是否为热岩,传输信号至智能控制系统;掘进中,监控所述高能发射装置对待掘进的掌子面的加热部分的加热温度;
智能控制系统,根据所述实时监测系统和温度监控装置输出的各种信号,智能决策破岩模式并控制所述高能发射装置和脉冲液体射流系统的工作,控制刀盘的工作。
2.根据权利要求1所述的破岩掘进装置,其特征在于,所述高能发射装置为激光发生装置、高频电脉冲发生装置、电弧发生装置中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的破岩掘进装置,其特征在于,所述高能输出口设置有若干行,每行包括若干个所述高能输出口,每行的若干个所述高能输出口沿所述刀盘的径向分布;
所述液体喷射口设置有若干行,每行包括若干个所述液体喷射口,每行的若干个所述液体喷射口沿所述刀盘的径向分布。
4.根据权利要求1所述的破岩掘进装置,其特征在于,所述脉冲液体射流系统包括液体回收利用系统,所述液体回收利用系统包括依次连通设置的排气检测装置、固气分离装置、CO2气体制冷换热器、颗粒状干冰制得装置和脉冲射流液体高压注入泵。
5.根据权利要求1所述的破岩掘进装置,其特征在于,所述传感器系统包括压力传感器和超声波传感器,所述压力传感器用于监测待掘进掌子面的岩石硬度,所述超声波传感器用于监测待挖掘位置的地质条件;
所述温度监控装置,包括红外温度传感器、微处理单元和无线通信模块,所述红外温度传感器用于监测掘进前和掘进中的掌子面的温度,所述微处理单元用以处理所述红外温度传感器感测的温度信息,所述无线通信模块将温度信息传递给所述智能控制系统。
6.根据权利要求1所述的破岩掘进装置,其特征在于,所述实时监测系统还包括图像可视模块,所述图像可视模块用于监测掘进处的工作情况。
7.一种破岩掘进装置的破岩方法,其特征在于,智能控制系统根据实时监测系统采集到的掌子面的地质数据,以及温度监控装置实时采集的岩面的温度数据,采取不同的破岩模式。
8.根据权利要求7所述的破岩掘进装置的破岩方法,其特征在于,具体步骤包括:
a)、所述实时监测系统对掘进隧道的岩性进行实时信息采集,所述温度监控装置实时采集岩面的温度数据,采集的信息和数据传递给智能控制系统;
b)、所述智能控制系统根据信息采集输入的数据进行分析、识别,根据待掘进掌子面的温度、岩性、地质,匹配不同的破岩模式;
c)、刀盘驱动装置根据所述智能控制系统传输的掘进参数及控制信号,驱动高能发射装置空间布局的调整及破岩模式间的切换,调整完毕后推进装置启动,开始辅助破岩的工作;
d)、滚刀破岩,使刀盘缓慢旋转推进,开始滚刀破岩;当刀盘的扭矩增大到一定程度后,智能控制系统控制将刀盘回缩,重复步骤a)至步骤d)。
9.根据权利要求8所述的破岩掘进装置的破岩方法,其特征在于,所述辅助破岩的过程包括:
岩石加热过程,高能发射装置开启,以加热待掘进的掌子面岩石,同时使刀盘缓慢转动;
降温破岩过程,脉冲液体射流系统在高能发射装置加热岩石,且当岩石温度到达温度监控装置预设的温度阈值时,高能发射装置关闭,同时触发脉冲液体射流系统喷射低温液体使得岩石温度骤降,岩石降温到预设温度以下后脉冲液体射流系统关闭。
10.根据权利要求7所述的破岩掘进装置的破岩方法,其特征在于,所述破岩模式包括:滚刀破碎模式、高能辐照-脉冲射流-滚刀破碎模式、高能辐照-滚刀破碎模式、脉冲射流-滚刀破碎模式。
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---|---|
CN (1) | CN113818892A (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114264568A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-04-01 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统 |
CN115059472A (zh) * | 2022-05-27 | 2022-09-16 | 河海大学 | 一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法 |
Citations (27)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1335630A (en) * | 1970-10-20 | 1973-10-31 | Environment One Corp | Method and apparatus for producing pulsed jets of liquid |
CA1229853A (en) * | 1983-04-11 | 1987-12-01 | Herwig Wrulich | Process for spraying the bits and/or facing with pressurized liquid as well as apparatus for performing this process |
US20100089577A1 (en) * | 2008-10-08 | 2010-04-15 | Potter Drilling, Inc. | Methods and Apparatus for Thermal Drilling |
WO2010060177A1 (pt) * | 2008-11-28 | 2010-06-03 | FACULDADES CATÓLICAS, SOCIEDADE CIVIL MANTENEDORA DA PUC Rio | Sistema e processo de perfuração a laser |
US20140041940A1 (en) * | 2012-08-09 | 2014-02-13 | James H. Shnell | System and method for drilling in rock using microwaves |
CN105673029A (zh) * | 2016-03-30 | 2016-06-15 | 杨溢 | 水刀掘进式盾构机 |
CN106246101A (zh) * | 2016-09-23 | 2016-12-21 | 太原理工大学 | 一种用干冰钻井液辅助破岩的钻井方法 |
CN106475911A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-03-08 | 河南理工大学 | 一种冰粒气体射流快速制备装置及方法 |
CN106837176A (zh) * | 2017-03-22 | 2017-06-13 | 中国矿业大学(北京) | 一种用于钻井的激光破岩方法和装置 |
CN106884662A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-06-23 | 大连理工大学 | 一种激光辅助隧道掘进机及其破岩的方法 |
CN106988680A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-07-28 | 湖南科技大学 | 冰粒磨料射流辅助机械钻孔及煤层割缝方法 |
CN107283326A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-10-24 | 中国石油大学(北京) | 液氮与冰粒磨料射流方法及其发生装置 |
WO2018132979A1 (zh) * | 2017-01-18 | 2018-07-26 | 大连理工大学 | 一种激光辅助隧道掘进机及其破岩的方法 |
CN108397182A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-08-14 | 河南理工大学 | 电脉冲协同液氮冻融增透煤层的装置及方法 |
CN109030080A (zh) * | 2018-09-10 | 2018-12-18 | 中国矿业大学(北京) | 一种基于超临界二氧化碳射流的火星钻进取样方法及装置 |
CN109458188A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-12 | 中铁工程装备集团有限公司 | 高压脉冲放电-机械联合破岩的隧道掘进机用刀盘 |
CN109899081A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-06-18 | 中铁工程装备集团有限公司 | 利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机 |
CN109973106A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-07-05 | 中铁工程装备集团有限公司 | 一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机 |
CN110318765A (zh) * | 2019-07-02 | 2019-10-11 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 基于岩性识别的机械-水力联合破岩tbm实时掘进方法 |
US20190360318A1 (en) * | 2017-01-12 | 2019-11-28 | Zhongwei (Shanghai) Energy Technology Co. Ltd | Nozzle and injection device for use in underground coal gasification process and method for operating injection device |
CN110924972A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-03-27 | 中国铁建重工集团股份有限公司 | 一种硬岩隧道施工工法 |
CN111188620A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-22 | 西南交通大学 | 一种高地温隧道岩爆防治装置 |
CN112096396A (zh) * | 2020-09-22 | 2020-12-18 | 中南大学 | 微波、激光及空化射流组合的破岩刀盘及破岩方法 |
CN112198071A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-08 | 东北石油大学 | 可测试岩石温度应力的电脉冲破岩实验装置 |
CN112343511A (zh) * | 2020-11-25 | 2021-02-09 | 东北大学 | 一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置及方法 |
CN112360492A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-02-12 | 中铁工程装备集团有限公司 | 一种复合破岩方法、刀盘和掘进机 |
CN112539068A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-03-23 | 同济大学 | 以温差作为辅助措施的可破岩盾构机系统和作业方法 |
-
2021
- 2021-07-29 CN CN202110863928.2A patent/CN113818892A/zh active Pending
Patent Citations (27)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1335630A (en) * | 1970-10-20 | 1973-10-31 | Environment One Corp | Method and apparatus for producing pulsed jets of liquid |
CA1229853A (en) * | 1983-04-11 | 1987-12-01 | Herwig Wrulich | Process for spraying the bits and/or facing with pressurized liquid as well as apparatus for performing this process |
US20100089577A1 (en) * | 2008-10-08 | 2010-04-15 | Potter Drilling, Inc. | Methods and Apparatus for Thermal Drilling |
WO2010060177A1 (pt) * | 2008-11-28 | 2010-06-03 | FACULDADES CATÓLICAS, SOCIEDADE CIVIL MANTENEDORA DA PUC Rio | Sistema e processo de perfuração a laser |
US20140041940A1 (en) * | 2012-08-09 | 2014-02-13 | James H. Shnell | System and method for drilling in rock using microwaves |
CN105673029A (zh) * | 2016-03-30 | 2016-06-15 | 杨溢 | 水刀掘进式盾构机 |
CN106246101A (zh) * | 2016-09-23 | 2016-12-21 | 太原理工大学 | 一种用干冰钻井液辅助破岩的钻井方法 |
CN106475911A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-03-08 | 河南理工大学 | 一种冰粒气体射流快速制备装置及方法 |
US20190360318A1 (en) * | 2017-01-12 | 2019-11-28 | Zhongwei (Shanghai) Energy Technology Co. Ltd | Nozzle and injection device for use in underground coal gasification process and method for operating injection device |
WO2018132979A1 (zh) * | 2017-01-18 | 2018-07-26 | 大连理工大学 | 一种激光辅助隧道掘进机及其破岩的方法 |
CN106884662A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-06-23 | 大连理工大学 | 一种激光辅助隧道掘进机及其破岩的方法 |
CN106837176A (zh) * | 2017-03-22 | 2017-06-13 | 中国矿业大学(北京) | 一种用于钻井的激光破岩方法和装置 |
CN106988680A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-07-28 | 湖南科技大学 | 冰粒磨料射流辅助机械钻孔及煤层割缝方法 |
CN107283326A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-10-24 | 中国石油大学(北京) | 液氮与冰粒磨料射流方法及其发生装置 |
CN108397182A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-08-14 | 河南理工大学 | 电脉冲协同液氮冻融增透煤层的装置及方法 |
CN109030080A (zh) * | 2018-09-10 | 2018-12-18 | 中国矿业大学(北京) | 一种基于超临界二氧化碳射流的火星钻进取样方法及装置 |
CN109458188A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-12 | 中铁工程装备集团有限公司 | 高压脉冲放电-机械联合破岩的隧道掘进机用刀盘 |
CN109899081A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-06-18 | 中铁工程装备集团有限公司 | 利用超临界二氧化碳射流破岩的掘进机 |
CN109973106A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-07-05 | 中铁工程装备集团有限公司 | 一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机 |
CN110318765A (zh) * | 2019-07-02 | 2019-10-11 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 基于岩性识别的机械-水力联合破岩tbm实时掘进方法 |
CN110924972A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-03-27 | 中国铁建重工集团股份有限公司 | 一种硬岩隧道施工工法 |
CN111188620A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-22 | 西南交通大学 | 一种高地温隧道岩爆防治装置 |
CN112096396A (zh) * | 2020-09-22 | 2020-12-18 | 中南大学 | 微波、激光及空化射流组合的破岩刀盘及破岩方法 |
CN112198071A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-08 | 东北石油大学 | 可测试岩石温度应力的电脉冲破岩实验装置 |
CN112343511A (zh) * | 2020-11-25 | 2021-02-09 | 东北大学 | 一种基于微波加热液氮冷却的冷热冲击破岩装置及方法 |
CN112360492A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-02-12 | 中铁工程装备集团有限公司 | 一种复合破岩方法、刀盘和掘进机 |
CN112539068A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-03-23 | 同济大学 | 以温差作为辅助措施的可破岩盾构机系统和作业方法 |
Non-Patent Citations (10)
Title |
---|
乔兰: "基于微波加热技术的硬岩破裂方法探究", 《煤炭学报》, vol. 46, no. 1 * |
刘宁: "电液压脉冲水射流发生器及破岩研究", 《中国优秀硕士论文全文库工程科技I辑》, no. 6 * |
刘柏禄: "一种用于隧道断面脆性硬岩的激光破岩原理探讨", 《中国钨业》, vol. 26, no. 1 * |
刘海青: "高压水射流切割技术发展及应用现状", 《机床与液压》, vol. 46, no. 21, pages 173 - 179 * |
彭赐彩: "激光辅助TBM盘形滚刀破岩过程数值建模与试验验证", 《中国优秀硕士论文全文库工程科技II辑》, no. 1 * |
朱团辉: "硬岩掘进机高压水耦合破岩影响因素实验研究", 《 液压与气动》, vol. 45, no. 5 * |
李洪盛: "自振脉冲射流预制裂隙对机械刀具破岩过程温度影响特性", 《煤炭学报》, vol. 46, no. 7 * |
郑彦龙,何磊: "极硬极高磨损岩石中的TBM...方案和辅助破岩方法(英文)", 《JOURNAL OF CENTRAL SOUTH UNIVERSITY》, vol. 28, no. 2 * |
顿苗苗: "一种用于隧道断面脆性硬岩的激光破岩原理探讨", 《三峡大学学报(自然科学版)》, vol. 33, no. 3 * |
马九荣: "《高压水射流技术与应用》", vol. 1, 31 August 1998, 机械工业出版社, pages: 543 - 544 * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114264568A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-04-01 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统 |
CN114264568B (zh) * | 2021-12-22 | 2024-01-23 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统 |
CN115059472A (zh) * | 2022-05-27 | 2022-09-16 | 河海大学 | 一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法 |
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