CN113882859A - 激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置及方法，所述装置包括：控制系统、激光发生器、激光头、超声波发生器、换能器、超声波变幅杆、刀具及机械钻头；控制系统与激光发生器及超声波发生器分别连接，用于控制激光发生器及超声波发生器的启停，并对激光发生器及超声波发生器进行参数设置；激光发生器产生的激光经过激光头，通过激光头内的聚焦镜聚焦于岩石表面；超声波发生器通过换能器连接至超声波变幅杆，刀具连接超声波变幅杆，用于承接超声波变幅杆传来的能量并作用于岩石。本申请能够利用激光与超声波振动的复合方式来辅助破碎岩石。

Description

激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置及方法

技术领域

本申请涉及机械加工领域，具体是一种激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置及方法。

背景技术

在油气资源及矿物开采的过程中，随着钻进深度的增加，高硬度岩石的破碎问题逐渐突出，岩石破碎的效率极大程度地影响了整体作业效率。在地质勘探和油气开采中采取的传统方式是机械式破岩，利用钻头的高转矩、高转速和高压来提高钻进速度，因此钻头磨损的情况较为严重，工作寿命较短。

由于现有的机械破岩方式在提高钻进速度的能力方面受到限制，新型的破岩方法不断涌现，采用等离子体、电子束、激光、微波以及超声波等方法辅助机械破岩可以降低机械破岩方法中频繁更换钻具所需要的成本，节省时间，有效地提高破碎岩石的效率。但每一种破岩的方法在实际工作过程中也分别存在一些限制因素。

激光破岩是一种非接触式的物理化学破岩方法，利用高能激光束作用在岩石表面，使岩石局部发生热破碎、熔化和气化现象。激光破碎岩石的过程中会产生二次效应，随着钻进深度的增加，岩石由于吸收激光热量会产生大量的熔融物，由于激光能量的限制，熔融物不能完全气化，而会在孔壁周围以及底部重凝或堆积形成残渣，不断吸收激光能量并且阻碍激光进一步钻进；此外，已经气化的岩石材料被激光加热会形成离子化的等离子体，吸收激光能量，阻碍了激光与岩石表面材料的进一步接触作用，因此激光钻进的孔洞一般是呈上宽下窄的倒锥形。二次效应会引起激光能量的损失，降低激光破碎岩石的效率，因此在激光破岩的过程中抑制二次效应的产生可降低岩石破碎比能，提高破岩的效率。

发明内容

针对现有技术中的问题，本申请提供一种激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置及方法，能够利用激光与超声波振动的复合方式来辅助破碎岩石。

为解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，包括：控制系统、激光发生器、激光头、超声波发生器、换能器、超声波变幅杆、刀具及机械钻头；所述激光头、换能器、超声波变幅杆及刀具设置所述机械钻头中；

所述控制系统与所述激光发生器及所述超声波发生器分别连接，用于控制所述激光发生器及所述超声波发生器的启停，并对所述激光发生器及所述超声波发生器进行参数设置；

所述激光发生器产生的激光经过所述激光头，被所述激光头内的聚焦镜聚焦于岩石表面；

所述超声波发生器通过换能器连接至超声波变幅杆，所述刀具连接所述超声波变幅杆，用于承接所述超声波变幅杆传来的能量并作用于岩石。

进一步地，所述机械钻头在与岩石接触的一面上设有第一开口，所述激光头发出的激光经过所述第一开口后作用于所述岩石。

进一步地，所述机械钻头在与岩石接触的一面上设有第二开口，所述刀具通过所述第二开口伸出所述机械钻头并作用于所述岩石。

进一步地，所述的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，还包括：静载施加装置，所述静载施加装置放置于地面，用于对所述机械钻头施加静载力。

第二方面，本申请提供一种激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法，应用于所述的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，包括：

激光发生器发射激光，所述激光经过激光头射出后聚焦在岩石上，对所述岩石进行激光破岩；所述激光参数包括激光功率、离焦量、辐射时间及入射角度；

超声波发生器产生的超声波经过换能器、变幅杆将所述超声波传递给刀具；

所述刀具利用所述超声波根据预先规划的激光破岩路径在岩石中心点位置对所述岩石进行超声振动破岩。

进一步地，所述的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法，还包括：

启动静载施加装置，对机械钻头施加静载力以辅助破岩。

进一步地，所述的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法，还包括：

根据激光破岩历史数据建立所述激光参数与单点裂纹区域面积之间的关系；

根据人工预先计算的岩石表面确定算激光辐射点数；

所述控制系统根据激光辐射点数人工输入坐标以规划激光破岩路径。

针对现有技术中的问题，本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置及方法，能够利用激光与超声波振动的复合方式来辅助破碎岩石，可对岩石进行多点短时加热，避免了激光加热过程中二次作用的产生；同时，超声振动作用使岩石经激光照射后产生的裂纹进一步扩张，岩石强度进一步被削弱，能在较短时间内达到破碎岩石的目的，适于对高硬度的岩石材料进行加工，克服了仅用机械方法破碎岩石时钻头过度磨损的问题，在油气及矿物开采领域有较大的应用前景。

附图说明

图1为本申请实施例中的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置的示意图；

图2为本申请实施例中的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法的示意图；

图3为本申请实施例中的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法的流程图之一；

图4为本申请实施例中的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法的流程图之二。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1，为了能够利用激光与超声波振动的复合方式来辅助破碎岩石，本申请提供一种激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，包括：控制系统1、激光发生器2、激光头3、超声波发生器4、换能器5、超声波变幅杆7、刀具8及机械钻头9；其中，激光头3、换能器5、超声波变幅杆7及刀具8设置机械钻头9中。具体地，换能器5、超声波变幅杆7及刀具8可为一体化设计，整体固定于机械钻头内。

一实施例中，控制系统1与激光发生器2及超声波发生器4分别连接，用于控制激光发生器2及超声波发生器4的启停，并对激光发生器2及超声波发生器4进行参数设置。其中，控制系统1可以为一可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，由工作人员提前将程序编写好后，控制面板1可以控制激光发生器2与超声波发生器4的启停。

一实施例中，激光发生器2产生的激光经过激光头3，被激光头3内的聚焦镜聚焦于岩石10表面。

一实施例中，超声波发生器4通过换能器5连接至超声波变幅杆7，刀具8连接超声波变幅杆7，用于承接超声波变幅杆7传来的能量并作用于岩石。

可以理解的是，在利用本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置进行破岩时，先利用激光破岩原理对岩石进行激光辐射，岩石由于受到热力耦合作用，其表面会产生热破碎效应、气化效应及熔化效应，其内部会产生裂纹；然后利用超声波破岩原理对岩石施加超声波振动，使超声波振动作用于岩石，进一步扩大裂纹以降低岩石硬度；最后对岩石进行机械钻头钻进，彻底破碎岩石。

需要说明的是，在进行激光破岩时，控制系统1控制激光发生器2产生激光，激光经过激光头3，被激光头3内的聚焦镜聚焦于岩石表面，从而形成破岩效果。

在进行超声波振动破岩时，控制系统1控制超声波发生器4产生超声波并将超声能量传递给换能器5，换能器5将超声能量转换为机械能后传递至超声波变幅杆7，刀具8连接超声波变幅杆7，用于承接超声波变幅杆7传来的机械能并作用于岩石，从而形成破岩效果。

一实施例中，参见图1，机械钻头9在与岩石接触的一面上设有一开口11，激光头3发出的激光经过开口11后作用于岩石。

一实施例中，参见图1，机械钻头9在与岩石接触的一面上设有又另一开口12，刀具8通过该开口12伸出机械钻头9并作用于岩石。

一实施例中，激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置还包括：静载施加装置6。静载施加装置6可以放置于地面，对机械钻头9施加静载力。静载力可以加快破岩速度。

从上述描述可知，本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，能够利用激光与超声波振动的复合方式来辅助破碎岩石，可对岩石进行多点短时加热，避免了激光加热过程中二次作用的产生；同时，超声振动作用使岩石经激光照射后产生的裂纹进一步扩张，岩石强度进一步被削弱，能在较短时间内达到破碎岩石的目的，适于对高硬度的岩石材料进行加工，克服了仅用机械方法破碎岩石时钻头过度磨损的问题，在油气及矿物开采领域有较大的应用前景。

参见图3，为了能够利用激光与超声波振动的复合方式来辅助破碎岩石，本申请提供一种激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法，应用于本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，包括：

S101：激光发生器发射激光，激光经过激光头射出后聚焦在岩石上，对岩石进行激光破岩；激光参数包括激光功率、离焦量、辐射时间及入射角度；

S102：超声波发生器产生的超声波经过换能器、变幅杆将超声波传递给刀具；

S103：刀具利用超声波根据预先规划的激光破岩路径在岩石中心点位置对岩石进行超声振动破岩。

可以理解的是，为了验证本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法的可行性，可以选取不尺寸的花岗岩岩石进行分别实验。考虑到不同干燥系数及表面粗糙程度的岩石对激光能量的吸收率不同，进而会影响到岩石裂纹产生面积的大小，影响实验数据，因此在选取时要尽量保证岩石干燥及表面平整。将选取好的岩石放置在实验台上，安装透明保护罩，防止岩石碎屑因受到激光能量冲击而崩出，对操作人员造成伤害。

在设定如激光功率、离焦量、辐射时间及入射角度等激光参数后，将激光发生器产生的激光照射在岩石上。通常而言，激光照射岩石上的某一单点后，单点周围所能产生的裂纹区域面积是一定的。由此就可以在计算岩石表面积后，计算得出欲将裂纹布满整个岩石表面需要多少个单点。然后再根据岩石的形状，进行照射路径规划，保证路径简单流畅，减少重复动作。在一实施例中，激光头3是固定放置于钻头内的，在机械臂的带动下，激光头3可以对岩石进行照射。对岩石进行照射。

需要说明的是，在机械臂动作之前，工作人员需要预先对机械臂的运动方式进行编程，以控制激光头3的移动速度及路径。在一实施例中，工作人员可以在控制系统1中输入辐射点的坐标，以控制机械臂对单点进行激光辐射。

其中，预先对机械臂进行编程的方法可以参见现有技术，例如可以输入(激光照射)单点坐标，自动完成路径规划；岩石表面积的计算可以通过人工完成，且本申请不对计算精度进行限制。

具体实施时，可以将激光头的中心位置对准预先选取的第一个单点，开启激光发生器，并按下机械臂运动启动按钮(可设置于机械臂上)，然后按照程序控制的辐射时间及路径依次对岩石的各个单点进行照射。在机械臂移动过程中，激光发生器可以是不工作的，只有在机械臂移动至相应单点时激光发生器才开启，即激光束只对照射点位进行照射，在机械臂移动过程中不产生激光束。在最后一个单点照射完毕且机械臂复位后，关闭机械臂运动按钮及激光发生器。

在完成激光破岩操作后，可以进行超声波振动破岩。对所选岩石进行尺寸测量后可以计算出岩石的中心位置，移动机械臂，将超声波振动装置移至岩石中心，并将刀具与岩石表面接触。然后开启超声波发生器，超声波经过换能器、变幅杆及刀具，最终将振动机械能传至岩石，岩石经过激光照射后所产生的裂纹在超高频率的超声波作用下实现了进一步地扩展及开裂。

其中，换能器的作用是将超声波能量转换成振动机械能并传递给变幅杆；变幅杆的作用是实现机械振动的质点位移及加速，并将超声能量集中在较小的面积上(即聚能)；刀具的作用是承接变幅杆传递过来的能量并作用于岩石。观察岩石，待岩石裂纹不在继续扩展后，可以关闭超声波发生器，将刀具从岩石表面移开，复位机械臂。

从上述描述可知，本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法，能够利用激光与超声波振动的复合方式来辅助破碎岩石，可对岩石进行多点短时加热，避免了激光加热过程中二次作用的产生；同时，超声振动作用使岩石经激光照射后产生的裂纹进一步扩张，岩石强度进一步被削弱，能在较短时间内达到破碎岩石的目的，适于对高硬度的岩石材料进行加工，克服了仅用机械方法破碎岩石时钻头过度磨损的问题，在油气及矿物开采领域有较大的应用前景。

一实施例中，本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法还包括：

启动静载施加装置，对机械钻头施加静载力以辅助破岩。

可以理解的是，为了实现更优的破岩效果，本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法还能够启动静载施加装置，对机械钻头施加静载力以辅助破岩。

具体地，控制系统可以控制机械钻头移至岩石表面中心位置(中心位置已事先进行人工选定)，开启静载施加装置，将静载荷通过机械钻头施加在岩石表面。在静载荷的作用下，机械钻头会快速地向岩石内部钻进。由于在进行这一操作前，已经进行了激光破岩及超声振动破岩，因此钻进速度会明显优于未经过激光破岩及超声振动破岩而直接进行机械钻头钻进的情况。观察机械钻头钻进一定时间后，可以移动机械钻头离开岩石，关闭静载施加装置。取下透明保护罩，此时可以观察到裂纹扩展情况和岩石钻进深度。

待上述过程完成后，操作人员可以记录破岩数据，包括但不限于：激光功率、离焦量、辐射时间和入射角度等工艺参数；超声波频率、功率等参数；超声波作用时间、静载时间和大小、机械钻头钻进时间等参数。

从上述描述可知，本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法，能够启动静载施加装置，对机械钻头施加静载力以辅助破岩。

参见图4，一实施例中，本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法，还包括：

S201：根据激光破岩历史数据建立激光参数与单点裂纹区域面积之间的关系；

S202：根据关系及预先计算的岩石表面积计算激光辐射点数；

S203：根据岩石几何特征及激光辐射点数规划激光破岩路径。

可以理解的是，激光破岩历史数据可以包括历史时间段内，进行破岩时所记录的激光参数，包括但不限于激光功率、离焦量、辐射时间及入射角度等工艺参数。还可以通过现有数学算法计算激光辐射岩石上的某单点后，该单点的裂纹区域面积。统计上述激光参数与单点裂纹区域面积之间的关系后，可以建立基本关系数据库。

日后在进行破岩路径规划时，控制系统就能够根据基本关系数据库及预先计算的岩石表面积计算激光辐射点数。其中，岩石表面积的计算也可由人工完成，本申请不以此为限。在此基础上，控制系统可以根据岩石几何特征及激光辐射点数规划激光破岩路径。其中，岩石几何特征包括但不限于岩石的长、宽、高、周长及表面积等。上述几何特征可以利用现有的实物成像技术及图像识别技术扫描获知。上述过程，也可由人工完成，本申请不以此为限。

从上述描述可知，本申请提供的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法，能够规划激光破岩路径。

在一实施例中，可以利用现有的实物成像技术及图像识别技术扫描获知岩石几何特征，然后通过安装于控制系统内的软件自动计算得到岩石中心点的位置。

为了更好地说明本申请的装置及方法，下面结合附图对其对应的具体实施方式加以说明。

参见图2，激光束以恒定功率分别对岩石10表面几个预先选定的点进行照射。经激光照射后，照射点中心会形成孔洞，在孔壁周围，热应力会促使裂纹14的形成，裂纹集中在以照射点为中心的椭圆区域13内，参见图2所示。将激光破岩后的岩石进行超声波振动破岩，使岩石内部裂纹14进一步扩大，最大程度地削弱岩石强度。

下面以花岗岩为基体进行说明，但本申请不以此类岩石为限。一实施例中，该花岗岩的尺寸为200mm×200mm×100mm；采用光纤激光器进行激光破岩，激光参数为激光功率1000W，离焦量为20mm，激光辐射时间为4s，入射角度为垂直于岩石表面；超声波参数为频率为25Khz，功率为600W，工作电流4A，作用时间为60s；静载施加装置施加压力为500N。

激光与超声波振动复合辅助破碎岩石具体步骤如下：

(1)选取尺寸为200mm×200mm×100mm的花岗岩放置在实验台上并固定，保证岩石平整干燥；

(2)根据激光破岩后单个点周围裂纹区域面积的基本关系数据库和岩石规格设定4个激光辐射点位置，并对本申请提供的装置进行激光参数设置：激光功率1000W，离焦量为10mm，激光辐射时间为4s；

(3)开启激光发生器2，控制系统1控制本申请提供的装置分别对4个辐射点位置依次进行为时4s的照射，完成后关闭激光发生器2；

(4)开启超声波发生器4，对岩石进行超声波振动破岩，作用时间为60s后，关闭超声波发生器4；

(5)控制机械钻头9作用于岩石表面中心位置，开启静载施加装置6，压力位500N；待岩石破碎后，控制系统1控制机械钻头9离开岩石表面，关闭静载施加装置6。

(6)移走本申请提供的装置，复合破岩过程完成。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实现方法的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，其特征在于，包括：控制系统、激光发生器、激光头、超声波发生器、换能器、超声波变幅杆、刀具及机械钻头；所述激光头、换能器、超声波变幅杆及刀具设置所述机械钻头中；

所述控制系统与所述激光发生器及所述超声波发生器分别连接，用于控制所述激光发生器及所述超声波发生器的启停，并对所述激光发生器及所述超声波发生器进行参数设置；

所述激光发生器产生的激光经过所述激光头，被所述激光头内的聚焦镜聚焦于岩石表面；

所述超声波发生器通过换能器连接至超声波变幅杆，所述刀具连接所述超声波变幅杆，用于承接所述超声波变幅杆传来的能量并作用于岩石。

2.根据权利要求1所述的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，其特征在于，所述机械钻头在与岩石接触的一面上设有第一开口，所述激光头发出的激光经过所述第一开口后作用于所述岩石。

3.根据权利要求1所述的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，其特征在于，所述机械钻头在与岩石接触的一面上设有第二开口，所述刀具通过所述第二开口伸出所述机械钻头并作用于所述岩石。

4.根据权利要求1所述的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，其特征在于，还包括：静载施加装置，所述静载施加装置放置于地面，用于对所述机械钻头施加静载力。

5.一种激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法，应用于权利要求1-4中任一项所述的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎装置，其特征在于，包括：

激光发生器发射激光，所述激光经过激光头射出后聚焦在岩石上，对所述岩石进行激光破岩；所述激光参数包括激光功率、离焦量、辐射时间及入射角度；

超声波发生器产生的超声波经过换能器、变幅杆将所述超声波传递给刀具；

所述刀具利用所述超声波根据预先规划的激光破岩路径在岩石中心点位置对所述岩石进行超声振动破岩。

6.根据权利要求5所述的激光与超声波振动复合辅助岩石破碎方法，其特征在于，还包括：

启动静载施加装置，对机械钻头施加静载力以辅助破岩。

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