CN113982620A - 一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置及使用方法，涉及岩石破碎技术领域，包括微波系统、微波等离子转换系统及刀盘系统；所述刀盘系统内安装有微波系统和微波等离子转换系统，且微波系统与微波等离子转换系统连接。在只采用微波源供给能量的前提下，实现普通微波照射和高温火焰形式的等离子体照射联合作用配合全断面硬岩隧道掘进机破岩，解决了微波不敏感岩石微波致裂的问题，增大了微波破岩技术的适用范围；采用等离子炬高温加热岩石，普通微波照射的方法，解决了常温微波不敏感而高温微波敏感岩石的微波致裂问题。

Description

一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置及使用方法

技术领域

本发明涉及岩石破碎技术领域，具体涉及一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置及使用方法。

背景技术

在众多破岩技术中，机械破岩和钻爆法施工是最常用的两种，相比于传统的钻爆法施工，机械破岩具有对围岩扰动小，施工精度高等优点，尤其是全断面硬岩隧道掘进机在隧道工程得到了广泛的应用。但是岩石坚硬的属性会导致全断面硬岩隧道掘进机刀具磨损严重，掘进速度大幅降低。

最在过去的半个多世纪里，发展了很多新型辅助破岩技术，比如激光破岩、高压水射流破岩、电爆破破岩、等离子破岩和微波破岩技术，其中微波破岩技术以其非接触式、体积加热和环保的优点成为了一种非常有应用潜力的破岩技术。微波破岩的本质是岩石中的微波敏感矿物在微波照射后升温，与不敏感矿物产生热应力差，导致破裂甚至熔化，从而降低岩石强度，提高掘进速度。

微波破岩技术存在的问题在于对于微波不敏感的矿物是没有作用的，实际隧道工程中岩体结构和岩性变化大，存在大量的微波不敏感岩石区段，或者是在常温条件下微波不敏感而高温条件下微波敏感的岩石，这类岩石在微波照射下不升温或是升温缓慢，无法产生破裂，这就限制了微波破岩技术的适用范围，同时没有物质吸收微波，微波大量空照会导致微波设备的损坏，因此需要解决微波不敏感岩石致裂的问题。一种可行的方法就是采用其他的破岩方法配合微波技术，比如水射流协同微波破岩，遇到微波不敏感的岩石只采用水射流破岩，遇到微波敏感的区段再采用微波破岩，但是这种方法会增加工艺流程和设备结构的复杂性。

等离子破岩通过产生的高温等离子弧直接加热岩石，岩石矿物分解或热膨胀导致岩石强度降低。等离子破岩的优点在于对于岩石的适用范围广，高温等离子弧的发射可以采用微波系统，缺点在于致裂微波敏感岩石时不如微波破岩效率高。因此亟需研发一种结构简单，融合微波和等离子体破岩技术，实现现场岩体自适应的破岩装置及方法，从而解决硬岩隧道中微波不敏感岩石致裂的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置及使用方法，能够在采用单一微波源供给能量的前提下，针对不同微波敏感性的岩石，实现普通微波/等离子体的等离子炬温度达到3000～6500K动态转换照射，解决了微波不敏感硬岩致裂的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，包括微波系统、微波等离子转换系统及刀盘系统；所述刀盘系统内安装有微波系统和微波等离子转换系统，且微波系统与微波等离子转换系统连接。

所述刀盘系统包括机体、刀盘、刀头及支撑框架，所述机体前端转动安装有刀盘，刀盘前端由圆心到边缘设置有多圈刀头，且位于同一圈上的刀头沿周向等间距布置，机体内腔固定安装有支撑框架，且支撑框架靠近刀头一端设置。

所述微波系统包括微波电源、微波发生器、矩形波导Ⅰ、功率分配器Ⅰ及传动齿轮Ⅰ；多个所述微波电源和多个微波发生器安装于刀盘系统的机体内腔底板上，每个微波电源与对应的微波发生器连接，每个微波发生器的中心孔内均安装有水冷却装置，且水冷却装置顶端延伸至微波发生器外侧，水冷却装置用于降低磁控管温度，多个所述并联设置的微波发生器通过转接管汇集后与矩形波导Ⅰ一端连接，矩形波导Ⅰ另一端与旋转波导Ⅰ一端通过轴承转动安装，矩形波导Ⅰ上表面靠近微波发生器一端安装有自动匹配调谐器，自动匹配调谐器的作用在于，遇到含水等其他突变的岩石条件时，自动调节反射，防止磁控管因反射过大而损坏，靠近旋转波导Ⅰ一端安装有反射功率计，旋转波导Ⅰ穿过支撑框架的内孔且两者之间通过轴承连接，旋转波导Ⅰ外壁通过齿轮卡套Ⅰ安装有传动齿轮Ⅰ，所述支撑框架侧壁通过螺栓固定安装有驱动电机Ⅰ，驱动电机Ⅰ的输出轴通过轴承与支撑框架传动安装，且驱动电机Ⅰ位于旋转波导下方设置，驱动电机Ⅰ的输出轴末端延伸至支撑框架外侧且通过键与传动齿轮Ⅱ连接，传动齿轮Ⅱ与传动齿轮Ⅰ啮合设置，旋转波导Ⅰ另一端与矩形波导Ⅱ一端连接，矩形波导Ⅱ外侧套装有高精度滑环，矩形波导Ⅱ另一端穿过刀盘与位于刀盘内腔的功率分配器Ⅰ一端连接，矩形波导Ⅱ与刀盘之间通过轴承转动安装，高精度滑环的作用是能够将旋转运动的功率分配器Ⅰ上多个输出端的反射信号转化到固定的线缆上，从而传输到功率反射计上显示；功率分配器Ⅰ外圆面及前端面沿周向等间距设置有直角传输波导，且功率分配器Ⅰ前端面中心处设置有传输波导，所述直角传输波导竖直部分安装有驱动电机Ⅱ，驱动电机Ⅱ输出轴末端通过键连接有传动齿轮Ⅲ，直角传输波导水平部分末端通过轴承与旋转波导Ⅱ后端转动安装，旋转波导Ⅱ外侧通过齿轮卡套Ⅱ安装有与传动齿轮Ⅲ啮合的传动齿轮Ⅳ。

所述微波等离子转换系统包括微波转换开关，多个所述微波转换开关分别与对应的旋转波导Ⅱ前端及传输波导前端连接，微波转换开关另一端分别安装有微波等离子体应用器及普通微波应用器，刀盘前端设置有与直角传输波导与传输波导一一对应的刀头，所述的功率分配器Ⅰ分出九个输出端，分别与微波等离子体应用器及普通微波应用器一一对应，且分布在两个不同直径的同心圆轨迹以及圆心位置且与刀头轨迹分布一致，个数依次为：圆心一个，同心圆直径从小到大依次布置三个，五个。

所述普通微波应用器包括微波加热器、云母片挡板及石英套，微波加热器后端通过波导管与微波转换开关连接，微波加热器前端设置有云母片挡板，且云母片挡板和微波加热器一同安装于石英套内，石英套固定安装于连接微波加热器的波导管上，石英套的设置防止岩石碎屑从崩落到波导管内，起到保护磁控管的作用，微波加热器的前端位于刀盘前端面的通孔内且与刀盘前端面平齐。

所述微波等离子体应用器包括功率分配器、窄边波导及石英管，所述功率分配器后端通过波导管与微波转换开关连接，功率分配器前端分别安装有窄边波导，窄边波导的竖直部分通孔内固定安装有石英管，且石英管后端开设有进气口，石英管内安装有等离子炬，等离子体焰炬从石英管前端口喷出。

所述刀头的凸起高度为1/4-1/2波长；所述刀盘前端面上每一个刀头与对应的等离子炬中间位置均布置有红外热成像仪，用于监测岩石的温度及拍摄岩石表面形态。

多个所述微波等离子体应用器呈直线布置，布置的长度等于普通微波加热器长度。

一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，通过全断面硬岩隧道掘进机的控制面板，开启刀盘掘进，根据全断面硬岩隧道掘进机的性能，通过控制面板将刀盘转速和推进力设定到安全工作的最大值，即刀盘转速为V₁，推进力为N；现场实测得到未开启微波系统的推进速度V₂，启动驱动电机Ⅰ开启旋转波导Ⅰ，且旋转波导Ⅰ的转速与刀盘角速度相同；

步骤2，开启任意一个微波发生器，调节微波转换开关，关闭微波转换开关上的微波等离子体应用器输入端口，打开普通微波应用器上的微波加热器输入端口，开启所有微波加热器，由于每个微波发生器分成了多个微波加热器输出微波，每个微波加热器产生的反射累加会到达以开启的微波发生器，在检测岩石匹配性的过程中，微波加热器输出功率之和为PkW，单个微波加热器的输出功率为1～3kW，微波加热器的个数为k，则P＝(1～3)k，该输出功率全发射时不会损坏微波发生器，通过微波发生器输出监测反射系数，设定反射系数下限为a、反射系数上限为b，反射系数下限a和反射系数上限b可以通过室内试验获得，其中反射系数下限a表示微波不敏感岩石对应的反射系数，反射系数上限b表示微波发生器能承受的最大反射系数；

(1)当反射系数处于反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区间时，逐渐增大微波发生器的微波功率至满功率状态，若微波功率达到最大功率时，反射系数仍然处于反射系数下限a和反射系数上限b之间，则微波发生器以此时的微波功率参数继续工作；若逐渐增大微波功率的过程中反射系数超出反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区间时，且微波功率仍未达到最大功率时，调节微波转换开关，打开微波等离子体应用器输入端口加热岩石，将剩余微波功率分配给微波等离子体应用器输出；

(2)当反射系数小于反射系数下限a，保持单口微波输出功率PkW，同时调节微波转换开关，打开微波等离子体应用器输入端口加热岩石，单个等离子炬的功率为1/4PkW，观察反射系数是否增大，若增大到反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区间，说明等离子炬的高温增强了岩石的微波敏感性，则继续增大微波加热器的单口微波功率，若达到最大功率时，反射系数仍然在反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区域，则微波发生器以此时的微波参数继续工作；在岩石升温的过程中反射系数超出反射系数下限a和反射系数上限b的安全区间时，且微波系统的功率仍未达到最大功率时，将剩余功率分配通过微波等离子体应用器17输出；

(3)当反射系数大于反射系数上限b，则调节微波转换开关24，打开微波等离子体应用器17输入端，将功率施加给微波等离子体应用器输入端口，并通过微波等离子体应用器输出；

步骤3，确定好微波功率参数后，刀盘转速为V₁，推进力为N，根据现场实测结果得到开启微波系统时的推进速度V₃，若V_3＞V₂，则继续掘进工作；若V₃＝V₂，且输出模式为普通微波，则切换为全部等离子体应用器输出，并继续掘进工作；若V_3＜V₂，则将推进力设为0停止推进，打开微波系统，重复步骤1至步骤2，当岩石表面发生破裂时，关闭微波系统，将推进力设为N开始推进，推进距离为5～8倍岩石穿透深度时，再次将推进力设为0停止推进，打开微波系统，当岩石表面发生破裂时，关闭微波系统，不断重复微波照射-推进的过程进行掘进工作；

步骤4，设置旋转波导Ⅱ以不同转速旋转，重复步骤1至步骤3，对比推进速度V₃相比于推进速度V₂的增幅，确定旋转波导Ⅱ的最优转速。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：

(1)在只采用微波源供给能量的前提下，实现普通微波照射和高温火焰形式的等离子体照射联合作用配合全断面硬岩隧道掘进机破岩，解决了微波不敏感岩石微波致裂的问题，增大了微波破岩技术的适用范围。

(2)采用旋转波导实现了微波能量和等离子输出端在刀盘面上的转动，采用微波转换开关了实现微波能量以普通微波和等离子体两种形式的自由切换，在保证装置结构简单轻便的前提下，实现了微波与全断面硬岩隧道掘进机的联合作用。

(3)采用等离子炬高温加热岩石，普通微波照射的方法，解决了常温微波不敏感而高温微波敏感岩石的微波致裂问题。

(4)通过监测反射系数反馈照射区域的岩石微波敏感性，基于反射系数可以动态调控普通微波与等离子体的开启与关闭。

附图说明

图1本发明一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置的整体结构示意图；

图2本发明一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置刀盘内部结构示意图；

图3本发明一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置刀盘侧视图；

图4本发明一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置的的微波等离子转换系统结构示意图；

图5本发明一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置的多个微波电源与微波发生器连接示意图；

1-机体，2-微波电源，3-微波发生器，4-水冷却装置，5-自动匹配调谐器，6-矩形波导Ⅰ，7-旋转波导Ⅰ，8-反射功率计，9-驱动电机Ⅰ，10-支撑框架，11-传动齿轮Ⅰ，12-传动齿轮Ⅱ，13-高精度滑环，14-矩形波导Ⅱ，15-刀盘，16-直角传输波导，17-功率分配器Ⅰ，18-旋转波导Ⅱ，19-驱动电机Ⅱ，20-传动齿轮Ⅲ，21-传动齿轮Ⅳ，22-刀头，23-微波等离子体应用器，24-普通微波应用器，25-微波转换开关，26-功率分配器Ⅱ，27-等离子炬，28-微波加热器，29-进气口，30-石英管，31-窄边波导，32-云母片挡板，33-石英套。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图5所示，一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，包括微波系统、微波等离子转换系统及刀盘系统；所述刀盘系统内安装有微波系统和微波等离子转换系统，且微波系统与微波等离子转换系统连接。

所述刀盘系统包括机体1、刀盘15、刀头22及支撑框架10，所述机体1前端转动安装有刀盘15，刀盘15前端由圆心到边缘设置有多圈刀头22，且位于同一圈上的刀头22沿周向等间距布置，机体1内腔固定安装有支撑框架10，且支撑框架10靠近刀头22一端设置。

所述微波系统包括微波电源2、微波发生器3、矩形波导Ⅰ6、功率分配器Ⅰ17及传动齿轮Ⅰ11；多个所述微波电源2和多个微波发生器3安装于刀盘系统的机体1内腔底板上，每个微波电源2与对应的微波发生器3连接，每个微波发生器3的中心孔内均安装有水冷却装置4，且水冷却装置4顶端延伸至微波发生器3外侧，水冷却装置4为一个循环水管道，一端进水另一端出水，循环水管道紧贴微波发生器3的磁控管表面布置，水冷却装置4用于降低磁控管温度，多个所述并联设置的微波发生器3通过转接管汇集后与矩形波导Ⅰ6一端连接，每个微波发生器3提供的最大功率为100kW，微波频率915MHz，矩形波导Ⅰ6另一端与旋转波导Ⅰ7一端通过轴承转动安装，矩形波导Ⅰ6上表面靠近微波发生器3一端安装有自动匹配调谐器5，自动匹配调谐器5的作用在于遇到含水等其他突变的岩石条件时，自动调节反射，防止磁控管因反射过大而损坏，靠近旋转波导Ⅰ7一端安装有反射功率计8，旋转波导Ⅰ7穿过支撑框架10的内孔且两者之间通过轴承连接，旋转波导Ⅰ7外壁通过齿轮卡套Ⅰ安装有传动齿轮Ⅰ11，所述支撑框架10侧壁通过螺栓固定安装有驱动电机Ⅰ9，驱动电机Ⅰ9的输出轴通过轴承与支撑框架10传动安装，且驱动电机Ⅰ9位于旋转波导下方设置，驱动电机Ⅰ9的输出轴末端延伸至支撑框架10外侧且通过键与传动齿轮Ⅱ12连接，传动齿轮Ⅱ12与传动齿轮Ⅰ11啮合设置，旋转波导Ⅰ7另一端与矩形波导Ⅱ14一端连接，矩形波导Ⅱ14外侧套装有高精度滑环13，矩形波导Ⅱ14另一端穿过刀盘15与位于刀盘15内腔的功率分配器Ⅰ17一端连接，矩形波导Ⅱ14与刀盘15之间通过轴承转动安装，高精度滑环13的作用是能够将旋转运动的功率分配器Ⅰ17上多个输出端的反射信号转化到固定的线缆上，从而传输到功率反射计上显示；功率分配器Ⅰ17外圆面及前端面沿周向等间距设置有直角传输波导16，且功率分配器Ⅰ17前端面中心处设置有传输波导，所述直角传输波导16竖直部分套装有与直角传输波导16固定安装的固定套，且在固定套外侧焊接有带孔方板，驱动电机Ⅱ19通过螺栓固定安装在带孔方板上，驱动电机Ⅱ19的输出轴末端通过键连接有传动齿轮Ⅲ20，直角传输波导16水平部分末端通过轴承与旋转波导Ⅱ18后端转动安装，旋转波导Ⅱ18外侧通过齿轮卡套Ⅱ安装有与传动齿轮Ⅲ20啮合的传动齿轮Ⅳ21。

所述微波等离子转换系统包括微波转换开关25，多个所述微波转换开关25分别与对应的旋转波导Ⅱ18前端及传输波导前端连接，微波转换开关25另一端分别安装有微波等离子体应用器23及普通微波应用器24，微波等离子应用器23和普通微波应用器24与刀头22对应布置，所述的功率分配器Ⅰ17分出九个输出端，分别与微波等离子体应用器23及普通微波应用器24一一对应，且分布在两个不同直径的同心圆轨迹以及圆心位置与刀头分布规律一致，个数依次为：圆心一个，同心圆直径从小到大依次布置三个，五个。

所述普通微波应用器24包括微波加热器28、云母片挡板32及石英套33，微波加热器28后端通过波导管与微波转换开关25连接，微波加热器28前端设置有云母片挡板32，且云母片挡板32和微波加热器28一同安装于石英套33内，石英套33固定安装于连接微波加热器28的波导管上，石英套33的设置防止岩石碎屑从崩落到波导管内，起到保护磁控管的作用，微波加热器28的前端位于刀盘15前端面的通孔内且与刀盘15前端面平齐。

所述微波等离子体应用器23包括功率分配器Ⅱ26、窄边波导31及石英管30，所述功率分配器Ⅱ26后端通过波导管与微波转换开关25连接，功率分配器Ⅱ26前端及外圆分别安装有窄边波导31，窄边波导31的竖直部分通孔内固定安装有石英管30，且石英管30后端开设有进气口29，石英管30内安装有等离子炬27，等离子体焰炬从石英管30前端口喷出。

所述刀头22的凸起高度为1/4-1/2波长；所述刀盘15前端面上每一个刀头22与对应的等离子炬27中间位置均布置有红外热成像仪，用于监测岩石的温度及拍摄岩石表面形态。

多个所述微波等离子体应用器23呈直线布置，布置的长度等于普通微波加热器28长度。

一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，通过全断面硬岩隧道掘进机的控制面板，开启刀盘15掘进，根据全断面硬岩隧道掘进机的性能，通过控制面板将刀盘15转速和推进力设定到安全工作的最大值，即刀盘15转速为V₁，推进力为N；现场实测得到未开启微波系统的推进速度V₂，启动驱动电机Ⅰ9开启旋转波导Ⅰ7，且旋转波导Ⅰ7的转速与刀盘15角速度相同；

步骤2，开启任意一个微波发生器3，调节微波转换开关25，关闭微波转换开关25上的微波等离子体应用器23输入端口，打开普通微波应用器24上的微波加热器28输入端口，开启所有微波加热器28，由于每个微波发生器3分成了多个微波加热器28输出微波，每个微波加热器28产生的反射累加会到达以开启的微波发生器3，在检测岩石匹配性的过程中，微波加热器28输出功率之和为PkW，单个微波加热器28的输出功率为1～3kW，微波加热器28的个数为k，则P＝(1～3)k，该输出功率全发射时不会损坏微波发生器3，通过微波发生器3输出监测反射系数，设定反射系数下限为a、反射系数上限为b，反射系数下限a和反射系数上限b可以通过室内试验获得，其中反射系数下限a表示微波不敏感岩石对应的反射系数，反射系数上限b表示微波发生器3能承受的最大反射系数；

(1)当反射系数处于反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区间时，逐渐增大微波发生器3的微波功率至满功率状态，若微波功率达到最大功率时，反射系数仍然处于反射系数下限a和反射系数上限b之间，则微波发生器3以此时的微波功率参数继续工作；若逐渐增大微波功率的过程中反射系数超出反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区间时，且微波功率仍未达到最大功率时，调节微波转换开关25，打开微波等离子体应用器23输入端口加热岩石，将剩余微波功率分配给微波等离子体应用器23输出；

(2)当反射系数小于反射系数下限a，保持单口微波输出功率PkW，同时调节微波转换开关25，打开微波等离子体应用器23输入端口加热岩石，单个等离子炬27的功率为1/4PkW，观察反射系数是否增大，若增大到反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区间，说明等离子炬27的高温增强了岩石的微波敏感性，则继续增大微波加热器28的单口微波功率，若达到最大功率时，反射系数仍然在反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区域，则微波发生器3以此时的微波参数继续工作；在岩石升温的过程中反射系数超出反射系数下限a和反射系数上限b的安全区间时，且微波系统的功率仍未达到最大功率时，将剩余功率分配通过微波等离子体应用器23输出；

(3)当反射系数大于反射系数上限b，则调节微波转换开关25，打开微波等离子体应用器23输入端，将功率施加给微波等离子体应用器23输入端口，并通过微波等离子体应用器23输出；

步骤3，确定好微波功率参数后，刀盘15转速为V₁，推进力为N，根据现场实测结果得到开启微波系统时的推进速度V₃，若V_3＞V₂，则继续掘进工作；若V₃＝V₂，且输出模式为普通微波，则切换为全部等离子体应用器输出，并继续掘进工作；若V_3＜V₂，则将推进力设为0停止推进，打开微波系统，重复步骤1至步骤2，当岩石表面发生破裂时，关闭微波系统，将推进力设为N开始推进，推进距离为5～8倍岩石穿透深度时，再次将推进力设为0停止推进，打开微波系统，当岩石表面发生破裂时，关闭微波系统，不断重复微波照射-推进的过程进行掘进工作；

步骤4，设置旋转波导Ⅱ18以不同转速旋转，包括转速为0时，重复步骤1至步骤3，对比推进速度V₃相比于推进速度V₂的增幅，确定旋转波导Ⅱ18的最优转速。

Claims (10)

1.一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，其特征在于，包括微波系统、微波等离子转换系统及刀盘系统；所述刀盘系统内安装有微波系统和微波等离子转换系统，且微波系统与微波等离子转换系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，其特征在于：所述刀盘系统包括机体、刀盘、刀头及支撑框架，所述机体前端转动安装有刀盘，刀盘前端由圆心到边缘设置有多圈刀头，且位于同一圈上的刀头沿周向等间距布置，机体内腔固定安装有支撑框架，且支撑框架靠近刀头一端设置。

3.根据权利要求2所述的一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，其特征在于：所述刀头的凸起高度为1/4-1/2波长。

4.根据权利要求1所述的一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，其特征在于：微波系统包括微波电源、微波发生器、矩形波导Ⅰ、功率分配器Ⅰ及传动齿轮Ⅰ；多个所述微波电源和多个微波发生器安装于刀盘系统的机体内腔底板上，每个微波电源与对应的微波发生器连接，每个微波发生器的中心孔内均安装有水冷却装置，且水冷却装置顶端延伸至微波发生器外侧，水冷却装置用于降低磁控管温度，多个所述并联设置的微波发生器通过转接管汇集后与矩形波导Ⅰ一端连接，矩形波导Ⅰ另一端与旋转波导Ⅰ一端通过轴承转动安装，矩形波导Ⅰ上表面靠近微波发生器一端安装有自动匹配调谐器，自动匹配调谐器的作用在于，遇到含水等其他突变的岩石条件时，自动调节反射，防止磁控管因反射过大而损坏，靠近旋转波导Ⅰ一端安装有反射功率计，旋转波导Ⅰ穿过支撑框架的内孔且两者之间通过轴承连接，旋转波导Ⅰ外壁通过齿轮卡套Ⅰ安装有传动齿轮Ⅰ，所述支撑框架侧壁通过螺栓固定安装有驱动电机Ⅰ，驱动电机Ⅰ的输出轴通过轴承与支撑框架传动安装，且驱动电机Ⅰ位于旋转波导下方设置，驱动电机Ⅰ的输出轴末端延伸至支撑框架外侧且通过键与传动齿轮Ⅱ连接，传动齿轮Ⅱ与传动齿轮Ⅰ啮合设置，旋转波导Ⅰ另一端与矩形波导Ⅱ一端连接，矩形波导Ⅱ外侧套装有高精度滑环，矩形波导Ⅱ另一端穿过刀盘与位于刀盘内腔的功率分配器Ⅰ一端连接，矩形波导Ⅱ与刀盘之间通过轴承转动安装，高精度滑环的作用是能够将旋转运动的功率分配器Ⅰ上多个输出端的反射信号转化到固定的线缆上，从而传输到功率反射计上显示；功率分配器Ⅰ外圆面及前端面沿周向等间距设置有直角传输波导，且功率分配器Ⅰ前端面中心处设置有传输波导，所述直角传输波导竖直部分安装有驱动电机Ⅱ，驱动电机Ⅱ输出轴末端通过键连接有传动齿轮Ⅲ，直角传输波导水平部分末端通过轴承与旋转波导Ⅱ后端转动安装，旋转波导Ⅱ外侧通过齿轮卡套Ⅱ安装有与传动齿轮Ⅲ啮合的传动齿轮Ⅳ。

5.根据权利要求2所述的一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，其特征在于：所述微波等离子转换系统包括微波转换开关，多个所述微波转换开关分别与对应的旋转波导Ⅱ前端及传输波导前端连接，微波转换开关另一端分别安装有微波等离子体应用器及普通微波应用器，刀盘前端设置有与直角传输波导与传输波导一一对应的刀头，所述的功率分配器Ⅰ分出九个输出端，分别与微波等离子体应用器及普通微波应用器一一对应，且分布在两个不同直径的同心圆轨迹以及圆心位置且与刀头轨迹分布一致。

6.根据权利要求5所述的一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，其特征在于：所述普通微波应用器包括微波加热器、云母片挡板及石英套，微波加热器后端通过波导管与微波转换开关连接，微波加热器前端设置有云母片挡板，且云母片挡板和微波加热器一同安装于石英套内，石英套固定安装于连接微波加热器的波导管上，石英套的设置防止岩石碎屑从崩落到波导管内，起到保护磁控管的作用，微波加热器的前端位于刀盘前端面的通孔内且与刀盘前端面平齐。

7.根据权利要求6所述的一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，其特征在于：多个所述微波等离子体应用器呈直线布置，布置的长度等于微波加热器长度。

8.根据权利要求5所述的一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，其特征在于：所述微波等离子体应用器包括功率分配器、窄边波导及石英管，所述功率分配器后端通过波导管与微波转换开关连接，功率分配器前端分别安装有窄边波导，窄边波导的竖直部分通孔内固定安装有石英管，且石英管后端开设有进气口，石英管内安装有等离子炬，等离子体焰炬从石英管前端口喷出。

9.根据权利要求8所述的一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置，其特征在于：所述刀盘前端面上每一个刀头与对应的等离子炬两者的中间位置均布置有红外热成像仪，用于监测岩石的温度及拍摄岩石表面形态。

10.根据权利要求1所述的一种不敏感岩石微波等离子体自适应破岩装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过全断面硬岩隧道掘进机的控制面板，开启刀盘掘进，根据全断面硬岩隧道掘进机的性能，通过控制面板将刀盘转速和推进力设定到安全工作的最大值，即刀盘转速为V₁，推进力为N；现场实测得到未开启微波系统的推进速度V₂，启动驱动电机Ⅰ开启旋转波导Ⅰ，且旋转波导Ⅰ的转速与刀盘角速度相同；

步骤2，开启任意一个微波发生器，调节微波转换开关，关闭微波转换开关上的微波等离子体应用器输入端口，打开普通微波应用器上的微波加热器输入端口，开启所有微波加热器，由于每个微波发生器分成了多个微波加热器输出微波，每个微波加热器产生的反射累加会到达以开启的微波发生器，在检测岩石匹配性的过程中，微波加热器输出功率之和为PkW，单个微波加热器的输出功率为1～3kW，微波加热器的个数为k，则P＝(1～3)k，该输出功率全发射时不会损坏微波发生器，通过微波发生器输出监测反射系数，设定反射系数下限为a、反射系数上限为b，反射系数下限a和反射系数上限b可以通过室内试验获得，其中反射系数下限a表示微波不敏感岩石对应的反射系数，反射系数上限b表示微波发生器能承受的最大反射系数；

(1)当反射系数处于反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区间时，逐渐增大微波发生器的微波功率至满功率状态，若微波功率达到最大功率时，反射系数仍然处于反射系数下限a和反射系数上限b之间，则微波发生器以此时的微波功率参数继续工作；若逐渐增大微波功率的过程中反射系数超出反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区间时，且微波功率仍未达到最大功率时，调节微波转换开关，打开微波等离子体应用器输入端口加热岩石，将剩余微波功率分配给微波等离子体应用器输出；

(2)当反射系数小于反射系数下限a，保持单口微波输出功率PkW，同时调节微波转换开关，打开微波等离子体应用器输入端口加热岩石，单个等离子炬的功率为1/4PkW，观察反射系数是否增大，若增大到反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区间，说明等离子炬的高温增强了岩石的微波敏感性，则继续增大微波加热器的单口微波功率，若达到最大功率时，反射系数仍然在反射系数下限a和反射系数上限b之间的安全区域，则微波发生器以此时的微波参数继续工作；在岩石升温的过程中反射系数超出反射系数下限a和反射系数上限b的安全区间时，且微波系统的功率仍未达到最大功率时，将剩余功率分配通过微波等离子体应用器17输出；

(3)当反射系数大于反射系数上限b，则调节微波转换开关24，打开微波等离子体应用器17输入端，将功率施加给微波等离子体应用器输入端口，并通过微波等离子体应用器输出；

步骤3，确定好微波功率参数后，刀盘转速为V₁，推进力为N，根据现场实测结果得到开启微波系统时的推进速度V₃，若V_3＞V₂，则继续掘进工作；若V₃＝V₂，且输出模式为普通微波，则切换为全部等离子体应用器输出，并继续掘进工作；若V_3＜V₂，则将推进力设为0停止推进，打开微波系统，重复步骤1至步骤2，当岩石表面发生破裂时，关闭微波系统，将推进力设为N开始推进，推进距离为5～8倍岩石穿透深度时，再次将推进力设为0停止推进，打开微波系统，当岩石表面发生破裂时，关闭微波系统，不断重复微波照射-推进的过程进行掘进工作；

步骤4，设置旋转波导Ⅱ以不同转速旋转，重复步骤1至步骤3，对比推进速度V₃相比于推进速度V₂的增幅，确定旋转波导Ⅱ的最优转速。

Images