[发明专利]一种利用激光和高压风射流破岩的无滚刀硬岩掘进机

说明书

本发明公开了一种利用激光和高压风射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，包括连接有无滚刀刀盘的中心主驱动机组，无滚刀刀盘上设置有激光发射器，激光发射器上设置有除尘单元，无滚刀刀盘上设置有高压风喷嘴，高压风喷嘴通过高压风管连接有高压风系统，激光发射器、高压风喷嘴均与控制中心相连。本发明采用激光与高压风射流耦合破岩系统，彻底摈弃了常规的刀具破岩技术，不仅解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，而且节省了高达几百万的滚刀成本。由于没有布置刀具，掘进机前面板重量减少2/3，因此主驱动只需用到以前配置的1/3，此项又节省了至少数百万费用。而且提升了开挖效率，降低了开挖成本，能够适应各种地层的掘进。

技术领域

本发明涉及第五代隧道掘进机技术领域，特别是指一种利用激光和高压风射流破岩的无滚刀硬岩掘进机。

背景技术

目前隧道掘进针对岩层来讲，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，针对一般强度的岩层（100MPa以内）其破岩效率尚可，但在较硬的岩石地层中，滚刀破岩法经济性很差。因此，需要颠覆性的发明一种新型掘进机和破岩工法。

经检索，现有申请日为2018.12.29、申请号为CN201822256047.0的中国实用新型专利公开了一种利用激光破岩的掘进机，包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘，所述的刀盘上设有激光发生装置。该实用新型专利虽然采用激光及水冷的原理代替传统的金属刀具，能够提升破岩效率，在掘进上软下硬等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题。

但是单一的采用激光破岩，不仅掘进效率有限，而且破岩过程中岩屑灰尘较多，会遮挡激光发生装置的光学镜，严重影响破岩效果。另外采用单一激光破岩时，会发生岩屑沉积和重凝现象造成严重高热灼伤，不仅能量利用率低，而且激光烧蚀后岩石残屑无法顺畅排出。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种利用激光和高压风射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，解决了掘进机采用激光单一破岩时能量利用率低且破岩、排渣效果差的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种利用激光和高压风射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，包括连接有无滚刀刀盘的中心主驱动机组，因为无滚刀刀盘质量轻，而且不同于传统刀盘利用刀盘上刀具挤压岩石来破岩，因此无需使用传统的驱动机构，可以摒弃周边多组电机或液压马达减速机的传统驱动方式，只采用中心主驱动机组带动无滚刀刀盘旋转即可。由于无滚刀刀盘采用中心主驱动机组来驱动，则无滚刀刀盘的背部可以有足够的装配空间，在无滚刀刀盘的背部设置激光发射器。激光是一种新型光源，和普通光源相比，具有亮度高、定向性高、单色性高等特点。岩石是由多种矿物颗粒组成的，激光照射在岩石表面，由于各相变界区的导热系数不同，这些矿物颗粒在热膨胀各向异性、热膨胀不均匀性等表现出差异。激光照射时间和激光功率是决定激光破岩能否成功的主要因素，激光功率越大激光破岩的速度越快，而且在岩石上钻出的孔越深。激光破岩基本上是以热碎裂、熔化和气化的方式将岩石进行破坏，受到激光照射的岩石温度场发生剧烈变化，岩石内部结构发生改变，岩石的渗透率提高到4倍左右，激光频率和曝光次数都对烧蚀效果有影响，浸水后的烧蚀效果好于干燥条件下的烧蚀效果。在激光破岩过程中，激光光斑区的岩石及周边的岩体基质要经历固、液、气三相的骤变，其间存在着非常复杂的三维非稳定的热能传递与交换。无滚刀刀盘上设置有高压风喷嘴，高压风喷嘴通过高压风管连接有高压风系统。在微波作用的基础上开启高压风系统，岩石在巨大温差下产生强大的热应力冲击产生裂纹，再经过高压风巨大的冲击波和应力波效应，瞬时将岩石破碎和剥落。

进一步地，所述激光发射器的激光发射端头指向与前方的掘进面垂直，能够保证激光能量的应用效率达到最高。

进一步地，所述激光发射器连接有角度监测装置和角度调节装置，角度监测装置和角度调节装置与控制中心相连。控制中心能够通过角度监测装置实时监控激光发射器的激光发射端头的指向，在超出误差范围后通过控制角度调节装置进行纠偏，在达到最高破岩效率的同时，也能够避免灼伤设备。