[发明专利]周缘熔融气化和静态破裂相结合的全断面激光掘进方法

说明书

本发明提供了一种周缘熔融气化和静态破裂相结合的全断面激光掘进方法，采用激光周缘熔融气化与静态破裂相结合的方法，利用激光钻机的高功率激光束沿着隧道(巷道)边缘切割出断面轮廓槽，形成临空面，然后在断面内钻适量孔进行静态破裂，移除岩块岩屑后形成隧道(巷道)断面，如此循环进尺可掘进隧道(巷道)。激光钻机包括激光器、气体循环系统、激光钻头运动控制装置及辅助装置。激光器和循环气体等通过光纤、气体管道和控制线控制设备并输送激光束及循环气体进入隧道(巷道)内。本发明的有益效果是：施工轮廓清晰，不产生超挖、欠挖，非爆破式掘进，对地层破坏小，对周边环境影响小，无振动和噪音，方法结构简单、操作简便、易于实现自动化。

技术领域

本发明涉及隧道或巷道钻进领域，尤其涉及一种周缘熔融气化和静态破裂相结合的全断面激光掘进方法。

背景技术

激光钻机因其高效率、低污染、易于自动化等特点成为钻井领域研究热点，但受大功率激光器发展的影响，其应用于实际隧道或巷道或隧道掘进尚需时日，因此相应的钻进工艺更是缺乏。这里提供一种周缘熔融气化和静态破裂相结合的全断面激光掘进工艺方法，所述方法能够充分利用激光钻机复杂轨迹成孔灵活性和快速性，同时结合解压劈裂工艺，能够极大程度提高掘进面岩土去除率，所述方法施工轮廓清晰，不产生超挖、欠挖，非爆破式掘进，对地层破坏小。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种周缘熔融气化和静态破裂相结合的全断面激光掘进方法，利用激光钻机、静态破裂机和移动底座进行实施；所述激光钻机包括激光器、激光头运动控制装置、激光钻头、气体循环系统及辅助装置，所述激光头运动控制装置包括方向控制系统，所述方向控制系统包括机械臂或滑台；所述静态破裂机包括液压动力站或膨胀剂、运输架、劈裂枪和高压液压连接装置；所述运输架安装在移动底座上；主要包括以下步骤：

S1：根据岩层情况调整激光器工艺参数和循环气体工艺参数，所述激光器工艺参数包括激光功率、激光光斑大小、离焦量、照射时间和调制频率，所述循环气体工艺参数包括气体种类、流速或压力、与激光束同轴或旁轴、射流方向和环绕方式；

S2：规划机械臂或滑台末端的移动轨迹和位姿，包括起始位置、移动速度和沿轨迹运动的重复次数；

S3：采用周缘熔融气化方法，使激光钻机发射的激光束沿机械臂或滑台规划的闭环轨迹照射硐壁边缘，熔融或气化岩石，通过循环气体将熔融物或岩屑带出后形成拱形割缝，然后关闭该激光钻机；

S4：采用静态破裂方法，在拱形割缝的断面内钻出一定量劈裂孔；

S5：将劈裂枪插入劈裂孔中或在劈裂孔中装入膨胀剂，进而在内部高压的作用下将岩石劈裂；

S6：将碎的岩块运出隧道或巷道；

S7：重复上述操作即可掘进隧道或巷道。

进一步地，所述激光钻头安装在所述激光头运动控制装置上，具体安装在多自由度机械臂或滑轨多坐标轴滑台末端，用于实现该激光钻头在空间位置以任一姿态的自由运动。

进一步地，所述激光束经由光纤传送至激光钻头，实现空间运动，所述空间运动为隧道或巷道拱形曲线或其他形状。

进一步地，所述周缘熔融气化方法是指利用激光钻头的运动使激光束沿一定的闭环轨迹照射岩石使其熔融或者气化，再通过循环气体将熔融物或岩屑从孔底带出形成拱形割缝；所述拱形割缝作为静态破裂的临空面，该拱形割缝的深度通过延长激光较长时间照射或者多次重复照射实现，所述拱形割缝的宽度由激光光斑直径决定，可通过扩大激光运动轨迹来加宽拱形割缝宽度。

进一步地，所述静态破裂方法是指在拱形割缝断面上钻取若干一定直径和深度的劈裂孔，将劈裂枪插入劈裂孔中或在劈裂孔中装入膨胀剂，将岩块劈裂。

进一步地，所述劈裂孔利用激光束照射破碎、融化或气化岩石形成或者利用传统的旋转钻进方式形成。