基于高能激光束预切边界与弹丸侵彻联合破岩机构及系统

1.本发明属于岩体破碎技术领域，特别涉及基于高能激光束预切边界与弹丸侵彻联合破岩机构。


背景技术：

2.随着经济的不断发展，我国地下空间工程项目日益增多，特别是以川藏铁路为代表的一系列长大隧道群以及大规模深埋矿山巷道、引水隧洞等建设项目需求不断增加，随之而来的是日趋复杂的地质结构和工程难题。数十年来，以钻爆法和tbm工法为代表的隧道掘进技术长期活跃在各种不同类型的地下空间工程施工现场，然而，在复杂多变的地质环境和高效施工需求面前，传统的破岩技术逐渐面临新的挑战。近年来，各种用于岩石快速开挖的新技术和新方法不断涌现，包括激光辐射、水射流(包括纯水射流及磨料水射流)和牙轮等。这类技术的出现为隧道开挖效率的提升创造了新的可能。然而，在硬岩、极硬岩开挖方面，一般常规技术难以实现对岩体的有效破碎，而上述新技术在破碎岩体的效率上仍旧有待提升。
3.也即，在隧道开挖中，对于硬岩和极硬岩的破碎，现有技术中通过单一的激光辐射、水射流等，无法对其进行有效破碎；
4.可见，如何提高对硬岩和极硬岩的破碎，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供的基于高能激光束预切边界与弹丸侵彻联合破岩机构，以至少解决上述技术问题；
6.为了解决上述问题，本发明的第一方面提供基于高能激光束预切边界与弹丸侵彻联合破岩机构，用于对隧道预设位置的岩石掌子面的预设点进行破碎开挖，所述破岩机构包括：爆破装置，所述爆破装置包括线膛炮管和与所述线膛炮管连接的装填部，所述线膛炮管的出口对准所述掌子面，所述装填部用于储存炮弹并供应所述线膛炮管的炮弹发射；激光破岩装置，所述激光破岩装置包括光纤激光器、能量传输光纤和光纤准直聚焦头，所述光纤激光器通过所述能量传输光纤的两端与所述光纤准直聚焦头连接，所述光纤准直聚焦头正对所述掌子面，且所述光纤激光器通过所述能量传输光纤将激光传输至所述光纤准直聚焦头，以通过所述光纤准直聚焦头进行聚焦后将所述激光发射至所述掌子面；其中，当需要对所述掌子面进行破碎开发时，先启动所述光纤激光器，将所述激光通过所述能量传输光纤传输至光纤准直聚焦头，以通过光纤准直聚焦头对所述掌子面进行一次破碎，然后通过装填部向线膛炮管输入炮弹以对所述掌子面进行二次爆破。
7.在第一方面中，所述激光破岩装置为多个，且通过一固定支架以所述掌子面的预设点为中心环形设置。
8.在第一方面中，所述破岩机构还包括：安装环和夹具，所述安装环用于与所述夹具活动连接，所述夹具远离所述安装环的一端与所述光纤准直聚焦头连接。
9.在第一方面中，所述安装环与所述夹具的连接位置设置有类t型滑槽，所述夹具的与所述安装环连接的端部设置有与所述滑槽相适配的滑块，所述滑块可沿所述滑槽的开设方向移动。
10.在第一方面中，若干所述激光破岩装置围绕所述预设点为中心按照环形、呈单层或者双层设置。
11.在第一方面中，所述破岩机构还包括：机架、若干行走轮和若干辅助支撑装置，所述机架的内部用于安装所述装填部，所述机架的底部设置有若干所述行走轮和若干所述支撑装置；其中，每一所述行走轮的两侧均对应设置有一对所述支撑装置。
12.在第一方面中，所述辅助支撑装置为刚性顶举件。
13.在第一方面中，所述破岩机构还包括：视频监视器，所述视频监视器设置在所述固定支架上，用于监视所述掌子面；显示屏，所述显示屏与所述视频监视器连接，用于接收所述视频监视器发送的视频信号，并将视频显示在所述显示屏上。
14.在第一方面中，所述视频监视器为可进行调焦的监视器。
15.在第一方面中，所述线膛炮管为一根或多根。
16.有益效果：本发明提出了一种基于高能激光束预切边界与弹丸侵彻联合破岩机构，先通过激光破岩装置对掌子面进行一次破碎，然后通过爆破装置对掌子面进行二次破碎，通过二者相结合的方式，对硬岩、极硬岩进行联合破碎，以提高破岩效果，具体而言，在进行一次破碎时，利用光纤激光器通过能量传输光纤向光纤准直聚焦头发射激光，以通过激光对掌子面进行切割，然后在通过线膛炮管发射炮弹，对掌子面实施爆破，以达到彻底、快速破岩的目的。
附图说明
17.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。
18.图1为本发明实施例一中基于高能激光束预切边界与弹丸侵彻联合破岩机构的结构图；
19.图2为本发明实施例一中掌子面在各个阶段被破坏的结构示意图；
20.图3为本发明实施例一中安装环、夹具和光纤准直聚焦头的连接结构示意图。
21.附图标记说明：
22.1、掌子面；
23.2、光纤激光器；
24.3、能量传输光纤；
25.4、光纤准直聚焦头；
26.5、线膛炮管；
27.6、操控室；
28.7、视频监视器；
29.8、安装环；
30.9、耙斗；
31.10、行走轮；
32.11、辅助支撑装置；
33.12、夹具；
34.13、皮带输送机。
具体实施方式
35.下面将结合附图，对本发明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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。
37.实施例一：
38.如图1-3所示，本实施例一提供了一种基于高能激光束预切边界与弹丸侵彻联合破岩机构，用于对隧道预设位置的岩石掌子面1的预设点进行破碎开挖，破岩机构包括：爆破装置和激光破岩装置；
39.其中，爆破装置包括线膛炮管5和与线膛炮管5连接的装填部，线膛炮管5 的出口对准掌子面1，装填部用于储存炮弹并供应线膛炮管5的炮弹发射；激光破岩装置包括光纤激光器2、能量传输光纤3和光纤准直聚焦头4，光纤激光器2 通过能量传输光纤3的两端与光纤准直聚焦头4连接，光纤准直聚焦头4正对掌子面1，且光纤激光器2通过能量传输光纤3将激光传输至光纤准直聚焦头4，以通过光纤准直聚焦头4进行聚焦后将激光发射至掌子面1；其中，当需要对掌子面1进行破碎开发时，先启动光纤激光器2，将激光通过上述能量传输光纤3 传输至光纤准直聚焦头4，以通过光纤准直聚焦头4对掌子面1进行一次破碎，然后通过装填部向线膛炮管5输入炮弹以对掌子面1进行二次爆破。
40.具体而言，本发明提出的一种基于高能激光束预切边界与弹丸侵彻联合破岩机构，先通过激光破岩装置对掌子面1进行一次破碎，然后通过爆破装置对掌子面1进行二次破碎，通过二者相结合的方式，对硬岩、极硬岩进行联合破碎，以提高破岩效果，具体而言，在进行一次破碎时，利用光纤激光器2通过能量传输光纤3向光纤准直聚焦头4发射激光，以通过激光对掌子面1进行切割，再通过线膛炮管5发射炮弹，对掌子面1实施爆破，以达到彻底、快速破岩的目的。
41.在一些可能的实施方式中，激光破岩装置为多个，且通过一固定支架以掌子面1的预设点为中心环形设置。
42.这是为了使激光破岩装置在进行一次破碎切割时，将掌子面1切成预设的形状，例如环状，该环状可以是圆环状、方环状或其他规则或不规则的形状，只要能够适用于本实施例一中适用设备的开发，均在本实施例一的保护范围之内；。
43.在一些可能的实施方式中，破岩机构还包括：包括安装环8和夹具12，安装环8用于与夹具12活动连接，夹具12远离安装环8的一端与光纤准直聚焦头4 连接；
44.为了便于布设光纤准直聚焦头4，以及使光纤准直聚焦头4在安装环8上发生相应的位移，本实施例一通过设置安装环8和夹具12的方式，且二者活动连接，夹具12远离安装环8的一端与光纤准直聚焦头4连接，当需要使光纤准直聚焦头4 发生位移时，调节夹具12与安装环8之间的相对位移即可；
45.进一步地，安装环8与夹具12的连接位置设置有类t型滑槽，夹具12的与安装环8连接的端部设置有与滑槽相适配的滑块，滑块可沿滑槽的开设方向移动；
46.可以看出，安装环8与夹具12的连接位置设置为滑槽和滑块的连接形式，具体包括，安装环8与夹具12的连接位置设置类t型滑槽，夹具12与安装环8连接的端部设置有与滑槽相适配的滑块，滑块可沿滑槽的开设方向移动。
47.在一些可能的实施方式中，若干激光破岩装置围绕预设点为中心按照环形、呈单层或者双层设置；
48.这是由于，所需进行破岩的岩层硬度和掌子面1面积不同，为了能够在预定时间内达到高效的破碎效果，可以设置单层或双层的激光破岩装置，当需要对破岩面积较小且岩层的硬度也较小时，可以采用单层设置的激光破岩装置对岩石进行切割，当需要对破岩面积较大且岩层的硬度也较大时，可以采用双层设置的激光破岩装置对岩石进行切割。
49.在一些可能的实施方式中，破岩机构还包括：机架、若干行走轮10和若干辅助支撑装置11，机架的内部用于安装装填部，机架的底部设置有若干行走轮10 和若干支撑装置；其中，每一行走轮10的两侧均对应设置有一对支撑装置。
50.当破岩机构在进行破岩工作时，为了防止其受力太大以对破岩机构造成太大的负担，本实施例一通过设置行走轮10和辅助支撑装置11相配合的方式以减轻破岩工作中整个破岩机构的受力状态，具体而言，设置机架，在机架的底部设置若干行走轮10，当需要使破岩机构发生位置移动时，利用行走轮10行走，当破岩机构停在某一特定位置进行破岩工作时，通过设置在行走轮10两侧的一对支撑装置对破岩机构进行临时支撑，以减轻破岩机构的受力。
51.在一些可能的实施方式中，辅助支撑装置11为刚性顶举件；
52.具体而言，对于辅助支撑装置11而言，其可以是刚性顶举件，这样就能够通过顶举和收缩的过程来控制高度。
53.在一些可能的实施方式中，破岩机构还包括：视频监视器7，视频监视器7 设置在固定支架上，用于监视掌子面1；显示屏，显示屏与视频监视器7连接，用于接收视频监视器7发送的视频信号，并将视频显示在显示屏上；
54.为了实时掌握掌子面1的开挖情况，通过在固定支架上设置视频监视器7，以对掌子面1进行实施开挖状态进行检测，然后将监测信号发送至显示屏，以通过显示屏进行显示，工作人员可依据显示屏显示的画面调节开挖进度。
55.进一步地，在一些可能的实施方式中，视频监视器7为可进行调焦的监视器；
56.这是为了使得，在一些光线或者拍摄角度不好的情况下，以及需要对某一位置进行细致观察，通过可以进行调焦的视频监视器7对掌子面1进行监测。
57.进一步地，在机架上还设置有操控室6，该操控室用于工作人员在此处工作，且操
控室连接视频监视器7、爆破装置和激光破岩装置，用于依据掌子面被开挖的实时状态控制爆破装置和激光破岩装置作用于掌子面的程度。
58.在一些可能的实施方式中，装置还包括：耙斗9和皮带输送机13；耙斗9设置在机架靠近掌子面1的端部，耙斗9用于接收爆破组件和机械破岩组件对掌子面1进行破碎后掉落的碎片；皮带输送机13的皮带输入端连通耙斗9，用于将由耙斗9接收的碎片输送至皮带输送机13的输出端；
59.为了防止掌子面1被破碎后形成过量的碎石堆积，进而阻碍破岩程序，通过将耙斗9设置在机架靠近掌子面1的端部，当掌子面1被破碎后，岩石碎片会自然掉落至耙斗9内，然后通过皮带输送机13将碎石输送至外部，以达到防止掌子面1被破碎后形成大量碎石堆积，进而影响整个破碎进程的目的。
60.在一些可能的实施方式中，装置还包括：若干蟹爪，若干蟹爪转动设置在耙斗9内外侧，用于将掉入耙斗9的碎片转动输入至耙斗9的内侧；每一蟹爪均包括：基础转动部和若干齿部，基础转动部转动设置在耙斗9内，若干齿部布设在基础转动部的外周，用于与基础转动部同步转动；
61.当经过破碎后的碎石掉入耙斗9内后，为了避免碎石在耙斗9的掉落位置堆积，以及及时将耙斗9内的碎石由掉落端顺利输送至耙斗9内侧以进行向外输出，本实施例一提出一种实施方式：即在耙斗9内位于掉落端(耙斗9内外侧)设置可转动的若干蟹爪，在掉落的过程中通过蟹爪的转动持续将碎石输入至蟹爪的转动方向，也即耙斗9内侧的方向；以此来避免碎石在掉落端堆积。
62.实施例二：
63.本发明的实施例二提供了基于高能激光束预切边界与弹丸侵彻的联合破岩系统，破岩系统包括上述的基于高能激光束预切边界与弹丸侵彻联合破岩机构，先通过破岩机构的激光破岩装置对掌子面1进行一次破碎，然后通过破岩机构的爆破装置对掌子面1进行二次破碎，通过二者相结合的方式，对硬岩、极硬岩进行联合破碎，以提高破岩效果。
64.由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例，其部分结构完全相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。
65.最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
66.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。