一种基于破岩装置与弹丸侵彻结合的破岩方法

1.本发明属于岩体破碎技术领域，特别涉及一种基于破岩装置与弹丸侵彻结合的破岩方法。


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.本发明提供的一种基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构，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一种基于破岩装置与弹丸侵彻结合的破岩方法，所述破岩装置包括高压水射流装置、激光束装置和爆破装置，所述爆破装置包括线膛炮管，所述高压水射流装置、激光束装置和所述爆破装置通过一机架设置为一体结构，所述方法包括：通过所述高压水射流装置在掌子面的第一预设位置进行一次破碎，以将所述掌子面切割形成切割边界；通过所述激光束装置在所述掌子面的第一预设位置进行二次破碎，以沿所述切割边界进行再次切割，且所述切割边界将所述掌子面围设在内；通过所述爆破装置在所述掌子面的第二预设位置进行三次破碎，以对通过所述切割边界围设在内的所述掌子面进行爆破，以形成开挖面。
7.在第一方面中，通过所述高压水射流装置在掌子面的第一预设位置进行一次破碎之前，所述方法还包括：获取所述掌子面的面积；
8.确定所述掌子面的爆破基准点的位置信息，并以所述爆破基准点为中心以预设半径确定所述切割边界的坐标；以所述爆破基准点确定所述第二预设位置；以及，通过所述切割边界的坐标确定所述第一预设位置。
9.在第一方面中，所述破岩装置还包括：若干液压支腿，若干所述液压支腿设置在所述机架下方，所述方法还包括：获取所述高压水射流装置、所述激光束装置和所述爆破装置
的高度坐标信息；将所述高压水射流装置、所述激光束装置和所述爆破装置的高度坐标信息与所述第一预设位置和所述第二预设位置的高度坐标信息进行比对，若不一致，则通过若干液压支腿调节所述机架的位置，以使所述高压水射流装置、所述激光束装置和所述爆破装置的高度与第一预设位置和所述第二预设位置的高度坐标信息相一致。
10.在第一方面中，所述破岩装置还包括：监视组件、显示组件和控制组件；所述方法还包括：所述控制装置通过所述监视组件实时获取所述掌子面的图像信息；所述控制组件将所述图像信息发送至所述显示装置进行显示。
11.在第一方面中，所述高压水射流装置包括水泵、水管、喷头和水仓，所述水泵与所述控制组件电连接，所述通过所述高压水射流装置在掌子面的第一预设位置进行一次破碎包括：所述控制装置依据所述图像信息判断所述掌子面的第一预设位置是否需要进行一次破碎；若是，则通过控制所述水泵的开启，以将所述水仓内的水通过水管进行输入，并通过所述喷头喷出，以将所述第一预设位置切割形成所述切割边界。
12.在第一方面中，所述激光射流装置包括光纤激光器、能量传输光纤和光纤准直聚焦头，所述光纤激光器与所述控制组件电连接，所述通过所述激光束装置在所述掌子面的第一预设位置进行二次破碎包括：所述控制装置依据所述图像信息判断所述掌子面的第一预设位置是否需要进行二次破碎；若是，则控制所述光纤激光器开启，以将所述光纤激光器发射的激光通过所述能量传输光纤由所述光纤准直聚焦头进行发射，以将所述第一预设位置的切割边界再次进行切割。
13.在第一方面中，所述爆破装置与所述控制组件连接，所述线膛炮管至少为一根，所述通过所述爆破装置在所述掌子面的第二预设位置进行三次破碎包括：通过所述控制组件获取一根所述线膛炮管的爆破后的爆破覆盖面积；通过所述控制组件将所述掌子面的第二预设位置的面积与所述爆破覆盖面积相比较，计算得到爆破所述第二预设位置所需的爆破覆盖面积的总面积数据；依据所述总面积数据配置所述线膛炮管的根数；通过所述控制组件控制所述爆破装置对所述第二预设位置进行所述三次爆破。
14.在第一方面中，所述装置还包括安装环，所述高压水射流装置、和所述激光束装置为若干个、且均设置在所述安装环上；依据所述掌子面的面积确定所述切割边界所构成的形状和尺寸；依据所述切割边界所构成的形状和尺寸制备与所述形状和所述尺寸相一致的所述安装环；将若干个所述高压水射流装置、和所述激光束装置设置在所述安装环上。
15.在第一方面中，将若干个所述高压水射流装置、和所述激光束装置设置在所述安装环上包括：将所述高压水射流和所述激光束装置进行交错设置；或，将所述高压水射流装置沿所述安装环设置为第一圈，然后将所述激光束装置沿所述安装环设置为第二圈。
16.在第一方面中，所述装置还包括：至少一对伸缩油缸，至少一对所述伸缩油缸的一端连接在所述机架上，至少一对所述伸缩油缸的另一端连接所述安装环，至少一对所述伸缩油缸与控制装置电连接；所述方法还包括：通过控制装置获取所述安装环与所述掌子面的距离；依据所述距离控制至少一对所述伸缩油缸进行伸缩动作，以控制所述安装环与所述掌子面的距离。
17.有益效果：本发明提出了一种基于破岩装置与弹丸侵彻结合的破岩方法，通过高压水射流装置在掌子面的第一预设位置进行一次破碎，以将掌子面切割形成切割边界；通过激光束装置在掌子面的第一预设位置进行二次破碎，以沿切割边界进行再次切割，且切
割边界将掌子面围设在内；通过爆破装置在掌子面的第二预设位置进行三次破碎，以对通过切割边界围设在内的掌子面进行爆破，以形成开挖面；综上，通过一次爆破、二次爆破和三次爆破以达到对硬岩、极硬岩彻底、高效破碎的技术效果。
附图说明
18.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。
19.图1为本发明实施例一中基于破岩装置与弹丸侵彻结合的破岩方法的流程框图。
具体实施方式
20.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。
21.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。
22.实施例一：
23.如图1所示，本实施例一提供了一种基于破岩装置与弹丸侵彻结合的破岩方法，破岩装置包括高压水射流装置、激光束装置和爆破装置，爆破装置包括线膛炮管，高压水射流装置、激光束装置和爆破装置通过一机架设置为一体结构，方法包括：
24.首先，通过高压水射流装置在掌子面的第一预设位置进行一次破碎，以将掌子面切割形成切割边界；然后在通过激光束装置在掌子面的第一预设位置进行二次破碎，以沿切割边界进行再次切割，且切割边界将掌子面围设在内，最后通过爆破装置在掌子面的第二预设位置进行三次破碎，以对通过切割边界围设在内的掌子面进行爆破，以形成开挖面。
25.具体而言，通过一次爆破、二次爆破和三次爆破以达到对硬岩、极硬岩彻底、高效破碎的技术效果，完成一个行程的进度作业后，重复上述步骤，开始下一个行程作业，直至掘进到指定距离，即完成洞室开挖。
26.需要说明的是：在上述掘进过程中，将岩体内部的锚杆和完整的开挖面表面支护通过连接装置紧密的连接在一起，利用表面支护的抗冲击能力来避免岩体的破坏，利用锚杆的承载力来承担冲击表面系统的载荷，保障支护的系统性。
27.在一些可能的实施方式中，通过高压水射流装置在掌子面的第一预设位置进行一次破碎之前，方法还包括：获取掌子面的面积；确定掌子面的爆破基准点的位置信息，并以爆破基准点为中心以预设半径确定切割边界的坐标；以爆破基准点确定第二预设位置；以及，通过切割边界的坐标确定第一预设位置。
28.对于上述实施例一中的装置而言，还包括：若干液压支腿，若干液压支腿设置在机架下方，通过上述装置，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：获取高压水射流装置、激光束装置和爆破装置的高度坐标信息；将高压水射流装置、激光束装置和爆破装置的高度坐标信息与第一预设位置和第二预设位置的高度坐标信息进行比对，若不一致，则通过若干液压支腿调节机架的位置，以使高压水射流装置、激光束装置和爆破装置的高度与第一预设位置和第二预设位置的高度坐标信息相一致。
29.对于上述实施例一中的装置而言，还包括：监视组件、显示组件和控制组件；通过上述装置，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：控制装置通过监视组件实时获取掌子面的图像信息；控制组件将图像信息发送至显示装置进行显示，以便于将掌子面的实施爆破信息显示出来，便于作业人员的作业判断。
30.具体而言，该显示装置可以是装置内部的显示屏，也可以是远程终端的显示屏幕。
31.对于上述实施例一中的装置而言，高压水射流装置包括水泵、水管、喷头和水仓，水泵与控制组件电连接，通过上述装置，本实施例一的通过高压水射流装置在掌子面的第一预设位置进行一次破碎步骤还提出一种实施方式，该实施方式包括：控制装置依据图像信息判断掌子面的第一预设位置是否需要进行一次破碎；是否需要进行一次破碎的判断标准即是看掌子面是否进行切割，或是否具备切割条件等，可依据实际的施工现场进行灵活确认，若是，则通过控制水泵的开启，以将水仓内的水通过水管进行输入，并通过喷头喷出，以将第一预设位置切割形成切割边界。
32.对于上述实施例一中的装置而言，激光射流装置包括光纤激光器、能量传输光纤和光纤准直聚焦头，光纤激光器与控制组件电连接，通过上述装置，本实施例一的通过激光束装置在掌子面的第一预设位置进行二次破碎步骤还提出一种实施方式，该实施方式包括：控制装置依据图像信息判断掌子面的第一预设位置是否需要进行二次破碎；判断掌子面是否需要进行二次切割的条件可以是看第一预设位置是否进行了一次破碎，或是否具备切割条件等，可依据实际的施工现场进行灵活确认，若是，则控制光纤激光器开启，以将光纤激光器发射的激光通过能量传输光纤由光纤准直聚焦头进行发射，以将第一预设位置的切割边界再次进行切割。
33.对于上述实施例一中的装置而言，爆破装置与控制组件连接，线膛炮管至少为一根，本实施例一的通过爆破装置在掌子面的第二预设位置进行三次破碎步骤还提出一种实施方式，该实施方式包括：通过控制组件获取一根线膛炮管的爆破后的爆破覆盖面积；通过控制组件将掌子面的第二预设位置的面积与爆破覆盖面积相比较，计算得到爆破第二预设位置所需的爆破覆盖面积的总面积数据；依据总面积数据配置线膛炮管的根数；通过控制组件控制爆破装置对第二预设位置进行三次爆破本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：依据掌子面的面积确定切割边界所构成的形状和尺寸；依据切割边界所构成的形状和尺寸制备与形状和尺寸相一致的安装环；将若干个高压水射流装置、和激光束装置设置在安装环上。
34.进一步地，对于上述实施例一中将若干个高压水射流装置、和激光束装置设置在安装环上的方法而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：将高压水射流和激光束装置进行交错设置；或，
35.将高压水射流装置沿安装环设置为第一圈，然后将激光束装置沿安装环设置为第
二圈。
36.对于上述实施例一中的装置而言，还包括至少一对伸缩油缸，至少一对伸缩油缸的一端连接在机架上，至少一对伸缩油缸的另一端连接安装环，至少一对伸缩油缸与控制装置电连接；依据上述装置，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：通过控制装置获取安装环与掌子面的距离；依据距离控制至少一对伸缩油缸进行伸缩动作，以控制安装环与掌子面的距离。
37.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。
38.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。
39.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。