[发明专利]一种利用激光和液氮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液氮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液氮喷嘴，液氮喷嘴通过液氮高压输送管连接有液氮供应系统，激光发射器、液氮喷嘴均与控制中心相连。本发明采用激光与液氮射流耦合破岩系统，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液氮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液氮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：一种利用激光和液氮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液氮喷嘴，液氮喷嘴通过液氮高压输送管连接有液氮供应系统。

液氮是一种密度略小于水、无色无臭、性能稳定、不可燃的液体，临界温度为-146.96℃，临界压力为3.39MPa，在大气压下温度为-195.8℃，三相点温度为-210.00℃。液氮具有良好的传热性能，表面张力极小，容易进入到大于其分子体积的空间内。液氮是一种性能优越的制冷剂，与物体接触时，会使物体温度迅速降低，从而在物体内部产生较大的热应力。

液氮温度极低，一般为-196℃，当液氮与岩石接触时，会使接触面附近岩石的温度骤降，产生高速收缩变形。在高速变形下，掩饰的韧性会降低，导致岩石发生脆变，致使岩石更加容易发生破坏。当岩石受到外界和内部彼此之间的约束变形不能自由进行时，岩石表面就会产生较大的拉应力。当拉应力超过岩石的抗拉强度时，岩石就会产生拉伸破坏，破碎的深度和岩石与液氮接触时间以及岩石自身的热物理性质相关。