CN109236299A - 一种激光破岩装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光破岩装置，包括：用于粉碎岩石的激光器，激光器包括至少一个激光头；与激光头相连、用于带动激光头转动的回转机构，激光头可沿回转机构的径向移动；与回转机构相连、用于驱动回转机构升降的升降机构。工作时，采用激光头对岩石进行粉碎，对极硬岩地质有较好的破岩效果；通过回转机构带动激光头旋转，使激光头能够将与其径向位置对应的周向区域的岩石粉碎，由于激光头可沿回转机构的径向移动，因此，可通过调整激光头在回转机构上的径向位置，实现对不同直径断面的岩石进行开挖，使大断面岩石开挖得以实现。在一个优选实施例中，该激光破岩装置可在低净空环境下工作。

Description

一种激光破岩装置

技术领域

本发明涉及破岩装置技术领域，更具体地说，涉及一种激光破岩装置。

背景技术

诸多大型科学实验室、军事掩蔽工程、放射性污染物封存填埋等具有特殊需求的场所，通常设置在掩蔽性好、地面干扰小的深埋岩石地层。

然而，由于深埋岩石地层的围岩强度高、完整性强、空间有限以及壁面光滑平整等，因此，深埋岩石地层的掘进施工非常困难。现有技术中，通常采用一般的TBM(tunnelboring machine)通常滚刀破岩掘进，然而，滚刀破岩难以满足破岩强度的需求。因此，激光破岩装置应运而生，但是激光破岩装置通常采用钻杆机构进行掘进，不适用于大断面的竖井开挖。

因此，如何提供一种能够进行大断面开挖的激光破岩装置，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种激光破岩装置，该激光破岩装置可实现大断面开挖，针对极硬岩地质有较好的破岩效果。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光破岩装置，包括：

用于粉碎岩石的激光器，所述激光器包括至少一个激光头；

与所述激光头相连、用于带动所述激光头转动的回转机构，所述激光头可沿所述回转机构的径向移动；

与所述回转机构相连、用于驱动所述回转机构升降的升降机构。

优选地，所述升降机构包括：

与所述回转机构相连且可拼接的至少一个垂直运送支架；

与所述垂直运送支架相连、用于驱动所述垂直运送支架升降的升降驱动装置。

优选地，所述升降驱动装置包括外支撑架和设于所述外支撑架两侧的驱动电机，所述驱动电机的输出轴设有齿轮，所述垂直运送支架设有用于与所述齿轮啮合传动的齿条。

优选地，所述垂直运送支架还设有与所述齿条平行设置的导轨，所述外支撑架设有与所述导轨可滑动配合的滑轮。

优选地，所述垂直运送支架为矩形框架结构，所述齿条的数量为偶数个，对称地设于所述矩形框架结构相对的两侧；所述导轨的数量为偶数个，对称地设于所述矩形框架结构另一相对的两侧；每个所述导轨对应至少两个所述滑轮。

优选地，所述回转机构包括用于设置所述激光头的框架、与所述框架相连的转轴、以及与所述转轴相连用于驱动所述转轴转动的旋转驱动装置。

优选地，所述框架包括与所述激光头一一对应的支撑杆，所述支撑杆的一端与所述转轴相连，另一端与用于连接所有所述支撑杆的圆形框相连，所述激光头通过行走机构与所述支撑杆相连。

优选地，所述垂直运送支架的底部设有用于固定所述旋转驱动装置的固定板。

优选地，还包括：

用于吸走所述激光头粉碎的石碴的真空吸碴设备；

与所述真空吸碴设备相连的集碴罐；

用于向所述激光头喷射高压空气以使所述石碴吹向所述真空吸碴设备的吸碴口的压缩空气系统。

优选地，所述压缩空气系统包括储气罐、与所述储气罐相连的空压机和与所述空压机相连且与所述激光头一一对应的喷管。

本发明提供的激光破岩装置，工作时，采用激光头对岩石进行粉碎，对极硬岩地质有较好的破岩效果；通过回转机构带动激光头旋转，使激光头能够将与其径向位置对应的周向区域的岩石粉碎，由于激光头可沿回转机构的径向移动，因此，可以通过调整激光头在回转机构上的径向位置，实现对不同直径断面的岩石进行开挖，使大断面岩石开挖成为可能。当破碎完上一层岩石后，再通过升降机构驱动回转机构下降，从而使激光头能够对下一层岩石进行开挖，如此循环，直至所需区域的岩石全部开挖完成。

在本发明的一个优选实施例中，由于垂直运送支架可拼接，因此，可根据需要开挖的竖井的深度来改变垂直运送支架的数量，以使该激光破岩装置可在低净空环境下工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的激光破岩装置具体实施例中初始掘进状态的示意图；

图2为图1所示激光破岩装置垂直运送支架拼接后的掘进状态示意图；

图3为图1所示激光破岩装置的俯视图；

图4为图1所示激光破岩装置的破岩过程示意图；

图5为图1中垂直运送支架相对外支撑架运动的结构示意图；

图6为图5的俯视图；

图7为图1中回转机构的结构示意图；

图8为图1中垂直运送支架的结构示意图；

图9为图1中外支撑架的结构示意图。

图1至图9中的附图标记如下：

1为激光头、2为回转机构、21为框架、211为支撑杆、212为圆形框、22为转轴、3为升降机构、31为垂直运送支架、311为齿条、312为导轨、313为固定板、32为外支撑架、321为驱动电机、322为齿轮、323为滑轮、4为行走机构、5为真空吸碴设备、6为集碴罐、7为压缩空气系统、71为储气罐、72为空压机、8为水冷设备。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种激光破岩装置，该激光破岩装置可实现大断面开挖，针对极硬岩地质有较好的破岩效果。

请参考图1-图9，图1为本发明所提供的激光破岩装置初始掘进状态的示意图；图2为激光破岩装置垂直运送支架拼接后的掘进状态示意图；图3为激光破岩装置的俯视图；图4为破岩过程示意图；图5为垂直运送支架相对外支撑架运动的结构示意图；图6为图5的俯视图；图7为回转机构的结构示意图；图8为垂直运送支架的结构示意图；图9为外支撑架的结构示意图。

需要说明的是，图4中的空心圆代表参与破岩工作的激光头1，图4中的实心黑圆代表未参与工作的处于关闭状态的激光头1。

本发明提供一种激光破岩装置，包括用于粉碎岩石的激光器，激光器包括至少一个激光头1；还包括用于设置所有激光头1的回转机构2，回转机构2能够带动激光头1转动，且激光头1沿回转机构2的径向可移动的设置在该回转机构2上，还包括与回转机构2相连，用于驱动回转机构2升降的升降机构3。

可以理解的是，激光头1能够发射出激光，使岩石受热破碎。相比于现有技术中一般的TBM机，激光头1不与岩石接触，无需考虑机械磨损，因此，激光破岩装置不受极硬岩影响，针对极硬岩地质有较好的破岩效果。

可以理解的是，激光器还包括用于为激光头1提供能量的外部激光设备，优选地，该外部激光设备为光纤激光设备；更加优选地，该光纤激光设备与用于对该光纤激光设备进行降温的水冷设备8相连。

激光头1设置在回转机构2上，在回转机构2带动激光头1转动的过程中，使激光头1沿一定的半径做圆周运动，从而将与该半径相对应的区域的岩石破碎。

由于激光头1可沿回转机构2径向移动，因此，可通过调整激光头1在回转机构2上的径向位置，来改变激光头1的破岩区域，从而使该激光破岩装置能够实现不同直径断面的开挖。也即，当破碎完某一区域的岩石后，可使激光头1靠近或远离回转机构2的圆心，改变激光头1的运动半径，从而将与激光头1改变后的运动半径对应的另一区域的岩石破碎。如此，通过不断地改变激光头1在回转机构2上的径向位置，将大断面区域的位于最上层截面上的岩石粉碎完成。

然后，通过升降机构3驱动回转机构2下降，从而使回转机构2带动激光头1下移至另一层截面，再依据上述的运动方式对另一层截面的岩石进行粉碎。

需要说明的是，本发明对激光头1的数量不做限定，激光头1的数量越多，则破岩效率越高，越有利于大断面岩石的开挖。

当采用本发明的激光破岩装置进行破岩工作时，优选地，先对最外圈的岩石进行破碎，也即，刚开始破岩时，激光头1位于回转机构2的最外圈，此时，激光头1与回转机构2的中心之间的距离最大，激光头1的径向位置最远，激光头1的运动半径最大。当将最外圈岩石破碎完成后，使激光头1朝向回转机构2的圆心径向运动一个光束直径距，继续次外圈岩石的破碎工作，如此循环，直至最内圈的岩石破碎完成，则完成一层断面的破岩工作。

需要说明的是，当调整激光头1在回转机构2上的径向位置时，可以单独控制每个激光头1的运动。可以理解的是，为了提高破岩效率，需要破岩的区域半径越大，则需要参与工作的激光头1的数量越多，当需要破岩的区域半径变小时，可以适当减小参与工作的激光头1的数量。因此，当破岩区域逐渐变小时，可以只改变适当数量的激光头1的径向位置，使其它未改变径向位置的激光头1关闭；也可以将全部激光头1的径向位置统一改变，只是将适当数量的激光头1开启工作，其它激光头1关闭。

本实施例对回转机构2以及升降机构3的具体结构不做限定，只要回转机构2能够带动激光头1旋转，升降机构3能够带动回转机构2升降即可。

本实施例对激光头1在回转机构2上可径向移动地固定方式不做限定，只要能够满足激光头1的径向位置可调即可。

综上所述，本发明提供的激光破岩装置，工作时，采用激光头1对岩石进行粉碎，对极硬岩地质有较好的破岩效果；通过回转机构2带动激光头1旋转，使激光头1能够将与其径向位置对应的周向区域的岩石粉碎，由于激光头1可沿回转机构2的径向移动，因此，可以通过调整激光头1在回转机构2上的径向位置，实现对不同直径断面的岩石进行开挖，使大断面岩石开挖成为可能。当破碎完某一层岩石后，再通过升降机构3驱动回转机构2下降，从而使激光头1能够对下一层岩石进行开挖，如此循环，直至所需区域的岩石全部开挖完成。

为了适应超低净空环境，考虑到升降机构3的具体实现，在上述实施例的基础之上，升降机构3包括与回转机构2相连的垂直运送支架31和与垂直运送支架31相连的升降驱动装置。垂直运送支架31的数量为至少一个，且垂直运送支架31可拼接。

也就是说，本实施例通过垂直运送支架31将升降机构3的升降长度模块化，使升降机构3的升降长度随着开挖深度而逐渐的增加，从而使初始掘进时位于井面上的升降机构3的长度不至于过大，因此，可使该激光破岩装置适用于在外部狭窄环境下开挖。

可以理解的是，垂直运送支架31的具体数量可根据需开挖的竖井深度来定。当竖井深度较低时，只需要一个垂直运送支架31即可满足要求。当竖井深度较深时，一个垂直运送支架31不足以将回转机构2送达到所需深度，因此，需在第一个垂直运送支架31上拼接第二个垂直运送支架31，随着竖井深度的加深，可继续在垂直运送支架31上依次拼接合适数量的垂直运送支架31，直至满足竖井开挖深度的需求。

考虑到垂直运送支架31的拼接方式的简单方便，优选地，在垂直运送支架31的顶部和底部的相对位置均设置至少两个螺纹孔，拼接时，采用螺栓将下层垂直运送支架31与上层垂直运送支架31连接为一体结构。当然，还可以采用焊接的方式使上层垂直运送支架31的底部与下层垂直运送支架31的顶部固定。具体可以根据实际需要来选择。

需要说明的是，本实施例对单个垂直运送支架31的高度不做限定，可以根据外部低净空环境的具体高度来确定，以确保初始挖掘时具有足够的施工空间。

考虑到升降驱动装置的具体结构的实现，在上述实施例的基础之上，升降驱动装置包括外支撑架32和设于外支撑架32两侧的驱动电机321，驱动电机321的输出轴设有齿轮322，垂直运送支架31设有用于与齿轮322啮合传动的齿条311。

也就是说，本实施例通过齿轮322与齿条311的啮合传动来带动垂直运送支架31的竖直移动，运动平稳可靠，从而使垂直运送支架31通过回转机构2带动激光头1升降。

考虑到外支撑架32结构的简单及便于实现性，优选地，外支撑架32为矩形框架，包括用于设置在井面上的四根支撑腿以及连接于四根支撑腿之间的连接梁，以形成稳固的支撑结构；至少两个驱动电机321相对设置在矩形框架相对的两侧。

为了进一步提高垂直运送支架31运动的平稳性，在上述实施例的基础之上，垂直运送支架31还设有与齿条311平行设置的导轨312，外支撑架32设有与导轨312可滑动配合的滑轮323。

可以理解的是，导轨312起到导向的作用，用于引导齿条311的竖直移动，使齿条311运动的更平稳，从而使垂直运送支架31平稳升降。

本实施例对滑轮323的具体数量不做限定，每个导轨312对应的滑轮323的数量越多，则垂直运送支架31相对外支撑架32运动的越顺畅。

为了进一步提高垂直运送支架31运动的平稳性及顺畅性，在上述实施例的基础之上，垂直运送支架31为矩形框架结构，齿条311的数量为偶数个，对称地设于矩形框架结构相对的两侧；导轨312的数量为偶数个，对称地设于矩形框架结构另一相对的两侧；每个导轨312对应至少两个滑轮323。

可以理解的是，矩形框架结构可以减轻垂直运送支架31的重量，使垂直运送支架31的整体机械结构简单，整机重量较轻。

齿条311的数量越多，则垂直运送支架31运动的越平稳，且偶数个齿条311相对设置，可以确保垂直运送支架31两侧运动的平衡性。

导轨312的数量越多，则垂直运送支架31的导向作用越佳，且偶数个导轨312相对设置，可以确保垂直运送支架31另一相对的两侧导向的均衡性。

在外支撑架32上对应每个导轨312的位置分别设置至少两个滑轮323，以确垂直运送支架31相对外支撑架32运动的顺畅性。

优选地，齿条311的数量为两个，分别设置在垂直运送支架31相对的两侧；导轨312的数量为四个，两两一对的分别设置在垂直运送支架31另一相对的两侧；每个导轨312对应的滑轮323的数量为三个。

考虑到回转机构2具体结构的实现，在上述任一项实施例的基础之上，回转机构2包括用于设置激光头1的框架21、与框架21相连的转轴22、以及与转轴22相连用于驱动转轴22转动的旋转驱动装置。

可以理解的是，框架21结构简单，重量轻，因此，可进一步地减轻整机重量。

本实施例通过旋转驱动装置带动框架21转动，进而使框架21带动激光头1转动。优选地，旋转驱动装置为电机，转轴22与电机的输出轴相连。

考虑到激光头1在回转机构2上的具体设置方式，在上述实施例的基础之上，框架21包括与激光头1一一对应的支撑杆211，支撑杆211的一端与转轴22相连，另一端与用于连接所有支撑杆211的圆形框212相连，激光头1通过行走机构4与支撑杆211相连。

可以理解的是，支撑杆211沿回转机构2的径向辐射设置，圆形框212将支撑杆211的末端连接为一体结构，提高了回转机构2整体结构的稳定性。

优选地，所有支撑杆211周向均匀分布。

优选地，激光头1的数量为十个，因此，与激光头1对应的支撑杆211的数量为十个，十个支撑杆211沿圆形框212的周向均匀分布。

需要说明的是，本实施例对行走机构4的具体结构不做限定，可参见现有技术，例如，可以为行走小车。当需要调整激光头1的径向位置时，通过行走小车使激光头1沿回转机构2的径向移动一定的距离；当激光头1的径向位置满足要求时，行走小车可自锁在回转机构2上，使激光头1保持该径向位置。

考虑到回转机构2与垂直运送支架31的连接方式，在上述实施例的基础之上，垂直运送支架31的底部设有用于固定旋转驱动装置的固定板313。

也就是说，回转机构2通过旋转驱动装置固定在垂直运送支架31的固定板313上。

当旋转驱动装置为电机时，优选地，电机通过电机固定座与固定板313的顶面相连，固定板313上设有用于使电机的输出轴穿过的让位孔，以便于转轴22与电机输出轴连接，从而带动位于固定板313下方的框架21转动。

考虑到对粉碎岩石产生的石碴的处理，在上述实施例的基础之上，还包括：用于吸走激光头1粉碎的石碴的真空吸碴设备5；与真空吸碴设备5相连的集碴罐6；用于向激光头1喷射高压空气以使石碴吹向真空吸碴设备5的吸碴口的压缩空气系统7。

也就是说，本实施例通过真空吸碴设备5产生的负压，使激光头1粉碎后的石碴在负压的作用下被吸走，被真空吸碴设备5吸走的石碴暂时存入集碴罐6，以便于对石碴的集中处理。

可以理解的是，压缩空气系统7有利于将石碴集中吹向吸碴口，使石碴更容易地被吸走。

另一方面，由于激光头1在粉碎岩石的过程中温度会迅速升高，因此，压缩空气系统7喷射出的高压空气对激光头1还具有降温作用。

考虑到压缩空气系统7的有效性，在上述实施例的基础之上，压缩空气系统7包括储气罐71、与储气罐71相连的空压机72和与空压机72相连且与激光头1一一对应的喷管。

也就是说，本实施例通过储气罐71为空压机72供应充足的气体。喷管与激光头1一一对应可以确保对每个激光头1进行降温以及确保每个激光头1破碎的石碴能够及时地排出。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的激光破岩装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光破岩装置，其特征在于，包括：

用于粉碎岩石的激光器，所述激光器包括至少一个激光头(1)；

与所述激光头(1)相连、用于带动所述激光头(1)转动的回转机构(2)，所述激光头(1)可沿所述回转机构(2)的径向移动；

与所述回转机构(2)相连、用于驱动所述回转机构(2)升降的升降机构(3)。

2.根据权利要求1所述的激光破岩装置，其特征在于，所述升降机构(3)包括：

与所述回转机构(2)相连且可拼接的至少一个垂直运送支架(31)；

与所述垂直运送支架(31)相连、用于驱动所述垂直运送支架(31)升降的升降驱动装置。

3.根据权利要求2所述的激光破岩装置，其特征在于，所述升降驱动装置包括外支撑架(32)和设于所述外支撑架(32)两侧的驱动电机(321)，所述驱动电机(321)的输出轴设有齿轮(322)，所述垂直运送支架(31)设有用于与所述齿轮(322)啮合传动的齿条(311)。

4.根据权利要求3所述的激光破岩装置，其特征在于，所述垂直运送支架(31)还设有与所述齿条(311)平行设置的导轨(312)，所述外支撑架(32)设有与所述导轨(312)可滑动配合的滑轮(323)。

5.根据权利要求4所述的激光破岩装置，其特征在于，所述垂直运送支架(31)为矩形框架结构，所述齿条(311)的数量为偶数个，对称地设于所述矩形框架结构相对的两侧；所述导轨(312)的数量为偶数个，对称地设于所述矩形框架结构另一相对的两侧；每个所述导轨(312)对应至少两个所述滑轮(323)。

6.根据权利要求2-5任一项所述的激光破岩装置，其特征在于，所述回转机构(2)包括用于设置所述激光头(1)的框架(21)、与所述框架(21)相连的转轴(22)、以及与所述转轴(22)相连用于驱动所述转轴(22)转动的旋转驱动装置。

7.根据权利要求6所述的激光破岩装置，其特征在于，所述框架(21)包括与所述激光头(1)一一对应的支撑杆(211)，所述支撑杆(211)的一端与所述转轴(22)相连，另一端与用于连接所有所述支撑杆(211)的圆形框(212)相连，所述激光头(1)通过行走机构(4)与所述支撑杆(211)相连。

8.根据权利要求6所述的激光破岩装置，其特征在于，所述垂直运送支架(31)的底部设有用于固定所述旋转驱动装置的固定板(313)。

9.根据权利要求6所述的激光破岩装置，其特征在于，还包括：

用于吸走所述激光头(1)粉碎的石碴的真空吸碴设备(5)；

与所述真空吸碴设备(5)相连的集碴罐(6)；

用于向所述激光头(1)喷射高压空气以使所述石碴吹向所述真空吸碴设备(5)的吸碴口的压缩空气系统(7)。

10.根据权利要求9所述的激光破岩装置，其特征在于，所述压缩空气系统(7)包括储气罐(71)、与所述储气罐(71)相连的空压机(72)和与所述空压机(72)相连且与所述激光头(1)一一对应的喷管。