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CN112065423A - 一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法和系统 - Google Patents

一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法和系统 Download PDF

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CN112065423A CN202010810430.5A CN202010810430A CN112065423A CN 112065423 A CN112065423 A CN 112065423A CN 202010810430 A CN202010810430 A CN 202010810430A CN 112065423 A CN112065423 A CN 112065423A
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文国军
吴玲玲
王玉丹
官东林
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Abstract

本发明涉及一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法和系统,包括以下步骤:开始进行岩层掘进;调整激光工艺参数和辅助气体参数;设置机械臂的姿态和移动轨迹;激光钻机在机械臂的带动下,环切出拱形割缝;判断拱形割缝是否需要分区;需要分区将拱形割缝分区,激光钻机网状斜切割拱形割缝内各个分区的岩块,生成多棱柱岩块;若不分区激光钻机网状斜切割所述拱形割缝,生成多棱柱岩块,将多棱柱岩块运出平硐;若未完成岩层掘进重复上述步骤,否则结束岩层掘进。本发明提供的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法和系统,掘进轮廓清晰完整,不会产生超挖欠挖,非爆破式掘进,对周边环境破坏小、结构简单、操作简便、易于实现自动化。

Description

一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法和系统
技术领域
本发明涉及激光破岩技术领域,尤其涉及一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法和系统。
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,其应用于实际平硐或隧道或隧道掘进尚需时日,因此相应的钻进工艺更是缺乏。这里提供一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法和系统,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,能够极大程度提高掘进面岩土去除率,而且掘进轮廓清晰完整,不会产生超挖欠挖,非爆破掘进,对周边环境破坏小、结构简单、操作简便、易于实现自动化。
发明内容
本发明提供了一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法和系统,解决了现有技术中缺乏将激光钻机应用于全断面掘进的问题。
本发明为解决其技术问题,提供了一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,包括以下步骤:
S1、开始进行岩层掘进;
S2、根据岩层情况调整激光工艺参数和辅助气体参数;
S3、设置机械臂的姿态和移动轨迹,包括起始位置、移动速度、沿轨迹运动的重复次数,激光照射方向;
S4、所述激光钻机在所述机械臂的带动下,环切出拱形割缝;
S5、判断所述拱形割缝是否需要分区,若需要分区则进行步骤S6,否则进行步骤S7;
S6、将所述拱形割缝分区,所述激光钻机网状斜切割所述拱形割缝内各个分区的岩块,生成多棱柱岩块,将所述多棱柱岩块运出平硐或隧道,进入步骤S8;
S7、所述激光钻机网状斜切割所述拱形割缝,生成多棱柱岩块,将所述多棱柱岩块运出平硐或隧道,进入步骤S8;
S8、若未完成岩层掘进则返回步骤S2,否则结束岩层掘进。
进一步的,本发明的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,步骤S2中所述激光工艺参数包括激光能量密度、光斑大小、照射距离、照射时间、照射次数、吹扫气体种类及流速。
进一步的,本发明的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,所述激光钻机发射高能激光在岩石上熔融气化出割缝,所述割缝的深度由所述激光能量密度、所述照射时间、所述照射距离和所述照射次数决定,所述割缝的宽度由所述光斑大小决定,每次掘进深度由割缝深度决定。
进一步的,本发明的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,步骤S3中所述机械臂的移动轨迹为直线轨迹或曲线轨迹。
进一步的,本发明的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,步骤S4中所述激光钻机包括激光器、气体辅助装置及激光头、机械臂。
进一步的,本发明的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,所述激光头安装在所述机械臂的末端,所述机械臂安装在移动小车上,所述小车上搭建升降台;所述激光头使用光纤与所述激光发生器连接,所述光纤用于将高能激光由所述激光器传送至所述激光头;所述激光头和所述机械臂使用控制线与控制主机连接,所述控制主机用于控制所述激光头和所述机械臂。
进一步的,本发明的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,步骤S6中所述将拱形割缝分区具体为:激光在岩块合适位置走水平和竖直割缝,将所述拱形割缝内的大岩块划分成多个区域,在每个区域切割岩块时能保证机械臂臂展可达。
进一步的,本发明的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,步骤S6中所述网状斜切割具体为:所述激光钻机沿第一方向斜切割所述拱形割缝,所述激光钻机沿第二方向斜切割所述拱形割缝,自上而下、自中间往两边以一定间距重复上述切割过程。
进一步的,本发明的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进系统,其特征在于,包括以下模块:
岩层掘进启动模块,用于开始岩层掘进;
激光和辅助气体工艺参数调整模块,用于根据岩层情况调整激光钻机的激光工艺参数和辅助气体参数;
机械臂移动轨迹设置模块,用于设置机械臂的姿态和移动轨迹,包括起始位置、移动速度、沿轨迹运动的重复次数;
环切模块,用于将所述激光钻机在所述机械臂的带动下,环切出拱形割缝;
分区判断模块,用于判断所述拱形割缝是否需要分区,若需要分区则进入分区切割模块,否则进入网状斜切割模块;
分区切割模块,用于将所述拱形割缝分区,所述激光钻机网状斜切割所述拱形割缝内各个分区的岩块,生成多棱柱岩块,将所述多棱柱岩块运出平硐或隧道;
网状斜切割模块,用于将所述激光钻机网状斜切割所述拱形割缝,生成多棱柱岩块,将所述多棱柱岩块运出平硐或隧道;
工作进度判断模块,用于判断岩层掘进的工作进度,若未达到掘进深度则返回激光和辅助气体工艺参数调整模块,否则结束岩层掘进。
进一步的,本发明的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进系统,其特征在于,激光工艺参数调整模块中所述激光工艺参数包括激光能量密度、光斑大小、照射距离、照射时间、照射次数、吹扫气体种类及流速。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:本发明提供一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法和系统,根据激光钻机掘进特点设计,为激光钻机应用于平硐或隧道和隧道掘进早日实现助力;本发明能够灵活创造临空面,且可实现临空面形状多样化;激光在熔融气化岩石时对地层影响小,不引入钻井液等;使用激光钻机将岩石切割成多棱柱并取出,加快了全断面掘进平硐或隧道的速度;本发明流程清晰、操作简便,系统完善,便于实现。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1为本发明的方法流程图;
图2为本发明的带分区的切割轨迹示意图(正视图);
图3为本发明的不带分区的切割轨迹示意图(正视图);
图4为本发明的切割轨迹示意图(图3的俯视图)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参考图1,其为本发明方法的方法流程图,在进行激光钻机全断面掘进平硐或隧道或隧道时,激光头射出高功率激光,能够瞬间熔融气化岩石,形成深沟槽。若沿着不同方向斜射入激光束,能够将岩石切割成多棱柱并取出,既加快了岩石破裂速度,也方便了岩石从洞内移除到洞外。网状斜切割出的多棱柱大小及切割槽深度和宽度可根据钻井具体情况而定,沟槽的深度、宽度等可由激光熔融汽化的次数、激光能量密度、光斑大小等来决定,具体包括以下步骤:
S1、开始进行岩层掘进;
S2、根据岩层情况调整激光工艺参数和辅助气体参数;
S3、设置机械臂的姿态和移动轨迹,包括起始位置、移动速度、沿轨迹运动的重复次数,激光照射方向;
S4、所述激光钻机在所述机械臂的带动下,环切出拱形割缝;
S5、判断所述拱形割缝是否需要分区,若需要分区则进行步骤S6,否则进行步骤S7;
S6、将所述拱形割缝分区,所述激光钻机网状斜切割所述拱形割缝内各个分区的岩块,生成多棱柱岩块,将所述多棱柱岩块运出平硐或隧道,进入步骤S8;
S7、所述激光钻机网状斜切割所述拱形割缝,生成多棱柱岩块,将所述多棱柱岩块运出平硐或隧道,进入步骤S8;
S8、若未完成岩层掘进则返回步骤S2,否则结束岩层掘进。
步骤S2中所述激光工艺参数包括激光能量密度、光斑大小、照射距离、照射时间、照射次数、吹扫气体种类及流速。所述激光器钻机发射高能激光在岩石上熔融气化出割缝,所述割缝的深度由所述激光能量密度、所述照射时间和所述照射距离和所述照射次数决定,所述割缝的宽度由所述光斑大小决定。
步骤S3中所述机械臂移动轨迹为直线轨迹或曲线轨迹。
步骤S4中所述激光钻机包括激光发生装置、辅助装置及激光头,所述激光器发生装置、辅助装置安置在平硐或隧道外,所述激光头安置在平硐或隧道内。所述激光头安装在所述机械臂的末端,能实现空间运动,所述空间运动可为直线运动或曲线运动,所述机械臂安装在移动小车上,所述小车上搭建升降台;所述激光头使用光纤与所述激光发生装置连接,所述光纤用于将高能激光由所述激光发生装置传送至所述激光头;所述激光头和所述机械臂使用控制线与控制主机连接,所述控制主机用于控制所述激光头和所述机械臂。
步骤S6中所述给岩石分区具体为:拱形割缝内岩石若太大,不便于一次性切割,可先将岩石分区,激光在岩块合适位置走水平和竖直割缝,将所述拱形割缝内的大岩块划分成多个区域,在每个区域切割岩块时能保证机械臂臂展可达。
步骤S6中所述网状斜切割具体为:所述激光钻机沿第一方向斜切割所述拱形割缝,所述激光钻机沿第二方向斜切割所述拱形割缝,自上而下、自中间往两边以一定间距重复上述切割过程。切出的多棱柱可直接运出平硐或隧道。所述割缝深度的加深可通过增加激光能量密度和/或延长激光照射时间和/或减小照射距离和/或增加照射次数来实现,所述割缝宽度由光斑大小决定,也可扩大激光运动轨迹来加宽割缝宽度。
请参考图2、3和图4,本发明的实施例提供了一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,包括利用高功率激光环切拱形割缝1、在岩块上分区割缝2和网状斜切割轨迹3。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、开始进行岩层掘进;
S2、根据岩层情况调整激光工艺参数和辅助气体参数;
S3、设置机械臂的姿态和移动轨迹,包括起始位置、移动速度、沿轨迹运动的重复次数,激光照射方向;
S4、所述激光钻机在所述机械臂的带动下,环切出拱形割缝;
S5、判断所述拱形割缝是否需要分区,若需要分区则进行步骤S6,否则进行步骤S7;
S6、将所述拱形割缝分区,所述激光钻机网状斜切割所述拱形割缝内各个分区的岩块,生成多棱柱岩块,将所述多棱柱岩块运出平硐或隧道,进入步骤S8;
S7、所述激光钻机网状斜切割所述拱形割缝,生成多棱柱岩块,将所述多棱柱岩块运出平硐或隧道,进入步骤S8;
S8、若未完成岩层掘进则返回步骤S2,否则结束岩层掘进。
2.根据权利要求1所述的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,步骤S2中所述激光工艺参数包括激光能量密度、光斑大小、照射距离、照射时间、照射次数、吹扫气体种类及流速。
3.根据权利要求2所述的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,所述激光钻机发射高能激光在岩石上熔融气化出割缝,所述割缝的深度由所述激光能量密度、所述照射时间、所述照射距离和所述照射次数决定,所述割缝的宽度由所述光斑大小决定,每次掘进深度由割缝深度决定。
4.根据权利要求1所述的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,步骤S3中所述机械臂的移动轨迹为直线轨迹或曲线轨迹。
5.根据权利要求1所述的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,步骤S4中所述激光钻机包括激光器、气体辅助装置及激光头、机械臂。
6.根据权利要求5所述的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,所述激光头安装在所述机械臂的末端,所述机械臂安装在移动小车上,所述小车上搭建升降台;所述激光头使用光纤与所述激光发生器连接,所述光纤用于将高能激光由所述激光器传送至所述激光头;所述激光头和所述机械臂使用控制线与控制主机连接,所述控制主机用于控制所述激光头和所述机械臂。
7.根据权利要求1所述的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,步骤S6中所述将拱形割缝分区具体为:激光在岩块合适位置走水平和竖直割缝,将所述拱形割缝内的大岩块划分成多个区域,在每个区域切割岩块时能保证机械臂臂展可达。
8.根据权利要求1所述的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进方法,其特征在于,步骤S6中所述网状斜切割具体为:所述激光钻机沿第一方向斜切割所述拱形割缝,所述激光钻机沿第二方向斜切割所述拱形割缝,自上而下、自中间往两边以一定间距重复上述切割过程。
9.一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进系统,其特征在于,包括以下模块:
岩层掘进启动模块,用于开始岩层掘进;
激光和辅助气体工艺参数调整模块,用于根据岩层情况调整激光钻机的激光工艺参数和辅助气体参数;
机械臂移动轨迹设置模块,用于设置机械臂的姿态和移动轨迹,包括起始位置、移动速度、沿轨迹运动的重复次数;
环切模块,用于将所述激光钻机在所述机械臂的带动下,环切出拱形割缝;
分区判断模块,用于判断所述拱形割缝是否需要分区,若需要分区则进入分区切割模块,否则进入网状斜切割模块;
分区切割模块,用于将所述拱形割缝分区,所述激光钻机网状斜切割所述拱形割缝内各个分区的岩块,生成多棱柱岩块,将所述多棱柱岩块运出平硐或隧道;
网状斜切割模块,用于将所述激光钻机网状斜切割所述拱形割缝,生成多棱柱岩块,将所述多棱柱岩块运出平硐或隧道;
工作进度判断模块,用于判断岩层掘进的工作进度,若未达到掘进深度则返回激光和辅助气体工艺参数调整模块,否则结束岩层掘进。
10.根据权利要求9所述的一种多棱柱网状斜切割的全断面激光掘进系统,其特征在于,激光工艺参数调整模块中所述激光工艺参数包括激光能量密度、光斑大小、照射距离、照射时间、照射次数、吹扫气体种类及流速。
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