[发明专利]一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统及方法

权利要求书

1.一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，包括激光钻机和静态破裂设备；

所述激光钻机包括用于产生激光束的激光器、气体辅助装置和激光头运动控制装置，所述激光头运动装置包括激光头、用于控制激光头空间运动方向的方向控制装置和可调节高度的移动小车底座；

所述静态破裂设备包括液压劈裂机或采用膨胀剂的装置，在将所述静态破裂设备插入到设在岩石上的若干个劈裂孔或填充膨胀剂后，基于岩石内部产生的高压，进而破碎岩石。

2.根据权利要求1所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，所述方向控制装置可为机械臂或滑轨。

3.根据权利要求2所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，所述激光头安装在机械臂终端或滑轨的末端；所述机械臂或滑轨安装在可调节高度的移动小车底座上。

4.根据权利要求1所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，所述激光器通过光纤连接到激光头，产生的激光束经由光纤传输到激光头。

5.根据权利要求1所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统，其特征在于，所述激光钻机还包括气体循环系统和相关辅助装置；

所述气体产生循环系统，用于起清孔作用；

所述气体产生循环系统中包括气体管道、气体喷嘴和气体产生装置，所述气体产生装置通过气体管道连接到气体喷嘴；所述气体喷嘴设置于激光钻头周围；当气体产生装置产生压缩气体，并通过气体管道输送压缩气体到气体喷嘴后，通过所述气体产生循环系统内包括的气路系统来输送高压循环气体到激光钻孔孔内，从而将激光钻孔产物的排出孔外；

所述相关辅助装置包括人机安全辅助设备。

6.一种利用权利要求1-5所述的任意一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进系统的全断面激光掘进方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定采掘地，设定激光工艺和辅助气体工艺参数；

S2、规划方向控制装置的移动路径；

S3、启动激光钻机，当激光头接收到激光束后，在方向控制装置的作用下沿着先前规划好的移动路径照射指定的掘进面后，采用中心孔取心的方法，将切出的岩心取出后形成中心孔，将中心孔作为临空面；

S4、采用静态破裂方法，沿着硐壁边缘钻取多个劈裂孔；

S5：将液压劈裂机的劈裂枪插入劈裂孔中，或往劈裂孔中装入膨胀剂，使岩石内部产生高压从而破裂；

S6：重复步骤S3-步骤S5，在依次进行层层掘进后，形成平硐或隧道。

7.根据权利要求6所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进方法，其特征在于，步骤S2中，所述移动路径包括激光钻头的控制起始位置、控制终止位置、控制移动速度、沿预设移动轨迹运动的重复次数。

8.根据权利要求6所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进方法，其特征在于，步骤S4中还包括：

S41、在掘进面的内部钻取多个劈裂孔；其中：

劈裂孔的数量按照拱形断面大小、岩层可钻性和运输能力进行定量设置；

S42、利用激光照射破碎、融化岩石、气化岩石和/或利用旋转钻进的方法钻取劈裂孔。

9.根据权利要求6所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进方法，其特征在于，步骤S3中所述采用中心孔取心的方法，将环切出的岩心取出后形成中心孔具体为：

S31、利用激光束沿规划好的移动路径照射岩石使其熔融或者气化；

S32、通过吹扫气体将熔融物或岩屑从孔底带出形成圆环割缝；

S33、将环切出的岩心取出，形成中心孔；其中：

在进行岩心取出的时候包括：改变激光头的烧蚀方向。

10.根据权利要求9所述的一种取心和静态破裂结合的全断面激光掘进方法，其特征在于，形成的圆环割缝的深度包括通过延长激光的照射时间或者照射次数，进行设定；

形成的圆环割缝的宽度一方面包括由激光光斑的直径确定，另一方面包括通过扩大或缩小激光运动轨迹来加宽或缩小圆环割缝的宽度。