[发明专利]一种基于复合激光射孔的激光盾构机及其使用方法

说明书

本发明涉及一种基于复合激光射孔的激光盾构机及其使用方法，属于激光破岩应用技术领域，所述盾构机包括激光射孔装置和机械掘进装置，所述激光射孔装置用于向工作面发射复合激光形成射孔，机械掘进装置用于挖掘形成射孔的工作面，本发明通过激光射孔装置对工作面阵列式射孔，对岩石进行预破碎，增加了工作面岩石的可钻性，用机械掘进装置进行掘进，在岩石强度降低的情况下提高了掘进效率，同时减少了对机械掘进装的磨损，同时，采用短脉冲激光和连续激光耦合形成复合激光，在复合激光作用于岩石的过程中，通过调节聚焦透镜和平移台的位置，调节作用于岩石上的光斑尺寸，从而实现两路光束不同光斑尺寸的调节，灵活方便，提升激光射孔效率。

技术领域

本发明属于激光破岩应用技术领域，具体地说涉及一种基于复合激光射孔的激光盾构机及其使用方法。

背景技术

在大型隧道挖掘过程中，尤其是山体和深层地下大多数分布岩石层，特别是玄武岩等硬岩层，使得掘进速度比较慢。目前，通常采用放炮破拆或掘进机直接掘进。其中，放炮破拆的掘进方式存在火工品管制、安全及费用问题，同时，工作面可控性差，掘进效率低。掘进机直接掘进的方式采用刀齿直接对岩石层进行破碎挖掘，钻头损耗高，且掘进效率低。如图1所示，隧道工作面100的直径大于20m，掘进机的钻头直径为1m，这种小尺寸的钻头在隧道工作面100上采用扫描逐层去除的方法实现掘进，其在隧道工作面100上的掘进轨迹200呈蛇形排布，每次掘进量约为50公分，掘进效率亟待提高。

随着科技的进步和发展，很多破岩技术及装备应运而生，如水射流、激光、超声波破岩等技术，给盾构机挖掘隧道提供了技术储备。其中，利用高功率激光对岩石层的冲击损伤和热损伤，对岩石产生预破碎，使岩石的内应力得到一定的释放，降低岩石强度，改善岩石可钻性，再利用机械破岩，显著提高掘进效率。

发明内容

发明人经过长期研究发现：在现有的激光-机械联合掘进破岩技术中，采用的激光为连续激光或脉冲激光，即激光为单一属性。同时，在现有的技术条件下，对激光功率要求高，为工程应用增加了很大的难度。发明人采用连续激光与短脉冲激光空间叠加复合的方法，有效提高了激光破岩的速度和激光能量的利用率，同时，减少对激光功率需求，降低工程化应用难度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于复合激光射孔的激光盾构机，包括：

激光射孔装置，其用于向工作面发射复合激光，所述激光射孔装置包括用于输出连续激光的第一激光器、用于输出与连续激光不同光轴的短脉冲激光的第二激光器、耦合组件以及射筒，且短脉冲激光的输出时间晚于连续激光的输出时间，所述连续激光经过第一聚焦组件传输至耦合组件，所述短脉冲激光经过第二聚焦组件传输至耦合组件，且第一聚焦组件、第二聚焦组件均可移动，聚焦后的连续激光和短脉冲激光经耦合组件耦合合束至同一光轴形成复合激光，所述复合激光经射筒作用于岩石并最终形成射孔；

和机械掘进装置，用于挖掘形成射孔的工作面。

进一步，所述短脉冲激光的脉冲宽度为皮秒(10ps-100ps)、纳秒(0.1ns-1000ns)或微秒(1-1000μs)。

进一步，所述耦合组件为双色镜或偏振片，不同的是，采用双色镜对连续激光和短脉冲激光进行波长合束，采用偏振片对连续激光和短脉冲激光进行偏振合束。

进一步，所述第一聚焦组件与第二聚焦组件的结构相同，以调节连续激光和短脉冲激光作用于工作面上的光斑位置及光斑尺寸，且短脉冲激光作用于工作面上的光斑尺寸不大于连续激光作用于工作面上的光斑尺寸。

进一步，所述第一聚焦组件包括聚焦透镜和平移台，所述聚焦透镜位于平移台上方，且平移台可沿着连续激光的传输路径移动。

进一步，所述连续激光经第一整形组件传输至第一聚焦组件，所述短脉冲激光经第二整形组件传输至第二聚焦组件，且第一整形组件与第二整形组件的结构相同，以调节连续激光和短脉冲激光的光斑形状，如圆光斑或线光斑。