[发明专利]一种激光盾构机及掘进方法

说明书

本发明公开了一种激光盾构机及掘进方法，该激光盾构机包括用于向工作面射孔的激光射孔装置、用于向经激光射孔装置射孔后的工作面掘进的掘进装置，激光射孔装置与掘进装置为一体式结构或分体式结构。本发明通过激光射孔装置对岩石阵列式射孔，对工作面岩石进行预破碎，增加了工作面岩石的可钻性，用掘进装置进行掘进，在岩石强度降低的情况下提高了掘进的效率，同时减少了钻头的磨损，通过压缩空气对射筒内的熔渣进行吹除，能够较好的对激光输出头进行保护，可以采用单光源多加工头以光源快速切换的方式并行射孔，或采用多光源多加工头同时射孔，进一步提高了掘进效率。

技术领域

本发明属于激光破岩应用技术领域，具体地说涉及一种激光盾构机及掘进方法。

背景技术

在大型隧道的挖掘过程中，特别是山体和深层地下大分布都是岩石层，特别是玄武岩等硬岩层，使得掘进速度比较慢。

现有技术通常采用放炮破拆和掘进机直接掘进。其中放炮破拆的掘进方式存在问题是火工品管制、安全问题及费用问题，同时工作面可控性差，掘进效率低。而掘进机直接掘进的方式由于用齿直接对岩层进行破碎挖掘，使掘进效率低，钻头损耗高。

如图1所示，针对于隧道的工作面100，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的工作面100上采用扫描逐层去除的方法实现掘进，其在隧道的工作面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。

通过高功率激光对岩石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，降低岩石的强度，改善岩石的可钻性，再利用机械破岩，这就可以大大提高钻井破岩效率。随着中国及全球基建的飞速发展，可以说激光在隧道掘进中的应用具有迫切需求及广阔市场前景。

但是，目前激光破岩还是存在着较大的技术难度，主要还是在实验室进行模拟实验，然而人们对于激光破岩理论研究所需实验装置并不完备，现有的实验系统一般采用激光固定照射的方法，存在实验性能单一的缺点，同时无法与掘进装置有效配合实现快速掘进的目的。

因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种激光盾构机及掘进方法，通过激光射孔装置与掘进装置有效配合实现快速掘进的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光盾构机，其包括用于向工作面射孔的激光射孔装置、用于向经激光射孔装置射孔后的工作面掘进的掘进装置，所述激光射孔装置与掘进装置为一体式结构或分体式结构。

进一步地，所述激光射孔装置设置至少一个，所述激光射孔装置包括激光器、激光输出头、连接于激光输出头输出端用于保护激光通道的射筒，所述激光器与激光输出头通过激光线路连接，经激光输出头输出的激光束光轴与射筒中心轴重合，所述射筒的末端设置有用于实现激光束传输至工作面的第一激光孔。

进一步地，所述激光射孔装置还包括用于保护光学系统维持干净光通道的同轴送气装置，所述同轴送气装置通过气体管路与射筒内部连通，经气体管路进入射筒内的气体流动方向与射筒中心轴平行。

进一步地，所述掘进装置包括传动连接的驱动组件和第一动作组件，所述第一动作组件设置至少一组，所述第一动作组件包括转筒、设置于转筒内部且与转筒固定连接的转轴、位于转筒末端的钻头，所述驱动组件包括驱动电机、主动齿轮和减速电机，所述减速电机上设有从动齿轮，所述从动齿轮套设于转轴的外围，所述主动齿轮位于电机的输出端且其与从动齿轮相啮合。

进一步地，所述激光射孔装置与掘进装置为一体式结构，所述射筒集成于转筒的内部，所述射筒内设置有与激光输出头连接的分束器，所述分束器将激光输出头输出的激光分为多个光束，所述第一激光孔对应各激光束设置多个，所述钻头上对应各第一激光孔设置第二激光孔，激光输出头发出激光经过第一激光孔和第二激光孔射向工作面。