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一种岩石开采用掘进装置

申请号 CN202210130069.0 申请日 2022-02-11 公开(公告)号 CN114658427A 公开(公告)日 2022-06-24
申请人 厦门理工学院; 发明人 叶金铋; 俞缙;
摘要 本 发明 涉及掘进设备技术领域,具体涉及一种 岩石 开采用掘进装置,包括剪扩钳、激光发生组件、冷质喷射组件、三维成像组件、处理器,所述处理器对待 破碎 岩石确认破碎路径预估,并寻找是否有合适豁口,若有,则执行破碎动作;若无,预设破碎豁口,则激光发生组件向破碎豁口处进行成型豁口;若成型豁口失败,则在激光发生组件工作后控制冷质喷射组件向其进行喷射冷质形成破碎豁口;破碎豁口成型后则执行破碎动作;本发明通过利用岩石的不规则形状,岩石的豁口呈U/V型,剪扩钳伸入其中,沿着预定破碎路径直接剪碎/撑碎部分突出的岩石,使得岩石按照预定的 角 度沿应 力 轨迹破裂,破碎成预设的形状,无需多次/大量减少破碎次数,进而提升工作效率。
权利要求

1.一种岩石开采用掘进装置,其特征在于,包括
剪扩钳;
激光发生组件,对待破碎岩石进行加热和/或射孔;
冷质喷射组件,喷射冷质和对激光发生组件提供冷却;
三维成像组件,对待破碎岩石进行三维成像,判断待破碎岩石大小;
处理器,对待破碎岩石确认破碎路径预估,并寻找是否有合适豁口,若有,则执行破碎动作;若无,预设破碎豁口,则激光发生组件向破碎豁口处进行加热或射孔,成型豁口;若成型豁口失败,则在激光发生组件向破碎豁口处进行加热或射孔后控制冷质喷射组件向豁口内进行加热或射孔处进行喷射冷质形成破碎豁口;破碎豁口成型后则执行破碎动作;
所述破碎动作包括:控制剪扩钳,伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎;若破碎失败,则激光发生组件向豁口内进行加热或射孔的同时剪扩钳伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎;若再次破碎失败,则激光发生组件向豁口内进行加热或射孔,剪扩钳伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎同时冷质喷射组件向豁口内进行加热或射孔处进行喷射冷质。
2.根据权利要求1所述的岩石开采用掘进装置,其特征在于,所述三维成像组件为红外扫描成像或超声三维成像中的一种。
3.根据权利要求1所述的岩石开采用掘进装置,其特征在于,还包括掘进主机和机械臂,所述机械臂包括底座和操作末端,所述底座转动连接在掘进主机上,所述剪扩钳、激光发生组件、冷质喷射组件、三维成像组件集成在操作末端上;
所述处理器控制掘进主机和机械臂的工作。
4.根据权利要求3所述的岩石开采用掘进装置,其特征在于,所述机械臂操作末端包括有平台;
所述剪扩钳包括液压系统、两个的连杆和两个对称设置的剪刀体,所述液压系统设置在平台内,所述液压系统包括液压柱;所述平台外表面上设置有两个的凸台;所述剪刀体上设置有旋转部,所述旋转部与凸台转动连接,所述连杆的一端与剪刀体转动连接,另一端与液压柱转动连接。
5.根据权利要求4所述的岩石开采用掘进装置,其特征在于,所述掘进主机内具有冷质源,所述冷质源为冷质喷射组件提供冷质;
所述冷质喷射组件包括喷头和管道,所述喷头设置在平台的侧边,所述喷头通过管道与冷质源连通,所述管道埋设在机械臂内。
6.根据权利要求5所述的岩石开采用掘进装置,其特征在于,所述喷头倾斜设置,所述喷头的中心沿线与两个的剪刀体中心沿线相交,所述相交点与剪刀体末端间隔8‑15cm。
7.根据权利要求4所述的岩石开采用掘进装置,其特征在于,所述剪刀体朝向另一剪刀体一侧的中部至平台之间开设有开槽;
所述激光发生组件包括激光头,所述激光头设置在两个所述剪刀体的开槽形成的空间内并连接在平台上。
8.根据权利要求4所述的岩石开采用掘进装置,其特征在于,所述剪刀体末端的外侧上设置有设置有锯齿形的凸起。
9.根据权利要求3所述的岩石开采用掘进装置,其特征在于,所述机械臂为万向机械臂。
10.根据权利要求1所述的岩石开采用掘进装置,其特征在于,所述冷质为20‑25℃的冷却

说明书全文

一种岩石开采用掘进装置

技术领域

[0001] 本发明涉及掘进设备技术领域,具体涉及一种岩石开采用掘进装置。

背景技术

[0002] 在地下岩石开采过程中或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。
[0003] 随着科技的进步和发展,很多破岩技术及装备应运而生,如射流、激光、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;利用水射流+激光,使得岩石热胀冷缩内部的拉应力急剧变化,导致岩石破碎,显著提高掘进效率;采用超声波,使岩石共振破碎,也能够显著提高效率。
[0004] 采用上述几种方法,理论上显著提升效率,只要破碎的满足掘进设备的输送要求的大小才能显著提升效率,但是岩石破碎后的形状无法控制,可能过大或过小,过大的话,由于无法满足掘进机传输岩石大小的要求,还是需要对破碎掉下的大岩石再次破碎到满足运输大小的要求后方可,只是减少了钻头的损耗,但是效率依然存在不稳定的因素;而过小的话,需要对原来的岩石进行再次破碎,仍然存在效率问题。
[0005] 且如果岩石过大,如果对整块岩石进行破碎,则是大大的浪费成本,因为只要取出路径上的阻挡部分即可,无需整块破碎,采用上述几种方法,无法控制破碎的部分大小。
[0006] 进一步的,持续的激光破碎需要大量的冷源进行冷却,但是掘进隧道的空间小,对于激光所需的大量冷源需要空间安装,导致掘进机体积增大。

发明内容

[0007] 本发明所要解决的技术问题是:提供一种能够控制岩石破碎大小与位置的岩石开采用掘进装置。
[0008] 为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
[0009] 一种岩石开采用掘进装置,包括
[0010] 剪扩钳;
[0011] 激光发生组件,对待破碎岩石进行加热和/或射孔;
[0012] 冷质喷射组件,喷射冷质和对激光发生组件提供冷却;
[0013] 三维成像组件,对待破碎岩石进行三维成像,判断待破碎岩石大小;
[0014] 处理器,对待破碎岩石确认破碎路径预估,并寻找是否有合适豁口,若有,则执行破碎动作;若无,预设破碎豁口,则激光发生组件向破碎豁口处进行加热或射孔,成型豁口;若成型豁口失败,则在激光发生组件向破碎豁口处进行加热或射孔后控制冷质喷射组件向豁口内进行加热或射孔处进行喷射冷质形成破碎豁口;破碎豁口成型后则执行破碎动作;
[0015] 所述破碎动作包括:控制剪扩钳,伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎;若破碎失败,则激光发生组件向豁口内进行加热或射孔的同时剪扩钳伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎;若再次破碎失败,则激光发生组件向豁口内进行加热或射孔,剪扩钳伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎同时冷质喷射组件向豁口内进行加热或射孔处进行喷射冷质。
[0016] 本发明的有益效果在于:通过利用岩石的不规则形状,岩石的豁口呈U/V型,剪扩钳伸入其中,沿着预定破碎路径直接剪碎/撑碎部分突出的岩石,直接满足掘进要求即可,亦或者向两侧撑开,加入预应力(向外的拉应力),类似传统的岩石开采的劈裂机,在劈裂机无法进入地下且进行掘进时,依然使得岩石按照预定的度沿应力轨迹破裂,破碎成预设的形状,无需多次/大量减少破碎次数,进而提升工作效率。附图说明
[0017] 图1为本发明具体实施方式的一种岩石开采用掘进装置的结构示意图;
[0018] 图2为图1的局部A示意图;
[0019] 图3为本发明具体实施方式的一种岩石开采用掘进装置的工作的示意图;
[0020] 标号说明:1、剪扩钳;11、液压系统;12、连杆;13、剪刀体;14、液压柱;15、凸起;2、激光发生组件;3、冷质喷射组件;4、三维成像组件;5、掘进主机;6、机械臂;7、中心沿线。

具体实施方式

[0021] 为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图予以说明。
[0022] 请参照图1至图3,一种岩石开采用掘进装置,包括
[0023] 剪扩钳1;
[0024] 激光发生组件2,对待破碎岩石进行加热和/或射孔;
[0025] 冷质喷射组件3,喷射冷质和对激光发生组件2提供冷却;
[0026] 三维成像组件4,对待破碎岩石进行三维成像,判断待破碎岩石大小;
[0027] 处理器,对待破碎岩石确认破碎路径预估,并寻找是否有合适豁口,若有,则执行破碎动作;若无,预设破碎豁口,则激光发生组件2向破碎豁口处进行加热或射孔,成型豁口;若成型豁口失败,则在激光发生组件2向破碎豁口处进行加热或射孔后控制冷质喷射组件3向豁口内进行加热或射孔处进行喷射冷质形成破碎豁口;破碎豁口成型后则执行破碎动作;
[0028] 所述破碎动作包括:控制剪扩钳1,伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎;若破碎失败,则激光发生组件2向豁口内进行加热或射孔的同时剪扩钳1伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎;若再次破碎失败,则激光发生组件2向豁口内进行加热或射孔,剪扩钳1伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎同时冷质喷射组件3向豁口内进行加热或射孔处进行喷射冷质。
[0029] 从上述描述可知:通过利用岩石的不规则形状,岩石的豁口呈U/V型,剪扩钳1伸入其中,沿着预定破碎路径直接剪碎/撑碎部分突出的岩石,直接满足掘进要求即可,亦或者向两侧撑开,加入预应力(向外的拉应力),类似传统的岩石开采的劈裂机,在劈裂机无法进入地下且进行掘进时,依然使得岩石按照预定的角度沿应力轨迹破裂,破碎成预设的形状,无需多次/大量减少破碎次数,进而提升工作效率。
[0030] 工作过程:通过激光发生组件2和/或冷质喷射组件3,能够独立的形成破碎豁口,方便进行执行破碎动作,也能够剪扩钳1配合;在激光加热与剪扩钳1配合时,激光造成冲击损伤和热损伤,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,同时剪扩钳1施加向外的拉应力,进而造成内外应力失衡而破裂,且岩石会沿着剪扩钳1施加的向外拉应力轨迹破裂;在激光加热、剪扩钳1配合、冷质喷射组件3三者配合时,激光造成热损伤,冷质喷射组件3向已经造成热损伤的地方喷射冷质,突然的冷缩导致岩石产生向内的拉应力剧烈增大,且同时剪扩钳1施加向外的拉应力,内外的应力相互作用,导致岩石结构崩溃碎裂,且岩石会沿着剪扩钳1施加的向外拉应力轨迹破裂;三者相互配合,使得结构上无需一个组件承担破碎工作,大大降低工作负担,使得三者的结构都可以简化,无需复杂的系统位置装置的持续工作,尤其是激光发生组件2,因为工作时间短,无需大量的冷质和复杂的供电,而冷质和剪扩钳1均为小体积组件,大大简化了装置。
[0031] 进一步的,所述三维成像组件4为红外扫描成像或超声三维成像中的一种。
[0032] 进一步的,还包括掘进主机5和机械臂6,所述机械臂6包括底座和操作末端,所述底座转动连接在掘进主机5上,所述剪扩钳1、激光发生组件2、冷质喷射组件3、三维成像组件4集成在操作末端上;
[0033] 所述处理器控制掘进主机5和机械臂6的工作。
[0034] 进一步的,所述机械臂6操作末端包括有平台;
[0035] 所述剪扩钳1包括液压系统11、两个的连杆12和两个对称设置的剪刀体13,所述液压系统11设置在平台内,所述液压系统11包括液压柱14;所述平台外表面上设置有两个的凸台;所述剪刀体13上设置有旋转部,所述旋转部与凸台转动连接,所述连杆12的一端与剪刀体13转动连接,另一端与液压柱14转动连接。
[0036] 进一步的,所述掘进主机5内具有冷质源,所述冷质源为冷质喷射组件3提供冷质;
[0037] 所述冷质喷射组件3包括喷头和管道,所述喷头设置在平台的侧边,所述喷头通过管道与冷质源连通,所述管道埋设在机械臂6内。
[0038] 从上述描述可知:通过将管道埋设在平台内,防止掉落物砸破管道,影响效率。
[0039] 进一步的,所述喷头倾斜设置,所述喷头的中心沿线7与两个的剪刀体13中心沿线7相交,所述相交点与剪刀体13末端间隔8‑15cm。
[0040] 从上述描述可知:通过所述喷头的中心沿线7与两个的剪刀体13中心沿线7相交,所述相交点与剪刀体13末端间隔8‑15cm,能够保证在工作时,喷射的冷质不会影响激光的工作,一般的豁口深度为12cm较为合适,太浅则需要加深豁口,太深的话,剪扩钳1直接撑开,若石头过大,则需要多次破碎,与豁口的大小关系就不大了。
[0041] 进一步的,所述剪刀体13朝向另一剪刀体13一侧的中部至平台之间开设有开槽;
[0042] 所述激光发生组件2包括激光头,所述激光头设置在两个所述剪刀体13的开槽形成的空间内并连接在平台上。
[0043] 从上述描述可知:通过剪刀体13开槽作为激光头的容纳空间,能够通过剪刀体13作为防护,避免落石等物体砸坏激光头。
[0044] 进一步的,所述剪刀体13末端的外侧上设置有设置有锯齿形的凸起15。
[0045] 从上述描述可知:通过锯齿形的凸起15,能够增大摩擦力,减少或者避免剪扩钳1的脱开。
[0046] 进一步的,所述机械臂6为万向机械臂6。
[0047] 进一步的,所述冷质为20‑25℃的冷却水
[0048] 从上述描述可知:由于本申请的激光发生装置的工作时间短,因此对于冷却的需要不高,20‑25℃的冷却水即可满足,且该温度的冷却水无需过多的复杂设备进行保存才能使用,成本低。
[0049] 实施例
[0050] 一种岩石开采用掘进装置,包括
[0051] 剪扩钳;
[0052] 激光发生组件,对待破碎岩石进行加热和/或射孔;
[0053] 冷质喷射组件,喷射冷质和对激光发生组件提供冷却;
[0054] 三维成像组件,对待破碎岩石进行三维成像,判断待破碎岩石大小;
[0055] 处理器,对待破碎岩石确认破碎路径预估,并寻找是否有合适豁口,若有,则执行破碎动作;若无,预设破碎豁口,则激光发生组件向破碎豁口处进行加热或射孔,成型豁口;若成型豁口失败,则在激光发生组件向破碎豁口处进行加热或射孔后控制冷质喷射组件向豁口内进行加热或射孔处进行喷射冷质形成破碎豁口;破碎豁口成型后则执行破碎动作;
[0056] 所述破碎动作包括:控制剪扩钳,伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎;若破碎失败,则激光发生组件向豁口内进行加热或射孔的同时剪扩钳伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎;若再次破碎失败,则激光发生组件向豁口内进行加热或射孔,剪扩钳伸入豁口内对待破碎岩石进行剪切或者扩张破碎同时冷质喷射组件向豁口内进行加热或射孔处进行喷射冷质。
[0057] 所述三维成像组件为红外扫描成像。
[0058] 所述岩石开采用掘进装置还包括掘进主机和机械臂,所述机械臂包括底座和操作末端,所述底座转动连接在掘进主机上,所述剪扩钳、激光发生组件、冷质喷射组件、三维成像组件集成在操作末端上;
[0059] 所述处理器控制掘进主机和机械臂的工作。
[0060] 所述机械臂操作末端包括有平台;
[0061] 所述剪扩钳包括液压系统、两个的连杆和两个对称设置的剪刀体,所述液压系统设置在平台内,所述液压系统包括液压柱;所述平台外表面上设置有两个的凸台;所述剪刀体上设置有旋转部,所述旋转部与凸台转动连接,所述连杆的一端与剪刀体转动连接,另一端与液压柱转动连接。
[0062] 所述掘进主机内具有冷质源,所述冷质源为冷质喷射组件提供冷质;
[0063] 所述冷质喷射组件包括喷头和管道,所述喷头设置在平台的侧边,所述喷头通过管道与冷质源连通,所述管道埋设在机械臂内。
[0064] 所述喷头倾斜设置,所述喷头的中心沿线与两个的剪刀体中心沿线相交,所述相交点与剪刀体末端间隔8‑15cm。
[0065] 所述剪刀体朝向另一剪刀体一侧的中部至平台之间开设有开槽;
[0066] 所述激光发生组件包括激光头,所述激光头设置在两个所述剪刀体的开槽形成的空间内并连接在平台上。
[0067] 所述剪刀体末端的外侧上设置有设置有锯齿形的凸起。
[0068] 所述机械臂为万向机械臂。
[0069] 所述冷质为20‑25℃的冷却水。
[0070] 实施例二
[0071] 一种岩石开采用掘进装置,与实施例一相同之处不再赘述,其中所述三维成像组件为超声三维成像。
[0072] 所述冷质可以根据需要进行替换为液氮。
[0073] 以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换,或直接或间接运用在相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。