一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置及方法，包括岩石应力模拟装置和激光掘进装置，选择与所需模拟的地下岩层相同性质的岩石体，然后将岩石体放置在岩石应力模拟装置内对岩石体施加应力，模拟地下岩层的实际应力情况；然后通过激光掘进装置对岩石体进行模拟隧道掘进工作，在掘进过程中，各个应力传感器实时将检测的应力值传递给计算机，最终计算机根据各个应力传感器检测的应力变化数据，得出隧道掘进过程中岩石体的应力分布及变化情况，工作人员根据得出的应力分布及变化情况确定所需支护方案，最终为实际采用激光破岩技术进行掘进过程中的支护工作提供数据支撑；另外其无室内环境污染，是一种绿色、环境友好型的实验装置。

An experimental device and method for simulating laser tunneling of underground rock

【技术实现步骤摘要】
一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置及方法
本专利技术涉及一种实验装置及方法，具体是一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置及方法。
技术介绍
由于我国浅层煤炭资源的殆尽，向深部开采的煤矿越来越多。另外随着我国向西部发展的战略行进，高铁、川藏铁路的隧道工程在高海拔工作所面临的挑战也越来越严峻。由于岩石的坚硬程度大、工作环境的恶劣，这些工程在掘进过程中都存在很多局限，存在的工程危险也比较多。深部围岩的掘进不仅在于开挖难度大，温度和地下压强也随掘进深度而逐渐升高，浅层掘进工程受到很大局限，尤其西部高原的掘进面对的是常年冻土形成的围岩，在掘进和支护工程中都面临着不可预测的问题。通过实验室人为控制条件下进行复杂工况的地下岩石工程开挖、掘进模拟，是研究地下工程高效、安全掘进与支护的重要途径。因此，研究一种破岩能力强、安全可靠的地下工程掘进物理模型实验装置具有重要的现实意义。随着高能激光破岩技术的发展，使之能够运用到上述深部围岩掘进工程中能够极大的改进工程质量。激光破岩技术是一种非机械接触式的物理破岩方法，利用激光器发射高能激光辐射岩石表面，光能转化为热能向岩石内部传递，岩石在热力作用下发生破裂，在巷道掘进、隧道工程中的有巨大的应用潜力。目前的激光破岩技术主要以辅助方式，配合TBM(全断面硬岩隧道掘进机)进行掘进工作。然而，目前地下工程掘进室内模拟主要是为了研究TBM的掘进情况，并且普遍存在以下不足：一是自动化程度不高，仍然需要人工配合，恶劣的工作环境无法得到有效的应对，掘进效率低下；二是机械庞大，在工作前后不易拆分和组装，掘进过程中对围岩的震动影响大，噪声污染、粉尘污染严重；三是无法研究围岩应力的变化，对掘进后支护工作无法给出意见，围岩变形的研究难以进行，不利于数据的分析研究；目前还没有一种为激光破岩进行掘进室内模拟的装置，使其不仅能模拟所需的地下围岩的应力情况，并且能对激光破岩过程中地下围岩的变化情况进行实时监测，最终为采用激光破岩技术进行掘进过程中的支护工作提供数据支撑。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置及方法，不仅能模拟所需的地下围岩的应力情况，并且能对激光破岩过程中地下围岩的应力分布及变化情况进行实时监测，最终为实际采用激光破岩技术进行掘进过程中的支护工作提供数据支撑。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置，包括岩石应力模拟装置和激光掘进装置，所述岩石应力模拟装置包括实验平台、左挡板、右挡板、顶梁板、左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板，左挡板和右挡板分别垂直固定在实验平台两侧，顶梁板两端分别与左挡板顶部和右挡板顶部固定连接，左应力承载板和右应力承载板放置在左挡板和右挡板之间的实验平台上，左应力承载板底部、右应力承载板底部和实验平台表面均为光滑面；左应力承载板通过多个应力加载油缸与左挡板连接、且左应力承载板与左挡板平行；右应力承载板通过多个应力加载油缸与右挡板连接、且右应力承载板与右挡板平行；顶部应力承载板平行设置在左应力承载板和右应力承载板之间的实验平台正上方、且通过多个应力加载油缸与顶梁板下部连接；左应力承载板、右应力承载板、顶部应力承载板和实验平台围成模拟岩石放置空间；在左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板分别与各个应力加载油缸的连接处均设有一个应力传感器；所述激光掘进装置包括激光激励装置、推进器、横移及升降装置、掘进头、真空吸碴机；所述掘进头包括轮转机构、激光头、电震锤、吸碴头和摄像头，轮转机构包括固定轴和旋转圆盘，旋转圆盘装在固定轴上、且能相对固定轴转动，电震锤、吸碴头和摄像头装在固定轴一端，激光头装在旋转圆盘上、且激光头的朝向与摄像头的朝向相同；激光头通过线路与激光激励装置连接，吸碴头通过管路与真空吸碴机连接；摄像头、各个应力加载油缸和各个应力传感器均与计算机连接；所述推进器装在横移及升降装置上，推进器包括一级推进外框、二级推进外框、三级推进外框、四级推进外框、一级驱动装置、二级驱动装置、三级驱动装置、拉力线和卷线机，一级推进外框、二级推进外框、三级推进外框和四级推进外框由内向外依次嵌套，一级推进外框的伸出端与固定轴另一端连接，一级驱动装置、二级驱动装置和三级驱动装置分别放置在一级推进外框、二级推进外框和三级推进外框内，卷线机固定在四级推进外框外侧；所述一级驱动装置包括动滑轮Ⅰ和弹簧固定座Ⅰ，动滑轮Ⅰ装在弹簧固定座Ⅰ一端，弹簧固定座Ⅰ另一端与一级推进外框内壁固定连接，所述二级驱动装置包括定向滑轮Ⅰ、动滑轮Ⅱ和弹簧固定座Ⅱ，动滑轮Ⅱ装在弹簧固定座Ⅱ一端，弹簧固定座Ⅱ另一端与二级推进外框内壁固定连接，定向滑轮Ⅰ装在二级推进外框内壁上，所述三级驱动装置包括定向滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅲ、动滑轮Ⅲ和弹簧固定座Ⅲ，动滑轮Ⅲ装在弹簧固定座Ⅲ一端，弹簧固定座Ⅲ另一端与三级推进外框内壁固定连接，定向滑轮Ⅱ和定向滑轮Ⅲ并排装在三级推进外框内壁上，拉力线一端与一级推进外框内壁固定连接，拉力线另一端依次经过动滑轮Ⅰ、定向滑轮Ⅰ、动滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅲ、动滑轮Ⅲ后缠绕在卷线机上；所述激光激励装置设有启动键和档位调节键。进一步，所述顶部应力承载板包括一级承载板和二级承载板，一级承载板侧部开设凹槽，二级承载板装在凹槽内、且能从凹槽内伸出。采用这种结构能适应不同宽度的岩石体，如需要对较宽的岩石体进行顶部应力加载时，则将二级承载板从一级承载板的凹槽内伸出，从而实现对岩石体的应力加载；如需对较窄的岩石体进行顶部应力加载时，则将二级承载板缩回到凹槽内，从而实现对岩石体的应力加载。一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置的实验方法，具体步骤为：步骤一：确定所需模拟的地下岩层的岩石性质，然后选择相同性质的岩石体放置在模拟岩石放置空间内，且使左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板分别与岩石体的左部、右部和顶部接触；步骤二：根据已探测得出的该地下岩层的应力分布情况，通过计算机控制各个应力加载油缸分别对左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板施加应力加载，进而左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板对岩石体施加模拟应力加载；各个应力加载油缸上的应力传感器实时将检测的压力值传递给计算机，达到所需的模拟应力加载时计算机控制各个应力加载油缸保持各自的应力加载值，完成模拟地下岩层应力分布情况；步骤三：将推进器先处于完全缩回状态，此时卷线机使拉力线处于最大拉力值，一级推进外框处于二级推进外框内，二级推进外框处于三级推进外框内，三级推进外框处于四级推进外框内，且弹簧固定座Ⅰ、弹簧固定座Ⅱ和弹簧固定座Ⅲ均处于最大压缩量；在岩石体上设定起始点及掘进隧道的截面形状，控制横移及升降装置的升降及横移和旋转圆盘的旋转将掘进头靠近岩石体，并通过摄像头观察掘进头移动情况使激光头对准起始点，完成掘进头对准过程；步骤四：通过启动键开启激光激励装置，并根据岩石体的强度控制档位调节键调节激光的强度，激光从激光头发出到达起始点，对该处的岩石进行致裂；然后根据掘进隧道的截面形状，实时调整本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置，其特征在于，包括岩石应力模拟装置和激光掘进装置，/n所述岩石应力模拟装置包括实验平台、左挡板、右挡板、顶梁板、左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板，左挡板和右挡板分别垂直固定在实验平台两侧，顶梁板两端分别与左挡板顶部和右挡板顶部固定连接，左应力承载板和右应力承载板放置在左挡板和右挡板之间的实验平台上，左应力承载板底部、右应力承载板底部和实验平台表面均为光滑面；左应力承载板通过多个应力加载油缸与左挡板连接、且左应力承载板与左挡板平行；右应力承载板通过多个应力加载油缸与右挡板连接、且右应力承载板与右挡板平行；顶部应力承载板平行设置在左应力承载板和右应力承载板之间的实验平台正上方、且通过多个应力加载油缸与顶梁板下部连接；左应力承载板、右应力承载板、顶部应力承载板和实验平台围成模拟岩石放置空间；在左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板分别与各个应力加载油缸的连接处均设有一个应力传感器；/n所述激光掘进装置包括激光激励装置、推进器、横移及升降装置、掘进头、真空吸碴机；/n所述掘进头包括轮转机构、激光头、电震锤、吸碴头和摄像头，轮转机构包括固定轴和旋转圆盘，旋转圆盘装在固定轴上、且能相对固定轴转动，电震锤、吸碴头和摄像头装在固定轴一端，激光头装在旋转圆盘上、且激光头的朝向与摄像头的朝向相同；激光头通过线路与激光激励装置连接，吸碴头通过管路与真空吸碴机连接；摄像头、各个应力加载油缸和各个应力传感器均与计算机连接；/n所述推进器装在横移及升降装置上，推进器包括一级推进外框、二级推进外框、三级推进外框、四级推进外框、一级驱动装置、二级驱动装置、三级驱动装置、拉力线和卷线机，一级推进外框、二级推进外框、三级推进外框和四级推进外框由内向外依次嵌套，一级推进外框的伸出端与固定轴另一端连接，一级驱动装置、二级驱动装置和三级驱动装置分别放置在一级推进外框、二级推进外框和三级推进外框内，卷线机固定在四级推进外框外侧；所述一级驱动装置包括动滑轮Ⅰ和弹簧固定座Ⅰ，动滑轮Ⅰ装在弹簧固定座Ⅰ一端，弹簧固定座Ⅰ另一端与一级推进外框内壁固定连接，所述二级驱动装置包括定向滑轮Ⅰ、动滑轮Ⅱ和弹簧固定座Ⅱ，动滑轮Ⅱ装在弹簧固定座Ⅱ一端，弹簧固定座Ⅱ另一端与二级推进外框内壁固定连接，定向滑轮Ⅰ装在二级推进外框内壁上，所述三级驱动装置包括定向滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅲ、动滑轮Ⅲ和弹簧固定座Ⅲ，动滑轮Ⅲ装在弹簧固定座Ⅲ一端，弹簧固定座Ⅲ另一端与三级推进外框内壁固定连接，定向滑轮Ⅱ和定向滑轮Ⅲ并排装在三级推进外框内壁上，拉力线一端与一级推进外框内壁固定连接，拉力线另一端依次经过动滑轮Ⅰ、定向滑轮Ⅰ、动滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅲ、动滑轮Ⅲ后缠绕在卷线机上；/n所述激光激励装置设有启动键和档位调节键。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置，其特征在于，包括岩石应力模拟装置和激光掘进装置，
所述岩石应力模拟装置包括实验平台、左挡板、右挡板、顶梁板、左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板，左挡板和右挡板分别垂直固定在实验平台两侧，顶梁板两端分别与左挡板顶部和右挡板顶部固定连接，左应力承载板和右应力承载板放置在左挡板和右挡板之间的实验平台上，左应力承载板底部、右应力承载板底部和实验平台表面均为光滑面；左应力承载板通过多个应力加载油缸与左挡板连接、且左应力承载板与左挡板平行；右应力承载板通过多个应力加载油缸与右挡板连接、且右应力承载板与右挡板平行；顶部应力承载板平行设置在左应力承载板和右应力承载板之间的实验平台正上方、且通过多个应力加载油缸与顶梁板下部连接；左应力承载板、右应力承载板、顶部应力承载板和实验平台围成模拟岩石放置空间；在左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板分别与各个应力加载油缸的连接处均设有一个应力传感器；
所述激光掘进装置包括激光激励装置、推进器、横移及升降装置、掘进头、真空吸碴机；
所述掘进头包括轮转机构、激光头、电震锤、吸碴头和摄像头，轮转机构包括固定轴和旋转圆盘，旋转圆盘装在固定轴上、且能相对固定轴转动，电震锤、吸碴头和摄像头装在固定轴一端，激光头装在旋转圆盘上、且激光头的朝向与摄像头的朝向相同；激光头通过线路与激光激励装置连接，吸碴头通过管路与真空吸碴机连接；摄像头、各个应力加载油缸和各个应力传感器均与计算机连接；
所述推进器装在横移及升降装置上，推进器包括一级推进外框、二级推进外框、三级推进外框、四级推进外框、一级驱动装置、二级驱动装置、三级驱动装置、拉力线和卷线机，一级推进外框、二级推进外框、三级推进外框和四级推进外框由内向外依次嵌套，一级推进外框的伸出端与固定轴另一端连接，一级驱动装置、二级驱动装置和三级驱动装置分别放置在一级推进外框、二级推进外框和三级推进外框内，卷线机固定在四级推进外框外侧；所述一级驱动装置包括动滑轮Ⅰ和弹簧固定座Ⅰ，动滑轮Ⅰ装在弹簧固定座Ⅰ一端，弹簧固定座Ⅰ另一端与一级推进外框内壁固定连接，所述二级驱动装置包括定向滑轮Ⅰ、动滑轮Ⅱ和弹簧固定座Ⅱ，动滑轮Ⅱ装在弹簧固定座Ⅱ一端，弹簧固定座Ⅱ另一端与二级推进外框内壁固定连接，定向滑轮Ⅰ装在二级推进外框内壁上，所述三级驱动装置包括定向滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅲ、动滑轮Ⅲ和弹簧固定座Ⅲ，动滑轮Ⅲ装在弹簧固定座Ⅲ一端，弹簧固定座Ⅲ另一端与三级推进外框内壁固定连接，定向滑轮Ⅱ和定向滑轮Ⅲ并排装在三级推进外框内壁上，拉力线一端与一级推进外框内壁固定连接，拉力线另一端依次经过动滑轮Ⅰ、定向滑轮Ⅰ、动滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅲ、动滑轮Ⅲ后缠绕在卷线机上；
所述激光激励装置设有启动键和档位调节键。


2.根据权利要求1所述的一种用于模拟地下...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁越，尚玺，秦坚，朱永建，王卫军，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43