三向加载三维相似模拟试验开挖系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三向加载三维相似模拟试验开挖系统及方法，该系统包括控制系统、开挖装置、支护系统和排渣系统；开挖装置设有包括切割刀盘且往返移动的开挖头，开挖机架两端设有检测开挖头位置用的位置检测装置；支护系统连接在开挖系统的后端，支护系统由多个呈并列的支护单元组成，支护单元设有竖向顶升结构和水平推拉结构，以用于形成支护单元的临时固定和开挖系统推移；排渣系统用于通过负压吸附方式将渣土排出工作面。开挖方法基于开挖系统实施动力开挖。本发明专利技术的有益效果是，开挖系统结构简单，且可方便、可靠运用于模拟系统；开挖方法为研究三向加载条件下覆岩应力分布等动态变化等过程提供了便利；同时为模拟研究巷道布置及支护提供了可行的解决方法。

【技术实现步骤摘要】
三向加载三维相似模拟试验开挖系统及方法
本专利技术涉及一种矿岩模拟开挖技术，特别是涉及一种三向加载三维相似模拟试验开挖系统及开挖方法。
技术介绍
相似模拟试验是以相似理论、因次分析为理论依据的实验室研究方法，可有效解决地下空间开发活动中矿山压力、围岩变形与移动规律、覆岩破断等研究课题。以其实验效果直观的优点而广泛应用于水利、采矿、铁路等部门。尽管相似模拟实验在工程研究领的应用越来越广泛，然而，在众多矿山压力、覆岩移动破断规律方面的模拟试验多集中在平面模型，这与现场岩层所处的三向应力状态有一定差异。矿层开采过程中，上覆岩层的破断及其应力分布是一个动态变化的过程，随着工作面的推进，工作面前方发生应力重新分布。在此过程中，围岩产生变形、移动、破坏，覆岩峰值应力也会随工作面推进向前转移，直至达到新的应力平衡。随着社会的发展及科技的进步，人类对地下空间的开发利用需求越来越大，然而，地下空间开发过程较地面建造更加复杂，受地质条件影响大。因此，有必要借助三维相似模拟试验研究和发展针对巷道快速掘进与支护技术。现有的三维相似模拟试验系统在一定程度上促进了地下开挖工程的研究，但仍然存在不足之处，最主要的缺点就是不能在试验过程中对矿层进行大面积的机械化、可视化开采。例如，专利“ZL201210376520.3三向加载大型三维相似模拟试验系统”公开了一种三向加载大型三维相似模拟试验系统，可实现三向不等压加载，同时可以进行如矿山采场、水电硐室、岩盐储气库等大尺度空间开挖模拟试验。该试验装备的研制已取得一定突破，然而，为实现试验过程中实时、可视化机械开挖就需要一种与之相适应的开挖系统及方法。因此本领域技术人员致力于开发一种可实现三向应力状态下矿层实时机械化开挖系统及方法，使模拟试验结果更可靠。
技术实现思路
本专利技术的第一目的就是针对现有技术的不足，提供一种三向加载三维相似模拟试验开挖系统，该系统通过控制系统、开挖装置、支护系统和排渣系统的合理布局和安排，可方便、可靠的应用于三向加载条件下地下空间模拟开挖试验，以使试验过程及效果直观、更接近于机械化开采的现场实际。为研究三向加载条件下覆岩应力分布、破断、采场围岩随采场推进过程中应力的动态变化及围岩支护技术等过程提供了便利。本专利技术的第二目的是提供一种三向加载条件下大型三维相似模拟开挖方法，本方法利用实现第一目的的系统进行，在实验室内实现模拟试件的大空间开挖，极大的改进了模拟开挖试验效果。进一步通过对试件中巷道和初采工作面区域上覆岩层的稳定性增强措施，确保模拟开挖试验顺利进行。为实现第一目的，本专利技术采用如下技术方案。一种三向加载三维相似模拟试验开挖系统，用于在三向加载条件下对大型三维相似模拟试验箱内的试样进行机械式开挖，包括由控制系统进行控制的开挖装置、支护系统和排渣系统；所述开挖装置通过长条形开挖机架设有可往返移动的开挖头，开挖头设有用于对试样形成旋转切割的切割刀盘，切割刀盘悬伸在开挖机架前端，切割刀盘的下母线位于开挖机架的底平面内，切割刀盘的上母线不低于开挖机架的顶面，开挖机架两端设有检测开挖头位置用的位置检测装置；所述控制系统通过所述位置检测装置获得开挖头的位置信号；所述支护系统连接在所述开挖系统的后端，支护系统由多个呈并列设置的支护单元组成，支护单元设有竖向顶升结构和水平推拉结构，竖向顶升结构用于形成支护单元的临时固定，水平推拉结构用于推移所述开挖系统，以及形成支护单元随所述开挖系统的跟进；所述排渣系统用于通过负压吸附方式将开挖过程中形成的渣土排出工作面。采用前述技术方案的本专利技术的本开挖系统，设置于试验箱内模拟试件的初采工作面内，开挖头对模拟岩层进行沿工作面长度方向的移动式切割，适用于在三向加载试验条件下的模拟开采，以获得三向加载条件下模拟开采的试验数据，在本系统上设置摄像头即可方便的实现可视化的机械化开挖。使用时，只需对现有实现三向加载试验系统的试验箱进行相应改装后即可。其结构简单，使用方便。在切割过程中，切割刀盘一次进刀形成切割进程完成工作面岩壁整个高度方向的切割，岩壁切割后的底面形成初采工作面底面的延伸，顶面形成工作面顶面的延伸，开挖系统顶面位于工作面顶面下方，以确保开挖系统的顺利推进。在开挖过程中，系统通过位置检测装置和控制系统实现开挖头的极限位置和往返控制，并通过排渣系统将开挖过程中形成的渣土排出试验箱。支护系统由多个呈并列设置的支护单元组成，支护单元的竖向顶升结构用于形成支护单元的临时固定，支护单元的水平推拉结构用于推移开挖装置，以及形成支护单元随开挖装置的跟进。在推移开挖装置过程中，多个支护单元同时形成临时固定；在支护单元的跟进过程中，控制系统可按两种方式对支护单元进行控制，一是在开挖系统自身依靠摩擦阻力而不产生位置移动的条件下，所有支护单元同时跟进，以获得较高的开挖效率；另一种是为确保跟进时开挖装置位置稳定，由一部分支护单元保持临时固定状态，另一部分跟进开挖装置，然后，再由已跟进的支护单元形成临时固定，完成剩余部分的支护单元跟进；最后，所有支护单元形成临时固定后，再进行下一个循环的开挖。应用本系统模拟开挖的开挖过程如下：首先，将切割刀盘位于开挖机架机头端的起始位置，将本系统中开挖装置和支护系统，以及排渣系统的一部分布设在初采工作面内，且开挖装置的两端分别位于初采工作面两端的巷道内，并调整至适当位置，以使开挖机架与工作面内的模拟岩层的待开挖壁平行，尽量在第一次切割过程中能够切割下一定厚度的模拟岩体。然后，通过控制系统启动支护系统的竖向顶升结构，利用工作面的顶板和底板形成支护系统的临时固定。再启动开挖装置和排渣系统，开挖装置通过切割刀盘对试样进行旋转切割式模拟开采，切割形成的渣土通过排渣系统自动排出。在完成一次切割行程，切割刀盘位于开挖机架的机尾端后，切割刀盘在位置检测装置和控制系统作用下返回起始位置。然后，支护系统推动开挖系统向工作面推进方向推移一个步距，形成切割刀盘下一次的切割深度；之后，竖向顶升结构解除临时固定状态，通过水平推拉结构使支护系统随开挖装置跟进一个步距的行程，再通过竖向顶升结构使支护系统形成再次的临时固定，进而进入下一次开挖循环，直至开挖完成。优选的，所述开挖头与开挖机架通过二者之间设有的导轨副连接，开挖头与开挖机架之间设有用于驱动开挖头往返移动的开挖头驱动装置。开挖机架通过导轨副形成对开挖头的支撑和运行轨迹的控制，并由开挖驱动装置驱动开挖头往返移动。驱动装置的传动部分包括齿轮齿条传动结构、链传动结构、丝杠螺母传动结构、曲柄滑块结构、活塞缸结构等，其结构形式多，可选择的范围大。鉴于试验箱内的空间制约，宜齿轮齿条传动结构、链传动结构。进一步优选的，所述开挖机架的断面呈具有水平开口的矩形框架结构；所述开挖头通过开挖电机座设有开挖电机，开挖电机用于驱动所述切割刀盘转动，开挖电机座设在所述开挖机架的框架内；所述开挖头驱动装置设在开挖机架与开挖电机座之间。以使开挖头设在开挖机架高度方向的中部，且大部分隐蔽在开挖机架内部，从而显著提高开挖装置的整体刚度和强度，使用寿命长。同时，矩形框架的上方水平边可形成对开挖头主机部分的遮蔽和保护，可有效避免顶板发生意外塌陷时对开挖头主机部分造成的损伤。进一步优选的，所述开挖头驱动装置包括驱动电机，驱动电机与所述开挖头形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三向加载三维相似模拟试验开挖系统，用于在三向加载条件下对大型三维相似模拟试验箱内的试件进行机械式开挖，其特征在于，包括由控制系统进行控制的开挖装置(100)、支护系统(200)和排渣系统(300)；所述开挖装置(100)通过长条形开挖机架(110)设有可往返移动的开挖头(120)，开挖头(120)设有用于对试件形成旋转切割的切割刀盘(121)，切割刀盘(121)悬伸在开挖机架(110)前端，切割刀盘(121)的下母线位于开挖机架(110)的底平面内，切割刀盘(121)的上母线不低于开挖机架(110)的顶面，开挖机架(110)两端设有检测开挖头(120)位置用的位置检测装置；所述控制系统通过所述位置检测装置获得开挖头(120)的位置信号；所述支护系统(200)连接在所述开挖装置(100)的后端，支护系统(200)由多个呈并列设置的支护单元(210)组成，支护单元(210)设有竖向顶升结构和水平推拉结构，竖向顶升结构用于形成支护单元(210)的临时固定，水平推拉结构用于推移所述开挖装置(100)，以及形成支护单元(210)随所述开挖装置(100)的跟进；所述排渣系统(300)用于通过负压吸附方式将开挖过程中形成的渣土排出工作面。...

【技术特征摘要】
1.一种三向加载三维相似模拟试验开挖系统，用于在三向加载条件下对大型三维相似模拟试验箱内的试件进行机械式开挖，其特征在于，包括由控制系统进行控制的开挖装置(100)、支护系统(200)和排渣系统(300)；所述开挖装置(100)通过长条形开挖机架(110)设有可往返移动的开挖头(120)，开挖头(120)设有用于对试件形成旋转切割的切割刀盘(121)，切割刀盘(121)悬伸在开挖机架(110)前端，切割刀盘(121)的下母线位于开挖机架(110)的底平面内，切割刀盘(121)的上母线不低于开挖机架(110)的顶面，开挖机架(110)两端设有检测开挖头(120)位置用的位置检测装置；所述控制系统通过所述位置检测装置获得开挖头(120)的位置信号；所述支护系统(200)连接在所述开挖装置(100)的后端，支护系统(200)由多个呈并列设置的支护单元(210)组成，支护单元(210)设有竖向顶升结构和水平推拉结构，竖向顶升结构用于形成支护单元(210)的临时固定，水平推拉结构用于推移所述开挖装置(100)，以及形成支护单元(210)随所述开挖装置(100)的跟进；所述排渣系统(300)用于通过负压吸附方式将开挖过程中形成的渣土排出工作面。2.根据权利要求1所述的三向加载三维相似模拟试验开挖系统，其特征在于，所述开挖头(120)与开挖机架(110)通过二者之间设有的导轨副连接，开挖头(120)与开挖机架(110)之间设有用于驱动开挖头(120)往返移动的开挖头驱动装置。3.根据权利要求2所述的三向加载三维相似模拟试验开挖系统，其特征在于，所述开挖机架(110)的断面呈具有水平开口的矩形框架结构；所述开挖头(120)通过开挖电机座(122)设有开挖电机(123)，开挖电机(123)用于驱动所述切割刀盘(121)转动，开挖电机座(122)设在所述开挖机架(110)的框架内；所述开挖头驱动装置设在开挖机架(110)与开挖电机座(122)之间。4.根据权利要求2所述的三向加载三维相似模拟试验开挖系统，其特征在于，所述开挖头驱动装置包括驱动电机(124)，驱动电机(124)与所述开挖头(120)形成固定连接，驱动电机(124)的输出轴上连接有驱动齿轮或驱动链轮(125)，驱动齿轮啮合有齿条，或者驱动链轮(125)啮合有链条(126)，链条(126)固定连接在所述开挖机架...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹光志，尚德磊，鲁俊，张东明，许江，王维忠，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50