本發(fā)明涉及一種礦巖模擬開挖技術(shù)，特別是涉及一種三向加載三維相似模擬試驗(yàn)開挖系統(tǒng)用開挖裝置。

背景技術(shù)：

相似模擬試驗(yàn)是以相似理論、因次分析為理論依據(jù)的實(shí)驗(yàn)室研究方法，可有效解決地下空間開發(fā)活動(dòng)中礦山壓力、圍巖變形與移動(dòng)規(guī)律、覆巖破斷等研究課題。以其實(shí)驗(yàn)效果直觀的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于水利、采礦、鐵路等部門。盡管相似模擬實(shí)驗(yàn)在工程研究領(lǐng)的應(yīng)用廣泛，然而，在眾多礦山壓力、覆巖移動(dòng)破斷規(guī)律方面的模擬試驗(yàn)多集中在平面模型，這與現(xiàn)場(chǎng)巖層所處的三向應(yīng)力狀態(tài)有一定差異。

礦層開采過程中，上覆巖層的破斷及其應(yīng)力分布是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，隨著工作面的推進(jìn)，工作面前方發(fā)生應(yīng)力重新分布。在此過程中，圍巖產(chǎn)生變形、移動(dòng)、破壞，覆巖峰值應(yīng)力也會(huì)隨工作面推進(jìn)向前轉(zhuǎn)移，直至達(dá)到新的應(yīng)力平衡。隨著社會(huì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步，人類對(duì)地下空間的開發(fā)利用需求越來越大，然而，地下空間開發(fā)過程較地面建造更加復(fù)雜，受地質(zhì)條件影響大。因此，有必要借助三維相似模擬試驗(yàn)研究和發(fā)展針對(duì)巷道快速掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)。

現(xiàn)有的三維相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)在一定程度上促進(jìn)了地下開挖工程的研究，但仍然存在不足之處，最主要的缺點(diǎn)就是不能在試驗(yàn)過程中對(duì)礦層進(jìn)行大面積的機(jī)械化、可視化開采。例如，專利“ZL 201210376520.3三向加載大型三維相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”公開了一種三向加載大型三維相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)三向不等壓加載，同時(shí)可以進(jìn)行如礦山采場(chǎng)、水電硐室、巖鹽儲(chǔ)氣庫等大尺度空間開挖模擬試驗(yàn)。該試驗(yàn)裝備的研制已取得一定突破，然而，為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)、可視化空間的機(jī)械化開挖就需要一種與之相適應(yīng)的開挖系統(tǒng)，而構(gòu)成系統(tǒng)的關(guān)鍵之一是需要一種可實(shí)現(xiàn)機(jī)械開挖的開挖裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三向加載三維相似模擬試驗(yàn)開挖系統(tǒng)用開挖裝置，該裝置通過往復(fù)移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)切割刀盤，可方便、可靠的應(yīng)用于三向加載條件下地下空間模擬機(jī)械化開挖試驗(yàn)，以使試驗(yàn)過程及效果直觀、更接近于機(jī)械化開采的現(xiàn)場(chǎng)。為研究三向加載條件下覆巖應(yīng)力分布、破斷、采場(chǎng)圍巖隨采場(chǎng)推進(jìn)過程中應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化等過程提供了便利。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

一種三向加載三維相似模擬試驗(yàn)開挖系統(tǒng)用開挖裝置，包括設(shè)在長條形開挖機(jī)架上的可往返移動(dòng)的開挖頭，開挖頭設(shè)有用于對(duì)試件形成旋轉(zhuǎn)切割的切割刀盤，切割刀盤懸伸在開挖機(jī)架前端，切割刀盤的下母線位于開挖機(jī)架的底平面內(nèi)，切割刀盤的上母線不低于開挖機(jī)架的頂面，開挖機(jī)架兩端設(shè)有開挖頭位置檢測(cè)的位置檢測(cè)裝置。

采用前述技術(shù)方案的本發(fā)明的系統(tǒng)，用于與支護(hù)系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)連接形成機(jī)械化的開挖系統(tǒng)，在將系統(tǒng)設(shè)置于試驗(yàn)箱內(nèi)模擬試件的初采工作面內(nèi)，開挖頭對(duì)模擬巖層進(jìn)行沿工作面長度方向的移動(dòng)式切割，適用于在三向加載試驗(yàn)條件下的模擬開采，以獲得三向加載條件下模擬開采的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)上設(shè)置攝像頭即可方便的實(shí)現(xiàn)可視化的機(jī)械化開挖。使用時(shí)，只需對(duì)現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)三向加載試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)箱進(jìn)行相應(yīng)改造后即可。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。在切割過程中，切割刀盤一次進(jìn)刀形成切割進(jìn)程完成工作面巖壁整個(gè)高度方向的切割，巖壁切割后的底面形成初采工作面底面的延伸，頂面形成工作面頂面的延伸，開挖系統(tǒng)頂面位于工作面頂面下方，以確保開挖系統(tǒng)的順利推進(jìn)。其中，位置檢測(cè)裝置用于通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開挖頭的極限位置和往返控制。

優(yōu)選的，所述開挖頭與開挖機(jī)架通過二者之間設(shè)有的導(dǎo)軌副連接，開挖頭與開挖機(jī)架之間設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)開挖頭往返移動(dòng)的開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置。開挖機(jī)架通過導(dǎo)軌副形成對(duì)開挖頭的支撐和運(yùn)行軌跡的控制，并由開挖驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)開挖頭往返移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)部分包括齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)結(jié)構(gòu)、曲柄滑塊結(jié)構(gòu)、活塞缸結(jié)構(gòu)等，其結(jié)構(gòu)形式多，可選擇的范圍大。鑒于試驗(yàn)箱內(nèi)的空間制約，宜齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述開挖機(jī)架的斷面呈具有水平開口的矩形框架結(jié)構(gòu)；所述開挖頭通過開挖電機(jī)座設(shè)有開挖電機(jī)，開挖電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述切割刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，開挖電機(jī)座設(shè)在所述開挖機(jī)架的框架內(nèi)；所述開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)在開挖機(jī)架與開挖電機(jī)座之間。以使開挖頭設(shè)在開挖機(jī)架高度方向的中部，且大部分隱蔽在開挖機(jī)架內(nèi)部，從而顯著提高開挖系統(tǒng)的整體剛度和強(qiáng)度，使用壽命長。同時(shí)，矩形框架的上方水平邊可形成對(duì)開挖頭主機(jī)部分的遮蔽和保護(hù)，可有效避免頂板發(fā)生意外塌陷時(shí)對(duì)開挖頭主機(jī)部分造成的損傷。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與所述開挖頭形成固定連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上連接有驅(qū)動(dòng)齒輪或驅(qū)動(dòng)鏈輪，驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合有齒條，或者驅(qū)動(dòng)鏈輪嚙合有鏈條，鏈條固定連接在所述開挖機(jī)架上，開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置通過齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)所述開挖頭往返移動(dòng)；或者，開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置通過鏈輪鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)所述開挖頭的往返移動(dòng)，其中，鏈條通過鏈節(jié)連接成直線形，并通過兩端的張緊機(jī)構(gòu)拉拽張緊固定連接在所述開挖機(jī)架上。通過固定的鏈條或齒條，由轉(zhuǎn)動(dòng)的鏈輪或齒輪驅(qū)動(dòng)使與驅(qū)動(dòng)電機(jī)形成固定連接的開挖頭移動(dòng)，相對(duì)于齒條固定在開挖頭上的齒條的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，其移動(dòng)構(gòu)件不需設(shè)置伸出切割區(qū)域部分，故其結(jié)構(gòu)緊湊，特別適用于空間狹小的試驗(yàn)設(shè)備。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直角轉(zhuǎn)角電機(jī)時(shí)，可獲得更加緊湊的結(jié)構(gòu)布局。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述開挖頭上固定連接集塵罩，集塵罩位于所述切割刀盤切割行進(jìn)方向的后側(cè)，集塵罩用于通過集塵管道與工業(yè)吸塵器連接。以便通過集塵罩、集塵管道和工業(yè)吸塵器構(gòu)成排渣系統(tǒng)，便于開挖過程形成的渣土及時(shí)排出。集塵罩的集塵范圍能夠形成沿切割刀盤厚度方向?qū)η懈畹侗P的整體覆蓋，確保排渣干凈、徹底。

本發(fā)明的有益效果是，開挖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且能夠方便、可靠的應(yīng)用于三向加載條件下地下空間模擬開挖試驗(yàn)，以使試驗(yàn)過程及效果直觀、也更接近于現(xiàn)場(chǎng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的開挖裝置的結(jié)構(gòu)示意俯視圖。

圖2是本發(fā)明的開挖裝置的結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖。

圖3是本發(fā)明的開挖裝置中開挖頭與開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置的連接關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明圖3的俯視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。

參見圖1～圖4，一種三向加載三維相似模擬試驗(yàn)開挖系統(tǒng)用開挖裝置，包括設(shè)在長條形開挖機(jī)架110上的可往返移動(dòng)的開挖頭120，開挖頭120設(shè)有用于對(duì)試件形成旋轉(zhuǎn)切割的切割刀盤121，切割刀盤121懸伸在開挖機(jī)架110前端，切割刀盤121的下母線位于開挖機(jī)架110的底平面內(nèi)，切割刀盤121的上母線不低于開挖機(jī)架110的頂面，開挖機(jī)架110兩端設(shè)有開挖頭120位置檢測(cè)的位置檢測(cè)裝置。

其中，開挖機(jī)架110的斷面呈具有水平開口的矩形框架結(jié)構(gòu)；開挖頭120通過開挖電機(jī)座122設(shè)有開挖電機(jī)123，開挖電機(jī)123用于驅(qū)動(dòng)切割刀盤121轉(zhuǎn)動(dòng)，開挖電機(jī)座122設(shè)在開挖機(jī)架110的框架內(nèi)；開挖頭120與開挖機(jī)架110通過二者之間設(shè)有的導(dǎo)軌副連接，該導(dǎo)軌副由兩平行導(dǎo)軌110a和與導(dǎo)軌110a滑動(dòng)配合的具有導(dǎo)軌槽的導(dǎo)軌滑塊120a組成，導(dǎo)軌110a固定連接在開挖機(jī)架110的矩形框架的下端水平框邊上，導(dǎo)軌滑塊120a固定連接在開挖頭120的開挖電機(jī)座122上，并位于開挖電機(jī)座122底面；開挖頭120與開挖機(jī)架110之間設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)開挖頭120往返移動(dòng)的開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置，開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)在開挖機(jī)架110與開挖電機(jī)座122之間。

開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)124，驅(qū)動(dòng)電機(jī)124通過開挖電機(jī)座122與開挖頭120形成固定連接，開挖電機(jī)座122上固定連接有電機(jī)支架128，驅(qū)動(dòng)電機(jī)124固定連接在電機(jī)支架128上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)124的輸出軸上連接有驅(qū)動(dòng)鏈輪125，驅(qū)動(dòng)鏈輪125嚙合有鏈條126，鏈條126固定連接在開挖機(jī)架110上，并位于兩平行導(dǎo)軌110a之間，開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置通過鏈輪鏈條126傳動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開挖頭120的往返移動(dòng)，其中，鏈條126通過鏈節(jié)連接成直線形，并通過兩端的張緊機(jī)構(gòu)127拉拽張緊固定連接在開挖機(jī)架110上。其中，開挖電機(jī)123和驅(qū)動(dòng)電機(jī)124均采用直角轉(zhuǎn)角的伺服電機(jī)，且二者的輸出軸軸線平行，伺服電機(jī)輸出端設(shè)置有減速器，用以提高開挖頭和驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)扭矩。

開挖頭120的開挖電機(jī)座122上固定連接集塵罩301，集塵罩301位于切割刀盤121切割行進(jìn)方向的后側(cè)，集塵罩301用于通過集塵管道302與工業(yè)吸塵器連接。其中，集塵管道302具有由鋼絲軟管制成的管段，以適應(yīng)集塵罩301往返移動(dòng)需要，開挖機(jī)架110尾部固定連接有管道接頭303，以用于與工業(yè)吸塵器進(jìn)行轉(zhuǎn)接。

本實(shí)施例中的驅(qū)動(dòng)鏈輪125可采用驅(qū)動(dòng)齒輪替代，相應(yīng)鏈條126采用齒條替代，開挖頭驅(qū)動(dòng)裝置通過齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)所述開挖頭120往返移動(dòng)。

本實(shí)施例中，兩個(gè)導(dǎo)軌110a采用矩形-三角形組合導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，也可采用雙導(dǎo)柱和導(dǎo)套的導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)或者單一的燕尾型導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)。導(dǎo)軌副還可設(shè)在開挖機(jī)架110上方的水平框邊上，也可設(shè)在開挖機(jī)架110后方的豎直框邊上。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。