煤矿多功能模型试验开采装置与方法

本发明涉及煤矿模型试验领域，尤其涉及煤矿多功能模型试验开采装置与方法。

背景技术：

煤矿井工开采以长壁开采技术为主，根据开采工艺的不同，可分为“121”工法、“110”工法和“n00”工法。其主要区别在于，“121”工法开采1个工作面，需掘出2条回采巷道，留设一个煤柱。而“110”工法和“n00”工法是提前对巷道顶板进行切缝，利用矿压自动形成巷道，只需掘1条巷道（“110”工法）或不掘巷道（“n00”工法）。对于以上开采技术的研究目前以理论分析、数值模拟、现场试验的方法为主，已取得了一定的研究成果，但理论分析模型过于简化，数值模拟本构参数选取困难，现场监测投入大、周期长、受无关因素干扰大，而模型试验通过将研究区域按照一定比例缩尺后制成模型体，在还原开采过程中实施全面监测，是一种行之有效的研究方法。

当前，在开展煤矿开采试验模拟时，多采用人工开挖或预埋件置换的方式，而这两种方式都存在着一些问题。人工开挖的方式仅适用于平面模型试验，而工作面开采是一个三维问题，采用平面模型极大的影响了结果的真实性，同时人工开挖难以模拟三维模型切缝施工。预埋件置换的方式无法还原工作面真实应力场，而且难以对超前工作面内应力信息进行监测，降低了试验的可信度，制约了煤矿开采模型试验研究。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供煤矿多功能模型试验开采装置与方法，实现工作面的自动开采，还原实际的开采过程，能够保证工作面周围应力场的真实性，实现工作面开采过程的自动化和智能化。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了煤矿多功能模型试验开采装置，包括：

组合切削组件，包括若干拼接在一起的切削单元，切削单元能够对工作面进行旋转切削；

集煤保护组件，包括若干拼接在一起的集煤保护单元，集煤保护单元内设有集煤器；

强力出煤组件，包括吸煤装置，所述吸煤装置通过软管连接导向管的一端，导向管的另一端与集煤器相连；

动力组件，包括动力源、与动力源相连的伸缩定位杆，伸缩定位杆的端部与导向管固定；动力源通过伸缩定位杆提供动力。

作为进一步的实现方式，所述切削单元包括切削滚筒、轮毂电机，所述轮毂电机与切削滚筒相连以驱动切削滚筒旋转；切削滚筒外侧可拆卸连接若干齿牙。

作为进一步的实现方式，所述切削滚筒表面开设有螺纹槽，齿牙通过螺纹槽安装于切削滚筒外侧；所述齿牙沿切削滚筒圆周方向均匀分布，并沿切削滚筒轴向均匀分布多圈。

作为进一步的实现方式，所述轮毂电机位于切削滚筒内部，轮毂电机的电机轴上安装轴承；所述集煤保护组件侧面安装定位板，定位板开设有多个定位槽；所述轴承通过定位槽固定。

作为进一步的实现方式，还包括切顶组件，所述切顶组件安装于集煤保护组件侧面，用于进行巷道顶板切缝模拟。

作为进一步的实现方式，所述切顶组件包括刀盘、刀盘电机，刀盘电机安装于刀盘中心位置；所述述刀盘通过固定杆与连杆的一端相连，连杆的另一端与集煤保护组件可拆卸连接。

作为进一步的实现方式，所述集煤保护组件两侧对称设置两个导向管，集煤器的两端分别与一个导向管相连。

作为进一步的实现方式，所述集煤保护单元包括上盖板、底座，上盖板通过锁紧轴连接于底座上方。

作为进一步的实现方式，所述导向管由多段空心钢管拼接而成，伸缩定位杆的端部通过卡环与导向管固定连接。

第二方面，本发明实施例还提供了煤矿开采多功能模型试验开采方法，其采用所述的开采装置，包括：

设计开采装置尺寸；

进行模型体填料和加载，加载完成后，开挖形成工作面两侧开采巷道；

将开采装置布置在设计位置，组装开采装置；

启动轮毂电机，进行工作面开采模拟；启动刀盘电机，进行切缝模拟。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

（1）本发明的一个或多个实施方式具有组合切削组件、集煤保护组件、强力出煤组件和动力组件，能够真实的还原采煤工作面开采过程，动力组件能够推动开采装置定向移动，且不影响滞后工作面的垮落。

（2）本发明的一个或多个实施方式能够通过对已成型模型体进行开挖，从而还原工作面顶板、底板更加真实的应力场，进而避免传统预埋的方式对煤层周围应力场的影响。

（3）本发明的一个或多个实施方式的切削滚筒在轮毂电机驱动下实现对工作面的滚动切削，装置在动力源作用下定向移动，实现工作面的自动化开采，提高开采效率，减小试验误差。

（4）本发明的一个或多个实施方式的设置切顶组件，能够进行巷道顶板的切缝模拟。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的剖面图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的工作状态示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的切顶组件结构示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的安装切顶组件后工作状态示意图；

其中，1、组合切削组件，1-1、切削滚筒，1-2、轮毂电机，1-3、轴承，1-4、齿牙，1-5、螺纹槽；2、集煤保护组件，2-1、上盖板，2-2、锁紧轴，2-3、集煤器，2-4、定位板；3、强力出煤组件，3-1、导向管，3-2、软管，3-3、吸煤装置；4、动力组件，4-1、动力源，4-2、伸缩定位杆，4-3、卡环；5、模型试验架，6、切顶组件，6-1、刀盘，6-2、刀盘电机，6-3、连杆，6-4、固定杆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了煤矿多功能模型试验开采装置，如图1和图5所示，包括组合切削组件1、集煤保护组件2、强力出煤组件3、动力组件4、切顶组件6，组合切削组件1安装于集煤保护组件2内侧，集煤保护组件2用于固定组合式切削组件1，同时起到收集碎屑和保护的作用。强力出煤组件3与集煤保护组件2相连，动力组件4与强力出煤组件3滑动连接；动力组件4为装置提供动力，保证装置能够定向移动。当开展切顶模拟时，在集煤保护组件2侧面安装切顶组件6，在不需要切顶时拆下，装置进行单独采煤工作。

具体的，组合切削组件1由若干切削单元组成，多个切削单元沿轴线方向连接，组装在一起的切削单元个数根据不同长度工作面的开采需求调整。在本实施例中，工作面长度为200cm，每段切削滚筒1-1长度为10cm，通过10段切削滚筒1-1拼接可满足该工作面的开采需求。

所述切削单元包括切削滚筒1-1、轮毂电机1-2、齿牙1-4，如图2所示，齿牙1-4沿切削滚筒1-1圆周方向均匀分布，并沿切削滚筒1-1轴向均匀分布多圈。

进一步的，切削滚筒1-1表面开设有螺纹槽1-5，齿牙1-4通过螺纹槽1-5安装于切削滚筒1-1外侧。根据不同工作面高度可以选择不同长度的齿牙1-4，从而实现对不同高度工作面的开采。在本实施例中，工作面高度为10cm，切削滚筒1-1外径为5cm，选择长度为2.5cm的齿牙1-4，可以满足工作面开采需要。

所述切削滚筒1-1连接轮毂电机1-2，通过轮毂电机1-2带动切削滚筒1-1转动，以实现滚动切削工作面。在本实施例中，所述轮毂电机1-2位于切削滚筒1-1内部，轮毂电机1-2的电机轴上安装轴承1-3，轮毂电机1-2通过十字支架与切削滚筒1-1内壁连接，从而驱动切削滚筒1-1转动。

进一步的，集煤保护组件2包括与切削单元对应的集煤保护单元，集煤保护单元长度大于切削单元长度。切削单元的拼接个数调整，对应的集煤保护单元个数同样调整。在本实施例中，工作面长度为200cm，每段集煤保护单元长40cm，通过5段的拼接来满足需要。

所述集煤保护单元包括上盖板2-1、锁紧轴2-2、底座和集煤器2-3，所述底座的横截面为l型，其包覆于切削滚筒1-1一侧；在本实施例中，底座的高度至切削滚筒1-1轴心位置，可以理解的，在其他实施例中，底座的高度也可以适应性调节，即可以高于或低于切削滚筒1-1轴心位置。

所述上盖板2-1通过锁紧轴2-2与底座相连，上盖板2-1可绕锁紧轴2-2调整张开度，避免影响切削滚筒1-1的转动。进一步的，上盖板2-1为弧形板，上盖板2-1和底座实现对切削滚筒1-1侧面的包覆，并距切削滚筒1-1边缘有一定距离。上盖板2-1远离锁紧轴2-2一端向下弯曲，即弯曲方向与切削滚筒1-1周向一致。

底座的侧面安装有定位板2-4，定位板2-4开设有多个定位槽2-4，定位槽2-4形状与轴承1-3相适配，轴承1-3安装于定位槽2-4以实现切削滚筒1-1的安装。将轴承1-3安装于不同高度的定位槽2-4进行切削滚筒1-1位置的调整，从而实现不同高度工作面的开采。在本实施例中，相邻定位槽2-4的间距为0.5cm。

进一步的，底座内部设有集煤器2-3，集煤器2-3中间隔断分成两部分，其两端分别与强力出煤组件3相连。所述强力出煤组件3包括导向管3-1、软管3-2、吸煤装置3-3，导向管3-1有两个，且对称设置于集煤保护组件2两侧；两个导向管3-1分别连接集煤器2-3的一端。

在本实施例中，导向管3-1由多节高强空心钢管拼接而成，起到排渣、抽拉的作用；导向管3-1一端与集煤器2-3可拆卸连接，另一端与软管3-2连接；所述软管3-2连接吸煤装置3-3。本实施例中的吸煤装置3-3为大功率吸煤装置，通过大功率大功率吸煤装置实现切削碎屑的排出。优选地，大功率吸煤装置功率为3000w。

在本实施例中，工作面走向长300cm，导向管3-1节长60cm、外径1.2cm、内径0.6cm，由6节拼接而成；软管3-2长150cm。

进一步的，动力组件4包括动力源4-1、伸缩定位杆4-2、卡环4-3，所述伸缩定位杆4-2的两端分别连接卡环4-3，卡环4-3套设于导向管3-1外侧并与之固定，动力源4-1连接于伸缩定位杆4-2一侧。

伸缩定位杆4-2可伸缩，以满足不同长度工作面需要。在本实施例中，工作面长度200cm，伸缩定位杆4-2调整至200cm长。所述动力源4-1能够提供直线运动，为开采装置前进提供稳定动力。

在本实施例中，动力源4-1为电动千斤顶，且电动千斤顶垂直于伸缩定位杆4-2；电动千斤顶的有效行程为80cm。当然，在其他实施例中，动力源4-1也可以为油缸、直线电机或其他结构。

使用时，如图3所示，伸缩定位杆4-2、导向管3-1与切削滚筒1-1围设于模型试验架5外侧，动力源4-1与模型试验架5的侧面固定；启动动力源4-1，动力源4-1推动伸缩定位杆4-2移动，伸缩定位杆4-2带动导向管3-1及组合切削组件1、集煤保护组件2移动。

进一步的，如图4所示，所述切顶组件6包括刀盘6-1、刀盘电机6-2，所述刀盘6-1通过固定杆6-4与连杆6-3的一端相连，连杆6-3的另一端与定位板2-4可拆卸连接。

其中，连杆6-3分别与定位板2-4、固定杆6-4垂直，连杆6-3与刀盘6-1转动连接。所述刀盘电机6-2安装于刀盘6-1中心位置，刀盘6-1在刀盘电机6-2的驱动作用下旋转以实现切顶操作。

实施例二：

本实施例提供了煤矿开采多功能模型试验开采方法，采用实施例一所述的开采装置，包括以下步骤：

试验开始前，首先根据工作面几何参数设计开采装置各部分尺寸，包括切削滚筒1-1长度、齿牙1-4长度、轴承1-3长度、导向管3-1长度、伸缩定位杆4-2长度、上盖板2-1张开度等，然后完成开采装置拼接，在模型试验架5设计位置安装动力源4-1。

进行模型体填料和加载，加载完成后，开挖形成工作面两侧开采巷道。

将开采装置布置在设计位置，导向管3-1穿过开采巷道，其一端与集煤器2-3连接，另一端用卡环4-3卡紧，通过软管3-2与吸煤装置3-3相连。

各部分准备就绪后，按照设计进度进行工作面开采模拟。开采时，启动轮毂电机1-2，轮毂电机1-2带动切削滚筒1-1滚动切削工作面。完成某一位置工作面开采后，启动动力源4-1，使开采装置移动，进行下一工作面的开采。

开采过程中，切削煤屑进入集煤器2-3，通过启动吸煤装置3-3实现切削煤屑的排出。

启动刀盘电机6-2，刀盘6-1旋转切割形成切缝。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。