配套三维物理模型试验机器人系统的制作方法
专利名称:配套三维物理模型试验机器人系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种配套三维物理模型试验机器人系统，包括三维物理模型试验装置和配套机器人两大部分，它的外部为反力架，反力架的至少一个立方体框架面上有如下设置：相对设置的立柱间设置至少两个相互平行的矩形大钢板，相邻的两个矩形大钢板之间设置有至少一排小矩形钢板；在反力架的内部设置岩体模型；在二者之间设置垂直加载系统、水平左右加载系统和水平前后加载系统；该配套机器人主要包括机器人机身，配套设置锚杆支护系统和注浆系统；在机器人机身的头部顶端设置刀盘，在机器人机身上设置至少一组撑靴和至少一组驱动轮；操控管线将机器人操控系统和驱动轮连接。本实用新型能准确的揭示巷道开挖及工作面回采时围岩演化规律提供可靠的试验手段。
【专利说明】
配套三维物理模型试验机器人系统
技术领域
[0001]本实用新型属于岩体力学的三维物理模型试验装置技术领域，具体涉及一种配套三维物理模型试验机器人系统。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的发展及国民经济的需求，地下矿山及隧道建设向深部转移，岩石力学的研究重点日益转向地下，在采矿工程和水电工程领域，地下巷道的长度、跨度及埋深也越来越大，因此在复杂地质条件下巷道开挖造成的围岩应力调整过程及稳定性问题变得尤为重要，而现场围岩监测需要较多的人力、物力和财力，付出的工作量大、周期长，而围岩的变化和应力分布情况不能直接观测到，在监测时又经常受到现场条件的限制，难以取得较好的成果。
[0003]物理模型试验是研究深埋巷道及矿山压力的重要研究手段之一，以相似理论为基础的模型试验在配制与工程岩体性质相似的物理材料基础上，对试件进行加载、开挖和支护等，研究地下洞室的受力、变形和稳定性问题。物理模型试验可以模拟巷道开挖、工作面回采等对围岩应力调整过程、位移分布特征及位移最大值发生部位等。
[0004]物理模型试验中圆形巷道使用钻机开挖较容易实现，对于矩形巷道、直墙拱型巷道一般是采用手动开挖的方法或者预埋与隧洞形状一样的柱体。手动开挖费时费力且成巷效果不好，预埋柱体的方法分为加载前取出柱体一次成巷和加载过程中顶出柱体分段成巷，前者与现场实际开挖过程差距太大，后者在高应力和多条巷道交错时较难实现。在采煤工作面回采三维模拟中，基本采用人工和简易机械开挖，与实际开挖过程不符，无法实现采煤机割煤回采及一定倾角的倾斜回采。
【发明内容】
[0005]针对上述存在问题，本实用新型设计了一种配套三维物理模型试验机器人系统:包括三维物理模型试验装置和配套机器人两大部分，三维物理模型试验装置的外部为反力架，所述反力架的立方体形框架由八个横向设置的水平梁和四个纵向设置的立柱组成；
[0006]所述反力架的至少一个立方体框架面上有如下设置:相对设置的第一立柱和第二立柱之间设置至少两个相互平行的与水平面夹角为α矩形大钢板，相邻的两个矩形大钢板之间设置有至少一排矩形小钢板；
[0007]所述反力架其他的框架侧面均设置反力架面板;在反力架的内部设置岩体模型；在岩体模型的三个表面上分别安装有上承压板、左承压板和后承压板；
[0008]在岩体模型的上承压板和相应的顶端反力架面板之间设置若干个上侧震动千斤顶构成垂直加载系统；
[0009]在岩体模型的左承压板和相应的侧面反力架面板之间设置若干个左侧震动千斤顶构成水平左右加载系统；
[0010]在岩体模型的后承压板和相应的后面反力架面板之间设置若干个后侧震动千斤顶构成水平前后加载系统；
[0011 ]配套机器人主要包括机器人机身，配套设置锚杆支护系统和注浆系统；在机器人机身的头部顶端设置刀盘，在机器人机身上设置至少一组撑靴和至少一组驱动轮;从机器人机身的尾部伸出的操控管线将机器人操控系统和驱动轮连接。
[0012]上述技术方案中，所述的每个矩形大钢板的两端至少设置有一组矩形螺栓孔和弧形螺栓孔;沿矩形大钢板的两长边均设置有多个小矩形钢板连接螺栓孔；
[0013]矩形大钢板同一端的一组矩形螺栓孔和弧形螺栓孔为上下设置，其中矩形螺栓孔呈矩形挖孔，其长边和矩形大钢板平行，弧形螺栓孔呈60°?120°的扇环形挖孔，其中心轴和矩形螺栓孔重合，且该弧形螺栓孔的圆心靠近矩形螺栓孔一侧。
[0014]上述技术方案中，所述的每个小矩形钢板的一侧面设有手柄，每个小矩形钢板的四角上均设置有小矩形钢板连接螺栓孔;矩形大钢板的矩形大钢板连接螺栓孔和小矩形钢板上的小矩形钢板连接螺栓孔的尺寸相同，且排列位置相应。
[0015]上述技术方案中，所述的立方体框架面上有如下设置:相对设置的第一立柱和第二立柱的内侧均设置有螺栓安装凹槽;在立方体框架面的第一立柱和第二立柱之间利用螺栓设置若干矩形大钢板;将螺栓的螺栓头安装在螺栓安装凹槽内；该螺栓的螺杆部分伸出在螺栓安装凹槽之外;与水平面呈夹角α倾斜的矩形大钢板两端的矩形螺栓孔、弧形螺栓孔套装在这些螺栓的螺杆上;安装螺帽将矩形大钢板设置在第一立柱和第二立柱之间的预定位置上；
[0016]至少在相邻的两块矩形大钢板之间设置至少一排相邻紧密排列的小矩形钢板;将每个小矩形钢板连接螺栓孔和矩形大钢板连接螺栓孔对齐后，利用连接螺栓从外侧将每块小矩形钢板紧密相邻排列的安装在矩形大钢板之间;每块小矩形钢板的手柄均位于外侧。
[0017]上述技术方案中，矩形大钢板的长宽比大于5;小矩形钢板的长宽比在0.8?1.2之间，且小矩形钢板的短边和矩形大钢板的短边的比例在0.5?2之间。
[0018]上述技术方案中，所述的刀盘通过中心的转轴及周围的多个微型千斤顶设置在机器人机身的端头部位；
[0019]所述的刀盘的前端面中心部位为盾构盘;所述的盾构盘为圆形，其上设置有中心对称布置的多个合金齿、多个排渣孔和至少一个鱼尾刀。
[0020]上述技术方案中，在圆形刀盘的外侧还可以在单边设置若干辅助主动钻进头，辅助主动钻进头后部设置微型电机。
[0021]上述技术方案中，在所述机器人机身上配套设置的锚杆操控系统通过操控管线连接控制所述的锚杆支护系统所述的锚杆支护系统，主要包括锚杆、锚杆千斤顶、锚杆弹簧；多个锚杆依次设置在巷道内部，第一根锚杆位于锚杆千斤顶顶端，最后一根锚杆由锚杆弹簧横向固定。
[0022]上述技术方案中，所述的注浆系统包括注浆管、注浆口和注浆操控系统;注浆口为环绕设置在注浆管上;注浆管从机器人机身的尾部伸出；在机器人机身的尾部伸出的操控管线连接注浆操控系统。
[0023]本实用新型设计的上述配套三维物理模型试验机器人系统，具有以下优点:
[0024]1、全方位三维模拟岩体内、外受力以及震动等情形，模拟还原实际岩体的预应力受力情况。
[0025]2、实际生产中，巷道及煤层开挖受到地形、岩体等多方限制，往往呈现各种倾斜和迂回。将两块矩形大钢板之间的一排矩形小钢板拆除，露出的岩体模型即模拟岩体。通过拆除不同位置的矩形小钢板，留下一部分岩体模型不开挖，是模拟开挖中保留的岩体部分。通过不同尺寸的矩形大、小钢板之间相互配合，可以实现不同尺寸的巷道、工作面以及保留岩体之间的模拟。
[0026]3、巷道和工作面由配套机器人开挖处理，能够真实的模拟盾构设备的掘进过程，以及采矿时的各种开挖操作，相比现有的预埋法的模拟效果更接近实际情况。
[0027]4、在上述掘进模拟过程中，还可以利用各个加载系统及各个千斤顶给岩体模型施加外力，同步模拟实际岩体受到的内部应力;可以适应更多更复杂的模拟情况。
[0028]5、掘进模拟的同时，还可以进行模拟锚杆定位及围岩喷浆等操作，能够全面的模拟实际生产的情形，满足科研及生产的需要。
[0029]本实用新型设计的配套三维物理模型试验机器人系统，配合机器人后的自动化开采模拟能够模拟各种岩体内开挖巷道、工作面、掘进面等情形，外部可调控岩体模型的受力情况，同时还配合指定位置锚杆及围岩喷浆等操作;整体结构坚固，操作简单，保证岩体挖掘的模拟试验结果准确可靠，可广泛应用于各种隧洞、围岩、巷道、掘进面等岩体开挖的模拟生产情形，配合相应的岩体的试验和研究。
【附图说明】
[0030]图1为一种三维物理模型试验装置的结构示意图。
[0031]图2是图1中外力架的结构示意图。
[0032]图3是图2中外力架的俯视结构示意图。
[0033]图4是图1中连接螺栓将矩形大钢板安装在立柱上的局部结构示意图。
[0034]图5是图1中立方体框架面的布置结构示意图。
[0035]图6是图5中矩形大钢板和矩形小钢板连接结构示意图。
[0036]图7是矩形大钢板的结构示意图。
[0037]图8为矩形小钢板的结构左视图。
[0038]图9为矩形小钢板的结构正视图。
[0039]图10是岩体模型及加载系统的结构示意图。
[0040]图11是岩体模型及加载系统的结构示意图。
[0041 ]图12是机器人的整体结构示意图。
[0042]图13是机器人的注浆口的结构示意图。
[0043]图14是机器人的锚杆支护系统的整体结构示意图。
[0044]图15单个锚杆的结构示意图。
[0045]图16是锚杆支护系统的整体结构示意图。
[0046]图17是盾构盘的正面结构示意图。
[0047]图18是盾构盘的侧面结构示意图。
[0048]图19是带二个辅助主动钻进头的盾构盘的侧面结构示意图。
[0049]图20是带四个辅助主动钻进头的盾构盘的侧面结构示意图。
[0050]图21是辅助主动钻进头的及微型电机的结构示意图。[0051 ]图中:反力架AO、水平梁Al、立柱A2 (其中第一立柱A2.1，第二立柱A2.2)、螺栓安装凹槽A3、卡口 A4、凸条A5、矩形大钢板A6(其中:矩形螺栓孔A6.1、弧形螺栓孔A6.2、矩形大钢板连接螺栓孔A6.3)、矩形小钢板A7(其中:手柄A7.1、小矩形钢板连接螺栓孔A7.2)、连接螺栓A8、螺栓A9、反力架面板A1、立方体框架面A11、岩体模型A12、水平左右加载系统A13、水平前后加载系统A14、垂直加载系统A15、左侧震动千斤顶A16、后侧震动千斤顶A17、上侧震动千斤顶A18、左承压板A19、后承压板A21、上承压板A22、
[0052]机器人机身1、撑靴2、驱动轮3、注浆管4、微型千斤顶5、刀盘6、盾构盘7(其中:合金齿7.1a、出渣孔7.1b、鱼尾刀7.1c、合金钻头7.2)、排渣孔8、转轴9、注浆孔10、电机11、操控管线12、注浆操控系统13、机器人操控系统14、锚杆操控系统15、微型电机16、锚杆支护系统20、锚杆21、锚杆千斤顶22、锚杆弹簧23。
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述，以便于人们对本实用新型的理解。
[0054]如图1?11所示，本实用新型设计了一种三维物理模型试验装置，包括三维物理模型试验装置和配套机器人两大部分，它的外部为反力架A0，所述反力架AO的立方体形框架由八个横向设置的水平梁Al和四个纵向设置的立柱A2组成，所述反力架AO的至少一个立方体框架面All上有如下设置:
[0055]相对设置的第一立柱A2.1和第二立柱A2.2之间设置至少两个相互平行的与水平面夹角为α的矩形大钢板A6，相邻的两个矩形大钢板A6之间设置有至少一排矩形小钢板A7。
[0056]所述反力架AO其他的框架侧面均设置反力架面板Α10。在反力架AO的内部设置岩体模型Α12。在岩体模型Α12的三个表面上分别安装有上承压板Α22、左承压板Α19和后承压板 Α21。
[0057]在岩体模型Α12的上承压板Α22和相应的顶端反力架面板AlO之间设置若干个上侧震动千斤顶Α18构成垂直加载系统Α15。
[0058]在岩体模型Α12的左承压板Α19和相应的侧面反力架面板AlO之间设置若干个左侧震动千斤顶Α16构成水平左右加载系统Α13。
[0059]在岩体模型Α12的后承压板Α21和相应的后面反力架面板AlO之间设置若干个后侧震动千斤顶Α17构成水平前后加载系统Α14。
[0060]依此，通过垂直加载系统Α15、水平前后加载系统Α14和水平左右加载系统Α13可以有效的对岩体模型Α12施加外力，实现三维方向施力的独立加载，从而有效的模拟岩体的外部施力及内部应力。
[0061]上述的各个千斤顶及加载系统能够一方面在架构试验装置初期，直接向岩体模型Α12施加模拟应力，模拟岩体受力；另一方面同时还可以在模拟施工过程中的，控制千斤顶操作来施加震动，以模拟崩落采矿法或岩体震动。能够较为全面的模拟各种开挖、掘进的实际生产情形。
[0062 ]具体的，该反力架AO的立柱Α2和水平梁AI之间以突出的凸条Α5和凹陷的卡口 Α4榫卯式连接而成。
[0063]具体的，每个矩形大钢板Α6的两端至少设置有一组矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔A6.2；沿矩形大钢板A6的两长边均设置有多个矩形小钢板连接螺栓孔A6.3。
[0064]具体的，矩形大钢板A6同一端的一组矩形螺栓孔A6.1和弧形螺栓孔A6.2为上下设置，其中矩形螺栓孔A6.1呈矩形挖孔，其长边和矩形大钢板A6平行，弧形螺栓孔A6.2呈60°?120°的扇环形挖孔，其中心轴和矩形螺栓孔A6.1重合，且该弧形螺栓孔A6.2的圆心靠近矩形螺栓孔A6.1—侧。
[0065]具体的，每个矩形小钢板A7的一侧面设有手柄A7.1，每个矩形小钢板A7的四角上均设置有矩形小钢板连接螺栓孔A7.2。矩形大钢板A6的矩形大钢板连接螺栓孔A6.3和矩形小钢板A7上的矩形小钢板连接螺栓孔A7.2的尺寸相同，且排列位置相应。
[0066]本实施例中，矩形大钢板A6的长宽比大于5。矩形小钢板A7的长宽比在0.8?1.2之间，且矩形小钢板A7的短边和矩形大钢板A6的短边的比例在0.5?2之间。弧形螺栓孔A6.2为90°的扇环形挖孔。
[0067]具体的，如图5所示的立方体框架面AlI的内部视角，该立方体框架面Al I上有如下设置:相对设置的第一立柱A2.1和第二立柱A2.2的内侧均设置有螺栓安装凹槽A3。在立方体框架面Al I的第一立柱A2.1和第二立柱A2.2之间利用螺栓A9设置若干矩形大钢板A6。将螺栓A9的螺栓头安装在螺栓安装凹槽A3内；该螺栓A9的螺杆部分伸出在螺栓安装凹槽A3之外;矩形大钢板A6两端的矩形螺栓孔A6.1、弧形螺栓孔A6.2套装在这些螺栓A9的螺杆上;安装螺帽后即可将矩形大钢板A6设置在第一立柱A2.1和第二立柱A2.2之间的预定位置上。
[0068]至少在相邻的两块矩形大钢板A6之间设置至少一排相邻紧密排列的矩形小钢板A7。将每个矩形小钢板连接螺栓孔A7.2和矩形大钢板连接螺栓孔A6.3对齐后，利用连接螺栓AS从外侧将每块矩形小钢板A7紧密相邻排列的安装在矩形大钢板A6之间。每块矩形小钢板A7的手柄A7.1均位于外侧。
[0069]具体的，将每一块矩形大钢板A6以与水平面呈夹角α倾斜设置在第一立柱A2.1和第二立柱Α2.2之间，其两端的一组矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔Α6.2分别插入安装在螺栓安装凹槽A3内的螺栓Α9的螺杆部分，然后安装螺帽固定。
[0070]为了保证每个矩形大钢板Α6均设置在两个第一立柱Α2.1和第二立柱Α2.2之间，可以设计一系列的不同长度的矩形大钢板Α6。或者在足够长的矩形大钢板Α6上设置多组矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔Α6.2，安装时利用不同位置上的一组矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔Α6.2，以适应不同α的倾斜。
[0071]每一块矩形大钢板Α6以和水平的夹角α = 0?45° ;即可以实现不同倾角下的巷道、煤层等挖掘、开采模拟。
[0072]依上述方式设置的整个立方体框架面All仅由矩形大、小钢板Α6、Α7组成。其中，矩形小钢板Α7为模拟挖掘巷道(面)，矩形大钢板Α6模拟不开挖的岩体面。将某块矩形小钢板Α7上的连接螺栓AS全部拆除后，可以握住手柄Α7.1将该矩形小钢板Α7取下;然后在暴露的岩体模型Α12上模拟挖掘。在一个矩形小钢板Α7掘进至一定程度后，再将另一块矩形小钢板Α7拆下并模拟挖掘，即可模拟岩体上挖掘不同的巷道时的受力情况。或者将相邻的若干个矩形小钢板Α7全部拆除，此时，两个矩形大钢板Α6之间的空隙即可模拟和水平面夹角为α的开挖面，模拟煤层挖掘。
[0073]该反力架AO的使用时，仅仅设置一个如上的立方体框架面All，即可有效的模拟岩体加载;也可以在相邻的两个面上都设置立方体框架面All，更大范围的模拟贯穿式的掘进等情况。
[0074]为了模拟巷道开挖情况，本实用新型可以直接采用人工方式开挖，或者配套开挖用机器人模拟盾构机的挖掘。
[0075]如图12?21所示，为了模拟巷道开挖情况，本实用新型设计的配套机器人主要包括机器人机身I，在机器人机身I的头部顶端设置刀盘6，中部设置多个注浆口 10。在机器人机身I上设置至少一组撑靴2和至少一组驱动轮3。连接注浆口 10的注浆管4和操控管线12从机器人机身I的尾部伸出。机器人操控系统14通过操控管线12连接控制所述的驱动轮3;锚杆操控系统15通过操控管线12连接控制所述的锚杆支护系统20。
[0076]通常在机器人机身I尾部和中部各设置一组驱动轮3，机器人操控系统14通过操控管线12控制驱动轮3前进和后退，微型千斤顶5通过液压控制千斤顶油缸内液压油的进出来实现千斤顶的伸缩，实现固定机器人机身I和提供支撑作用。
[0077]具体的，刀盘6的前端面的中心部位为盾构盘7。所述的盾构盘7为圆形，其上设置有中心对称布置的多个合金齿7、多个排渣孔8和至少一个鱼尾刀7.lc。
[0078]如图16?19所示，盾构盘7的中心为圆形刀盘7.1，在圆形刀盘7.1上均匀对称的设置有合金齿7.1a和排渣孔7.lb，在其中部还设置有一个鱼尾刀7.lc。通常采用圆形刀盘7.1处理掘进的巷道断面为圆形的情况。
[0079]在圆形刀盘7.1的外侧还可以在单边设置若干辅助主动钻进头7.2，辅助主动钻进头7.2后部由微型电机16提供动力。具体的，将若干大小不一的辅助主动钻进头7.2组成直墙半圆拱形的一组。一组或两组辅助主动钻进头7.2配合一个圆形刀盘7.1，能够对圆形刀盘7.1以外区域的钻进，掘进完成所需的巷道断面形状。
[0080]具体的，刀盘6通过中心的转轴9及周围的多个微型千斤顶5设置在机器人机身I的端头部位，由电机11提供扭矩，微型千斤顶5提供推力。机器人机身I中部设置有一组或多组撑靴2，沿周向提供支撑作用。撑靴2配合微型千斤顶对称的布置在机器人机身I的上下端，同时驱动轮3也可以对机器人机身I提供支撑。
[0081]刀盘6在微型千斤顶5提供的推力作用下首先压入掌子面岩体中，在电机11提供的扭矩作用下旋转切削岩体形成圆形断面；同时还可以辅助使用主动钻进合金钻头7.2实现圆形断面之外的开挖，刀具削落的渣土可在鱼尾刀12带动下通过刀盘6上的排渣孔8排出。
[0082]在机器人机身I上还通过锚杆支护系统20和注浆系统实现锚杆支护和喷浆支护两种形式的支护操作，可以克服狭小空间人工手动操作的弊端，实现自动化操作。
[0083]如图13?15所示，所述的锚杆支护系统20，主要包括锚杆21、锚杆千斤顶22、锚杆弹簧23。多个锚杆21依次设置在巷道内部，第一根锚杆21位于锚杆千斤顶22顶端，最后一根锚杆21由锚杆弹簧23横向固定。在巷道壁上钻孔时，将第一根锚杆21推到锚杆千斤顶22上，启动锚杆千斤顶22伸出将锚杆21打入围岩内后缩回，锚杆弹簧23将下一根锚杆21推到锚杆千斤顶22上，如此循环，实现锚杆支护围岩。
[0084]如图11、12所示，所述的注浆系统，包括注浆管4、注浆口10和注浆操作系统。浆液通过注浆管4由注浆口 10喷出，实现围岩表面喷浆，模拟现场围岩喷浆，实现和现场的一致性。所述的注浆口 10为环绕设置在注浆管4上，套装在机器人机身I的头部的后方，注浆管4从机器人机身I的尾部伸出。
[0085]实施例1:巷道掘进模拟
[0086]利用上述三维物理模型试验装置模拟巷道掘进的方法，包括以下步骤:
[0087]步骤1:架构反力架AO，建立模型装置:
[0088]架构反力架A0，在立方体框架面All上设置与水平面呈夹角α的多个相互平行的矩形大钢板Α6，并在两块矩形大钢板Α6之间设置多块并排的矩形小钢板Α7。
[0089]在反力架AO内设置岩体模型Α12，并安装垂直加载系统Α15、水平前后加载系统Α14、水平左右加载系统Α13。
[0090]设定垂直加载系统Α15、水平前后加载系统Α14、水平左右加载系统Α13对岩体模型Α12加载压力。
[0091]矩形大钢板Α6和水平面夹角α即为待模拟的巷道和水平的夹角。当水平面夹角α=0°时，为水平开采模拟。
[0092]步骤2:在模拟的巷道掘进位置处拆除一块或多块矩形小钢板Α7;形成和水平面夹角为α的巷道掘进面。
[0093]步骤3:在拆除矩形小钢板Α7的位置放入挖掘机器人，或者人工模拟挖掘岩体模型Al 2至目标位置。
[0094]使用挖掘机器人模拟时，先固定机器人，然后启动该机器人旋转切削压入岩体模型Α12，挖掘的“渣土”(岩体模型Α12碎肩)从后方排出。当掘进一个步距后，操控机器人前进，此时完成一个步距的开挖模拟，同时还可以配套模拟支护及其他操作。
[0095]使用人工模拟挖掘岩体模型Α12时，可以使用工具直接挖掘至目标位置
[0096]步骤4:重复步骤2和3，直到完成第一个巷道的模拟开挖。
[0097]具体的，当两块矩形大钢板Α6之间拆除一块矩形小钢板Α7后，能够构成一个模拟的巷道掘进位置，直接采用机器人或人工开挖岩体模型Α12，形成的孔洞即为模拟的巷道。有些模拟试验中，多块相邻的矩形小钢板Α7全部开挖后形成的一个较大的倾斜的工作面才能模拟一个巷道。此时，通常是先将一块矩形小钢板Α7挖掘至目标位置后，再拆除其相邻的矩形小钢板Α7，并将其挖掘至目标位置;依此直至将相邻的多个矩形小钢板Α7均挖掘至目标位置，形成模拟巷道或工作面。
[0098]为了贴近实际的生产及科研情形，通过在不同水平(不同的两块矩形大钢板Α6之间)、不同位置(相同的两块矩形大钢板Α6之间、不相邻)上拆除若干个矩形小钢板Α7，实现巷道不同布置位置的模拟;包括相同水平和不同水平巷道纵横交错布置。通过机器人或者人工掘进，可以实现不同断面的巷道的开挖。
[0099]通常是在设计模拟时，预先将待模拟掘进面相应的位置上设置多块并排的矩形小钢板Α7，多个不同层面的待模拟掘进面则设置多个不同层面并排的矩形小钢板Α7，保留岩体不开挖的位置设置大矩形钢板Α6，依此设计立方体框架面Al I;从而实现模拟不同水平上巷道交错布置。
[0100]实施例2:煤层水平、倾斜开采模拟
[0101]利用上述三维物理模型试验装置模拟煤层水平开采的方法，包括以下步骤:
[0102]步骤I?3:与实施例1中模拟巷道掘进一致。直到完成第一个巷道的开挖。
[0103]步骤4:在已拆除的第一个矩形小钢板Α7的相邻位置拆除下一块矩形小钢板Α7。
[0104]步骤5:重复步骤2?4，完成工作面推进模拟。
[0105]本实施例中，依次拆除相邻的矩形小钢板Α7，依此可以对立方体框架面All上的两个矩形大钢板A6之间的一个模拟工作面进行全部回采模拟。
[0106]如果有需要，可以对另外两个矩形大钢板A6之间的另一排矩形小钢板A7重复上述步骤，即可实现煤层的不同水平的工作面同回采模拟试验。
[0107]上述模拟试验中，水平面夹角α= 0°时，为煤层的水平开采模拟。水平面夹角α#0°时，为煤层的倾斜开采模拟。
[0108]实施例3:金属矿崩落法开采模拟
[0109]步骤I?4:与实施例1中模拟巷道掘进一致;直到完成第一个巷道的开挖。然后采取下列步骤来模拟金属矿崩落法开采生产:
[0110]步骤5:操控垂直加载系统Α15、水平前后加载系统Α14、水平左右加载系统Α13，控制并制造震动，模拟一个工作面的一次现场爆破。
[0111]操控各个加载系统的各个千斤顶之间相互配合，模拟出一次现场爆破，即为实际生产中的“落矿”。
[0112]步骤6:直接将震动形成的岩体模型Al2碎块排出。
[0113]震动形成的岩体模型Α12碎块即为模拟实际生产中的崩落下来的“矿石”；将“矿石”排出后完成本次模拟，也可进行下一步模拟。
[0114]如果不仅仅是模拟一个工作面的一次现场爆破，而是需要对整个区段的开采进行模拟，在步骤6之后还应采取下述步骤:
[0115]步骤7:拆除下一块矩形小钢板Α7;
[0116]步骤8:操控垂直加载系统Α15、水平前后加载系统Α14、水平左右加载系统Α13，控制并制造震动，再次模拟一个工作面的一次现场爆破；
[0117]步骤9:重复步骤7、8，直至完成本区段开采模拟。
[0118]根据模拟的情况需要，步骤7中可以在已拆除的第一个矩形小钢板Α7的相邻位置拆除下一块矩形小钢板Α7;也可以在同一排位置上选取一块矩形小钢板Α7。
[0119]如果有需要针对整个金属矿开采模拟，在步骤9后还应采取下述步骤:
[0120]步骤10:对另一排矩形小钢板Α7重复上述步骤5?9，可以实现不同水平的金属矿崩落法开采模拟。
[0121]上述模拟试验中，水平面夹角α= 0°时，为金属矿崩落法水平开采模拟。水平面夹角α#0°时，为金属矿崩落法的倾斜开采模拟。
[0122]本实施例中，类似的，首先架构反力架AO，然后利用机器人或人工模拟挖掘一个工作面，随后再启动水平左右加载系统Α13、水平前后加载系统Α14及垂直加载系统Α15等设备(具体的可以操控、配合各个上侧震动千斤顶Α18、各个左侧震动千斤顶Α16和各个后侧震动千斤顶Α17)，控制并制造震动，每次模拟一个工作面的一次现场爆破，多次重复模拟，完全实现模拟金属矿崩落法开采采矿。
[0123]实施例4:房柱法开采模拟
[0124]步骤I与实施例1中模拟巷道掘进一致;直到完成第一个巷道的开挖。然后采取下列步骤来模拟金属矿崩落法开采生产:
[0125]步骤5:在已拆除的矩形小钢板Α7同一排、间隔一个或多个矩形小钢板Α7拆除下一块矩形小钢板Α7;在拆除矩形小钢板Α7的位置放入挖掘机器人，或者人工模拟挖掘岩体模型Al 2至目标位置。
[0126]步骤6:同一排矩形小钢板A7的上的挖掘完成后，再在另外两个矩形大钢板A6之间的一排矩形小钢板A7上重复步骤2?5，形成纵横交错的巷道，实现房柱法开采的模拟。
[0127]本实施例中，将矩形大钢板A6之间的矩形小钢板A7拆除，露出的岩体模型A12就是模拟岩体。通过拆除不同位置的矩形小钢板A7，留下一部分岩体模型A12不开挖，就是模拟开挖中保留的岩体部分。这样实现煤矿中沿空掘巷留小煤柱开采。该发明还可以模拟沿空掘巷留设不同尺寸小煤柱巷道掘进等。
【主权项】
1.一种配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:包括三维物理模型试验装置和配套机器人两大部分，三维物理模型试验装置的外部为反力架(AO)，所述反力架(AO)的立方体形框架由八个横向设置的水平梁(Al)和四个纵向设置的立柱(A2)组成； 所述反力架(AO)的至少一个立方体框架面(AU)上有如下设置:相对设置的第一立柱(A2.1)和第二立柱(A2.2)之间设置至少两个相互平行的与水平面夹角为α矩形大钢板(Α6)，相邻的两个矩形大钢板(Α6)之间设置有至少一排矩形小钢板(Α7); 所述反力架(AO)其他的框架侧面均设置反力架面板(AlO);在反力架(AO)的内部设置岩体模型(A12);在岩体模型(Α12)的三个表面上分别安装有上承压板(Α22)、左承压板(Α19)和后承压板(Α21); 在岩体模型(Α12)的上承压板(Α22)和相应的顶端反力架面板(AlO)之间设置若干个上侧震动千斤顶(Α18)构成垂直加载系统(Α15); 在岩体模型(Α12)的左承压板(Α19)和相应的侧面反力架面板(AlO)之间设置若干个左侧震动千斤顶(Α16)构成水平左右加载系统(Α13); 在岩体模型(Α12)的后承压板(Α21)和相应的后面反力架面板(AlO)之间设置若干个后侧震动千斤顶(Α17)构成水平前后加载系统(Α14); 配套机器人主要包括机器人机身(I )，配套设置锚杆支护系统(20)和注浆系统;在机器人机身(I)的头部顶端设置刀盘(6)，在机器人机身(I)上设置至少一组撑靴(2)和至少一组驱动轮(3);从机器人机身(I)的尾部伸出的操控管线(12)将机器人操控系统(14)和驱动轮(3)连接。2.根据权利要求1所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:所述的每个矩形大钢板(Α6)的两端至少设置有一组矩形螺栓孔(Α6.1)和弧形螺栓孔(Α6.2);沿矩形大钢板(Α6)的两长边均设置有多个小矩形钢板连接螺栓孔(Α6.3); 矩形大钢板(Α6)同一端的一组矩形螺栓孔(Α6.1)和弧形螺栓孔(Α6.2)为上下设置，其中矩形螺栓孔(Α6.1)呈矩形挖孔，其长边和矩形大钢板(Α6)平行，弧形螺栓孔(Α6.2)呈60°?120°的扇环形挖孔，其中心轴和矩形螺栓孔(Α6.1)重合，且该弧形螺栓孔(Α6.2)的圆心靠近矩形螺栓孔(Α6.1)—侧。3.根据权利要求2所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:所述的每个小矩形钢板(Α7)的一侧面设有手柄(Α7.1)，每个小矩形钢板(Α7)的四角上均设置有小矩形钢板连接螺栓孔(Α7.2);矩形大钢板(Α6)的矩形大钢板连接螺栓孔(Α6.3)和小矩形钢板(Α7)上的小矩形钢板连接螺栓孔(Α7.2)的尺寸相同，且排列位置相应。4.根据权利要求3所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:所述的立方体框架面(Al I)上有如下设置:相对设置的第一立柱(Α2.1)和第二立柱(Α2.2)的内侧均设置有螺栓安装凹槽(A3);在立方体框架面(AlI)的第一立柱(Α2.1)和第二立柱(Α2.2)之间利用螺栓(Α9)设置若干矩形大钢板(A6);将螺栓(Α9)的螺栓头安装在螺栓安装凹槽(A3)内；该螺栓(Α9)的螺杆部分伸出在螺栓安装凹槽(A3)之外;与水平面呈夹角α倾斜的矩形大钢板(Α6)两端的矩形螺栓孔(Α6.1)、弧形螺栓孔(Α6.2)套装在这些螺栓(Α9)的螺杆上;安装螺帽将矩形大钢板(Α6)设置在第一立柱(Α2.1)和第二立柱(Α2.2)之间的预定位置上； 至少在相邻的两块矩形大钢板(Α6)之间设置至少一排相邻紧密排列的小矩形钢板(A7);将每个小矩形钢板连接螺栓孔(Α7.2)和矩形大钢板连接螺栓孔(Α6.3)对齐后，利用连接螺栓(AS)从外侧将每块小矩形钢板(A7)紧密相邻排列的安装在矩形大钢板(A6)之间；每块小矩形钢板(A7)的手柄(A7.1)均位于外侧。5.根据权利要求4所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:矩形大钢板(A6)的长宽比大于5;小矩形钢板(A7)的长宽比在0.8?1.2之间，且小矩形钢板(A7)的短边和矩形大钢板(A6)的短边的比例在0.5?2之间。6.根据权利要求1?5中任一项所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:所述的刀盘(6)通过中心的转轴(9)及周围的多个微型千斤顶(5)设置在机器人机身(I)的端头部位； 所述的刀盘(6)的前端面中心部位为盾构盘(7);所述的盾构盘(7)为圆形，其上设置有中心对称布置的多个合金齿(7.1a)、多个排渣孔(7.1b)和至少一个鱼尾刀(7.lc)。7.根据权利要求6所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:在圆形刀盘(7.1)的外侧还可以在单边设置若干辅助主动钻进头(7.2)，辅助主动钻进头(7.2)后部设置微型电机(16)。8.根据权利要求1?5中任一项所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:在所述机器人机身(I)上配套设置的锚杆操控系统(15)通过操控管线(12)连接控制所述的锚杆支护系统(20)所述的锚杆支护系统(20)，主要包括锚杆(21)、锚杆千斤顶(22)、锚杆弹簧(23);多个锚杆(21)依次设置在巷道内部，第一根锚杆(21)位于锚杆千斤顶(22)顶端，最后一根锚杆(21)由锚杆弹簧(23)横向固定。9.根据权利要求1?5中任一项所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:所述的注浆系统包括注浆管(4)、注浆口(10)和注浆操控系统(13);注浆口(10)为环绕设置在注浆管(4)上;注浆管(4)从机器人机身(I)的尾部伸出；在机器人机身(I)的尾部伸出的操控管线(12)连接注浆操控系统(13)。
【文档编号】B25J11/00GK205720223SQ201620380073
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】周辉, 胡明明, 张勇慧, 张传庆, 高阳, 卢景景, 魏天宇, 黄磊
【申请人】中国科学院武汉岩土力学研究所
【专利摘要】本实用新型涉及一种配套三维物理模型试验机器人系统，包括三维物理模型试验装置和配套机器人两大部分，它的外部为反力架，反力架的至少一个立方体框架面上有如下设置：相对设置的立柱间设置至少两个相互平行的矩形大钢板，相邻的两个矩形大钢板之间设置有至少一排小矩形钢板；在反力架的内部设置岩体模型；在二者之间设置垂直加载系统、水平左右加载系统和水平前后加载系统；该配套机器人主要包括机器人机身，配套设置锚杆支护系统和注浆系统；在机器人机身的头部顶端设置刀盘，在机器人机身上设置至少一组撑靴和至少一组驱动轮；操控管线将机器人操控系统和驱动轮连接。本实用新型能准确的揭示巷道开挖及工作面回采时围岩演化规律提供可靠的试验手段。
【专利说明】
配套三维物理模型试验机器人系统
技术领域
[0001]本实用新型属于岩体力学的三维物理模型试验装置技术领域，具体涉及一种配套三维物理模型试验机器人系统。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的发展及国民经济的需求，地下矿山及隧道建设向深部转移，岩石力学的研究重点日益转向地下，在采矿工程和水电工程领域，地下巷道的长度、跨度及埋深也越来越大，因此在复杂地质条件下巷道开挖造成的围岩应力调整过程及稳定性问题变得尤为重要，而现场围岩监测需要较多的人力、物力和财力，付出的工作量大、周期长，而围岩的变化和应力分布情况不能直接观测到，在监测时又经常受到现场条件的限制，难以取得较好的成果。
[0003]物理模型试验是研究深埋巷道及矿山压力的重要研究手段之一，以相似理论为基础的模型试验在配制与工程岩体性质相似的物理材料基础上，对试件进行加载、开挖和支护等，研究地下洞室的受力、变形和稳定性问题。物理模型试验可以模拟巷道开挖、工作面回采等对围岩应力调整过程、位移分布特征及位移最大值发生部位等。
[0004]物理模型试验中圆形巷道使用钻机开挖较容易实现，对于矩形巷道、直墙拱型巷道一般是采用手动开挖的方法或者预埋与隧洞形状一样的柱体。手动开挖费时费力且成巷效果不好，预埋柱体的方法分为加载前取出柱体一次成巷和加载过程中顶出柱体分段成巷，前者与现场实际开挖过程差距太大，后者在高应力和多条巷道交错时较难实现。在采煤工作面回采三维模拟中，基本采用人工和简易机械开挖，与实际开挖过程不符，无法实现采煤机割煤回采及一定倾角的倾斜回采。
【发明内容】
[0005]针对上述存在问题，本实用新型设计了一种配套三维物理模型试验机器人系统:包括三维物理模型试验装置和配套机器人两大部分，三维物理模型试验装置的外部为反力架，所述反力架的立方体形框架由八个横向设置的水平梁和四个纵向设置的立柱组成；
[0006]所述反力架的至少一个立方体框架面上有如下设置:相对设置的第一立柱和第二立柱之间设置至少两个相互平行的与水平面夹角为α矩形大钢板，相邻的两个矩形大钢板之间设置有至少一排矩形小钢板；
[0007]所述反力架其他的框架侧面均设置反力架面板;在反力架的内部设置岩体模型；在岩体模型的三个表面上分别安装有上承压板、左承压板和后承压板；
[0008]在岩体模型的上承压板和相应的顶端反力架面板之间设置若干个上侧震动千斤顶构成垂直加载系统；
[0009]在岩体模型的左承压板和相应的侧面反力架面板之间设置若干个左侧震动千斤顶构成水平左右加载系统；
[0010]在岩体模型的后承压板和相应的后面反力架面板之间设置若干个后侧震动千斤顶构成水平前后加载系统；
[0011 ]配套机器人主要包括机器人机身，配套设置锚杆支护系统和注浆系统；在机器人机身的头部顶端设置刀盘，在机器人机身上设置至少一组撑靴和至少一组驱动轮;从机器人机身的尾部伸出的操控管线将机器人操控系统和驱动轮连接。
[0012]上述技术方案中，所述的每个矩形大钢板的两端至少设置有一组矩形螺栓孔和弧形螺栓孔;沿矩形大钢板的两长边均设置有多个小矩形钢板连接螺栓孔；
[0013]矩形大钢板同一端的一组矩形螺栓孔和弧形螺栓孔为上下设置，其中矩形螺栓孔呈矩形挖孔，其长边和矩形大钢板平行，弧形螺栓孔呈60°?120°的扇环形挖孔，其中心轴和矩形螺栓孔重合，且该弧形螺栓孔的圆心靠近矩形螺栓孔一侧。
[0014]上述技术方案中，所述的每个小矩形钢板的一侧面设有手柄，每个小矩形钢板的四角上均设置有小矩形钢板连接螺栓孔;矩形大钢板的矩形大钢板连接螺栓孔和小矩形钢板上的小矩形钢板连接螺栓孔的尺寸相同，且排列位置相应。
[0015]上述技术方案中，所述的立方体框架面上有如下设置:相对设置的第一立柱和第二立柱的内侧均设置有螺栓安装凹槽;在立方体框架面的第一立柱和第二立柱之间利用螺栓设置若干矩形大钢板;将螺栓的螺栓头安装在螺栓安装凹槽内；该螺栓的螺杆部分伸出在螺栓安装凹槽之外;与水平面呈夹角α倾斜的矩形大钢板两端的矩形螺栓孔、弧形螺栓孔套装在这些螺栓的螺杆上;安装螺帽将矩形大钢板设置在第一立柱和第二立柱之间的预定位置上；
[0016]至少在相邻的两块矩形大钢板之间设置至少一排相邻紧密排列的小矩形钢板;将每个小矩形钢板连接螺栓孔和矩形大钢板连接螺栓孔对齐后，利用连接螺栓从外侧将每块小矩形钢板紧密相邻排列的安装在矩形大钢板之间;每块小矩形钢板的手柄均位于外侧。
[0017]上述技术方案中，矩形大钢板的长宽比大于5;小矩形钢板的长宽比在0.8?1.2之间，且小矩形钢板的短边和矩形大钢板的短边的比例在0.5?2之间。
[0018]上述技术方案中，所述的刀盘通过中心的转轴及周围的多个微型千斤顶设置在机器人机身的端头部位；
[0019]所述的刀盘的前端面中心部位为盾构盘;所述的盾构盘为圆形，其上设置有中心对称布置的多个合金齿、多个排渣孔和至少一个鱼尾刀。
[0020]上述技术方案中，在圆形刀盘的外侧还可以在单边设置若干辅助主动钻进头，辅助主动钻进头后部设置微型电机。
[0021]上述技术方案中，在所述机器人机身上配套设置的锚杆操控系统通过操控管线连接控制所述的锚杆支护系统所述的锚杆支护系统，主要包括锚杆、锚杆千斤顶、锚杆弹簧；多个锚杆依次设置在巷道内部，第一根锚杆位于锚杆千斤顶顶端，最后一根锚杆由锚杆弹簧横向固定。
[0022]上述技术方案中，所述的注浆系统包括注浆管、注浆口和注浆操控系统;注浆口为环绕设置在注浆管上;注浆管从机器人机身的尾部伸出；在机器人机身的尾部伸出的操控管线连接注浆操控系统。
[0023]本实用新型设计的上述配套三维物理模型试验机器人系统，具有以下优点:
[0024]1、全方位三维模拟岩体内、外受力以及震动等情形，模拟还原实际岩体的预应力受力情况。
[0025]2、实际生产中，巷道及煤层开挖受到地形、岩体等多方限制，往往呈现各种倾斜和迂回。将两块矩形大钢板之间的一排矩形小钢板拆除，露出的岩体模型即模拟岩体。通过拆除不同位置的矩形小钢板，留下一部分岩体模型不开挖，是模拟开挖中保留的岩体部分。通过不同尺寸的矩形大、小钢板之间相互配合，可以实现不同尺寸的巷道、工作面以及保留岩体之间的模拟。
[0026]3、巷道和工作面由配套机器人开挖处理，能够真实的模拟盾构设备的掘进过程，以及采矿时的各种开挖操作，相比现有的预埋法的模拟效果更接近实际情况。
[0027]4、在上述掘进模拟过程中，还可以利用各个加载系统及各个千斤顶给岩体模型施加外力，同步模拟实际岩体受到的内部应力;可以适应更多更复杂的模拟情况。
[0028]5、掘进模拟的同时，还可以进行模拟锚杆定位及围岩喷浆等操作，能够全面的模拟实际生产的情形，满足科研及生产的需要。
[0029]本实用新型设计的配套三维物理模型试验机器人系统，配合机器人后的自动化开采模拟能够模拟各种岩体内开挖巷道、工作面、掘进面等情形，外部可调控岩体模型的受力情况，同时还配合指定位置锚杆及围岩喷浆等操作;整体结构坚固，操作简单，保证岩体挖掘的模拟试验结果准确可靠，可广泛应用于各种隧洞、围岩、巷道、掘进面等岩体开挖的模拟生产情形，配合相应的岩体的试验和研究。
【附图说明】
[0030]图1为一种三维物理模型试验装置的结构示意图。
[0031]图2是图1中外力架的结构示意图。
[0032]图3是图2中外力架的俯视结构示意图。
[0033]图4是图1中连接螺栓将矩形大钢板安装在立柱上的局部结构示意图。
[0034]图5是图1中立方体框架面的布置结构示意图。
[0035]图6是图5中矩形大钢板和矩形小钢板连接结构示意图。
[0036]图7是矩形大钢板的结构示意图。
[0037]图8为矩形小钢板的结构左视图。
[0038]图9为矩形小钢板的结构正视图。
[0039]图10是岩体模型及加载系统的结构示意图。
[0040]图11是岩体模型及加载系统的结构示意图。
[0041 ]图12是机器人的整体结构示意图。
[0042]图13是机器人的注浆口的结构示意图。
[0043]图14是机器人的锚杆支护系统的整体结构示意图。
[0044]图15单个锚杆的结构示意图。
[0045]图16是锚杆支护系统的整体结构示意图。
[0046]图17是盾构盘的正面结构示意图。
[0047]图18是盾构盘的侧面结构示意图。
[0048]图19是带二个辅助主动钻进头的盾构盘的侧面结构示意图。
[0049]图20是带四个辅助主动钻进头的盾构盘的侧面结构示意图。
[0050]图21是辅助主动钻进头的及微型电机的结构示意图。[0051 ]图中:反力架AO、水平梁Al、立柱A2 (其中第一立柱A2.1，第二立柱A2.2)、螺栓安装凹槽A3、卡口 A4、凸条A5、矩形大钢板A6(其中:矩形螺栓孔A6.1、弧形螺栓孔A6.2、矩形大钢板连接螺栓孔A6.3)、矩形小钢板A7(其中:手柄A7.1、小矩形钢板连接螺栓孔A7.2)、连接螺栓A8、螺栓A9、反力架面板A1、立方体框架面A11、岩体模型A12、水平左右加载系统A13、水平前后加载系统A14、垂直加载系统A15、左侧震动千斤顶A16、后侧震动千斤顶A17、上侧震动千斤顶A18、左承压板A19、后承压板A21、上承压板A22、
[0052]机器人机身1、撑靴2、驱动轮3、注浆管4、微型千斤顶5、刀盘6、盾构盘7(其中:合金齿7.1a、出渣孔7.1b、鱼尾刀7.1c、合金钻头7.2)、排渣孔8、转轴9、注浆孔10、电机11、操控管线12、注浆操控系统13、机器人操控系统14、锚杆操控系统15、微型电机16、锚杆支护系统20、锚杆21、锚杆千斤顶22、锚杆弹簧23。
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述，以便于人们对本实用新型的理解。
[0054]如图1?11所示，本实用新型设计了一种三维物理模型试验装置，包括三维物理模型试验装置和配套机器人两大部分，它的外部为反力架A0，所述反力架AO的立方体形框架由八个横向设置的水平梁Al和四个纵向设置的立柱A2组成，所述反力架AO的至少一个立方体框架面All上有如下设置:
[0055]相对设置的第一立柱A2.1和第二立柱A2.2之间设置至少两个相互平行的与水平面夹角为α的矩形大钢板A6，相邻的两个矩形大钢板A6之间设置有至少一排矩形小钢板A7。
[0056]所述反力架AO其他的框架侧面均设置反力架面板Α10。在反力架AO的内部设置岩体模型Α12。在岩体模型Α12的三个表面上分别安装有上承压板Α22、左承压板Α19和后承压板 Α21。
[0057]在岩体模型Α12的上承压板Α22和相应的顶端反力架面板AlO之间设置若干个上侧震动千斤顶Α18构成垂直加载系统Α15。
[0058]在岩体模型Α12的左承压板Α19和相应的侧面反力架面板AlO之间设置若干个左侧震动千斤顶Α16构成水平左右加载系统Α13。
[0059]在岩体模型Α12的后承压板Α21和相应的后面反力架面板AlO之间设置若干个后侧震动千斤顶Α17构成水平前后加载系统Α14。
[0060]依此，通过垂直加载系统Α15、水平前后加载系统Α14和水平左右加载系统Α13可以有效的对岩体模型Α12施加外力，实现三维方向施力的独立加载，从而有效的模拟岩体的外部施力及内部应力。
[0061]上述的各个千斤顶及加载系统能够一方面在架构试验装置初期，直接向岩体模型Α12施加模拟应力，模拟岩体受力；另一方面同时还可以在模拟施工过程中的，控制千斤顶操作来施加震动，以模拟崩落采矿法或岩体震动。能够较为全面的模拟各种开挖、掘进的实际生产情形。
[0062 ]具体的，该反力架AO的立柱Α2和水平梁AI之间以突出的凸条Α5和凹陷的卡口 Α4榫卯式连接而成。
[0063]具体的，每个矩形大钢板Α6的两端至少设置有一组矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔A6.2；沿矩形大钢板A6的两长边均设置有多个矩形小钢板连接螺栓孔A6.3。
[0064]具体的，矩形大钢板A6同一端的一组矩形螺栓孔A6.1和弧形螺栓孔A6.2为上下设置，其中矩形螺栓孔A6.1呈矩形挖孔，其长边和矩形大钢板A6平行，弧形螺栓孔A6.2呈60°?120°的扇环形挖孔，其中心轴和矩形螺栓孔A6.1重合，且该弧形螺栓孔A6.2的圆心靠近矩形螺栓孔A6.1—侧。
[0065]具体的，每个矩形小钢板A7的一侧面设有手柄A7.1，每个矩形小钢板A7的四角上均设置有矩形小钢板连接螺栓孔A7.2。矩形大钢板A6的矩形大钢板连接螺栓孔A6.3和矩形小钢板A7上的矩形小钢板连接螺栓孔A7.2的尺寸相同，且排列位置相应。
[0066]本实施例中，矩形大钢板A6的长宽比大于5。矩形小钢板A7的长宽比在0.8?1.2之间，且矩形小钢板A7的短边和矩形大钢板A6的短边的比例在0.5?2之间。弧形螺栓孔A6.2为90°的扇环形挖孔。
[0067]具体的，如图5所示的立方体框架面AlI的内部视角，该立方体框架面Al I上有如下设置:相对设置的第一立柱A2.1和第二立柱A2.2的内侧均设置有螺栓安装凹槽A3。在立方体框架面Al I的第一立柱A2.1和第二立柱A2.2之间利用螺栓A9设置若干矩形大钢板A6。将螺栓A9的螺栓头安装在螺栓安装凹槽A3内；该螺栓A9的螺杆部分伸出在螺栓安装凹槽A3之外;矩形大钢板A6两端的矩形螺栓孔A6.1、弧形螺栓孔A6.2套装在这些螺栓A9的螺杆上;安装螺帽后即可将矩形大钢板A6设置在第一立柱A2.1和第二立柱A2.2之间的预定位置上。
[0068]至少在相邻的两块矩形大钢板A6之间设置至少一排相邻紧密排列的矩形小钢板A7。将每个矩形小钢板连接螺栓孔A7.2和矩形大钢板连接螺栓孔A6.3对齐后，利用连接螺栓AS从外侧将每块矩形小钢板A7紧密相邻排列的安装在矩形大钢板A6之间。每块矩形小钢板A7的手柄A7.1均位于外侧。
[0069]具体的，将每一块矩形大钢板A6以与水平面呈夹角α倾斜设置在第一立柱A2.1和第二立柱Α2.2之间，其两端的一组矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔Α6.2分别插入安装在螺栓安装凹槽A3内的螺栓Α9的螺杆部分，然后安装螺帽固定。
[0070]为了保证每个矩形大钢板Α6均设置在两个第一立柱Α2.1和第二立柱Α2.2之间，可以设计一系列的不同长度的矩形大钢板Α6。或者在足够长的矩形大钢板Α6上设置多组矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔Α6.2，安装时利用不同位置上的一组矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔Α6.2，以适应不同α的倾斜。
[0071]每一块矩形大钢板Α6以和水平的夹角α = 0?45° ;即可以实现不同倾角下的巷道、煤层等挖掘、开采模拟。
[0072]依上述方式设置的整个立方体框架面All仅由矩形大、小钢板Α6、Α7组成。其中，矩形小钢板Α7为模拟挖掘巷道(面)，矩形大钢板Α6模拟不开挖的岩体面。将某块矩形小钢板Α7上的连接螺栓AS全部拆除后，可以握住手柄Α7.1将该矩形小钢板Α7取下;然后在暴露的岩体模型Α12上模拟挖掘。在一个矩形小钢板Α7掘进至一定程度后，再将另一块矩形小钢板Α7拆下并模拟挖掘，即可模拟岩体上挖掘不同的巷道时的受力情况。或者将相邻的若干个矩形小钢板Α7全部拆除，此时，两个矩形大钢板Α6之间的空隙即可模拟和水平面夹角为α的开挖面，模拟煤层挖掘。
[0073]该反力架AO的使用时，仅仅设置一个如上的立方体框架面All，即可有效的模拟岩体加载;也可以在相邻的两个面上都设置立方体框架面All，更大范围的模拟贯穿式的掘进等情况。
[0074]为了模拟巷道开挖情况，本实用新型可以直接采用人工方式开挖，或者配套开挖用机器人模拟盾构机的挖掘。
[0075]如图12?21所示，为了模拟巷道开挖情况，本实用新型设计的配套机器人主要包括机器人机身I，在机器人机身I的头部顶端设置刀盘6，中部设置多个注浆口 10。在机器人机身I上设置至少一组撑靴2和至少一组驱动轮3。连接注浆口 10的注浆管4和操控管线12从机器人机身I的尾部伸出。机器人操控系统14通过操控管线12连接控制所述的驱动轮3;锚杆操控系统15通过操控管线12连接控制所述的锚杆支护系统20。
[0076]通常在机器人机身I尾部和中部各设置一组驱动轮3，机器人操控系统14通过操控管线12控制驱动轮3前进和后退，微型千斤顶5通过液压控制千斤顶油缸内液压油的进出来实现千斤顶的伸缩，实现固定机器人机身I和提供支撑作用。
[0077]具体的，刀盘6的前端面的中心部位为盾构盘7。所述的盾构盘7为圆形，其上设置有中心对称布置的多个合金齿7、多个排渣孔8和至少一个鱼尾刀7.lc。
[0078]如图16?19所示，盾构盘7的中心为圆形刀盘7.1，在圆形刀盘7.1上均匀对称的设置有合金齿7.1a和排渣孔7.lb，在其中部还设置有一个鱼尾刀7.lc。通常采用圆形刀盘7.1处理掘进的巷道断面为圆形的情况。
[0079]在圆形刀盘7.1的外侧还可以在单边设置若干辅助主动钻进头7.2，辅助主动钻进头7.2后部由微型电机16提供动力。具体的，将若干大小不一的辅助主动钻进头7.2组成直墙半圆拱形的一组。一组或两组辅助主动钻进头7.2配合一个圆形刀盘7.1，能够对圆形刀盘7.1以外区域的钻进，掘进完成所需的巷道断面形状。
[0080]具体的，刀盘6通过中心的转轴9及周围的多个微型千斤顶5设置在机器人机身I的端头部位，由电机11提供扭矩，微型千斤顶5提供推力。机器人机身I中部设置有一组或多组撑靴2，沿周向提供支撑作用。撑靴2配合微型千斤顶对称的布置在机器人机身I的上下端，同时驱动轮3也可以对机器人机身I提供支撑。
[0081]刀盘6在微型千斤顶5提供的推力作用下首先压入掌子面岩体中，在电机11提供的扭矩作用下旋转切削岩体形成圆形断面；同时还可以辅助使用主动钻进合金钻头7.2实现圆形断面之外的开挖，刀具削落的渣土可在鱼尾刀12带动下通过刀盘6上的排渣孔8排出。
[0082]在机器人机身I上还通过锚杆支护系统20和注浆系统实现锚杆支护和喷浆支护两种形式的支护操作，可以克服狭小空间人工手动操作的弊端，实现自动化操作。
[0083]如图13?15所示，所述的锚杆支护系统20，主要包括锚杆21、锚杆千斤顶22、锚杆弹簧23。多个锚杆21依次设置在巷道内部，第一根锚杆21位于锚杆千斤顶22顶端，最后一根锚杆21由锚杆弹簧23横向固定。在巷道壁上钻孔时，将第一根锚杆21推到锚杆千斤顶22上，启动锚杆千斤顶22伸出将锚杆21打入围岩内后缩回，锚杆弹簧23将下一根锚杆21推到锚杆千斤顶22上，如此循环，实现锚杆支护围岩。
[0084]如图11、12所示，所述的注浆系统，包括注浆管4、注浆口10和注浆操作系统。浆液通过注浆管4由注浆口 10喷出，实现围岩表面喷浆，模拟现场围岩喷浆，实现和现场的一致性。所述的注浆口 10为环绕设置在注浆管4上，套装在机器人机身I的头部的后方，注浆管4从机器人机身I的尾部伸出。
[0085]实施例1:巷道掘进模拟
[0086]利用上述三维物理模型试验装置模拟巷道掘进的方法，包括以下步骤:
[0087]步骤1:架构反力架AO，建立模型装置:
[0088]架构反力架A0，在立方体框架面All上设置与水平面呈夹角α的多个相互平行的矩形大钢板Α6，并在两块矩形大钢板Α6之间设置多块并排的矩形小钢板Α7。
[0089]在反力架AO内设置岩体模型Α12，并安装垂直加载系统Α15、水平前后加载系统Α14、水平左右加载系统Α13。
[0090]设定垂直加载系统Α15、水平前后加载系统Α14、水平左右加载系统Α13对岩体模型Α12加载压力。
[0091]矩形大钢板Α6和水平面夹角α即为待模拟的巷道和水平的夹角。当水平面夹角α=0°时，为水平开采模拟。
[0092]步骤2:在模拟的巷道掘进位置处拆除一块或多块矩形小钢板Α7;形成和水平面夹角为α的巷道掘进面。
[0093]步骤3:在拆除矩形小钢板Α7的位置放入挖掘机器人，或者人工模拟挖掘岩体模型Al 2至目标位置。
[0094]使用挖掘机器人模拟时，先固定机器人，然后启动该机器人旋转切削压入岩体模型Α12，挖掘的“渣土”(岩体模型Α12碎肩)从后方排出。当掘进一个步距后，操控机器人前进，此时完成一个步距的开挖模拟，同时还可以配套模拟支护及其他操作。
[0095]使用人工模拟挖掘岩体模型Α12时，可以使用工具直接挖掘至目标位置
[0096]步骤4:重复步骤2和3，直到完成第一个巷道的模拟开挖。
[0097]具体的，当两块矩形大钢板Α6之间拆除一块矩形小钢板Α7后，能够构成一个模拟的巷道掘进位置，直接采用机器人或人工开挖岩体模型Α12，形成的孔洞即为模拟的巷道。有些模拟试验中，多块相邻的矩形小钢板Α7全部开挖后形成的一个较大的倾斜的工作面才能模拟一个巷道。此时，通常是先将一块矩形小钢板Α7挖掘至目标位置后，再拆除其相邻的矩形小钢板Α7，并将其挖掘至目标位置;依此直至将相邻的多个矩形小钢板Α7均挖掘至目标位置，形成模拟巷道或工作面。
[0098]为了贴近实际的生产及科研情形，通过在不同水平(不同的两块矩形大钢板Α6之间)、不同位置(相同的两块矩形大钢板Α6之间、不相邻)上拆除若干个矩形小钢板Α7，实现巷道不同布置位置的模拟;包括相同水平和不同水平巷道纵横交错布置。通过机器人或者人工掘进，可以实现不同断面的巷道的开挖。
[0099]通常是在设计模拟时，预先将待模拟掘进面相应的位置上设置多块并排的矩形小钢板Α7，多个不同层面的待模拟掘进面则设置多个不同层面并排的矩形小钢板Α7，保留岩体不开挖的位置设置大矩形钢板Α6，依此设计立方体框架面Al I;从而实现模拟不同水平上巷道交错布置。
[0100]实施例2:煤层水平、倾斜开采模拟
[0101]利用上述三维物理模型试验装置模拟煤层水平开采的方法，包括以下步骤:
[0102]步骤I?3:与实施例1中模拟巷道掘进一致。直到完成第一个巷道的开挖。
[0103]步骤4:在已拆除的第一个矩形小钢板Α7的相邻位置拆除下一块矩形小钢板Α7。
[0104]步骤5:重复步骤2?4，完成工作面推进模拟。
[0105]本实施例中，依次拆除相邻的矩形小钢板Α7，依此可以对立方体框架面All上的两个矩形大钢板A6之间的一个模拟工作面进行全部回采模拟。
[0106]如果有需要，可以对另外两个矩形大钢板A6之间的另一排矩形小钢板A7重复上述步骤，即可实现煤层的不同水平的工作面同回采模拟试验。
[0107]上述模拟试验中，水平面夹角α= 0°时，为煤层的水平开采模拟。水平面夹角α#0°时，为煤层的倾斜开采模拟。
[0108]实施例3:金属矿崩落法开采模拟
[0109]步骤I?4:与实施例1中模拟巷道掘进一致;直到完成第一个巷道的开挖。然后采取下列步骤来模拟金属矿崩落法开采生产:
[0110]步骤5:操控垂直加载系统Α15、水平前后加载系统Α14、水平左右加载系统Α13，控制并制造震动，模拟一个工作面的一次现场爆破。
[0111]操控各个加载系统的各个千斤顶之间相互配合，模拟出一次现场爆破，即为实际生产中的“落矿”。
[0112]步骤6:直接将震动形成的岩体模型Al2碎块排出。
[0113]震动形成的岩体模型Α12碎块即为模拟实际生产中的崩落下来的“矿石”；将“矿石”排出后完成本次模拟，也可进行下一步模拟。
[0114]如果不仅仅是模拟一个工作面的一次现场爆破，而是需要对整个区段的开采进行模拟，在步骤6之后还应采取下述步骤:
[0115]步骤7:拆除下一块矩形小钢板Α7;
[0116]步骤8:操控垂直加载系统Α15、水平前后加载系统Α14、水平左右加载系统Α13，控制并制造震动，再次模拟一个工作面的一次现场爆破；
[0117]步骤9:重复步骤7、8，直至完成本区段开采模拟。
[0118]根据模拟的情况需要，步骤7中可以在已拆除的第一个矩形小钢板Α7的相邻位置拆除下一块矩形小钢板Α7;也可以在同一排位置上选取一块矩形小钢板Α7。
[0119]如果有需要针对整个金属矿开采模拟，在步骤9后还应采取下述步骤:
[0120]步骤10:对另一排矩形小钢板Α7重复上述步骤5?9，可以实现不同水平的金属矿崩落法开采模拟。
[0121]上述模拟试验中，水平面夹角α= 0°时，为金属矿崩落法水平开采模拟。水平面夹角α#0°时，为金属矿崩落法的倾斜开采模拟。
[0122]本实施例中，类似的，首先架构反力架AO，然后利用机器人或人工模拟挖掘一个工作面，随后再启动水平左右加载系统Α13、水平前后加载系统Α14及垂直加载系统Α15等设备(具体的可以操控、配合各个上侧震动千斤顶Α18、各个左侧震动千斤顶Α16和各个后侧震动千斤顶Α17)，控制并制造震动，每次模拟一个工作面的一次现场爆破，多次重复模拟，完全实现模拟金属矿崩落法开采采矿。
[0123]实施例4:房柱法开采模拟
[0124]步骤I与实施例1中模拟巷道掘进一致;直到完成第一个巷道的开挖。然后采取下列步骤来模拟金属矿崩落法开采生产:
[0125]步骤5:在已拆除的矩形小钢板Α7同一排、间隔一个或多个矩形小钢板Α7拆除下一块矩形小钢板Α7;在拆除矩形小钢板Α7的位置放入挖掘机器人，或者人工模拟挖掘岩体模型Al 2至目标位置。
[0126]步骤6:同一排矩形小钢板A7的上的挖掘完成后，再在另外两个矩形大钢板A6之间的一排矩形小钢板A7上重复步骤2?5，形成纵横交错的巷道，实现房柱法开采的模拟。
[0127]本实施例中，将矩形大钢板A6之间的矩形小钢板A7拆除，露出的岩体模型A12就是模拟岩体。通过拆除不同位置的矩形小钢板A7，留下一部分岩体模型A12不开挖，就是模拟开挖中保留的岩体部分。这样实现煤矿中沿空掘巷留小煤柱开采。该发明还可以模拟沿空掘巷留设不同尺寸小煤柱巷道掘进等。
【主权项】
1.一种配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:包括三维物理模型试验装置和配套机器人两大部分，三维物理模型试验装置的外部为反力架(AO)，所述反力架(AO)的立方体形框架由八个横向设置的水平梁(Al)和四个纵向设置的立柱(A2)组成； 所述反力架(AO)的至少一个立方体框架面(AU)上有如下设置:相对设置的第一立柱(A2.1)和第二立柱(A2.2)之间设置至少两个相互平行的与水平面夹角为α矩形大钢板(Α6)，相邻的两个矩形大钢板(Α6)之间设置有至少一排矩形小钢板(Α7); 所述反力架(AO)其他的框架侧面均设置反力架面板(AlO);在反力架(AO)的内部设置岩体模型(A12);在岩体模型(Α12)的三个表面上分别安装有上承压板(Α22)、左承压板(Α19)和后承压板(Α21); 在岩体模型(Α12)的上承压板(Α22)和相应的顶端反力架面板(AlO)之间设置若干个上侧震动千斤顶(Α18)构成垂直加载系统(Α15); 在岩体模型(Α12)的左承压板(Α19)和相应的侧面反力架面板(AlO)之间设置若干个左侧震动千斤顶(Α16)构成水平左右加载系统(Α13); 在岩体模型(Α12)的后承压板(Α21)和相应的后面反力架面板(AlO)之间设置若干个后侧震动千斤顶(Α17)构成水平前后加载系统(Α14); 配套机器人主要包括机器人机身(I )，配套设置锚杆支护系统(20)和注浆系统;在机器人机身(I)的头部顶端设置刀盘(6)，在机器人机身(I)上设置至少一组撑靴(2)和至少一组驱动轮(3);从机器人机身(I)的尾部伸出的操控管线(12)将机器人操控系统(14)和驱动轮(3)连接。2.根据权利要求1所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:所述的每个矩形大钢板(Α6)的两端至少设置有一组矩形螺栓孔(Α6.1)和弧形螺栓孔(Α6.2);沿矩形大钢板(Α6)的两长边均设置有多个小矩形钢板连接螺栓孔(Α6.3); 矩形大钢板(Α6)同一端的一组矩形螺栓孔(Α6.1)和弧形螺栓孔(Α6.2)为上下设置，其中矩形螺栓孔(Α6.1)呈矩形挖孔，其长边和矩形大钢板(Α6)平行，弧形螺栓孔(Α6.2)呈60°?120°的扇环形挖孔，其中心轴和矩形螺栓孔(Α6.1)重合，且该弧形螺栓孔(Α6.2)的圆心靠近矩形螺栓孔(Α6.1)—侧。3.根据权利要求2所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:所述的每个小矩形钢板(Α7)的一侧面设有手柄(Α7.1)，每个小矩形钢板(Α7)的四角上均设置有小矩形钢板连接螺栓孔(Α7.2);矩形大钢板(Α6)的矩形大钢板连接螺栓孔(Α6.3)和小矩形钢板(Α7)上的小矩形钢板连接螺栓孔(Α7.2)的尺寸相同，且排列位置相应。4.根据权利要求3所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:所述的立方体框架面(Al I)上有如下设置:相对设置的第一立柱(Α2.1)和第二立柱(Α2.2)的内侧均设置有螺栓安装凹槽(A3);在立方体框架面(AlI)的第一立柱(Α2.1)和第二立柱(Α2.2)之间利用螺栓(Α9)设置若干矩形大钢板(A6);将螺栓(Α9)的螺栓头安装在螺栓安装凹槽(A3)内；该螺栓(Α9)的螺杆部分伸出在螺栓安装凹槽(A3)之外;与水平面呈夹角α倾斜的矩形大钢板(Α6)两端的矩形螺栓孔(Α6.1)、弧形螺栓孔(Α6.2)套装在这些螺栓(Α9)的螺杆上;安装螺帽将矩形大钢板(Α6)设置在第一立柱(Α2.1)和第二立柱(Α2.2)之间的预定位置上； 至少在相邻的两块矩形大钢板(Α6)之间设置至少一排相邻紧密排列的小矩形钢板(A7);将每个小矩形钢板连接螺栓孔(Α7.2)和矩形大钢板连接螺栓孔(Α6.3)对齐后，利用连接螺栓(AS)从外侧将每块小矩形钢板(A7)紧密相邻排列的安装在矩形大钢板(A6)之间；每块小矩形钢板(A7)的手柄(A7.1)均位于外侧。5.根据权利要求4所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:矩形大钢板(A6)的长宽比大于5;小矩形钢板(A7)的长宽比在0.8?1.2之间，且小矩形钢板(A7)的短边和矩形大钢板(A6)的短边的比例在0.5?2之间。6.根据权利要求1?5中任一项所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:所述的刀盘(6)通过中心的转轴(9)及周围的多个微型千斤顶(5)设置在机器人机身(I)的端头部位； 所述的刀盘(6)的前端面中心部位为盾构盘(7);所述的盾构盘(7)为圆形，其上设置有中心对称布置的多个合金齿(7.1a)、多个排渣孔(7.1b)和至少一个鱼尾刀(7.lc)。7.根据权利要求6所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:在圆形刀盘(7.1)的外侧还可以在单边设置若干辅助主动钻进头(7.2)，辅助主动钻进头(7.2)后部设置微型电机(16)。8.根据权利要求1?5中任一项所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:在所述机器人机身(I)上配套设置的锚杆操控系统(15)通过操控管线(12)连接控制所述的锚杆支护系统(20)所述的锚杆支护系统(20)，主要包括锚杆(21)、锚杆千斤顶(22)、锚杆弹簧(23);多个锚杆(21)依次设置在巷道内部，第一根锚杆(21)位于锚杆千斤顶(22)顶端，最后一根锚杆(21)由锚杆弹簧(23)横向固定。9.根据权利要求1?5中任一项所述的配套三维物理模型试验机器人系统，其特征在于:所述的注浆系统包括注浆管(4)、注浆口(10)和注浆操控系统(13);注浆口(10)为环绕设置在注浆管(4)上;注浆管(4)从机器人机身(I)的尾部伸出；在机器人机身(I)的尾部伸出的操控管线(12)连接注浆操控系统(13)。
【文档编号】B25J11/00GK205720223SQ201620380073
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】周辉, 胡明明, 张勇慧, 张传庆, 高阳, 卢景景, 魏天宇, 黄磊
【申请人】中国科学院武汉岩土力学研究所
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