一种超高压水射流切割煤体模拟实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及煤矿水射流领域，特别是涉及一种超高压水射流切割煤体模拟实验装置。


背景技术：

2.随着我国煤矿开采逐渐进入深部区域，高地应力导致的冲击地压灾害日益严重。超高压水力割缝技术作为冲击地压防治新技术越来越多的应用于煤矿井下，并取得了较为显著的效果。
3.但目前煤矿井下超高压水力割缝压力、钻杆转速等工艺参数多根据现场经验选择，缺乏有效的验证手段；针对不同煤层硬度条件，没有明确的参数调整，对不同割缝参数条件下射流割缝深度认识模糊，从而影响现场割缝钻孔布置，当钻孔间距布置过大时，不能达到预定的卸压防冲效果，当钻孔间距过小后，又会因为卸压过度影响煤体承载能力，并导致施工效率下降。
4.因此亟需一种超高压水射流切割煤体模拟实验装置来解决上述的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种超高压水射流切割煤体模拟实验装置，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种超高压水射流切割煤体模拟实验装置，包括：
7.机架，所述机架固定安装在地面上，所述机架上固定安装有两个对称设置的导轨；
8.行走机构，所述行走机构包括滑动连接在两所述导轨上的承重板，所述承重板上安装有动力组件；
9.实验机构，所述实验机构包括固定安装在所述承重板上的旋转组件，所述旋转组件的一端连通水源，所述旋转组件的另一端固接并连通有实验杆；
10.装夹机构，所述装夹机构包括用于装夹实验块的装夹组件，所述装夹组件固接在安装组件上，所述安装组件的两端分别与所述导轨固接。
11.优选的，所述动力组件包括固接在所述机架顶端两侧的齿条，两所述齿条分别啮合连接有齿轮，两所述齿轮之间固接有连接轴，所述连接轴贯穿所述承重板并与所述承重板转动连接；所述承重板上安装有安装箱，所述安装箱内安装有驱动电机，所述驱动电机与所述连接轴传动连接。
12.优选的，所述安装箱内安装有控制模块，所述控制模块分别与所述驱动电机和所述旋转组件电性连接；所述安装箱的外壁固接有控制面板，所述控制面板与所述控制模块电性连接。
13.优选的，所述实验杆包括杆体，所述杆体的一端与所述旋转组件固接并连通，所述杆体远离所述旋转组件的一端可拆卸连接有喷嘴，所述喷嘴朝向所述实验块并与所述实验
块的中心对应设置。
14.优选的，所述安装组件包括与所述导轨固接的导向轨道，所述导向轨道的底端与所述机架固接，所述导向轨道的顶端管高于所述导轨的顶面；两所述导向轨道之间滑动连接有安装板，所述装夹组件固接在所述安装板的顶面。
15.优选的，所述装夹组件包括固接在所述安装板顶面的底板，所述底板远离所述旋转组件的一端固接有挡板，所述实验块放置在所述底板上并与所述挡板抵接；所述底板上滑动连接有两个对称设置的夹板，所述夹板与所述实验块的两侧抵接。
16.优选的，所述安装板的底端固接有两个支撑块，两所述支撑块之间转动连接有双向螺杆，所述双向螺杆上螺纹连接有两个对称设置的移动块，所述移动块与对应的所述夹板固接；所述双向螺杆的任一端穿过所述支撑块并与传动连接有装夹电机，所述装夹电机安装在所述安装板底端。
17.优选的，所述夹板包括与所述实验块抵接的接触板，所述接触板的底端两侧分别固接有连接板，所述连接板贯穿所述底板并与所述移动块固接；所述底板上开设有与所述连接板对应设置的导向槽，所述连接板穿过所述导向槽与所述导向槽滑动连接。
18.本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型公开了一种超高压水射流切割煤体模拟实验装置，主要用于解决现有的煤矿井下超高压水力割缝压力、钻杆转速等工艺参数主要依靠经验判断而不能量化水力割缝效果的问题，为煤矿井下超高压水力切割提供准确的参数；该试验装置可通过行走机构上的动力组件提供动力，使携带旋转组件的承重板在导轨上前后移动，带动实验杆与实验块模拟钻孔内不同切缝位置、旋转装置带动实验杆模拟在煤孔内旋转状态、改变实验杆喷射水流直径的大小，模拟在不同切缝位置、旋转速度、喷嘴直径条件下水射流对煤体的割缝深度和宽度，为不同煤层条件下选择合理的割缝施工参数提供依据，使钻孔控制区域达到均匀卸压的效果。本实用新型能在实验条件下模拟实际煤层的水力切割的参数，为煤矿井下超高压水力切割提供精准的参数，避免依靠经验选择参数导致的失误提高水力切割的效果，降低损失。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实用新型超高压水射流切割煤体模拟实验装置轴视图；
21.图2为本实用新型旋转组件俯视图；
22.图3为本实用新型安装组件侧视图；
23.图4为本实用新型安装组件轴视图；
24.图5为本实用新型动力组件侧视结构示意图；
25.其中，1、机架；2、行走机构；3、实验机构；4、装夹机构；5、实验块；11、导轨；21、承重板；22、齿条；23、齿轮；24、连接轴；25、安装箱；26、驱动电机；27、控制模块；28、控制面板；31、杆体；32、旋转组件；33、喷嘴；41、导向轨道；42、安装板；43、底板；44、挡板；45、夹板；46、支撑块；47、双向螺杆；48、移动块；49、装夹电机；410、接触板；411、连接板；412、导向槽。
具体实施方式
26.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
28.参照图1-5，本实用新型提供一种超高压水射流切割煤体模拟实验装置，包括：
29.机架1，机架1固定安装在地面上，机架1上固定安装有两个对称设置的导轨11；
30.行走机构2，行走机构2包括滑动连接在两导轨11上的承重板21，承重板21上安装有动力组件；
31.实验机构3，实验机构3包括固定安装在承重板21上的旋转组件32，旋转组件32的一端连通水源，旋转组件32的另一端固接并连通有实验杆；
32.装夹机构4，装夹机构4包括用于装夹实验块5的装夹组件，装夹组件固接在安装组件上，安装组件的两端分别与导轨11固接。
33.本实用新型公开了一种超高压水射流切割煤体模拟实验装置，主要用于解决现有的煤矿井下超高压水力割缝压力、钻杆转速等工艺参数主要依靠经验判断而不能量化水力割缝效果的问题，为煤矿井下超高压水力切割提供准确的参数；该试验装置可通过行走机构2上的动力组件提供动力，使携带旋转组件32的承重板21在导轨11上前后移动，带动实验杆与实验块5模拟钻孔内不同切缝位置、旋转装置带动实验杆模拟在煤孔内旋转状态、改变实验杆喷射水流直径的大小，模拟在不同切缝位置、旋转速度、喷嘴33直径条件下水射流对煤体的割缝深度和宽度，为不同煤层条件下选择合理的割缝施工参数提供依据，使钻孔控制区域达到均匀卸压的效果。
34.进一步的，旋转组件32通过快速接头(图中未显示)与高压水源接通，快速接头为现有的常用接头，此处不再赘述，详情可参考标准gb/t16693-1996。
35.进一步的，实验块5为利用水泥砂浆配比出与煤体强度相似的试件，主要用于模拟煤层条件。
36.进一步的，导轨11前端及后端分别设置限位装置(图中未显示)，防止承重板21行走脱出导轨11。
37.进一步优化方案，动力组件包括固接在机架1顶端两侧的齿条22，两齿条22分别啮合连接有齿轮23，两齿轮23之间固接有连接轴24，连接轴24贯穿承重板21并与承重板21转动连接；承重板21上安装有安装箱25，安装箱25内安装有驱动电机26，驱动电机26与连接轴24传动连接。驱动电机26通过与之传动连接的连接轴24带动两个齿轮23旋转，通过啮合的齿轮23和齿条22，使承重板21带动安装箱25和旋转组件32在导轨11上移动。
38.进一步优化方案，安装箱25内安装有控制模块27，控制模块27分别与驱动电机26和旋转组件32电性连接；安装箱25的外壁固接有控制面板28，控制面板28与控制模块27电性连接。控制模块27用于控制旋转组件32的转速；同时控制驱动电机26的转速和转向，能控制承重板21的移动速度和移动方向；控制面板28用于设置参数，控制模块27和控制面板28均选用现有的控制元件，此处不再赘述。
39.进一步的，承重板21的行走速度分为1m/min、2m/min、3m/min三挡，可前后调节行走方向。
40.进一步优化方案，实验杆包括杆体31，杆体31的一端与旋转组件32固接并连通，杆体31远离旋转组件32的一端可拆卸连接有喷嘴33，喷嘴33朝向实验块5并与实验块5的中心对应设置。实验杆的杆体31中空，其一端与旋转组件32的输出端卡紧并连通，在旋转组件32的带动下旋转，同时不妨碍水进入杆体31；喷嘴33通过螺纹可拆卸连接在杆体31的端头，可根据实际需要更换不同出水孔直径的喷嘴33，模拟不同的参数。
41.进一步的，旋转组件32的转速调节范围为20r/min-80r/min，可实现正转与反转。
42.进一步的，喷嘴33的出水直径优选为2.5mm、3.0mm、4.0mm。
43.进一步优化方案，安装组件包括与导轨11固接的导向轨道41，导向轨道41的底端与机架1固接，导向轨道41的顶端管高于导轨11的顶面；两导向轨道41之间滑动连接有安装板42，装夹组件固接在安装板42的顶面；装夹组件包括固接在安装板42顶面的底板43，底板43远离旋转组件32的一端固接有挡板44，实验块5放置在底板43上并与挡板44抵接；底板43上滑动连接有两个对称设置的夹板45，夹板45与实验块5的两侧抵接；安装板42的底端固接有两个支撑块46，两支撑块46之间转动连接有双向螺杆47，双向螺杆47上螺纹连接有两个对称设置的移动块48，移动块48与对应的夹板45固接；双向螺杆47的任一端穿过支撑块46并与传动连接有装夹电机49，装夹电机49安装在安装板42底端。安装板42在两个导向轨道41之间纵向滑动，使不同尺寸的实验块5的中心均能正对喷嘴33；挡板44抵住实验块5，防止实验块5脱离；装夹电机49带动双向螺杆47转动，使两个移动块48靠近或者远离，进而实现两个夹板45对实验块5的装夹和放开；同时两个对称运动的夹板45还有中定位的功能。
44.进一步优化方案，夹板45包括与实验块5抵接的接触板410，接触板410的底端两侧分别固接有连接板411，连接板411贯穿底板43并与移动块48固接；底板43上开设有与连接板411对应设置的导向槽412，连接板411穿过导向槽412与导向槽412滑动连接。导向槽412作为连接板411的通过通道对连接板411并进行限位；接触板410的顶端不高于实验块5的中心位置，防止夹板45的装夹影响实验块5的自然开裂，防止对实验结果造成影响。
45.使用方法：
46.现根据需要模拟的煤层性质制作实验块5；然后确定切合实验块5的喷嘴33的尺寸，本实施例选择直径2.5mm的喷嘴33，并将喷嘴33安装到杆体31的顶端管；将杆体31的另一端插入旋转组件32的输出轴内卡紧，防止松动和漏水。
47.将实验块5摆放到底板43上，背面抵住挡板44，然后控制夹板45将实验块5夹住，防止晃动；然后启动驱动电机26使喷嘴33向实验块5运动并抵住，然后根据接触点调节实验安装板42的高度，使实验块5的中心与喷嘴33正对。
48.将喷嘴33倒退回原位，然后将水源连接到旋转组件32的末端，本实施例的水源为高压水源，本处的高压水射流压力为100mpa。
49.待实验系统安装、连接准备完毕后，开展水力割缝模拟实验。此次实施示例，确定切割行程为0.5m、旋转速度为60r/min。启动驱动电机26，使杆体31及喷嘴33在待切割的实验块5表面向内移动0.5m；启动旋转组件32，使杆体31转速度为60r/min，对实验块5进行水射流割缝10min；当此次水力割缝模拟实验切割实验块5结束后，记录下杆体31转速、喷嘴33直径、割缝时间、割缝位置等试验参数数据，切割后实验块5的缝槽宽度、长度进行测量并记
录。
50.完成上述步骤后，可参照上述步骤选择不同模拟实验参数，可获得在不同切缝位置、旋转速度、喷嘴33直径条件下水射流对该实验块5的割缝深度和宽度，并测量记录，为煤矿井下超高压水力割缝现场施工选择合理参数提供依据。
51.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。
52.以上的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。