一种采矿模拟开挖单元及模拟开挖装置的制作方法

1.本技术涉及采矿工程试验研究技术领域，特别地涉及一种采矿模拟开挖单元及模拟开挖装置。


背景技术：

2.煤层开挖会破坏围岩原始应力分布状态，应力重分布导致上覆岩层发生变形和移动，随着开挖尺寸的增加，扰动扩散到地表导致地表沉陷，伴随地裂缝产生及地下水资源流失给地表生态带来或多或少的破坏影响。现场开采过程中开采地表随着时间变化发现地表发生自修复现象，如何利用开采减损的方法充分利用自然力量来减小地表损伤，实现源头减损是推进绿色矿山建设的有效途径。为克服煤矿地下岩体非均质性和难以透视的现实，研究人员使用砂石、石蜡、石膏等材料开展了一系列相似模拟，二维和三维相似模拟多角度还原煤层直接顶、老顶和地表的垮落规律和三带发育特征，显然已成为研究煤矿开采覆岩运动分析的重要科学手段。
3.现有的三维相似模拟试验开挖系统，主要集中手动开挖或抽拉、手动机械或液压控制几种模式，一定程度上模拟了地下工程开挖，但存在以下不足：(1)人工开挖煤层劳动强度大，难以实现多工艺参数变化，开挖模式单一；(2)机械液压开挖管路较多，控制精度低，不易实现精细化操作；(3)现有三维相似开挖装置难以模拟地表给定变形，不易实现编程自动化控制。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例的目的在于提供一种采矿模拟开挖单元，所述采矿模拟开挖单元，可有效地解决上述技术问题。
5.第一方面，本技术实施例提供一种的采矿模拟开挖单元，所述采矿模拟开挖单元包括开采板以及用于驱动所述开采板升降的驱动装置。
6.在根据第一方面的可选的实施例中，所述开采板设置为矩形板状结构。需要说明的，在本实施例中，将所述开采板设置为矩形板状结构，矩形板状结构具有较为规则的形状，当将所述开采板组成开采装置时便于组装，同时便于根据开采板的形状计算开挖的矿物的体积。通过驱动装置的带动，进而实现带动所述开采板的上升和下降，从而实现模拟对象的开挖和充填。
7.在根据第一方面的可选的实施例中，所述驱动装置包括电机、驱动杆以及与所述驱动杆相配合的螺纹套筒，所述电机与所述驱动杆传动连接用于驱动所述驱动杆沿着所述螺纹套筒旋转上升或者下降，所述驱动杆远离所述电机的一端与所述开采板连接，用于带动所述开采板上升或者下降。
8.在根据第一方面的可选的实施例中，所述驱动杆的抗压强度设置为大于5mpa/m2。需要说明的，在本实施例中，具体地将所述驱动杆的抗压强度设置为大于5mpa/m2可有效地实现对驱动杆对所述开采板以及开采板上承接的待开采的矿石材料的支撑，避免因为驱动
杆的抗压强度不足而引起的无法正常升降的现象，进而保证开采工作的顺利进行。
9.在根据第一方面的可选的实施例中，所述采矿模拟开挖单元还包括密封盘，所述密封盘套设于所述驱动杆靠近所述开采板的外周壁。需要说明的，在本实施例中，所述采矿模拟开挖单元还包括密封盘，所述密封盘套设于所述驱动杆靠近所述开采板的外周壁，进而保证连接得密封性。
10.在根据第一方面的可选的实施例中，所述采矿模拟开挖单元还包括密封圈，所述密封圈设置于所述密封盘与所述电机杆的连接处。需要说明的，在本实施例中，所述采矿模拟开挖单元还包括密封圈，所述密封圈设置于所述密封盘与所述电机杆的连接处，进一步保证连接的密封性。
11.在根据第一方面的可选的实施例中，所述采矿模拟开挖单元还包括应力片，所述应力片连接于所述开采板上。需要说明的，在实施例中，设置应力片，并将应力片连接于所述开采板上，便于实现对所述开采板上的待开采物质的应力的测量，进而便于用户实现对模拟过程中煤层的应力状态以及再现采空区和煤体应力大小和分布特征。
12.在根据第一方面的可选的实施例中，所述开采板升降的行程设置为大于或者等于10cm。需要说明的，将所述开采板升降的行程设置为大于或者等于10cm，便于实现对所开采的煤层的量有基础的保证。
13.在根据第一方面的可选的实施例中，所述采矿模拟开挖单元还包括控制装置，所述应力片以及所述驱动装置均与所述控制装置连接。需要说明的，在本实施例中，所述采矿模拟开挖单元还包括控制装置，所述应力片以及所述驱动装置均与所述控制装置连接。其中，控制装置与所述驱动装置连接，便于实现对驱动装置的控制，也即控制所述开采板上升或者下降的距离。将所述应力片与所述控制装置连接，便于实现控制装置实时监测煤层的应力状态，再现采空区和煤体应力大小和分布特征。
14.第二方面，本技术还提供了一种模拟开挖装置，所述模拟开挖装置包括至少两个上述的采矿模拟开挖单元，至少两个所述采矿模拟开挖单元的所述开采板排列连接。
15.本技术提供的一种采矿模拟开挖单元，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
16.本技术提供的采矿模拟开挖单元，所述采矿模拟开挖单元包括开采板以及用于驱动所述开采板升降的驱动装置。其结构设计简单，可通过控制装置实现自动化控制，可以模拟煤层不同开挖高度、不同工作面长度、不同推进速度开采参数，开挖控制精度高，并能实时显示采场的受力状态。可以模拟跳采、对拉、充填等开采情况，实现对不同开采工艺条件下的围岩变化和地表移动沉陷特征进行模拟研究，简单实用，效果较好，操作方便，可实施性强。本技术中的地表给定变形控制是通过调控底部给定采矿模拟开挖单元，如通过模块间的非均等升降对地表沉陷进行设计，间接再现开采与地表的联动关系。
17.本技术提供的模拟开挖装置由于包括上述的采矿模拟开挖单元，因此也具备有上述的有益效果。
附图说明
18.在下文中将基于实施例并参考附图来对本技术进行更详细的描述。
19.图1是本技术实施例的采矿模拟开挖单元的整体结构示意图；
20.图2是本技术实施例的采矿模拟开挖单元的开采板的结构示意图；
21.图3是本技术实施例的模拟开挖装置在第一视角下的结构示意图；
22.图4是本技术实施例的模拟开挖装置在第二视角下的结构示意图。
23.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
24.附图标记：
25.10-采矿模拟开挖单元；11-开采板；13-驱动装置；131-电机；133-驱动杆；135-螺纹套筒；15-密封盘；17-密封圈；19-应力片；20-模拟开挖装置。
具体实施方式
26.下面结合具体实施方式，进一步阐述本技术。应理解，这些具体实施方式仅用于说明本技术而不用于限制本技术的范围。
27.为了简明，本文仅具体地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，每个单独公开的点或单个数值自身可以作为下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。
28.在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或几种”中“几种”的含义是两种及两种以上。
29.除非另有说明，本技术中使用的术语具有本领域技术人员通常所理解的公知含义。除非另有说明，本技术中提到的各参数的数值可以用本领域常用的各种测量方法进行测量(例如，可以按照在本技术的实施例中给出的方法进行测试)。
30.请参照图1至图4，本技术的采矿模拟开挖单元10，所述采矿模拟开挖单元10包括开采板11以及用于驱动所述开采板11升降的驱动装置13。
31.本技术提供的采矿模拟开挖单元10，所述采矿模拟开挖单元10包括开采板11以及用于驱动所述开采板11升降的驱动装置13。其结构设计简单，可通过控制装置实现自动化控制，可以模拟煤层不同开挖高度、不同工作面长度、不同推进速度开采参数，开挖控制精度高，并能实时显示采场的受力状态。可以模拟跳采、对拉，充填等开采情况，实现对不同开采工艺条件下的围岩变化和地表移动沉陷特征进行模拟研究，简单实用，效果较好，操作方便，可实施性强。本技术中的地表给定变形控制是通过调控底部给定采矿模拟开挖单元10，如通过模块间的非均等升降对地表沉陷进行设计，间接再现开采与地表的联动关系。
32.在可选地示例性实施例中，所述开采板11设置为矩形板状结构。需要说明的，在本实施例中，将所述开采板11设置为矩形板状结构，矩形板状结构具有较为规则的形状，当将所述开采板11组成开采装置时便于组装，同时便于根据开采板11的形状计算开挖的矿物的体积。可以理解的，这个并不对所述开采板11的具体形状进行限定，在其他具体实施例中，可以根据用户的需求，将所述开采板11的具体形状设置为正方形板状，圆形板状或者条形板状结构等。通过驱动装置13的带动，进而实现带动所述开采板11的上升和下降，从而实现模拟对象的开挖和充填。
33.在可选地示例性实施例中，所述驱动装置13包括电机131、驱动杆133以及与所述驱动杆133相配合的螺纹套筒135，所述电机131与所述驱动杆133传动连接用于驱动所述驱
动杆133沿着所述螺纹套筒135旋转上升或者下降，所述驱动杆133远离所述电机131的一端与所述开采板11连接，用于带动所述开采板11上升或者下降。
34.还需要说明的，在本实施例中，所述将所述控制装置设置为电机131，电机131具备体积小、重量轻、功率大、效率高、电机131结构简单的特点，在本实施例中，优选永磁电机131、横向磁场。
35.在具体实施例中，所述采矿模拟开挖单元10还具备有自锁功能，在实施过程中，当驱动装置13驱动所述驱动杆133上升或下降达到预设值时，所述驱动杆133自锁，便于实现对于待开采的矿物的精准开采。
36.在可选地示例性实施例中，所述驱动杆133的抗压强度设置为大于5mpa/m2。需要说明的，在本实施例中，具体地将所述驱动杆133的抗压强度设置为大于5mpa/m2可有效地实现对驱动杆133对所述开采板11以及开采板11上承接的待开采的矿石材料的支撑，避免因为驱动杆133的抗压强度不足而引起的无法正常升降的现象，进而保证开采工作的顺利进行。可以理解的，这里并不对所述驱动杆133的具体抗压强度进行限定，在其他具体实施例中，可以根据用户的需求，将驱动杆133的抗压强度适应性地设置为其他数值。
37.在可选地示例性实施例中，所述采矿模拟开挖单元10还包括密封盘15，所述密封盘15套设于所述驱动杆133靠近所述开采板11的外周壁。需要说明的，在本实施例中，所述采矿模拟开挖单元10还包括密封盘15，所述密封盘15套设于所述驱动杆133靠近所述开采板11的外周壁，进而保证连接得密封性。
38.在可选地示例性实施例中，所述采矿模拟开挖单元10还包括密封圈17，所述密封圈17设置于所述密封盘15与所述驱动杆133的连接处。需要说明的，在本实施例中，所述采矿模拟开挖单元10还包括密封圈17，所述密封圈17设置于所述密封盘15与所述驱动杆133的连接处，进一步保证连接的密封性。
39.在可选地示例性实施例中，所述采矿模拟开挖单元10还包括应力片19，所述应力片19连接于所述开采板11上。需要说明的，在实施例中，设置应力片19，并将应力片19连接于所述开采板11上，便于实现对所述开采板11上的待开采物质(在本实施例中，待开采物质可为煤层)的应力的测量，进而便于用户实现对模拟过程中煤层的应力状态以及再现采空区和煤体应力大小和分布特征。具体地，在本实施例中，所述开采板11钻孔布设应力片19，所述应力片19和所述驱动装置13线路同步引出，连接相应控制终端。具体地，在本实施例中，所述开采板11设置为矩形，在开采板11中央开孔布置一个应力片19以及应力计，下端连接电机131配合密封圈17构成开挖单元，每个开挖单元是一个单独的开挖体。
40.在可选地示例性实施例中，所述开采板11升降的行程设置为大于或者等于10cm。需要说明的，将所述开采板11升降的行程设置为大于或者等于10cm，便于实现对所开采的煤层的量有基础的保证。可以理解的，这里并不对所述开采板11升降的行程进行具体地限定，在其他具体实施例中，可以根据用户的需求，将所述开采板11升降的行程适应性地设置其他数值，例如设置为小于20cm。还需说明的，为了保证开采的精度，所述开采板11升降的行程的精度控制在
±
1mm。
41.在可选地示例性实施例中，所述采矿模拟开挖单元10还包括控制装置，所述应力片19以及所述驱动装置13均与所述控制装置连接。需要说明的，在本实施例中，所述采矿模拟开挖单元10还包括控制装置，所述应力片19以及所述驱动装置13均与所述控制装置连
接。其中，控制装置与所述驱动装置13连接，便于实现对驱动装置13的控制，也即控制所述开采板11上升或者下降的距离。将所述应力片19与所述控制装置连接，便于实现控制装置实时监测煤层的应力状态，再现采空区和煤体应力大小和分布特征。
42.本技术还提供了一种模拟开挖装置20，所述模拟开挖装置20包括至少两个上述的采矿模拟开挖单元10，至少两个所述采矿模拟开挖单元10的所述开采板11排列连接。
43.还需要说明的，在本实施例中，所述采矿模拟开挖单元10以组合式、模块化为设计理念，可以独立控制也可协同控制，操作简单，运行可靠。用户可根据需要选择将所述采矿模拟开挖单元10采用独立控制模式或者协同控制模式。
44.还需要说明的，采矿模拟开挖单元10在升降过程中考虑相互咬合和底部漏料情况，模拟开挖装置20空模型下保证安全运行周期100次以上，模型试验状态下保证安全运行50次模拟以上，单次模拟底部漏料不超过0.1立方米。
45.还需要说明的，所述模拟开挖装置20采用电磁控制时，线路布置规整整齐，模块单元可编程智能控制，试验过程中控制失灵下要能维修或人工干预实现模拟开挖，基础布置原则尽可能地面，必要时可底部开槽。
46.在可选地示例性实施例中，所述模拟开挖装置20中的所述采矿模拟开挖单元10的组合有多种形式，可以为条形和条形差异性组合，根据需要条形模块可设置90
°
旋转功能，以适应不同朝向不同精度开挖；还可以根据用户的需求设置为条形和方形组合，该类条件下条形和方形尺寸为倍数关系，可以实现多种开采强度开挖；还可以设置为方形和方形差异性组合，不同模块尺寸为倍数关系。
47.在可选地示例性实施例中，所述采矿模拟开挖单元10通过排列组合可以形成多种组合形式，本技术中采用的差异化条形单元组合形成了4排30列的一个模拟开挖装置20，每个所述采矿模拟开挖单元10均可通过控制系统控制。
48.还需要说明的，每个所述采矿模拟开挖单元10通过串联或并联等不同方式组合可实现地表给定变形、采高变化、工作面长度变化、推进速度变化等多种开采条件。
49.在所述模拟开挖装置20工作过程中，如要实现开挖采高和充填变化，可通过升降不同单元块的高度即可；当要实现工作面不同长度变化时，可组合不同排的个数即可；当要实现工作面推进速度变化，可组合不同列的个数即可；当要实现开采强度变化，可同步组合排和列的个数即可；当果要实现跳采、对拉开采、可调整单元块的升降次序即可；每个模型单元都装设应力装置，通过电磁方式控制升降，可实现多参数、多工艺、编程智能开挖，同步记录单元块受力状态，再现开挖系统区域的应力分布和工况。
50.本技术提供的模拟开挖装置20由于包括上述的采矿模拟开挖单元10，因此也具备有上述的有益效果。
51.虽然已经参考优选实施例对本技术进行了描述，但在不脱离本技术的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本技术并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。