一种模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置及其操作方法
【专利摘要】一种模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置及其操作方法，实验装置包括能够在基础底座上组合成为立方体结构的若干个实验框架模块；实验框架模块包括安装在基础底座上的调节底梁，调节底梁的两侧分别竖直安装有立臂，立臂的顶端之间通过横梁连接；立臂之间的不同高度处分别安装有挡板，挡板隔开的模块空间中密集排列布置有开挖层替代装置，若干个实验框架模块之间通过安装在立臂侧面的侧向挡板连接加固；实验框架模块内部填充有相似模拟实验材料，开挖层替代装置表面标有刻度并且能够向外拉出，通过向外拉出开挖层替代装置实现相似模拟实验材料的开挖。本发明同时公开了该实验装置的操作方法，具有尺寸可调，安装、铺装、开挖和拆除快速的优点。
【专利说明】一种模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及相似模拟实验领域，具体涉及一种模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置及其操作方法。
【背景技术】
[0002]相似模拟实验作为一种重要的研究手段，在矿业、地质、岩土等领域广泛使用。通过在模型中开挖各类工程，观测模型在开挖过程中发生的一系列现象，以研究工程围岩的变形、破坏、塌落和渗流等问题，从而得出问题的本质或机理。
[0003]相似模拟实验装置主要根据实验要求，对研究对象的形态及规律，按照一定的原贝U，将现实中复杂的地质形态，以一定的比例反映在模型上，通过对研究对象所发生的现象和机理的规律性进行研究，从而达到认识现场机理，解决问题的目的。
[0004]相似模拟实验装置按照所需的实验台长度和宽度分为不同长度和宽度的架型，一般长度和宽度按比例配套，以此来满足不同研究对象的需求。现有传统的相似模拟实验台都是一次焊接成型，是一个整体，或者只能在一定的小范围内可以调节长度和宽度，不能满足所有架型的实验。传统实验台存在以下不足:
[0005]第一，单一尺寸的实验装置难以满足多种范围及对象的模拟研究，而多台不同规格的实验装置组合势必会占用大量场地，造成资源的浪费，并且大量钢材焊接在一起会使实验装置重型化，难以运输且拆卸困难，导致难以随时搬移位置，不能方便的调节实验台的光线和场地，同时组合而成的实验装置若部分损坏将导致整个实验台废弃；
[0006]第二，实验台中开挖层的铺设方法和其他层位一样，都需要按照力学性质形似的材料制成，依次按照层位进行铺设，然后再挖出需开挖的层位。按照这种方法铺设的实验台开挖时，能够满足相关的试验要求，但实验台开挖层开挖时难于有效开挖，尺寸不好控制，并耗时耗力，而且会造成材料的浪费；
[0007]第三，在进行煤(岩)柱尺寸留设等相似模拟实验时，传统的二维模拟实验台不能进行有效的模拟，而传统的三维实验台不能有效实现煤(岩)柱留设时各开挖部分的开挖控制，不能有效的进行应力应变监测以及煤(岩)柱破坏情况的观测；
[0008]第四，完成相似模型实验后，对于已经凝固成型的铺装层，不易拆除和清理，在实验台和实验场地的清理工作中造成人员费用增大，增加了相似模拟实验的时间成本和资金成本。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提供一种能够实现实验台尺寸任意调节，实验台模块能够任意组合，从而实现自由调节实验模型的长宽高比例，安装、铺装、开挖和拆除过程快速，能够满足多种范围及对象模拟研究的实验要求，提高相似模拟规范化的模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置及其操作方法。
[0010]为了实现上述目的，本发明相似模拟实验装置采用的技术方案为:包括能够在基础底座上组合成为立方体结构的若干个实验框架模块；所述的实验框架模块均包括安装在基础底座上的调节底梁，调节底梁的两侧分别竖直安装有立臂，且立臂的顶端之间通过横梁连接；所述的立臂之间不同高度处分别安装有挡板，挡板隔开的模块空间中密集排列布置有开挖层替代装置，若干个实验框架模块之间通过安装在立臂侧面的侧向挡板连接加固；所述的实验框架模块内部填充有相似模拟实验材料，开挖层替代装置表面标有刻度并且能够向外拉出，通过向外拉出开挖层替代装置实现相似模拟实验材料的开挖。
[0011]所述的基础底座两端通过紧固件与调节底梁连接，调节底梁侧面通过紧固件与立臂底端相连，立臂顶端通过紧固件与横梁连接；所述的紧固件位置能够调节，通过移动紧固件实现相似模拟实验中架型大小的调整。
[0012]所述的立臂上开设有用于安装挡板的第一圆孔，孔间距为100mm，且起始圆孔距立臂的底端50mm。
[0013]所述的立臂上开设有用于安装侧向挡板的第二圆孔，第二圆孔分别位于立臂高度的1/3和2/3处。
[0014]所述的开挖层替代装置为矩形中空体或者具有对称缺口的铸造实体，装置缺口向夕卜，其长度为立臂宽度的一倍或多倍，宽度与基础底座和调节底梁安装孔的孔距相同，高度为50mm,并且两端各有1mm的内沿。
[0015]本发明模拟实验装置的操作方法采用的技术方案包括以下步骤:
[0016]I)根据实验设计的要求，按照所需尺寸铺装实验台:
[0017]首先在基础底座的前后两边逐层连接挡板，然后铺设相似模拟实验材料，相配合的使挡板逐层加闻;
[0018]2)当相似模拟实验材料铺装到设计开挖层时，将具有缺口的开挖层替代装置按照基础底座的长宽方向密集放置在开挖层位，直至铺满该层位，使开挖层替代装置的缺口部分向外；
[0019]3)在铺装完的开挖层替代装置上方连接挡板并继续铺设相似模拟实验材料，其他层位依次铺装，直至实验台铺装完成；
[0020]4)待实验台满足开挖条件进行开挖时，按照实验设计的开挖尺寸，依照开挖层替代装置上刻度，向外拉出所需尺寸，即能够完成一次开挖，依次重复，实现开挖层开挖；
[0021]5)实验结束时，首先按照开挖方法依次取出剩余开挖层替代装置，将开挖层替代装置清洁后备用，然后依次由上到下逐层拆除实验台。
[0022]所述的步骤4)中开挖层替代装置通过配套的卡具卡住其缺口的端部向外拉出。
[0023]与现有技术相比，本发明相似模拟实验装置具有如下有益效果:
[0024](I)该相似模拟实验装置，结构简单，易于加工，使用方便，容易更换受损部分，减少实验投资成本，并能够节约资源；
[0025](2)开挖层替代装置能够实现相似模拟实验中开挖层的快捷铺装、开挖和拆除，并且该装置能够循环利用，节省了相似模拟试验中的材料耗费；
[0026](3)开挖层替代装置能够实现开挖层的顺序开挖，开挖层替代装置表面标有刻度，避免开挖时开挖尺寸难以控制，用力不当破坏相关邻近层位，使相似模拟更加规范化；
[0027](4)模块化分体式设计，便于实验架的拆卸和安装，节省了实验室空间，也便于针对不同实验设计而自由调节，节省了相似模拟实验铺装和开挖时间，也方便实验做完后实验台的拆除和清理，有效提高了实验中的工作效率，节约了工作时间；
[0028](5)对于煤(岩)柱留设相关模拟实验，有效实现了煤(岩)柱留设时各开挖部分的开挖控制，能够有效的进行应力应变监测以及煤(岩)柱破坏情况的观测；
[0029]进一步的，本发明开挖层替代装置采用坚固材料铸造而成，装置内部为中空或者具有对称缺口的实体，该结构最主要的特点是铸成的模块坚固，无初始应变能，从不同深度代替装载的模拟开挖岩层，开挖后不会对其他层位的变形等造成影响，用本装置模拟开挖现场更加符合实际情况。此外，开挖层替代装置两端具有内沿，在开挖过程中方便使用其他工具勾住或者卡住，使得向外拉出时更加容易。
[0030]本发明模拟实验装置的操作方法具有如下有益效果:首先根据实验设计的要求组装好所需尺寸的相似模拟实验台，然后待实验台满足开挖条件进行开挖时，通过向外拉出开挖层替代装置实现相似模拟实验材料的开挖，实验结束时取出剩余开挖层替代装置，然后依次由上到下逐层拆除实验台。本发明的操作方法简单快捷，有效提高了实验中的工作效率，节约了工作时间。
[0031]进一步的，本发明开挖层替代装置缺口向外，通过配套的卡具卡住缺口的端部向外拉出，开挖过程更加有效可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明相似模拟实验装置整体主视图；
[0033]图2为本发明相似模拟实验装置整体侧视图；
[0034]图3为本发明相似模拟实验装置整体俯视图；
[0035]图4为本发明单个模块的相似模拟实验装置主视图；
[0036]图5为本发明单个模块的相似模拟实验装置侧视图；
[0037]图6为本发明单个模块的相似模拟实验装置俯视图；
[0038]图7为本发明单个开挖层替代装置三维立体图；
[0039]附图中:1_基础底座，2-调节底梁，3-立臂，4-挡板，5-横梁，6-开挖层替代装置；7-侧向挡板。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0041]参见图1-7，本发明的相似模拟实验装置包含若干个实验框架模块组成的立方体模块，每个实验框架模块的基础底座I两端通过紧固件与调节底梁2底端连接，调节底梁2侧面通过紧固件与立臂3底端相连，立臂3顶端通过紧固件与横梁5连接。立臂3的1/3和2/3处分别通过紧固件与侧向挡板7连接，横梁5通过紧固件安装在立臂3顶端，调节底梁2可以在基础底座I上通过紧固件的位置调节移动，对应的立臂3和横梁5的连接也可以通过紧固件的位置进行移动。立臂3前后两端之间安装挡板4。通过以上安装完成一个基本实验框架模块的组装，通过紧固件将若干个实验框架模块相连，构成不同尺寸的三维实验台。
[0042]本发明基础底座I的长度为3m，调节底梁2通过紧固件位置的调节移动可实现最小1.2m架型和最大5m架型的相似模拟实验研究。基础底座I和调节底梁2的长度可以任意改变，基础底座I和调节底梁2上开有若干个用于连接紧固件的孔，开孔位置也可以根据基础底座I和调节底梁2的长度进行改变，保持中间未开孔距离是孔距的整数倍，基础底座I和调节底梁2通过紧固件的连接位置的改变确定实验模型模块的长度。
[0043]本发明立臂3宽度设计为150mm，两边两侧各垂直开有一列第一圆孔，孔间距沿垂直方向为100mm，沿直线垂直布置，起始圆孔垂直方向距立臂3底端50mm。两边通过紧固件连接挡板4,通过调节前后挡板4固定在立臂3上的数量,可以实现最小150mm宽度和自由高度的的二维相似模拟实验架型的实验装置。立臂3小孔位置之间通过紧固件连接若干个模块，最前边和最后边两边通过紧固件连接挡板4，通过调节前后两边挡板4固定在立臂3上的数量，实现150mm以上宽度和任意高度的三维模拟实验架型的实验装置。立臂3的1/3和2/3处分别开有第二圆孔，通过紧固件连接侧向挡板7，起到加固实验台的作用。
[0044]本发明开挖层替代装置6模块为矩形中空体或者具有对称缺口的铸造实体，长度为不同尺寸，为立臂3宽度的一倍或多倍，宽度与基础底座I和调节底梁2孔距相同，高度为50mm，两端各有1mm的内沿。在开挖层替代装置6表面处标有刻度，便于开挖时尺寸确定。开挖层替代装置6采用坚固材料铸造而成，最主要特点是铸成的模块坚固无初始应变能，从不同深度代替装载的模拟开挖岩层，开挖后不对其他层位的变形等造成影响，用这种方法模拟开挖现场比较符合。
[0045]本发明模拟实验装置的操作方法包括以下步骤:
[0046](I)根据实验设计的要求，按照步骤2?4所述方法组装好所需尺寸的相似模拟实验台；
[0047](2)铺装实验台，先在实验台前后两边逐层连接挡板4，之后进行相似模拟实验材料的铺设，挡板4逐层加高；
[0048](3)当铺装到设计开挖层时，使用开挖层可替代装置6，将开挖层可替代装置6按照实验台的长宽方向密集放置在开挖层位，直至铺满该层位，装置缺口部分向外；
[0049](4)在铺装完的开挖层可替代装置6上方连接挡板4并继续铺设模拟实验材料，其他层位按照方法(3)铺设，直至实验台铺装完成；
[0050](5)待实验台满足开挖条件进行开挖时，从设计要开挖的位置进行开挖，用配套实验工具卡住开挖层可替代装置6端部缺口，按照实验设计的开挖尺寸，依照装置上刻度，向外拉出所需尺寸，即可完成一次开挖，依次重复，实现开挖层开挖；
[0051](6)完成模拟实验要拆除实验台时，先按照开挖方法依次取出剩余开挖层可替代装置6，清洁后留下次使用，之后依次由上到下逐层拆除实验台；
[0052]应该说明的是，以上实施例仅用于说明本发明设计的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明设计进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明设计的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明设计技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明设计的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置，其特征在于:包括能够在基础底座(I)上组合成为立方体结构的若干个实验框架模块；所述的实验框架模块均包括安装在基础底座(I)上的调节底梁(2)，调节底梁(2)的两侧分别竖直安装有立臂(3)，且立臂(3)的顶端之间通过横梁(5)连接；所述的立臂(3)之间不同高度处分别安装有挡板(4)，挡板(4)隔开的模块空间中密集排列布置有开挖层替代装置(6)，若干个实验框架模块之间通过安装在立臂(3)侧面的侧向挡板(7)连接加固；所述的实验框架模块内部填充有相似模拟实验材料，开挖层替代装置(6)表面标有刻度并且能够向外拉出，通过向外拉出开挖层替代装置(6)实现相似模拟实验材料的开挖。
2.根据权利要求1所述的模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置，其特征在于:所述的基础底座(I)两端通过紧固件与调节底梁(2)连接，调节底梁(2)侧面通过紧固件与立臂(3)底端相连，立臂(3)顶端通过紧固件与横梁(5)连接；所述的紧固件位置能够调节，通过移动紧固件实现相似模拟实验中架型大小的调整。
3.根据权利要求1所述的模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置，其特征在于:所述的立臂⑶上开设有用于安装挡板⑷的第一圆孔，孔间距为100mm，且起始圆孔距立臂⑶的底端50mm。
4.根据权利要求1所述的模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置，其特征在于:所述的立臂(3)上开设有用于安装侧向挡板(7)的第二圆孔，第二圆孔分别位于立臂(3)高度的1/3和2/3处。
5.根据权利要求1所述的模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置，其特征在于:所述的开挖层替代装置(6)为矩形中空体或者具有对称缺口的铸造实体，装置缺口向外，其长度为立臂(3)宽度的一倍或多倍，宽度与基础底座(I)和调节底梁(2)安装孔的孔距相同，高度为50mm,并且两端各有1mm的内沿。
6.一种模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置操作方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)根据实验设计的要求，按照所需尺寸铺装实验台: 首先在基础底座(I)的前后两边逐层连接挡板(4)，然后铺设相似模拟实验材料，相配合的使挡板(4)逐层加高； 2)当相似模拟实验材料铺装到设计开挖层时，将具有缺口的开挖层替代装置(6)按照基础底座(I)的长宽方向密集放置在开挖层位，直至铺满该层位，使开挖层替代装置(6)的缺口部分向外； 3)在铺装完的开挖层替代装置(6)上方连接挡板(4)并继续铺设相似模拟实验材料，其他层位依次铺装，直至实验台铺装完成； 4)待实验台满足开挖条件进行开挖时，按照实验设计的开挖尺寸，依照开挖层替代装置(6)上刻度，向外拉出所需尺寸，即能够完成一次开挖，依次重复，实现开挖层开挖； 5)实验结束时，首先按照开挖方法依次取出剩余开挖层替代装置(6)，将开挖层替代装置(6)清洁后备用，然后依次由上到下逐层拆除实验台。
7.根据权利要求6所述的模块式快速安设和拆挖的相似模拟实验装置操作方法，其特征在于:所述的步骤4)中开挖层替代装置(6)通过配套的卡具卡住其缺口的端部向外拉出。
【文档编号】G01V9/00GK104375200SQ201410641708
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】王威钦, 李亮, 王小军, 徐文全 申请人:陕西煤业化工技术研究院有限责任公司