三向加载三维相似模拟试验开挖系统用开挖装置的制作方法

本发明涉及一种矿岩模拟开挖技术，特别是涉及一种三向加载三维相似模拟试验开挖系统用开挖装置。

背景技术：

相似模拟试验是以相似理论、因次分析为理论依据的实验室研究方法，可有效解决地下空间开发活动中矿山压力、围岩变形与移动规律、覆岩破断等研究课题。以其实验效果直观的优点而广泛应用于水利、采矿、铁路等部门。尽管相似模拟实验在工程研究领的应用广泛，然而，在众多矿山压力、覆岩移动破断规律方面的模拟试验多集中在平面模型，这与现场岩层所处的三向应力状态有一定差异。

矿层开采过程中，上覆岩层的破断及其应力分布是一个动态变化的过程，随着工作面的推进，工作面前方发生应力重新分布。在此过程中，围岩产生变形、移动、破坏，覆岩峰值应力也会随工作面推进向前转移，直至达到新的应力平衡。随着社会的发展及科技的进步，人类对地下空间的开发利用需求越来越大，然而，地下空间开发过程较地面建造更加复杂，受地质条件影响大。因此，有必要借助三维相似模拟试验研究和发展针对巷道快速掘进与支护技术。

现有的三维相似模拟试验系统在一定程度上促进了地下开挖工程的研究，但仍然存在不足之处，最主要的缺点就是不能在试验过程中对矿层进行大面积的机械化、可视化开采。例如，专利“ZL 201210376520.3三向加载大型三维相似模拟试验系统”公开了一种三向加载大型三维相似模拟试验系统，可实现三向不等压加载，同时可以进行如矿山采场、水电硐室、岩盐储气库等大尺度空间开挖模拟试验。该试验装备的研制已取得一定突破，然而，为实现试验过程中实时、可视化空间的机械化开挖就需要一种与之相适应的开挖系统，而构成系统的关键之一是需要一种可实现机械开挖的开挖装置。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种三向加载三维相似模拟试验开挖系统用开挖装置，该装置通过往复移动的旋转切割刀盘，可方便、可靠的应用于三向加载条件下地下空间模拟机械化开挖试验，以使试验过程及效果直观、更接近于机械化开采的现场。为研究三向加载条件下覆岩应力分布、破断、采场围岩随采场推进过程中应力的动态变化等过程提供了便利。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种三向加载三维相似模拟试验开挖系统用开挖装置，包括设在长条形开挖机架上的可往返移动的开挖头，开挖头设有用于对试件形成旋转切割的切割刀盘，切割刀盘悬伸在开挖机架前端，切割刀盘的下母线位于开挖机架的底平面内，切割刀盘的上母线不低于开挖机架的顶面，开挖机架两端设有开挖头位置检测的位置检测装置。

采用前述技术方案的本发明的系统，用于与支护系统、排渣系统连接形成机械化的开挖系统，在将系统设置于试验箱内模拟试件的初采工作面内，开挖头对模拟岩层进行沿工作面长度方向的移动式切割，适用于在三向加载试验条件下的模拟开采，以获得三向加载条件下模拟开采的试验数据，在系统上设置摄像头即可方便的实现可视化的机械化开挖。使用时，只需对现有实现三向加载试验系统的试验箱进行相应改造后即可。其结构简单，使用方便。在切割过程中，切割刀盘一次进刀形成切割进程完成工作面岩壁整个高度方向的切割，岩壁切割后的底面形成初采工作面底面的延伸，顶面形成工作面顶面的延伸，开挖系统顶面位于工作面顶面下方，以确保开挖系统的顺利推进。其中，位置检测装置用于通过控制系统实现开挖头的极限位置和往返控制。

优选的，所述开挖头与开挖机架通过二者之间设有的导轨副连接，开挖头与开挖机架之间设有用于驱动开挖头往返移动的开挖头驱动装置。开挖机架通过导轨副形成对开挖头的支撑和运行轨迹的控制，并由开挖驱动装置驱动开挖头往返移动。驱动装置的传动部分包括齿轮齿条传动结构、链传动结构、丝杆螺母传动结构、曲柄滑块结构、活塞缸结构等，其结构形式多，可选择的范围大。鉴于试验箱内的空间制约，宜齿轮齿条传动结构、链传动结构。

进一步优选的，所述开挖机架的断面呈具有水平开口的矩形框架结构；所述开挖头通过开挖电机座设有开挖电机，开挖电机用于驱动所述切割刀盘转动，开挖电机座设在所述开挖机架的框架内；所述开挖头驱动装置设在开挖机架与开挖电机座之间。以使开挖头设在开挖机架高度方向的中部，且大部分隐蔽在开挖机架内部，从而显著提高开挖系统的整体刚度和强度，使用寿命长。同时，矩形框架的上方水平边可形成对开挖头主机部分的遮蔽和保护，可有效避免顶板发生意外塌陷时对开挖头主机部分造成的损伤。

进一步优选的，所述开挖头驱动装置包括驱动电机，驱动电机与所述开挖头形成固定连接，驱动电机的输出轴上连接有驱动齿轮或驱动链轮，驱动齿轮啮合有齿条，或者驱动链轮啮合有链条，链条固定连接在所述开挖机架上，开挖头驱动装置通过齿轮齿条传动结构驱动所述开挖头往返移动；或者，开挖头驱动装置通过链轮链条传动结构驱动所述开挖头的往返移动，其中，链条通过链节连接成直线形，并通过两端的张紧机构拉拽张紧固定连接在所述开挖机架上。通过固定的链条或齿条，由转动的链轮或齿轮驱动使与驱动电机形成固定连接的开挖头移动，相对于齿条固定在开挖头上的齿条的移动结构，其移动构件不需设置伸出切割区域部分，故其结构紧凑，特别适用于空间狭小的试验设备。在驱动电机采用直角转角电机时，可获得更加紧凑的结构布局。

进一步优选的，所述开挖头上固定连接集尘罩，集尘罩位于所述切割刀盘切割行进方向的后侧，集尘罩用于通过集尘管道与工业吸尘器连接。以便通过集尘罩、集尘管道和工业吸尘器构成排渣系统，便于开挖过程形成的渣土及时排出。集尘罩的集尘范围能够形成沿切割刀盘厚度方向对切割刀盘的整体覆盖，确保排渣干净、彻底。

本发明的有益效果是，开挖系统结构简单，且能够方便、可靠的应用于三向加载条件下地下空间模拟开挖试验，以使试验过程及效果直观、也更接近于现场。

附图说明

图1是本发明的开挖装置的结构示意俯视图。

图2是本发明的开挖装置的结构示意侧视图。

图3是本发明的开挖装置中开挖头与开挖头驱动装置的连接关系结构示意图。

图4是本发明图3的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1～图4，一种三向加载三维相似模拟试验开挖系统用开挖装置，包括设在长条形开挖机架110上的可往返移动的开挖头120，开挖头120设有用于对试件形成旋转切割的切割刀盘121，切割刀盘121悬伸在开挖机架110前端，切割刀盘121的下母线位于开挖机架110的底平面内，切割刀盘121的上母线不低于开挖机架110的顶面，开挖机架110两端设有开挖头120位置检测的位置检测装置。

其中，开挖机架110的断面呈具有水平开口的矩形框架结构；开挖头120通过开挖电机座122设有开挖电机123，开挖电机123用于驱动切割刀盘121转动，开挖电机座122设在开挖机架110的框架内；开挖头120与开挖机架110通过二者之间设有的导轨副连接，该导轨副由两平行导轨110a和与导轨110a滑动配合的具有导轨槽的导轨滑块120a组成，导轨110a固定连接在开挖机架110的矩形框架的下端水平框边上，导轨滑块120a固定连接在开挖头120的开挖电机座122上，并位于开挖电机座122底面；开挖头120与开挖机架110之间设有用于驱动开挖头120往返移动的开挖头驱动装置，开挖头驱动装置设在开挖机架110与开挖电机座122之间。

开挖头驱动装置包括驱动电机124，驱动电机124通过开挖电机座122与开挖头120形成固定连接，开挖电机座122上固定连接有电机支架128，驱动电机124固定连接在电机支架128上，驱动电机124的输出轴上连接有驱动链轮125，驱动链轮125啮合有链条126，链条126固定连接在开挖机架110上，并位于两平行导轨110a之间，开挖头驱动装置通过链轮链条126传动结构驱动开挖头120的往返移动，其中，链条126通过链节连接成直线形，并通过两端的张紧机构127拉拽张紧固定连接在开挖机架110上。其中，开挖电机123和驱动电机124均采用直角转角的伺服电机，且二者的输出轴轴线平行，伺服电机输出端设置有减速器，用以提高开挖头和驱动装置的驱动扭矩。

开挖头120的开挖电机座122上固定连接集尘罩301，集尘罩301位于切割刀盘121切割行进方向的后侧，集尘罩301用于通过集尘管道302与工业吸尘器连接。其中，集尘管道302具有由钢丝软管制成的管段，以适应集尘罩301往返移动需要，开挖机架110尾部固定连接有管道接头303，以用于与工业吸尘器进行转接。

本实施例中的驱动链轮125可采用驱动齿轮替代，相应链条126采用齿条替代，开挖头驱动装置通过齿轮齿条传动结构驱动所述开挖头120往返移动。

本实施例中，两个导轨110a采用矩形-三角形组合导轨结构，也可采用双导柱和导套的导轨副结构或者单一的燕尾型导轨副结构。导轨副还可设在开挖机架110上方的水平框边上，也可设在开挖机架110后方的竖直框边上。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。