一种端部放矿相似模拟试验装置

1.本实用新型涉及采矿工程技术领域，更具体的说，涉及一种端部放矿相似模拟试验装置。


背景技术：

2.由于地下采矿工程的复杂性和不可复制性，不可能在工程现场进行过多的试验回采，同时，现场工业试验还存在成本高、周期长等问题，放矿相似模拟试验是研究地下矿山崩落法采矿过程中相关技术问题的有效手段。在遵循相似原理的前提下，制作能模拟崩落法放矿的相似模型并对其进行模拟试验回采，能有效避免现场试验成本高、周期长等问题，具有较好的经济效果。
3.目前，针对垂直方向的崩落法回采放矿的相似模拟试验开展较多，而针对倾斜矿体的崩落法回采放矿的相似模拟试验开展较少。此外，大量放矿相似模拟试验装置的安装固定，无法对矿体的倾角和厚度进行调节，因此不能适用于不同厚度的倾斜矿体的放矿相似模拟试验要求。
4.因此，有必要设计专门针对矿体倾角和厚度发生变化的可调节的端部放矿相似模拟试验装置。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在克服现有技术的不足，提供出一种结构简单、成本低、安装简便、使用效果好的可调节矿体尺寸、倾角的端部放矿相似模拟试验装置。
6.为实现上述目的，本实用新型所采用的具体技术方案如下：
7.一种端部放矿相似模拟试验装置，包括斜杆、上横杆、下横杆、立杆、短横杆、底板、底部横撑、侧面背板和正面背板；其中，
8.斜杆共设四根且共同围成一个立体的平行四边形，将该立体平行四边形的其中一个平行四边形面定义为前方，另外一个平行四边形面定义为后方，则斜杆的上端与分别设于其前后位置的两根上横杆连接，下端与分别设于其前后位置的两根下横杆连接；下横杆分为左右两段，其左段长度与上横杆相同，其余部分为右段，四根斜杆的下端均与下横杆的左段连接；短横杆共设四根，分别为两根上短横杆和两根下短横杆，上横杆的左右两侧分别与两根上短横杆连接，下横杆的左侧及右段部分分别与两根下短横杆连接；斜杆、上短横杆、下短横杆与对应上横杆、下横杆之间的连接位置均可自由调节；立杆位于斜杆的右侧，且共设两根，立杆的上端与两根上横杆以及位于右侧的上短横杆通过螺栓连接，下端与两根下横杆以及位于下横杆右段部分的下短横杆通过螺栓连接；下横杆右段的其中一条边的中线上钻有螺栓滑槽，滑槽上标有不同角度对应的刻度位置，刻度位置是以右侧斜杆最下端螺孔为圆心，斜杆和上横杆绕右侧斜杆底部螺孔旋转到10
°
～90
°
情况下上横杆最右端螺孔在下横杆右段中线上的投影位置，沿下横杆右段另一条边中线上也钻有螺栓滑槽；下横杆上的两条螺栓滑槽分别对应滑动连接立杆的下端和处于右侧的下短横杆；立杆上部分的
其中一条边的中线上也钻有螺栓滑槽，滑槽位置是以右侧斜杆最下端螺孔为圆心，斜杆和上横杆绕右侧斜杆底部螺孔分别旋转到10
°
和90
°
情况下上横杆最右端螺孔在立杆中线上的投影位置，滑槽的位置为两个投影螺孔之间的连线，沿立杆另一条边中线在竖直方向上也钻有螺栓滑槽，立杆上的两条螺栓滑槽分别对应滑动连接上横杆的右端和处于右侧的上短横杆；
9.底板长度与短横杆长度相同，宽度依据所模拟的矿体厚度设置；在下横杆左段上放置数根与短横杆平行且边长相等的底部横撑，底板放置在底部横撑上；
10.两块正面背板分别安装在试验装置的前面和后面，两块侧面背板分别安装在试验装置的左侧面和右侧面；正面背板和侧面背板均为透明板，其从试验装置上部塞入斜杆内侧，并与斜杆相连接；
11.正面背板为平行四边形形状，宽度为左右两斜杆内侧的距离，高度为底板上表面至上横杆上侧的距离，倾斜角度与斜杆角度相同；侧面背板上布置有数列平行于斜杆的步距插槽，步距插槽的间距和空间位置根据不同的放矿相似模拟试验对应设计；位于前面的正面背板上布置有爆破边界插槽，爆破边界插槽与水平面存在夹角，爆破边界插槽的斜长和空间位置根据不同的放矿相似模拟试验对应设计，爆破边界插槽的下方布置有进路插槽，进路插槽的宽度、高度和空间位置根据不同的放矿相似模拟试验对应设计；若将爆破边界插槽和进路插槽视为一组插槽，则位于前面的正面背板上设有上下两组插槽；位于后面的正面背板为无爆破边界插槽和进路插槽的完整透明板；
12.步距插槽内插有下分段步距隔板，爆破边界插槽内插有爆破边界隔板，进路插槽内插有进路隔板；下分段步距隔板为两块异形铁片，铁片形状根据不同的放矿相似模拟试验对应设计；下分段步距隔板位于试验装置内部的边界与上下分段的爆破边界隔板和进路隔板之间存在距离，位于试验装置外部的边界超出侧面背板外表面；爆破边界隔板和进路隔板的一端与位于后面的正面背板内侧平齐，另一端超出位于前面的正面背板外侧；爆破边界隔板宽度小于爆破边界插槽斜长；进路隔板由上下倒扣的两块凹形铁片组成；
13.过渡分段步距隔板为平行于正面背板的异形铁片，铁片形状根据不同的放矿相似模拟试验对应设计，各过渡分段步距隔板上部边界为各对应放矿步距分界线与波浪形矿岩边界的交线；在过渡分段步距隔板的上部边界上还焊接有钢条拉杆，钢条拉杆的上端超出正面背板上端。
14.本实用新型通过采用上述技术方案，利用平行四边形的不稳定性，四根斜杆和两根上横杆、两根上短横杆可绕右侧斜杆底部螺孔进行旋转，下横杆上有角度刻度，在预定角度位置安装立杆，待斜杆、上横杆旋转达到立杆位置后，再与立杆连接进行固定。由于斜杆、上短横杆、下短横杆与对应上横杆、下横杆之间的连接位置均可自由调节，以及上横杆、上短横杆与立杆间的连接位置可自由调节，因此该结构可以灵活调节试验装置的内部试验区域尺寸及倾斜角度。
15.本实用新型具有结构简单、成本低、安装简便、可调节矿体倾角和厚度的特点，适用于地下崩落法采矿的放矿相似模拟试验领域。
16.优选的，斜杆、上横杆、下横杆、立杆以及短横杆均为角钢；斜杆、短横杆与上横杆、下横杆之间通过螺栓连接，在斜杆、短横杆的两条边中线上均钻有一列螺孔；斜杆上的两列螺孔在竖直方向错开角钢边长的距离，且斜杆的一条边最下端为半圆弧状，圆心与其最下
端螺孔同心；短横杆上的两列螺孔在水平方向错开角钢边长的距离；上横杆与斜杆相接触的一边、下杆左段与斜杆相接触的一边中线上均钻有一列螺孔，且二者的钻孔位置一样。
17.优选的，底部横撑为边长与短横杆角钢边长相等的方钢管，每根底部横撑的两端分别与位于前面和后面两根下横杆的外表面平齐。
18.优选的，正面背板和侧面背板通过螺孔及对应螺栓与斜杆进行连接。
19.优选的，下分段步距隔板位于试验装置内部的边界距离上下分段的爆破边界隔板和进路隔板为8～10mm，下分段步距隔板位于试验装置外部的边界超出侧面背板外表面16～20mm，下分段步距隔板的外部边界处还钻有拉出孔。
20.优选的，爆破边界插槽与水平面夹角为15～30
°
；爆破边界插槽和进路插槽边界最小的直线距离为20mm。
21.优选的，爆破边界隔板和进路隔板的端部超出位于前面的正面背板外侧16～20mm；爆破边界隔板宽度小于爆破边界插槽斜长5～8mm。
22.优选的，过渡分段步距隔板的左右边界与正面背板内表面距离为5～8mm，下部边界与相邻的爆破边界隔板垂直距离为5～8mm；钢条拉杆的上端超出正面背板上端20～30mm；钢条拉杆的上端焊接有钢制圆环，钢制圆环的环面与正面背板平行。
23.本实用新型还进一步提供了一种端部放矿相似模拟试验装置的使用方法，包括以下步骤：
24.步骤一、试验装置的安装：根据设计的几何相似比，确定试验装置内部放矿部分的长度、宽度、高度和倾斜角度，首先在设定角度位置用螺栓连接下横杆、下短横杆、立杆，然后用螺栓连接下横杆、斜杆、上横杆、上短横杆，再旋转斜杆、上横杆至立杆位置，用螺栓连接上横杆与立杆、上短横杆与立杆后便可固定；然后安装底部横撑和底板，最后插入正面背板和侧面背板；
25.步骤二、相似模型的构建：向试验装置内倒入相似模拟的散体矿石，当散体矿石上表面到达下分段的进路隔板、爆破边界隔板或下分段步距隔板的安装高度时，通过相应的进路插槽、爆破边界插槽或步距插槽预埋进路隔板、爆破边界隔板或下分段步距隔板，再继续倒入散体矿石；当散体矿石上表面到达上分段的进路隔板、爆破边界隔板时，首先预埋进路插槽、爆破边界插槽，再根据步距要求依次预埋不同高度的过渡分段步距隔板，保证过渡分段步距隔板的上端面与沿脉回采后留下的波浪形矿岩边界平齐，接着继续倒入散体矿石至波浪形矿岩边界，最后倒入散体废石至与侧面背板上断面平齐处；
26.步骤三、放矿试验的开展：过渡分段回采时，首先从试验装置上方抽出后侧第一块过渡分段步距隔板，再向前分别拖出上分段的爆破边界隔板和进路隔板的上半部分，根据相似试验要求从进路隔板的前侧端部进行模拟出矿，记录出矿的矿石量和废石量，观测散体废石和散体矿石运动情况，直至达到模拟的截止放矿要求；一个步距出矿完成后，再依次重复进行下一个步距的放矿，直至分段内所有步距均已完成放矿；下分段回采时，首先分别从两块侧面背板抽出后侧第一块下分段步距隔板，再向前分别拖出下分段的爆破边界隔板和进路隔板的上半部分，根据相似试验要求从进路隔板的前侧端部进行模拟出矿，记录出矿的矿石量和废石量，观测散体废石和散体矿石运动情况，直至达到模拟的截止放矿要求；一个步距出矿完成后，再依次重复进行下一个步距的放矿，直至分段内所有步距均已完成放矿。
27.通过采用上述技术方案，本实用新型与现有技术相比具有如下积极效果：
28.本实用新型由斜杆、上横杆、下横杆、立杆、短横杆、底板、底部横撑、侧面背板和正面背板组成，各杆体由螺栓连接，结构简单，成本低，安装简便。本实用新型的斜杆、横杆、立杆上各钻有大量螺孔，可选择不同的安装螺孔来灵活调节试验装置的内部试验区域尺寸及倾斜角度。因此，本实用新型具有结构简单、成本低、安装简便、尺寸和倾斜角度可调节的特点，适用于地下崩落法采矿的放矿相似模拟试验领域。
附图说明
29.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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
30.图1为本实用新型的整体结构示意图
31.图2为本实用新型的正面示意图；
32.图3为本实用新型的侧面示意图；
33.图4为本实用新型的俯视图；
34.图5为本实用新型侧面背板的结构示意图；
35.图6为本实用新型正面背板的结构示意图；
36.图7为隔板安装位置示意图；
37.图8为本实用新型使用状态示意图；
38.图9为进路隔板安装示意图。
39.图中：1-斜杆，2-上横杆，3-下横杆，4-立杆，5-底板，6-底部横撑，7-侧面背板，8-正面背板，9-上短横杆，10-下短横杆，11-螺栓滑槽，12-刻度位置，13-步距插槽，14-爆破边界插槽，15-进路插槽，16-下分段步距隔板，17-爆破边界隔板，18-进路隔板，19-过渡分段步距隔板，20-拉出孔，21-钢条拉杆，22-钢制圆环，23-波浪形矿岩边界，24-散体矿石，25-散体废石。
具体实施方式
40.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。
41.实施例1：
42.如图1所示，本实用新型一种端部放矿相似模拟试验装置，包括斜杆1、上横杆2、下横杆3、立杆4、短横杆、底板5、底部横撑6、侧面背板7和正面背板8；其中，
43.如图1、图2、图3和图4所示，斜杆1、上横杆2、下横杆3、立杆4和短横杆均为边长4～6mm的角钢，斜杆1、上横杆2、下横杆3、立杆4和短横杆的长度分别为1～1.8m、1～1.8m、2～3.6m、1～1.8m和0.3～0.8m。
44.沿斜杆1的两条边的中线每隔100mm各钻有一列螺孔，两列螺孔在竖直方向错开角
钢边长的距离，斜杆1的一条边最下端为半圆弧状，圆心与其最下端螺孔同心，斜杆1共四根，且共同围成一个立体的平行四边形，将该立体平行四边形的其中一个平行四边形面定义为前方，另外一个平行四边形面定义为后方。
45.沿上横杆2一条边的中线每隔100mm钻有一个螺孔，最右端螺孔与旁边相邻螺孔间隔150mm，沿上横杆2另外一条边的中线距离两端角钢边长的一半距离处各钻有一个螺孔，上横杆2共两根，斜杆1的上端与分别设于其前后位置的两根上横杆2通过螺栓连接。
46.下横杆3可分为左右两段，左段长度与上横杆2相同，其余部分为右段，下横杆3左段钻孔位置与上横杆2完全一样，下横杆3共两根，斜杆1的下端与分别设于其前后位置的两根下横杆3的左段连接。
47.沿短横杆的两条边的中线每隔100mm各钻有一列螺孔，两列螺孔在水平方向错开角钢边长的距离。短横杆共设四根，分别为两根上短横杆9和两根下短横杆10，上横杆2的左右两侧分别与两根上短横杆9连接，下横杆3的左侧及右段部分分别与两根下短横杆10连接；斜杆1、上短横杆9、下短横杆10与对应上横杆2、下横杆3之间的连接位置均可通过选择不同的螺孔位置实现自由调节。
48.立杆4位于斜杆1的右侧，且共设两根，立杆4的上端与两根上横杆2以及位于右侧的上短横杆9通过螺栓连接，下端与两根下横杆3以及位于下横杆3右段部分的下短横杆10通过螺栓连接。
49.下横杆3右段的其中一条边的中线上钻有螺栓滑槽11，滑槽上标有不同角度对应的刻度位置12，刻度位置12是以右侧斜杆1最下端螺孔为圆心，斜杆1和上横杆2绕右侧斜杆1底部螺孔旋转到不同角度(10
°
～90
°
)情况下上横杆2最右端螺孔在下横杆3右段中线上的投影位置，沿下横杆3右段另一条边中线上也钻有螺栓滑槽11，滑槽位置是在水平方向上向右错开角钢边长的距离；下横杆3上的两条螺栓滑槽11分别对应滑动连接立杆4的下端和处于右侧的下短横杆10。
50.沿立杆4一条边的中线距离下端点角钢边长的一半距离处钻有一个螺孔，立杆4上部分沿边的中线也钻有螺栓滑槽11，滑槽位置是以右侧斜杆1最下端螺孔为圆心，斜杆1和上横杆2绕右侧斜杆1底部螺孔分别旋转到10
°
和90
°
情况下上横杆2最右端螺孔在立杆4中线上的投影位置，滑槽的位置即两个投影螺孔之间的连线，沿立杆4另一条边中线在竖直方向上向上错开角钢边长距离处钻有相同的螺孔和滑槽，立杆4上的两条螺栓滑槽11分别对应滑动连接上横杆2的右端和处于右侧的上短横杆9。
51.底板5为6～10mm厚度的亚克力板，长度与短横杆长度相同，宽度依据所模拟的矿体厚度设置；在下横杆3上放置三根与短横杆平行的底部横撑6，底部横撑6为边长与短横杆角钢边长相等的方钢管，每根底部横撑6的两端分别位于与前面和后面两根下横杆3外表面平齐处；底板5放置在三根底部横撑6上。
52.两块正面背板8分别安装在试验装置的前面和后面，两块侧面背板7分别安装在试验装置的左侧面和右侧面，正面背板8和侧面背板7均为厚度为6～10mm的透明亚克力板，从试验装置上部塞入斜杆1内侧，通过螺孔及对应螺栓和斜杆1进行连接。
53.正面背板8为平行四边形形状，宽度为左右两斜杆1内侧的距离，高度为底板5上表面至上横杆2上侧的距离，倾斜角度与斜杆1角度相同。
54.如图5所示，侧面背板7上布置有数列平行于斜杆1的2mm宽步距插槽13，步距插槽
13的间距和空间位置根据不同的放矿相似模拟试验对应设计。如图6所示，位于前面的正面背板8上布置有宽度8～10mm的爆破边界插槽14，爆破边界插槽14与水平面夹角15～30
°
，爆破边界插槽14的斜长和空间位置根据不同的放矿相似模拟试验对应设计，爆破边界插槽14的下方布置有进路插槽15，进路插槽15的宽度、高度和空间位置根据不同的放矿相似模拟试验对应设计；若将爆破边界插槽14和进路插槽15视为一组插槽，则位于前面的正面背板8上设有上下两组插槽；爆破边界插槽14和进路插槽15边界最小的直线距离为20mm，位于后面的正面背板8为无爆破边界插槽14和进路插槽15的完整透明板。
55.如图7和图8所示，步距插槽13内插有下分段步距隔板16，爆破边界插槽14内插有爆破边界隔板17，进路插槽15内插有进路隔板18。下分段步距隔板16为两块异形铁片，铁片形状根据不同的放矿相似模拟试验对应设计；下分段步距隔板16位于试验装置内部的边界距离上下分段的爆破边界隔板17和进路隔板18为8～10mm，位于试验装置外部的边界超出侧面背板7外表面16～20mm，下分段步距隔板16的外部边界竖直方向中点处还钻有直径5mm的拉出孔20。
56.爆破边界隔板17和进路隔板18的一端与位于后面的正面背板8内侧平齐，另一端超出位于前面的正面背板8外侧16～20mm；爆破边界隔板17宽度小于爆破边界插槽14斜长5～8mm。如图9所示，进路隔板18由上下倒扣的两块凹形铁片组成。
57.如图7和图8所示，过渡分段步距隔板19为平行于正面背板8的异形铁片，铁片形状根据不同的放矿相似模拟试验对应设计，各过渡分段步距隔板19上部边界为各对应放矿步距分界线与波浪形矿岩边界23的交线，过渡分段步距隔板19左右边界与正面背板8内表面距离5～8mm，下部边界与相邻的爆破边界隔板17垂直距离5～8mm；在过渡分段步距隔板19上部边界的两个三等分点处各焊接一根钢条拉杆21，钢条拉杆21上端超出正面背板8上端20～30mm；钢条拉杆21上端焊接有内径5mm的钢制圆环22，钢制圆环22的环面与正面背板8平行。
58.上述一种端部放矿相似模拟试验装置的使用方法，包括以下步骤：
59.步骤一、试验装置的安装：根据设计的几何相似比，确定试验装置内部放矿部分的长度、宽度、高度和倾斜角度，首先在设定角度位置用螺栓连接下横杆3、下短横杆10、立杆4，然后用螺栓连接下横杆3、斜杆1、上横杆2、上短横杆9，再旋转斜杆1、上横杆2至立杆4位置，用螺栓连接上横杆2与立杆4、上短横杆9与立杆4后便可固定；然后安装底部横撑6和底板5，最后插入正面背板8和侧面背板7；
60.步骤二、相似模型的构建：向试验装置内倒入相似模拟的散体矿石24，当散体矿石24上表面到达下分段的进路隔板18、爆破边界隔板17或下分段步距隔板16的安装高度时，通过相应的进路插槽15、爆破边界插槽14或步距插槽13预埋进路隔板18、爆破边界隔板17或下分段步距隔板16，再继续倒入散体矿石24；当散体矿石24上表面到达上分段的进路隔板18、爆破边界隔板17时，首先预埋进路插槽15、爆破边界插槽14，再根据步距要求依次预埋不同高度的过渡分段步距隔板19，保证过渡分段步距隔板19的上端面与沿脉回采后留下的波浪形矿岩边界23平齐，接着继续倒入散体矿石24至波浪形矿岩边界23，最后倒入散体废石25至与侧面背板7上断面平齐处；
61.步骤三、放矿试验的开展：过渡分段回采时，首先从试验装置上方抽出后侧第一块过渡分段步距隔板19，再向前分别拖出上分段的爆破边界隔板17和进路隔板18的上半部
分，根据相似试验要求从进路隔板18的前侧端部进行模拟出矿，记录出矿的矿石量和废石量，观测散体废石25和散体矿石24运动情况，直至达到模拟的截止放矿要求；一个步距出矿完成后，再依次重复进行下一个步距的放矿，直至分段内所有步距均已完成放矿；下分段回采时，首先分别从两块侧面背板7抽出后侧第一块下分段步距隔板16，再向前分别拖出下分段的爆破边界隔板17和进路隔板18的上半部分，根据相似试验要求从进路隔板18的前侧端部进行模拟出矿，记录出矿的矿石量和废石量，观测散体废石25和散体矿石24运动情况，直至达到模拟的截止放矿要求；一个步距出矿完成后，再依次重复进行下一个步距的放矿，直至分段内所有步距均已完成放矿。
62.实施例2：
63.本实施例一种可调节矿体尺寸和倾角的端部放矿相似模拟试验装置，除下述具体技术参数外，所述试验装置的结构与实施例1相同。
64.斜杆1、上横杆2、下横杆3、立杆4和短横杆均为边长5～6mm的角钢，斜杆1、上横杆2、下横杆3、立杆4和短横杆的长度分别为1.4～1.8m、1.4～1.8m、2.8～3.6m、1～1.8m和0.5～0.8m。正面背板8和侧面背板7均为厚度为7～8mm的透明亚克力板.
65.位于前面的正面背板8上布置有宽度9～10mm的爆破边界插槽14，爆破边界插槽14与水平面夹角22～30
°
。
66.下分段步距隔板16位于试验装置内部的边界距离上下分段的爆破边界隔板17和进路隔板18为9～10mm，位于试验装置外部的边界超出侧面背板7外表面18～20mm。
67.爆破边界隔板17和进路隔板18的一端与位于后面的正面背板8内侧平齐，另一端超出位于前面的正面背板8外侧18～20mm；爆破边界隔板17宽度小于爆破边界插槽14斜长6～8mm。
68.过渡分段步距隔板19左右边界与正面背板8内表面距离6～8mm，下部边界与相邻的爆破边界隔板17垂直距离6～8mm；钢条拉杆21上端超出正面背板8上端25～30mm。
69.该端部放矿相似模拟试验装置的使用方法与实施例1相同。
70.本实用新型由斜杆1、上横杆2、下横杆3、立杆4、短横杆、底板5、底部横撑6、侧面背板7和正面背板8组成，各杆体由螺栓连接，结构简单，成本低，安装简便。本实用新型的斜杆1、横杆、立杆4上各钻有大量螺孔，可选择不同的安装螺孔来灵活调节试验装置的内部试验区域尺寸及倾斜角度。因此，本实用新型具有结构简单、成本低、安装简便、尺寸和倾斜角度可调节的特点，适用于地下崩落法采矿的放矿相似模拟试验领域。
71.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。