本發(fā)明涉及一種礦巖模擬開挖技術(shù)，特別是涉及一種三向加載三維相似模擬試驗開挖系統(tǒng)用支護系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

相似模擬試驗是以相似理論、因次分析為理論依據(jù)的實驗室研究方法，可有效解決地下空間開發(fā)活動中礦山壓力、圍巖變形與移動規(guī)律、覆巖破斷等研究課題。以其實驗效果直觀的優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于水利、采礦、鐵路等部門。盡管相似模擬實驗在工程研究領(lǐng)的應(yīng)用廣泛，然而，在眾多礦山壓力、覆巖移動破斷規(guī)律方面的模擬試驗多集中在平面模型，這與現(xiàn)場巖層所處的三向應(yīng)力狀態(tài)有一定差異。

礦層開采過程中，上覆巖層的破斷及其應(yīng)力分布是一個動態(tài)變化的過程，隨著工作面的推進，工作面前方發(fā)生應(yīng)力重新分布。在此過程中，圍巖產(chǎn)生變形、移動、破壞，覆巖峰值應(yīng)力也會隨工作面推進向前轉(zhuǎn)移，直至達(dá)到新的應(yīng)力平衡。隨著社會的發(fā)展及科技的進步，人類對地下空間的開發(fā)利用需求越來越大，然而，地下空間開發(fā)過程較地面建造更加復(fù)雜，受地質(zhì)條件影響大。有必要借助三維相似模擬試驗研究和發(fā)展針對巷道快速掘進與支護技術(shù)的試驗裝備。

現(xiàn)有的三維相似模擬試驗系統(tǒng)在一定程度上促進了地下開挖工程的研究，但仍然存在不足之處，最主要的缺點就是不能在試驗過程中對礦層進行大面積的機械化、可視化開采。例如，專利“ZL 201210376520.3三向加載大型三維相似模擬試驗系統(tǒng)”公開了一種三向加載大型三維相似模擬試驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)三向不等壓加載，同時可以進行如礦山采場、水電硐室、巖鹽儲氣庫等大尺度空間開挖模擬試驗。該試驗裝備的研制已取得一定突破，然而，為實現(xiàn)試驗過程中實時、可視化空間的機械化開挖就需要一種與之相適應(yīng)的系統(tǒng)。為此，需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、布局緊湊的支護系統(tǒng)，以適應(yīng)模擬開挖對系統(tǒng)的空間要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三向加載三維相似模擬試驗開挖系統(tǒng)用支護系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多個并列設(shè)置的支護單元組成，支護單元通過L形支護底座的水平段和豎直段分別設(shè)置頂升油缸或頂升氣缸，以及頂推油缸或頂推氣缸，且油缸或氣缸采用薄型結(jié)構(gòu)，以形成布局緊湊的支護系統(tǒng)，以適應(yīng)模擬開挖的空間要求，且其結(jié)構(gòu)簡單。為研究三向加載條件下覆巖應(yīng)力分布、破斷、采場圍巖隨采場推進過程中應(yīng)力的動態(tài)變化等過程提供了便利。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

一種三向加載三維相似模擬試驗開挖系統(tǒng)用支護系統(tǒng)，由多個并列設(shè)置的支護單元組成；支護單元包括L形支護底座、豎直頂升板和水平頂推板；支護底座和豎直頂升板通過設(shè)在支護底座的L形水平段上的薄型頂升油缸或頂升氣缸形成豎向頂升結(jié)構(gòu)；支護底座和水平頂推板通過設(shè)在L形豎直段外側(cè)面上，且呈水平設(shè)置的薄型頂推油缸或頂推氣缸形成水平推拉結(jié)構(gòu)，頂推油缸或頂推氣缸設(shè)在支護底座位于頂升油缸或頂升氣缸前方。

采用前述技術(shù)方案的本發(fā)明的系統(tǒng)，用于通過水平頂推板與開挖系統(tǒng)連接后形成機械化開挖的系統(tǒng)，在將系統(tǒng)設(shè)置于試驗箱內(nèi)模擬試件的初采工作面內(nèi)，開挖頭對模擬巖層進行沿工作面長度方向的移動式切割，適用于在三向加載試驗條件下的模擬開采，以獲得三向加載條件下模擬開采的試驗數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)上設(shè)置攝像頭即可方便的實現(xiàn)可視化的機械化開挖。使用時，只需對現(xiàn)有實現(xiàn)三向加載試驗系統(tǒng)的試驗箱進行相應(yīng)改造后即可。在切割過程中，切割刀盤一次進刀形成切割進程完成工作面巖壁整個高度方向的切割，巖壁切割后的底面形成初采工作面底面的延伸，頂面形成工作面頂面的延伸，支護系統(tǒng)頂面位于工作面頂面下方，以確保支護系統(tǒng)的順利推進。其中，支護系統(tǒng)由多個呈并列設(shè)置的支護單元組成，支護單元的豎向頂升結(jié)構(gòu)用于形成支護單元的臨時固定，支護單元的水平推拉結(jié)構(gòu)用于推移開挖系統(tǒng)，以及形成支護單元隨開挖系統(tǒng)的跟進。在推移開挖系統(tǒng)過程中，多個支護單元同時形成臨時固定；在支護單元的跟進過程中，控制系統(tǒng)可按兩種方式對支護單元進行控制，一是在開挖系統(tǒng)自身依靠摩擦阻力而不產(chǎn)生位置移動的條件下，所有支護單元同時跟進，以獲得較高的開挖效率；另一種是為確保跟進時開挖系統(tǒng)位置穩(wěn)定，由一部分支護單元保持臨時固定狀態(tài)，另一部跟進開挖系統(tǒng)，然后，再由已跟進的支護單元形成臨時固定，完成剩余部分的支護單元跟進；最后，所有支護單元形成臨時固定后，再進行下一個循環(huán)的開挖。由于支護單元通過L形支護底座的水平段和豎直段分別設(shè)置頂升油缸或頂升氣缸，以及頂推油缸或頂推氣缸。以方便通過液壓動力或壓縮空氣動力，并利用控制系統(tǒng)形成自動控制，實現(xiàn)支護系統(tǒng)的自動固定和自動解除固定狀態(tài)，進而實現(xiàn)開挖機架的固定，以及開挖機架推進的自動化，確保開挖順利進行。另外，油缸或氣缸采用薄型缸結(jié)構(gòu)，以形成布局緊湊的支護系統(tǒng)，以適應(yīng)模擬開挖的空間要求，且其結(jié)構(gòu)簡單。

優(yōu)選的，所述豎直頂升板上端連接有頂罩，頂罩呈開口朝下的矩形罩殼結(jié)構(gòu)，用以從上方和兩側(cè)對頂升油缸或頂升氣缸，以及頂推油缸或頂推氣缸形成擋護。減少或避免油缸或氣缸的密封部位侵入粉塵機率，降低油缸或氣缸的故障率，提高其使用壽命。頂罩在支護系統(tǒng)跟進后，頂罩抵接在開挖機架后端面上，更利于形成對頂推油缸或頂推氣缸的防護。同時，還可利用頂罩前端與開挖機架后端構(gòu)成抵接關(guān)系，以形成支護單元跟進距離與開挖系統(tǒng)推進距離相等的控制。

進一步優(yōu)選的，所述頂罩后端固定連接有后擋板。以從后方形成對頂升油缸或頂升氣缸的防護，進一步提高防護效果。

優(yōu)選的，所述豎直頂升板上固定連接有兩個第一圓形導(dǎo)柱，第一圓形導(dǎo)柱滑動配合有第一導(dǎo)套，該第一導(dǎo)套嵌合在所述頂升油缸或頂升氣缸的缸體上。豎直頂升板通過導(dǎo)柱和導(dǎo)套形成良好導(dǎo)向，確保豎直頂升板升降動作可靠、路徑穩(wěn)定。

優(yōu)選的，所述水平頂推板上固定連接有兩個第二圓形導(dǎo)柱，第二圓形導(dǎo)柱滑動配合有第二導(dǎo)套，該第二導(dǎo)套嵌合在所述頂推油缸或頂推氣缸的缸體上。水平頂推板通過導(dǎo)柱和導(dǎo)套形成良好導(dǎo)向，確保水平頂推板水平移動動作可靠、路徑穩(wěn)定，從而形成對開挖系統(tǒng)的可靠推進。

本發(fā)明的有益效果是，支護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、布局緊湊，與開挖系統(tǒng)連接后可方便、可靠的應(yīng)用于三向加載條件下地下空間模擬開挖試驗，以使試驗過程及效果直觀、也更接近于現(xiàn)場。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明圖1的右視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。

參見圖1、圖2，一種三向加載三維相似模擬試驗開挖系統(tǒng)用支護系統(tǒng)，由多個并列設(shè)置的支護單元組成；支護單元包括L形支護底座2、豎直頂升板3和水平頂推板4；支護底座2和豎直頂升板3通過設(shè)在支護底座2的L形水平段上的薄型頂升氣缸5形成豎向頂升結(jié)構(gòu)；支護底座2和水平頂推板4通過設(shè)在L形豎直段外側(cè)面上，且呈水平設(shè)置的薄型頂推氣缸6形成水平推拉結(jié)構(gòu)，頂推氣缸6設(shè)在支護底座2位于頂升氣缸5前方。頂升氣缸5和頂推氣缸6均通過各自缸體上的軟管接頭1和高壓軟管連接壓縮空氣源。

其中，豎直頂升板3上端連接有頂罩7，頂罩7呈開口朝下的矩形罩殼結(jié)構(gòu)，且頂罩7后端固定連接有后擋板8，用以從上方、兩側(cè)和頂升氣缸5后側(cè)對頂升氣缸5和頂推氣缸6形成擋護；豎直頂升板3上固定連接有兩個第一圓形導(dǎo)柱9，第一圓形導(dǎo)柱9滑動配合有第一導(dǎo)套10，該第一導(dǎo)套10嵌合在頂升氣缸5的缸體上；水平頂推板4上固定連接有兩個第二圓形導(dǎo)柱11，第二圓形導(dǎo)柱11滑動配合有第二導(dǎo)套12，該第二導(dǎo)套12嵌合在頂推氣缸6的缸體上。

本實施例中的頂升氣缸5和頂推氣缸6可分別采用頂升油缸和頂推油缸替代，支護單元相應(yīng)采用液壓站提供液壓動力，頂升油缸和頂推油缸均通過各自缸體上的軟管接頭1和高壓軟管連接液壓站。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。