相似模拟实验采硐掘进装置的制作方法

1.本发明涉及采矿及岩土工程技术领域，尤其涉及一种相似模拟实验采硐掘进装置。


背景技术：

2.端帮采煤机开采的实质是在边坡下部煤层出露位置沿煤层施工一系列垂直于边坡走向的巷硐，开采全程无支护，通过巷硐之间保留的支撑煤柱来支承上覆岩土体重量。受工艺与安全等因素限制，露天矿边帮压煤数量巨大，随着内排及复垦工作的完成，这些压滞资源多数将成为永久损失。因此，如何在保证边坡安全稳定的前提下实现边帮压覆资源的高效开采，现已成为采矿技术发展所面临的重要问题。
3.相似材料模拟实验是采矿及岩土工程技术领域研究地下开挖诱发上覆岩层移动的重要方法。相关技术中，针对端帮煤的相似材料模拟实验较少，实验的难点为采硐群的快速开挖。利用冲击铲制作形成采硐群，会伴随着强大的冲力压力，这些冲击压力会严重破坏覆岩的稳定性，影响模拟实验的准确性。并且，冲击铲的运行轨迹的限制不够完善，致使铲头运移轨迹偏移，且不受控制，导致采硐之间存在连通的情况，采硐出现拐弯的情况，一些采硐深处的剖面与洞口的形状完全不同，严重影响实验的准确性。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本发明的实施例提出一种相似模拟实验采硐掘进装置，该装置能够确保采硐的稳定性和准确性，并且降低人力付出和节省采硐掘进时间。
6.本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置包括：实验台架、掘进组件和传动电机，所述实验台架具有实验平台，所述实验平台用于铺设实验材料，所述掘进组件包括掘进铲和多个螺旋钻，所述掘进铲沿水平方向可往复移动地设在所述实验台架上，所述掘进铲用于收集剥离所述实验材料，所述掘进铲为空心桶状结构，所述掘进铲位于其延伸方向上的一端的开口为进料口，所述螺旋钻的钻轴与所述掘进铲可转动地相连，且所述螺旋钻贯穿所述进料口，所述螺旋钻用于松动所述实验材料并将松动的实验材料通过所述进料口输送至所述掘进铲内，所述掘进铲的铲壁上设有位于所述螺旋钻下方的排料口，所述排料口远离所述进料口，以便所述掘进铲内的实验材料通过所述排料口排出，所述传动电机设在所述掘进铲内，所述传动电机的输出轴与所述螺旋钻的钻轴相连以驱动所述螺旋钻旋转。
7.本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置，采用螺旋钻与桶状掘进铲结合的方式，掘进铲采硐过程的同时利用螺旋钻松动实验材料。对比相关技术中，直接通过冲击铲的冲击压力插入实验材料进行采硐的方式，本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置对实验材料的冲击压力较小，从而降低采硐掘进伴生的冲击压力对实验结果的影响，进而提高采硐过程的稳定性和实验结果的准确性。
8.并且，相关技术中，通过人力将冲击铲冲击插入实验材料中，人力付出较高。本发
明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置，通过传动电机驱动螺旋钻旋转以松动实验材料，从而减少实验人员推动掘进铲插入实验材料所需的推力。并且，相关技术中，需往复推拉冲击铲进行采硐。本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置，利用螺旋钻的旋转以输送掘进铲内的实验材料，通过掘进铲的排料口排出，以使掘进铲可持续前进采硐，避免了往复移动掘进铲进行排料导致实验时间增加，从而达到高效掘进的目的，提高实验效率。
9.在一些实施例中，所述掘进铲的截面形状为圆形或多边形。
10.在一些实施例中，多个所述螺旋钻环绕所述掘进铲的在长度方向上的中心线间隔分布。
11.在一些实施例中，所述掘进铲的进料口的轮廓呈锯齿状。
12.在一些实施例中，所述螺旋钻的长度为130～150cm，所述螺旋钻的钻头与所述掘进铲的齿尖之间的距离为2～3cm。
13.在一些实施例中，还包括直线定向组件，所述直线定向组件包括第一槽钢、第二槽钢、第一直线光轴和第二直线光轴，所述第一槽钢和所述第二槽钢沿第一方向间隔布设在所述实验台架上，所述第一槽钢上设有沿第二方向间隔分布的多个第一限位孔，所述第二槽钢上设有与多个所述第一限位孔一一对应的多个第二限位孔，所述第一限位孔和所述第二限位孔均沿第一方向延伸，所述第一直线光轴分别与所述掘进铲和所述第二直线光轴相连，所述掘进铲贯穿任一第一限位孔，所述第一直线光轴贯穿与所述掘进铲贯穿的所述第一限位孔相对应的第二限位孔，所述第二直线光轴贯穿与所述第一直线光轴贯穿的所述第二限位孔相邻的第二限位孔，且所述掘进铲、所述第一直线光轴和所述第二直线光轴可沿第一方向同步往复移动。
14.在一些实施例中，所述第一槽钢和所述第二槽钢的高度可调节，以使所述掘进铲、所述第一直线光轴和所述第二直线光轴的高度可调节。
15.在一些实施例中，所述第一直线光轴和/或所述第二直线光轴上设有手柄。
16.在一些实施例中，所述传动电机的输出轴上设有第一齿轮，所述螺旋钻的钻轴上设有与所述第一齿轮相啮合的第二齿轮。
17.在一些实施例中，所述实验台架上设有落料斗，所述落料斗位于所述排料口的下方，以便收集从所述排料口排出的实验材料。
附图说明
18.图1是本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置的示意图。
19.图2是本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置的掘进铲的示意图。
20.图3是本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置的掘进铲的内部示意图。
21.附图标记：
22.实验台架1、实验平台11、落料斗12、
23.掘进组件2、掘进铲21、进料口211、排料口212、螺旋钻22、
24.传动电机3、
25.直线定向组件4、第一槽钢41、第一限位孔411、第二槽钢42、第二限位孔421、第一直线光轴43、手柄431、第二直线光轴44。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.下面结合附图描述本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置。
28.如图1至图3所示，本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置包括：实验台架1、掘进组件2和传动电机3。
29.实验台架1具有实验平台11、多个支柱和围板。实验平台11用于铺设实验材料，以使模拟实验在实验平台11上进行。多个支柱沿实验平台11的周向间隔分布在实验平台11上，围板设在相邻的两个支柱之间，用于围护实验平台11上铺设的实验材料。并且，围板未完全围护试验平台，以便实验人员观察实验过程。
30.掘进组件2包括掘进铲21和多个螺旋钻22，掘进铲21沿水平方向可往复移动地设在实验台架1上，掘进铲21用于收集剥离实验材料。掘进铲21为空心桶状结构，掘进铲21位于其延伸方向上的一端的开口为进料口211。
31.螺旋钻22由钻轴、钻头和螺旋叶片组成。螺旋钻22的钻轴与掘进铲21可转动地相连，且螺旋钻22贯穿进料口211，螺旋钻22用于松动实验材料并将松动的实验材料通过进料口211输送至掘进铲21内。掘进铲21的铲壁上设有位于螺旋钻22下方的排料口212，排料口212远离进料口211，以便掘进铲21内的实验材料通过排料口212排出。
32.例如，如图1至图3所示，掘进铲21和螺旋钻22均沿前后方向设置。螺旋钻22的前端钻头位于掘进铲21的进料口211的前侧，掘进铲21内设有固定板，固定板上设有多个通孔，螺旋钻22的转轴贯穿固定板上的通孔，且在螺旋钻22的转轴上套装轴承，以使螺旋钻22与掘进铲21可转动地相连。
33.可以理解的是，在相似材料模式实验过程中，螺旋钻22先接触实验材料，起到松动并挖掘实验材料的目的，然后随着掘进铲21的前进，掘进铲21插入实验材料中，起到收集剥离实验材料以及修整采硐形状的目的，采硐的形状与掘进铲21的外形相同，也即是，可通过更换不同外形的掘进铲21以改变采硐的形状。
34.采用螺旋钻22与桶状掘进铲21结合的方式，掘进铲21采硐过程的同时利用螺旋钻22松动实验材料。对比相关技术中，直接通过冲击铲的冲击压力插入实验材料进行采硐的方式，本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置对实验材料的冲击压力较小，从而降低采硐掘进伴生的冲击压力对实验结果的影响，进而提高采硐过程的稳定性和实验结果的准确性。
35.传动电机3设在掘进铲21内，传动电机3的输出轴与螺旋钻22的钻轴相连以驱动螺旋钻22旋转。相关技术中，通过人力将冲击铲冲击插入实验材料中，人力付出较高。本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置，通过传动电机3驱动螺旋钻22旋转以松动实验材料，从而减少实验人员推动掘进铲21插入实验材料所需的推力。并且，相关技术中，需往复推拉冲击铲进行采硐。本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置，利用螺旋钻22的旋转以输送掘进铲21内的实验材料，通过掘进铲21的排料口212排出，以使掘进铲21可持续前进采硐，避免了往复移动掘进铲21进行排料导致实验时间增加，从而达到高效掘进的目的，提高实验效率。
36.具体地，如图1至图3所示，实验平台11呈方形且水平设置。支柱具有四个，四个支
柱分别设在实验平台11的四角。围板具有两个，两个围板分别位于实验平台11的左侧和前侧。掘进组件2位于实验平台11的后侧，掘进铲21沿前后方向往复移动。进料口211位于掘进铲21的前端，排料口212设在掘进铲21的下壁上。
37.在一些实施例中，掘进铲21的截面形状为圆形或多边形。
38.可以理解的是，若掘进铲21呈圆柱桶状，则掘进铲21采硐的截面形状为圆形。若掘进铲21呈多边形桶状，则掘进铲21采硐的截面形状为多边形。
39.具体地，如图1至图3所示，掘进铲21呈长方体状，掘进铲21的采硐的形状为长方体。掘进铲21的长度方向为图中的前后方向，掘进铲21的宽度方向为图中的左右方向，掘进铲21的高度方向为图中的上下方向。
40.进一步地，掘进铲21的进料口211呈方形，进料口211的宽度为高度为5cm，进料口211的高度为8cm。
41.在一些实施例中，多个螺旋钻22环绕掘进铲21的在长度方向上的中心线间隔分布。例如，螺旋钻22具有四个，四个螺旋钻22环绕掘进铲21的在前后方向上中心线间隔分布。
42.在一些实施例中，如图1至图3所示，掘进铲21的进料口211的轮廓呈锯齿状，以便掘进铲21更容易的插入实验材料中。
43.可选地，如图1至图3所示，掘进铲21的前端的轮廓呈锯齿状且具有四个齿尖和四个齿槽，四个齿尖分别位于掘进铲21的沿前后方向延伸的四条棱线上，四个齿槽的其中两个分别位于掘进铲21的沿左右方向延伸的两条棱线上，另外两个分别位于掘进铲21的沿上下方向延伸的两条棱线上。
44.在一些实施例中，螺旋钻22的长度为130～150cm，螺旋钻22的钻头与掘进铲21的齿尖之间的距离为2～3cm。
45.在一些实施例中，如图1至图3所示，本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置还包括直线定向组件4。直线定向组件4包括第一槽钢41、第二槽钢42、第一直线光轴43和第二直线光轴44。
46.第一槽钢41和第二槽钢42沿第一方向(图1中的前后方向)间隔布设在实验台架1上，第一槽钢41上设有沿第二方向(图1中的左右方向)间隔分布的多个第一限位孔411，第二槽钢42上设有与多个第一限位孔411一一对应的多个第二限位孔421，第一限位孔411和第二限位孔421均沿第一方向延伸。
47.第一直线光轴43分别与掘进铲21和第二直线光轴44相连，掘进铲21贯穿任一第一限位孔411，第一直线光轴43贯穿与掘进铲21贯穿的第一限位孔411相对应的第二限位孔421，第二直线光轴44贯穿与第一直线光轴43贯穿的第二限位孔421相邻的第二限位孔421，且掘进铲21、第一直线光轴43和第二直线光轴44可沿第一方向同步往复移动。
48.可选地，如图1至图3所示，第一槽钢41和第二槽钢42的尺寸相同。第一槽钢41和第二槽钢42沿前后方向间隔分布，第一槽钢41位于第二槽钢42的前侧。相邻两个第一限位孔411之间的距离和相邻两个第二限位孔421之间的距离均为5cm，也即是，本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置模拟的采硐与采硐之间的距离为5cm。
49.第一直线光轴43的前端与掘进铲21的后端相连，第一直线光轴43和第二直线光轴44之间通过连接杆相连，第一直线光轴43位于第二直线光轴44的左侧，第一直线光轴43的
后端设有手柄431。
50.进一步地，如图1至图3所示，第一限位孔411和第二限位孔421均呈方形且尺寸一致。掘进铲21沿前后方向可滑动地贯穿第一限位孔411。第二限位孔421的四周设有四个螺栓孔，第一直线光轴43和第二直线光轴44上均套装有法兰轴承，法兰轴承通过螺栓安装在第二槽钢42上，第一直线光轴43和第二直线光轴44可相对法兰轴承沿前后方向滑动。
51.可以理解的是，实验人员握住手柄431，通过推拉第一直线光轴43带动掘进铲21和螺旋钻22沿前后方向进行移动。并且，通过并排设置第二直线光轴44，以防止第一直线光轴43沿自身轴线自转。
52.本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置，采用两个直线光轴与两个法兰轴承组合安装在第二槽钢42上的第二限位孔421处，掘进铲21与直线光轴相连且掘进铲21滑动贯穿第一槽钢41上的第一限位孔411，从而构成直线定向移动系统，可以保证掘进铲21在最远端的震动幅度小于2mm，且扭动幅度不超过1
°
，确保实验的稳定性与准确性，保障了采硐掘进的质量。
53.在一些实施例中，第一槽钢41和第二槽钢42的高度可调节，以使掘进铲21、第一直线光轴43和第二直线光轴44的高度可调节。
54.可选地，如图1至图3所示，实验台架1的位于后侧的两个支柱上设有多个安装孔，多个安装孔沿竖直方向间隔分布。第一槽钢41的左右两端分别设有与两个支柱上的安装孔相匹配的装配孔，以使第一槽钢41与支柱通过螺栓可拆卸地相连。并且，根据模拟实验所需高度，选择第一槽钢41与预设高度相对应的安装孔进行连接。
55.实验台架1还包括位于实验平台11后侧的升降支架，升降支架为螺杆升降机构，第二槽钢42设在升降支架上，以通过升降支架带动第二槽钢42移动。
56.需要理解的是，第一槽钢41和第二槽钢42在高度调节过程中，第一槽钢41和第二槽钢42的高度始终处于同一水平面内，避免出现弯折直线光轴和掘进铲21的情况发生。
57.在一些实施例中，如图1至图3所示，传动电机3的输出轴上设有第一齿轮，螺旋钻22的钻轴上设有与第一齿轮相啮合的第二齿轮。
58.可以理解的是，传动电机3带动第一齿轮旋转，从而通过与第一齿轮啮合的第二齿轮带动各个螺旋钻22旋转，仅需设置一个传动电机3即可驱动多个螺旋钻22旋转，降低本发明实施例的相似模拟实验采硐掘进装置的制造成本。
59.可选地，如图1至图3所示，位于上方的螺旋钻22的螺旋叶片与位于下方的螺旋钻22的螺旋叶片的旋向相反，以确保传动电机3同时驱动多个螺旋钻22旋转时，螺旋钻22的螺旋叶片均起到从前向后输送实验材料的作用。
60.在一些实施例中，如图1至图3所示，实验台架1上设有落料斗12，落料斗12位于排料口212的下方，以便收集从排料口212排出的实验材料，避免通过排料口212排出的实验材料直接落到地面上，对实验环境造成污染。
61.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
62.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
63.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
64.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
65.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
66.尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种相似模拟实验采硐掘进装置，其特征在于，包括：实验台架，所述实验台架具有实验平台，所述实验平台用于铺设实验材料；掘进组件，所述掘进组件包括掘进铲和多个螺旋钻，所述掘进铲沿水平方向可往复移动地设在所述实验台架上，所述掘进铲用于收集剥离所述实验材料，所述掘进铲为空心桶状结构，所述掘进铲位于其延伸方向上的一端的开口为进料口，所述螺旋钻的钻轴与所述掘进铲可转动地相连，且所述螺旋钻贯穿所述进料口，所述螺旋钻用于松动所述实验材料并将松动的实验材料通过所述进料口输送至所述掘进铲内，所述掘进铲的铲壁上设有位于所述螺旋钻下方的排料口，所述排料口远离所述进料口，以便所述掘进铲内的实验材料通过所述排料口排出；传动电机，所述传动电机设在所述掘进铲内，所述传动电机的输出轴与所述螺旋钻的钻轴相连以驱动所述螺旋钻旋转。2.根据权利要求1所述的相似模拟实验采硐掘进装置，其特征在于，所述掘进铲的截面形状为圆形或多边形。3.根据权利要求1所述的相似模拟实验采硐掘进装置，其特征在于，多个所述螺旋钻环绕所述掘进铲的在长度方向上的中心线间隔分布。4.根据权利要求1所述的相似模拟实验采硐掘进装置，其特征在于，所述掘进铲的进料口的轮廓呈锯齿状。5.根据权利要求4所述的相似模拟实验采硐掘进装置，其特征在于，所述螺旋钻的长度为130～150cm，所述螺旋钻的钻头与所述掘进铲的齿尖之间的距离为2～3cm。6.根据权利要求1-5中任一项所述的相似模拟实验采硐掘进装置，其特征在于，还包括直线定向组件，所述直线定向组件包括第一槽钢、第二槽钢、第一直线光轴和第二直线光轴，所述第一槽钢和所述第二槽钢沿第一方向间隔布设在所述实验台架上，所述第一槽钢上设有沿第二方向间隔分布的多个第一限位孔，所述第二槽钢上设有与多个所述第一限位孔一一对应的多个第二限位孔，所述第一限位孔和所述第二限位孔均沿第一方向延伸，所述第一直线光轴分别与所述掘进铲和所述第二直线光轴相连，所述掘进铲贯穿任一第一限位孔，所述第一直线光轴贯穿与所述掘进铲贯穿的所述第一限位孔相对应的第二限位孔，所述第二直线光轴贯穿与所述第一直线光轴贯穿的所述第二限位孔相邻的第二限位孔，且所述掘进铲、所述第一直线光轴和所述第二直线光轴可沿第一方向同步往复移动。7.根据权利要求6所述的相似模拟实验采硐掘进装置，其特征在于，所述第一槽钢和所述第二槽钢的高度可调节，以使所述掘进铲、所述第一直线光轴和所述第二直线光轴的高度可调节。8.根据权利要求6所述的相似模拟实验采硐掘进装置，其特征在于，所述第一直线光轴和/或所述第二直线光轴上设有手柄。9.根据权利要求1-5中任一项所述的相似模拟实验采硐掘进装置，其特征在于，所述传动电机的输出轴上设有第一齿轮，所述螺旋钻的钻轴上设有与所述第一齿轮相啮合的第二齿轮。10.根据权利要求1-5中任一项所述的相似模拟实验采硐掘进装置，其特征在于，所述实验台架上设有落料斗，所述落料斗位于所述排料口的下方，以便收集从所述排料口排出的实验材料。

技术总结
本发明公开了一种相似模拟实验采硐掘进装置，所述相似模拟实验采硐掘进装置包括实验台架、掘进组件和传动电机，实验台架具有实验平台，掘进组件包括掘进铲和多个螺旋钻，掘进铲沿水平方向可往复移动地设在实验台架上，掘进铲为空心桶状结构，掘进铲一端的开口为进料口，螺旋钻的钻轴与掘进铲可转动地相连，且螺旋钻贯穿进料口，掘进铲的铲壁上设有位于螺旋钻下方的排料口，排料口远离进料口，传动电机设在掘进铲内，传动电机的输出轴与螺旋钻的钻轴相连以驱动螺旋钻旋转。本发明的相似模拟实验采硐掘进装置能够确保采硐的稳定性和准确性，并且降低人力付出和节省采硐掘进时间。并且降低人力付出和节省采硐掘进时间。并且降低人力付出和节省采硐掘进时间。


技术研发人员：桑盛 丁鑫品 白国良 李志刚 李磊 马强 郭孝理 刘祥宏 刘梦薇 汤万钧 曲世龙
受保护的技术使用者：中煤科工能源科技发展有限公司 中煤科工生态环境科技有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/10/11