配套三維物理模型試驗機器人系統的製作方法

2023-06-11 04:42:37

專利名稱:配套三維物理模型試驗機器人系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種配套三維物理模型試驗機器人系統，包括三維物理模型試驗裝置和配套機器人兩大部分，它的外部為反力架，反力架的至少一個立方體框架面上有如下設置：相對設置的立柱間設置至少兩個相互平行的矩形大鋼板，相鄰的兩個矩形大鋼板之間設置有至少一排小矩形鋼板；在反力架的內部設置巖體模型；在二者之間設置垂直加載系統、水平左右加載系統和水平前後加載系統；該配套機器人主要包括機器人機身，配套設置錨杆支護系統和注漿系統；在機器人機身的頭部頂端設置刀盤，在機器人機身上設置至少一組撐靴和至少一組驅動輪；操控管線將機器人操控系統和驅動輪連接。本實用新型能準確的揭示巷道開挖及工作面回採時圍巖演化規律提供可靠的試驗手段。
【專利說明】
配套三維物理模型試驗機器人系統
技術領域
[0001]本實用新型屬於巖體力學的三維物理模型試驗裝置技術領域，具體涉及一種配套三維物理模型試驗機器人系統。
【背景技術】
[0002]隨著社會經濟的發展及國民經濟的需求，地下礦山及隧道建設向深部轉移，巖石力學的研究重點日益轉向地下，在採礦工程和水電工程領域，地下巷道的長度、跨度及埋深也越來越大，因此在複雜地質條件下巷道開挖造成的圍巖應力調整過程及穩定性問題變得尤為重要，而現場圍巖監測需要較多的人力、物力和財力，付出的工作量大、周期長，而圍巖的變化和應力分布情況不能直接觀測到，在監測時又經常受到現場條件的限制，難以取得較好的成果。
[0003]物理模型試驗是研究深埋巷道及礦山壓力的重要研究手段之一，以相似理論為基礎的模型試驗在配製與工程巖體性質相似的物理材料基礎上，對試件進行加載、開挖和支護等，研究地下洞室的受力、變形和穩定性問題。物理模型試驗可以模擬巷道開挖、工作面回採等對圍巖應力調整過程、位移分布特徵及位移最大值發生部位等。
[0004]物理模型試驗中圓形巷道使用鑽機開挖較容易實現，對於矩形巷道、直牆拱型巷道一般是採用手動開挖的方法或者預埋與隧洞形狀一樣的柱體。手動開挖費時費力且成巷效果不好，預埋柱體的方法分為加載前取出柱體一次成巷和加載過程中頂出柱體分段成巷，前者與現場實際開挖過程差距太大，後者在高應力和多條巷道交錯時較難實現。在採煤工作面回採三維模擬中，基本採用人工和簡易機械開挖，與實際開挖過程不符，無法實現採煤機割煤回採及一定傾角的傾斜回採。

【發明內容】

[0005]針對上述存在問題，本實用新型設計了一種配套三維物理模型試驗機器人系統:包括三維物理模型試驗裝置和配套機器人兩大部分，三維物理模型試驗裝置的外部為反力架，所述反力架的立方體形框架由八個橫向設置的水平梁和四個縱向設置的立柱組成；
[0006]所述反力架的至少一個立方體框架面上有如下設置:相對設置的第一立柱和第二立柱之間設置至少兩個相互平行的與水平面夾角為α矩形大鋼板，相鄰的兩個矩形大鋼板之間設置有至少一排矩形小鋼板；
[0007]所述反力架其他的框架側面均設置反力架面板;在反力架的內部設置巖體模型；在巖體模型的三個表面上分別安裝有上承壓板、左承壓板和後承壓板；
[0008]在巖體模型的上承壓板和相應的頂端反力架面板之間設置若干個上側震動千斤頂構成垂直加載系統；
[0009]在巖體模型的左承壓板和相應的側面反力架面板之間設置若干個左側震動千斤頂構成水平左右加載系統；
[0010]在巖體模型的後承壓板和相應的後面反力架面板之間設置若干個後側震動千斤頂構成水平前後加載系統；
[0011 ]配套機器人主要包括機器人機身，配套設置錨杆支護系統和注漿系統；在機器人機身的頭部頂端設置刀盤，在機器人機身上設置至少一組撐靴和至少一組驅動輪;從機器人機身的尾部伸出的操控管線將機器人操控系統和驅動輪連接。
[0012]上述技術方案中，所述的每個矩形大鋼板的兩端至少設置有一組矩形螺栓孔和弧形螺栓孔;沿矩形大鋼板的兩長邊均設置有多個小矩形鋼板連接螺栓孔；
[0013]矩形大鋼板同一端的一組矩形螺栓孔和弧形螺栓孔為上下設置，其中矩形螺栓孔呈矩形挖孔，其長邊和矩形大鋼板平行，弧形螺栓孔呈60°?120°的扇環形挖孔，其中心軸和矩形螺栓孔重合，且該弧形螺栓孔的圓心靠近矩形螺栓孔一側。
[0014]上述技術方案中，所述的每個小矩形鋼板的一側面設有手柄，每個小矩形鋼板的四角上均設置有小矩形鋼板連接螺栓孔;矩形大鋼板的矩形大鋼板連接螺栓孔和小矩形鋼板上的小矩形鋼板連接螺栓孔的尺寸相同，且排列位置相應。
[0015]上述技術方案中，所述的立方體框架面上有如下設置:相對設置的第一立柱和第二立柱的內側均設置有螺栓安裝凹槽;在立方體框架面的第一立柱和第二立柱之間利用螺栓設置若干矩形大鋼板;將螺栓的螺栓頭安裝在螺栓安裝凹槽內；該螺栓的螺杆部分伸出在螺栓安裝凹槽之外;與水平面呈夾角α傾斜的矩形大鋼板兩端的矩形螺栓孔、弧形螺栓孔套裝在這些螺栓的螺杆上;安裝螺帽將矩形大鋼板設置在第一立柱和第二立柱之間的預定位置上；
[0016]至少在相鄰的兩塊矩形大鋼板之間設置至少一排相鄰緊密排列的小矩形鋼板;將每個小矩形鋼板連接螺栓孔和矩形大鋼板連接螺栓孔對齊後，利用連接螺栓從外側將每塊小矩形鋼板緊密相鄰排列的安裝在矩形大鋼板之間;每塊小矩形鋼板的手柄均位於外側。
[0017]上述技術方案中，矩形大鋼板的長寬比大於5;小矩形鋼板的長寬比在0.8?1.2之間，且小矩形鋼板的短邊和矩形大鋼板的短邊的比例在0.5?2之間。
[0018]上述技術方案中，所述的刀盤通過中心的轉軸及周圍的多個微型千斤頂設置在機器人機身的端頭部位；
[0019]所述的刀盤的前端面中心部位為盾構盤;所述的盾構盤為圓形，其上設置有中心對稱布置的多個合金齒、多個排渣孔和至少一個魚尾刀。
[0020]上述技術方案中，在圓形刀盤的外側還可以在單邊設置若干輔助主動鑽進頭，輔助主動鑽進頭後部設置微型電機。
[0021]上述技術方案中，在所述機器人機身上配套設置的錨杆操控系統通過操控管線連接控制所述的錨杆支護系統所述的錨杆支護系統，主要包括錨杆、錨杆千斤頂、錨杆彈簧；多個錨杆依次設置在巷道內部，第一根錨杆位於錨杆千斤頂頂端，最後一根錨杆由錨杆彈簧橫向固定。
[0022]上述技術方案中，所述的注漿系統包括注漿管、注漿口和注漿操控系統;注漿口為環繞設置在注漿管上;注漿管從機器人機身的尾部伸出；在機器人機身的尾部伸出的操控管線連接注漿操控系統。
[0023]本實用新型設計的上述配套三維物理模型試驗機器人系統，具有以下優點:
[0024]1、全方位三維模擬巖體內、外受力以及震動等情形，模擬還原實際巖體的預應力受力情況。
[0025]2、實際生產中，巷道及煤層開挖受到地形、巖體等多方限制，往往呈現各種傾斜和迂迴。將兩塊矩形大鋼板之間的一排矩形小鋼板拆除，露出的巖體模型即模擬巖體。通過拆除不同位置的矩形小鋼板，留下一部分巖體模型不開挖，是模擬開挖中保留的巖體部分。通過不同尺寸的矩形大、小鋼板之間相互配合，可以實現不同尺寸的巷道、工作面以及保留巖體之間的模擬。
[0026]3、巷道和工作面由配套機器人開挖處理，能夠真實的模擬盾構設備的掘進過程，以及採礦時的各種開挖操作，相比現有的預埋法的模擬效果更接近實際情況。
[0027]4、在上述掘進模擬過程中，還可以利用各個加載系統及各個千斤頂給巖體模型施加外力，同步模擬實際巖體受到的內部應力;可以適應更多更複雜的模擬情況。
[0028]5、掘進模擬的同時，還可以進行模擬錨杆定位及圍巖噴漿等操作，能夠全面的模擬實際生產的情形，滿足科研及生產的需要。
[0029]本實用新型設計的配套三維物理模型試驗機器人系統，配合機器人後的自動化開採模擬能夠模擬各種巖體內開挖巷道、工作面、掘進面等情形，外部可調控巖體模型的受力情況，同時還配合指定位置錨杆及圍巖噴漿等操作;整體結構堅固，操作簡單，保證巖體挖掘的模擬試驗結果準確可靠，可廣泛應用於各種隧洞、圍巖、巷道、掘進面等巖體開挖的模擬生產情形，配合相應的巖體的試驗和研究。
【附圖說明】

[0030]圖1為一種三維物理模型試驗裝置的結構示意圖。
[0031]圖2是圖1中外力架的結構示意圖。
[0032]圖3是圖2中外力架的俯視結構示意圖。
[0033]圖4是圖1中連接螺栓將矩形大鋼板安裝在立柱上的局部結構示意圖。
[0034]圖5是圖1中立方體框架面的布置結構示意圖。
[0035]圖6是圖5中矩形大鋼板和矩形小鋼板連接結構示意圖。
[0036]圖7是矩形大鋼板的結構示意圖。
[0037]圖8為矩形小鋼板的結構左視圖。
[0038]圖9為矩形小鋼板的結構正視圖。
[0039]圖10是巖體模型及加載系統的結構示意圖。
[0040]圖11是巖體模型及加載系統的結構示意圖。
[0041 ]圖12是機器人的整體結構示意圖。
[0042]圖13是機器人的注漿口的結構示意圖。
[0043]圖14是機器人的錨杆支護系統的整體結構示意圖。
[0044]圖15單個錨杆的結構示意圖。
[0045]圖16是錨杆支護系統的整體結構示意圖。
[0046]圖17是盾構盤的正面結構示意圖。
[0047]圖18是盾構盤的側面結構示意圖。
[0048]圖19是帶二個輔助主動鑽進頭的盾構盤的側面結構示意圖。
[0049]圖20是帶四個輔助主動鑽進頭的盾構盤的側面結構示意圖。
[0050]圖21是輔助主動鑽進頭的及微型電機的結構示意圖。[0051 ]圖中:反力架AO、水平梁Al、立柱A2 (其中第一立柱A2.1，第二立柱A2.2)、螺栓安裝凹槽A3、卡口 A4、凸條A5、矩形大鋼板A6(其中:矩形螺栓孔A6.1、弧形螺栓孔A6.2、矩形大鋼板連接螺栓孔A6.3)、矩形小鋼板A7(其中:手柄A7.1、小矩形鋼板連接螺栓孔A7.2)、連接螺栓A8、螺栓A9、反力架面板A1、立方體框架面A11、巖體模型A12、水平左右加載系統A13、水平前後加載系統A14、垂直加載系統A15、左側震動千斤頂A16、後側震動千斤頂A17、上側震動千斤頂A18、左承壓板A19、後承壓板A21、上承壓板A22、
[0052]機器人機身1、撐靴2、驅動輪3、注漿管4、微型千斤頂5、刀盤6、盾構盤7(其中:合金齒7.1a、出渣孔7.1b、魚尾刀7.1c、合金鑽頭7.2)、排渣孔8、轉軸9、注漿孔10、電機11、操控管線12、注漿操控系統13、機器人操控系統14、錨杆操控系統15、微型電機16、錨杆支護系統20、錨杆21、錨杆千斤頂22、錨杆彈簧23。
【具體實施方式】
[0053]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細描述，以便於人們對本實用新型的理解。
[0054]如圖1?11所示，本實用新型設計了一種三維物理模型試驗裝置，包括三維物理模型試驗裝置和配套機器人兩大部分，它的外部為反力架A0，所述反力架AO的立方體形框架由八個橫向設置的水平梁Al和四個縱向設置的立柱A2組成，所述反力架AO的至少一個立方體框架面All上有如下設置:
[0055]相對設置的第一立柱A2.1和第二立柱A2.2之間設置至少兩個相互平行的與水平面夾角為α的矩形大鋼板A6，相鄰的兩個矩形大鋼板A6之間設置有至少一排矩形小鋼板A7。
[0056]所述反力架AO其他的框架側面均設置反力架面板Α10。在反力架AO的內部設置巖體模型Α12。在巖體模型Α12的三個表面上分別安裝有上承壓板Α22、左承壓板Α19和後承壓板 Α21。
[0057]在巖體模型Α12的上承壓板Α22和相應的頂端反力架面板AlO之間設置若干個上側震動千斤頂Α18構成垂直加載系統Α15。
[0058]在巖體模型Α12的左承壓板Α19和相應的側面反力架面板AlO之間設置若干個左側震動千斤頂Α16構成水平左右加載系統Α13。
[0059]在巖體模型Α12的後承壓板Α21和相應的後面反力架面板AlO之間設置若干個後側震動千斤頂Α17構成水平前後加載系統Α14。
[0060]依此，通過垂直加載系統Α15、水平前後加載系統Α14和水平左右加載系統Α13可以有效的對巖體模型Α12施加外力，實現三維方向施力的獨立加載，從而有效的模擬巖體的外部施力及內部應力。
[0061]上述的各個千斤頂及加載系統能夠一方面在架構試驗裝置初期，直接向巖體模型Α12施加模擬應力，模擬巖體受力；另一方面同時還可以在模擬施工過程中的，控制千斤頂操作來施加震動，以模擬崩落採礦法或巖體震動。能夠較為全面的模擬各種開挖、掘進的實際生產情形。
[0062 ]具體的，該反力架AO的立柱Α2和水平梁AI之間以突出的凸條Α5和凹陷的卡口 Α4榫卯式連接而成。
[0063]具體的，每個矩形大鋼板Α6的兩端至少設置有一組矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔A6.2；沿矩形大鋼板A6的兩長邊均設置有多個矩形小鋼板連接螺栓孔A6.3。
[0064]具體的，矩形大鋼板A6同一端的一組矩形螺栓孔A6.1和弧形螺栓孔A6.2為上下設置，其中矩形螺栓孔A6.1呈矩形挖孔，其長邊和矩形大鋼板A6平行，弧形螺栓孔A6.2呈60°?120°的扇環形挖孔，其中心軸和矩形螺栓孔A6.1重合，且該弧形螺栓孔A6.2的圓心靠近矩形螺栓孔A6.1—側。
[0065]具體的，每個矩形小鋼板A7的一側面設有手柄A7.1，每個矩形小鋼板A7的四角上均設置有矩形小鋼板連接螺栓孔A7.2。矩形大鋼板A6的矩形大鋼板連接螺栓孔A6.3和矩形小鋼板A7上的矩形小鋼板連接螺栓孔A7.2的尺寸相同，且排列位置相應。
[0066]本實施例中，矩形大鋼板A6的長寬比大於5。矩形小鋼板A7的長寬比在0.8?1.2之間，且矩形小鋼板A7的短邊和矩形大鋼板A6的短邊的比例在0.5?2之間。弧形螺栓孔A6.2為90°的扇環形挖孔。
[0067]具體的，如圖5所示的立方體框架面AlI的內部視角，該立方體框架面Al I上有如下設置:相對設置的第一立柱A2.1和第二立柱A2.2的內側均設置有螺栓安裝凹槽A3。在立方體框架面Al I的第一立柱A2.1和第二立柱A2.2之間利用螺栓A9設置若干矩形大鋼板A6。將螺栓A9的螺栓頭安裝在螺栓安裝凹槽A3內；該螺栓A9的螺杆部分伸出在螺栓安裝凹槽A3之外;矩形大鋼板A6兩端的矩形螺栓孔A6.1、弧形螺栓孔A6.2套裝在這些螺栓A9的螺杆上;安裝螺帽後即可將矩形大鋼板A6設置在第一立柱A2.1和第二立柱A2.2之間的預定位置上。
[0068]至少在相鄰的兩塊矩形大鋼板A6之間設置至少一排相鄰緊密排列的矩形小鋼板A7。將每個矩形小鋼板連接螺栓孔A7.2和矩形大鋼板連接螺栓孔A6.3對齊後，利用連接螺栓AS從外側將每塊矩形小鋼板A7緊密相鄰排列的安裝在矩形大鋼板A6之間。每塊矩形小鋼板A7的手柄A7.1均位於外側。
[0069]具體的，將每一塊矩形大鋼板A6以與水平面呈夾角α傾斜設置在第一立柱A2.1和第二立柱Α2.2之間，其兩端的一組矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔Α6.2分別插入安裝在螺栓安裝凹槽A3內的螺栓Α9的螺杆部分，然後安裝螺帽固定。
[0070]為了保證每個矩形大鋼板Α6均設置在兩個第一立柱Α2.1和第二立柱Α2.2之間，可以設計一系列的不同長度的矩形大鋼板Α6。或者在足夠長的矩形大鋼板Α6上設置多組矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔Α6.2，安裝時利用不同位置上的一組矩形螺栓孔Α6.1和弧形螺栓孔Α6.2，以適應不同α的傾斜。
[0071]每一塊矩形大鋼板Α6以和水平的夾角α = 0?45° ;即可以實現不同傾角下的巷道、煤層等挖掘、開採模擬。
[0072]依上述方式設置的整個立方體框架面All僅由矩形大、小鋼板Α6、Α7組成。其中，矩形小鋼板Α7為模擬挖掘巷道(面)，矩形大鋼板Α6模擬不開挖的巖體面。將某塊矩形小鋼板Α7上的連接螺栓AS全部拆除後，可以握住手柄Α7.1將該矩形小鋼板Α7取下;然後在暴露的巖體模型Α12上模擬挖掘。在一個矩形小鋼板Α7掘進至一定程度後，再將另一塊矩形小鋼板Α7拆下並模擬挖掘，即可模擬巖體上挖掘不同的巷道時的受力情況。或者將相鄰的若干個矩形小鋼板Α7全部拆除，此時，兩個矩形大鋼板Α6之間的空隙即可模擬和水平面夾角為α的開挖面，模擬煤層挖掘。
[0073]該反力架AO的使用時，僅僅設置一個如上的立方體框架面All，即可有效的模擬巖體加載;也可以在相鄰的兩個面上都設置立方體框架面All，更大範圍的模擬貫穿式的掘進等情況。
[0074]為了模擬巷道開挖情況，本實用新型可以直接採用人工方式開挖，或者配套開挖用機器人模擬盾構機的挖掘。
[0075]如圖12?21所示，為了模擬巷道開挖情況，本實用新型設計的配套機器人主要包括機器人機身I，在機器人機身I的頭部頂端設置刀盤6，中部設置多個注漿口 10。在機器人機身I上設置至少一組撐靴2和至少一組驅動輪3。連接注漿口 10的注漿管4和操控管線12從機器人機身I的尾部伸出。機器人操控系統14通過操控管線12連接控制所述的驅動輪3;錨杆操控系統15通過操控管線12連接控制所述的錨杆支護系統20。
[0076]通常在機器人機身I尾部和中部各設置一組驅動輪3，機器人操控系統14通過操控管線12控制驅動輪3前進和後退，微型千斤頂5通過液壓控制千斤頂油缸內液壓油的進出來實現千斤頂的伸縮，實現固定機器人機身I和提供支撐作用。
[0077]具體的，刀盤6的前端面的中心部位為盾構盤7。所述的盾構盤7為圓形，其上設置有中心對稱布置的多個合金齒7、多個排渣孔8和至少一個魚尾刀7.lc。
[0078]如圖16?19所示，盾構盤7的中心為圓形刀盤7.1，在圓形刀盤7.1上均勻對稱的設置有合金齒7.1a和排渣孔7.lb，在其中部還設置有一個魚尾刀7.lc。通常採用圓形刀盤7.1處理掘進的巷道斷面為圓形的情況。
[0079]在圓形刀盤7.1的外側還可以在單邊設置若干輔助主動鑽進頭7.2，輔助主動鑽進頭7.2後部由微型電機16提供動力。具體的，將若干大小不一的輔助主動鑽進頭7.2組成直牆半圓拱形的一組。一組或兩組輔助主動鑽進頭7.2配合一個圓形刀盤7.1，能夠對圓形刀盤7.1以外區域的鑽進，掘進完成所需的巷道斷面形狀。
[0080]具體的，刀盤6通過中心的轉軸9及周圍的多個微型千斤頂5設置在機器人機身I的端頭部位，由電機11提供扭矩，微型千斤頂5提供推力。機器人機身I中部設置有一組或多組撐靴2，沿周向提供支撐作用。撐靴2配合微型千斤頂對稱的布置在機器人機身I的上下端，同時驅動輪3也可以對機器人機身I提供支撐。
[0081]刀盤6在微型千斤頂5提供的推力作用下首先壓入掌子面巖體中，在電機11提供的扭矩作用下旋轉切削巖體形成圓形斷面；同時還可以輔助使用主動鑽進合金鑽頭7.2實現圓形斷面之外的開挖，刀具削落的渣土可在魚尾刀12帶動下通過刀盤6上的排渣孔8排出。
[0082]在機器人機身I上還通過錨杆支護系統20和注漿系統實現錨杆支護和噴漿支護兩種形式的支護操作，可以克服狹小空間人工手動操作的弊端，實現自動化操作。
[0083]如圖13?15所示，所述的錨杆支護系統20，主要包括錨杆21、錨杆千斤頂22、錨杆彈簧23。多個錨杆21依次設置在巷道內部，第一根錨杆21位於錨杆千斤頂22頂端，最後一根錨杆21由錨杆彈簧23橫向固定。在巷道壁上鑽孔時，將第一根錨杆21推到錨杆千斤頂22上，啟動錨杆千斤頂22伸出將錨杆21打入圍巖內後縮回，錨杆彈簧23將下一根錨杆21推到錨杆千斤頂22上，如此循環，實現錨杆支護圍巖。
[0084]如圖11、12所示，所述的注漿系統，包括注漿管4、注漿口10和注漿作業系統。漿液通過注漿管4由注漿口 10噴出，實現圍巖表面噴漿，模擬現場圍巖噴漿，實現和現場的一致性。所述的注漿口 10為環繞設置在注漿管4上，套裝在機器人機身I的頭部的後方，注漿管4從機器人機身I的尾部伸出。
[0085]實施例1:巷道掘進模擬
[0086]利用上述三維物理模型試驗裝置模擬巷道掘進的方法，包括以下步驟:
[0087]步驟1:架構反力架AO，建立模型裝置:
[0088]架構反力架A0，在立方體框架面All上設置與水平面呈夾角α的多個相互平行的矩形大鋼板Α6，並在兩塊矩形大鋼板Α6之間設置多塊並排的矩形小鋼板Α7。
[0089]在反力架AO內設置巖體模型Α12，並安裝垂直加載系統Α15、水平前後加載系統Α14、水平左右加載系統Α13。
[0090]設定垂直加載系統Α15、水平前後加載系統Α14、水平左右加載系統Α13對巖體模型Α12加載壓力。
[0091]矩形大鋼板Α6和水平面夾角α即為待模擬的巷道和水平的夾角。當水平面夾角α=0°時，為水平開採模擬。
[0092]步驟2:在模擬的巷道掘進位置處拆除一塊或多塊矩形小鋼板Α7;形成和水平面夾角為α的巷道掘進面。
[0093]步驟3:在拆除矩形小鋼板Α7的位置放入挖掘機器人，或者人工模擬挖掘巖體模型Al 2至目標位置。
[0094]使用挖掘機器人模擬時，先固定機器人，然後啟動該機器人旋轉切削壓入巖體模型Α12，挖掘的「渣土」(巖體模型Α12碎肩)從後方排出。當掘進一個步距後，操控機器人前進，此時完成一個步距的開挖模擬，同時還可以配套模擬支護及其他操作。
[0095]使用人工模擬挖掘巖體模型Α12時，可以使用工具直接挖掘至目標位置
[0096]步驟4:重複步驟2和3，直到完成第一個巷道的模擬開挖。
[0097]具體的，當兩塊矩形大鋼板Α6之間拆除一塊矩形小鋼板Α7後，能夠構成一個模擬的巷道掘進位置，直接採用機器人或人工開挖巖體模型Α12，形成的孔洞即為模擬的巷道。有些模擬試驗中，多塊相鄰的矩形小鋼板Α7全部開挖後形成的一個較大的傾斜的工作面才能模擬一個巷道。此時，通常是先將一塊矩形小鋼板Α7挖掘至目標位置後，再拆除其相鄰的矩形小鋼板Α7，並將其挖掘至目標位置;依此直至將相鄰的多個矩形小鋼板Α7均挖掘至目標位置，形成模擬巷道或工作面。
[0098]為了貼近實際的生產及科研情形，通過在不同水平(不同的兩塊矩形大鋼板Α6之間)、不同位置(相同的兩塊矩形大鋼板Α6之間、不相鄰)上拆除若干個矩形小鋼板Α7，實現巷道不同布置位置的模擬;包括相同水平和不同水平巷道縱橫交錯布置。通過機器人或者人工掘進，可以實現不同斷面的巷道的開挖。
[0099]通常是在設計模擬時，預先將待模擬掘進面相應的位置上設置多塊並排的矩形小鋼板Α7，多個不同層面的待模擬掘進面則設置多個不同層面並排的矩形小鋼板Α7，保留巖體不開挖的位置設置大矩形鋼板Α6，依此設計立方體框架面Al I;從而實現模擬不同水平上巷道交錯布置。
[0100]實施例2:煤層水平、傾斜開採模擬
[0101]利用上述三維物理模型試驗裝置模擬煤層水平開採的方法，包括以下步驟:
[0102]步驟I?3:與實施例1中模擬巷道掘進一致。直到完成第一個巷道的開挖。
[0103]步驟4:在已拆除的第一個矩形小鋼板Α7的相鄰位置拆除下一塊矩形小鋼板Α7。
[0104]步驟5:重複步驟2?4，完成工作面推進模擬。
[0105]本實施例中，依次拆除相鄰的矩形小鋼板Α7，依此可以對立方體框架面All上的兩個矩形大鋼板A6之間的一個模擬工作面進行全部回採模擬。
[0106]如果有需要，可以對另外兩個矩形大鋼板A6之間的另一排矩形小鋼板A7重複上述步驟，即可實現煤層的不同水平的工作面同回採模擬試驗。
[0107]上述模擬試驗中，水平面夾角α= 0°時，為煤層的水平開採模擬。水平面夾角α#0°時，為煤層的傾斜開採模擬。
[0108]實施例3:金屬礦崩落法開採模擬
[0109]步驟I?4:與實施例1中模擬巷道掘進一致;直到完成第一個巷道的開挖。然後採取下列步驟來模擬金屬礦崩落法開採生產:
[0110]步驟5:操控垂直加載系統Α15、水平前後加載系統Α14、水平左右加載系統Α13，控制並製造震動，模擬一個工作面的一次現場爆破。
[0111]操控各個加載系統的各個千斤頂之間相互配合，模擬出一次現場爆破，即為實際生產中的「落礦」。
[0112]步驟6:直接將震動形成的巖體模型Al2碎塊排出。
[0113]震動形成的巖體模型Α12碎塊即為模擬實際生產中的崩落下來的「礦石」；將「礦石」排出後完成本次模擬，也可進行下一步模擬。
[0114]如果不僅僅是模擬一個工作面的一次現場爆破，而是需要對整個區段的開採進行模擬，在步驟6之後還應採取下述步驟:
[0115]步驟7:拆除下一塊矩形小鋼板Α7;
[0116]步驟8:操控垂直加載系統Α15、水平前後加載系統Α14、水平左右加載系統Α13，控制並製造震動，再次模擬一個工作面的一次現場爆破；
[0117]步驟9:重複步驟7、8，直至完成本區段開採模擬。
[0118]根據模擬的情況需要，步驟7中可以在已拆除的第一個矩形小鋼板Α7的相鄰位置拆除下一塊矩形小鋼板Α7;也可以在同一排位置上選取一塊矩形小鋼板Α7。
[0119]如果有需要針對整個金屬礦開採模擬，在步驟9後還應採取下述步驟:
[0120]步驟10:對另一排矩形小鋼板Α7重複上述步驟5?9，可以實現不同水平的金屬礦崩落法開採模擬。
[0121]上述模擬試驗中，水平面夾角α= 0°時，為金屬礦崩落法水平開採模擬。水平面夾角α#0°時，為金屬礦崩落法的傾斜開採模擬。
[0122]本實施例中，類似的，首先架構反力架AO，然後利用機器人或人工模擬挖掘一個工作面，隨後再啟動水平左右加載系統Α13、水平前後加載系統Α14及垂直加載系統Α15等設備(具體的可以操控、配合各個上側震動千斤頂Α18、各個左側震動千斤頂Α16和各個後側震動千斤頂Α17)，控制並製造震動，每次模擬一個工作面的一次現場爆破，多次重複模擬，完全實現模擬金屬礦崩落法開採採礦。
[0123]實施例4:房柱法開採模擬
[0124]步驟I與實施例1中模擬巷道掘進一致;直到完成第一個巷道的開挖。然後採取下列步驟來模擬金屬礦崩落法開採生產:
[0125]步驟5:在已拆除的矩形小鋼板Α7同一排、間隔一個或多個矩形小鋼板Α7拆除下一塊矩形小鋼板Α7;在拆除矩形小鋼板Α7的位置放入挖掘機器人，或者人工模擬挖掘巖體模型Al 2至目標位置。
[0126]步驟6:同一排矩形小鋼板A7的上的挖掘完成後，再在另外兩個矩形大鋼板A6之間的一排矩形小鋼板A7上重複步驟2?5，形成縱橫交錯的巷道，實現房柱法開採的模擬。
[0127]本實施例中，將矩形大鋼板A6之間的矩形小鋼板A7拆除，露出的巖體模型A12就是模擬巖體。通過拆除不同位置的矩形小鋼板A7，留下一部分巖體模型A12不開挖，就是模擬開挖中保留的巖體部分。這樣實現煤礦中沿空掘巷留小煤柱開採。該發明還可以模擬沿空掘巷留設不同尺寸小煤柱巷道掘進等。
【主權項】
1.一種配套三維物理模型試驗機器人系統，其特徵在於:包括三維物理模型試驗裝置和配套機器人兩大部分，三維物理模型試驗裝置的外部為反力架(AO)，所述反力架(AO)的立方體形框架由八個橫向設置的水平梁(Al)和四個縱向設置的立柱(A2)組成； 所述反力架(AO)的至少一個立方體框架面(AU)上有如下設置:相對設置的第一立柱(A2.1)和第二立柱(A2.2)之間設置至少兩個相互平行的與水平面夾角為α矩形大鋼板(Α6)，相鄰的兩個矩形大鋼板(Α6)之間設置有至少一排矩形小鋼板(Α7); 所述反力架(AO)其他的框架側面均設置反力架面板(AlO);在反力架(AO)的內部設置巖體模型(A12);在巖體模型(Α12)的三個表面上分別安裝有上承壓板(Α22)、左承壓板(Α19)和後承壓板(Α21); 在巖體模型(Α12)的上承壓板(Α22)和相應的頂端反力架面板(AlO)之間設置若干個上側震動千斤頂(Α18)構成垂直加載系統(Α15); 在巖體模型(Α12)的左承壓板(Α19)和相應的側面反力架面板(AlO)之間設置若干個左側震動千斤頂(Α16)構成水平左右加載系統(Α13); 在巖體模型(Α12)的後承壓板(Α21)和相應的後面反力架面板(AlO)之間設置若干個後側震動千斤頂(Α17)構成水平前後加載系統(Α14); 配套機器人主要包括機器人機身(I )，配套設置錨杆支護系統(20)和注漿系統;在機器人機身(I)的頭部頂端設置刀盤(6)，在機器人機身(I)上設置至少一組撐靴(2)和至少一組驅動輪(3);從機器人機身(I)的尾部伸出的操控管線(12)將機器人操控系統(14)和驅動輪(3)連接。2.根據權利要求1所述的配套三維物理模型試驗機器人系統，其特徵在於:所述的每個矩形大鋼板(Α6)的兩端至少設置有一組矩形螺栓孔(Α6.1)和弧形螺栓孔(Α6.2);沿矩形大鋼板(Α6)的兩長邊均設置有多個小矩形鋼板連接螺栓孔(Α6.3); 矩形大鋼板(Α6)同一端的一組矩形螺栓孔(Α6.1)和弧形螺栓孔(Α6.2)為上下設置，其中矩形螺栓孔(Α6.1)呈矩形挖孔，其長邊和矩形大鋼板(Α6)平行，弧形螺栓孔(Α6.2)呈60°?120°的扇環形挖孔，其中心軸和矩形螺栓孔(Α6.1)重合，且該弧形螺栓孔(Α6.2)的圓心靠近矩形螺栓孔(Α6.1)—側。3.根據權利要求2所述的配套三維物理模型試驗機器人系統，其特徵在於:所述的每個小矩形鋼板(Α7)的一側面設有手柄(Α7.1)，每個小矩形鋼板(Α7)的四角上均設置有小矩形鋼板連接螺栓孔(Α7.2);矩形大鋼板(Α6)的矩形大鋼板連接螺栓孔(Α6.3)和小矩形鋼板(Α7)上的小矩形鋼板連接螺栓孔(Α7.2)的尺寸相同，且排列位置相應。4.根據權利要求3所述的配套三維物理模型試驗機器人系統，其特徵在於:所述的立方體框架面(Al I)上有如下設置:相對設置的第一立柱(Α2.1)和第二立柱(Α2.2)的內側均設置有螺栓安裝凹槽(A3);在立方體框架面(AlI)的第一立柱(Α2.1)和第二立柱(Α2.2)之間利用螺栓(Α9)設置若干矩形大鋼板(A6);將螺栓(Α9)的螺栓頭安裝在螺栓安裝凹槽(A3)內；該螺栓(Α9)的螺杆部分伸出在螺栓安裝凹槽(A3)之外;與水平面呈夾角α傾斜的矩形大鋼板(Α6)兩端的矩形螺栓孔(Α6.1)、弧形螺栓孔(Α6.2)套裝在這些螺栓(Α9)的螺杆上;安裝螺帽將矩形大鋼板(Α6)設置在第一立柱(Α2.1)和第二立柱(Α2.2)之間的預定位置上； 至少在相鄰的兩塊矩形大鋼板(Α6)之間設置至少一排相鄰緊密排列的小矩形鋼板(A7);將每個小矩形鋼板連接螺栓孔(Α7.2)和矩形大鋼板連接螺栓孔(Α6.3)對齊後，利用連接螺栓(AS)從外側將每塊小矩形鋼板(A7)緊密相鄰排列的安裝在矩形大鋼板(A6)之間；每塊小矩形鋼板(A7)的手柄(A7.1)均位於外側。5.根據權利要求4所述的配套三維物理模型試驗機器人系統，其特徵在於:矩形大鋼板(A6)的長寬比大於5;小矩形鋼板(A7)的長寬比在0.8?1.2之間，且小矩形鋼板(A7)的短邊和矩形大鋼板(A6)的短邊的比例在0.5?2之間。6.根據權利要求1?5中任一項所述的配套三維物理模型試驗機器人系統，其特徵在於:所述的刀盤(6)通過中心的轉軸(9)及周圍的多個微型千斤頂(5)設置在機器人機身(I)的端頭部位； 所述的刀盤(6)的前端面中心部位為盾構盤(7);所述的盾構盤(7)為圓形，其上設置有中心對稱布置的多個合金齒(7.1a)、多個排渣孔(7.1b)和至少一個魚尾刀(7.lc)。7.根據權利要求6所述的配套三維物理模型試驗機器人系統，其特徵在於:在圓形刀盤(7.1)的外側還可以在單邊設置若干輔助主動鑽進頭(7.2)，輔助主動鑽進頭(7.2)後部設置微型電機(16)。8.根據權利要求1?5中任一項所述的配套三維物理模型試驗機器人系統，其特徵在於:在所述機器人機身(I)上配套設置的錨杆操控系統(15)通過操控管線(12)連接控制所述的錨杆支護系統(20)所述的錨杆支護系統(20)，主要包括錨杆(21)、錨杆千斤頂(22)、錨杆彈簧(23);多個錨杆(21)依次設置在巷道內部，第一根錨杆(21)位於錨杆千斤頂(22)頂端，最後一根錨杆(21)由錨杆彈簧(23)橫向固定。9.根據權利要求1?5中任一項所述的配套三維物理模型試驗機器人系統，其特徵在於:所述的注漿系統包括注漿管(4)、注漿口(10)和注漿操控系統(13);注漿口(10)為環繞設置在注漿管(4)上;注漿管(4)從機器人機身(I)的尾部伸出；在機器人機身(I)的尾部伸出的操控管線(12)連接注漿操控系統(13)。
【文檔編號】B25J11/00GK205720223SQ201620380073
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】周輝, 胡明明, 張勇慧, 張傳慶, 高陽, 盧景景, 魏天宇, 黃磊
【申請人】中國科學院武漢巖土力學研究所