一种相似材料模型多形状巷道开挖装置及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种相似材料模拟试验的开挖装置，尤其涉及一种用于相似材料模拟试验的多形状巷道开挖装置。
【背景技术】
[0002]相似材料模拟试验是一种较常用的采矿、岩土等地下工程模拟研究方法，可以通过试验对工程岩体的运动进行定性分析，从而对工程的设计施工进行有效指导。现有技术中，实验室内进行相似材料模拟试验时，对于相似材料模型的巷道挖掘，普遍采用手动或小型开挖设备等手工劳动的方式进行，但该方式存在一些明显的缺点及不足，如比较耗费人力和时间，无法方便的满足多形状、多尺度巷道的挖掘要求，且巷道挖掘质量因人而异，差别较大等。
[0003]中国专利申请CN 103364218 A公开了一种用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖系统，其包括刀盘，护盾，撑靴，传动轴，拉力千斤顶，导轨，电机，底座等。其中，拉力千斤顶的一端与支撑台架固定，另一端的活塞拉动底座和电机一起前进或后退，电机带动传动轴转动，推动刀盘前进切削掌子面“岩体”，撑靴两侧的千斤顶可推动撑靴臂对“围岩”施加指定压力。这种结构形式的微型TBM开挖系统，可以应用于地质力学模型试验模拟TBM盾构掘进机开挖隧道等。
[0004]但是，这种微型TBM开挖系统存在结构复杂、制造成本相对较高等不足之处，且对于不同形状及尺寸的硐室挖掘适应性较差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一是，提供一种相似材料模型多形状巷道开挖装置，其具有结构简单、挖掘效率高、控制简便等特点。
[0006]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种相似材料模型多形状巷道开挖装置，其特征在于，自下向上依次包括一底座、一丝杠滑台和一电动推杆；
[0007]所述丝杠滑台固定在所述底座上；
[0008]所述电动推杆竖直布置，其底座座板固定在所述丝杠滑台的滑块上；
[0009]在所述电动推杆的螺杆顶端固定连接有一电机安装用座板，所述电机安装用座板上安装有第一直流电机，第一直流电机的输出轴通过联轴器连接有一加长轴；
[0010]所述加长轴的另一端固定连接有一钻头夹具，所述钻头夹具中夹持有一麻花钻头;
[0011]所述丝杠滑台和电动推杆各自的第二直流电机均由同一供电电路供电；
[0012]所述供电电路中包括有若干数量的接触式继电器开关，分别用于控制丝杠滑台的第二直流电机正/反转与启/停，以及控制电动推杆的第二直流电机的启/停；
[0013]上述各接触式继电器开关均分别均匀布设在待开挖的相似材料模型的表面，并共同围成待开挖巷道的横截面形状。
[0014]上述技术方案直接带来的技术效果是，结构简单、布局紧凑合理。由于丝杠滑台电机的正反转和启停，以及电动推杆的启停均由接触式继电器开关进行控制。这样，省略掉了与丝杠滑台直流电机配套的电控元器件部分，并且无需编程，即可轻松实现任意横截面形状的巷道开挖，其操作与控制十分简便。
[0015]为更好地理解上述技术方案的技术特点，现简要说明其工作原理:
[0016]接通上述供电电路，以使丝杠滑台的第二直流电机正转，驱动上述麻花钻头从左至右水平运动；
[0017]当麻花钻头触碰右侧的接触式继电器开关时，该接触式继电器开关切断丝杠滑台的第二直流电机的供电，同时接通电动推杆的供电，驱动电动推杆将麻花钻头竖直向上移动直至钻头触碰到另一个接触式继电器开关时，该接触式继电器开关切断电动推杆的供电，同时接通丝杠滑台的第二直流电机的供电，使第二直流电机反转，进而驱动麻花钻头从右至左水平运动；
[0018]S卩，钻头从左至右移动至设定位置后，向上移动一定距离；然后，钻头从右至左移动至设定位置后，向上移动一定距离。
[0019]如此循环往复，直至结束。
[0020]需要说明的是，本发明的巷道开挖装置，其作业的工况条件，S卩，相似材料模型的材质特性方面，为添加有少量胶结材料的沙子等骨料的混合物，其胶结强度较低。我们的试验表明:当钻头横向移动时，可有效击碎与其接触的相似材料，并随着钻头的旋转被排出钻孔之外。
[0021]优选为，上述加长轴的长度为20-30厘米；所述麻花钻头的有效工作长度为100-200 厘米。
[0022]该优选技术方案直接带来的技术效果是，常规试验中，巷道开挖的纵深长度一般为100-200厘米。所以，上述加长轴的长度为20-30厘米；所述麻花钻头的有效工作长度为100-200厘米为较合理的经验值。
[0023]实际上，基于本发明的技术思想，上述加长轴的长度和麻花钻头的有效工作长度可根据具体的使用要求，进行加长或者缩短。
[0024]本发明的目的之二是，提供一种上述的相似材料模型多形状巷道开挖装置的使用方法。
[0025]本发明为实现该目的所采用的技术方案是，一种上述的相似材料模型多形状巷道开挖装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0026]第一步，按所需开挖的巷道横截面形状，在待开挖的相似材料模型的表面均匀布设若干数量的接触式继电器开关，各接触式继电器开关共同围成待开挖巷道的横截面形状；
[0027]第二步，在待开挖巷道的左下角的起始位置处，使用带加长钻头的电钻配钻一个基准孔，孔深度等于待开挖巷道的深度；
[0028]第三步，将开挖装置移近相似材料模型，并使麻花钻头插入至上述基准孔中；然后接通第一直流电机电源，驱动麻花钻头做旋转运动；
[0029]第四步，接通上述供电电路，进行巷道开挖，直至巷道挖掘完毕。
[0030]上述技术方案直接带来的技术效果是，操控简单、自动化程度较高(除基准孔有人工手动配钻之外，整个巷道开挖的其余全部工作均由接触式继电器控制相应电机的正反转或启停实现)。
[0031]综上所述，本发明相对于现有技术，具有巷道