一种实际矿体挖掘的模拟装置的制作方法

本实用新型属于采矿工程、矿山岩体力学和岩土工程技术领域，具体涉及一种实际矿体挖掘的模拟装置。

背景技术：

国内外一些专家学者在研究工程地质的一些问题时，例如工程地质力学模型中弹塑性及最终破坏阶段、地震对斜坡失稳破坏的影响规律、地下小口径管道施工响应实验研究、滑坡机理研究、无底柱分段崩落法的研究等，模型试验是一种有效的研究方法。在实验室条件下，专家学者用缩小的(特殊情况下也有放大的)模型来进行现象的研究，在工程地质方面取得了丰硕的成果。李术才研究的深部厚顶煤巷道围岩应力演化规律与变形特征，研制了大型地质力学模型试验系统，该系统由反力装置、柔性均布压力加载装置、数字智能液压控制系统和高精度多元实时监测系统组成，在该实验中巷道的开挖主要采用人工钻凿方式进行；李利平研制了可伸缩式长铲进行逐步开挖，以研究超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏过程；张强勇以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景，通过相似材料三维地质力学模型试验再现深部巷道围岩分区破裂的形成过程，采用全断面人工钻凿方式进行模型巷道的开挖，获得巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律；崔洪章研究的深部巷道围岩变形破坏方式，模拟矿山地下开采时巷道的开挖，模型采用钢板尺和自制开挖工具缓慢开挖巷道；方勇在公路隧道下穿双层采空区开挖过程模型试验中，采用了人工开挖方式，并在开挖过程中施加一定的扰动来模拟爆破开挖扰动作用；单仁亮研究岩巷掘进准直眼掏槽爆破模型试验中，采用了布置一定主掏槽炮孔，控制孔口间距、炮孔排距和主掏槽炮孔倾斜角度模拟实际巷道掘进过程中开挖过程；房倩圆形洞室围岩破坏模式模型试验研究中，采用采用石英砂材料作为洞室的主题材料，通过控制石英砂材料的流出，来模拟实际洞室的开挖变形过程；袁璞在锚固支护深部巷道爆破开挖模型试验研究中，分2次爆破开挖，每次爆破开挖一定药量的的电雷管，根据炮眼布置图布置，爆破开挖前，预先凿挖模型巷道以控制爆破漏斗范围；孟凡展结合眼前山铁矿实例，采用小铲出矿的出矿方式，模拟无底柱分段崩落法放出体形态；刘秀霞以小汪沟铁矿为例，研究露天转地下开采优化方案，出矿方式选择了放矿口放矿的方式；张定邦采用铁矿体相似材料进行矿山模拟，按几何相似比例再现露天开采和无底柱分段崩落法的开采全过程，出矿方式选择人工钻机缓慢匀速钻碎砌块的方式。

针对模型试验中的开挖方式，主要存在人工钻凿(钢板尺、自制开挖工具等)、掏槽爆破、开孔放矿等方式。这些方式存在人工扰动较大、开挖或出矿边界不确定、动力不足等问题。

国内外学者对矿山露天转地下开采设计了相关模型试验装置，并对无底柱分段崩落法的采矿过程进行了模型试验研究，但是模型试验中的开挖或开采方式存在人工扰动较大、开挖或出矿边界不确定、动力不足等问题，而本文提出一种矿体开采或洞室开挖模拟试验的传动装置，能够有效的解决上述问题。没有文献针对这种传动装置进行研究。因此，通过查新，未发现与本专利相同的研究成果。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提出一种实际矿体挖掘的模拟装置。

一种实际矿体挖掘的模拟装置，包括模型箱、矿体模拟盒、传动系统；

所述模型箱，为按照实际矿区尺寸缩小后的五面封闭上面开口的立方体箱体，且一侧立面下端设置有一个可抽出矿体模拟盒箱体的矩形孔，所述模型箱底部设置有固定转向滑轮的横梁；

所述矿体模拟盒，包括顶面层箱体和下层箱体，所述下层箱体有多个，水平叠放于模型箱中，所述顶面层箱体放置于所述下层箱体上方；

所述顶面层箱体为由上面板和四个侧面板组成的五面封闭一面开口的铁盒，所述顶面层箱体上面板内侧焊接有两个安全吊钩，所述顶面层箱体一侧侧面板设置有两个螺纹孔；

所述各下层箱体均为由上面板和三个侧面板组成的两面开口的抽屉状铁盒，所述下层箱体上面板上设置有两个与所述顶面层箱体上面板安全吊钩位置配合的U型开口槽，所述下层箱体与U型开口槽相对的一侧侧面板设置有两个螺纹孔，所述下层箱体的侧面板的两个螺纹孔与顶面层箱体侧面板的两个螺纹孔垂直位置相同；

所述传动系统包括第一电动绞盘、第二电动绞盘、固定支架和螺纹扣，所述第一电动绞盘和第二电动绞盘固定于所述固定支架上，所述螺纹扣安装于所述矿体模拟盒的箱体侧面板螺纹孔中。

可选地，所述第一电动绞盘的钢绞线连接所述矿体模拟盒的顶面层箱体螺纹孔中的螺纹扣上或下层箱体侧面板螺纹孔中的螺纹扣上，所述第二电动绞盘的钢绞线通过所述矿体模拟盒钢底板上的转向滑轮并穿过所述模型箱钢底板的圆孔和所述矿体模拟盒的下层箱体的U型开口槽连接所述矿体模拟盒的顶面层箱体的安全吊钩，所述第一电动绞盘出线口的水平位置与所述矿体模拟盒中下层箱体侧面板两个螺纹孔水平位置相同，所述第二电动绞盘出线口的水平位置与所述模拟盒钢底板转向滑轮下切线位置相同。

可选地，所述下层箱体的未设置螺纹孔的两个侧面板与所述下方箱体相接触处设置有滚珠，所述下层箱体与所述下方箱体相接触处设置有凹槽。

可选地，所述顶面层箱体的上面板与侧面板相连接处、下层箱体的上面板与侧面板相连接处均焊接有三角形筋板。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提出一种实际矿体挖掘的模拟装置，利用本实用新型专利进行铁矿深部开采模型试验研究，可以揭示无底柱分段崩落采矿过程中不同开采速率下矿区围岩变形的过程；依据结论制定重点区域防治，提出采矿过程中合理的防治措施，避免因深部矿井引起的人员伤亡和财产损失。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式中实际矿体挖掘的模拟装置的结构示意图；

其中，其中，10-模型箱，11-矩形孔，30-传动系统；

图2为本实用新型具体实施方式中矿体模拟盒的三维效果图；

其中，21-顶面层箱体，22-下层箱体；

图3为本实用新型具体实施方式中顶面层箱体的仰视图和后视图；

其中，(a)为顶面层箱体的仰视图，(b)为顶面层箱体的后视图；

21-顶面层箱体，211-安全吊钩，212-顶面层箱体螺纹孔，213-顶面层箱体三角形筋板；

图4为本实用新型具体实施方式中下层箱体的仰视图和后视图；

其中，(a)为下层箱体的仰视图，(b)为下层箱体的后视图；

22-下层箱体，221-U型开口槽，222-顶面层箱体螺纹孔，223-顶面层箱体三角形筋板；

图5为本实用新型具体实施方式中下层箱体的三维效果图；

其中，224-滚珠，225-凹槽；

图6为本实用新型具体实施方式中固定支架的三维效果图；

其中，33-固定支架；

图7为本实用新型具体实施方式中传动系统第一电动绞盘连接方式示意图和三维效果图；

其中，(a)为传动系统第一电动绞盘连接方式示意图，(b)为传动系统第一电动绞盘的三维效果图；

21-顶面层箱体，22-下层箱体，31-第一电动绞盘，33-固定支架，34-螺纹扣，311-第一电动绞盘的钢绞线，222-

图8为本实用新型具体实施方式中传动系统第二电动绞盘连接方式示意图和三维效果图；

其中，(a)为传动系统第二电动绞盘连接方式示意图，(b)为传动系统第二电动绞盘的三维效果图；

21-顶面层箱体，22-下层箱体，211-安全吊钩，12-转向滑轮，13-横梁，32-第二电动绞盘，33-固定支架，321-第二电动绞盘的钢绞线；

图9为本实用新型具体实施方式中堆砌矿体模拟盒和矿体相似材料的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型具体实施方式加以详细的说明。

一种实际矿体挖掘的模拟装置，如图1所示，包括模型箱10、矿体模拟盒20、传动系统30。

模型箱10，为按照实际矿区尺寸缩小后的五面封闭上面开口的立方体箱体，且一个侧立面下端设置有一个可抽出矿体模拟盒箱体的矩形孔11，模型箱10底部设置有固定转向滑轮12的横梁13。

模型箱10，用于在其内部放置根据实际矿区进行尺寸缩小后的矿体模拟盒20和矿体相似材料，通过逐个抽取矿体模拟盒的下层箱体22，模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程矿体相似材料变形状况、应力变化状况和渗流状况。

矿体模拟盒20，如图2所示，包括顶面层箱体21和下层箱体22，下层箱体22有多个，水平叠放于模型箱10中，顶面层箱体21放置于下层箱体22上方。

矿体模拟盒20，用于与矿体相似材料放置于模型箱10中，在逐个抽取其下层箱体22时模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程。

如图3所示，顶面层箱体21为由上面板和四个侧面板组成的五面封闭一面开口的铁盒，顶面层箱体上面板内侧焊接有两个安全吊钩211，顶面层箱体21一侧侧面板设置有两个螺纹孔212，顶面层箱体的上面板与侧面板相连接处焊接有三角形筋板213。

如图4所示，下层箱体22有多个，各下层箱体22均为由上面板和三个侧面板组成的两面开口的抽屉状铁盒，下层箱体22上面板上设置有两个与顶面层箱体21上面板安全吊钩211位置配合的U型开口槽221，下层箱体22与U型开口槽221相对的一侧侧面板设置有两个螺纹孔222，下层箱体的侧面板的两个螺纹孔222与顶面层箱体侧面板的两个螺纹孔212垂直位置相同，下层箱体22的上面板与侧面板相连接处焊接有三角形筋板223。

如图5所示，下层箱体22的未设置螺纹孔的两个侧面板与下方箱体相接触处设置有滚珠224，下层箱体22与下方箱体相接触处设置有凹槽225。

如图6所示，传动系统30，用于抽取矿体模拟盒中的下层箱体22，并抽取下层箱体22后拖拽其上方的下层箱体22向下落至所抽取下层箱体位置处。

传动系统30包括第一电动绞盘31、第二电动绞盘32、固定支架33和螺纹扣34，第一电动绞盘和第二电动绞盘固定于固定支架33上，螺纹扣安装于矿体模拟盒20的箱体的顶面层箱体螺纹孔212或下层箱体螺纹孔222上。

如图7所示，第一电动绞盘31的钢绞线311连接矿体模拟盒的顶面层箱体21螺纹孔212中的螺纹扣34上或下层箱体22侧面板螺纹孔222中的螺纹扣34上，第一电动绞盘31出线口的水平位置与矿体模拟盒中下层箱体22侧面板两个螺纹孔222水平位置相同，此时开启第一电动绞盘31可以产生水平力，在该水平力的作用下可以将下层箱体22拽出，而其上的矿体模拟盒20箱体可以在重力作用下下落，从而在矿体模拟盒20上部产生一个与拽出的箱体大小相同的空间，这样便实现了对无底柱分段崩落采矿过程的模拟。

如图8所示，为防止矿体模拟盒20的下部拽出后，上部的矿体模拟盒20由于与周边矿体相似材料产生摩擦力，而无法在自重下下掉的可能，第二电动绞盘32的钢绞线321通过模型箱10底面板上的转向滑轮12穿过模型箱底面板和矿体模拟盒的下层箱体的U型开口槽221连接矿体模拟盒的顶面层箱体的安全吊钩211，第二电动绞盘32出线口的水平位置与模型箱10底面板上的转向滑轮12下切线位置相同，这样可以使得第二电动绞盘32的水平力转换为竖向力。

采用上述实际矿体挖掘的模拟装置进行实际矿体挖掘的模拟过程如下：

确定待模拟矿区开采工艺，矿体分布范围、地质构造分布。

根据现场资料确定相似比例，根据相似比例确定矿体模拟盒的尺寸和下层箱体的堆砌层数。

根据矿区地质条件、采矿方法以及所述模型相似比确定矿体相似材料的参数，所述矿体相似材料的参数包括矿体相似材料的密度、弹性模量、单轴抗压强度、内摩察角和粘聚力。

按照采矿矿区的概化地质模型堆砌矿体模拟盒和矿体相似材料。

本实施方式中，堆砌矿体模拟盒和矿体相似材料，如图9所示。

通过第二电动绞盘的钢绞线将矿体模拟盒中的下层箱体从模型箱下端设置的矩形孔中拽出。

记录矿体相似材料的变形状况、应力变化状况和渗流状况，若所抽取的下层箱体的上方箱体不能够自行下落，则第一电动绞盘的钢绞线拖拽其上方的下层箱体向下落至所抽取下层箱体位置处。监测记录矿体开采过程，矿体开挖完成。

整个开采过程中通过传动系统逐步拉动矿体模拟盒模拟矿体开挖过程，获取井巷的变形信息，揭示矿体开采过程中变形规律。