一种用于二维相似模拟试验中多角度巷道开挖的开挖装置的制作方法

本发明涉及相似模拟试验开挖装置的技术领域，特别是涉及一种用于二维相似模拟试验中多角度巷道开挖的开挖装置。

背景技术：

由于采矿工程的工作面处于地下，而且各矿山开采技术复杂多变，据研究得证，很多矿井灾害离不开覆岩结构等问题，而上覆岩层处于观测盲区，单凭灾害表面观察达不到令人满意的结果，且不能完整准确的反映具体条件与采矿过程中由于采动引起的岩层运动，因此，我国引进物理相似模拟实验，凭借其在反映采动过程中岩层运动的准确及可靠性优势，在我国矿业研究过程中，物理相似模拟研究依然在各科研工作中占据重要地位。

然而目前并没有找到相关专利和文献提及二维相似模拟中不同倾角巷道的开挖，相似模拟中，虽然人为开挖巷道简单方便，但是缺陷也很明显，人工开挖时由于使用工具各异，造成开挖后巷道不平整，存在各种破坏，而且掘进方向无法把握，与实际严重不符，整体边部也很容易掉落，影响整体效果。故亟需一种开挖装置的出现用以替代人为开挖。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于二维相似模拟试验中多角度巷道开挖的开挖装置，以替代人为开挖，改善人工开挖时带来的各种弊端。

为实现上述目的，本发明提供一种用于二维相似模拟试验中多角度巷道开挖的开挖装置，包括可调节固定架、旋转机构、左右滑动架、前后滑动架、电动机、螺旋钻头以及连接电动机和旋转钻头的传动组件；可调节固定架与待开挖面平行，包括横梁、固定竖梁、可调节竖梁和紧固螺钉；横梁通过连接件连接到相似模拟试验架上，两端分别与固定竖梁的顶端固定连接；固定竖梁内具有容纳可调节竖梁的腔体，侧壁上设置有螺纹孔，腔体的开口设置在固定竖梁的底端；可调节竖梁从固定竖梁底端的开口插入腔体内，底端位于固定竖梁外，包括第一可调节竖梁和第二可调节竖梁；紧固螺钉从固定竖梁侧壁的螺纹孔插入腔体内，固定可调节竖梁；旋转机构包括旋转平台、竖向旋转连接块以及带动所述旋转平台在水平面旋转的水平旋转构件；竖向旋转连接块连接在第一可调节竖梁的底端，且能绕连接处竖向旋转；水平旋转构件包括架体、转动设置在架体上的具有螺纹的旋转轴和套设在旋转轴上的滑台；架体连接在第二可调节竖梁的底端，且能绕连接处竖向旋转；旋转轴沿着前后方向设置；旋转平台的第一端与竖向旋转连接块连接，且能绕连接处水平旋转，第二端固定在滑台上；左右滑动架滑动设置在旋转平台上；前后滑动架滑动设置在左右滑动架上，且与左右滑动架垂直；电动机、螺旋钻头和传动组件设置在前后滑动架上。

进一步地，竖向旋转连接块上水平设置有刻度盘；刻度盘上的刻度值为0-180度，90度所在的刻线与待开挖面平行；

或刻度盘上的刻度值为0-90-0度，90度所在的刻线与待开挖面平行。

进一步地，水平旋转构件还包括设置在架体外的带动旋转轴旋转的摇杆。

进一步地，横梁上设置有容纳相似模拟试验架上部槽钢的安装槽；连接件穿过安装槽和相似模拟试验架上部槽钢将开挖装置安装在相似模拟试验架上。

进一步地，旋转平台上设置有左右滑行槽；左右滑动架的底面设置有m形卡接部；m形卡接部中间的卡块插入所述左右滑行槽内，两侧的卡块位于旋转平台外；开挖装置还包括左右滑动架安装板；左右滑动架安装板设置在旋转平台下方与m形卡接部两侧的卡块通过螺钉连接。

进一步地，左右滑动架的顶面设置有前后滑行槽；前后滑行槽的内壁向内凹陷；前后滑动架的底面设置有l形滑轨。

进一步地，传动组件包括传动杆和皮带；传动杆的第一端与螺旋钻头连接，第二端通过所述皮带与电动机的输出轴连接。

进一步地，螺旋钻头包括圆台以及设置在所述圆台上的螺旋形的刀片。

本发明的有益效果是：

将可调节固定架安装在相似模拟试验架上，根据开挖巷道的高度，调节可调节竖梁的高度，调节好后，拧紧紧固螺钉，将可调节竖梁固定好，将旋转机构、左右滑动架和前后滑动架安装好，根据开挖巷道选定合适螺旋钻头安装到传动组件上，根据开挖巷道的预设开挖角度，转动旋转轴，由于旋转平台对滑台的限制作用，滑台随着旋转轴的转动趋势转化为滑台沿着旋转轴前后移动，带动旋转平台的第二端旋转，调节螺旋钻头和待开挖面之间的夹角直至达到预设开挖角度，通过手动移动左右滑动架和前后滑动架在相似模拟试验架上完成巷道开挖。由上可知，本发明提供的用于二维相似模拟试验中多角度巷道开挖的开挖装置，可用于相似模型试验中实现不同倾角巷道的精确定位开挖，该装置通过电动机提供掘进前进动力，钻头均匀转动，开挖过程平稳，给巷道围岩产生与实际开挖产生的较相符的扰动，保证了相似模拟试验装置所开挖巷道周边的平整性；通过在稳定工作平台上手动控制钻头移动，实现了实际巷道开挖过程的精确、灵活模拟；能够根据实际需要变换螺旋钻头尺寸，转头可重复使用，能够用于相似模拟模型试验中不同尺寸、倾角和层位的巷道开挖；该装置并非全自动装置，是一个集机械和电子于一体的、人为参与为主导的开挖装置，构造简单，操作简单。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于二维相似模拟试验中多角度巷道开挖的开挖装置的结构示意图；

图2为图1所示开挖装置中可调节固定架的结构示意图；

图3为图1所示开挖装置中旋转平台的结构示意图；

图4为图1所示开挖装置中竖向旋转连接块和刻度盘的结构示意图；

图5为图1所示开挖装置中水平旋转构件的结构示意图；

图6为图1所示开挖装置中左右滑动架和左右滑动架安装板的结构示意图；

图7为图1所示开挖装置中前后滑动架的结构示意图；

图8为图1所示开挖装置中电动机、螺旋钻头和传动组件的结构示意图；

图9为图1所示开挖装置中螺旋钻头的结构示意图。

图中：1-可调节固定架；1.1-横梁；1.2-固定竖梁；1.3-可调节竖梁；1.4-紧固螺钉；2-左右滑动架；2.1-前后滑行槽；3-前后滑动架；3.1-l形滑轨；4-电动机；5-螺旋钻头；6.1-旋转平台；6.2-竖向旋转连接块；6.3-架体；6.4-旋转轴；6.5-滑台；6.6-摇杆；6.7-左右滑行槽；7-刻度盘；8-左右滑动架安装板；9-传动杆；10-皮带；11-螺钉；12-螺栓；13-带帽的圆柱销；100-相似模拟试验架。

具体实施方式

本实施例提供一种用于二维相似模拟试验中多角度巷道开挖的开挖装置，包括可调节固定架1、旋转机构、左右滑动架2、前后滑动架3、电动机4、螺旋钻头5以及连接电动机4和旋转钻头5的传动组件；可调节固定架1与待开挖面平行，包括横梁1.1、固定竖梁1.2、可调节竖梁1.3和紧固螺钉1.4；横梁1.1通过连接件连接到相似模拟试验架100上，两端分别与固定竖梁1.2的顶端固定连接；固定竖梁1.2内具有容纳可调节竖梁1.3的腔体，侧壁上设置有螺纹孔，腔体的开口设置在固定竖梁1.2的底端；可调节竖梁1.3从固定竖梁1.2底端的开口插入腔体内，底端位于固定竖梁1.2外，包括第一可调节竖梁和第二可调节竖梁；紧固螺钉1.4从固定竖梁1.2侧壁的螺纹孔插入腔体内，通过向内旋转提供紧固力，固定可调节竖梁1.3；旋转机构包括旋转平台6.1、竖向旋转连接块6.2以及带动所述旋转平台6.1在水平面旋转的水平旋转构件；竖向旋转连接块6.2连接在第一可调节竖梁的底端，且能绕连接处竖向旋转；水平旋转构件包括架体6.3、转动设置在架体6.3上的具有螺纹的旋转轴6.4和套设在旋转轴上的滑台6.5；架体6.3连接在第二可调节竖梁的底端，且能绕连接处竖向旋转；旋转轴6.4沿着前后方向设置；滑台6.5与旋转轴6.4螺纹配合，旋转平台6.1的第一端与竖向旋转连接块6.2连接，且能绕连接处水平旋转，第二端固定在滑台6.5上；左右滑动架2滑动设置在旋转平台6.1上，能在旋转平台6.1上左右滑动；前后滑动架3滑动设置在左右滑动架2上，能在左右滑动架2上前后滑动，且与左右滑动架2垂直；电动机4、螺旋钻头5和传动组件设置在前后滑动架3上。

需要说明的是，本实施例中，“前”、“后”、“左”、“右”均是以相似模拟试验架100中的待开挖面为参考对象的。

将可调节固定架1安装在相似模拟试验架100上，根据开挖巷道的高度，调节可调节竖梁1.3的高度（第一可调节竖梁和第二可调节竖梁的长度可以相等的也可以是不等，即旋转平台6.1可以是水平的也可以是倾斜的），调节好后，拧紧紧固螺钉1.4，将可调节竖梁1.3固定好，将旋转机构、左右滑动架2和前后滑动架3安装好，根据开挖巷道选定合适螺旋钻头5安装到传动组件上，根据开挖巷道的预设开挖角度，转动旋转轴6.4，由于旋转平台6.1对滑台6.5的限制作用，滑台6.5随着旋转轴6.4的转动趋势转化为滑台6.5沿着旋转轴6.4前后移动，带动旋转平台6.1的第二端旋转，调节螺旋钻头5和待开挖面之间的夹角直至达到预设开挖角度，通过手动移动左右滑动架2和前后滑动架3在相似模拟试验架上完成巷道开挖。

进一步地，竖向旋转连接块6.5上水平设置有刻度盘7；刻度盘7上的刻度值为0-180度，90度所在的刻线与待开挖面平行；或刻度盘上的刻度值为0-90-0度，90度所在的刻线与待开挖面平行。可调节固定架1和相似模拟试验架100之间空间足够大时，旋转平台6.1能向相似模拟试验架100内或外旋转，刻度盘7上的刻度值可为0-180度，旋转平台6.1与刻度盘7上刻线对齐后对应的角度值即为螺旋钻头5和待开挖面之间的夹角，也即开挖角度。可调节固定架1和相似模拟试验架100之间空间较小时，旋转平台6.1只能向相似模拟试验架100外旋转，刻度盘7上的刻度值宜设置为0-90-0度，通过左右调换竖向旋转连接块6.2和水平旋转构件，旋转平台6.1与刻度盘7上刻线对齐后对应的角度值即为螺旋钻头5和待开挖面之间的夹角，也即开挖角度，此时开挖角度可分为左向（螺旋钻头5从左方钻入）和右向（螺旋钻头5从右方钻入）。刻度盘7的精度为1度。

进一步地，水平旋转构件还包括设置在架体6.3外的带动旋转轴6.4旋转的摇杆6.6。

进一步地，横梁1.1上设置有容纳相似模拟试验架100上部槽钢的安装槽；连接件穿过安装槽和相似模拟试验架100上部槽钢将开挖装置安装在相似模拟试验架100上。该连接件可以是螺钉11或螺栓12等。

进一步地，旋转平台6.1上设置有左右滑行槽6.7；左右滑动架2的底面设置有m形卡接部；m形卡接部中间的卡块插入所述左右滑行槽6.7内，两侧的卡块位于旋转平台6.1外；开挖装置还包括左右滑动架安装板8；左右滑动架安装板8设置在旋转平台6.1下方与m形卡接部两侧的卡块通过螺钉11连接，将左右滑动架2安装在旋转平台6.1上。

进一步地，左右滑动架2的顶面设置有前后滑行槽2.1；前后滑行槽2.1的内壁向内凹陷；前后滑动架3的底面设置有l形滑轨3.1，以防前后滑动架3在插入前后滑行槽2.1后从前后滑行槽2.1的上方脱出。

进一步地，传动组件包括传动杆9和皮带10；传动杆9的第一端与螺旋钻头5连接，第二端通过皮带10与电动机4的输出轴连接。

进一步地，螺旋钻头5包括圆台以及设置在圆台上的螺旋形的刀片。螺旋转头5可根据需求更换需求尺寸，本实施例中螺旋钻头5直径尺寸最小为2cm，包含2/3/4/5cm四种，也可根据需求设计更大尺寸的螺旋钻头。在本实施例中，具体地，可调节竖梁1.3的底端和旋转平台6.1的两端均设置有接口，竖向旋转连接块6.2上设置有与可调节竖梁1.3的接口和旋转平台6.1的接口配合的连接块，接口和连接块通过螺栓12或带帽的圆柱销13连接，滑台6.5通过螺栓12或带帽的圆柱销13与旋转平台6.1的接口连接。电动机4、传动杆9和皮带10安装在前后滑动架3内。

前后滑动架3上安装传动杆9的构件尺寸与最小的螺旋钻头5的最大直径相同，长度设置上最长可实现50cm以内巷道的开挖。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。