一種模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置及其操作方法
【專利摘要】一種模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置及其操作方法，實驗裝置包括能夠在基礎底座上組合成為立方體結構的若干個實驗框架模塊；實驗框架模塊包括安裝在基礎底座上的調節(jié)底梁，調節(jié)底梁的兩側分別豎直安裝有立臂，立臂的頂端之間通過橫梁連接；立臂之間的不同高度處分別安裝有擋板，擋板隔開的模塊空間中密集排列布置有開挖層替代裝置，若干個實驗框架模塊之間通過安裝在立臂側面的側向擋板連接加固；實驗框架模塊內部填充有相似模擬實驗材料，開挖層替代裝置表面標有刻度并且能夠向外拉出，通過向外拉出開挖層替代裝置實現(xiàn)相似模擬實驗材料的開挖。本發(fā)明同時公開了該實驗裝置的操作方法，具有尺寸可調，安裝、鋪裝、開挖和拆除快速的優(yōu)點。
【專利說明】一種模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置及其操作方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及相似模擬實驗領域，具體涉及一種模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置及其操作方法。

【背景技術】
[0002]相似模擬實驗作為一種重要的研究手段，在礦業(yè)、地質、巖土等領域廣泛使用。通過在模型中開挖各類工程，觀測模型在開挖過程中發(fā)生的一系列現(xiàn)象，以研究工程圍巖的變形、破壞、塌落和滲流等問題，從而得出問題的本質或機理。
[0003]相似模擬實驗裝置主要根據實驗要求，對研究對象的形態(tài)及規(guī)律，按照一定的原貝U，將現(xiàn)實中復雜的地質形態(tài)，以一定的比例反映在模型上，通過對研究對象所發(fā)生的現(xiàn)象和機理的規(guī)律性進行研究，從而達到認識現(xiàn)場機理，解決問題的目的。
[0004]相似模擬實驗裝置按照所需的實驗臺長度和寬度分為不同長度和寬度的架型，一般長度和寬度按比例配套，以此來滿足不同研究對象的需求。現(xiàn)有傳統(tǒng)的相似模擬實驗臺都是一次焊接成型，是一個整體，或者只能在一定的小范圍內可以調節(jié)長度和寬度，不能滿足所有架型的實驗。傳統(tǒng)實驗臺存在以下不足:
[0005]第一，單一尺寸的實驗裝置難以滿足多種范圍及對象的模擬研究，而多臺不同規(guī)格的實驗裝置組合勢必會占用大量場地，造成資源的浪費，并且大量鋼材焊接在一起會使實驗裝置重型化，難以運輸且拆卸困難，導致難以隨時搬移位置，不能方便的調節(jié)實驗臺的光線和場地，同時組合而成的實驗裝置若部分損壞將導致整個實驗臺廢棄；
[0006]第二，實驗臺中開挖層的鋪設方法和其他層位一樣，都需要按照力學性質形似的材料制成，依次按照層位進行鋪設，然后再挖出需開挖的層位。按照這種方法鋪設的實驗臺開挖時，能夠滿足相關的試驗要求，但實驗臺開挖層開挖時難于有效開挖，尺寸不好控制，并耗時耗力，而且會造成材料的浪費；
[0007]第三，在進行煤(巖)柱尺寸留設等相似模擬實驗時，傳統(tǒng)的二維模擬實驗臺不能進行有效的模擬，而傳統(tǒng)的三維實驗臺不能有效實現(xiàn)煤(巖)柱留設時各開挖部分的開挖控制，不能有效的進行應力應變監(jiān)測以及煤(巖)柱破壞情況的觀測；
[0008]第四，完成相似模型實驗后，對于已經凝固成型的鋪裝層，不易拆除和清理，在實驗臺和實驗場地的清理工作中造成人員費用增大，增加了相似模擬實驗的時間成本和資金成本。


【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，提供一種能夠實現(xiàn)實驗臺尺寸任意調節(jié)，實驗臺模塊能夠任意組合，從而實現(xiàn)自由調節(jié)實驗模型的長寬高比例，安裝、鋪裝、開挖和拆除過程快速，能夠滿足多種范圍及對象模擬研究的實驗要求，提高相似模擬規(guī)范化的模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置及其操作方法。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明相似模擬實驗裝置采用的技術方案為:包括能夠在基礎底座上組合成為立方體結構的若干個實驗框架模塊；所述的實驗框架模塊均包括安裝在基礎底座上的調節(jié)底梁，調節(jié)底梁的兩側分別豎直安裝有立臂，且立臂的頂端之間通過橫梁連接；所述的立臂之間不同高度處分別安裝有擋板，擋板隔開的模塊空間中密集排列布置有開挖層替代裝置，若干個實驗框架模塊之間通過安裝在立臂側面的側向擋板連接加固；所述的實驗框架模塊內部填充有相似模擬實驗材料，開挖層替代裝置表面標有刻度并且能夠向外拉出，通過向外拉出開挖層替代裝置實現(xiàn)相似模擬實驗材料的開挖。
[0011]所述的基礎底座兩端通過緊固件與調節(jié)底梁連接，調節(jié)底梁側面通過緊固件與立臂底端相連，立臂頂端通過緊固件與橫梁連接；所述的緊固件位置能夠調節(jié)，通過移動緊固件實現(xiàn)相似模擬實驗中架型大小的調整。
[0012]所述的立臂上開設有用于安裝擋板的第一圓孔，孔間距為100mm，且起始圓孔距立臂的底端50mm。
[0013]所述的立臂上開設有用于安裝側向擋板的第二圓孔，第二圓孔分別位于立臂高度的1/3和2/3處。
[0014]所述的開挖層替代裝置為矩形中空體或者具有對稱缺口的鑄造實體，裝置缺口向夕卜，其長度為立臂寬度的一倍或多倍，寬度與基礎底座和調節(jié)底梁安裝孔的孔距相同，高度為50mm,并且兩端各有1mm的內沿。
[0015]本發(fā)明模擬實驗裝置的操作方法采用的技術方案包括以下步驟:
[0016]I)根據實驗設計的要求，按照所需尺寸鋪裝實驗臺:
[0017]首先在基礎底座的前后兩邊逐層連接擋板，然后鋪設相似模擬實驗材料，相配合的使擋板逐層加聞;
[0018]2)當相似模擬實驗材料鋪裝到設計開挖層時，將具有缺口的開挖層替代裝置按照基礎底座的長寬方向密集放置在開挖層位，直至鋪滿該層位，使開挖層替代裝置的缺口部分向外；
[0019]3)在鋪裝完的開挖層替代裝置上方連接擋板并繼續(xù)鋪設相似模擬實驗材料，其他層位依次鋪裝，直至實驗臺鋪裝完成；
[0020]4)待實驗臺滿足開挖條件進行開挖時，按照實驗設計的開挖尺寸，依照開挖層替代裝置上刻度，向外拉出所需尺寸，即能夠完成一次開挖，依次重復，實現(xiàn)開挖層開挖；
[0021]5)實驗結束時，首先按照開挖方法依次取出剩余開挖層替代裝置，將開挖層替代裝置清潔后備用，然后依次由上到下逐層拆除實驗臺。
[0022]所述的步驟4)中開挖層替代裝置通過配套的卡具卡住其缺口的端部向外拉出。
[0023]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明相似模擬實驗裝置具有如下有益效果:
[0024](I)該相似模擬實驗裝置，結構簡單，易于加工，使用方便，容易更換受損部分，減少實驗投資成本，并能夠節(jié)約資源；
[0025](2)開挖層替代裝置能夠實現(xiàn)相似模擬實驗中開挖層的快捷鋪裝、開挖和拆除，并且該裝置能夠循環(huán)利用，節(jié)省了相似模擬試驗中的材料耗費；
[0026](3)開挖層替代裝置能夠實現(xiàn)開挖層的順序開挖，開挖層替代裝置表面標有刻度，避免開挖時開挖尺寸難以控制，用力不當破壞相關鄰近層位，使相似模擬更加規(guī)范化；
[0027](4)模塊化分體式設計，便于實驗架的拆卸和安裝，節(jié)省了實驗室空間，也便于針對不同實驗設計而自由調節(jié)，節(jié)省了相似模擬實驗鋪裝和開挖時間，也方便實驗做完后實驗臺的拆除和清理，有效提高了實驗中的工作效率，節(jié)約了工作時間；
[0028](5)對于煤(巖)柱留設相關模擬實驗，有效實現(xiàn)了煤(巖)柱留設時各開挖部分的開挖控制，能夠有效的進行應力應變監(jiān)測以及煤(巖)柱破壞情況的觀測；
[0029]進一步的，本發(fā)明開挖層替代裝置采用堅固材料鑄造而成，裝置內部為中空或者具有對稱缺口的實體，該結構最主要的特點是鑄成的模塊堅固，無初始應變能，從不同深度代替裝載的模擬開挖巖層，開挖后不會對其他層位的變形等造成影響，用本裝置模擬開挖現(xiàn)場更加符合實際情況。此外，開挖層替代裝置兩端具有內沿，在開挖過程中方便使用其他工具勾住或者卡住，使得向外拉出時更加容易。
[0030]本發(fā)明模擬實驗裝置的操作方法具有如下有益效果:首先根據實驗設計的要求組裝好所需尺寸的相似模擬實驗臺，然后待實驗臺滿足開挖條件進行開挖時，通過向外拉出開挖層替代裝置實現(xiàn)相似模擬實驗材料的開挖，實驗結束時取出剩余開挖層替代裝置，然后依次由上到下逐層拆除實驗臺。本發(fā)明的操作方法簡單快捷，有效提高了實驗中的工作效率，節(jié)約了工作時間。
[0031]進一步的，本發(fā)明開挖層替代裝置缺口向外，通過配套的卡具卡住缺口的端部向外拉出，開挖過程更加有效可靠。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明相似模擬實驗裝置整體主視圖；
[0033]圖2為本發(fā)明相似模擬實驗裝置整體側視圖；
[0034]圖3為本發(fā)明相似模擬實驗裝置整體俯視圖；
[0035]圖4為本發(fā)明單個模塊的相似模擬實驗裝置主視圖；
[0036]圖5為本發(fā)明單個模塊的相似模擬實驗裝置側視圖；
[0037]圖6為本發(fā)明單個模塊的相似模擬實驗裝置俯視圖；
[0038]圖7為本發(fā)明單個開挖層替代裝置三維立體圖；
[0039]附圖中:1_基礎底座，2-調節(jié)底梁，3-立臂，4-擋板，5-橫梁，6-開挖層替代裝置；7-側向擋板。

【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0041]參見圖1-7，本發(fā)明的相似模擬實驗裝置包含若干個實驗框架模塊組成的立方體模塊，每個實驗框架模塊的基礎底座I兩端通過緊固件與調節(jié)底梁2底端連接，調節(jié)底梁2側面通過緊固件與立臂3底端相連，立臂3頂端通過緊固件與橫梁5連接。立臂3的1/3和2/3處分別通過緊固件與側向擋板7連接，橫梁5通過緊固件安裝在立臂3頂端，調節(jié)底梁2可以在基礎底座I上通過緊固件的位置調節(jié)移動，對應的立臂3和橫梁5的連接也可以通過緊固件的位置進行移動。立臂3前后兩端之間安裝擋板4。通過以上安裝完成一個基本實驗框架模塊的組裝，通過緊固件將若干個實驗框架模塊相連，構成不同尺寸的三維實驗臺。
[0042]本發(fā)明基礎底座I的長度為3m，調節(jié)底梁2通過緊固件位置的調節(jié)移動可實現(xiàn)最小1.2m架型和最大5m架型的相似模擬實驗研究。基礎底座I和調節(jié)底梁2的長度可以任意改變，基礎底座I和調節(jié)底梁2上開有若干個用于連接緊固件的孔，開孔位置也可以根據基礎底座I和調節(jié)底梁2的長度進行改變，保持中間未開孔距離是孔距的整數倍，基礎底座I和調節(jié)底梁2通過緊固件的連接位置的改變確定實驗模型模塊的長度。
[0043]本發(fā)明立臂3寬度設計為150mm，兩邊兩側各垂直開有一列第一圓孔，孔間距沿垂直方向為100mm，沿直線垂直布置，起始圓孔垂直方向距立臂3底端50mm。兩邊通過緊固件連接擋板4,通過調節(jié)前后擋板4固定在立臂3上的數量,可以實現(xiàn)最小150mm寬度和自由高度的的二維相似模擬實驗架型的實驗裝置。立臂3小孔位置之間通過緊固件連接若干個模塊，最前邊和最后邊兩邊通過緊固件連接擋板4，通過調節(jié)前后兩邊擋板4固定在立臂3上的數量，實現(xiàn)150mm以上寬度和任意高度的三維模擬實驗架型的實驗裝置。立臂3的1/3和2/3處分別開有第二圓孔，通過緊固件連接側向擋板7，起到加固實驗臺的作用。
[0044]本發(fā)明開挖層替代裝置6模塊為矩形中空體或者具有對稱缺口的鑄造實體，長度為不同尺寸，為立臂3寬度的一倍或多倍，寬度與基礎底座I和調節(jié)底梁2孔距相同，高度為50mm，兩端各有1mm的內沿。在開挖層替代裝置6表面處標有刻度，便于開挖時尺寸確定。開挖層替代裝置6采用堅固材料鑄造而成，最主要特點是鑄成的模塊堅固無初始應變能，從不同深度代替裝載的模擬開挖巖層，開挖后不對其他層位的變形等造成影響，用這種方法模擬開挖現(xiàn)場比較符合。
[0045]本發(fā)明模擬實驗裝置的操作方法包括以下步驟:
[0046](I)根據實驗設計的要求，按照步驟2?4所述方法組裝好所需尺寸的相似模擬實驗臺；
[0047](2)鋪裝實驗臺，先在實驗臺前后兩邊逐層連接擋板4，之后進行相似模擬實驗材料的鋪設，擋板4逐層加高；
[0048](3)當鋪裝到設計開挖層時，使用開挖層可替代裝置6，將開挖層可替代裝置6按照實驗臺的長寬方向密集放置在開挖層位，直至鋪滿該層位，裝置缺口部分向外；
[0049](4)在鋪裝完的開挖層可替代裝置6上方連接擋板4并繼續(xù)鋪設模擬實驗材料，其他層位按照方法(3)鋪設，直至實驗臺鋪裝完成；
[0050](5)待實驗臺滿足開挖條件進行開挖時，從設計要開挖的位置進行開挖，用配套實驗工具卡住開挖層可替代裝置6端部缺口，按照實驗設計的開挖尺寸，依照裝置上刻度，向外拉出所需尺寸，即可完成一次開挖，依次重復，實現(xiàn)開挖層開挖；
[0051](6)完成模擬實驗要拆除實驗臺時，先按照開挖方法依次取出剩余開挖層可替代裝置6，清潔后留下次使用，之后依次由上到下逐層拆除實驗臺；
[0052]應該說明的是，以上實施例僅用于說明本發(fā)明設計的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明設計進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明設計的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明設計技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明設計的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置，其特征在于:包括能夠在基礎底座(I)上組合成為立方體結構的若干個實驗框架模塊；所述的實驗框架模塊均包括安裝在基礎底座(I)上的調節(jié)底梁(2)，調節(jié)底梁(2)的兩側分別豎直安裝有立臂(3)，且立臂(3)的頂端之間通過橫梁(5)連接；所述的立臂(3)之間不同高度處分別安裝有擋板(4)，擋板(4)隔開的模塊空間中密集排列布置有開挖層替代裝置(6)，若干個實驗框架模塊之間通過安裝在立臂(3)側面的側向擋板(7)連接加固；所述的實驗框架模塊內部填充有相似模擬實驗材料，開挖層替代裝置(6)表面標有刻度并且能夠向外拉出，通過向外拉出開挖層替代裝置(6)實現(xiàn)相似模擬實驗材料的開挖。
2.根據權利要求1所述的模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述的基礎底座(I)兩端通過緊固件與調節(jié)底梁(2)連接，調節(jié)底梁(2)側面通過緊固件與立臂(3)底端相連，立臂(3)頂端通過緊固件與橫梁(5)連接；所述的緊固件位置能夠調節(jié)，通過移動緊固件實現(xiàn)相似模擬實驗中架型大小的調整。
3.根據權利要求1所述的模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述的立臂⑶上開設有用于安裝擋板⑷的第一圓孔，孔間距為100mm，且起始圓孔距立臂⑶的底端50mm。
4.根據權利要求1所述的模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述的立臂(3)上開設有用于安裝側向擋板(7)的第二圓孔，第二圓孔分別位于立臂(3)高度的1/3和2/3處。
5.根據權利要求1所述的模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述的開挖層替代裝置(6)為矩形中空體或者具有對稱缺口的鑄造實體，裝置缺口向外，其長度為立臂(3)寬度的一倍或多倍，寬度與基礎底座(I)和調節(jié)底梁(2)安裝孔的孔距相同，高度為50mm,并且兩端各有1mm的內沿。
6.一種模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置操作方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)根據實驗設計的要求，按照所需尺寸鋪裝實驗臺: 首先在基礎底座(I)的前后兩邊逐層連接擋板(4)，然后鋪設相似模擬實驗材料，相配合的使擋板(4)逐層加高； 2)當相似模擬實驗材料鋪裝到設計開挖層時，將具有缺口的開挖層替代裝置(6)按照基礎底座(I)的長寬方向密集放置在開挖層位，直至鋪滿該層位，使開挖層替代裝置(6)的缺口部分向外； 3)在鋪裝完的開挖層替代裝置(6)上方連接擋板(4)并繼續(xù)鋪設相似模擬實驗材料，其他層位依次鋪裝，直至實驗臺鋪裝完成； 4)待實驗臺滿足開挖條件進行開挖時，按照實驗設計的開挖尺寸，依照開挖層替代裝置(6)上刻度，向外拉出所需尺寸，即能夠完成一次開挖，依次重復，實現(xiàn)開挖層開挖； 5)實驗結束時，首先按照開挖方法依次取出剩余開挖層替代裝置(6)，將開挖層替代裝置(6)清潔后備用，然后依次由上到下逐層拆除實驗臺。
7.根據權利要求6所述的模塊式快速安設和拆挖的相似模擬實驗裝置操作方法，其特征在于:所述的步驟4)中開挖層替代裝置(6)通過配套的卡具卡住其缺口的端部向外拉出。
【文檔編號】G01V9/00GK104375200SQ201410641708
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月13日 優(yōu)先權日:2014年11月13日
【發(fā)明者】王威欽, 李亮, 王小軍, 徐文全 申請人:陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司