CN107091721A - 一种掘支锚联合机组实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种掘支锚联合机组实验装置及方法，装置包括模拟岩层、模拟顶板加载机构及掘支锚联合机组模拟机，掘支锚联合机组模拟机与模拟岩层进行掘进配合，模拟顶板加载机构用于向掘支锚联合机组模拟机提供不同顶板状态；掘支锚联合机组模拟机包括掘进机、支护组件及锚杆钻机，支护组件采用交替迈步式推移行进结构。本发明能够模拟出不同的顶板状态，能够对模拟顶板进行支撑，能够对模拟岩层进行掘进，并在模拟岩层的巷道内进行锚固作业，具备了模拟实现掘进、支护、锚固工艺的平行作业能力。通过本发明的实验装置可以实现功能性实验、静力学实验和模态分析实验，通过对实验中获得的数据和力学特性进行研究，可为后续产品的研发和应用提供实验依据。

Description

一种掘支锚联合机组实验装置及方法

技术领域

本发明属于煤矿巷道掘进工程技术领域，特别是涉及一种掘支锚联合机组实验装置及方法。

背景技术

掘进和回采是煤矿井下作业的重要环节，而采掘技术和采掘装备水平又直接关系到煤矿生产效率和生产安全。对于高效机械化掘进与支护技术来说，其不但是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。

为了满足我国煤炭巨大的年产量和消耗量需求，必须提高综采综掘的工艺水平以及成套设备的自动化程度。然而，目前煤矿采掘工作面的采掘比基本维持在1:3.1左右，说明采掘比例失调，且综掘发展远滞后于综采发展。

通过对多个国内煤矿进行调研后得知，掘进施工工艺中的掘进、支护、锚固工艺不能最大限度的平行作业，成为了影响综掘快速进尺的主要原因之一。因此，掘支锚一体化将是未来巷道掘进的发展趋势。

目前，国内外对于掘支锚一体化设备的研究较少，大多停留在对现有掘进机进行改造阶段，通过加装支护和锚固设备，虽然在一定程度上实现了掘进效率的提高，但仍然没有完全实现掘进、支护、锚固工艺的平行作业，同时与之相关的实验研究更少。

因此，有必要建立一套全新的掘支锚联合机组实验装置，其应具备模拟实现掘进、支护、锚固工艺的平行作业能力，且在模拟巷道掘进过程时能够进行多种力学试验，通过对力学试验中获得的力学特性进行研究，可为后续产品的研发和应用提供实验依据。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种掘支锚联合机组实验装置及方法，实验装置具备模拟实现掘进、支护、锚固工艺的平行作业能力，且在模拟巷道掘进过程时能够进行多种相关实验，通过对相关实验中获得的数据和力学特性进行研究，可为后续产品的研发和应用提供实验依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种掘支锚联合机组实验装置，包括模拟岩层、模拟顶板加载机构及掘支锚联合机组模拟机；所述掘支锚联合机组模拟机与模拟岩层进行掘进配合，所述模拟顶板加载机构用于向掘支锚联合机组模拟机提供不同顶板状态。

所述模拟岩层采用长方体结构，模拟岩层的外形尺寸大于掘支锚联合机组模拟机的外形尺寸；所述模拟岩层位于掘支锚联合机组模拟机掘进方向的前端；所述模拟岩层由混凝土、岩块及煤渣按比例配制并浇注成型制成。

所述模拟顶板加载机构包括笼式支撑框架、模拟顶板加载油缸、油缸安装板及导轨；所述笼式支撑框架在掘进方向上的两个端面均为敞开式；所述导轨的数量为两根，两根导轨平行于掘进方向，且两根导轨分别安装在笼式支撑框架的两个侧向端面上；所述油缸安装板为扇形结构，且横跨安装在两根导轨之间，且油缸安装板相对于导轨具有滑动自由度；所述模拟顶板加载油缸安装在油缸安装板上，模拟顶板加载油缸数量若干，且在油缸安装板上均布设置；在所述模拟顶板加载油缸上安装有第一位移传感器，通过第一位移传感器测量模拟顶板加载油缸的活塞杆伸出量；在所述模拟顶板加载油缸的液压回路上安装有油压传感器。

所述掘支锚联合机组模拟机包括掘进机、支护组件及锚杆钻机；所述支护组件采用交替迈步式推移行进结构；所述掘进机位于支护组件在掘进方向上的前部，支护组件在掘进方向上的后部设置有支撑台，在支撑台上安装有运输机，在掘进机下方安装有铲板，铲板出料口与运输机进料口相连；所述锚杆钻机安装在运输机两侧的支撑台上。

所述支护组件分为主支护组件和副支护组件，副支护组件位于主支护组件内侧，所述掘进机、支撑台、运输机及铲板均安装在主支护组件上；所述主支护组件包括主支护底座、主支护立柱、主支护顶梁及主支护纵梁，所述主支护立柱包括主支护立柱基座、主支护立柱油缸及主支护转接座；所述主支护立柱基座固装在主支护底座上，主支护立柱油缸固装在主支护立柱基座上，主支护转接座固装在主支护立柱油缸上；所述主支护立柱以两个为一组，主支护顶梁横跨安装在位于同一组内的两个主支护立柱之间，主支护顶梁与主支护转接座相铰接，且相邻组内的主支护转接座之间、主支护立柱基座之间均通过主支护纵梁固定连接在一起；所述主支护转接座在掘进方向上开设有贯通的预留孔；所述副支护组件包括副支护底座、副支护立柱、副支护顶梁及副支护纵梁，所述副支护立柱包括副支护立柱基座、副支护立柱油缸及副支护转接座；所述副支护立柱基座固装在副支护底座上，副支护立柱油缸固装在副支护立柱基座上，副支护转接座固装在副支护立柱油缸上；所述副支护立柱以两个为一组，副支护顶梁横跨安装在位于同一组内的两个副支护立柱之间，副支护顶梁与副支护转接座相铰接，且相邻组内的副支护转接座之间、副支护立柱基座之间均通过副支护纵梁固定连接在一起；所述副支护转接座之间的副支护纵梁穿过主支护转接座的预留孔，且预留孔的孔径尺寸大于副支护纵梁的外径尺寸；在所述主支护转接座与副支护转接座连接有推移行进驱动油缸。

所述主支护顶梁及副支护顶梁均为拱形梁结构，在主支护顶梁及副支护顶梁顶部均安装有若干均布的阻尼块，在阻尼块与主支护顶梁及副支护顶梁之间加装有压力传感器；所述阻尼块与模拟顶板加载油缸配合使用；在所述主支护顶梁及副支护顶梁的外表面均贴覆有应变片；在所述主支护立柱油缸及副支护立柱油缸上均安装有第二位移传感器，通过第二位移传感器测量主支护立柱油缸及副支护立柱油缸的活塞杆伸出量；在所述主支护顶梁及副支护顶梁上均安装有三向加速度传感器。

所述掘进机包括截割头、截割臂、回转台、滑台及掘进机底座；所述滑台设置在掘进机底座上，滑台相对于掘进机底座具有直线移动自由度，在滑台与掘进机底座之间连接有滑台驱动油缸；所述回转台设置在滑台上，回转台相对于滑台具有转动自由度，在回转台与滑台连接有回转台驱动油缸；所述截割臂下端铰接在回转台上，所述截割头位于截割臂上端，在截割臂中部与回转台之间连接有截割臂升降驱动油缸。

采用所述的掘支锚联合机组实验装置的实验方法，具体为功能性实验，包括如下步骤：

步骤一：将模拟岩层置于掘支锚联合机组模拟机掘进方向的前端，同时调整掘支锚联合机组模拟机与模拟顶板加载机构的相对位置；

步骤二：调整模拟顶板加载机构内油缸安装板在导轨上的位置，使每个模拟顶板加载油缸与主支护顶梁及副支护顶梁上的阻尼块一一对应，再调整油液压力及模拟顶板加载油缸的活塞杆伸出量，以模拟出不同的顶板状态；

步骤三：分别控制主支护组件和副支护组件内的主支护立柱油缸和副支护立柱油缸动作，使模拟顶板加载油缸的活塞杆与阻尼块顶靠接触，实现支护组件对调整模拟顶板加载机构的支撑；

步骤四：启动掘进机，对截割头及截割臂的空间位置进行调整，按照设计路线对模拟岩层进行截割，并通过铲板和运输机将截割下的岩层碎块输送排出；

步骤五：当完成模拟岩层的一层截割后，控制主支护立柱油缸的活塞杆收起，使主支护顶梁上的阻尼块与模拟顶板加载油缸的活塞杆相分离，同时使主支护底座完全抬离地面，此时推移行进驱动油缸动作，并向前推动主支护组件及其上掘进机、运输机及铲板，直到向前推移了一个步距；然后控制主支护立柱油缸的活塞杆伸出，重新使主支护底座支撑到地面上；

步骤六：控制副支护立柱油缸的活塞杆收起，使副支护顶梁上的阻尼块与模拟顶板加载油缸的活塞杆相分离，同时使副支护底座完全抬离地面，此时推移行进驱动油缸动作，并向前拉动副支护组件，直到向前推移了一个步距；然后控制副支护立柱油缸的活塞杆伸出，重新使副支护底座支撑到地面上；

步骤七：重复步骤二至步骤六，实现掘支锚联合机组模拟机的连续向前掘进，直到锚杆钻机移动到模拟岩层的巷道内，再进行锚固作业，直至实验结束。

采用所述的掘支锚联合机组实验装置的实验方法，具体为静力学实验，包括如下步骤：

步骤一：调整掘支锚联合机组模拟机与模拟顶板加载机构的相对位置；

步骤二：调整模拟顶板加载机构内油缸安装板在导轨上的位置，使每个模拟顶板加载油缸与主支护顶梁及副支护顶梁上的阻尼块一一对应，再调整油液压力及模拟顶板加载油缸的活塞杆伸出量，以模拟出不同的顶板状态；

步骤三：控制主支护组件内的主支护立柱油缸动作，使模拟顶板加载油缸的活塞杆与阻尼块顶靠接触，实现主支护组件对调整模拟顶板加载机构的支撑；

步骤四：控制模拟顶板加载油缸对主支护顶梁进行加载，加载压力按照设定的曲线进行变化，并通过油压传感器、压力传感器及应变片分别进行数据采集，而所采集的数据再统一传输到计算机中进行处理分析；

步骤五：控制模拟顶板加载油缸卸荷，控制主支护立柱油缸的活塞杆收起，使主支护顶梁上的阻尼块与模拟顶板加载油缸的活塞杆相分离；

步骤六：控制副支护组件内的副支护立柱油缸动作，使模拟顶板加载油缸的活塞杆与阻尼块顶靠接触，实现副支护组件对调整模拟顶板加载机构的支撑；

步骤七：控制模拟顶板加载油缸对副支护顶梁进行加载，加载压力按照设定的曲线进行变化，并通过油压传感器、压力传感器及应变片分别进行数据采集，而所采集的数据再统一传输到计算机中进行处理分析；

步骤八：控制模拟顶板加载油缸卸荷，控制副支护立柱油缸的活塞杆收起，使副支护顶梁上的阻尼块与模拟顶板加载油缸的活塞杆相分离；

步骤九：同步执行步骤三和步骤六，实现主支护组件和副支护组件对调整模拟顶板加载机构的共同支撑；

步骤十：控制模拟顶板加载油缸对主支护顶梁和副支护顶梁进行同步加载，加载压力按照设定的曲线进行变化，并通过油压传感器、压力传感器及应变片分别进行数据采集，而所采集的数据再统一传输到计算机中进行处理分析；

步骤十一：控制模拟顶板加载油缸卸荷，控制主支护立柱油缸和副支护立柱油缸的活塞杆同步收起，使主支护顶梁和副支护顶梁上的阻尼块与模拟顶板加载油缸的活塞杆相分离，实验结束。

采用所述的掘支锚联合机组实验装置的实验方法，具体为模态分析实验，包括如下步骤：

步骤一：准备一台模态分析仪和一把力锤，而力锤将作为激励源；

步骤二：调整掘支锚联合机组模拟机与模拟顶板加载机构的相对位置；

步骤三：调整模拟顶板加载机构内油缸安装板在导轨上的位置，使每个模拟顶板加载油缸与主支护顶梁及副支护顶梁上的阻尼块一一对应，再调整油液压力及模拟顶板加载油缸的活塞杆伸出量，以模拟出不同的顶板状态；

步骤四：此时掘支锚联合机组模拟机处于未支护和未掘进的自由状态，然后利用力锤分别对主支护组件和副支护组件施加激励，并通过三向加速度传感器采集振动数据，而采集的振动数据再传输到模态分析仪中进行处理分析，实现掘支锚联合机组模拟机在自由状态下的固有模态测量；

步骤五：控制主支护组件和副支护组件对调整模拟顶板加载机构进行支撑，使掘支锚联合机组模拟机处于支撑状态，然后利用力锤分别对主支护组件和副支护组件施加激励，并通过三向加速度传感器采集振动数据，而采集的振动数据再传输到模态分析仪中进行处理分析，实现掘支锚联合机组模拟机在支撑状态下的固有模态测量；

步骤六：主支护组件和副支护组件保持对调整模拟顶板加载机构的支撑状态，然后启动掘进机，对截割头及截割臂的空间位置进行调整，并按照设计路线走行截割轨迹，再利用力锤分别对主支护组件和副支护组件施加激励，并通过三向加速度传感器采集振动数据，而采集的振动数据再传输到模态分析仪中进行处理分析，实现掘支锚联合机组模拟机在掘进状态下的固有模态测量；

步骤六：先控制掘进机停机，再控制模拟顶板加载油缸卸荷，然后撤销主支护组件和副支护组件对调整模拟顶板加载机构的支撑，实验结束。

本发明的有益效果：

本发明的掘支锚联合机组实验装置，能够模拟出不同的顶板状态，能够对模拟顶板进行支撑，能够对模拟岩层进行掘进，并在模拟岩层的巷道内进行锚固作业，而且具备了模拟实现掘进、支护、锚固工艺的平行作业能力。通过本发明的实验装置可以实现功能性实验、静力学实验和模态分析实验，通过对实验中获得的数据和力学特性进行研究，可为后续产品的研发和应用提供实验依据。

附图说明

图1为本发明的掘支锚联合机组实验装置的结构示意图；

图2为本发明的模拟顶板加载机构的结构示意图；

图3为本发明的掘支锚联合机组模拟机的结构示意图；

图4为本发明的主支护组件的结构示意图；

图5为本发明的副支护组件的结构示意图；

图6为本发明的掘进机的结构示意图；

图中，1—模拟岩层，2—模拟顶板加载机构，3—掘支锚联合机组模拟机，4—笼式支撑框架，5—模拟顶板加载油缸，6—油缸安装板，7—导轨，8—第一位移传感器，9—掘进机，10—支护组件，11—锚杆钻机，12—支撑台，13—运输机，14—铲板，15—主支护底座，16—主支护顶梁，17—主支护纵梁，18—主支护立柱基座，19—主支护立柱油缸，20—主支护转接座，21—预留孔，22—副支护底座，23—副支护顶梁，24—副支护纵梁，25—副支护立柱基座，26—副支护立柱油缸，27—副支护转接座，28—阻尼块，29—压力传感器，30—应变片，31—第二位移传感器，32—三向加速度传感器，33—推移行进驱动油缸，34—截割头，35—截割臂，36—回转台，37—滑台，38—掘进机底座，39—滑台驱动油缸，40—回转台驱动油缸，41—截割臂升降驱动油缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～6所示，一种掘支锚联合机组实验装置，包括模拟岩层1、模拟顶板加载机构2及掘支锚联合机组模拟机3；所述掘支锚联合机组模拟机3与模拟岩层1进行掘进配合，所述模拟顶板加载机构2用于向掘支锚联合机组模拟机3提供不同顶板状态。

所述模拟岩层1采用长方体结构，模拟岩层1的外形尺寸大于掘支锚联合机组模拟机3的外形尺寸；所述模拟岩层1位于掘支锚联合机组模拟机3掘进方向的前端；所述模拟岩层1由混凝土、岩块及煤渣按比例配制并浇注成型制成。

所述模拟顶板加载机构2包括笼式支撑框架4、模拟顶板加载油缸5、油缸安装板6及导轨7；所述笼式支撑框架4在掘进方向上的两个端面均为敞开式；所述导轨7的数量为两根，两根导轨7平行于掘进方向，且两根导轨7分别安装在笼式支撑框架4的两个侧向端面上；所述油缸安装板6为扇形结构，且横跨安装在两根导轨7之间，且油缸安装板6相对于导轨7具有滑动自由度；所述模拟顶板加载油缸5安装在油缸安装板6上，模拟顶板加载油缸5数量若干，且在油缸安装板6上均布设置；在所述模拟顶板加载油缸5上安装有第一位移传感器8，通过第一位移传感器8测量模拟顶板加载油缸5的活塞杆伸出量；在所述模拟顶板加载油缸5的液压回路上安装有油压传感器。

所述掘支锚联合机组模拟机3包括掘进机9、支护组件10及锚杆钻机11；所述支护组件10采用交替迈步式推移行进结构；所述掘进机9位于支护组件10在掘进方向上的前部，支护组件10在掘进方向上的后部设置有支撑台12，在支撑台12上安装有运输机13，在掘进机9下方安装有铲板14，铲板14出料口与运输机13进料口相连；所述锚杆钻机11安装在运输机13两侧的支撑台12上。

所述支护组件10分为主支护组件和副支护组件，副支护组件位于主支护组件内侧，所述掘进机9、支撑台12、运输机13及铲板14均安装在主支护组件上；所述主支护组件包括主支护底座15、主支护立柱、主支护顶梁16及主支护纵梁17，所述主支护立柱包括主支护立柱基座18、主支护立柱油缸19及主支护转接座20；所述主支护立柱基座18固装在主支护底座15上，主支护立柱油缸19固装在主支护立柱基座18上，主支护转接座20固装在主支护立柱油缸19上；所述主支护立柱以两个为一组，主支护顶梁16横跨安装在位于同一组内的两个主支护立柱之间，主支护顶梁16与主支护转接座20相铰接，且相邻组内的主支护转接座20之间、主支护立柱基座18之间均通过主支护纵梁17固定连接在一起；所述主支护转接座20在掘进方向上开设有贯通的预留孔21；所述副支护组件包括副支护底座22、副支护立柱、副支护顶梁23及副支护纵梁24，所述副支护立柱包括副支护立柱基座25、副支护立柱油缸26及副支护转接座27；所述副支护立柱基座25固装在副支护底座22上，副支护立柱油缸26固装在副支护立柱基座25上，副支护转接座27固装在副支护立柱油缸26上；所述副支护立柱以两个为一组，副支护顶梁23横跨安装在位于同一组内的两个副支护立柱之间，副支护顶梁23与副支护转接座27相铰接，且相邻组内的副支护转接座27之间、副支护立柱基座25之间均通过副支护纵梁24固定连接在一起；所述副支护转接座27之间的副支护纵梁24穿过主支护转接座20的预留孔21，且预留孔21的孔径尺寸大于副支护纵梁24的外径尺寸；在所述主支护转接座20与副支护转接座27连接有推移行进驱动油缸33。

所述主支护顶梁16及副支护顶梁23均为拱形梁结构，在主支护顶梁16及副支护顶梁23顶部均安装有若干均布的阻尼块28，在阻尼块28与主支护顶梁16及副支护顶梁23之间加装有压力传感器29；所述阻尼块28与模拟顶板加载油缸5配合使用；在所述主支护顶梁16及副支护顶梁23的外表面均贴覆有应变片30；在所述主支护立柱油缸19及副支护立柱油缸26上均安装有第二位移传感器31，通过第二位移传感器31测量主支护立柱油缸19及副支护立柱油缸26的活塞杆伸出量；在所述主支护顶梁16及副支护顶梁23上均安装有三向加速度传感器32。

通过油压传感器、压力传感器29、应变片30、三向加速度传感器32、第一位移传感器8及第二位移传感器31分别进行数据采集，而各个传感器所采集的数据会统一传输到计算机中进行处理分析。

所述支护组件10采用交替迈步式推移行进的工作原理为：首先控制主支护组件的主支护立柱油缸19的活塞杆收起，直到主支护组件的主支护底座15完全抬离地面，此时推移行进驱动油缸33动作，并向前推动主支护组件，当达到一定距离后，再控制主支护立柱油缸19的活塞杆伸出，重新使主支护底座15支撑到地面上，此时主支护组件完成迈步。接下来，首先控制副支护组件的副支护立柱油缸26的活塞杆收起，直到副支护组件的副支护底座22完全抬离地面，此时推移行进驱动油缸33动作，并向前拉动副支护组件，当达到一定距离后，再控制副支护立柱油缸26的活塞杆伸出，重新使副支护底座22支撑到地面上，此时副支护组件完成迈步。如此往复，就可实现支护组件10的交替迈步式推移行进了。

所述模拟顶板加载机构2的工作原理为：首先根据需要调整油缸安装板6在导轨7上的位置，并根据需要选定模拟顶板加载油缸5的安装数量和安装间距，使模拟顶板加载油缸5与主支护顶梁16及副支护顶梁23上的阻尼块28一一对应，此时只需通过控制油液压力及模拟顶板加载油缸5的伸出量，就可模拟出不同的顶板状态。

所述掘进机9包括截割头34、截割臂35、回转台36、滑台37及掘进机底座38；所述滑台37设置在掘进机底座38上，滑台37相对于掘进机底座38具有直线移动自由度，在滑台37与掘进机底座38之间连接有滑台驱动油缸39；所述回转台36设置在滑台37上，回转台36相对于滑台37具有转动自由度，在回转台36与滑台37连接有回转台驱动油缸40；所述截割臂35下端铰接在回转台36上，所述截割头34位于截割臂35上端，在截割臂35中部与回转台36之间连接有截割臂升降驱动油缸41。

通过控制截割臂升降驱动油缸41伸缩，可对截割臂35的俯仰角度进行调整；通过控制回转台驱动油缸40伸缩，可对截割臂35的水平摆转角度进行调整；通过控制滑台驱动油缸39伸缩，可对截割臂35的在掘进方向上的前后位置进行调整；综合上述截割臂35的位置调整，就可调整截割头34的空间位置；而截割头34采用电机驱动，可实现转向和转速的调整。

采用所述的掘支锚联合机组实验装置的实验方法，具体为功能性实验，包括如下步骤：

步骤一：将模拟岩层1置于掘支锚联合机组模拟机3掘进方向的前端，同时调整掘支锚联合机组模拟机3与模拟顶板加载机构2的相对位置；

步骤二：调整模拟顶板加载机构2内油缸安装板6在导轨7上的位置，使每个模拟顶板加载油缸5与主支护顶梁16及副支护顶梁23上的阻尼块28一一对应，再调整油液压力及模拟顶板加载油缸5的活塞杆伸出量，以模拟出不同的顶板状态；

步骤三：分别控制主支护组件和副支护组件内的主支护立柱油缸19和副支护立柱油缸26动作，使模拟顶板加载油缸5的活塞杆与阻尼块28顶靠接触，实现支护组件10对调整模拟顶板加载机构2的支撑；

步骤四：启动掘进机9，对截割头34及截割臂35的空间位置进行调整，按照设计路线对模拟岩层1进行截割，并通过铲板14和运输机13将截割下的岩层碎块输送排出；

步骤五：当完成模拟岩层1的一层截割后，控制主支护立柱油缸19的活塞杆收起，使主支护顶梁16上的阻尼块28与模拟顶板加载油缸5的活塞杆相分离，同时使主支护底座15完全抬离地面，此时推移行进驱动油缸33动作，并向前推动主支护组件及其上掘进机9、运输机13及铲板14，直到向前推移了一个步距；然后控制主支护立柱油缸19的活塞杆伸出，重新使主支护底座15支撑到地面上；

步骤六：控制副支护立柱油缸26的活塞杆收起，使副支护顶梁23上的阻尼块28与模拟顶板加载油缸5的活塞杆相分离，同时使副支护底座22完全抬离地面，此时推移行进驱动油缸33动作，并向前拉动副支护组件，直到向前推移了一个步距；然后控制副支护立柱油缸26的活塞杆伸出，重新使副支护底座22支撑到地面上；

步骤七：重复步骤二至步骤六，实现掘支锚联合机组模拟机3的连续向前掘进，直到锚杆钻机11移动到模拟岩层1的巷道内，再进行锚固作业，直至实验结束。

通过上述功能性实验，能够验证掘支锚联合机组模拟机3能否实现掘进、支护及锚固的平行作业，同时验证掘支锚联合机组模拟机3的结构设计合理性，并可针对掘进机9的截割范围与运动空间的合理性、双截割臂运动干涉性、支护组件10的交替迈步式推移行进方式可行性、锚杆钻机11的运动空间合理性及运动干涉性等问题开展相应研究。

采用所述的掘支锚联合机组实验装置的实验方法，具体为静力学实验，包括如下步骤：

步骤一：调整掘支锚联合机组模拟机3与模拟顶板加载机构2的相对位置；

步骤二：调整模拟顶板加载机构2内油缸安装板6在导轨7上的位置，使每个模拟顶板加载油缸5与主支护顶梁16及副支护顶梁23上的阻尼块28一一对应，再调整油液压力及模拟顶板加载油缸5的活塞杆伸出量，以模拟出不同的顶板状态；

步骤三：控制主支护组件内的主支护立柱油缸19动作，使模拟顶板加载油缸5的活塞杆与阻尼块28顶靠接触，实现主支护组件对调整模拟顶板加载机构2的支撑；

步骤四：控制模拟顶板加载油缸5对主支护顶梁16进行加载，加载压力按照设定的曲线进行变化，并通过油压传感器、压力传感器29及应变片30分别进行数据采集，而所采集的数据再统一传输到计算机中进行处理分析；

步骤五：控制模拟顶板加载油缸5卸荷，控制主支护立柱油缸19的活塞杆收起，使主支护顶梁16上的阻尼块28与模拟顶板加载油缸5的活塞杆相分离；

步骤六：控制副支护组件内的副支护立柱油缸26动作，使模拟顶板加载油缸5的活塞杆与阻尼块28顶靠接触，实现副支护组件对调整模拟顶板加载机构2的支撑；

步骤七：控制模拟顶板加载油缸5对副支护顶梁23进行加载，加载压力按照设定的曲线进行变化，并通过油压传感器、压力传感器29及应变片30分别进行数据采集，而所采集的数据再统一传输到计算机中进行处理分析；

步骤八：控制模拟顶板加载油缸5卸荷，控制副支护立柱油缸26的活塞杆收起，使副支护顶梁23上的阻尼块28与模拟顶板加载油缸5的活塞杆相分离；

步骤九：同步执行步骤三和步骤六，实现主支护组件和副支护组件对调整模拟顶板加载机构2的共同支撑；

步骤十：控制模拟顶板加载油缸5对主支护顶梁16和副支护顶梁23进行同步加载，加载压力按照设定的曲线进行变化，并通过油压传感器、压力传感器29及应变片30分别进行数据采集，而所采集的数据再统一传输到计算机中进行处理分析；

步骤十一：控制模拟顶板加载油缸5卸荷，控制主支护立柱油缸19和副支护立柱油缸26的活塞杆同步收起，使主支护顶梁16和副支护顶梁23上的阻尼块28与模拟顶板加载油缸5的活塞杆相分离，实验结束。

通过上述静力学实验，能够测试掘支锚联合机组模拟机3的力学性能。

采用所述的掘支锚联合机组实验装置的实验方法，具体为模态分析实验，包括如下步骤：

步骤一：准备一台模态分析仪和一把力锤，而力锤将作为激励源；

步骤二：调整掘支锚联合机组模拟机3与模拟顶板加载机构2的相对位置；

步骤三：调整模拟顶板加载机构2内油缸安装板6在导轨7上的位置，使每个模拟顶板加载油缸5与主支护顶梁16及副支护顶梁23上的阻尼块28一一对应，再调整油液压力及模拟顶板加载油缸5的活塞杆伸出量，以模拟出不同的顶板状态；

步骤四：此时掘支锚联合机组模拟机3处于未支护和未掘进的自由状态，然后利用力锤分别对主支护组件和副支护组件施加激励，并通过三向加速度传感器32采集振动数据，而采集的振动数据再传输到模态分析仪中进行处理分析，实现掘支锚联合机组模拟机3在自由状态下的固有模态测量；

步骤五：控制主支护组件和副支护组件对调整模拟顶板加载机构2进行支撑，使掘支锚联合机组模拟机3处于支撑状态，然后利用力锤分别对主支护组件和副支护组件施加激励，并通过三向加速度传感器32采集振动数据，而采集的振动数据再传输到模态分析仪中进行处理分析，实现掘支锚联合机组模拟机3在支撑状态下的固有模态测量；

步骤六：主支护组件和副支护组件保持对调整模拟顶板加载机构2的支撑状态，然后启动掘进机9，对截割头34及截割臂35的空间位置进行调整，并按照设计路线走行截割轨迹，再利用力锤分别对主支护组件和副支护组件施加激励，并通过三向加速度传感器32采集振动数据，而采集的振动数据再传输到模态分析仪中进行处理分析，实现掘支锚联合机组模拟机3在掘进状态下的固有模态测量；

步骤六：先控制掘进机9停机，再控制模拟顶板加载油缸5卸荷，然后撤销主支护组件和副支护组件对调整模拟顶板加载机构2的支撑，实验结束。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种掘支锚联合机组实验装置，其特征在于：包括模拟岩层、模拟顶板加载机构及掘支锚联合机组模拟机；所述掘支锚联合机组模拟机与模拟岩层进行掘进配合，所述模拟顶板加载机构用于向掘支锚联合机组模拟机提供不同顶板状态。

2.根据权利要求1所述的一种掘支锚联合机组实验装置，其特征在于：所述模拟岩层采用长方体结构，模拟岩层的外形尺寸大于掘支锚联合机组模拟机的外形尺寸；所述模拟岩层位于掘支锚联合机组模拟机掘进方向的前端；所述模拟岩层由混凝土、岩块及煤渣按比例配制并浇注成型制成。

3.根据权利要求1所述的一种掘支锚联合机组实验装置，其特征在于：所述模拟顶板加载机构包括笼式支撑框架、模拟顶板加载油缸、油缸安装板及导轨；所述笼式支撑框架在掘进方向上的两个端面均为敞开式；所述导轨的数量为两根，两根导轨平行于掘进方向，且两根导轨分别安装在笼式支撑框架的两个侧向端面上；所述油缸安装板为扇形结构，且横跨安装在两根导轨之间，且油缸安装板相对于导轨具有滑动自由度；所述模拟顶板加载油缸安装在油缸安装板上，模拟顶板加载油缸数量若干，且在油缸安装板上均布设置；在所述模拟顶板加载油缸上安装有第一位移传感器，通过第一位移传感器测量模拟顶板加载油缸的活塞杆伸出量；在所述模拟顶板加载油缸的液压回路上安装有油压传感器。

4.根据权利要求3所述的一种掘支锚联合机组实验装置，其特征在于：所述掘支锚联合机组模拟机包括掘进机、支护组件及锚杆钻机；所述支护组件采用交替迈步式推移行进结构；所述掘进机位于支护组件在掘进方向上的前部，支护组件在掘进方向上的后部设置有支撑台，在支撑台上安装有运输机，在掘进机下方安装有铲板，铲板出料口与运输机进料口相连；所述锚杆钻机安装在运输机两侧的支撑台上。

5.根据权利要求4所述的一种掘支锚联合机组实验装置，其特征在于：所述支护组件分为主支护组件和副支护组件，副支护组件位于主支护组件内侧，所述掘进机、支撑台、运输机及铲板均安装在主支护组件上；所述主支护组件包括主支护底座、主支护立柱、主支护顶梁及主支护纵梁，所述主支护立柱包括主支护立柱基座、主支护立柱油缸及主支护转接座；所述主支护立柱基座固装在主支护底座上，主支护立柱油缸固装在主支护立柱基座上，主支护转接座固装在主支护立柱油缸上；所述主支护立柱以两个为一组，主支护顶梁横跨安装在位于同一组内的两个主支护立柱之间，主支护顶梁与主支护转接座相铰接，且相邻组内的主支护转接座之间、主支护立柱基座之间均通过主支护纵梁固定连接在一起；所述主支护转接座在掘进方向上开设有贯通的预留孔；所述副支护组件包括副支护底座、副支护立柱、副支护顶梁及副支护纵梁，所述副支护立柱包括副支护立柱基座、副支护立柱油缸及副支护转接座；所述副支护立柱基座固装在副支护底座上，副支护立柱油缸固装在副支护立柱基座上，副支护转接座固装在副支护立柱油缸上；所述副支护立柱以两个为一组，副支护顶梁横跨安装在位于同一组内的两个副支护立柱之间，副支护顶梁与副支护转接座相铰接，且相邻组内的副支护转接座之间、副支护立柱基座之间均通过副支护纵梁固定连接在一起；所述副支护转接座之间的副支护纵梁穿过主支护转接座的预留孔，且预留孔的孔径尺寸大于副支护纵梁的外径尺寸；在所述主支护转接座与副支护转接座连接有推移行进驱动油缸。

6.根据权利要求5所述的一种掘支锚联合机组实验装置，其特征在于：所述主支护顶梁及副支护顶梁均为拱形梁结构，在主支护顶梁及副支护顶梁顶部均安装有若干均布的阻尼块，在阻尼块与主支护顶梁及副支护顶梁之间加装有压力传感器；所述阻尼块与模拟顶板加载油缸配合使用；在所述主支护顶梁及副支护顶梁的外表面均贴覆有应变片；在所述主支护立柱油缸及副支护立柱油缸上均安装有第二位移传感器，通过第二位移传感器测量主支护立柱油缸及副支护立柱油缸的活塞杆伸出量；在所述主支护顶梁及副支护顶梁上均安装有三向加速度传感器。

7.根据权利要求4所述的一种掘支锚联合机组实验装置，其特征在于：所述掘进机包括截割头、截割臂、回转台、滑台及掘进机底座；所述滑台设置在掘进机底座上，滑台相对于掘进机底座具有直线移动自由度，在滑台与掘进机底座之间连接有滑台驱动油缸；所述回转台设置在滑台上，回转台相对于滑台具有转动自由度，在回转台与滑台连接有回转台驱动油缸；所述截割臂下端铰接在回转台上，所述截割头位于截割臂上端，在截割臂中部与回转台之间连接有截割臂升降驱动油缸。

8.采用权利要求1所述的掘支锚联合机组实验装置的实验方法，具体为功能性实验，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将模拟岩层置于掘支锚联合机组模拟机掘进方向的前端，同时调整掘支锚联合机组模拟机与模拟顶板加载机构的相对位置；

步骤二：调整模拟顶板加载机构内油缸安装板在导轨上的位置，使每个模拟顶板加载油缸与主支护顶梁及副支护顶梁上的阻尼块一一对应，再调整油液压力及模拟顶板加载油缸的活塞杆伸出量，以模拟出不同的顶板状态；

步骤三：分别控制主支护组件和副支护组件内的主支护立柱油缸和副支护立柱油缸动作，使模拟顶板加载油缸的活塞杆与阻尼块顶靠接触，实现支护组件对调整模拟顶板加载机构的支撑；

步骤四：启动掘进机，对截割头及截割臂的空间位置进行调整，按照设计路线对模拟岩层进行截割，并通过铲板和运输机将截割下的岩层碎块输送排出；

步骤五：当完成模拟岩层的一层截割后，控制主支护立柱油缸的活塞杆收起，使主支护顶梁上的阻尼块与模拟顶板加载油缸的活塞杆相分离，同时使主支护底座完全抬离地面，此时推移行进驱动油缸动作，并向前推动主支护组件及其上掘进机、运输机及铲板，直到向前推移了一个步距；然后控制主支护立柱油缸的活塞杆伸出，重新使主支护底座支撑到地面上；

步骤六：控制副支护立柱油缸的活塞杆收起，使副支护顶梁上的阻尼块与模拟顶板加载油缸的活塞杆相分离，同时使副支护底座完全抬离地面，此时推移行进驱动油缸动作，并向前拉动副支护组件，直到向前推移了一个步距；然后控制副支护立柱油缸的活塞杆伸出，重新使副支护底座支撑到地面上；

步骤七：重复步骤二至步骤六，实现掘支锚联合机组模拟机的连续向前掘进，直到锚杆钻机移动到模拟岩层的巷道内，再进行锚固作业，直至实验结束。

9.采用权利要求1所述的掘支锚联合机组实验装置的实验方法，具体为静力学实验，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：调整掘支锚联合机组模拟机与模拟顶板加载机构的相对位置；

步骤二：调整模拟顶板加载机构内油缸安装板在导轨上的位置，使每个模拟顶板加载油缸与主支护顶梁及副支护顶梁上的阻尼块一一对应，再调整油液压力及模拟顶板加载油缸的活塞杆伸出量，以模拟出不同的顶板状态；

步骤三：控制主支护组件内的主支护立柱油缸动作，使模拟顶板加载油缸的活塞杆与阻尼块顶靠接触，实现主支护组件对调整模拟顶板加载机构的支撑；

步骤四：控制模拟顶板加载油缸对主支护顶梁进行加载，加载压力按照设定的曲线进行变化，并通过油压传感器、压力传感器及应变片分别进行数据采集，而所采集的数据再统一传输到计算机中进行处理分析；

步骤五：控制模拟顶板加载油缸卸荷，控制主支护立柱油缸的活塞杆收起，使主支护顶梁上的阻尼块与模拟顶板加载油缸的活塞杆相分离；

步骤六：控制副支护组件内的副支护立柱油缸动作，使模拟顶板加载油缸的活塞杆与阻尼块顶靠接触，实现副支护组件对调整模拟顶板加载机构的支撑；

步骤七：控制模拟顶板加载油缸对副支护顶梁进行加载，加载压力按照设定的曲线进行变化，并通过油压传感器、压力传感器及应变片分别进行数据采集，而所采集的数据再统一传输到计算机中进行处理分析；

步骤八：控制模拟顶板加载油缸卸荷，控制副支护立柱油缸的活塞杆收起，使副支护顶梁上的阻尼块与模拟顶板加载油缸的活塞杆相分离；

步骤九：同步执行步骤三和步骤六，实现主支护组件和副支护组件对调整模拟顶板加载机构的共同支撑；

步骤十：控制模拟顶板加载油缸对主支护顶梁和副支护顶梁进行同步加载，加载压力按照设定的曲线进行变化，并通过油压传感器、压力传感器及应变片分别进行数据采集，而所采集的数据再统一传输到计算机中进行处理分析；

步骤十一：控制模拟顶板加载油缸卸荷，控制主支护立柱油缸和副支护立柱油缸的活塞杆同步收起，使主支护顶梁和副支护顶梁上的阻尼块与模拟顶板加载油缸的活塞杆相分离，实验结束。

10.采用权利要求1所述的掘支锚联合机组实验装置的实验方法，具体为模态分析实验，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：准备一台模态分析仪和一把力锤，而力锤将作为激励源；

步骤二：调整掘支锚联合机组模拟机与模拟顶板加载机构的相对位置；

步骤三：调整模拟顶板加载机构内油缸安装板在导轨上的位置，使每个模拟顶板加载油缸与主支护顶梁及副支护顶梁上的阻尼块一一对应，再调整油液压力及模拟顶板加载油缸的活塞杆伸出量，以模拟出不同的顶板状态；

步骤四：此时掘支锚联合机组模拟机处于未支护和未掘进的自由状态，然后利用力锤分别对主支护组件和副支护组件施加激励，并通过三向加速度传感器采集振动数据，而采集的振动数据再传输到模态分析仪中进行处理分析，实现掘支锚联合机组模拟机在自由状态下的固有模态测量；

步骤五：控制主支护组件和副支护组件对调整模拟顶板加载机构进行支撑，使掘支锚联合机组模拟机处于支撑状态，然后利用力锤分别对主支护组件和副支护组件施加激励，并通过三向加速度传感器采集振动数据，而采集的振动数据再传输到模态分析仪中进行处理分析，实现掘支锚联合机组模拟机在支撑状态下的固有模态测量；

步骤六：主支护组件和副支护组件保持对调整模拟顶板加载机构的支撑状态，然后启动掘进机，对截割头及截割臂的空间位置进行调整，并按照设计路线走行截割轨迹，再利用力锤分别对主支护组件和副支护组件施加激励，并通过三向加速度传感器采集振动数据，而采集的振动数据再传输到模态分析仪中进行处理分析，实现掘支锚联合机组模拟机在掘进状态下的固有模态测量；

步骤六：先控制掘进机停机，再控制模拟顶板加载油缸卸荷，然后撤销主支护组件和副支护组件对调整模拟顶板加载机构的支撑，实验结束。