CN110714758B - 一种采煤工作的模拟实验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采煤工作的模拟实验台，包括：模拟箱，其内部填充有模拟材料，用于模拟含煤区的地质；力量生成组件Ⅰ，其设置于模拟箱的侧方，用于从模拟材料的侧方对模拟材料施加作用力；力量生成组件Ⅱ，其设置于模拟箱的上方，用于从模拟材料的上方对模拟材料施加作用力；能量释放组件，其数量为两个，其中一个能量释放组件位于力量生成组件Ⅰ、模拟箱的侧方之间，另一个能量释放组件位于力量生成组件Ⅱ、模拟箱的上方之间，在力量生成组件Ⅰ、力量生成组件Ⅱ对模拟材料施加作用力时，能量释放组件接受该作用力，并将能量释放组件自身的能量在模拟材料内部瞬间释放，利用物理爆炸的方式模拟了化学爆炸时能量的释放。
Description
技术领域
本发明涉及采煤技术领域，具体涉及一种采煤工作的模拟实验台。
背景技术
采煤，就是把有价值的煤炭从地下或地表分离并运离现场，通常采用大型机械设备进行采煤工作，开采方式分露天开采、地下开采两类，露天开采的方式，一般均是自上而下地直接开凿矿井进入到含煤层，简而言之，就是从含煤层的上方进行集中开采，而地下开采，就是深入到含煤层内，采用走向长壁采煤法，简而言之，就是从含煤层的侧方进行集中开采。
采煤中岩层的运移规律、煤层的泄压规律、以及地表沉陷规律等一直是采煤工作的重要基础理论，需要长期的观测和研究，但是煤矿床呈层状赋存，分布范围广储量大，开采时常伴有水、火、瓦斯等灾害威胁，显然不具备观测和研究条件。
现有技术中，具有模拟采煤的试验装置，存在以下弊端：
1.试验装置对配合使用的工具要求较高，工具要生成足够大的作用力作用于模拟材料上；
2.试验装置利用振动机连续凿击，易破坏地质，增加开凿难度，不利于下一步的开采；
3.试验装置在连续凿击时会出现摆动，易出现凿击不到位的现象；
4.试验装置不具备模拟爆破采煤的功能，若直接使用炸药实验，炸药的化学爆炸方式危险性大，且炸药的使用苛刻、安装要求非常高，需要专业人士专门布设，不满足模拟实验要求的时效性和可重复性，为此我们提供一种采煤工作的模拟实验台。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种采煤工作的模拟实验台，解决上述凿击产生的问题，并且利用物理爆炸的方式模拟了化学爆炸时能量的释放，填补了行业空白。
为了实现上述目的，本发明采用的一种采煤工作的模拟实验台，包括：
模拟箱，其内部填充有模拟材料，用于模拟含煤区的地质；
力量生成组件Ⅰ，其设置于模拟箱的侧方，用于从模拟材料的侧方对模拟材料施加作用力，所述力量生成组件Ⅰ包括：支架、在支架内沿左右方向往复运动的重锤Ⅰ、以及设置于重锤Ⅰ一端部的凿针Ⅰ，所述重锤Ⅰ悬吊在支架内，重锤Ⅰ在向模拟材料方向运动时生成力量，并通过凿针Ⅰ施加给模拟箱的侧方；
力量生成组件Ⅱ，其设置于模拟箱的上方，用于从模拟材料的上方对模拟材料施加作用力，所述力量生成组件Ⅱ包括：容纳桶、在容纳桶内沿上下方向往复运动的重锤Ⅱ、以及固连于重锤Ⅱ下方的凿针Ⅱ，所述重锤Ⅱ将容纳桶上下分隔为空腔Ⅰ和空腔Ⅱ，空腔Ⅰ和空腔Ⅱ能够输入输出流体，且重锤Ⅱ下落运动时生成力量，并通过凿针Ⅱ施加给模拟箱的上方。
作为上述方案的进一步优化，所述支架具有两个三角边、用于连接两个三角边的直杆Ⅰ，直杆Ⅰ的数量为三个，三个直杆Ⅰ均呈横向延伸状，所述三角边包括三个折块和三个直杆Ⅱ，三个折块的侧视截面呈三角状，且三个折块位于同一竖平面内，且每两个折块之间通过一个直杆Ⅱ连接。
作为上述方案的进一步优化，所述折块内贯穿设有与直杆Ⅰ相匹配的插孔，直杆Ⅰ穿过所述插孔，且插孔的侧壁还贯穿设有与外界连通的螺孔，所述螺孔内螺接有螺钉，且螺钉的端部顶抵所述直杆Ⅰ。
作为上述方案的进一步优化，所述重锤Ⅰ位于两个三角边之间，且重锤Ⅰ的上端铰接有两个直杆Ⅲ，两个直杆Ⅲ的上端分别与两个折块的下端铰接。
作为上述方案的进一步优化，所述支架上还设有用于驱动重锤Ⅰ沿左右方向往复运动的驱动件；
所述驱动件为多级的直线电推杆，直线电推杆安装在支架底面，且直线电推杆的伸缩端通过拉绳与重锤Ⅰ的下端固连。
作为上述方案的进一步优化，所述流体为液体。
作为上述方案的进一步优化，还包括：能量释放组件，其数量为两个，其中一个能量释放组件位于力量生成组件Ⅰ、模拟箱的侧方之间，另一个能量释放组件位于力量生成组件Ⅱ、模拟箱的上方之间，在力量生成组件Ⅰ、力量生成组件Ⅱ对模拟材料施加作用力时，能量释放组件接受该作用力，并将能量释放组件自身的能量在模拟材料内部瞬间释放，以模拟爆破。
作为上述方案的进一步优化，所述模拟材料的上端向内凹陷设有爆破口Ⅰ，所述爆破口Ⅰ用于容纳其中一个能量释放组件，所述模拟材料的上端向内凹陷设有爆破口Ⅱ，所述爆破口Ⅱ用于容纳另一个能量释放组件。
作为上述方案的进一步优化，所述能量释放组件为填充气体的橡胶气球。
本发明的一种采煤工作的模拟实验台，具备如下有益效果：
1.本发明的一种采煤工作的模拟实验台，力量生成组件Ⅰ、力量生成组件Ⅱ结构简单，能够生成足够的作用力作用于模拟材料，以模拟露天开采和地下开采；
2.力量生成组件Ⅰ利用惯性的力量生成方式实现连续不断的凿击，力量生成组件Ⅱ利用内部的力量生成方式实现连续不断的凿击，对地质的破坏小，利于下一步的开采；
3.力量生成组件Ⅰ仅产生横向的作用力，不会出现摆动现象，确保每次凿击到位，力量生成组件Ⅱ仅产生竖向的作用力，同样不会出现摆动现象，以确保每次凿击到位；
4.能量释放组件利用气压特性，与力量生成组件Ⅰ、力量生成组件Ⅱ配合，受到凿击后产生瞬间爆炸，利用物理爆炸的方式模拟了化学爆炸时能量的释放，填补了行业空白；同时，物理爆炸的方式相比于化学爆炸，不会产生有毒气体和化学成分，因此使用较为安全，且能量释放组件的使用、安装非常简单，无需专业布设。
参照后文的说明与附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式，应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制，在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
附图说明
图1为本发明整体结构的正面示意图；
图2为本发明的支架结构示意图；
图3为本发明的模拟箱和力量生成组件Ⅱ结构示意图；
图4为本发明整体结构的正面剖视图。
图中：模拟箱1、模拟材料2、重锤Ⅰ3、凿针Ⅰ4、容纳桶5、重锤Ⅱ6、凿针Ⅱ7、空腔Ⅰ8、空腔Ⅱ9、直杆Ⅰ10、折块11、直杆Ⅱ12、螺钉13、直杆Ⅲ14、直线电推杆15、拉绳16、爆破口Ⅰ17、爆破口Ⅱ18、橡胶气球19。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于、设有”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接、相连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，“固连、固定”均为固定连接的含义，实现固定连接的方式有很多种，不作为本文的保护范围，本文中所使用的术语“垂直的”“水平的”“左”“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在限制本发明，本文中所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合；
请参阅说明书附图1-4，本发明的实施方式提供:一种采煤工作的模拟实验台，用于模拟采煤工作的开凿工艺，包括：模拟箱1，其内部填充有模拟材料2，用于模拟含煤区的地质；
力量生成组件Ⅰ，其设置于模拟箱1的侧方，用于从模拟材料2的侧方对模拟材料2施加作用力，力量生成组件Ⅰ包括：支架、在支架内沿左右方向往复运动的重锤Ⅰ3、以及固连于重锤Ⅰ3一端部的凿针Ⅰ4，重锤Ⅰ3悬吊在支架内，重锤Ⅰ3在向模拟材料2方向运动时生成力量，并通过凿针Ⅰ4施加给模拟箱1的侧方；
力量生成组件Ⅱ，其设置于模拟箱1的上方，用于从模拟材料2的上方对模拟材料2施加作用力，力量生成组件Ⅱ包括：容纳桶5、在容纳桶5内沿上下方向往复运动的重锤Ⅱ6、以及固连于重锤Ⅱ6下方的凿针Ⅱ7，重锤Ⅱ6将容纳桶5上下分隔为空腔Ⅰ8和空腔Ⅱ9，空腔Ⅰ8和空腔Ⅱ9能够输入输出流体，且重锤Ⅱ6下落运动时生成力量，并通过凿针Ⅱ7施加给模拟箱1的上方，以使凿针Ⅱ7自上而下地冲击模拟材料2，容纳桶5的外侧通过两个加强杆设置于模拟箱1的上方，且空腔Ⅱ9的底面贯穿设有供凿针Ⅱ7穿过的圆孔，圆孔内壁设有密封液体的密封环(未图示出)；
在本实施方式中，流体优选为液体，液压的稳定性好，传受较大的力效果好，容纳桶5外侧设有液压机构(未图示)，液压机构分别通过一个液压管与空腔Ⅰ8、空腔Ⅱ9连通，也就是说，空腔Ⅰ8、空腔Ⅱ9分别通过一个液压管输入输出流体；
具体的，支架具有两个三角边、用于连接两个三角边的直杆Ⅰ10，直杆Ⅰ10的数量为三个，三个直杆Ⅰ10均呈横向延伸状，三角边包括三个折块11和三个直杆Ⅱ12，三个折块11的侧视截面呈三角状，且三个折块11位于同一竖平面内，且每两个折块11之间通过一个直杆Ⅱ12连接，折块11内贯穿设有与直杆Ⅰ10相匹配的插孔，直杆Ⅰ10穿过插孔，且插孔的侧壁还贯穿设有与外界连通的螺孔，螺孔内螺接有螺钉13，且螺钉13的端部顶抵直杆Ⅰ10，通过改变直杆Ⅰ10的插入深度，以使折块11之间的间距变大或变小，导致三角边的截面变大或变小，从而使得重锤Ⅰ3的悬吊位置变高或变低从而凿击点实现改变，重锤Ⅰ3位于两个三角边之间，且重锤Ⅰ3的上端铰接有两个直杆Ⅲ14，两个直杆Ⅲ14的上端分别与两个折块11的下端铰接；
支架上还设有用于驱动重锤Ⅰ3沿左右方向往复运动的驱动件，驱动件为多级的直线电推杆15，直线电推杆15安装在支架底面，且直线电推杆15的伸缩端通过拉绳16与重锤Ⅰ3的下端固连。
在一个具体的使用场景中，使用如图1所示的采煤工作的模拟实验台进行采煤工作，具体操作步骤如下：
1.参照图1，将力量生成组件Ⅰ、力量生成组件Ⅱ分别设置在模拟箱1的侧方、上方；
2.根据模拟需要，进行侧方开凿模拟或上方开凿模拟，在进行侧方开凿模拟时，启动直线电推杆15，直线电推杆15驱动重锤Ⅰ3向右移动，直至右移至极限时停止驱动，破坏了重锤Ⅰ3原本的平衡状态，重锤Ⅰ3由于自重向左移生成惯性力，以通过凿针Ⅰ4向模拟材料2侧方生成凿击力量，实现模拟凿击，并且通过直线电推杆15左右的往复移动，实现连续不断的凿击；
3.在进行上方开凿模拟时，启动液压机构驱动重锤Ⅱ6向上移动，直至上移至极限时停止驱动，重锤Ⅱ6由于自重向下落生成凿击力量，并通过凿针Ⅱ7向模拟材料2上方传递，实现模拟凿击，并且通过液压机构上下的往复驱动，实现连续不断的凿击；
需要说明的是，在本实施方式的步骤2中，重锤Ⅰ3由于自重向左移生成惯性力以通过凿针Ⅰ4向模拟材料2侧方生成凿击力量，同时，还可以将直线电推杆15以预定的加速度向左移动，以通过拉绳16驱动重锤Ⅰ3以预定加速度向左移产生凿击力量，也就是说，将二者相结合，利用重锤Ⅰ3的自重惯性、拉绳16对重锤Ⅰ3施加的加速度共同产生凿击力量，在不改变重锤Ⅰ3规格的情况下，很大程度上提高了生成的凿击力量；
另外，在本实施方式的步骤3中，液压机构驱动重锤Ⅱ6向上移动后重锤Ⅱ6由于自重快速向下落生成凿击力量，同时，还可以将液压机构以预定的加速度通过液压管向空腔Ⅱ9输入液体，受液压的重锤Ⅱ6以预定加速度向下移产生凿击力量，也就是说，将二者相结合，利用重锤Ⅱ6的自重下落、液压对重锤Ⅰ3施加的加速度共同产生凿击力量，在不改变重锤Ⅱ6规格的情况下，同样提高了生成的凿击力量；
请参阅图4，本发明的另一实施方式提供：一种采煤工作的模拟实验台，用于模拟采煤工作中的爆破采煤工艺，包括：模拟箱1、力量生成组件Ⅰ、力量生成组件Ⅱ，还包括：能量释放组件，需要说明的是，模拟箱1、力量生成组件Ⅰ、力量生成组件Ⅱ的具体结构参考上述实施方式中的描述，此处不再一一赘述，也就是说，本申请的各个实施方式之间可以相互参考引用的，而不是孤立的存在；
能量释放组件的数量为两个，其中一个能量释放组件位于力量生成组件Ⅰ、模拟箱1的侧方之间，另一个能量释放组件位于力量生成组件Ⅱ、模拟箱1的上方之间，在力量生成组件Ⅰ、力量生成组件Ⅱ对模拟材料2施加作用力时，能量释放组件接受该作用力，并将能量释放组件自身的能量在模拟材料2内部瞬间释放，以模拟爆破；
具体的，在本实施方式中模拟材料2的上端向内凹陷设有爆破口Ⅰ17，爆破口Ⅰ17用于容纳其中一个能量释放组件，模拟材料2的上端向内凹陷设有爆破口Ⅱ18，爆破口Ⅱ18用于容纳另一个能量释放组件，能量释放组件为填充气体的橡胶气球19，该气体为氮气、氢气、氦气中的至少一种，也就是说，本申请并不对气体做唯一限定；
在一个具体的使用场景中，使用如图4所示的采煤工作的模拟实验台进行采煤工作，具体操作步骤如下：
1.参照图4，将力量生成组件Ⅰ、力量生成组件Ⅱ分别设置在模拟箱1的侧方、上方，并将能量释放组件填充于爆破口Ⅰ17、爆破口Ⅱ18内；
2.根据模拟需要，进行侧方爆破模拟或上方爆破模拟，在进行侧方爆破模拟时，启动直线电推杆15，直线电推杆15驱动重锤Ⅰ3向右移动，直至右移至极限时停止驱动，破坏重锤Ⅰ3原本的平衡状态，重锤Ⅰ3由于自重向左移生成惯性力，以通过凿针Ⅰ4向模拟材料2侧方生成凿击力量，凿针Ⅰ4插入爆破口Ⅰ17内将作用力施加给橡胶气球19，橡胶气球19受到凿击力量而被压缩产生内外压力差，橡胶气球19内部的气体迅速膨胀以瞬间释放爆炸在爆破口Ⅰ17内。实现模拟爆破采煤工艺；
3.在进行上方开凿模拟时，启动液压机构驱动重锤Ⅱ6向上移动，直至上移至极限时停止驱动，重锤Ⅱ6由于自重向下落生成凿击力量，凿针Ⅱ7插入爆破口Ⅱ18内将作用力施加给橡胶气球19，橡胶气球19受到凿击力量而被压缩产生内外压力差，橡胶气球19内部的气体迅速膨胀以瞬间释放爆炸在爆破口Ⅱ18内，实现模拟爆破采煤工艺。
需要说明的是，在本实施方式中，爆破口Ⅰ17、爆破口Ⅱ18内的橡胶气球19数量为至少一个，当然的，还可以是两个、三个或若干个，具体根据模拟爆破的程度来定，也就是说，橡胶气球19数量越多，瞬间释放的爆炸能量就越多，以提供足够的能量进行不同程度的爆破。
仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种采煤工作的模拟实验台，其特征在于，包括：
模拟箱，其内部填充有模拟材料，用于模拟含煤区的地质；
力量生成组件Ⅰ，其设置于模拟箱的侧方，用于从模拟材料的侧方对模拟材料施加作用力，所述力量生成组件Ⅰ包括：支架、在支架内沿左右方向往复运动的重锤Ⅰ、以及设置于重锤Ⅰ一端部的凿针Ⅰ，所述重锤Ⅰ悬吊在支架内，重锤Ⅰ在向模拟材料方向运动时生成力量，并通过凿针Ⅰ施加给模拟箱的侧方；
力量生成组件Ⅱ，其设置于模拟箱的上方，用于从模拟材料的上方对模拟材料施加作用力，所述力量生成组件Ⅱ包括：容纳桶、在容纳桶内沿上下方向往复运动的重锤Ⅱ、以及固连于重锤Ⅱ下方的凿针Ⅱ，所述重锤Ⅱ将容纳桶上下分隔为空腔Ⅰ和空腔Ⅱ，空腔Ⅰ和空腔Ⅱ能够输入输出流体，且重锤Ⅱ下落运动时生成力量，并通过凿针Ⅱ施加给模拟箱的上方。
2.根据权利要求1所述的一种采煤工作的模拟实验台，其特征在于：所述支架具有两个三角边、用于连接两个三角边的直杆Ⅰ，直杆Ⅰ的数量为三个，三个直杆Ⅰ均呈横向延伸状，所述三角边包括三个折块和三个直杆Ⅱ，三个折块的侧视截面呈三角状，且三个折块位于同一竖平面内，且每两个折块之间通过一个直杆Ⅱ连接。
3.根据权利要求2所述的一种采煤工作的模拟实验台，其特征在于：所述折块内贯穿设有与直杆Ⅰ相匹配的插孔，直杆Ⅰ穿过所述插孔，且插孔的侧壁还贯穿设有与外界连通的螺孔，所述螺孔内螺接有螺钉，且螺钉的端部顶抵所述直杆Ⅰ。
4.根据权利要求2所述的一种采煤工作的模拟实验台，其特征在于：所述重锤Ⅰ位于两个三角边之间，且重锤Ⅰ的上端铰接有两个直杆Ⅲ，两个直杆Ⅲ的上端分别与两个折块的下端铰接。
5.根据权利要求1所述的一种采煤工作的模拟实验台，其特征在于：所述支架上还设有用于驱动重锤Ⅰ沿左右方向往复运动的驱动件；
所述驱动件为多级的直线电推杆，直线电推杆安装在支架底面，且直线电推杆的伸缩端通过拉绳与重锤Ⅰ的下端固连。
6.根据权利要求1所述的一种采煤工作的模拟实验台，其特征在于：所述流体为液体。
7.根据权利要求1所述的一种采煤工作的模拟实验台，其特征在于：还包括：能量释放组件，其数量为两个，其中一个能量释放组件位于力量生成组件Ⅰ、模拟箱的侧方之间，另一个能量释放组件位于力量生成组件Ⅱ、模拟箱的上方之间，在力量生成组件Ⅰ、力量生成组件Ⅱ对模拟材料施加作用力时，能量释放组件接受该作用力，并将能量释放组件自身的能量在模拟材料内部瞬间释放，以模拟爆破。
8.根据权利要求7所述的一种采煤工作的模拟实验台，其特征在于：所述模拟材料的上端向内凹陷设有爆破口Ⅰ，所述爆破口Ⅰ用于容纳其中一个能量释放组件，所述模拟材料的上端向内凹陷设有爆破口Ⅱ，所述爆破口Ⅱ用于容纳另一个能量释放组件。
9.根据权利要求7或8所述的一种采煤工作的模拟实验台，其特征在于：所述能量释放组件为填充气体的橡胶气球。
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