一种适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统

摘要

本发明公开了一种适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统，包括刀盘、光源、高速摄像头、动态分析三维显示系统、推进轴和支架；所述推进轴安装在支架上，推进轴上依次设置有刀盘、高速摄像头和动态分析三维显示系统；所述光源安装在高速摄像头上方，在巷道掘进过程中为高速摄像头提供视线支持。本发明自动化程度高、易操作、开挖方便，能实时监测开挖过程，可应用于岩土工程模型试验隧洞的自动化、可视化开挖，并高速摄像记录围岩掘进及破坏情况。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在煤与瓦斯突出模型试验当中应用的开挖掘进实时监测系统，尤其是一种适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统。

背景技术

20世纪80年代初，煤炭科学研究院抚顺分院王佑安通过现场采集煤样，实验室成型，模拟Ⅳ、Ⅴ类突出危险煤，开展了煤与瓦斯突出一维模拟试验研究，得出了一维条件下突出强度同垂直应力、瓦斯压力之间的定量关系。1996年，中科院力学所孟翔跃等人开发了既能改变地应力又能改变瓦斯压力的二维煤与瓦斯突出试验装置。2000年中国矿业大学郭立稳、俞启香、蒋承林通过开发的煤与瓦斯突出装置研究了突出过程中的温度变化，认为在煤与瓦斯突出过程中，煤体温度的升高是由地应力破碎煤体使弹性能释放造成的，而温度降低则是由于瓦斯气体解吸和膨胀造成的，其变化是先升高后降低并连续变化的。2002年焦作工学院牛国庆、颜爱华、刘明举等也设计了煤与瓦斯突出装置，用来考察煤与瓦斯突出过程中的温度变化，研究结果认为在煤与瓦斯突出过程中，瓦斯的膨胀做功过程并非绝热过程，而是一个接近于等温过程的多变过程。2003年，清华大学发明了一种实体模型试验中隐蔽洞室开挖的方法及专用设备（CN02129366.X），该开挖设备采用预埋导丝定位引导弯曲微型挖掘装置进行开挖，但开挖时需要模型预埋定位，但没有实现可视化开挖。随后在2004年，焦作工学院蔡成功等又按照相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置，实验模拟了不同煤型强度、三向应力、瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出过程。2007年，重庆大学尹光志、许江、鲜学福等人研发了大型煤与瓦斯突出模拟试验台，该装置中试验时突出煤样的尺寸较大，实现了瓦斯气源的面充气功能，用于探索综合作用假说的作用机制，可进行不同瓦斯压力、不同地应力下的煤与瓦斯突出模拟试验，借助于高速摄像机实现了煤与瓦斯突出过程全程回放功能，在瓦斯灾害防治领域取得了一定科研成果，但没有实现巷道开挖模拟。

以上试验装置虽在一定程度上加深了煤与瓦斯突出机理的研究进展，但或多或少的存在以下缺点：

1、煤与瓦斯突出模型巷道不是现场开挖，不能比较真实的反应煤矿井下突出过程；

2、记录煤与瓦斯突出的高速摄像系统不能随着开挖向前推进，无法记录随着开挖的进行巷道的变化规律；

3、煤与瓦斯突出装置均没有自动机械开挖系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械化自动开挖系统，尤其是一种适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统，模拟并记录石门掘进过程及煤与瓦斯突出整个过程。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案。

一种适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统，包括刀盘、光源、高速摄像头、动态分析三维显示系统、推进轴和支架；所述推进轴安装在支架上，推进轴上依次设置有刀盘、高速摄像头和动态分析三维显示系统；所述光源安装在高速摄像头上方，在巷道掘进过程中为高速摄像头提供视线支持。

所述的推进轴为中空圆筒轴，底部和上部为平面，前端具有吸屑孔。

所述适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统还可以包括摄像头固定轴，摄像头固定轴为细长圆轴，通过竖直的钢肋安装在推进轴上部的平面上，跟随推进轴前进或后退；所述的高速摄像头安装在摄像头固定轴前方，并位于刀盘后方，通过每秒上千帧的高速摄影捕捉煤与瓦斯突出的整个过程，然后再通过慢放分析煤与瓦斯突出的发生、发展及突出过程。

所述适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统还包括回转轴，回转轴为实心轴，安装在推进轴内部，能够带动刀盘转动。

所述适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统还包括轴承，所述的轴承位于回转轴和推进轴中间，并且同轴心，轴承对回转轴起到支撑和减小摩擦的作用。

所述适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统还包括推进电机和旋转电机，所述推进电机安装在支架上，为掘进系统提供动力；旋转电机固定在推进轴上远离刀盘的一端，旋转电机通过旋转轴与回转轴相连，并固定在推进轴上，推进电机和旋转电机分别和自动控制系统相连接。

所述适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统还包括齿条和齿轮；所述的齿条为具有一系列等距离分布齿的平板，安装在推进轴上；所述的齿轮安装在推进电机上，由推进电机带动旋转，并且和齿条配合，通过齿条将旋转转换为前进动力。

所述的动态分析三维显示系统（例如产品型号可以VW-6000或9000）通过导线与高速摄像头相连，安装在支架上，并且安装位置可根据现场需要调节，以方便外部观测，记录围岩掘进及破坏情况。

所述刀盘为一字型刀盘，前面设有滚刀。

所述支架的高度可调，包括框架基体、限位滑轮、齿条槽、底部升降油缸和平移滚轮；所述框架基体的底部带有平移滚轮，底部升降油缸由前法兰固定在框架基体上，并与自动控制系统相连，实现升降自动化控制；框架基体的底部能够安放动态分析三维显示系统，并稳定支架，框架基体顶部具有限位滑轮和齿条槽，用来防止推进轴在前进过程中发生旋转，支架和自动控制系统相连接。

刀头转动的速度能够方便的调整；刀头的前进或后退能够任意控制；刀头的更换方便；打孔时的碎料清理方便，可通过吸屑孔吸出；能实时监测开挖过程，并高速记录下突出过程。

当模型需要开挖时，将该装置移动至靠近模型的合适位置，启动自动控制系统，控制支架升起至合理位置并锁定，控制旋转电机工作，通过回转轴带动刀盘旋转，由推进电机控制刀盘水平移动，实现模型的自动化开挖。

本发明的有益效果是：自动化程度高、易操作、开挖方便，能实时监测开挖过程，可应用于岩土工程模型试验隧洞的自动化、可视化开挖，并高速摄像记录围岩掘进及破坏情况。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构示意图；

图2是本发明高速摄像系统结构示意图；

图3是本发明高度可调支架结构示意图；

图4是本发明旋转掘进系统结构示意图

其中1.刀盘，2.回转轴，3.光源，4.高速摄像头，5.摄像头固定轴，6. 齿条，7. 齿轮，8.推进电机，9. 动态分析三维显示系统，10.推进轴，11. 支架，12.旋转电机，13.轴承，11-1.限位滑轮，11-2.齿条槽，11-3.升降油缸，11-4.框架基体，11-5.平移滚轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本实施例的适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统，包括刀盘1、光源3、高速摄像头4、动态分析三维显示系统9、推进轴10和支架11；所述推进轴10安装在支架11上，推进轴10上依次设置有刀盘1、高速摄像头4和动态分析三维显示系统9；所述光源3安装在高速摄像头4上方，在巷道掘进过程中为高速摄像头4提供视线支持；

所述的推进轴10为中空圆筒轴，底部和上部为平面，前端具有吸屑孔，在掘进巷道过程中可以通过吸屑孔将碎屑吸出；

本实施例的适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统还包括摄像头固定轴5，摄像头固定轴5为细长圆轴，通过竖直的钢肋安装在推进轴10上部的平面上，跟随推进轴10前进或后退；所述的高速摄像头4安装在摄像头固定轴5前方，并位于刀盘1后方，通过每秒上千帧的高速摄影捕捉煤与瓦斯突出的整个过程，然后再通过慢放分析煤与瓦斯突出的发生、发展及突出过程；

本实施例的适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统还包括回转轴2，回转轴2为实心轴，安装在推进轴10内部，能够带动刀盘1转动；

本实施例的适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统还包括轴承13，所述的轴承13位于回转轴2和推进轴10中间，并且同轴心，轴承13对回转轴2起到支撑和减小摩擦的作用；

本实施例的适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统还包括推进电机8和旋转电机12，所述推进电机8安装在支架11上，为掘进系统提供动力；旋转电机12固定在推进轴10上远离刀盘1的一端，所述的旋转电机12通过旋转轴与回转轴2相连，旋转轴上设置有方形孔，回转轴2末端加工为方形杆，旋转轴与回转轴2相连时将方形杆插入方形孔内并固定，旋转电机12通过前法兰固定在推进轴10上；推进电机8和旋转电机12分别和自动控制系统相连接；

本实施例的适用模型试验的可视化微型隧洞掘进系统还包括齿条6和齿轮7；所述的齿条6为具有一系列等距离分布齿的平板，安装在推进轴10上；所述的齿轮7安装在推进电机8上，由推进电机8带动旋转，并且和齿条6配合，通过齿条6将旋转转换为前进动力；

所述的动态分析三维显示系统9的产品型号为VW-6000或9000，通过导线与高速摄像头4相连，安装在支架11上，并且安装位置可根据现场需要调节，以方便外部观测，记录围岩掘进及破坏情况；

所述刀盘1为一字型刀盘，前面设有滚刀；

所述支架11的高度可调，包括框架基体11-4、限位滑轮11-1、齿条槽11-2、底部升降油缸11-3和平移滚轮11-5；所述框架基体11-4的底部带有平移滚轮11-5，底部升降油11-3由前法兰固定在框架基体11-4上，并与自动控制系统相连，实现升降自动化控制；框架基体11-4的底部中间具有横向排列的一系列钢肋，能够安放动态分析三维显示系统9，并稳定支架11，框架基体11-4顶部具有限位滑轮11-1和齿条槽11-2，用来防止推进轴10在前进过程中发生旋转，支架和自动控制系统相连接。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。