[发明专利]配套三维物理模型试验机器人系统

说明书

技术领域

本发明属于岩体力学的三维物理模型试验装置技术领域，具体涉及一种配套三维物理模型试验机器人系统。

背景技术

随着社会经济的发展及国民经济的需求，地下矿山及隧道建设向深部转移，岩石力学的研究重点日益转向地下，在采矿工程和水电工程领域，地下巷道的长度、跨度及埋深也越来越大，因此在复杂地质条件下巷道开挖造成的围岩应力调整过程及稳定性问题变得尤为重要，而现场围岩监测需要较多的人力、物力和财力，付出的工作量大、周期长，而围岩的变化和应力分布情况不能直接观测到，在监测时又经常受到现场条件的限制，难以取得较好的成果。

物理模型试验是研究深埋巷道及矿山压力的重要研究手段之一，以相似理论为基础的模型试验在配制与工程岩体性质相似的物理材料基础上，对试件进行加载、开挖和支护等，研究地下洞室的受力、变形和稳定性问题。物理模型试验可以模拟巷道开挖、工作面回采等对围岩应力调整过程、位移分布特征及位移最大值发生部位等。

物理模型试验中圆形巷道使用钻机开挖较容易实现，对于矩形巷道、直墙拱型巷道一般是采用手动开挖的方法或者预埋与隧洞形状一样的柱体。手动开挖费时费力且成巷效果不好，预埋柱体的方法分为加载前取出柱体一次成巷和加载过程中顶出柱体分段成巷，前者与现场实际开挖过程差距太大，后者在高应力和多条巷道交错时较难实现。在采煤工作面回采三维模拟中，基本采用人工和简易机械开挖，与实际开挖过程不符，无法实现采煤机割煤回采及一定倾角的倾斜回采。

发明内容

针对上述存在问题，本发明设计了一种配套三维物理模型试验机器人系统：包括三维物理模型试验和配套机器人两大部分，三维物理模型试验装置的外部为反力架，所述反力架的立方体形框架由八个横向设置的水平梁和四个纵向设置的立柱组成；

所述反力架的至少一个立方体框架面上有如下设置：相对设置的立柱和立柱之间设置至少两个相互平行的水平面夹角为α矩形大钢板，相邻的两个矩形大钢板之间设置有至少一排矩形小钢板；

所述反力架其他的框架侧面均设置反力架面板；在反力架的内部设置岩体模型；在岩体模型的三个表面上分别安装有上承压板、左承压板和后承压板；

在岩体模型的上承压板和相应的顶端反力架面板之间设置若干个上侧震动千斤顶构成垂直加载系统；

在岩体模型的左承压板和相应的侧面反力架面板之间设置若干个左侧震动千斤顶构成水平左右加载系统；

在岩体模型的后承压板和相应的后面反力架面板之间设置若干个后侧震动千斤顶构成水平前后加载系统；

配套机器人主要包括机器人机身，配套设置锚杆支护系统和注浆系统；在机器人机身的头部顶端设置刀盘，在机器人机身上设置至少一组撑靴和至少一组驱动轮；从机器人机身的尾部伸出的操控管线将机器人操控系统和驱动轮连接。

上述技术方案中，所述的每个矩形大钢板的两端至少设置有一组矩形螺栓孔和弧形螺栓孔；沿矩形大钢板的两长边均设置有多个小矩形钢板连接螺栓孔；

矩形大钢板同一端的一组矩形螺栓孔和弧形螺栓孔为上下设置，其中矩形螺栓孔呈矩形挖孔，其长边和矩形大钢板平行，弧形螺栓孔呈60°～120°的扇环形挖孔，其中心轴和矩形螺栓孔重合，且该弧形螺栓孔的圆心靠近矩形螺栓孔一侧。

上述技术方案中，所述的每个小矩形钢板的一侧面设有手柄，每个小矩形钢板的四角上均设置有小矩形钢板连接螺栓孔；矩形大钢板的矩形大钢板连接螺栓孔和小矩形钢板上的小矩形钢板连接螺栓孔的尺寸相同，且排列位置相应。

上述技术方案中，所述的的立方体框架面上有如下设置：相对设置的立柱和立柱的内侧均设置有螺栓安装凹槽；在立方体框架面的立柱和立柱之间利用长螺栓设置若干矩形大钢板；将长螺杆的螺栓头安装在螺栓安装凹槽内；该长螺栓的螺杆部分伸出在螺栓安装凹槽之外；水平夹角α倾斜的矩形大钢板两端的矩形螺栓孔、弧形螺栓孔套装在这些长螺栓的螺杆上；安装螺帽将矩形大钢板设置在立柱和立柱之间的预定位置上；

至少在相邻的两块矩形大钢板之间设置至少一排相邻紧密排列的小矩形钢板；将每个小矩形钢板连接螺栓孔和矩形大钢板连接螺栓孔对齐后，利用连接螺栓从外侧将每块小矩形钢板紧密相邻排列的安装在矩形大钢板之间；每块小矩形钢板的手柄均位于外侧。

上述技术方案中，矩形大钢板的长宽比大于5；小矩形钢板的长宽比在0.8～1.2之间，且小矩形钢板的短边和矩形大钢板的短边的比例在0.5～2之间。

上述技术方案中，所述的刀盘通过中心的转轴及周围的多个微型千斤顶设置在机器人机身的端头部位；