单颗粒煤矸冲击振动试验装置及其应用的制作方法

本发明涉及一种单颗粒煤矸冲击振动试验装置及其应用，属于煤矿开采技术领域。

背景技术：

煤炭在我国能源中处于主导地位，关乎国民工业和农业的发展，在整个国民经济中具有举足轻重的地位。煤炭开采技术的发展是提高煤炭开采率的重要措施，是提高煤炭产量的重要手段。同时，煤炭开采自动化有利于改善工人劳动条件，降低人身伤亡事故，提高劳动生产效率。厚煤层约占我国煤炭总储量的44.8％。每年近30亿吨煤炭中的相当一部分是采用放顶煤的方法开采出来，因此放顶煤技术的研究和推广对我国煤炭工业的发展具有特别重要的意义。目前在综采自动化放顶煤开采过程中，顶煤放落主要是依靠人工目测来判断控制，由于采煤工作面灰尘大，条件恶劣，带来现场操作工人安全问题，且人工难以准确判断顶煤放落程度，不可避免地导致放煤过程的过放状况和欠放状况，如何根据煤炭放落程度确定放煤口放煤时间是综采放顶煤开采过程中遇到的难题。随着采煤工作面产量增加，需要提高液压支架移架速度，手动控制放煤口启闭的方法已不再适用电液放顶煤支架操作需要。煤矸界面的自动识别是实现自动控制放煤口启闭和放顶煤开采自动化的基础，它因此成为了煤炭生产过程中的一项基础性课题。

现阶段放顶煤开采过程中煤矸自动识别方法的研究多在射线识别和图像识别领域，其识别效率较低，现场干扰因素较大。煤与矸石虽都属于岩石，但是其物理属性相差较大，落煤过程中冲击液压支架时会产生不同的振动响应信号，若以这些振动响应信号为基础，采取科学的方法将其分辨出来并加以利用，可为放顶煤开采中的煤矸识别提供一种新思路。近几年，国内部分学者开展了基于尾梁振动信号的煤矸界面识别方法研究，取得了很有效的成果，通过对信号处理和特征提取，已能在实验室中较准确地识别煤矸界面，但是离实际工程应用还有很大的差距，识别方法也并不完善。同时，由于相关理论的缺失，严重制约了基于数据分析进行放顶煤开采煤矸识别的理论发展与煤矸识别技术的实际应用。为清晰地了解在各种现场条件下信号产生的本质原因及真实传播规律，在研究过程中，需要对岩石与煤冲击尾梁时的振动特征进行定量分析，但是现阶段缺乏合理的实验装置，用以验证和辅助研究。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种单颗粒煤矸冲击振动试验装置。

本发明还提供上述单颗粒煤矸冲击振动试验装置的使用方法。

本发明的技术方案如下：

单颗粒煤矸冲击振动试验装置，包括由下而上依次设置的振动台、门架及牵拉装置，所述门架上设置有落煤装置和触发装置，所述牵拉装置与落煤装置连接，通过牵拉装置拉放落煤装置实现落煤装置在门架上的升降，当落煤装置向上升起与触发装置接触时，触发装置打开落煤装置使落煤装置内的试样下落，下落的试样砸在振动台上完成冲击振动试验。本发明试验装置，事先将试样放置在落煤装置上，再通过牵拉装置将落煤装置拉升到试验高度，触发装置触动落煤装置上的开关使试样落下，下落后的试样砸在振动台上，通过获取下落试样及砸落后振动台的各项参数来进行后续的数据分析。

优选的，所述振动台的底部设有一t型台。此设计的好处在于，设置一个宽大的t型台，能够增加整个试验装置的稳定性，确保后续试验过程中各项参数的准确性。

优选的，所述t型台上并排开设有多条t形槽；所述振动台包括基座和设置在基座上的振动板，基座的底端设有t形脚，振动台通过t形脚卡入t形槽安装在t型台上。此设计的好处在于，通过将t形脚卡入不同位置的t形槽，可以调整振动台在t型台上的位置，使上端落煤口对正振动板不同位置，用以研究不同的撞击位置下振动板的振动情况。

优选的，所述基座的顶部设置有螺杆，振动板贯穿螺杆后通过螺母锁紧在基座顶部，振动板的底部安装有振动传感器，振动板的一侧安装有高速摄像机。此设计的好处在于，振动传感器用于收集振动板振动产生的信号并将其传到传感器终端，具有测取位移和加速度的功能，高速摄像机用于对掉落的煤块试样冲击及回弹时进行连续拍照，用于获得球块的冲击损伤情况、位移、速度数据。

优选的，所述振动板为全约束板，振动板的一侧通过螺杆螺母组合固定在基座顶部，振动板的另一侧底部焊接有空心圆柱，空心圆柱贯穿于螺杆上并通过螺母将振动板锁紧。此设计的好处在于，通过选择不同高度的空心圆柱，与螺杆螺母相配合既可以实现对振动板的全约束，又可以实现振动板与基座顶面不同夹角的倾斜，用于测试不同的岩石试样冲击角度下，振动板的振动响应。

优选的，所述振动板为半悬浮板，振动板的一侧通过两个螺杆螺母组合固定安装在基座的顶部，振动板的另一侧悬空，振动板与基座顶面的夹角为0-60°。此设计的好处在于，振动板用半悬浮方式约束，即振动板有一侧悬空不固定，可用于测试不同的边界条件下，即振动板不同的约束型式下振动板所产生的不同响应。

优选的，所述门架包括两侧竖直固定杆、两根圆柱形导轨和上顶板，所述两根圆柱形导轨位于两侧竖直固定杆之间，两侧竖直固定杆和两根圆柱形导轨的顶端均与上顶板固定连接，两侧竖直固定杆的底端通过底面固定块安装在t型台上，两根圆柱形导轨的底端固定安装在两侧竖直固定杆内侧设置的侧向固定块上。

进一步优选的，所述两侧竖直固定杆分别连接有三块加固板，三块加固板间隔90°布置，三块加固板的底部固定安装在一固定板上，固定板通过螺栓固定安装在t型台上。此设计的好处在于，在两侧竖直固定杆的周围架设三块加固板，固定板用于增大试验装置外部支撑面积，以此来增强整个试验装置的稳定性。

优选的，所述触发装置为刻度卡，刻度卡套装在两侧竖直固定杆和两根圆柱形导轨上并通过紧固螺栓固定在两侧竖直固定杆上，两侧竖直固定杆的内侧壁上设置有高度刻度值。此设计的好处在于，刻度卡可以在两根圆柱形导轨上上下滑动来调节刻度卡的试验高度，调节到某一试验高度后通过两侧的紧固螺栓拧紧固定刻度卡在两侧竖直固定杆上。

优选的，所述落煤装置包括滑板，滑板的上顶面设置有提升架，提升架的中间位置处开设有下落口，下落口的前后两侧对称设置有滑杆固定块，滑杆固定块上贯穿有导杆，导杆的一端套设有弹簧并通过螺母锁紧，导杆的另一端铰接一小滑块，小滑块嵌入在一转动板内；滑杆固定块的内侧设置有杠杆座，杠杆座的顶端铰接一转杆，转杆的一端铰接一下压杆，下压杆插入滑杆固定块内且下压杆底端卡入导杆上开设的凹槽内；下落口的左右两侧设置有固定挡板，两个固定挡板的底端连接有磁铁，转动板位于两个固定挡板之间且转动板的顶端通过长螺栓与固定挡板连接。

优选的，所述牵拉装置包括滑轮和牵引绳，滑轮安装在上顶板上，牵引绳绕接滑轮后依次穿过上顶板、刻度卡与提升架顶端固定连接。

优选的，所述下落口的下方连接有导向套，导向套的顶端通过螺栓安装在滑板下底面。此设计的好处在于，当转动板释放试样后，试样通过下落口从导向套垂直下落，导向套主要起辅助导向作用，尺寸略大于试样，使煤等试样能沿导向套垂直下落，目的是重复试验使试样冲击到振动板时，尽可能落在同一位置或偏离值尽可能小，并且尽量减小煤下落时产生的切向速度。

单颗粒煤矸冲击振动试验装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将刻度卡滑动至试验要求的高度，并通过刻度卡两侧的紧固螺栓拧紧将刻度卡固定在两侧竖直固定杆上；

(2)下放落煤装置至人可操作位置处，试验人员将两侧导杆向内推进，两个转动板呈现坡字形口，同时将弹簧压缩，当下压杆底端卡入导杆上的凹槽内时下压杆卡住导杆不动，然后再将试样放入两转动板呈现的坡字形口；

(3)拉动牵引绳使落煤装置向上升起，当落煤装置上的转杆触碰到刻度卡时，转杆带动下压杆从滑杆固定块内上滑，下压杆的底端脱离导杆上的凹槽，导杆被释放，在弹簧弹性回复力的作用下，导杆向外伸出带动转动板转动，此时两个转动板呈现的坡字形口被打开，试样下落；

(4)试样垂直下落，当试样砸落到振动板上时，高速摄像机捕捉试样砸落振动板瞬间的影像，振动板底部的位移、加速度传感器收集振动板振动产生的信号，完成冲击振动试验。

优选的，所述使用方法还包括步骤(5)：通过调整刻度卡在两侧竖直固定杆上的位置高度、振动板的不同约束型式以及振动板与基座上顶面的倾斜角度，进行不同试验条件下的冲击振动试验。

本发明的有益效果在于：

1.利用本发明基于放顶煤液压支架尾梁振动而设计的煤矸识别冲击试验装置，利用振动板代替尾梁，并设计了一套实现自动落煤的机构，落料时产生的误差小，产生的信号准确度高、震动幅度明显，可检测单颗粒的煤、矸等试验试样在冲击振动板时产生的冲击振动。

2.本发明既可以通过监测获取振动板的振动信号来研究煤矸识别，也可以通过高速摄像机获取岩石的冲击回弹工况来研究煤矸识别，提供了两种识别监测方式，操作便利，易获取准确的响应信号。

3.本装置可以完成单颗粒煤矸在各种不同条件下产生冲击振动试验，提取单颗粒煤矸冲击时的信号进行定量研究分析。

4.本发明岩石冲击煤矸识别检测装置结构设计巧妙，搭建方便，受外界环境干扰小，试验可行性高，具有极高的推广价值。

附图说明

图1为本发明单颗粒煤矸冲击振动试验装置的立体图；

图2为本发明中落煤装置的结构示意图；

图3为本发明中落煤装置的仰视结构示意图；

图4为本发明中滑块组件的结构示意图；

图5为本发明中振动台结构示意图；

图6为本发明中落煤装置v字型口结构示意图；

图7为本发明中落煤装置放料时的结构示意图；

图8为本发明中下压杆卡进导杆时的结构示意图；

图9为本发明中下压杆弹出导杆时的结构示意图；

图10为本发明中落煤装置处于低位时的结构示意图；

图11为本发明中落煤装置处于高位时的结构示意图；

图12为本发明中振动板10°倾斜角下振动台的结构示意图；

图13为本发明中振动板40°倾斜角下振动台的结构示意图；

图14为本发明中振动板一侧悬空时的结构示意图；

其中，1、t型台；2、固定板；3、振动台；4、加固板；5、底面固定块；6、侧向固定块；7、振动板；8、竖直固定杆；9、圆柱形导轨；10、落煤装置；11、上顶板；12、刻度卡；13、牵引绳；14、滑轮；15、滑块组件；16、磁铁；17、固定挡板；18、导向套；19、弹簧；20、导杆；21、滑杆固定块；22、下压杆；23、转杆；24、小滑块；25、转动板；26、杠杆座；27、夹块；28、螺杆；29、振动传感器；30、高速摄像机底架；31、高速摄像机；32、螺母；33、试样；34、提升架；35、滑板；36、滑套；37、基座；38、空心圆柱。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本实施例提供一种单颗粒煤矸冲击振动试验装置，包括由下而上依次设置的振动台3、门架及牵拉装置，门架上安装有落煤装置10和触发装置，牵拉装置与落煤装置10连接，通过牵拉装置拉放落煤装置10实现落煤装置10在门架上的升降，当落煤装置10向上升起与触发装置接触时，触发装置打开落煤装置10使落煤装置内的试样33下落，下落的试样33砸在振动台3上完成冲击振动试验。

本实施例中，振动台3的底部连接有一t型台1，t型台1横向上并排开设有七条t形槽；振动台3包括基座37和安装在基座上端的振动板7，基座37的底端设有t形脚，振动台3通过t形脚卡入t形槽安装在t型台上。通过将t形脚卡入不同位置的t形槽，可以调整振动台在t型台上的位置，使上端落煤口对正振动板不同位置，用以研究不同的撞击位置下振动板的振动情况；同时设置一个宽大的t型台能够增加整个试验装置的稳定性，确保后续试验过程中各项参数的准确性。

其中，基座37的顶部四个角位处焊接有四个螺杆28，相应地振动板7的四个角位处开设有通孔，振动板7的通孔贯穿螺杆28后通过螺母32锁紧在基座顶部，此时振动板7为全约束的平面板，振动板7的底部安装有振动传感器29，振动板7的一侧安装有高速摄像机31，高速摄像机31放置在高速摄像机底架30上并与振动板平齐，高速摄像机底架30同样安装在t型台1上。振动传感器用于收集振动板振动产生的信号并将其传到传感器终端，具有测取位移和加速度的功能，高速摄像机用于对掉落的煤块试样冲击及回弹时进行连续拍照，用于获得球块的冲击损伤情况、位移、速度数据。振动传感器与高速摄像机独立工作，测得的数据导入终端的计算机中，由计算机进行数据处理，得到相关图像数据。

门架包括两侧竖直固定杆8、两根圆柱形导轨9和上顶板11，两根圆柱形导轨9位于两侧竖直固定杆8之间，两侧竖直固定杆8和两根圆柱形导轨9的顶端均与上顶板11固定连接，两侧竖直固定杆8的底端通过底面固定块5安装在t型台1上，两根圆柱形导轨9的底端固定安装在两侧竖直固定杆8内侧焊接的侧向固定块6上。两侧竖直固定杆8分别连接有三块加固板4，三块加固板4间隔90°布置(前、后和一侧各一个)，三块加固板4的底部固定安装在一固定板2上，固定板2为一板框结构，加固板4的底部通过螺栓安装在固定板2边框上，固定板2又通过t型螺栓固定连接于t型台1的t形槽上。在两侧竖直固定杆的周围架设三块加固板，固定板用于增大试验装置外部支撑面积，以此来增强整个试验装置的稳定性。

触发装置为刻度卡12，刻度卡12套装在两侧竖直固定杆8和两根圆柱形导轨9上并通过紧固螺栓固定在两侧竖直固定杆8上，两侧竖直固定杆8的内侧壁上标注有高度刻度值。刻度卡12可以在两根圆柱形导轨9上上下滑动来调节刻度卡的试验高度，调节到某一试验高度后通过两侧的紧固螺栓拧紧固定刻度卡12在两侧竖直固定杆8上，以此来调节试样不同的下落高度。

落煤装置10包括滑板35，滑板35的上顶面设置有提升架34，提升架34中间位置处的滑板35上开设有下落口，下落口的前后两侧对称竖直安装有滑杆固定块21，滑杆固定块21上贯穿有导杆20，导杆20的一端套设有弹簧19并通过螺母锁紧，导杆20的另一端铰接一小滑块24，小滑块24嵌入在一转动板25内；滑杆固定块21的内侧设置有杠杆座26，杠杆座26的顶端铰接一转杆23，转杆23的一端铰接一下压杆22，下压杆22插入滑杆固定块21内且下压杆22底端卡入导杆20上开设的凹槽内；下落口的左右两侧设置有固定挡板17，两个固定挡板17的底端连接有磁铁16，转动板25位于两个固定挡板17之间且转动板25的顶端通过长螺栓与固定挡板17连接，转动板25为钢铁材质，当转动板25转动至与磁铁16相接触时，转动板25吸附在磁铁16上，防止其在惯性作用下的往复运动。

牵拉装置包括滑轮14和牵引绳13，滑轮14安装在上顶板上，牵引绳13绕接滑轮14后依次穿过上顶板、刻度卡12与提升架34顶端的夹块27固定连接。

实施例2：

一种单颗粒煤矸冲击振动试验装置，结构如实施例1所述，其不同之处在于：振动板7为全约束的斜面板，振动板7低的一侧通过螺杆螺母组合固定在基座37顶部，振动板7高的一侧底部焊接有空心圆柱38，空心圆柱38贯穿于螺杆上并通过螺母将振动板7锁紧。通过选择不同高度的空心圆柱，与螺杆螺母相配合既可以实现对振动板的全约束，又可以实现振动板与基座顶面不同夹角的倾斜，用于测试不同的岩石试样冲击角度下，振动板的振动响应。

实施例3：

一种单颗粒煤矸冲击振动试验装置，结构如实施例1所述，其不同之处在于：振动板7为半约束的悬浮板，振动板7的一侧通过两个螺杆螺母组合固定安装在基座37的顶部，振动板7的另一侧悬空，振动板7与基座37顶面的夹角为0-60°，此时振动板7既可以为半约束的平面板，也可以为半约束的斜面板。振动板用半悬浮方式约束，即振动板有一侧悬空不固定，可用于测试不同的边界条件下，即振动板不同的约束型式下振动板所产生的不同响应。

实施例4：

一种单颗粒煤矸冲击振动试验装置，结构如实施例1或实施例2所述，其不同之处在于：在振动板7和基座37之间加设阻尼弹簧，即在振动板7和基座37之间连接的螺杆28上套装不同参数的阻尼弹簧，同时替代下空心圆柱，以进行不同阻尼形式下的冲击振动试验。

实施例5：

一种单颗粒煤矸冲击振动试验装置，结构如实施例1所述，其不同之处在于：下落口的下方连接有导向套18，导向套18的顶端通过螺栓安装在滑板35下底面。当转动板释放试样后，试样通过下落口从导向套垂直下落，导向套主要起辅助导向作用，尺寸略大于试样，使煤等试样能沿导向套垂直下落，目的是重复试验使试样冲击到振动板时，尽可能落在同一位置或偏离值尽可能小，并且尽量减小煤下落时产生的切向速度。

实施例6：

一种单颗粒煤矸冲击振动试验装置的使用方法，其中试验装置可采用实施例1至实施例5所述的任一技术方案，具体操作步骤如下：

(1)将刻度卡12滑动至试验要求的高度，并通过刻度卡12两侧的紧固螺栓拧紧将刻度卡12固定在两侧竖直固定杆8上；

(2)松开牵引绳13，下放落煤装置10至人可操作位置处，试验人员将两侧导杆20向内推进，两个转动板25呈现坡字形口，同时将弹簧19压缩，当下压杆22底端卡入导杆20上的凹槽内时下压杆22卡住导杆20不动，然后再将单颗粒煤矸试样33放入两转动板25呈现的坡字形口内；

(3)拉动牵引绳13使落煤装置10向上升起，当落煤装置10上的转杆23触碰到刻度卡12时，转杆23带动下压杆22从滑杆固定块21内上滑，下压杆22的底端脱离导杆20上的凹槽，导杆20被释放，在弹簧19弹性回复力的作用下，导杆20向外伸出带动转动板25转动，此时两个转动板25呈现的坡字形口被打开，试样33下落；转动板25转动至与磁铁16相接触时，转动板25被吸附住，有效防止转动板25因回弹反转等动作影响试样33的正常下落，也减小了对落煤装置10的冲击；

(4)试样33垂直下落，当试样33砸落到振动板7上时，高速摄像机31捕捉试样33砸落振动板7瞬间的影像，振动板7底部的振动传感器29收集振动板7振动产生的信号，完成冲击振动试验。

后续通过调整刻度卡12在两侧竖直固定杆8上的位置高度、振动板7不同的约束型式以及振动板7与基座37上顶面的倾斜角度，进行不同试验条件下的冲击振动试验。