本发明涉及非煤矿山地下开采领域，尤其涉及一种冲击气浪试验模拟系统。
背景技术：
目前，在采用崩落法开采的地下矿山中，随着开采过程自上而下推进以及同一分段开采范围的不断扩大，采场面积与高度不断扩大，形成的采空区体积也在不断扩大。对于稳固程度较好的采空区顶板，在开采初期(采空区面积和体积较小时)没有明显的位移现象，但随着顶板面积和体积的不断增大，顶板承重本身自重和上部岩体压力的能力越来越差，一旦受到外界的干扰或达到极限暴露面积时，大面积的顶板在较短时间内垮落，由于重力作用产生严重的冲击破坏，同时把采空区的空气瞬间排出，形成冲击气浪。如果在采空区与出矿进路之间缺少足够厚度的覆盖岩层，冲击气浪将对井下设备和人员造成极大的威胁。
因此充分认识并研究不同条件下覆盖岩层对冲击气浪的阻碍作用，对于调整矿山的结构参数、改进采矿工艺、形成科学合理安全的覆盖岩层具有重要的意义。
目前，现有的采空区顶板冒落气浪冲击试验中可调节参数单一，不能够系统的体现出采空区顶板的冒落形式、冒落强度以及覆盖岩层对气浪冲击的阻碍作用，不利于对气浪冲击试验的科学系统的研究。
本
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
为了系统的研究采空区顶板的冒落形式、冒落强度以及覆盖岩层对气浪冲击的阻碍作用，本发明提供一种冲击气浪试验模拟系统。
(二)技术方案
为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种冲击气浪试验模拟系统，包括：自上而下依次设置的气体推动装置、气浪产生装置和气浪流速测量装置；所述气体推动装置用于模拟不同条件下采空区顶板的冒落形式以及冒落强度；所述气浪产生装置用于表现不同采场的结构以及覆盖岩层的性质；所述气浪流速测量装置用来定量测量所述实验模拟系统产生的冲击气浪的强度。
进一步的，所述气体推动装置包括：起重设备、夹持设备、重盘、重盘托架和吊架；所述起重设备与所述吊架的顶部相连接，所述夹持设备与所述起重设备的下端连接；所述夹持设备用于对所述重盘托架的夹持与释放；所述重盘套设在所述重盘托架上；所述吊架底部设置有若干滑轮。
更进一步的，所述重盘托架包括连接轴、底部圆盘和第一横梁；所述底部圆盘通过连接轴与第一横梁连接，所述重盘通过连接轴固定在所述重盘托架上。
更进一步的，所述重盘、所述底部圆盘和所述第一横梁的中心部位均设有导向孔；所述底部圆盘和所述重盘均为圆盘形，所述重盘的直径小于所述底部圆盘的直径。
进一步的，所述气体产生装置包括：外筒、导向机构和工作平台；所述导向机构位于竖直放置的所述外筒上部，并与所述外筒相连接；所述工作平台位于所述外筒的一侧；所述外筒外侧壁上从上向下依次设置有安装口、散体装入口和气浪冲出口；所述外筒内部底部设置有缓冲装置。
更进一步的，所述导向机构包括：导向杆、导向杆固定架和第二横梁；所述导向杆竖直安装于所述外筒的底部，并与所述外筒的轴线重合；所述导向杆的高度高于所述外筒的高度；所述导向杆固定架安装于所述外筒外壁上，所述第二横梁安装于所述导向杆固定架的顶端上；所述第二横梁的中心设置有通孔；所述通孔的可以让所述导向杆的通过。
更进一步的，所述导向孔可以让所述导向杆通过；所述底部圆盘的直径小于所述外筒的内直径。
进一步的，所述气浪流速测量装置包括：底座、探针、风速计和计算机；所述探针安装于所述底座上，所述探针通过所述风速计与所述计算机相连接。
更进一步的，所述探针位于所述气浪冲出口的正前方。
一种冲击气浪试验的方法，包括如下步骤：
1)根据待模拟覆盖岩层性质将一定厚度和级配的散体装入一外筒密封，在所述外筒的气流冲出口设置探针；
2)按照待模拟采空区顶板的冒落强度选择一重盘，并将所述重盘装入一重盘托架内固定；
3)将所述重盘托架穿过导向杆，下放所述重盘托架，并使所述重盘托架落入所述外筒一定深度内；
4)启动夹持设备开关，使所述重盘托架和所述重盘以自由落体形式下落，下落过程中，所述外筒内气体一部分从所述重盘托架与所述外筒之间的间隙冲出，一部分从所述气浪冲出口冲出，所述探针和风速计可监测冲击气浪的速度，并将数据传输至所述计算机；
5)启动起重设备，将所述重盘托架提升出所述外筒，然后将所述散体从所述气流冲出口放出，试验结束。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的一种冲击气浪试验模拟系统，通过气体推动装置来模拟不同条件下采空区顶板的冒落形式以及冒落强度，通过气浪产生装置来表现不同采场的结构以及覆盖岩层的性质，通过气浪流速测量装置来定量测量所述实验模拟系统产生的冲击气浪的强度，从而实现了对采空区顶板的冒落形式、冒落强度以及覆盖岩层对气浪冲击的阻碍作用的系统研究，同时可以分析研究不同冲击气浪对井下设备和工作人员造成的影响；
采用气体推动装置配合气浪产生装置实现了模拟采空区顶板冒落的整个过程；
同时，导向机构的设置，使得重盘下落过程中可以持续保持平稳。
附图说明
图1为本发明实施例提供的冲击气浪试验模拟系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的气体推动装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的重盘与重盘托架的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的气浪产生装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的气浪流速测量装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的冲击气浪试验方法的流程图。
【附图标记说明】
1：电葫芦；2：液压夹具；3：重盘；4：重盘托架；5：导向杆固定架；6：导向杆；7：工作平台；8：吊架；9：钢桶；10：导向孔；11：散体垫层；12：导向杆固定横梁；13：探针；14：磁性底座；15：热线热膜风速计；16：计算机；
41：底部圆盘；42：连接轴；43：重盘托架横梁；
91：导向杆安装口；92：散体装入口；93：气浪冲出口；94：缓冲垫。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示的一种冲击气浪试验模拟系统，包括自上而下依次设置的气体推动装置、气浪产生装置和气浪流速测量装置；气体推动装置用于模拟不同条件下采空区顶板的冒落形式以及冒落强度；气浪产生装置用于表现不同采场的结构以及覆盖岩层的性质；气浪流速测量装置用来定量测量实验模拟系统产生的冲击气浪的强度。
气体推动装置包括：起重设备、夹持设备、重盘3、重盘托架4和吊架8，本实施例中起重设备为电葫芦1，夹持设备采用的液压夹具2。如图2所示的气体推动装置连接关系为：电葫芦1与吊架8的顶部相连接，液压夹具2与电葫芦1的下端连接；通过液压夹具2的开关来控制液压夹具2与重盘托架4的夹持与释放；重盘3套设在重盘托架4上；本实施例中吊架8为三棱柱形，特别说明的是，本发明的吊架8不局限于三棱柱形状，吊架8底部设置有三个滑轮。
重盘托架4包括连接轴42、底部圆盘41和第一横梁。本实施例中，第一横梁为重盘托架横梁43，如图3所示，底部圆盘41上设置有两根连接轴41，两根连接轴41距离底部圆盘41圆心的距离相等，且两根连接轴41的连线通过底部圆盘41的圆心，底部圆盘41通过连接轴42和重盘托架横梁43连接；重盘3上设置有若干圆孔，圆孔的直径大于连接轴42的直径，将重盘3放置在重盘托架4上时，将重盘3的圆孔穿过连接轴41，从而使圆盘3固定在重盘托架4上。
同时，重盘3、底部圆盘41和重盘托架横梁43的中心部位均设有导向孔10；底部圆盘41和重盘3均为圆盘形，重盘3的直径小于底部圆盘41的直径。
气体产生装置包括：外筒、导向机构和工作平台7，本实施例中外筒选用的钢桶9。如图4所示，导向机构位于竖直放置的钢桶9上部，并与钢桶9相连接；工作平台7位于钢桶9的一侧；钢桶9外侧壁上从上向下依次设置有导向杆安装口91、散体装入口92和气浪冲出口93；钢桶9内部底部设置有缓冲装置，本实施例中的缓冲装置为缓冲垫94；缓冲装置上设置有散体垫层11。
导向机构包括：导向杆6、导向杆固定架5和第二横梁，本实施例中第二横梁即导向杆固定横梁12。如图4所示，导向杆6竖直安装于钢桶9的底部，并与钢桶9的轴线重合；导向杆6的高度高于钢桶9的高度；导向杆固定横梁12的长度与钢桶9的外直径相同，导向杆固定架5安装于钢筒9外壁上，导向杆固定横梁12安装于导向杆固定架5的顶端上；导向杆固定横梁12中心设置有可以让导向杆6通过的通孔。导向杆6、导向杆固定架5和导向杆固定横梁12的相互配合可实现重盘3的平稳下落。
本实施例中导向杆6包括第一短杆、第二短杆和第三短杆，第一短杆的一端和第三短杆的一端分别和第二短杆的两端相连接，短杆之间通过螺纹连接。
本实施例中导向孔10为圆形，特别说明的是，本发明的导向孔不局限于圆形，也可以是方形、菱形等；相应的，本实施例中导向杆6为圆柱体，特别说明的是，本发明的导向杆6不局限于圆柱体。
本实施例中导向孔10的直径大于导向杆6的直径；底部圆盘41的直径小于钢桶9的内直径。
气浪流速测量装置包括：底座、探针13、风速计和计算机16；本实施例中，底座采用的是磁性底座14，风速计采用的是热线热膜风速计15。如图5所示，探针13位于气浪冲出口93的正前方，探针13安装于磁性底座14上，探针13通过热线热膜风速计15与计算机16相连接。图6为本发明实施例提供的冲击气浪试验方法的流程图。
一种冲击气浪试验模拟系统的操作方法，包括如下步骤：
1)根据覆盖岩层性质将一定厚度和级配的散体从散体装入口92装入钢桶9形成散体垫层11，然后将散体装入口92用弧形钢板加橡胶垫密封，再然后通过导向杆安装口91将三根短杆安装好，形成导向杆6；
2)按照待模拟采空区顶板的冒落强度将重盘3装入重盘托架4并紧固；
3)移动吊架8，启动电葫芦1下放液压夹具2，使液压夹具2夹紧重盘托架4，启动电葫芦1将重盘托架4提升至钢桶9上方(此时导向杆固定架上横梁12还未安装)；
4)移动吊架8使重盘托架4导向孔10与导向杆6对中，下放重盘托架4，使导向杆6穿过导向孔10并出露一定长度(导向杆6与重盘托架4之间采用密封轴承密封)，并使重盘托架落4入钢桶9内部一定深度，将导向杆固定横梁12安装于导向杆固定架5上；
5)启动液压夹具2开关，使重盘托架4和重盘3以自由落体形式下落，下落过程中，钢桶9内气体一部分从重盘托架4与钢桶9之间的间隙冲出，一部分从钢桶9底部气浪冲出口93冲出，在气浪冲出口93设的探针13(探针依据采场现状布置)以及热线热膜风速计15可监测冲击气浪的速度；
6)将导向杆固横梁12拆卸；打开导向杆安装口91，将导向杆6上两段拆卸；下放液压夹具2，从导向杆安装口10用液压夹具2将重盘托架4夹紧，启动电葫芦1，将重盘托架4提升到导向杆固定架5上部；移动吊架8使重盘托架4离开钢桶9范围，下放重盘托架4到地面；
7)将散体垫层11从气浪冲出口93放出，试验结束。
试验中通过调节重盘3的质量、重盘3与钢桶9桶壁间隙和降落高度能够模拟不同规模的顶板冒落强度和冒落形式，钢桶9内装入的散体垫层11能够模拟不同性质的覆盖岩层，通过改变散体垫层11的性质和钢桶9底部气浪冲出口93尺寸可以测得不同条件下产生的冲击气浪以及分析研究不同冲击气浪对井下设备和工作人员造成的影响。
在不冲突的情况下，上述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。