CN108898909A - 一种实验室教学用煤田承压含水层模拟装置 - Google Patents

一种实验室教学用煤田承压含水层模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，包括模拟架(1)和设置在其中的煤层(2)和其他多个岩层，在所述煤层(2)上方设置有含水层(3)，在所述含水层(3)中设置有含水层模拟系统(4)，所述模拟架(1)为长方体结构，在其内部的底部设置有复合土工排水体(901)，在所述模拟架(1)的底部设置有多个渗水孔(902)，在所述模拟架(1)的底部的外侧设置有渗透水箱(903)，覆盖所有的所述渗水孔(902)，在所述渗透水箱(903)上设置有控压阀(904)。本发明实验室教学用煤田承压含水层模拟装置具有高度仿真，精确度高，充分考虑实际生产影响要素，成本低廉以及大大降低人工劳动力的优点。

Description

一种实验室教学用煤田承压含水层模拟装置
技术领域
本发明涉及煤矿及教育领域，特别是涉及一种实验室教学用煤田承压含水层模拟装置。
背景技术
相似材料模型实验技术自上世纪30年代创立以来，被用来解决了很多矿山开采问题，发展至现在，这项技术已成为国内外矿业界的作为研究矿山开采问题的一种重要的研究手段，相似模拟试验又分为平面相似试验和三维相似模拟试验。平面模型被用来研究矿山开采过程中采场裂隙演化规律、采场上覆岩层“三带”形成规律以及巷道支护等问题，但是平面相似模型及其边界条件作了很大的简化，模拟结果往往也与实际情况存在着一定差异，而三维相似模型可以更加真实模拟现场，因此三维相似模型实验逐渐发展起来。多年以来，三维相似模拟试验在矿山中也得到了广泛应用，解决很多工程问题。
论文《水采采场上覆岩层运动规律的三维相似模拟试验研究》，应用三维相似模拟试验对水采采场上覆岩层移动规律进行模拟，申请号：201520494665.2，设计了一种能模拟近距煤层重复开采覆岩导水裂隙发育情况的近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，申请号：201720062903.1，设计了三维固液耦合相似模拟实验的模拟箱等，以上的设计对于三维相似模拟实验的功能和适用范围都做了很好的尝试和改进，但是针对整个含水层上采煤的相似模拟，他的影响因素应该是跟实际生产中影响因素一样的复杂且繁多，因为是相似模拟，力求的就是需要跟实际生产中一样，本文针对实际中遇到的含水层上采煤的各种因素高度仿真，对三维相似模拟架，三维含水层模拟系统的设计，和三维模拟下裂隙的制作等都展开了新的研究，使其更仿真，且针对实际中生产的复杂性，采用智能化的铺料等辅助环节，在不影响结果的情况下大幅度降低实验成本和人力强度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置。
一种实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，包括模拟架和设置在其中的煤层和其他多个岩层，在所述煤层上方设置有含水层，在所述含水层中设置有含水层模拟系统，所述含水层模拟系统包括矩形的水袋，所述水袋的顶板和底板为高强度的塑胶板，四周为高强度的塑胶片，所述水袋的左右两侧分别连接有第一智能控压水箱和第二智能控压水箱，在所述水袋的底板上设置有多个喷水孔；
所述模拟架为长方体结构，在其内部的底部设置有复合土工排水体，在所述模拟架的底部设置有多个渗水孔，在所述模拟架的底部的外侧设置有渗透水箱，覆盖所有的所述渗水孔，在所述渗透水箱上设置有控压阀。
本发明所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其中，所述喷水孔从前到后共7排，每排的中部均设置在所述水袋的长度方向的中线上，第1排和第7排的所述喷水孔的个数为30，第2排和第6排的所述喷水孔的个数为20，第3排～第5排的所述喷水孔的个数为10，所述喷水孔的直径为2mm；
所述水袋的长宽高分别为5000mm、1500mm和16mm，所述塑胶板的厚度为3mm，所述水袋的内部空腔的高度为10mm，所述第一智能控压水箱进水，压力区间为0-4.5MPa，所述第二智能控压水箱出水，压力区间为0-3.5MPa，压力最大控制精度为0.1MPa。
本发明所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其中，在模拟开始时，所述水袋的内部装满石蜡并冷藏，固定成型，然后作为一层岩层铺设到预设的所述含水层的位置，设置在所述含水层的中部，四周用骨料铺设；
刚开始进水时，使用温度为45℃～60℃的水，慢慢融化石蜡并排除，所述第一智能控压水箱的压力比所述第二智能控压水箱大1.5MPa，2小时内逐步下降到0.5MPa的压差。
本发明所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其中，在所述煤层的下方100mm处设置有压力传感器，所述压力传感器的数量为36个，从前到后共3排，每排12个，右方向上相邻两个所述压力传感器之间的距离为800mm，前后方向上相邻两个所述压力传感器之间的距离为420mm。
本发明所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置还包括自动压实装置，所述自动压实装置包括分别固定在靠近所述模拟架四个角处的4个固定支柱和两个支撑杆，在所述固定支柱上设置有升降装置，前后两排所述升降装置分别固定一个所述支撑杆，在两个所述支撑杆的中间活动连接有一个垂直设置的固定杆，所述固定杆能够沿所述支撑杆左右滑动，在所述固定杆的下端连接有第一滚筒固定轴，所述第一滚筒固定轴的下端与伸缩杆连接，在所述伸缩杆的下端连接有第二滚筒固定轴，在所述第二滚筒固定轴上套设有抚料滚筒，与第二电机相连，所述抚料滚筒能够绕所述第二滚筒固定轴旋转，在所述抚料滚筒上沿其长度方向均匀设置有4排挡片。
本发明所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其中，所述抚料滚筒的直径为500mm，长度为1850mm，所述挡片的长宽厚分别为100mm、10mm和2mm，相邻两个所述挡片之间的间距为5mm；
所述固定支柱与所述模拟架水平方向上的距离为1000mm，前后方向上的距离为500mm；
所述伸缩杆调节高度，根据每一层的模拟高度，当压实完一层骨料时，自动上升到将要铺设的骨料高度，抚平骨料完成后，下降0.2倍的预设高度值，在抚平的骨料上压实，过程完全自动化，具体高度值根据模型之前计算的值，提前输入到电脑主机里。
本发明所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其中，在所述煤层的上方设置有3个包括裂隙的裂隙带，从下至上依次为第一裂隙带、第二裂隙带和第三裂隙带，长和宽依次为4000×1300mm、3000×900mm和2000×600mm。
本发明所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其中，所述裂隙采用裂隙预制装置制作而成，所述裂隙预制装置包括按压把手、底座和设置在二者之间的弹性夹层，所述按压把手为长方体，包括四个第一侧壁和顶板，所述底座为长方体，包括四个第二侧壁和底板，所述按压把手和所述底座之间通过多个弹性塑胶相连，且所述按压把手和所述底座之间具有一定的间隔，形成所述弹性夹层；所述裂隙预制装置包括多个裂隙制作部，所述裂隙制作部包括固定轴、助推刀片、裂隙刀片和滑道；
所述固定轴位于所述按压把手的内部，两端分别固定在位于前侧和后侧的所述第一侧壁上，所述滑道为长条形的中空结构，固定在所述底座内，所述滑道为两个，分别设置在所述固定轴的左右两侧，所述助推刀片为两个，上端连接在所述固定轴上，每个所述助推刀片的下端均连接有一个裂隙刀片，所述裂隙刀片贯穿在所述滑道中；
所述裂隙预制装置包括第一控制轴、第二控制轴、第三控制轴和第四控制轴，所述第一控制轴与所有的裂隙制作部的位于左侧的滑道的下端相连，所述第三控制轴与所有的裂隙制作部的位于左侧的滑道的上端相连，在所述底座的左侧设置有两个第一通孔，所述第一控制轴和所述第三控制轴的左端为螺纹结构，分别从两个所述第一通孔中穿出，在所述第一控制轴和所述第三控制轴的左端设置有螺母，所述第二控制轴与所有的裂隙制作部的位于右侧的滑道的下端相连，所述第四控制轴与所有的裂隙制作部的位于右侧的滑道的上端相连，在所述底座的右侧设置有两个第二通孔，所述第二控制轴和所述第四控制轴的右端为螺纹结构，分别从两个所述第二通孔中穿出，在所述第二控制轴和所述第四控制轴的右端设置有螺母；在所述底座的底板上设置有多个供所述裂隙刀片穿过的长条形通孔。
本发明所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其中，所述按压把手的所述顶板长为800mm，宽为200mm，厚为45mm，所述第一侧壁的高度为55mm，材质为塑料；所述底座的所述底板的长为800mm，宽为200mm，厚为200mm，所述第二侧壁的高度为15mm；所述弹性塑胶的高度为200mm，前后长度为200mm，左右宽为20mm，在10kg压力下压缩范围小于100mm；
所述助推刀片的上下长为140mm，厚为3mm，前后宽为200mm，所述裂隙刀片的上下长为300mm，厚为1.5mm，前后宽为200mm；所述滑道的长为150mm，壁厚为2mm，前后宽为200mm，中空的厚度为3.5mm；所述助推刀片、所述裂隙刀片和所述滑道的材质为铁；
所述第一控制轴、所述第二控制轴、所述第三控制轴和所述第四控制轴的所述螺纹结构的长度为30-100mm。
本发明所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其中，所述模拟架的长宽高分别为4000mm、2500mm和3000mm，所述渗水孔的设置方式为：
以所述模拟架底板的中心为圆心呈圆形分布，有多个同心圆，最小的圆直径为200mm，所述渗水孔数量为10个，以此往外每一个圆直径增加100mm，所述渗水孔数量增加2个，最外面的一个圆直径为2000mm，所述渗水孔数量为46个；
所述渗水孔的直径为2mm，所述渗透水箱为圆形，直径为2200mm；高度为120mm；所述复合土工排水体由高压聚乙烯挤压加工而成，两面具有不同的肋条和沟槽，其空隙率为80-95％，250KPa压力下，其压缩率低于10％。
本发明实验室教学用煤田承压含水层模拟装置与现有技术不同之处在于：
本发明实验室教学用煤田承压含水层模拟装置充分模拟了煤田开采过程中三维尺度上的应力应变以及覆岩的垮落过程；
本发明高度仿真的模拟了含水层的存在，可以模拟含水层在煤田开采过程中各种变化，更符合实际模拟需要；
本发明针对三维尺度上的相似模拟实验，设计了自动抚料和铺料的装置，使实验更精确，也大大降低人工劳动力；
本发明因为减少了人力，生产成本特别低廉。
下面结合附图对本发明的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置作进一步说明。
附图说明
图1为本发明实验室教学用煤田承压含水层模拟装置的结构示意图；
图2为本发明中含水层模拟系统的结构示意图；
图3为本发明中自动压实装置的结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为本发明中自动压式装置的抚料滚筒及其固定结构的结构示意图；
图6为本发明中抚料滚筒的结构示意图；
图7为本发明中裂隙预制装置的结构示意图；
图8为本发明中渗透水箱的结构示意图；
图9为本发明中渗水孔的布置图。
具体实施方式
如图1～图9所示，本发明可模拟含水层底板透水系数的三维相似模拟装置包括模拟架1和设置在其中的煤层2和其他多个岩层，在煤层2上方设置有含水层3，在含水层3中设置有含水层模拟系统4，含水层模拟系统4包括矩形的水袋401，水袋401的顶板和底板为高强度的塑胶板，四周为高强度的塑胶片，水袋401的左右两侧分别连接有第一智能控压水箱402和第二智能控压水箱403，在水袋401的底板上设置有多个喷水孔404。
模拟架1为长方体结构，在其内部的底部设置有复合土工排水体901，在模拟架1的底部设置有多个渗水孔902，在模拟架1的底部的外侧设置有渗透水箱903，覆盖所有的渗水孔902，在渗透水箱903上设置有控压阀904。
以下为优选技术方案：
喷水孔404从前到后共7排，每排的中部均设置在水袋401的长度方向的中线上，第1排和第7排的喷水孔404的个数为30，第2排和第6排的喷水孔404的个数为20，第3排～第5排的喷水孔404的个数为10，喷水孔404的直径为2mm；水袋401的长宽高分别为5000mm、1500mm和16mm，塑胶板的厚度为3mm，水袋401的内部空腔的高度为10mm，第一智能控压水箱402进水，压力区间为0-4.5MPa，第二智能控压水箱403出水，压力区间为0-3.5MPa，压力最大控制精度为0.1MPa。
在模拟开始时，水袋401的内部装满石蜡并冷藏，固定成型，然后作为一层岩层铺设到预设的含水层3的位置，设置在含水层3的中部，四周用骨料铺设；这样的设计可以保证排除液体水袋401的流动性，不影响模型的压实。刚开始进水时，使用温度为45℃～60℃的水，慢慢融化石蜡并排除，第一智能控压水箱402的压力比第二智能控压水箱403大1.5MPa，2小时内逐步下降到0.5MPa的压差。这样的流动性既可以排除融化的石蜡，而且可以模拟含水层3流动情况；
在煤层2的下方100mm处设置有压力传感器5，压力传感器5的数量为36个，从前到后共3排，每排12个，右方向上相邻两个压力传感器5之间的距离为800mm，前后方向上相邻两个压力传感器5之间的距离为420mm。
本发明还包括自动压实装置，自动压实装置包括分别固定在靠近模拟架1四个角处的4个固定支柱501和两个支撑杆502，在固定支柱501上设置有升降装置503，前后两排升降装置503分别固定一个支撑杆502，在两个支撑杆502的中间活动连接有一个垂直设置的固定杆504，固定杆504能够沿支撑杆502左右滑动，在固定杆504的下端连接有第一滚筒固定轴505，第一滚筒固定轴505的下端与伸缩杆506连接，在伸缩杆506的下端连接有第二滚筒固定轴507，在第二滚筒固定轴507上套设有抚料滚筒508，与第二电机相连，抚料滚筒508能够绕第二滚筒固定轴507旋转，在抚料滚筒508上沿其长度方向均匀设置有4排挡片509。
抚料滚筒508的直径为500mm，长度为1850mm，挡片509的长宽厚分别为100mm、10mm和2mm，相邻两个挡片509之间的间距为5mm；
固定支柱501与模拟架1水平方向上的距离为1000mm，前后方向上的距离为500mm；
升降装置503调节高度，伸缩杆506再进行微调，根据每一层的模拟高度，当压实完一层骨料时，自动上升到将要铺设的骨料高度，抚平骨料完成后，下降0.2倍的预设高度值，在抚平的骨料上压实，过程完全自动化，具体高度值根据模型之前计算的值，提前输入到电脑主机里。
在煤层2的上方设置有3个包括裂隙的裂隙带，从下至上依次为第一裂隙带、第二裂隙带和第三裂隙带，长和宽依次为4000×1300mm、3000×900mm和2000×600mm。
裂隙采用裂隙预制装置制作而成，裂隙预制装置包括按压把手601、底座602和设置在二者之间的弹性夹层，按压把手601为长方体，包括四个第一侧壁和顶板，底座602为长方体，包括四个第二侧壁和底板，按压把手601和底座602之间通过多个弹性塑胶603相连，且按压把手601和底座602之间具有一定的间隔，形成弹性夹层；裂隙预制装置包括多个裂隙制作部，裂隙制作部包括固定轴604、助推刀片605、裂隙刀片606和滑道607；
固定轴604位于按压把手601的内部，两端分别固定在位于前侧和后侧的第一侧壁上，滑道607为长条形的中空结构，固定在底座602内，滑道607为两个，分别设置在固定轴604的左右两侧，助推刀片605为两个，上端连接在固定轴604上，每个助推刀片605的下端均连接有一个裂隙刀片606，裂隙刀片606贯穿在滑道607中；
裂隙预制装置包括第一控制轴609、第二控制轴610、第三控制轴612和第四控制轴613，第一控制轴609与所有的裂隙制作部的位于左侧的滑道607的下端相连，第三控制轴612与所有的裂隙制作部的位于左侧的滑道607的上端相连，在底座602的左侧设置有两个第一通孔，第一控制轴609和第三控制轴612的左端为螺纹结构，分别从两个第一通孔中穿出，在第一控制轴609和第三控制轴612的左端设置有螺母611，第二控制轴610与所有的裂隙制作部的位于右侧的滑道607的下端相连，第四控制轴613与所有的裂隙制作部的位于右侧的滑道607的上端相连，在底座602的右侧设置有两个第二通孔，第二控制轴610和第四控制轴613的右端为螺纹结构，分别从两个第二通孔中穿出，在第二控制轴610和第四控制轴613的右端设置有螺母611；在底座602的底板上设置有多个供裂隙刀片606穿过的长条形通孔。
按压把手601的顶板长为800mm，宽为200mm，厚为45mm，第一侧壁的高度为55mm，材质为塑料；底座602的底板的长为800mm，宽为200mm，厚为200mm，第二侧壁的高度为15mm；弹性塑胶603的高度为200mm，前后长度为200mm，左右宽为20mm，在10kg压力下压缩范围小于100mm；
助推刀片605的上下长为140mm，厚为3mm，前后宽为200mm，助推刀片605可在按压把手601向下移动时，改变自身的角度，从而将裂隙刀片606压出而不改变裂隙刀片606的方向或者极其微小的改变角度但不影响使用；
裂隙刀片606的上下长为300mm，厚为1.5mm，前后宽为200mm；滑道607的长为150mm，壁厚为2mm，前后宽为200mm，中空的厚度为3.5mm；助推刀片605、裂隙刀片606和滑道607的材质为铁；
第一控制轴609、第二控制轴610、第三控制轴612和第四控制轴613的螺纹结构的长度为30-100mm。第一控制轴609控制偏向左侧的滑道607的方向，第二控制轴610控制偏向右侧的滑道607的方向；第三控制轴612控制偏向左侧的滑道607的偏移距离；第四控制轴613控制偏向右侧的滑道607的偏移距离。
采用本发明的裂隙预制装置进行各种形状的裂隙的制作方法：
Λ型裂隙：
按照实验制定要求铺设模拟岩层骨料，抚料、铺平并压实，铺设到需要预制裂隙的岩层时，开始使用裂隙预制装置制作裂隙；
按照实验制定的裂隙密度的要求，通过旋转第一控制轴609和第二控制轴610的螺母611，精确的扩大或者减小滑道607在底座602露出部分的距离，达到实验需求，如实验要求裂隙的密度是20组/米，则每组裂隙的间距为0.05m，则需要保证同一组滑道607在底座602露出部分的间距为0.05m；
按照实验制定的裂隙角度的要求，通过旋转第三控制轴612和第四控制轴613的螺母611，精确的控制裂隙刀片606的角度，具体角度可以在按压时测量一下露出来的刀片，先通过旋转第一控制轴609和第二控制轴610的螺母611，达到实验裂隙密度的要求，再通过旋转第三控制轴612和第四控制轴613的螺母611，精确的控制裂隙刀片606的角度，达到裂隙角度的要求；
调整好的裂隙预制装置贴放在模拟岩层的上方，缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度控制在10mm以内即可，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放按压把手601，收回裂隙刀片606；将裂隙预制装置拿起，在沿着装置长度方向移动一个裂隙间距的距离处放下裂隙预制装置，即L，贴放在模拟岩层的上方，缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度同样控制在10mm以内即可，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放，这样，完成Λ型裂隙一个模型量的预制，根据实验需要的面积，按照上述方式完成多个模型裂隙预制的量即可。
V型裂隙：
按照实验制定要求铺设模拟岩层骨料，抚料、铺平并压实，铺设到需要预制裂隙的岩层时，开始使用裂隙预制装置制作裂隙；
按照实验制定的裂隙角度的要求，通过旋转第三控制轴612和第四控制轴613的螺母611，精确的控制裂隙刀片606的角度，具体角度可以在按压时测量一下露出来的刀片，先通过旋转第一控制轴609和第二控制轴610的螺母611，达到实验裂隙密度的要求，再通过旋转第三控制轴612和第四控制轴613的螺母611，精确的控制裂隙刀片606的角度，达到裂隙角度的要求；
根据裂隙长度的要求，调试裂隙预制装置，向下按动按压把手601，距离为裂隙要求长度，看每两组裂隙制作部中滑道607内的裂隙刀片606出来时是否重合，刚好重合时即达到要求，这个调试的过程主要是通过旋转第一控制轴609和第二控制轴610的螺母611，精确的扩大或者减小滑道607在底座602露出部分的距离达到目的；
将裂隙预制装置贴放在模拟岩层的上方，缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度控制在10mm以内即可，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放按压把手601，收回裂隙刀片606；这样，完成Λ型裂隙一个模型量的预制，根据实验需要的面积，按照上述方式完成多个模型裂隙预制的量即可；
W型裂隙：
按照实验制定要求铺设模拟岩层骨料，抚料、铺平并压实，铺设到需要预制裂隙的岩层时，开始使用裂隙预制装置制作裂隙；
根据裂隙长度的要求，调试裂隙预制装置，向下按动按压把手601，距离为裂隙要求长度，看每两组裂隙制作部中滑道607内的裂隙刀片606出来时是否重合，刚好重合时即达到要求，具体调节过程是旋转第一控制轴609和第二控制轴610的螺母611，精确的扩大或者减小滑道607在底座602露出部分的距离；
将裂隙预制装置贴放在模拟岩层的上方，缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度控制在10mm以内即可，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放按压把手601，收回裂隙刀片606；将裂隙预制装置拿起，在沿着装置长度方向移动半个W型裂隙开口的距离处放下裂隙预制装置；缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度同样控制在10mm以内即可，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放，这样，完成W型裂隙一个模型量的预制，根据实验需要的面积，按照上述方式完成多个模型裂隙预制的量即可。
M型裂隙：
M型隙预制最主要的过程是在实验前确定M型裂隙开口的距离LM和裂隙的间距L，根据裂隙的间距L即裂隙预制装置中每组裂隙的距离，具体的调节过程是通过旋转第一控制轴609、第二控制轴610、第三控制轴612和第四控制轴613的螺母611，螺母611在底座602上的旋转可以改变每组裂隙的距离；
按照实验制定要求铺设模拟岩层骨料，抚料、铺平并压实，铺设到需要预制裂隙的岩层时，开始使用裂隙预制装置制作裂隙；
将裂隙预制装置贴放在模拟岩层的上方，缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度控制在10mm以内即可，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放按压把手601，收回裂隙刀片606；将裂隙预制装置拿起，在沿着装置长度方向移动半个M型裂隙开口的距离处，即LM/2,放下裂隙预制装置；缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度同样控制在10mm以内即可，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放按压把手601，收回裂隙刀片606；将裂隙预制装置拿起，在沿着刚才移动的方向继续移动(L-LM/2)的距离，放下裂隙预制装置；缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度同样控制在10mm以内即可，然后缓慢的释放按压把手601，收回裂隙刀片606；将裂隙预制装置拿起，在沿着移动方向继续移动LM/2的距离，放下裂隙预制装置；缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度同样控制在10mm以内即可，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放，这样，完成M型裂隙一个模型量的预制，根据实验需要的面积，按照上述方式完成多个模型裂隙预制的量即可。
波浪线型WWWWWWW裂隙：
波浪线型隙预制最主要的过程是在初期确定一个W型裂隙开口的距离，确定完开口距离，调整每一组裂隙制作部的滑道607之间的距离，使其间距等于半个W型裂隙开口的距离；同时，根据裂隙长度的要求，调整每一组裂隙之间的距离，向下按动按压把手601，距离为裂隙要求长度，看每两组裂隙制作部中滑道607内的裂隙刀片606出来时是否重合，调整到重合时即达到第二个要求；这两个要求都完成时，裂隙预制装置调整完毕，具体的调节过程是通过旋转第一控制轴609、第二控制轴610、第三控制轴612和第四控制轴613的螺母611，螺母611在底座602上的旋转可以改变每组裂隙的距离；
按照实验制定要求铺设模拟岩层骨料，抚料、铺平并压实，铺设到需要预制裂隙的岩层时，开始使用裂隙预制装置制作裂隙；
将裂隙预制装置贴放在模拟岩层的上方，缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度控制在10mm以内即可，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放按压把手601，收回裂隙刀片606；将裂隙预制装置拿起，在沿着装置长度方向移动半个W型裂隙开口的距离处放下裂隙预制装置；缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，精度同样控制在10mm以内即可，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放，这样，完成波浪线型裂隙一个模型量的预制，根据实验需要的面积，按照上述方式完成多个模型裂隙预制的量即可。
模拟架1的长宽高分别为4000mm、2500mm和3000mm，渗水孔902的设置方式为：
以模拟架1底板的中心为圆心呈圆形分布，有多个同心圆，最小的圆直径为200mm，渗水孔902数量为10个，以此往外每一个圆直径增加100mm，渗水孔902数量增加2个，最外面的一个圆直径为2000mm，渗水孔902数量为46个；
渗水孔902的直径为2mm，渗透水箱903为圆形，直径为2200mm；高度为120mm；复合土工排水体901由高压聚乙烯挤压加工而成，两面具有不同的肋条和沟槽，以适应含水和排水需要，相对其它软质塑料板材具有很好的刚度，对保持排水腔有利，材质比重较小，成本低廉，由于是立体结构，其空隙率为80-95％，250KPa压力下，其压缩率低于10％，不存在不通水的问题，无需考虑会被土压力压坏。复合土工排水体901成本低廉，其空隙率高，效果十分出众。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其特征在于：包括模拟架(1)和设置在其中的煤层(2)和其他多个岩层，在所述煤层(2)上方设置有含水层(3)，在所述含水层(3)中设置有含水层模拟系统(4)，所述含水层模拟系统(4)包括矩形的水袋(401)，所述水袋(401)的顶板和底板为高强度的塑胶板，四周为高强度的塑胶片，所述水袋(401)的左右两侧分别连接有第一智能控压水箱(402)和第二智能控压水箱(403)，在所述水袋(401)的底板上设置有多个喷水孔(404)；
所述模拟架(1)为长方体结构，在其内部的底部设置有复合土工排水体(901)，在所述模拟架(1)的底部设置有多个渗水孔(902)，在所述模拟架(1)的底部的外侧设置有渗透水箱(903)，覆盖所有的所述渗水孔(902)，在所述渗透水箱(903)上设置有控压阀(904)。
2.根据权利要求1所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其特征在于：所述喷水孔(404)从前到后共7排，每排的中部均设置在所述水袋(401)的长度方向的中线上，第1排和第7排的所述喷水孔(404)的个数为30，第2排和第6排的所述喷水孔(404)的个数为20，第3排～第5排的所述喷水孔(404)的个数为10，所述喷水孔(404)的直径为2mm；
所述水袋(401)的长宽高分别为5000mm、1500mm和16mm，所述塑胶板的厚度为3mm，所述水袋(401)的内部空腔的高度为10mm，所述第一智能控压水箱(402)进水，压力区间为0-4.5MPa，所述第二智能控压水箱(403)出水，压力区间为0-3.5MPa，压力最大控制精度为0.1MPa。
3.根据权利要求2所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其特征在于：在模拟开始时，所述水袋(401)的内部装满石蜡并冷藏，固定成型，然后作为一层岩层铺设到预设的所述含水层(3)的位置，设置在所述含水层(3)的中部，四周用骨料铺设；
刚开始进水时，使用温度为45℃～60℃的水，慢慢融化石蜡并排除，所述第一智能控压水箱(402)的压力比所述第二智能控压水箱(403)大1.5MPa，2小时内逐步下降到0.5MPa的压差。
4.根据权利要求3所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其特征在于：在所述煤层(2)的下方100mm处设置有压力传感器(5)，所述压力传感器(5)的数量为36个，从前到后共3排，每排12个，右方向上相邻两个所述压力传感器(5)之间的距离为800mm，前后方向上相邻两个所述压力传感器(5)之间的距离为420mm。
5.根据权利要求1所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其特征在于：还包括自动压实装置，所述自动压实装置包括分别固定在靠近所述模拟架(1)四个角处的4个固定支柱(501)和两个支撑杆(502)，在所述固定支柱(501)上设置有升降装置(503)，前后两排所述升降装置(503)分别固定一个所述支撑杆(502)，在两个所述支撑杆(502)的中间活动连接有一个垂直设置的固定杆(504)，所述固定杆(504)能够沿所述支撑杆(502)左右滑动，在所述固定杆(504)的下端连接有第一滚筒固定轴(505)，所述第一滚筒固定轴(505)的下端与伸缩杆(506)连接，在所述伸缩杆(506)的下端连接有第二滚筒固定轴(507)，在所述第二滚筒固定轴(507)上套设有抚料滚筒(508)，与第二电机相连，所述抚料滚筒(508)能够绕所述第二滚筒固定轴(507)旋转，在所述抚料滚筒(508)上沿其长度方向均匀设置有4排挡片(509)。
6.根据权利要求5所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其特征在于：所述抚料滚筒(508)的直径为500mm，长度为1850mm，所述挡片(509)的长宽厚分别为100mm、10mm和2mm，相邻两个所述挡片(509)之间的间距为5mm；
所述固定支柱(501)与所述模拟架(1)水平方向上的距离为1000mm，前后方向上的距离为500mm；
所述伸缩杆(506)调节高度，根据每一层的模拟高度，当压实完一层骨料时，自动上升到将要铺设的骨料高度，抚平骨料完成后，下降0.2倍的预设高度值，在抚平的骨料上压实，过程完全自动化，具体高度值根据模型之前计算的值，提前输入到电脑主机里。
7.根据权利要求1所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其特征在于：
在所述煤层(2)的上方设置有3个包括裂隙的裂隙带，从下至上依次为第一裂隙带、第二裂隙带和第三裂隙带，长和宽依次为4000×1300mm、3000×900mm和2000×600mm。
8.根据权利要求7所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其特征在于：
所述裂隙采用裂隙预制装置制作而成，所述裂隙预制装置包括按压把手(601)、底座(602)和设置在二者之间的弹性夹层，所述按压把手(601)为长方体，包括四个第一侧壁和顶板，所述底座(602)为长方体，包括四个第二侧壁和底板，所述按压把手(601)和所述底座(602)之间通过多个弹性塑胶(603)相连，且所述按压把手(601)和所述底座(602)之间具有一定的间隔，形成所述弹性夹层；所述裂隙预制装置包括多个裂隙制作部，所述裂隙制作部包括固定轴(604)、助推刀片(605)、裂隙刀片(606)和滑道(607)；
所述固定轴(604)位于所述按压把手(601)的内部，两端分别固定在位于前侧和后侧的所述第一侧壁上，所述滑道(607)为长条形的中空结构，固定在所述底座(602)内，所述滑道(607)为两个，分别设置在所述固定轴(604)的左右两侧，所述助推刀片(605)为两个，上端连接在所述固定轴(604)上，每个所述助推刀片(605)的下端均连接有一个裂隙刀片(606)，所述裂隙刀片(606)贯穿在所述滑道(607)中；
所述裂隙预制装置包括第一控制轴(609)、第二控制轴(610)、第三控制轴(612)和第四控制轴(613)，所述第一控制轴(609)与所有的裂隙制作部的位于左侧的滑道(607)的下端相连，所述第三控制轴(612)与所有的裂隙制作部的位于左侧的滑道(607)的上端相连，在所述底座(602)的左侧设置有两个第一通孔，所述第一控制轴(609)和所述第三控制轴(612)的左端为螺纹结构，分别从两个所述第一通孔中穿出，在所述第一控制轴(609)和所述第三控制轴(612)的左端设置有螺母(611)，所述第二控制轴(610)与所有的裂隙制作部的位于右侧的滑道(607)的下端相连，所述第四控制轴(613)与所有的裂隙制作部的位于右侧的滑道(607)的上端相连，在所述底座(602)的右侧设置有两个第二通孔，所述第二控制轴(610)和所述第四控制轴(613)的右端为螺纹结构，分别从两个所述第二通孔中穿出，在所述第二控制轴(610)和所述第四控制轴(613)的右端设置有螺母(611)；在所述底座(602)的底板上设置有多个供所述裂隙刀片(606)穿过的长条形通孔。
9.根据权利要求8所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其特征在于：
所述按压把手(601)的所述顶板长为800mm，宽为200mm，厚为45mm，所述第一侧壁的高度为55mm，材质为塑料；所述底座(602)的所述底板的长为800mm，宽为200mm，厚为200mm，所述第二侧壁的高度为15mm；所述弹性塑胶(603)的高度为200mm，前后长度为200mm，左右宽为20mm，在10kg压力下压缩范围小于100mm；
所述助推刀片(605)的上下长为140mm，厚为3mm，前后宽为200mm，所述裂隙刀片(606)的上下长为300mm，厚为1.5mm，前后宽为200mm；所述滑道(607)的长为150mm，壁厚为2mm，前后宽为200mm，中空的厚度为3.5mm；所述助推刀片(605)、所述裂隙刀片(606)和所述滑道(607)的材质为铁；
所述第一控制轴(609)、所述第二控制轴(610)、所述第三控制轴(612)和所述第四控制轴(613)的所述螺纹结构的长度为30-100mm。
10.根据权利要求1所述的实验室教学用煤田承压含水层模拟装置，其特征在于：所述模拟架(1)的长宽高分别为4000mm、2500mm和3000mm，所述渗水孔(902)的设置方式为：
以所述模拟架(1)底板的中心为圆心呈圆形分布，有多个同心圆，最小的圆直径为200mm，所述渗水孔(902)数量为10个，以此往外每一个圆直径增加100mm，所述渗水孔(902)数量增加2个，最外面的一个圆直径为2000mm，所述渗水孔(902)数量为46个；
所述渗水孔(902)的直径为2mm，所述渗透水箱(903)为圆形，直径为2200mm；高度为120mm；所述复合土工排水体(901)由高压聚乙烯挤压加工而成，两面具有不同的肋条和沟槽，其空隙率为80-95％，250KPa压力下，其压缩率低于10％。
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