本发明涉及矿山机械及教育领域，特别是涉及一种可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置。
背景技术：
地下采矿工程改变了地下原始的应力平衡状态，随着地下空间的增大，覆岩应力场朝着推进方向和向上传递，加之初次来压及周期来压的作用，在一次次的应力传递及重分配中，覆岩一定层带范围内的岩层形成了一些次生裂隙，每次来压都会给予这些裂隙的产生和延展提供动力。传统的相似材料物理模拟试验由于受试验模型尺度、边界、加载装置的限制，常常会由此造成试验结果与实际工程不相吻合的现象。大型采煤相似模拟装置的研究可以很好的解决这个问题，但随之带来的监测和建模等多个工序和流程都得改变；
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置。
一种可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置，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一端相连并呈螺旋状布置的出水管和进水管，所述出水管的另一端与第一智能控压水箱相连，所述进水管的另一端与第二智能控压水箱相连，所述含水层模拟系统整体为椭圆形，在所述进水管和所述出水管的底部设置有喷水孔，在所述喷水孔上覆盖有塑胶贴纸；在所述模拟架中设置有多个渗透距测量仪，所述渗透距测量仪包括电源、电源线和电阻杆，所述电阻杆为中空的长条形，在其左端设置有一个通孔，所述电源线为两根，一端分别与所述电源相连，其中一个所述电源线的另一端与所述电阻杆的左端相连，另一个所述电源线的另一端穿过所述通孔与所述电阻杆的右端相连。
本发明所述的可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置，其中，所述喷水孔的设置方式为：在穿过椭圆中心的5条直线上，所有直线与所述进水管和所述出水管的相交处均设置有所述喷水孔，所述5条直线中，相邻的两条直线之间的角度均为36°。
本发明所述的可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置，其中，所述第一智能控压水箱和所述第二智能控压水箱的控压区间为0-4mpa，压力最大控制精度为0.1mpa，控制方式为：初始时，所述第一智能控压水箱的压力比所述第二智能控压水箱的压力大0.3mpa，当采煤模拟系统推采超过500mm时，开始升压，保持所述第一智能控压水箱的压力比所述第二智能控压水箱的压力大1mpa以上；
所述椭圆形的左右方向最长边为1750mm，上下方向最长边为1500mm，所述出水管和所述进水管的最大间距为200mm，所述出水管和所述进水管的截面为正方形，边长为20mm，所述喷水孔的直径为1mm，所述塑胶贴纸的宽度为20mm，厚度为1-2mm。
本发明所述的可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置，其中，所述电阻杆的长度为2500mm，电阻为5kω，直径为18mm，电源为12v。
本发明所述的可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置，其中：
在沿所述模拟架的长度方向上，布置有多个所述渗透距测量仪，一端设置在所述模拟架左右方向的中心，从前至后总共设置有3排，排距为600mm，在竖直方向上，每排有4个，间距为150mm，位于最上部的所述渗透距测量仪距离所述含水层下方200mm处；
在沿所述模拟架的宽度方向上，布置有多个所述渗透距测量仪，从左至右总共设置有3排，排距为600mm，在竖直方向上，每排有4个，间距为150mm，位于最上部的所述渗透距测量仪距离所述含水层下方200mm处。
本发明所述的可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置包括自动压实装置，包括：
4个支柱，竖直固定在靠近所述模拟架的4个角处，两个支撑杆一前一后固定在4个所述支柱上；
固定杆，其两端分别设置有轮体，与第一电机相连，所述轮体能够沿所述支撑杆左右滚动，在所述固定杆的下端连接有第一伸缩杆，在所述第一伸缩杆的下端连接有固定轴，在所述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。
本发明所述的可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置，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；
所述第一伸缩杆调节高度，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。
本发明所述的可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置，其中，在所述煤层的上方设置有5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、第三裂隙带、第四裂隙带和第五裂隙带，长和宽依次为4000×1300mm、3500×1100mm、3000×900mm、2500×900mm和2000×900mm。
本发明所述的可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置，其中，所述裂隙采用裂隙预制装置制作而成，裂隙预制装置分为第一裂隙预制仪和第二裂隙预制仪，所述第一裂隙预制仪和所述第二裂隙预制仪均由固定片、固定在所述固定片上方的把手和固定在所述固定片下方的多个倾斜设置的裂隙刀片，其中，所述第一裂隙预制仪和所述第二裂隙预制仪中的所述裂隙刀片的倾斜角度相同，倾斜方向相反；
所述裂隙刀片的厚度为1-3mm，宽度为10-100mm，长度为1-80mm，相邻两个所述裂隙刀片之间的距离为50mm，所述固定片的宽度为100mm，长度为800mm。
本发明所述的可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置，其中，所述裂隙的制备方法包括如下步骤：
先使用所述第一裂隙预制仪，手拿把手，沿着所述裂隙刀片的方向按下，当所述固定片贴到骨料表面时，再沿着所述裂隙刀片的方向拔出，整个过程使所述固定片水平；然后使用所述第二裂隙预制仪，因为所述第一裂隙预制仪与所述第二裂隙预制仪的所述裂隙刀片是对称关系，因此，当所述第二裂隙预制仪的每个所述裂隙刀片均与所述第一裂隙预制仪预制的裂隙端口重合时，即形成了倒v型裂隙；由于所述固定片的长度有限，因此需要连续接替的在骨料界面预制裂隙，最终形成了所述裂隙带。
本发明可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置与现有技术不同之处在于：
本发明可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置可以通过大尺度来消除试验模型尺度、边界、加载装置的限制，使实验精度更高，实验结果跟实际更吻合；
本发明可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置在建模上采用了自动化的铺料装置，使大型实验变得更加轻松，人工强度低；
本发明可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置实现了三维相似模拟监测科学化，全面化；
下面结合附图对本发明的可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置作进一步说明。
附图说明
图1为本发明可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置的结构示意图；
图2为本发明中含水层模拟系统的结构示意图；
图3为本发明中渗透距测量仪的结构示意图；
图4为本发明中自动压实装置的正视图；
图5为本发明中自动压实装置的俯视图；
图6为本发明中自动压实装置的立体图；
图7为本发明中自动压实装置中的抚料滚桶的结构示意图；
图8为本发明中第一裂隙预制仪的结构示意图；
图9为本发明中第二裂隙预制仪的结构示意图。
具体实施方式
如图1～图9所示，一种可监测岩层位移的大型采矿相似模拟实验装置，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，含水层模拟系统包括一端相连并呈螺旋状布置的出水管301和进水管302，出水管301的另一端与第一智能控压水箱303相连，进水管302的另一端与第二智能控压水箱304相连，含水层模拟系统整体为椭圆形，在进水管302和出水管301的底部设置有喷水孔305，在喷水孔305上覆盖有塑胶贴纸；
在模拟架1中设置有多个渗透距测量仪4，渗透距测量仪4包括电源401、电源线402和电阻杆403，电阻杆403为中空的长条形，在其左端设置有一个通孔404，电源线402为两根，一端分别与电源401相连，其中一个电源线402的另一端与电阻杆403的左端相连，另一个电源线402的另一端穿过通孔404与电阻杆403的右端相连。
以下为优选技术方案：
喷水孔305的设置方式为：在穿过椭圆中心的5条直线上，所有直线与进水管302和出水管301的相交处均设置有喷水孔305，5条直线中，相邻的两条直线之间的角度均为36°。
第一智能控压水箱303和第二智能控压水箱304的控压区间为0-4mpa，压力最大控制精度为0.1mpa，控制方式为：初始时，第一智能控压水箱303的压力比第二智能控压水箱304的压力大0.3mpa，当采煤模拟系统推采超过500mm时，开始升压，保持第一智能控压水箱303的压力比第二智能控压水箱304的压力大1mpa以上；
椭圆形的左右方向最长边为1750mm，上下方向最长边为1500mm，出水管301和进水管302的最大间距为200mm，出水管301和进水管302的截面为正方形，边长为20mm，喷水孔305的直径为1mm，塑胶贴纸的宽度为20mm，厚度为1-2mm。
开始时，塑胶贴纸贴在进水管302和出水管301的底侧面上，当模拟开采之后，随着底板跨落后下沉，在水压作用下，塑胶贴纸与喷水孔305分离，塑胶贴纸与喷水孔305之间水压超过1mpa即可分离，这样充分模拟了真实情况下的含水层3透水量，即垮落越充分，透水量越大。
电阻杆403的长度为2500mm，电阻为5kω，直径为18mm，电源为12v；
在沿模拟架1的长度方向上，布置有多个渗透距测量仪4，一端设置在模拟架1左右方向的中心，从前至后总共设置有3排，排距为600mm，在竖直方向上，每排有4个，间距为150mm，位于最上部的渗透距测量仪4距离含水层3下方200mm处；
在沿模拟架1的宽度方向上，布置有多个渗透距测量仪4，从左至右总共设置有3排，排距为600mm，在竖直方向上，每排有4个，间距为150mm，位于最上部的渗透距测量仪4距离含水层3下方200mm处。多个渗透距测量仪4分别通电，根据电阻阻值即可确定电阻杆403干燥段和湿润段的值，即可求出具体水的渗透半径；可以对含水层的影响范围有一个立体的监测。
本发明包括自动压实装置9，包括：
4个支柱901，竖直固定在靠近模拟架1的4个角处，两个支撑杆902一前一后固定在4个支柱901上；
固定杆903，其两端分别设置有轮体904，与第一电机相连，轮体904能够沿支撑杆902左右滚动，在固定杆903的下端连接有第一伸缩杆906，在第一伸缩杆906的下端连接有固定轴907，在固定轴907上套设有抚料滚筒908，与第二电机相连，抚料滚筒908能够绕固定轴907旋转，在抚料滚筒908上沿其长度方向均匀设置有4排挡片909。
抚料滚筒908的直径为500mm，长度为1850mm，挡片909的长宽厚分别为100mm、10mm和2mm，相邻两个挡片909之间的间距为5mm；
第一伸缩杆906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。
在煤层2的上方设置有5个包括裂隙的裂隙带6，从下至上依次为第一裂隙带、第二裂隙带、第三裂隙带、第四裂隙带和第五裂隙带，长和宽依次为4000×1300mm、3500×1100mm、3000×900mm、2500×900mm和2000×900mm。
裂隙采用裂隙预制装置制作而成，裂隙预制装置分为第一裂隙预制仪和第二裂隙预制仪，第一裂隙预制仪和第二裂隙预制仪均由固定片601、固定在固定片601上方的把手603和固定在固定片601下方的多个倾斜设置的裂隙刀片602，其中，第一裂隙预制仪和第二裂隙预制仪中的裂隙刀片602的倾斜角度相同，倾斜方向相反；
裂隙刀片602的厚度为1-3mm，宽度为10-100mm，长度为1-80mm，相邻两个裂隙刀片602之间的距离为50mm，固定片601的宽度为100mm，长度为800mm。
裂隙的制备方法包括如下步骤：
先使用第一裂隙预制仪，手拿把手603，沿着裂隙刀片602的方向按下，当固定片601贴到骨料表面时，再沿着裂隙刀片602的方向拔出，整个过程使固定片601水平；然后使用第二裂隙预制仪，因为第一裂隙预制仪与第二裂隙预制仪的裂隙刀片602是对称关系，因此，当第二裂隙预制仪的每个裂隙刀片602均与第一裂隙预制仪预制的裂隙端口重合时，即形成了倒v型裂隙；由于固定片601的长度有限，因此需要连续接替的在骨料界面预制裂隙，最终形成了裂隙带6。
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。