本发明涉及岩土工程及教育领域，特别是涉及一种岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置。
背景技术：
近年来研究表明,覆岩采动裂隙分布形态随工作面推进而变化。钱鸣高院士等人提出覆岩采动裂隙呈两阶段发展规律并形成“O”形圈分布特征,李树刚的论文《综放开采围岩活动及瓦斯运移》认为覆岩采动裂隙在空间上的分布是一个“椭抛带”形态,袁亮院士等人的论文《开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔抽放瓦斯研究》认为“顶板环形裂隙圈”的特征,杨科等人的论文《采动裂隙分布及其演化特征的采厚效应》认为覆岩采动裂隙有4个阶段演化特征。林海飞的论文《覆岩采动裂隙演化形态的相似材料模拟实验》运用物理相似模拟实验,进一步分析覆岩采动裂隙产生发展的时空规律及其动态变化形态,提出了采动裂隙演化工程简化模型,证明了相似模拟实验用于裂隙发育演变的研究是可行的。
目前，对于三维相似模拟内部裂隙的预制和发育研究相对较少，对于裂隙的预制过程和方法还没有相关的研究，特别对于含水层下部采煤，裂隙的预制和演变都是需要研究的。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置。
一种岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置，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；
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；
在所述模拟架内部的底部设置有渗透水箱，所述渗透水箱通过水管与所述模拟架外部的水箱相连，在所述水管上设置有控压阀，在所述渗透水箱的顶板上设置有多个渗水孔，在所述渗透水箱的内部设置有复合土工排水体。
本发明所述的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置，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；
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。
本发明所述的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置，其中，在所述含水层的下方设置有隔水层，在所述含水层和所述隔水层之间设置有3排渗压计，每排6个，左右方向上相邻两个所述渗压计之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个所述渗压计之间的距离为450mm。
本发明所述的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置，其中，所述隔水层采用如下重量比的材料制备而成：中砂：重晶石粉：滑石粉：凡士林：硅油：水泥：水＝11.50：11.50：2.30：1.16：1.16：1：2；
所述含水层采用如下重量比的材料制备而成：中砂：重晶石粉：滑石粉：凡士林：硅油：水泥：水＝11.50：11.50：2.30：1.65：0.56：1：2。
本发明所述的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置还包括自动抚平加压骨料装置，包括设置在所述模拟架上方的支撑杆，在所述支撑杆上活动连接液压支柱，所述液压支柱能够沿所述支撑杆在左右方向上自由滑动，在所述液压支柱的下端连接有抚平装置或压实板，所述抚平装置通过旋转轴固定在所述液压支柱的下端，所述抚平装置包括旋转杆和固定在其下端的抚平轮，所述抚平轮由多个弧形的钢制杆体构成，所述旋转轴包括从上至下依次连接的第一支柱卡槽、旋转电机和从动轴，所述旋转轴还包括传动杆，所述传动杆的上端设置在所述旋转电机的中部，下端设置在所述从动轴的底部；
在所述模拟架的两侧分别设置有一个固定支柱，在所述固定支柱上设置有升降装置，所述支撑杆的两端分别固定在两个所述升降装置上；
所述第一支柱卡槽固定在所述液压支柱的下端，所述从动轴的下部和所述旋转杆的上部设置有相互配合的螺纹结构，所述弧形的钢制杆体的数量为4个，所述抚平轮能够顺时针和逆时针旋转；
所述压实板为圆形，在所述压实板的上部设置有第二支柱卡槽，固定在所述液压支柱的下端。
本发明所述的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置，其中，所述固定支柱与所述模拟架之间的距离为2000mm，所述第一支柱卡槽的内径为60mm，外径为80mm，高度为50mm，所述旋转电机的直径为80mm，高度为50mm，所述传动杆的直径为15mm，长度为150mm，所述从动轴的直径为50mm，高度为50mm；所述抚平轮旋转形成的圆的直径为1800mm，所述旋转杆为中空结构，长度为400-600mm，内径为50mm；所述第二支柱卡槽的内径为60mm，所述压实板的直径和厚度分别为1700mm和8mm，材质为铁；
采用所述的自动抚平加压骨料装置进行三维相似模拟装置中的骨料铺设的方法，包括如下步骤：
步骤一、根据模型要求和相似比，确定每一层需要铺设的骨料的模拟厚度，进而确定所述升降装置的高度和所述液压支柱长度之间的关系，保证所述抚平轮与所述模拟架顶部之间的距离为：模拟岩层厚度/k，k为压实度，为94％；
步骤二、根据需求的模拟岩层厚度，确定每一分层的骨料量，按照20％的富余系数准备原材料；
步骤三、架设模型，固定所述升降装置和所述液压支柱的高度，保证所述抚平轮和所述模拟架底板距离为：第一模拟分层的高度/k，倒入搅拌机搅拌好的所述第一模拟分层的骨料，启动抚平轮，使其顺时针旋转，并在所述模拟架内来回移动1个回合，保证骨料基本铺设平实，再逆时针旋转所述抚平轮，在所述模拟架内来回移动1个回合，保证多余骨料排除到整个所述模拟架的周围，人工清理一下；
步骤四、卸下所述抚平装置，在所述液压支柱上安装所述压实板，压实到所述第一模拟分层的骨料上，压实压力为2000KN，压完之后升起，往前移动800mm，继续压实，直到压实完毕；
步骤五、倒入第二层模拟岩层的骨料，重复步骤三和步骤四中的铺设过程；
步骤六、铺设完最后一层后，卸下所述液压支柱上的所述压实板，在所述模拟架上方铺设若干铁块，在其上方再铺设一块铁板，所述铁板的长度、宽度和厚度分别为5500mm、1900mm和10mm，所述液压支柱压在所述铁板上，实现了上覆岩层的压力替换。
本发明所述的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置，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，上端通过滑道旋转轴固定在所述底座内，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和第二控制轴，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，在所述底座的左侧设置有第一通孔，所述第一控制轴的左端从所述第一通孔中穿出，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，在所述底座的右侧设置有第二通孔，所述第二控制轴的右端从所述第二通孔中穿出，在所述底座的左右两侧设置有固定扣，在所述固定扣的下端设置有橡胶，所述橡胶与所述第一控制轴和所述第二控制轴接触；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。
本发明所述的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置，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。
本发明所述的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置，其中，所述模拟架为长方体结构，所述渗透水箱为矩形，由PVC材料制成。
本发明所述的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置，其中，所述模拟架的长宽高分别为4000mm、2500mm和3000mm，所述渗透水箱的长宽高分别为4000mm、2500mm和100mm，所述渗水孔的直径为1mm，相邻两个所述渗水孔之间的距离为50mm；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％。
本发明岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置与现有技术不同之处在于：
本发明岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置可以在三维相似模拟内部预制不同类型、不同深度、不同密度和不同角度的裂隙，对于真实模拟岩土工程中实际裂隙的开裂和发育具有重要作用；
配套的骨料压实装置可以均匀密实的压实骨料，这是形成预制裂隙达标的基础原因，常规手段压实骨料会造成压实程度不均匀，对于裂隙的形成质量无法保障，同样的刀片形成的裂隙会有不同程度的坍塌等；
下面结合附图对本发明的岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置作进一步说明。
附图说明
图1为本发明岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置的结构示意图；
图2为本发明中含水层模拟系统的结构示意图；
图3为本发明自动抚平加压骨料装置的结构示意图；
图4为本发明中旋转轴的结构示意图；
图5为本发明中抚平装置的仰视图；
图6为本发明中压实板的结构示意图；
图7为本发明中铺设过程中最后压实过程的结构示意图；
图8为本发明中预制裂隙装置的结构示意图；
图9为本发明中渗透水箱的结构示意图；
图10为本发明中渗透水箱的顶板的结构示意图。
具体实施方式
如图1～图10所示，本发明岩土工程中具有精确预制裂隙功能的相似教学装置包括模拟架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。
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；
在所述模拟架1内部的底部设置有渗透水箱901，所述渗透水箱901通过水管与所述模拟架1外部的水箱相连，在所述水管上设置有控压阀902，在所述渗透水箱901的顶板上设置有多个渗水孔903，在所述渗透水箱901的内部设置有复合土工排水体。
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。
在含水层3的下方设置有隔水层5，在含水层3和隔水层5之间设置有3排渗压计8，每排6个，左右方向上相邻两个渗压计8之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个渗压计8之间的距离为450mm。
隔水层5采用如下重量比的材料制备而成：中砂：重晶石粉：滑石粉：凡士林：硅油：水泥：水＝11.50：11.50：2.30：1.16：1.16：1：2；
含水层3采用如下重量比的材料制备而成：中砂：重晶石粉：滑石粉：凡士林：硅油：水泥：水＝11.50：11.50：2.30：1.65：0.56：1：2。
本发明还包括自动抚平加压骨料装置，包括设置在所述模拟架上方的支撑杆，在所述支撑杆上活动连接液压支柱，所述液压支柱能够沿所述支撑杆在左右方向上自由滑动，在所述液压支柱的下端连接有抚平装置或压实板，所述抚平装置通过旋转轴固定在所述液压支柱的下端，所述抚平装置包括旋转杆和固定在其下端的抚平轮，所述抚平轮由多个弧形的钢制杆体构成，所述旋转轴包括从上至下依次连接的第一支柱卡槽、旋转电机和从动轴，所述旋转轴还包括传动杆，所述传动杆的上端设置在所述旋转电机的中部，下端设置在所述从动轴的底部；
在所述模拟架的两侧分别设置有一个固定支柱，在所述固定支柱上设置有升降装置，所述支撑杆的两端分别固定在两个所述升降装置上；
所述第一支柱卡槽固定在所述液压支柱的下端，所述从动轴的下部和所述旋转杆的上部设置有相互配合的螺纹结构，所述弧形的钢制杆体的数量为4个，所述抚平轮能够顺时针和逆时针旋转；
所述压实板为圆形，在所述压实板的上部设置有第二支柱卡槽，固定在所述液压支柱的下端。
所述固定支柱与所述模拟架之间的距离为2000mm，所述第一支柱卡槽的内径为60mm，外径为80mm，高度为50mm，所述旋转电机的直径为80mm，高度为50mm，所述传动杆的直径为15mm，长度为150mm，所述从动轴的直径为50mm，高度为50mm；所述抚平轮旋转形成的圆的直径为1800mm，所述旋转杆为中空结构，长度为400-600mm，内径为50mm；所述第二支柱卡槽的内径为60mm，所述压实板的直径和厚度分别为1700mm和8mm，材质为铁。
采用所述的自动抚平加压骨料装置进行骨料铺设的方法，包括如下步骤：
步骤一、根据模型要求和相似比，确定每一层需要铺设的骨料的模拟厚度，进而确定所述升降装置的高度和所述液压支柱长度之间的关系，保证所述抚平轮与所述模拟架顶部之间的距离为：模拟岩层厚度/k，k为压实度，为94％；
步骤二、根据需求的模拟岩层厚度，确定每一分层的骨料量，按照20％的富余系数准备原材料；
步骤三、架设模型，固定所述升降装置和所述液压支柱的高度，保证所述抚平轮和所述模拟架底板距离为：第一模拟分层的高度/k，倒入搅拌机搅拌好的所述第一模拟分层的骨料，启动抚平轮，使其顺时针旋转，并在所述模拟架内来回移动1个回合，保证骨料基本铺设平实，再逆时针旋转所述抚平轮，在所述模拟架内来回移动1个回合，保证多余骨料排除到整个所述模拟架的周围，人工清理一下；
步骤四、卸下所述抚平装置，在所述液压支柱上安装所述压实板，压实到所述第一模拟分层的骨料上，压实压力为2000KN，压完之后升起，往前移动800mm，继续压实，直到压实完毕；
步骤五、倒入第二层模拟岩层的骨料，重复步骤三和步骤四中的铺设过程；
步骤六、铺设完最后一层后，卸下所述液压支柱上的所述压实板，在所述模拟架上方铺设若干铁块，在其上方再铺设一块铁板，所述铁板的长度、宽度和厚度分别为5500mm、1900mm和10mm，所述液压支柱压在所述铁板上，实现了上覆岩层的压力替换。
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，上端通过滑道旋转轴608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和第二控制轴610，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，在底座602的左侧设置有第一通孔，第一控制轴609的左端从第一通孔中穿出，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，在底座602的右侧设置有第二通孔，第二控制轴610的右端从第二通孔中穿出，在底座602的左右两侧设置有固定扣611，在固定扣611的下端设置有橡胶，橡胶与第一控制轴609和第二控制轴610接触；固定扣611的上端在底座602的外侧，当调节好角度之后，按压固定扣611，让橡胶与第一控制轴609和第二控制轴610紧密接触并施加压力，通过摩擦力起到固定作用。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。固定扣611为常规的任意的可以上下调整并固定的结构，例如以下的现有技术中的固定扣611：包括连接在一起的竖直的固定部和水平的按压部，在底座602上开有孔(长条形的限位滑道)，按压部的一端从孔中穿出，手动上下按压或者上提按压部可以调节固定部的位置，从而起到固定或者放松第一控制轴609和第二控制轴610的目的。
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，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。
采用本发明的裂隙预制装置进行裂隙制作的方法：裂隙的形状和方法不限于如下种类，仅是举例：
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，调整裂隙预制装置中滑道607的间距，通过调节第一控制轴609和第二控制轴610漏出底座602的长度并按压固定扣611，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；
将裂隙预制装置，按照实验制定的裂隙密度的要求调整好滑道607在底座602露出部分的距离，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，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，在沿着裂隙预制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，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。
模拟架1为长方体结构，渗透水箱901为矩形，由PVC材料制成。复合土工排水体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。
模拟架1的长宽高分别为4000mm、2500mm和3000mm，渗透水箱901的长宽高分别为4000mm、2500mm和100mm，渗水孔903的直径为1mm，相邻两个渗水孔903之间的距离为50mm。
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。