本发明涉及煤矿及教育领域，特别是涉及一种采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置。
背景技术：
我国华东、华北等矿区内煤系地层普遍被第四系巨厚松散层覆盖，该松散层底部存在着一层以非胶结沙土、砂砾、砾石为骨架的承压含水层，邻近该松散层的工作面在开采过程中，曾发生多起压架突水灾害，部分研究表明，正是由于该松散含水层特殊的载荷传递作用，才导致了异常压架突水灾害的发生；同样的，潜水含水层的渗透系数和影响半径等特性是矿井基坑等设计的重要参数，因此具有一个包含承压含水层和潜水含水层的教学装置对于了解这两个含水层的功能具有重要意义；
目前的实物教学装置中很少见到有包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，特别对于可重复利用的实物教具，就更加稀少。
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、操作简便的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置。
一种采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，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潜水含水层，在所述潜水含水层中设置有含水层模拟系统；
在所述模拟架上设置有覆岩塌陷监测系统，所述覆岩塌陷监测系统包括直尺和设置在所述模拟架上的水平激光仪，所述水平激光仪设置在所述模拟架的左侧，高度与最终铺设骨料的顶端高度相等；
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，形成承压含水层，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，所述渗透水箱通过水管与外部水箱相连，在所述水管上设置有控压阀；
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。
本发明所述的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，其中，所述含水层模拟系统包括水平设置的6个圆形水管和8个直管，所述圆形水管由长条形的水管弯曲、首尾连接而成，在其内部形成圆形空间，所述6个圆形水管形成的所述圆形空间同轴设置且直径不同，所述8个直管的一端均连接在所述圆形空间的轴心上，8个所述直管与6个所述圆形水管相连并将所述圆形水管均匀分隔为8个部分，在每一个相连的点上均设置有喷水孔，8个所述直管与6个所述圆形水管的内部均连通。
本发明所述的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，其中，位于左右两侧的4个所述直管与智能控压水箱相连，所述智能控压水箱的控压区间为0-10mpa；所述喷水孔正常时为封闭状态，形成一条缝，所述喷水孔的喷水量与水压有关，二者之间的相关式为：q＝0.9p+1.25，p为压力，单位为mpa，q为流量，单位ml/s，当内部p大于5mpa时，才会有水喷出。
本发明所述的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，其中，所述直管的截面直径为25mm，所述含水层模拟系统采用高强度塑胶材料制作而成；从里至外每个所述圆形水管的截面直径依次为10mm，12mm，14mm，16mm，18mm和20mm；形成的圆形空间的直径依次为150mm，300mm，500mm，900mm，1300mm和1800mm。
本发明所述的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，其中，还包括自动抚平加压装置，其包括设置在模拟架上方的支撑杆，在所述支撑杆上活动连接有左右两个液压支柱，所述液压支柱能够沿所述支撑杆在左右方向上自由滑动，在右侧的所述液压支柱的下端连接有抚平装置，左侧的所述液压支柱的下端连接有压实板，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。
本发明所述的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，其中，所述第一支柱卡槽固定在位于中间的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，固定在位于两侧的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。
本发明所述的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，其中，采用所述的自动抚平加压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右侧的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、升起右侧的所述液压支柱，左侧的所述液压支柱移到所述模拟架内，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，直到压到另一侧为止，升起所述液压支柱并移出所述模拟架以外；
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，去掉两个所述液压支柱上的所述压实板和所述抚平装置，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，两个所述液压支柱均匀压在所述铁板上，实现了上覆岩层的压力替换。
本发明所述的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，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，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分别从两个所述第一通孔中穿出，且通过杆体相连，所述杆体与所述第一控制轴和所述第三控制轴的左端铰接，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分别从两个所述第二通孔中穿出，且通过杆体相连，所述杆体与所述第二控制轴和所述第四控制轴的右端铰接；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。
本发明所述的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，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。
本发明所述的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置，其中，所述模拟架的长宽高分别为4000mm、2500mm和3000mm，所述复合土工排水体的高度为100mm，
所述渗水孔呈矩形分布，矩形的长和宽分别为2200mm和1500mm，所述渗透水箱为椭圆形，长轴长3500mm，短轴长2500mm，高为100mm，所述矩形、所述渗透水箱和所述模拟架的底板的中心重合；
所述渗水孔的直径为2mm，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％。
本发明采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置与现有技术不同之处在于：
本发明高度仿真的模拟了承压含水层和潜水含水层的存在，可以模拟承压含水层和潜水含水层在煤田开采过程中流量，水压和顶底板的位移形态变化，更符合实际模拟需要；
本发明利用两个含水层的优势，可以明显的模拟除随着煤层开采，含水层中水的运移规律，以及大幅度的垮落造成的地面塌陷效果，对于采矿对环境带来的影响的教学和认知都有很大效果。
下面结合附图对本发明的采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置作进一步说明。
附图说明
图1为本发明采矿中包含承压含水层和潜水含水层的教学装置的结构示意图；
图2为本发明中渗水孔布置图；
图3为本发明中含水层模拟系统的结构示意图；
图4为本发明中自动抚平加压装置的结构示意图；
图5为本发明中旋转轴的结构示意图；
图6为本发明中抚平装置的仰视图；
图7为本发明中压实板的结构示意图；
图8为本发明中铺设过程中最后压实过程的结构示意图；
图9为本发明中裂隙预制装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1～图9所示，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上方设置有潜水含水层3，在潜水含水层3中设置有含水层模拟系统；
在模拟架1上设置有覆岩塌陷监测系统，覆岩塌陷监测系统包括直尺402和设置在模拟架上的水平激光仪401，水平激光仪401设置在模拟架1的左侧，高度与最终铺设骨料的顶端高度相等；当覆岩因煤层开采塌陷时，拿直尺402竖直测量塌陷点，水平激光仪401在直尺402上的映射点到塌陷点的距离可以在直尺402上直接读出来，即可以测试整个塌陷的情况，对于算出塌陷角等参数有重要意义；
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，形成承压含水层，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，渗透水箱903通过水管与外部水箱相连，在水管上设置有控压阀904；
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。
以下为优选技术方案：
含水层模拟系统包括水平设置的6个圆形水管301和8个直管302，圆形水管301由长条形的水管弯曲、首尾连接而成，在其内部形成圆形空间，6个圆形水管301形成的圆形空间同轴设置且直径不同，8个直管302的一端均连接在圆形空间的轴心上，8个直管302与6个圆形水管301相连并将圆形水管301均匀分隔为8个部分，在每一个相连的点上均设置有喷水孔，8个直管302与6个圆形水管301的内部均连通。
位于左右两侧的4个直管302与智能控压水箱303相连，智能控压水箱303的控压区间为0-10mpa；喷水孔正常时为封闭状态，形成一条缝，喷水孔的喷水量与水压有关，二者之间的相关式为：q＝0.9p+1.25，p为压力，单位为mpa，q为流量，单位ml/s，当内部p大于5mpa时，才会有水喷出。
直管302的截面直径为25mm，含水层模拟系统采用高强度塑胶材料制作而成；从里至外每个圆形水管301的截面直径依次为10mm，12mm，14mm，16mm，18mm和20mm；形成的圆形空间的直径依次为150mm，300mm，500mm，900mm，1300mm和1800mm。
本发明的圆形的含水层模拟系统，是专门针对三维相似模拟中工作面在一个见方距离内含水层透水模拟的装置，针对采空区顶板的中心部位透水系数大，采空区顶板的四周部位透水系数逐步降低的特性。
本发明装置还包括自动抚平加压装置，其包括设置在模拟架1上方的支撑杆502，在支撑杆502上活动连接有左右两个液压支柱503，液压支柱503能够沿支撑杆502在左右方向上自由滑动，在右侧的液压支柱503的下端连接有抚平装置504，左侧的液压支柱503的下端连接有压实板505，抚平装置504通过旋转轴506固定在液压支柱503的下端，抚平装置504包括旋转杆516和固定在其下端的抚平轮517，抚平轮517由多个弧形的钢制杆体构成，旋转轴506包括从上至下依次连接的第一支柱卡槽507、旋转电机508和从动轴509，旋转轴506还包括传动杆510，传动杆510的上端设置在旋转电机508的中部，下端设置在从动轴509的底部；
在模拟架1的两侧分别设置有一个固定支柱511，在固定支柱511上设置有升降装置512，支撑杆502的两端分别固定在两个升降装置512上。
第一支柱卡槽507固定在位于中间的液压支柱503的下端，从动轴509的下部和旋转杆516的上部设置有相互配合的螺纹结构，弧形的钢制杆体的数量为4个，抚平轮517能够顺时针和逆时针旋转；
压实板505为圆形，在压实板505的上部设置有第二支柱卡槽513，固定在位于两侧的液压支柱503的下端；
固定支柱511与模拟架1之间的距离为2000mm，第一支柱卡槽507的内径为60mm，外径为80mm，高度为50mm，旋转电机508的直径为80mm，高度为50mm，传动杆510的直径为15mm，长度为150mm，从动轴509的直径为50mm，高度为50mm；
抚平轮517旋转形成的圆的直径为1800mm，旋转杆516为中空结构，长度为400-600mm，内径为50mm；第二支柱卡槽513的内径为60mm，压实板505的直径和厚度分别为1700mm和8mm，材质为铁。最终达到的效果是抚平轮517可以逆时针和顺时针旋转，液压支柱503可以上下调整高度，根据每一层铺设的骨料的总量，需要模拟的厚度以及压实系数，调节抚平轮517在空间上高度值，这样实现了自动化，而且消除了逐层为参考系的累积误差。
采用的自动抚平加压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，进而确定升降装置512的高度和液压支柱503长度之间的关系，保证抚平轮517与模拟架1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(如砂子，石灰，水泥等)；
步骤三、架设模型，固定升降装置512和右侧的液压支柱503的高度，保证抚平轮517和模拟架1底板距离为：第一模拟分层的高度/k，倒入搅拌机搅拌好的第一模拟分层的骨料，启动抚平轮517，使其顺时针旋转，并在模拟架1内来回移动1个回合，保证骨料基本铺设平实，再逆时针旋转抚平轮517，在模拟架1内来回移动1个回合，保证多余骨料排除到整个模拟架1的周围，人工清理一下；
步骤四、升起右侧的液压支柱503，左侧的液压支柱503移到模拟架1内，压实到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，直到压到另一侧为止，升起液压支柱503并移出模拟架1以外；
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，去掉两个液压支柱503上的压实板505和抚平装置504，在模拟架1上方铺设若干铁块514，在其上方再铺设一块铁板515，铁板515的长度、宽度和厚度分别为5500mm、1900mm和10mm，两个液压支柱503均匀压在铁板515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，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的左端分别从两个第一通孔中穿出，且通过杆体611相连，杆体611与第一控制轴609和第三控制轴612的左端铰接，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的右端分别从两个第二通孔中穿出，且通过杆体611相连，杆体611与第二控制轴610和第四控制轴613的右端铰接；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。通过推动杆体611，使其向左或者向右倾斜，从而控制裂隙刀片606的方向；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，
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，主要是支撑作用，反弹以及保护；
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，通过旋转杆体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；
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，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，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。
以上仅是举例，还可以根据相似的方法调整后得到v型裂隙，w型裂隙、m型裂隙和波浪型裂隙。
模拟架1的长宽高分别为4000mm、2500mm和3000mm，复合土工排水体901的高度为100mm，
渗水孔902呈矩形分布，矩形的长和宽分别为2200mm和1500mm，渗透水箱903为椭圆形，长轴长3500mm，短轴长2500mm，高为100mm，矩形、渗透水箱903和模拟架1的底板的中心重合；
渗水孔902的直径为2mm，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。控压阀904可以控制渗透水箱903内的水压，从而模拟煤层底板透水或者煤层底板渗透率的大小；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。