本发明涉及矿山机械及教育领域，特别是涉及一种可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置。
背景技术：
近几年来，相似材料模拟理论和技术的也在不断发展中，各大高校利用相似模拟技术建立各种相似模拟架，并被广泛应用于能源矿产开发做各种工程中，同时也促进了相似模拟技术的发展。实践证明，物理相似模拟技术在采矿、水工、岩土等工程领域已被大量应用，取得了丰硕成果，在实际工程中的成功应用已充分证明了这种技术的实用性。
随着开采难度的增大，现在更多的水下开采，开采条件也更加复杂，所以利用大型相似模拟实验研究含水层的研究越来越多，但是目前相似模拟实验中模拟含水层底板透水系数的研究还没有，但十分迫切。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置。
一种可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置，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。
本发明所述的可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置，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。
本发明所述的可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置，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。
本发明所述的可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置，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。
本发明所述的可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置，其中，在所述煤层上方5h、10h和20h位置处分别设置包括多种裂隙的第一裂隙带、第二裂隙带和第三裂隙带，其中，h为所述煤层的高度；
所述第一裂隙带的长和宽分别为2200mm和1000mm，所述第二裂隙带的长和宽分别为1100mm和500mm，所述第三裂隙带的长和宽分别为500mm和250mm。
本发明所述的可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置，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多个裂隙片、裂隙片载体和裂隙片固定盒，所述裂隙片固定盒包括水平设置的固定杆，在所述固定杆上设置有多个通孔，在其中两个所述通孔处活动连接有滑道，所述滑道为中空管状结构，所述滑道和所述通孔之间采用角度固定扣连接，所述滑道的两端分别处在所述角度固定扣的上部和下部，且所述滑道能够以所述角度固定扣为轴在左右方向上自由旋转；
所述裂隙片载体为长条形，在其上设置有多个裂隙片固定扣，数量与所述通孔的数量一致，在所述裂隙片固定扣上活动连接有所述裂隙片。
本发明所述的可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置，其中，多个所述裂隙片规格相同或者具有多种规格；所述裂隙片固定盒还包括两个固定柱，在所述固定柱下端固定有垫片，所述固定杆的两端分别固定在两个所述固定柱的上端；多个所述通孔以及多个所述裂隙片固定扣均为等距分布，且相邻两个所述通孔之间的距离与相邻两个所述裂隙片固定扣之间的距离相等；所述滑道的横截面以及所述通孔均为长方形，尺寸设计为能够使所述裂隙片穿过；所述裂隙片能够以所述裂隙片固定扣为轴在左右方向上自由旋转。
本发明所述的可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置，其中，在制作所述裂隙时，采用如下制作方法：
根据需要，在裂隙片载体上间隔一定距离安装随机抽取的裂隙片，如果所述裂隙片规格相同，则固定裂隙预制装置，调整到预设的角度，固定滑道，将所述裂隙片载体按下，形成裂隙，然后拔起，调整所述裂隙片到反向相同角度，固定所述滑道，并将裂隙预制装置略微偏移一定距离，保证在界面处裂隙形成点相同，形成“反v”型裂隙，如果不偏移，则形成“v”型；
如果继续再在旁边预制同样一个“v”型裂隙，形成连接，则形成一个“w”型裂隙；
如果所述裂隙片采用的是随机长度，则会形成一系列随机裂隙；
如果预制随机裂隙，则所述裂隙片每次在使用一次之后全部更换，以保证裂隙的随机性；
裂隙制作完成后，在所述第一裂隙带中的裂隙间距为130-150mm，在所述第二裂隙带中的裂隙间距为90-110mm，在所述第三裂隙带中的裂隙间距为60-80mm，所有裂隙宽度为2.5-5.5mm，所有裂隙均以细中砂充填，填平。
本发明所述的可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置，其中，所述模拟架为长方体结构，前侧板和后侧板均由上部的侧护板和下部的固定板构成，左侧板、右侧板、所述固定板和模型底板为一体成型的结构，由钢材料制成，所述侧护板可拆卸地固定在所述左侧板和所述右侧板上，在所述模型底板上设置有多个渗透孔，在所述模型底板下部设置有水箱，所述水箱与所述渗透孔相连通并覆盖所有的所述渗透孔，在所述水箱上设置有控压阀。
本发明所述的可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置，其中，所述模拟架的长、宽和高分别为5000mm、2000mm和3000mm，所述固定板的高度为500mm，所述渗透孔直径为3mm，相邻两个所述渗透孔之间的距离为100mm。
本发明可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置与现有技术不同之处在于：
本发明可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置可以排除边界效应的影响，在三维模拟系统中，留设了200mm以上的边界煤柱，从而彻底排除了边界效应的影响，实验效果更加明显；
本发明可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置可以排除边界效应的影响，在三维模拟系统中，留设了300mm以上的边界煤柱，从而彻底排除了边界效应的影响，实验效果更加明显；
本发明可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置可以研究关键层的复合破断导致顶板导水裂隙异常发育的过程，可以研究具体开采条件下工作面安全煤岩柱应该如何留设。
下面结合附图对本发明的可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学实验装置作进一步说明。
附图说明
图1为本发明可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学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为本发明裂隙预制装置的剖面结构示意图；
图4为本发明裂隙预制装置中裂隙片固定盒的俯视结构示意图；
图5为采用本发明裂隙预制装置制作随机裂隙的流程示意图；
图6为本发明中模拟架的结构示意图；
图7为本发明中模拟架底板的结构示意图。
具体实施方式
如图1～图7所示，本发明可重复模拟采煤工作面底板透水系数的教学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。
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。
在煤层2上方5h、10h和20h位置处分别设置包括多种裂隙的第一裂隙带601、第二裂隙带602和第三裂隙带603，其中，h为煤层2的高度；
第一裂隙带601的长和宽分别为2200mm和1000mm，第二裂隙带602的长和宽分别为1100mm和500mm，第三裂隙带603的长和宽分别为500mm和250mm。
裂隙采用裂隙预制装置制作而成，本发明裂隙预制装置包括多个裂隙片701、裂隙片载体709和裂隙片固定盒，裂隙片固定盒包括水平设置的固定杆702，在固定杆702上设置有多个通孔703，在其中两个通孔703处活动连接有滑道704，滑道704为中空管状结构，滑道704和通孔703之间采用角度固定扣705连接，滑道704的两端分别处在角度固定扣705的上部和下部，且滑道704能够以角度固定扣705为轴在左右方向上自由旋转；
裂隙片载体709为长条形，在其上设置有多个裂隙片固定扣706，数量与通孔703的数量一致，在裂隙片固定扣706上活动连接有裂隙片701。
多个裂隙片701规格相同或者具有多种规格。
裂隙片固定盒还包括两个固定柱707，在固定柱707下端固定有垫片708，主要作用为增大接触面积，减小压强，这样在制作裂隙的时候不会对铺设的岩层有影响，固定杆702的两端分别固定在两个固定柱707的上端。
多个通孔703以及多个裂隙片固定扣706均为等距分布，且相邻两个通孔703之间的距离与相邻两个裂隙片固定扣706之间的距离相等。
滑道704的横截面以及通孔703均为长方形，尺寸设计为能够使裂隙片701穿过；裂隙片701能够以裂隙片固定扣706为轴在左右方向上自由旋转。
角度固定扣705为现有技术中任意的可以实现改变滑道704的角度并固定的装置，优选如下，滑道704的两侧分别具有一个角度固定扣705，滑道704与固定杆702相交的地方有2根铁杆，铁杆由贴片固定在固定杆702上，通过旋紧螺丝就可以固定滑道704的角度。裂隙片固定扣706为现有技术。
固定杆702长为500mm，相邻两个通孔703之间以及相邻两个裂隙片固定扣706之间的距离为20mm；固定柱707为伸缩杆结构，伸缩区间为70-100mm，滑道704的长度为20mm，在距离滑道704的上端5mm处固定有角度固定扣705。多个裂隙片701的长度在95-115mm之间，厚度在2.5-5.5mm之间，宽度在1-4mm之间。因此可以通过调节固定柱707的高度和滑道704的角度，做出各种角度和长度的预制裂隙；垫片708为铁片，长度和宽度分别为300mm和100mm。
采用裂隙预制装置制作裂隙的方法，包括如下步骤：
根据需要，在裂隙片载体709上间隔一定距离安装随机抽取的裂隙片701，如果裂隙片701规格相同，则固定裂隙预制装置，调整到预设的角度，固定滑道704，将裂隙片载体709按下，形成裂隙，然后拔起，调整裂隙片701到反向相同角度，固定滑道704，并将裂隙预制装置略微偏移一定距离，保证在界面处裂隙形成点相同，形成“反v”型裂隙，如果不偏移，则形成“v”型；
如果继续再在旁边预制同样一个“v”型裂隙，形成连接，则形成一个“w”型裂隙；
如果裂隙片701采用的是随机长度，则会形成一系列随机裂隙；
如果预制随机裂隙，则裂隙片701每次在使用一次之后全部更换，以保证裂隙的随机性；
裂隙制作完成后，在第一裂隙带601中的裂隙间距为130-150mm，在第二裂隙带602中的裂隙间距为90-110mm，在第三裂隙带603中的裂隙间距为60-80mm，所有裂隙宽度为2.5-5.5mm，所有裂隙均以细中砂充填，填平。
预制裂隙强调随机性，因此多个裂隙片701的长度分别为95-115mm之间，即裂隙之间的长度差在5mm左右，具体的裂隙长度由人为的压力控制；裂隙片701的厚度在2.5-5.5mm之间，裂隙片701的宽度在1-4mm之间，每次使用时均随机安装组成，因此最后得出角度一致，但长度宽度和厚度不一致，且随机的裂隙会保证形成众多w、v、反v和斜杠型等多种裂隙形态，且二者之间不会贯通，只会形成一种随机的预制裂隙形态，裂隙片载体709每次使用一次之后更换所有裂隙片701，以保证裂隙的随机性；第一裂隙带601间距较大，设为120-140mm，第二裂隙带602的裂隙间距设为90-110mm，在第三裂隙带603裂隙间距设为60-80mm，裂隙间距即每一次裂隙片载体709上的裂隙片701之间使用的间距。
在现实中，煤层2的底板会经常性积水或者透水，但是这在相似模拟试验中很难模拟，本发明通过如下设计可以模拟煤层积水或者透水：
模拟架1为长方体结构，前侧板和后侧板均由上部的侧护板和下部的固定板104构成，左侧板102、右侧板103、固定板104和模型底板101为一体成型的结构，由钢材料制成，侧护板可拆卸地固定在左侧板102和右侧板103上，在模型底板101上设置有多个渗透孔105，在模型底板101下部设置有水箱106，水箱106与渗透孔105相连通并覆盖所有的渗透孔105，在水箱106上设置有控压阀107。
模拟架1的长、宽和高分别为5000mm、2000mm和3000mm，固定板104的高度为500mm，渗透孔105直径为3mm，相邻两个渗透孔105之间的距离为100mm。
含水层3排水之后，水渗透到模拟架1底端，经过渗透孔105渗透到模型底板101以下的水箱106，水箱106外连接有控压阀107，控压阀107根据模型底板101渗透系数来决定渗流量，当模拟底板突水时，能根据模拟水压提供水箱106内压力。
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。