本发明涉及本发明涉及矿山机械及教育领域，，特别是涉及一种基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置。
背景技术：
相似材料模拟是可许实验的一种，这是人们探讨和认识低压规律的途径之一，用与天然岩石物理力学性质相似的人工材料，按矿山实际原型，遵循一定比例缩小做成模型，然后在模型中开挖巷道模拟采场工作，观察模型的变形，唯一，破坏和岩层移动等情况，据以分析，推测原型中发生的情况，这种方法称为相似材料模拟方法。
在岩石中由于地质作用的影响而产生的裂缝。由于地壳运动而引起的裂隙，称为“构造裂隙”；由于风化作用而引起的裂隙，称为“风化裂隙”(属“次生裂隙”)；在火成岩冷凝过程中及沉积物固化成岩石的过程中产生的裂隙，称为“成岩裂隙”。研究岩石的裂隙对寻找矿产及水文地质、工程地质都具有重要的现实意义，在相似模拟试验中，预制裂隙对于高度还原实际生产情况有重要作用；
专利201610666831.1提供了一种长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置及方法，能够实现真实岩石试样的多方位三维调整，满足贯通裂隙的制作要求，与此同时，通过电动丝锯组件和裂隙宽度控制组件的配合，完成不同条数，不同倾角、不同宽度断续预制裂隙的制作；专利201410052815.4提供了一种随机裂隙岩石试样的制作方法，利用锡条和砂浆材料混合搅拌，保证了裂隙岩石大量随机裂隙的制作，便于调节裂隙的概率密度分布
目前对于三维相似模拟中的裂隙预制装置研究很少。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置。
一种基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置，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布置成矩形的进水管和设置在所述矩形内部的多个条状喷水管，所述多个条状喷水管平行设置，且所述条状喷水管的两端分别与所述进水管相连通，在所述条状喷水管的底部均匀设置有多个喷水孔，所述进水管与智能控压水箱相连；
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。
本发明所述的基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置，其中，所述条状喷水管与所述矩形的宽度方向平行，所述条状喷水管和所述进水管的横截面均为直径为15mm的圆，所述矩形的长为5000mm，宽为1700mm，相邻两个所述条状喷水管之间的间距为100mm，所述喷水孔的直径为1mm，多个所述喷水孔之间的间距为100mm，所述智能控压水箱的压力范围为0-5mpa，最大控制精度为0.1mpa。
本发明所述的基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置，其中，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；
所述电阻杆为中空结构，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。
本发明所述的基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置，其中，所述电阻杆的长度为2500mm，电阻为5kω，直径为18mm，电源为12v，所述渗透距测量仪的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。
本发明所述的基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置还包括自动抚平加压骨料装置，包括和设置在模拟架上方的支撑杆，在所述支撑杆上活动连接有3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，在中间的所述液压支柱的下端连接有抚平装置，两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。
本发明所述的基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置，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。
本发明所述的基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置，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。
本发明所述的基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置，其中，采用所述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中间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、升起中间的所述液压支柱，两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，直到两个均压到中间位置为止，升起两个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，去掉三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，三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。
本发明所述的基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置，其中，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；
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。
本发明所述的基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置，其中，在制作裂隙时，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。
本发明基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置与现有技术不同之处在于:
本发明基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置可以根据实验要求，在相似模拟实验的骨料平面上预制裂隙，以达到在煤层上方的岩层中预制裂隙的目的，因为实际生产中，当煤层开挖后，岩层都会受到不同程度的扰动，从而产生裂隙，这样模拟岩层在后续的垮落中更贴近的实际生产；
本发明裂隙预制装置可以根据实验需求，完成不同类型的裂隙预制；
本发明裂隙预制装置简单快速，科学合理，成本低，效率高。
下面结合附图对本发明的基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置作进一步说明。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
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为本发明中自动抚平加压骨料装置的结构示意图；
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为本发明裂隙预制装置的剖面结构示意图；
图10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11为采用本发明裂隙预制装置制作随机裂隙的流程示意图。
具体实施方式
如图1～图11所示，一种基于裂隙预制系统的安全采煤的模拟装置，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7，含水层模拟系统7包括布置成矩形的进水管701和设置在矩形内部的多个条状喷水管702，多个条状喷水管702平行设置，且条状喷水管702的两端分别与进水管701相连通，在条状喷水管702的底部均匀设置有多个喷水孔703，进水管701与智能控压水箱704相连。
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、第二裂隙带和第三裂隙带，其中，h为煤层2的高度。
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601、裂隙片载体609和裂隙片固定盒，裂隙片固定盒包括水平设置的固定杆602，在固定杆602上设置有多个通孔603，在其中两个通孔603处活动连接有滑道604，滑道604为中空管状结构，滑道604和通孔603之间采用角度固定扣605连接，滑道604的两端分别处在角度固定扣605的上部和下部，且滑道604能够以角度固定扣605为轴在左右方向上自由旋转。
以下为优选方式：
第一裂隙带的长和宽分别为2200mm和1000mm，第二裂隙带的长和宽分别为1100mm和500mm，第三裂隙带的长和宽分别为500mm和250mm；在第一裂隙带中裂隙之间的间距为130-150mm，在第二裂隙带中裂隙之间的间距为90-110mm，在第三裂隙带中裂隙之间的间距为60-80mm，所有的裂隙的宽度为2.5-5.5mm，裂隙中以细中砂充填，填平。
条状喷水管702与矩形的宽度方向平行，条状喷水管702和进水管701的横截面均为直径为15mm的圆，矩形的长为5000mm，宽为1700mm，相邻两个条状喷水管702之间的间距为100mm，喷水孔703的直径为1mm，多个喷水孔703之间的间距为100mm，智能控压水箱704的压力范围为0-5mpa，最大控制精度为0.1mpa。
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，渗透距测量仪4主要作用为测量含水层3渗透影响范围；电阻杆403为中空结构，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。
电阻杆403的长度为2500mm，电阻为5kω，直径为18mm，电源为12v，渗透距测量仪4的一端设置在模拟架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。当一段电阻杆403表面土壤有水时，这段的电阻短路，电阻即约等于0，因此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。
裂隙片载体609为长条形，在其上设置有多个裂隙片固定扣606，数量与通孔603的数量一致，在裂隙片固定扣606上活动连接有裂隙片601。
多个裂隙片601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607，在固定柱607下端固定有垫片608，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602的两端分别固定在两个固定柱607的上端。
多个通孔603以及多个裂隙片固定扣606均为等距分布，且相邻两个通孔603之间的距离与相邻两个裂隙片固定扣606之间的距离相等。
滑道604的横截面以及通孔603均为长方形，尺寸设计为能够使裂隙片601穿过；裂隙片601能够以裂隙片固定扣606为轴在左右方向上自由旋转。
角度固定扣605为现有技术中任意的可以实现改变滑道604的角度并固定的装置，优选如下，滑道604的两侧分别具有一个角度固定扣605，滑道604与固定杆602相交的地方有2根铁杆，铁杆由贴片固定在固定杆602上，通过旋紧螺丝就可以固定滑道604的角度。裂隙片固定扣606为现有技术。
固定杆602长为500mm，相邻两个通孔603之间以及相邻两个裂隙片固定扣606之间的距离为20mm；固定柱607为伸缩杆结构，伸缩区间为70-100mm，滑道604的长度为20mm，在距离滑道604的上端5mm处固定有角度固定扣605。多个裂隙片601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607的高度和滑道604的角度，做出各种角度和长度的预制裂隙；垫片608为铁片，长度和宽度分别为300mm和100mm。
本发明包括自动抚平加压骨料装置，包括模拟架1和设置在其上方的支撑杆502，在支撑杆502上活动连接有3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，在中间的液压支柱503的下端连接有抚平装置504，两侧的液压支柱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，可以随着升降装置512上下滑动。
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。
采用本发明的自动抚平加压骨料的相似模拟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％(压实度根据多次试验，一般为94％即可)；
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和中间的液压支柱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、升起中间的液压支柱503，两侧的液压支柱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，直到两个均压到中间位置为止，升起两个液压支柱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、如图5所示，铺设完最后一层后，去掉三个液压支柱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，三个液压支柱503均匀压在铁板515上，实现了上覆岩层的压力替换。
采用裂隙预制装置制作裂隙的方法：
在相似模拟系统内进行裂隙的制作，相似模拟系统包括模型支架和设置在其内部的煤层和其他岩层，在煤层的上部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为煤层高度，第一裂隙带的长和宽分别为2200mm和1000mm，第二裂隙带的长和宽分别为1100mm和500mm，第三裂隙带的长和宽分别为500mm和250mm；
根据需要，在裂隙片载体609上间隔一定距离安装随机抽取的裂隙片601，如果裂隙片601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604，将裂隙片载体609按下，形成裂隙，然后拔起，调整裂隙片601到反向相同角度，固定滑道604，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601采用的是随机长度，则会形成一系列随机裂隙，图3为随机裂隙的制作流程示意图；
如果预制随机裂隙，则裂隙片601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，在第一裂隙带中的裂隙间距为130-150mm，在第二裂隙带中的裂隙间距为90-110mm，在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。
预制裂隙强调随机性，因此多个裂隙片601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601的厚度在2.5-5.5mm之间，裂隙片601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609每次使用一次之后更换所有裂隙片601，以保证裂隙的随机性；第一裂隙带间距较大，设为120-140mm，第二裂隙带的裂隙间距设为90-110mm，在第三裂隙带裂隙间距设为60-80mm，裂隙间距即每一次裂隙片载体609上的裂隙片601之间使用的间距。
在制作裂隙时，采用如下制作方法：
根据需要，在裂隙片载体609上间隔一定距离安装随机抽取的裂隙片601，如果裂隙片601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604，将裂隙片载体609按下，形成裂隙，然后拔起，调整裂隙片601到反向相同角度，固定滑道604，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601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601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，在第一裂隙带中的裂隙间距为130-150mm，在第二裂隙带中的裂隙间距为90-110mm，在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。
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。