用于3d打印相似物理模型的复合型喷嘴及其工作方法
阅读说明：本技术 用于3d打印相似物理模型的复合型喷嘴及其工作方法 (Composite nozzle for 3D printing of similar physical model and working method thereof ) 是由 冯晓巍 薛飞 杜高明 王德华 于 2021-06-28 设计创作，主要内容包括：一种用于3D打印相似物理模型的复合型喷嘴及其工作方法,喷嘴：锚杆植入模块和挤出喷嘴模块分别设置在衔接模块的两端；锚杆植入模块包括植入壳体、顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置,植入壳体上端的固接有锚杆贮存桶,其上端开设有锚杆贮存槽；顶底、帮部锚杆输出装置均设置在植入壳体中；顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置的结构相同,均由输出喷嘴、第一和第二咬合驱动轮组成；挤出喷嘴模块包括模块间衔接块、两个衔接块和两个喷嘴。方法：确定出合适的缩小比例和打印参数；调配水泥基材料,连接物料泵送管道；启动打印；同步输出锚杆；形成支护系统；测试及分析。本发明能在相似物理模型的3D打印过程中自动化地同步植入缩尺锚杆支护构件。(A composite nozzle for 3D printing of similar physical models and a working method thereof are disclosed, wherein the nozzle comprises the following components: the anchor rod implanting module and the extrusion nozzle module are respectively arranged at two ends of the connecting module; the anchor rod implantation module comprises an implantation shell, a top-bottom anchor rod output device and a side anchor rod output device, wherein an anchor rod storage barrel is fixedly connected to the upper end of the implantation shell, and an anchor rod storage groove is formed in the upper end of the implantation shell; the top bottom anchor rod output device and the upper anchor rod output device are both arranged in the implantation shell; the top-bottom anchor rod output device and the upper anchor rod output device have the same structure and are respectively composed of an output nozzle, a first occlusion driving wheel and a second occlusion driving wheel; the extrusion nozzle module comprises an inter-module connection block, two connection blocks and two nozzles. The method comprises the following steps: determining a proper reduction ratio and printing parameters; preparing a cement-based material, and connecting a material pumping pipeline; starting printing; synchronously outputting the anchor rods; forming a support system; and (6) testing and analyzing. The invention can automatically and synchronously implant the scale anchor bolt supporting component in the 3D printing process of the similar physical model.)
技术领域
本发明属于矿山岩土领域中采用混凝土3D打印技术领域，具体涉及一种用于3D打印相似物理模型的复合型喷嘴及其工作方法。
背景技术
相似物理模拟方法是矿山岩土领域反演真实地质工程响应的有效手段，该方法一般在实验室中进行，通过构筑缩尺模型，并模拟真实地质条件及开挖步骤，进而可通过加载的方式来获取岩土体在变形失效过程的位移场、应力场、巷道变形等特征。这一方法由于经济成本低、操作过程相对简单、结果相对直观明了而在相关研究领域得到了大幅应用，是目前实验室内研究岩土体变形不可或缺的方法之一。
目前，相似物理模拟的材料主要还是黄沙、水泥、云母片等传统材料，按照特定相似比进行计算后，选取合适骨料，然后通过人工的方式进行一层一层的堆积，在每层堆积完成后再通过人工夯实，最终形成整个模型。在现有技术中，基于这种方法构筑成型的相似模型存在下述缺点：层间强度难以控制、岩层厚度难以保持均一、岩层强度无法与目标岩层吻合、人工作业量较大、养护试件较长、受环境因素影响较大等。因此，传统相似物理模拟多数难以得到符合真实情形的结果，受操作者主观影响较大，岩层跨冒时常难以发生。如何有效解决当前相似物理模拟试验中失真现象明显、结果精确度低等问题不仅仅对矿业领域的研究相对重要，对邻近工程领域的相关研究也有着一定的参考意义。
3D打印作为一种新兴技术，近年来得到了飞速的发展，其作为一种增材制造技术，具有传统铸造技术所不具备的优势，能够成型复杂构件，使得过去难以加工成型的部件的制造过程变得简单经济且可靠，同时，也能使成品的强度得到有效的保证。目前3D打印的材料有很多种类，例如聚乳酸材料、光敏树脂材料、金属粉末材料、混凝土材料等。近年来，混凝土3D打印技术在建筑领域发展迅速，具有材料消耗低、人员参与少、自动化程度高、复杂目标部件成型简易等优势。有效结合3D混凝土打印所具有的优势，可以构筑矿山相似物理模型，模型通过计算机构建，能够保证较高精确性，模拟岩层的打印具有较高的自主性，能够复制某些复杂煤岩层。但是，在构筑矿山相似物理模型中，还需要同步植入锚杆，以更有效的模拟真实地质条件。现有技术中，并不具有具有同步锚杆植入功能的3D混凝土打印喷嘴，因而，降低了相似物理模型的打印效率，同时，还需要通过人工同步植入锚杆，增加了操作人员的劳动强度。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于3D打印相似物理模型的复合型喷嘴及其工作方法，该喷嘴能在相似物理模型的3D打印过程中自动化地同步植入缩尺锚杆支护构件，可降低支护构件植入的难度，并能有效降低操作人员的劳动强度；该方法步骤简单，能结合3D混凝土打印所具有的优势快速精确的构筑出矿山相似物理模型，可有效的减少参与人员的数量和成本，能够有效复制出复杂的煤岩层结构。
本发明提供一种用于3D打印相似物理模型的复合型喷嘴，包括挤出喷嘴模块、衔接模块和锚杆植入模块；
所述锚杆植入模块和挤出喷嘴模块分别设置在衔接模块的左端和右端；
所述锚杆植入模块包括植入壳体、顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置，所述植入壳体的右端固定连接在衔接模块的左端，内部左侧设置有竖向承载腔，其内部右侧开设置有横向承载腔，植入壳体上端的左部固定连接有锚杆贮存桶，其上端的右部开设有横向延伸的锚杆贮存槽，锚杆贮存桶位于竖向承载腔的上方，并且其底部通过竖向排料通道与竖向承载腔的上端连通，锚杆贮存槽位于横向承载腔的上方，并且其底部通过横向排料通道与横向承载腔的上部连通；植入壳体的左端开设有横向延伸的第一条形通孔，第一条形通孔的右端与横向承载腔的左端连通，其左端与植入壳体的左端外部连通，植入壳体的下端开设有纵向延伸的第二条形通孔，第二条形通孔的上端与竖向承载腔的下端连通，其下端与植入壳体的下端外部连通；
所述顶底锚杆输出装置竖向的设置在竖向承载腔中，所述帮部锚杆输出装置横向的设置在横向承载腔中；所述顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置的结构相同，均由输出喷嘴、第一咬合驱动轮和第二咬合驱动轮组成；所述输出喷嘴的中心沿长度方向贯通的开设有用于通过帮部植入锚杆或顶底植入锚杆的轴向通孔，输出喷嘴安装在第一条形通孔或第二条形通孔中，第一咬合驱动轮和第二咬合驱动轮相对的设置在竖向承载腔或横向承载腔的两侧，第一咬合驱动轮通过固定连接在其中心两侧的两个第一驱动轮轴可转动的连接于植入壳体的内部，且其中的一个第一驱动轮轴与第一伺服电机的输出轴连接，第二咬合驱动轮通过固定连接在其中心两侧的两个第二驱动轮轴可转动的连接于植入壳体的内部，且其中的一个第二驱动轮轴与第二伺服电机的输出轴连接；第一咬合驱动轮和第二咬合驱动轮相向转动配合，用于咬合帮部植入锚杆或顶底植入锚杆并将帮部植入锚杆或顶底植入锚杆向外部输送；
所述挤出喷嘴模块包括模块间衔接块、喷嘴A衔接块、喷嘴B衔接块、喷嘴A、喷嘴B和物料输入管道；所述模块间衔接块的左端固定连接在衔接模块的右端；所述喷嘴A衔接块和喷嘴B衔接块前后并排的固定连接在模块间衔接块的右端，其内部分别开设有竖向贯通的排料通道A和排料通道B；喷嘴A衔接块和喷嘴B衔接块上分别安装有用于控制排料通道A和排料通道B开闭的喷嘴A阀门和喷嘴B阀门；所述喷嘴A和喷嘴B分别固定连接在喷嘴A衔接块和喷嘴B衔接块的下端，且喷嘴A和喷嘴B之间具有喷嘴间隙，喷嘴间隙在前后方向上的距离大于待植入的帮部植入锚杆或顶底植入锚杆的外径；喷嘴A和喷嘴B的进料端分别与排料通道A的排料端和排料通道B的排料端连通；所述物料输入管道安装在喷嘴A衔接块和喷嘴B衔接块的顶部，且其出料端分别与排料通道A的进料端和排料通道B的进料端连通。
进一步，为了方便连接供料管路或物料输出设备，所述物料输入管道进料端的外部固定连接有法兰，且进料端中固定连接有转接阀。
进一步，为了能实现输出锚杆倾斜角度的自动化调整，以能提高该喷嘴的适用范围，所述顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置还包括两个摆动轴、第一拉簧、第二拉簧、顶升滑槽、驱动顶杆、第一升降齿轮、第二升降齿轮和万向轴；
所述第一条形通孔和第二条形通孔的孔径大于输出喷嘴外径的尺寸；两个摆动轴的一端相对称的固定连接在输出喷嘴中部的两侧，且另一端可转动的连接于第一条形通孔或第二条形通孔相对两侧的内侧壁上，使输出喷嘴可摆动的设置在第一条形通孔或第二条形通孔中；
第一拉簧的一端和第二拉簧的一端分别连接在输出喷嘴摆动范围中心相对两侧的外侧壁上，且位于输出喷嘴中部的一侧，第一拉簧的另一端和第二拉簧的另一端分别与第一条形通孔和第二条形通孔相对两侧的内侧壁连接，第一拉簧和第二拉簧用于提供相对的平衡拉力使输出喷嘴复位到水平或竖直状态；
所述顶升滑槽开设在植入壳体的内部，且设置在输出喷嘴里端外部的一侧，且其长度方向与达到水平或竖直状态的输出喷嘴相垂直，且其与第一条形通孔或第二条形通孔相连通；所述驱动顶杆可滑动的设置在顶升滑槽中；
第一升降齿轮和第二升降齿轮相对的设置在驱动顶杆的两侧，第一升降齿轮通过固定连接在其中心两侧的两个第一齿轮轴可转动的连接于植入壳体的内部，且其中的一个第一齿轮轴与第一驱动电机的输出轴连接，第二升降齿轮通过固定连接在其中心两侧的两个第二齿轮轴可转动的连接于植入壳体的内部，且其中的一个第二齿轮轴与第二驱动电机的输出轴连接；第一升降齿轮和第二升降齿轮相向转动配合，用于咬合驱动顶杆并驱动驱动顶杆沿顶升滑槽长度方向往复滑动；
所述万向轴设置于顶升滑槽中，其一端与输出喷嘴的里端铰接，其另一端与驱动顶杆的一端铰接。
进一步，为了方便级联多个复合型喷嘴，所述衔接模块的前端开设有向内部凹陷的连接母槽，其后端固定连接有向外部突出的连接公头，连接公头与衔接模块相互插接配合，用于连接相邻。
作为一种优选，所述外壳体A呈立方体状；所述喷嘴A和喷嘴B的断面均呈上大下小的倒梯形结构。
在该技术方案中，通过在衔接模块的左右两侧分别设置锚杆植入模块和挤出喷嘴模块，并使锚杆植入模块的内部设置顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置，这样，能在3D打印过程中同步的实现顶底锚杆和帮部锚杆的有效植入，从而可以有效解决现有技术中相似物理模拟试验中失真现象明显、结果精确度低的问题。通过使第一咬合驱动轮和第二咬合驱动轮的相配合设置，能方便的将锚杆通过输出喷嘴向外部输出，从而便于自动化的完成锚杆的插入过程。通过使输出喷嘴的相对两中固定连接有两个摆动轴，可以使输出喷嘴在第一条形通孔或第二条形通孔中具有一定的摆动幅度。通过第一升降齿轮和第二升降齿轮的相对配合设置，能方便的通过驱动顶杆的往复运动来带动输出喷嘴一端的摆动范围，从而可以自动化的改变输出喷嘴的倾斜角度，能实现特定倾斜角度锚杆的同步植入。该喷嘴能在相似物理模型的3D打印过程中自动化地同步植入缩尺锚杆支护构件，可降低支护构件植入的难度，并能有效降低操作人员的劳动强度。
本发明还提供了一种用于3D打印相似物理模型的复合型喷嘴的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：基于真实地质模型，确定出合适的缩小比例，进而确定帮部植入锚杆和顶底植入锚杆的尺寸；再通过计算机建立相似物理模型的数字模型，并根据模型及巷道情况对模型进行拆分，使巷道的左帮和右帮以选定的一条竖直线为基准切开打印，并合理确定出各个打印单元的打印顺序；
步骤二：将每一个打印单元导出为stl格式文件，并将stl格式文件导入3D打印机中进行切片，确定出打印参数；
步骤三：根据原始模型岩层赋存情况合理调配水泥基材料，并根据模型厚度及支护间排距确定所需复合型喷嘴的数量，使相邻的复合型喷嘴之间通过连接公头与衔接模块的相互插接进行连接，并确保稳定可靠的连接；通过转接阀和法兰连接物料泵送管道；再根据模型的厚度，进一步确定是否开启喷嘴A阀门和喷嘴B阀门；
步骤四：将尺寸按比例缩小后的顶底植入锚杆和帮部植入锚杆分别置入锚杆贮存桶和锚杆贮存槽内，并使锚杆贮存桶和锚杆贮存槽内的第一根锚杆分别装入顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置的输出喷嘴中，启动系统并操作顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置使锚杆露出长度能够正好接触到所设置已打印层的上表面，即前一打印层的上表面；
步骤五：启动3D打印机，按照层层累积的方式打印相似物理模型，层与层之间通过层间间隔线进行区分；使当前打印层随着复合型喷嘴前移依次成型，同时单一复合型喷嘴A和喷嘴B所分别成型的打印单元以间隙留隔迹线区分，相邻复合型喷嘴之间以单元分隔迹线区分；
在打印过程中，在巷道的成型位置，按照在步骤二中设定的打印参数实时控制第一伺服电机和第二伺服电机启动，进而带动第一咬合驱动轮和第二咬合驱动轮相向转动，顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置将锚杆插入到前一打印层中，插入的深度与伺服电机转动圈数成正比关系，第一伺服电机和第二伺服电机的运行与复合型喷嘴的前移相斥，前者运行，后者等待，直至形成前一层植入锚杆；第一伺服电机和第二伺服电机停止后，控制复合型喷嘴继续前移，已经插入的前一层植入锚杆通过喷嘴间隙，随后被喷嘴A和喷嘴B所挤出物料掩盖，形成当前层植入锚杆；
步骤六：待所有单元打印完成后，养护10天，将相似物理模型的各单元进行拼装，形成完整模型，再依据工程情形，在特定支护区域安装缩小尺寸的梯子梁和钢带，并使梯子梁和钢带开孔对应于锚杆位置，而后安装托盘；最后依据缩小尺寸的锚杆参数，选定特定标号螺母，拧紧螺母，形成整体支护系统；
步骤七：将所完成的3D打印相似物理模型继续养护，并开展后续测试分析工作。
作为一种优选，在步骤二中，所述打印参数包括层高、打印速度、锚杆安装位置、锚杆安装等待时间的信息。
作为一种优选，在步骤三中，开启喷嘴A阀门和喷嘴B阀门，使喷嘴A和喷嘴B均至少挤出高度不低于20cm的物料进行流畅性测试。
进一步，为了能提高通用范围，并能更好的打印出相似物理模型，在步骤五中，在巷道帮部的锚杆支护中，在特定需要支护位置，通过控制喷嘴A阀门和喷嘴B阀门分别控制喷嘴A和喷嘴B停止挤出物料，并控制整体复合型喷嘴向上抬升15mm，而后空行到模型的远端并旋转180°，待植入帮部植入锚杆和顶底植入锚杆正对帮部，而后下降复合型喷嘴到需要进行锚杆支护的高度，最后返回到需要支护位置；启动第一伺服电机和第二伺服电机带动第一咬合驱动轮和第二咬合驱动轮转动，通过顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置将锚杆插入已打印层中；上述步骤之后，整体复合型喷嘴空行到模型远端，旋转180°，而后上升复合型喷嘴到当前层打印高度，并返回到前述停止挤出位置，开始后续打印过程。
进一步，为了能实现倾斜锚杆的同步插入，以提高其通用性，在步骤五中，在打印过程中需要进行倾斜锚杆的植入时，先在需要植入位置控制喷嘴A和喷嘴B停止挤出物料，再根据倾斜角度要求启动第一驱动电机和第二驱动电机以同步驱动第一升降齿轮和第二升降齿轮，以带动驱动顶杆上升或下降设定高度，进而通过万向轴带动输出喷嘴绕摆动轴上扬和下俯设定角度，该角度和第一驱动电机和第二驱动电机的转动圈数成正比关系，而后再控制第一伺服电机和第二伺服电机启动以通过第一咬合驱动轮和第二咬合驱动轮推出锚杆，并将锚杆插入到对应位置及对应深度；在完成倾斜锚杆的植入时，通过第一驱动电机和第二驱动电机驱动第一升降齿轮和第二升降齿轮，以带动驱动顶杆恢复到原始位置，在第一拉簧和第二拉簧的共同作用下，输出喷嘴复位到水平或竖直状态。
本方法步骤简单，实施成本低，可以快速精确的实现相似物理模型的3D打印构建，并可以在相似物理模型的3D打印过程中同步的植入锚杆支护构件，使得支护构件植入的难度大大降低，并提高了自动化程度。本方法还可以实现倾斜锚杆的植入，有利于实现真实模型的精准还原，从而可以为矿山相似物理模拟技术提供一种全新的手段。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中复合型喷嘴打印的过程示意图；
图3是本发明中顶底锚杆输出装置或帮部锚杆输出装置的结构示意图。
图中：1、衔接模块，2、锚杆植入模块，3、挤出喷嘴模块，4、相似物理模型；
1-1、连接母槽，1-2、连接公头；
2-1、锚杆贮存槽，2-2、帮部植入锚杆，2-3、锚杆贮存桶，2-4、顶底植入锚杆，2-5、顶底锚杆输出装置，2-6、帮部锚杆输出装置，2-7、输出喷嘴，2-8、植入壳体；
3-1、喷嘴A，3-2、喷嘴B，3-3、喷嘴间隙，3-4、喷嘴A阀门，3-5、喷嘴B阀门，3-6、喷嘴A衔接块，3-7、喷嘴B衔接块，3-8、模块间衔接块，3-9、转接阀，3-10、法兰，3-11、物料输入管道；
4-1、层间间隔线，4-2、当前打印层，4-3、前一打印层，4-4、当前层植入锚杆，4-5、间隙留隔迹线，4-6、单元分隔迹线，4-7、前一层植入锚杆；
5-1、第一咬合驱动轮，5-2、第二咬合驱动轮，5-3、第一驱动轮轴，5-4、第二驱动轮轴，5-5、第一拉簧，5-6、驱动顶杆，5-7、第二拉簧，5-8、摆动轴，5-9、第一升降齿轮，5-10、第二升降齿轮，5-11、第一齿轮轴，5-12、第二齿轮轴，5-13、万向轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发明提供一种用于3D打印相似物理模型的复合型喷嘴，包括挤出喷嘴模块3、衔接模块1和锚杆植入模块2；
所述锚杆植入模块2和挤出喷嘴模块3分别设置在衔接模块1的左端和右端；
所述锚杆植入模块2包括植入壳体2-8、顶底锚杆输出装置2-5和帮部锚杆输出装置2-6，所述植入壳体2-8的右端固定连接在衔接模块1的左端，内部左侧设置有竖向承载腔，其内部右侧开设置有横向承载腔，植入壳体2-8上端的左部固定连接有锚杆贮存桶2-3，其上端的右部开设有横向延伸的锚杆贮存槽2-1，锚杆贮存桶2-3用于承载按比例缩小尺寸的顶底植入锚杆2-4，锚杆贮存槽2-1用于承载按比例缩小尺寸的帮部植入锚杆2-2；
锚杆贮存桶2-3位于竖向承载腔的上方，并且其底部通过竖向排料通道与竖向承载腔的上端连通，锚杆贮存槽2-1位于横向承载腔的上方，并且其底部通过横向排料通道与横向承载腔的上部连通；植入壳体2-8的左端开设有横向延伸的第一条形通孔，第一条形通孔的右端与横向承载腔的左端连通，其左端与植入壳体2-8的左端外部连通，植入壳体2-8的下端开设有纵向延伸的第二条形通孔，第二条形通孔的上端与竖向承载腔的下端连通，其下端与植入壳体2-8的下端外部连通；
所述顶底锚杆输出装置2-5竖向的设置在竖向承载腔中，所述帮部锚杆输出装置2-6横向的设置在横向承载腔中；所述顶底锚杆输出装置2-5和帮部锚杆输出装置2-6的结构相同，均由输出喷嘴2-7、第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2组成；所述输出喷嘴2-7的中心沿长度方向贯通的开设有用于通过帮部植入锚杆2-2或顶底植入锚杆2-4的轴向通孔，输出喷嘴2-7安装在第一条形通孔或第二条形通孔中，第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2相对的设置在竖向承载腔或横向承载腔的两侧，第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2之间形成用于输送锚杆的输送通道，该输送通道的进料端与竖向排料通道或横向排料通道相对应，其出料端与输出喷嘴2-7中的孔道相对应，其中，在顶底锚杆输出装置2-5中，第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2相对的设置在横向排料通道出料端的上下两侧；在帮部锚杆输出装置2-6中，第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2相对的设置在竖向排料通道出料端的左右两侧；
第一咬合驱动轮5-1通过固定连接在其中心两侧的两个第一驱动轮轴5-3可转动的连接于植入壳体2-8的内部，并可转动的设置于横向承载腔或竖向承载腔中；且其中的一个第一驱动轮轴5-3与第一伺服电机的输出轴连接，第二咬合驱动轮5-2通过固定连接在其中心两侧的两个第二驱动轮轴5-4可转动的连接于植入壳体2-8的内部，并可转动的设置于横向承载腔或竖向承载腔中；且其中的一个第二驱动轮轴5-4与第二伺服电机的输出轴连接；第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2相向转动配合，用于咬合帮部植入锚杆2-2或顶底植入锚杆2-4并将帮部植入锚杆2-2或顶底植入锚杆2-4向外部输送；
作为一种优选，竖向排料通道的尺寸刚好适合一根顶底植入锚杆2-4通过，从而便于通过竖向排料通道的顶底植入锚杆2-4能顺利进入形成于第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2之间的输送通道，进而可以方便的进入第二条形通道并进入到输出喷嘴2-7中；
作为一种优选，横向排料通道的尺寸刚好适合一根帮部植入锚杆2-2通过，从而便于通过横向排料通道的帮部植入锚杆2-2能顺利进入形成于第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2之间的输送通道，进而可以方便的进入第二条形通道并进入到输出喷嘴2-7中；作为一种优选，横向排料通道呈左低右高倾斜的平行四边行排料通道，从而可以使通过其中的最下方的一根帮部植入锚杆2-2的左端能够自动的进入到横向承载腔中，并自动的进入到形成于第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2之间的输送通道中；
所述挤出喷嘴模块3包括模块间衔接块3-8、喷嘴A衔接块3-6、喷嘴B衔接块3-7、喷嘴A3-1、喷嘴B3-2和物料输入管道3-11；所述模块间衔接块3-8的左端固定连接在衔接模块1的右端；所述喷嘴A衔接块3-6和喷嘴B衔接块3-7前后并排的固定连接在模块间衔接块3-8的右端，其内部分别开设有竖向贯通的排料通道A和排料通道B；喷嘴A衔接块3-6和喷嘴B衔接块3-7上分别安装有用于控制排料通道A和排料通道B开闭的喷嘴A阀门3-4和喷嘴B阀门3-5；所述喷嘴A3-1和喷嘴B3-2分别固定连接在喷嘴A衔接块3-6和喷嘴B衔接块3-7的下端，且喷嘴A3-1和喷嘴B3-2之间具有喷嘴间隙3-3，喷嘴间隙3-3在前后方向上的距离大于待植入的帮部植入锚杆2-2或顶底植入锚杆2-4的外径；喷嘴A3-1和喷嘴B3-2的进料端分别与排料通道A的排料端和排料通道B的排料端连通；所述物料输入管道3-11安装在喷嘴A衔接块3-6和喷嘴B衔接块3-7的顶部，且其出料端分别与排料通道A的进料端和排料通道B的进料端连通。
为了方便连接供料管路或物料输出设备，所述物料输入管道3-11进料端的外部固定连接有法兰3-10，且进料端中固定连接有转接阀3-9。
为了能实现输出锚杆倾斜角度的自动化调整，以能提高该喷嘴的适用范围，所述顶底锚杆输出装置2-5和帮部锚杆输出装置2-6还包括两个摆动轴5-8、第一拉簧5-5、第二拉簧5-7、顶升滑槽、驱动顶杆5-6、第一升降齿轮5-9、第二升降齿轮5-10和万向轴5-13；
所述第一条形通孔和第二条形通孔的孔径大于输出喷嘴2-7外径的尺寸；两个摆动轴5-8的一端相对称的固定连接在输出喷嘴2-7中部的两侧，且另一端可转动的连接于第一条形通孔或第二条形通孔相对两侧的内侧壁上，使输出喷嘴2-7可摆动的设置在第一条形通孔或第二条形通孔中；
第一拉簧5-5的一端和第二拉簧5-7的一端分别连接在输出喷嘴2-7摆动范围中心相对两侧的外侧壁上，且位于输出喷嘴2-7中部的一侧，第一拉簧5-5的另一端和第二拉簧5-7的另一端分别与第一条形通孔和第二条形通孔相对两侧的内侧壁连接，第一拉簧5-5和第二拉簧5-7用于提供相对的平衡拉力使输出喷嘴2-7复位到水平或竖直状态；
其中，在顶底锚杆输出装置2-5中，第一拉簧5-5和第二拉簧5-7用于提供相对的平衡拉力使输出喷嘴2-7复位到竖直状态；在帮部锚杆输出装置2-6中，第一拉簧5-5和第二拉簧5-7用于提供相对的平衡拉力使输出喷嘴2-7复位到水平状态；
所述顶升滑槽开设在植入壳体2-8的内部，且设置在输出喷嘴2-7里端外部的一侧，且其长度方向与达到水平或竖直状态的输出喷嘴2-7相垂直，且其与第一条形通孔或第二条形通孔相连通；其中，在顶底锚杆输出装置2-5中，顶升滑槽的长度方向与达到竖直状态的输出喷嘴2-7相垂直；在帮部锚杆输出装置2-6中，顶升滑槽的长度方向与达到水平状态的输出喷嘴2-7相垂直；所述驱动顶杆5-6可滑动的设置在顶升滑槽中；
第一升降齿轮5-9和第二升降齿轮5-10相对的设置在驱动顶杆5-6的两侧，第一升降齿轮5-9通过固定连接在其中心两侧的两个第一齿轮轴5-11可转动的连接于植入壳体2-8的内部，且其中的一个第一齿轮轴5-11与第一驱动电机的输出轴连接，第二升降齿轮5-10通过固定连接在其中心两侧的两个第二齿轮轴5-12可转动的连接于植入壳体2-8的内部，且其中的一个第二齿轮轴5-12与第二驱动电机的输出轴连接；第一升降齿轮5-9和第二升降齿轮5-10相向转动配合，用于咬合驱动顶杆5-6并驱动驱动顶杆5-6沿顶升滑槽长度方向往复滑动；
所述万向轴5-13设置于顶升滑槽中，其一端与输出喷嘴2-7的里端铰接，其另一端与驱动顶杆5-6的一端铰接。
为了方便级联多个复合型喷嘴，所述衔接模块1的前端开设有向内部凹陷的连接母槽1-1，其后端固定连接有向外部突出的连接公头1-2，连接公头1-2与衔接模块1相互插接配合，用于连接相邻。
作为一种优选，所述外壳体A呈立方体状；所述喷嘴A3-1和喷嘴B3-2的断面均呈上大下小的倒梯形结构。
作为一种优选，还包括PLC控制器，所述PLC控制器分别与第一伺服电机、第二伺服电机、第一驱动电机、第二驱动电机、喷嘴A阀门3-4、喷嘴B阀门3-5和转接阀3-9连接，以方便自动化的实现3D打印及锚杆同步插入作业。
通过在衔接模块的左右两侧分别设置锚杆植入模块和挤出喷嘴模块，并使锚杆植入模块的内部设置顶底锚杆输出装置和帮部锚杆输出装置，这样，能在3D打印过程中同步的实现顶底锚杆和帮部锚杆的有效植入，从而可以有效解决现有技术中相似物理模拟试验中失真现象明显、结果精确度低的问题。通过使第一咬合驱动轮和第二咬合驱动轮的相配合设置，能方便的将锚杆通过输出喷嘴向外部输出，从而便于自动化的完成锚杆的插入过程。通过使输出喷嘴的相对两中固定连接有两个摆动轴，可以使输出喷嘴在第一条形通孔或第二条形通孔中具有一定的摆动幅度。通过第一升降齿轮和第二升降齿轮的相对配合设置，能方便的通过驱动顶杆的往复运动来带动输出喷嘴一端的摆动范围，从而可以自动化的改变输出喷嘴的倾斜角度，能实现特定倾斜角度锚杆的同步植入。该喷嘴能在相似物理模型的3D打印过程中自动化地同步植入缩尺锚杆支护构件，可降低支护构件植入的难度，并能有效降低操作人员的劳动强度。
本发明还提供了一种用于3D打印相似物理模型的复合型喷嘴的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：基于真实地质模型，确定出合适的缩小比例，进而确定帮部植入锚杆2-2和顶底植入锚杆2-4的尺寸；再通过计算机建立相似物理模型的数字模型，并根据模型及巷道情况对模型进行拆分，使巷道的左帮和右帮以选定的一条竖直线为基准切开打印，并合理确定出各个打印单元的打印顺序；
步骤二：将每一个打印单元导出为stl格式文件，并将stl格式文件导入3D打印机中进行切片，确定出打印参数；
步骤三：根据原始模型岩层赋存情况合理调配水泥基材料，并根据模型厚度及支护间排距确定所需复合型喷嘴的数量，使相邻的复合型喷嘴之间通过连接公头1-2与衔接模块1的相互插接进行连接，并确保稳定可靠的连接；通过转接阀3-9和法兰3-10连接物料泵送管道；再根据模型的厚度，进一步确定是否开启喷嘴A阀门3-4和喷嘴B阀门3-5；
步骤四：将尺寸按比例缩小后的顶底植入锚杆2-4和帮部植入锚杆2-2分别置入锚杆贮存桶2-3和锚杆贮存槽2-1内，并使锚杆贮存桶2-3和锚杆贮存槽2-1内的第一根锚杆分别装入顶底锚杆输出装置2-5和帮部锚杆输出装置2-6的输出喷嘴2-7中，启动系统并操作顶底锚杆输出装置2-5和帮部锚杆输出装置2-6使锚杆露出长度能够正好接触到所设置已打印层的上表面，即前一打印层4-3的上表面；作为一种优选，在无法自动进行输出锚杆作业时，还可以通过人工的方式进行辅助调整，以使位于锚杆贮存桶2-3和锚杆贮存槽2-1内的锚杆能分别顺利的装入顶底锚杆输出装置2-5和帮部锚杆输出装置2-6的输出喷嘴2-7中。
步骤五：启动3D打印机，按照层层累积的方式打印相似物理模型4，层与层之间通过层间间隔线4-1进行区分；使当前打印层4-2随着复合型喷嘴前移依次成型，同时单一复合型喷嘴A3-1和喷嘴B3-2所分别成型的打印单元以间隙留隔迹线4-5区分，相邻复合型喷嘴之间以单元分隔迹线4-6区分；
在打印过程中，在巷道的成型位置，按照在步骤二中设定的打印参数实时控制第一伺服电机和第二伺服电机启动，进而带动第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2相向转动，顶底锚杆输出装置2-5和帮部锚杆输出装置2-6将锚杆插入到前一打印层4-3中，插入的深度与伺服电机转动圈数成正比关系，第一伺服电机和第二伺服电机的运行与复合型喷嘴的前移相斥，前者运行，后者等待，直至形成前一层植入锚杆4-7；第一伺服电机和第二伺服电机停止后，控制复合型喷嘴继续前移，已经插入的前一层植入锚杆4-7通过喷嘴间隙3-3，随后被喷嘴A3-1和喷嘴B3-2所挤出物料掩盖，形成当前层植入锚杆4-4；
步骤六：待所有单元打印完成后，养护10天，将相似物理模型4的各单元进行拼装，形成完整模型，再依据工程情形，在特定支护区域安装缩小尺寸的梯子梁和钢带，并使梯子梁和钢带开孔对应于锚杆位置，而后安装托盘；最后依据缩小尺寸的锚杆参数，选定特定标号螺母，拧紧螺母，形成整体支护系统；
步骤七：将所完成的3D打印相似物理模型继续养护，并开展后续测试分析工作。
作为一种优选，在步骤二中，所述打印参数包括层高、打印速度、锚杆安装位置、锚杆安装等待时间的信息。
作为一种优选，在步骤三中，开启喷嘴A阀门3-4和喷嘴B阀门3-5，使喷嘴A3-1和喷嘴B3-2均至少挤出高度不低于20cm的物料进行流畅性测试。
为了能提高通用范围，并能更好的打印出相似物理模型，在步骤五中，在巷道帮部的锚杆支护中，在特定需要支护位置，通过控制喷嘴A阀门3-4和喷嘴B阀门3-5分别控制喷嘴A3-1和喷嘴B3-2停止挤出物料，并控制整体复合型喷嘴向上抬升15mm，而后空行到模型的远端并旋转180°，待植入帮部植入锚杆2-2和顶底植入锚杆2-4正对帮部，而后下降复合型喷嘴到需要进行锚杆支护的高度，最后返回到需要支护位置；启动第一伺服电机和第二伺服电机带动第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2转动，通过顶底锚杆输出装置2-5和帮部锚杆输出装置2-6将锚杆插入已打印层中；上述步骤之后，整体复合型喷嘴空行到模型远端，旋转180°，而后上升复合型喷嘴到当前层打印高度，并返回到前述停止挤出位置，开始后续打印过程。
为了能实现倾斜锚杆的同步插入，以提高其通用性，在步骤五中，在打印过程中需要进行倾斜锚杆的植入时，先在需要植入位置控制喷嘴A3-1和喷嘴B3-2停止挤出物料，再根据倾斜角度要求启动第一驱动电机和第二驱动电机以同步驱动第一升降齿轮5-9和第二升降齿轮5-10，以带动驱动顶杆5-6上升或下降设定高度，进而通过万向轴5-13带动输出喷嘴2-7绕摆动轴5-8上扬和下俯设定角度，该角度和第一驱动电机和第二驱动电机的转动圈数成正比关系，而后再控制第一伺服电机和第二伺服电机启动以通过第一咬合驱动轮5-1和第二咬合驱动轮5-2推出锚杆，并将锚杆插入到对应位置及对应深度；在完成倾斜锚杆的植入时，通过第一驱动电机和第二驱动电机驱动第一升降齿轮5-9和第二升降齿轮5-10，以带动驱动顶杆5-6恢复到原始位置，在第一拉簧5-5和第二拉簧5-7的共同作用下，输出喷嘴2-7复位到水平或竖直状态。
本方法步骤简单，实施成本低，可以快速精确的实现相似物理模型的3D打印构建，并可以在相似物理模型的3D打印过程中同步的植入锚杆支护构件，使得支护构件植入的难度大大降低，并提高了自动化程度。本方法还可以实现倾斜锚杆的植入，有利于实现真实模型的精准还原，从而可以为矿山相似物理模拟技术提供一种全新的手段。