本发明涉及矿山岩体动力灾害控制，尤其是涉及一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统及方法。
背景技术：
1、岩爆的发生与地质构造条件关系较为密切，在褶曲轴部、断裂带附近以及岩层产状突变处，由于地应力集中或残存着较大的构造应力，是岩爆发生的密集地带。在深部地下工程实践中，通常将与断裂构造相关的一些强烈微震和深部岩爆统称为断裂型岩爆。
2、深埋硬岩矿山井巷开挖掘进时，卸荷致使围岩极高储能快速释放、诱发完整硬岩或断层瞬间动态断裂滑移与地震动波辐射，从而易诱发巷道断裂型岩爆灾害。断裂型岩爆主要发生在岩石结构完整，并伴有贯穿性结构面或断层的岩体中，岩体的应力主要集中在贯穿性结构面附近，岩体内的最大主应力往往大于或接近岩石单轴抗压强度，主要表现形式为突发性的震动，并伴有强烈的响声，在有相交结构面的围岩中往往还因岩爆震动引起大规模的坍塌，破坏性较大。由于浅表与深部岩体赋存的地质环境存在明显迥异，前者长期处于一种低围压、低地温状态，而后者长期处于一种高围压、高地温状态。工程实践证明，深部矿产资源开发过程中，当深埋井巷开挖遇到某些断裂附近时往往会诱发剧烈的岩爆破坏。对于与断裂(地质间断面)活动有关的岩爆作用，往往不易认定其直接原因。虽然岩爆也是开挖活动触发的，但在时间上往往与掌子面的推进不存在确定的关系，其一般发生在地质间断面(构造破碎带或断层带)的附近，往往反映了整个影响区域范围内的应力变化，具有区域性。为此，对于断裂型岩爆发生机理及控制技术的理论研究迫在眉睫。
3、现有技术中通过模拟试验的方式进行获取注浆作业参数，例如申请号202311135834.9的专利公开了煤矿断层破碎区注浆加固模拟实验装置及方法，能够得出破碎模拟煤岩体内部演变数据，实现对注浆作业过程形态变化、浆液扩散、孔隙变化、内部微观结构变化的研究，便于得出最佳注浆作业参数。但还是存在如下问题：
4、(1)没有涉及开挖扰动对断层活化的可视化描述，未考虑开挖速率对断层活化程度的影响。
5、(2)仅仅是获取注浆过程中进行ct图像采集，并未考虑动态开挖掘进过程的影响。
6、(3)采用单一的轴向加载，无法真实模拟高围压和高地温的状态，影响模拟试验的结果可靠性。
7、(4)现有的注浆管采用单一的注浆管，但实际巷道注浆过程一般采用多个注浆管进行注浆，无法模拟真实的注浆过程。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统及方法，解决上述技术问题。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统，包括带有转台的ct扫描装置和控制装置，ct扫描装置与控制装置电连接，还包括掘进注浆装置，掘进注浆装置与转台上固定的模型箱相对设置；
3、模型箱内设置有围压装置，围压装置内设置有物理模型，物理模型中设置有监测装置；
4、掘进注浆装置包括支架，支架上设置有十字滑台，十字滑台的安装板上并列设置有掘进机构和注浆机构，注浆机构的顶部设置有分散式注浆组件；
5、围压装置、监测装置、十字滑台、掘进机构和注浆机构均与控制装置电连接。
6、优选的，模型箱的前侧面开设有操作通孔；
7、围压装置包括前后侧施压机构、左右侧施压机构以及顶部施压机构；
8、前后侧施压机构包括设置在物理模型前侧的前液压枕，物理模型的前后侧分别设置有前承压板和后承压板，前承压板设置在物理模型与前液压枕之间；
9、左右侧施压机构包括第一侧液压枕和第二侧液压枕，第一侧液压枕和第二侧液压枕并列设置在物理模型的一侧，物理模型的另一侧设置有滚板，滚板与物理模型之间设置有侧垫板，第一侧液压枕和第二侧液压枕与物理模型之间设置有侧垫板；
10、顶部施压机构包括第一顶部液压枕和第二顶部液压枕，第一顶部液压枕和第二顶部液压枕并列设置且设置在模型箱的顶部，第一顶部液压枕和第二顶部液压枕分别与两个上承压板相对设置，物理模型底部设置有下承压板，下承压板连接有减震底座，减震底座上设置有若干减震弹簧；
11、前液压枕、第一侧液压枕、第二侧液压枕、第一顶部液压枕和第二顶部液压枕均与液压油源相连接，液压油源与控制装置电连接。
12、优选的，前承压板、后承压板、侧垫板、下承压板以及上承压板内均嵌设有电加热丝，前承压板、后承压板、侧垫板、下承压板以及上承压板的外侧均设置有隔热层。
13、优选的，监测装置包括上下设置的至少三个光纤传感器组件，光纤传感器组件包括至少一排的光纤传感器，光纤传感器与控制装置电连接。
14、优选的，掘进机构包括钻杆，钻杆与固定在安装板上的掘进驱动电机相连接。
15、优选的，注浆机构包括浆料桶，浆料桶与加浆泵相连接，加浆泵与供浆管相连接，供浆管通过给进模组安装在安装板上，供浆管上设置有压力传感器和流量传感器；
16、供浆管顶部设置有分散式注浆组件；分散式注浆组件包括导向套，导向套内设置有中部注浆管和若干外侧注浆管，中部注浆管和若干外侧注浆管均通过伸缩软管与供浆管相连通，中部注浆管和外侧注浆管均开设有螺旋分布的出浆口。若干外侧注浆管通过角度调节组件圆周分布在移动环上，移动环外侧设置有第一导向块，第一导向块设置在导向套的第一导向通孔内，第一导向块连接有连动环；
17、角度调节组件包括u形安装座，u型安装座上设置有角度调整轴，角度调整轴上设置有连动齿轮；
18、中部注浆管的圆周侧圆周分布有若干连动齿条，连动齿条与连动齿轮相啮合，连动环与导向套外侧的推进电动推杆相连接，推进电动推杆安装在导向套外侧，连动环上连接有展开电动推杆，展开电动推杆的伸缩端连接有第二导向块，第二导向块穿过第二导向通孔设置在中部注浆管的圆周侧；推进电动推杆和展开电动推杆交错设置；
19、加浆泵、推进电动推杆、展开电动推杆均与控制终端电连接。
20、一种基于上述一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统的方法，具体步骤如下：
21、步骤s1：制备包括断层破碎带的物理模型，断层破碎带物理力学性状与原状样品做到强度上一致和结构上高度相似，并在物理模型中预埋光纤传感器组件，并对物理模型进行热处理，使得达到设定模拟温度，模拟高地温环境；
22、步骤s2：将物理模型放入模型箱内，施加三个方向的应力模拟地层环境，并将模型箱固定在转台上进行初次ct扫描，获取物理模型本底形态：
23、步骤s3：控制装置启动掘进机构和ct扫描装置同步进行掘进模拟和ct图像获取，同时获取光纤传感器组件的检测数据，在不同开挖掘进阶段观察断层带活化现象和诱发巷道围岩失稳现象，开挖步距设定为沿巷道走向方向模型长度l的1/20；
24、步骤s4：掘进穿过断层破碎带之前，制备一种低碳环境友好型的注浆加固材料，浆液中胶凝材料掺和比由室内力学试验进行配比优化确定，注浆机构中浆料桶内的搅拌器对浆液进行充分搅拌；
25、步骤s5:启动注浆机构进行断层破碎带注浆，对断层破碎带和围岩进行加固，控制不同注浆泵的速率来考虑不同断层封堵加固时机的影响；
26、步骤s6：注浆过程中，开启ct扫描装置和监测装置，在注浆过程中，对浆液在断层破碎带中的流动、不同胶结时间的加固效果、开挖掘进时断层封堵加固效果以及不同掘进步距(l/20,l/18,l/16,l/14等)对穿越断层带时断裂型岩爆的控制效果进行分析，分布式光纤传感器实时获取不同工况下断层带内块石基质的咬合度以及应力场、位移场以及温度场分布数据。
27、优选的，在步骤s3和步骤s4中，根据光纤传感器组件获取的温度数据控制电加热丝的功率，使得物理模型保持在设定温度，来模拟高地温情况。
28、优选的，在步骤s4中，注浆材料包括矿渣、钢渣、磷石膏、水泥和添加剂；添加剂为水下抗分散絮凝剂，配比研究为质量分数，根据优化函数确定；
29、各组分配比确定方法如下：
30、配置n种不同配比的注浆加固材料，并通过室内试验确认粘度、凝结时间、析水率、结石率特性、最大抗剪强度和注浆体抗分散能力；以最大抗剪强度和注浆体抗分散能力为目标值，通过双目标函数响应面优化算法确定注浆加固材料的最优配比；
31、双目标函数响应面优化算法如下：
32、
33、式中：find函数为求解的最优解；x表示设计变量；xn为第n个设计变量元素；rn为设计变量的可行域；f(x)为目标函数；s.t.为约束函数；σi(x)为第i个第一不等式约束，δl(x)为第l个第二不等式约束，i和l分别为第一不等式约束和第二不等式约束的个数。
34、因此，本发明采用上述一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统及方法，具有以下有益效果：
35、(1)同时对开挖掘进过程和注浆过程进行ct图像采集，物理模型经过开挖掘进过程再注浆，更加贴合实际施工过程，通过模拟开挖全过程诱发巷道掘进过程中断裂型岩爆的发生过程，对岩爆发生过程做到透明化和定量化表征。
36、(2)设置有围压和加热丝，真实模拟了高围压和高地温的状态，提高了模拟试验的结果可靠性。
37、(3)采用分散式注浆组件进行注浆，与实际注浆过程保持一致，提高了模拟试验的结果可靠性。
38、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
1.一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统，包括带有转台的ct扫描装置和控制装置，ct扫描装置与控制装置电连接，其特征在于：还包括掘进注浆装置，掘进注浆装置与转台上固定的模型箱相对设置；
2.根据权利要求1所述的一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统，其特征在于：模型箱的前侧面开设有操作通孔；
3.根据权利要求2所述的一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统，其特征在于：前承压板、后承压板、侧垫板、下承压板以及上承压板内均嵌设有电加热丝，前承压板、后承压板、侧垫板、下承压板以及上承压板的外侧均设置有隔热层。
4.根据权利要求1所述的一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统，其特征在于：监测装置包括上下设置的至少三个光纤传感器组件，光纤传感器组件包括至少一排的光纤传感器，光纤传感器与控制装置电连接。
5.根据权利要求1所述的一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统，其特征在于：掘进机构包括钻杆，钻杆与固定在安装板上的掘进驱动电机相连接。
6.根据权利要求1所述的一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统，其特征在于：注浆机构包括浆料桶，浆料桶与加浆泵相连接，加浆泵与供浆管相连接，供浆管通过给进模组安装在安装板上，供浆管上设置有压力传感器和流量传感器；
7.一种基于权利要求1-6任意一项所述的一种模拟断层带注浆控制巷道断裂型岩爆的试验系统的方法，其特征在于，具体步骤如下：
8.根据权利要求7所述的一种方法，其特征在于：在步骤s3和步骤s4中，根据光纤传感器组件获取的温度数据控制电加热丝的功率，使得物理模型保持在设定温度。
9.根据权利要求8所述的一种方法，其特征在于：在步骤s1中，根据获取的深部采场中段原状断层破碎带结构体，对物理模型进行ct扫描、筛分试验以及xrd试验获取内部结构、颗粒级配以及矿物成分分析，确定与天然断层带材料相一致的断层带相似材料水力参数，制备不同阻渗和弹性匹配的物理模型材料，断层带材料为原状碎块石和黏土矿物的混合体，断层带块石含量为40％、50％、60％和70％。
10.根据权利要求9所述的一种方法，其特征在于：在步骤s4中，注浆加固材料由固废基协同胶凝材料制备，包括矿渣、钢渣、磷石膏、水泥和添加剂，添加剂为水下抗分散絮凝剂，配比研究为质量分数，根据优化函数确定；
