一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法及系统与流程

1.一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，建立复杂构造带的三维可视化数值模型；

S2，根据三维可视化数值模型分析地质构造应力场突变及冲击地压的应力触发条件；

S3，根据三维可视化数值模型分析判别冲击地压发生的能量激增机制；

S4，根据S2和S3中的分析结果，基于敏感参数综合判别的冲击地压前兆信息分析方法，进行冲击地压的预警。

2.根据权利要求1所述一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，步骤S1中采用矿井三维瞬变电磁法探测地质构造展布形态，结合钻孔数据、地质剖面数据、等高线数据和矿井采掘工程平面图，利用插值算法逐一建立出各个岩层和构造带的真实形态，建立复杂构造带的三维可视化数值模型。

3.根据权利要求2所述一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，其特征在于，所述步骤S1的具体实现包括：

(1)采用矿井三维瞬变电磁仪探测地质构造展布形态，得到矿井地质构造的变化情况；

(2)对比分析矿井钻孔数据、地质剖面数据、等高线数据和矿井采掘工程平面图，进一步完善三维瞬变电磁法探测的矿井地质构造的变化情况，将不合理的数据去除，得出矿井地层走向和地质构造赋存特征的数据库；

(3)利用拉格朗日插值算法将数据库中未探测到的或没有钻孔和剖面数据的部分进行插值，得到矿井地层走向和地质构造赋存特征的三维函数表达式，并绘制CAD三维图形；

(4)将CAD三维图形导入大型岩土分析数值软件FLAC^3D中，建立复杂构造的三维可视化数值模型。

4.根据权利要求1所述一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，其特征在于，所述步骤S1中的复杂构造带的三维可视化数值模型包括逆冲断层构造赋存条件下三维可视化数值模型和倒转褶皱赋存条件下三维可视化数值模型。

5.根据权利要求4所述一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

运用逆冲断层构造赋存条件下采场围岩的三维可视化数值模型，得到断层倾角、断层落差和断层水平推力参数对逆冲断层构造应力场分布特征的影响；

运用倒转褶皱赋存条件下采场围岩的三维可视化数值模型，得到倒转型褶皱的向斜轴部应力分布规律；

分析复杂构造带应力场突变的工程动力响应特征，得到构造赋存和采场高地应力条件下冲击地压的动力失稳触发条件。

6.根据权利要求5所述一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，其特征在于，

所述步骤S2中的断层倾角、断层落差和断层水平推力参数对逆冲断层构造应力场分布特征的影响为：在水平应力一定的情况下，断层面上正应力和剪应力与断层倾角的函数关系为：

σ_α＝σcos²α (1)

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\σ}}{2}sin2\mathrm{\α}---\left(2\right)$

其中，σ_α和τ_α分别为断层面上的正应力和剪应力；σ为施加在断层模型上的水平应力；α为断层倾角；

当倾角α＝0°时，即断层面垂直于水平x轴时，正应力最大，最大正应力为模型水平应力σ；当倾角α＝45°时，即断层面与水平x轴夹角为45°时，断层面上的剪应力最大，最大剪应力为σ/2；

所述步骤S2中的倒转型褶皱的向斜轴部应力分布规律为：由于倒转型褶皱是强地应力作用下的产物，故而其使煤层在挤压应力作用下产生塑性流动，导致煤层忽厚忽薄、忽软忽硬、易于塌冒；此外由于煤层倾角变化极大，稳定性极差，尤其是倒转轴区域，在长期的地质演变过程中，应力集中系数可达4.0左右，蕴藏着巨大的变形能；

所述步骤S2中的构造赋存和采场高地应力条件下冲击地压的动力失稳触发条件为：在复杂构造、采场高地应力及工作面开采共同作用下，冲击地压发生前，构造应力将呈现出突然增大，稳定不变，再突然增大，稳定不变，随后应力突降的变化过程，上述工作面开采过程中构造应力的连续突变即为冲击地压失稳的触发条件。

7.根据权利要求4述一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

在断层构造赋存条件下和褶皱赋存条件下的三维可视化数值模型上施加原岩应力条件下的水平载荷，分析在断层和褶皱形成过程中已变形或已破坏的裂隙围岩在动压影响下的力学特性、变形特征和工程动力响应规律，研究动压影响下采场围岩的能量积聚、传递、转化与释放的演化规律；

根据微单元体在三向应力状态下的变形能表达式3分析断层面上和褶皱向斜轴部能量的稳定态积聚、非稳定态释放的非线性动力学过程，揭示构造失稳时能量释放的激增机制，从能量角度分析隧道岩爆的孕育过程和发生机理；

$u=\frac{1}{2E}({{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2+{{\mathrm{\σ}}_3}^2-2\mathrm{\μ}({\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_2{\mathrm{\σ}}_3+{\mathrm{\σ}}_3{\mathrm{\σ}}_1\left)\right)---\left(3\right)$

其中，σ₁、σ₂、σ₃分别单元体上的最大，中间和最小主应力。

8.根据权利要求7所述一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

根据步骤S2中的构造赋存和采场高地应力条件下冲击地压的应力触发条件和步骤S3中的构造失稳时能量释放的激增机制，基于敏感参数综合判别的冲击地压前兆信息分析方法，进行冲击地压的预警。

9.根据权利要求8所述一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，其特征在于，所述步骤S4中的敏感参数包括构造应力和能量。

10.一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警系统，其特征在于，包括：

数值模型创建模块：用于结合钻孔数据、地质剖面数据、等高线数据和矿井采掘工程平面图，利用拉格朗日插值算法逐一建立出各个岩层和构造带的真实形态，建立复杂构造带的三维可视化数值模型；

应力场分析模块：用于根据三维可视化数值模型分析地质构造应力场突变及冲击地压的应力触发条件；

能量分析模块：用于根据三维可视化数值模型分析判别冲击地压发生的能量激增机制；

预警分析模块：用于综合应力场分析模块和能量分析模块的分析结果，得到基于敏感参数综合判别的冲击地压前兆信息分析方法，进行冲击地压的预警。