一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法及系统

摘要

本发明涉及一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法,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研究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，形成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。本发明的方法能够为实现冲击地压的远程在线监测、智能判识及实时预警提供理论基础。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，具体的说，涉及一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法及系统，尤其的，涉及一种复杂地质赋存环境下基于敏感参数判识的冲击地压预警方法。

背景技术

我国的煤炭资源丰富，但长期以来，我国粗放型的煤炭产业发展模式以及大规模的采掘活动，使得我国煤炭开采以每年8-12米(部分地区为10-20m)的速度向下延伸，伴随着冲击地压、瓦斯突出水害、热害等事故频发，造成了大量的人员伤亡事故和严重的生态环境破坏。因此，煤炭资源的安全开采和高效清洁利用、煤炭开采工艺的升级和改造、动力灾害事故的预测和防治等方面的研究是目前煤炭行业的研究热点。

冲击地压是一种采场围岩瞬间剧烈的破坏现象，这种动力灾害通常是岩体力学系统达到强度、刚度和稳定性极限时，积聚在围岩周围的变形能以突然、急剧、猛烈的形式释放的现象。据统计，发生在地质构造(主要指断层、褶皱、相变)附近的冲击地压占所有冲击地压发生次数的70％以上，其中以逆冲断层和倒转褶皱等不利地质构造诱发灾害的强度和频度最高。

在复杂地质构造诱发冲击地压机理方面，目前国内外学者采用实验研究和现场实测相结合的方法，分析了逆断层、褶皱等地质构造对冲击地压的控制作用，建立了开采诱发断层粘滑失稳的动力学模型，研究了工作面动压影响下断层活化过程和诱发冲击地压发生的机理，分析了开采过程中断层应力状态的演化规律，指出开采活动是导致断层活化并诱发冲击地压的主要原因之一，构造应力与采动应力叠加效应是冲击地压发生的关键。

在冲击地压监测预警方面，主要有声发射、电磁辐射、微震监测等监测技术和装备。如北京市科技大学对工作面开采过程中冲击地压事件的声发射现象与支承压力前兆特征进行了分析，得出冲击地压发生时，围岩内部声发射和压力呈现出明显的前兆特征和相互耦合模式。山东科技大学在讨论声发射与岩石材料损伤关系的基础上,论证了用声发射监测冲击地压的科学性，提出了冲击地压声发射预测的四种前兆模式。北京科技大学学者指出煤岩动力灾害电磁辐射预警可以采用脉冲数和强度两个指标同静态临界值和动态趋势相结合的方法进行预警，对不同的预警级别可以采用对应的防治措施。中国矿业大学,北京科技大学和澳大利亚联邦科学院(CS I RO)等学者采用微震监测的手段研究了冲击危险性的监测原理和冲击地压危险性的分级预测准则。研究结果显示，当微震事件不会随着工作面的开采而向前发展,只在某一区域内停滞不前时，则此区域处于能量积聚瞬时释放的边缘,发生冲击的可能性极大。

综上所述，针对冲击地压预警方面的研究，国内外学者大多采用基于监测能量释放的手段开展的，因为岩体力学系统达到强度、刚度和稳定性极限时，内部势必积聚大量变形能，而声发射、电磁辐射和微震监测等技术可监测围岩在变形和破坏过程中的能量释放事件，进而提取和判断冲击地压的前兆信息。但是基于能量理论的监测技术也有盲区，以微震监测为例，研究表明，冲击地压在发生前，微震监测往往出现“缺震”现象，传感器监测不到煤岩破裂前的能量释放事件，而只在某一区域内停滞不前。究其原因，是因为煤岩破坏前变形能大量积聚，但并未释放而造成的。但是，冲击地压发生前，虽然煤岩中能量未释放，而内部的应力集中程度却有突然增高的现象。因此，本发明针对微震、声发射和电磁辐射等基于能量监测方面的缺点，采用应力突变和能量激增相耦合的原理，分析冲击地压发生的前兆信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，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。

本发明的有益效果在于：分析复杂构造带应力场突变的工程动力响应特征，揭示复杂构造应力突变诱发冲击地压的力学机理，建立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，预测冲击地压的危险区域；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隧道掘进过程中围岩的能量释放特征，揭示构造失稳时围岩能量释放的激增机制，从能量角度分析冲击地压的孕育和发生机理。同时综合应用应力和能量等敏感参数在冲击地压发生前的突变特征，优势互补，形成冲击地压预警的前兆信息分析方法。

进一步，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。

上述进一步方案的有益效果在于：能够精确描述复杂地质赋存条件下矿井岩层的展布形态，为实现应力和能量分析提供数据支撑。

进一步，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。

进一步，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。

上述进一步方案的有益效果在于：上述进一步方案能够分别研究逆冲断层和倒转褶皱等不利地质构造失稳诱发冲击地压的机理，进而有利于后续分别针对两种情况进行进一步研发。

进一步，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。

上述进一步方案的有益效果在于：更加细致的研究断层倾角、断层落差和断层水平推力等参数对断层失稳的影响，以及各参数对于冲击地压的影响特征；进一步研究倒转褶皱轴部的应力和能量分布特征，对于该区域频繁发生冲击地压的机理进行分析。

进一步，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)

${\tau }_{\alpha }=\frac{\sigma }{2}sin2\alpha ---\left(2\right)$

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。

上述进一步方案的有益效果在于：详细分析了断层倾角、断层落差和断层水平推力等参数对构造应力分布特征的影响；研究了倒转褶皱轴部的应力和能量分布对煤岩层赋存状态的影响特征。

进一步，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；

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

其中，σ₁、σ₂、σ₃分别表示单元体上的最大，中间和最小主应力。

所述步骤S3中微单元体在三向应力状态下的变形能表达式的推导过程如下：

根据虚功原理可知，物体上任意微单元变形能和外力做功在数值上相等，得到如下单向应力状态时的变形能计算公式，

$u=\frac{1}{2}\sigma .ϵ---\left(3\right)$

如图2所示，当微单元作用三向应力状态时，每一个主应力与其主应变都存在如下对应关系，

σ₁dydz～ε₁dx>2dxdz～ε₂dy>3dydx～ε₃dz>

即三向应力状态下，微单元上应力所做功为，

$dW=\frac{1}{2}\left({\sigma }_{1}dydz\right)\left({ϵ}_{1}dx\right)+\frac{1}{2}\left({\sigma }_{2}dxdz\right)\left({ϵ}_{2}dy\right)+\frac{1}{2}\left({\sigma }_{3}dydx\right)\left({ϵ}_{3}dz\right)---\left(5\right)$

简化后为

$dW=\frac{1}{2}({\sigma }_1{ϵ}_1+{\sigma }_2{ϵ}_2+{\sigma }_3{ϵ}_3)\left(dxdydz\right)---\left(6\right)$

因此，三向应力状态下，微单元单位体积下的变性能为

$u=\frac{1}{2}{\sigma }_1.{ϵ}_1+\frac{1}{2}{\sigma }_2.{ϵ}_2+\frac{1}{2}{\sigma }_3.{ϵ}_3---\left(7\right)$

根据广义胡克定律：

$\left(\begin{array}{c}{ϵ}_1=\frac{1}{E}[{\sigma }_1-\mu ({\sigma }_2+{\sigma }_3)]\\ {ϵ}_2=\frac{1}{E}[{\sigma }_2-\mu ({\sigma }_3+{\sigma }_1)]\\ {ϵ}_3=\frac{1}{E}[{\sigma }_3-\mu ({\sigma }_1+{\sigma }_2)]\end{array}\right)---\left(8\right)$

得出微单元体在三向应力状态下的变形能表达式。

上述进一步方案的有益效果在于：能够定量分析煤岩体内积聚的能量特征。

进一步，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。

进一步，所述步骤S4中的敏感参数包括构造应力和能量。

本发明还涉及一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警系统，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，得到基于应力和能量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。

附图说明

图1为本发明的复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法的流程示意图；

图2为本发明的复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法的微单元作用三向应力状态的示意图；

图3为本发明的实施例2中的正利煤矿综合采掘工程平面图；

图4为本发明的实施例2中的应力变化示意图；

图5为本发明的实施例2中的老顶3次周期垮落过程中能量释放率变化曲线图；

图6为本发明的实施例2中的工作面电磁辐射监测和液压支架阻力随时间的变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法，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，基于构造应力和能量等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。

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。

所述步骤S1的具体实现包括：

(1)采用矿井三维瞬变电磁仪PROTEM EM-47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。

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。

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。

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)

${\tau }_{\alpha }=\frac{\sigma }{2}sin2\alpha ---\left(2\right)$

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。

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；

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

其中，σ₁、σ₂、σ₃分别表示单元体上的最大，中间和最小主应力。

所述步骤S3中微单元体在三向应力状态下的变形能表达式的推倒过程如下：

根据虚功原理可知，物体上任意微单元变形能和外力做功在数值上相等，得到如下单向应力状态时的变形能计算公式，

$u=\frac{1}{2}\sigma .ϵ---\left(3\right)$

如图2所示，当微单元作用三向应力状态时，每一个主应力与其主应变都存在如下对应关系，

σ₁dydz～ε₁dx>2dxdz～ε₂dy>3dydx～ε₃dz>

即三向应力状态下，微单元上应力所做功为，

$dW=\frac{1}{2}\left({\sigma }_{1}dydz\right)\left({ϵ}_{1}dx\right)+\frac{1}{2}\left({\sigma }_{2}dxdz\right)\left({ϵ}_{2}dy\right)+\frac{1}{2}\left({\sigma }_{3}dydx\right)\left({ϵ}_{3}dz\right)---\left(5\right)$

简化后为

$dW=\frac{1}{2}({\sigma }_1{ϵ}_1+{\sigma }_2{ϵ}_2+{\sigma }_3{ϵ}_3)\left(dxdydz\right)---\left(6\right)$

因此，三向应力状态下，微单元单位体积下的变性能为

$u=\frac{1}{2}{\sigma }_1.{ϵ}_1+\frac{1}{2}{\sigma }_2.{ϵ}_2+\frac{1}{2}{\sigma }_3.{ϵ}_3---\left(7\right)$

根据广义胡克定律：

$\left(\begin{array}{c}{ϵ}_1=\frac{1}{E}[{\sigma }_1-\mu ({\sigma }_2+{\sigma }_3)]\\ {ϵ}_2=\frac{1}{E}[{\sigma }_2-\mu ({\sigma }_3+{\sigma }_1)]\\ {ϵ}_3=\frac{1}{E}[{\sigma }_3-\mu ({\sigma }_1+{\sigma }_2)]\end{array}\right)---\left(8\right)$

得出微单元体在三向应力状态下的变形能表达式。

进一步，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，基于构造应力和能量等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。

与上述方法相对应的的，本发明还提供一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警系统，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，得到基于应力和能量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。

实施例2

以下为本发明的复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法在正利煤矿的应用。

矿井概况介绍：

正利煤矿隶属于山西焦煤集团有限责任公司，矿井位于山西省吕梁市岚县葛铺村，井田南北长约5.0km，东西宽约3.2km，面积9.26km²。工作面布置及巷道支护：正利矿当前采区为一采区，走向长4.13km，倾斜宽1.74km，面积约7.18km²。一采区主采工作面为14^-1101、14^-1103和14^-1107工作面，其中14^-1103工作面正在回采，14-¹107工作面正在进行两条回采巷道的掘进工作。本文所采用的矿压监测测站分别布置于14-1103工作面胶带巷道中。14^-1103工作面走向长1589m，倾向宽180m，可采储量130.63吨。

图3为正利煤矿综合采掘工程平面图，如图3所示，14^-1103胶带顺槽西侧相邻实体煤，巷道为矩形断面，规格为4.5×2.8m，断面面积12.6m²，巷道采用锚网索支护形式，锚杆预紧力不小于50KN，顶锚杆设计锚固力80KN，帮锚杆设计锚固力60KN；锚索设计预应力为200KN；托盘采用规格为150×150×10mm蝶形托盘；金属网采用10#镀锌铁丝网，顶网规格为长×宽＝4500×1100mm，帮网规格为长×宽＝2600×1100mm。

地质构造：正利煤矿井田位于宁武煤田东南部，14-1103工作面煤层整体呈单斜构造，岩层走向大致近南北，倾向东，倾角6°左右，工作面地质构造以小断层发育为主，工作面共揭露7条断层，落差最大5.5米，产状较陡，倾角大多在45°到70°之间，断层面参差不齐，封闭性差，时有裂缝出现。其中，F36和F37断层从胶带顺槽延伸进入14-1103工作面中部，并从轨道顺槽延伸出工作面，表1为本文主要研究的两条断层产状及概况。

表1 14^-1103工作面主要断层概况

1建立三维可视化数值模型

本文针对正利煤矿14^-1103工作面胶带巷道揭露的两条主要断层F36和F37的构造特征以及岩层赋存情况，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。模型尺寸为700m×500m×300m。在本模型中，煤层厚度为3m，煤层的单元尺寸恒定为1.0m×1.0m×1.0m，顶板和底板单元尺寸为2.0m×2.0m×2.0m。工作面护巷煤柱宽度15m，两顺槽巷道尺寸均为4m×3m，两边各留边界煤柱40m。

表2 岩体物理力学参数

模型岩层按水平布置，表2给出了模型中各岩层的物理力学参数。模型上覆岩层岩层采用均匀加载的物理相似配重模拟实现。

2应力分析

14^-1103工作面回采按5.0cm的步距从左边界开始逐渐向右推进，直至整个煤层回采完毕。通过布置于4^-1煤层顶板的应力测点来研究应力场变化规律，第一个测点距模型左边界为60cm，测点间距15cm。

在断层发生扰动、滑移、稳定、滑移、稳定、瞬间失稳的整个过程中，顶板应力的变化过程为缓慢增加、迅速增加、稳定不变、迅速增加、稳定不变和突然减小等阶段，在应力突然减小之后，断层发生失稳，整个模型发生冲击破坏。应力变化过程中，应力的迅速增加、稳定不变、迅速增加、稳定不变的循环出现预示着冲击地压可能发生，当应力发生瞬间突变，则会发生冲击地压，如图4所示。

3能量分析

采用应力分析中断层赋存条件下的数值模型，研究工作面经历3次周期来压时顶底板的能量释放和演化过程为：顶板初次垮落之后，随着工作面的推采，顶板迎来了若干次周期来压，周期垮落步距为20m。数值模拟结果显示，周期来压前，采空区悬空距离逐渐增大，老顶所积聚的弹性能同时也逐渐增大，当老顶周期断裂时，能量会突然释放，影响范围也较远。由此，与垮落前相比，老顶周期垮落后顶底板和煤层能量释放频率和范围更大也更广。所以，从能量角度可以很好地解释冲击地压的发生机制。老顶周期垮落之前，采空区悬顶距离达到最大，积聚于煤岩体中的弹性能也增加到峰值。老顶的垮落将造成弹性能的剧烈释放，此时工作面和顺槽巷道极易发生冲击地压。

为了能够更加直观地说明工作面回采过程中老顶能量演化规律和周期来压时能量突然释放规律，在数值计算过程中，统计单元的能量释放总和，绘制图5所示的老顶3次周期垮落过程中能量释放率变化曲线。图5中数据显示，周期来压之前老顶能量释放率在50％以下，较为平稳。当老顶周期断裂时，积聚于老顶中的弹性能瞬间释放，能量释放率大幅增加，工作面和巷道容易发生冲击地压。

4应力分析和能量分析综合应用

由以上分析可知，冲击地压发生之前，将出现应力突变和能量激增的现象，因此可以综合两者作为冲击地压敏感参数，作为冲击地压发生的前兆信息，进行冲击地压的预警。

图6为工作面电磁辐射监测和液压支架阻力随时间的变化曲线，其中电磁辐射能监测能量变化，液压支架能监测应力变化特征。从图6中的数据可知，在3/11～3/14期间电磁辐射强度逐渐增强，12日达到峰值400mv，14日骤降为160mv，并发生了冲击地压；3月底电磁辐射强度重新达到峰值，4月1日迅速下降；在4/1～4/12期间再次升高，随后突降至100mv左右，并发生了冲击地压。图中同时给出了液压支架的监测数据，数据显示，电磁辐射监测的能量激增之前总有液压支架的应力突降。因此，根据应力和能量综合应用可以用来进行冲击地压的有效预警，避免灾害发生后造成更大的损失。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。