煤炭学报

作者：邢鲁义, 崔同源, 孔朋, 陈海涛, 王超,

关键词：深部砂岩, 尖点突变理论, 数值模拟, 弹性应变能, 失稳预警,

砂岩巷道的长期稳定是确保深部煤炭资源安全高效开发的重要前提，其突发性失稳极易引发重大灾害事故。针对深部砂岩的失稳预警这一关键难题，建立一种有效的失稳前兆识别方法，实现对深部砂岩灾变前临界状态的精准预警。以尖点突变理论为基础，采用数值模拟软件RFPA2D (Realistic Failure Process Analysis)建立砂岩数值模型，开展了单轴及5、10、15、20 MPa围压下常规加载全过程数值模拟，同步获取声发射数据；基于应力－应变全过程曲线，分析了加载过程中弹性应变能的演化特征，构建了以弹性应变能为关键状态变量的尖点突变模型及时间序列势函数，以弹性应变能分叉集特征量化了深部砂岩的失稳预警信号。结果表明：在加载破坏过程中，弹性应变能分叉集函数值均出现2次明显的负值阶段，将第2次负值阶段的起始时刻定义为失稳预警时刻，同时将该时刻对应的轴向应力定义为预警应力；基于尖点突变模型的预警时刻在表征深部砂岩的失稳预警信号时具有充分提前量，预警时刻占最终失稳破坏时刻的比值普遍在80%以上，预警应力占峰值强度的比值亦稳定在80%以上；声发射活动的前兆特征在时序上与弹性应变能突变特征未表现出显著的一致性，其起始时间始终早于弹性应变能突变指标的预警时刻，客观反映了微观损伤的累积与活跃，而弹性应变能突变则标志着系统宏观稳定性的丧失，基于两者在信息源上的互补性，获取了自“失稳启动”早期预警点至“失稳临界”预警时刻的砂岩失稳诱灾“有效预警区间”；该研究通过系统数值模拟，揭示了围压对深部砂岩能量积聚－释放模式及预警时序特征的影响规律，从能量角度深化了对深部砂岩灾变演化机制的认识。

来源：2026年第2期

《煤炭学报》期刊编辑部

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