本發明提供一種基于巖石-應力系統亞臨界狀態的前兆預警分析方法，屬于地質監控。

背景技術：

1、外界應力作用下巖石狀態變化過程，可看作巖石從初始穩態發展到另一種穩態的發有過程。當外界應力水平超過巖石某種強度時，巖石則從初始穩態滑向下一種穩態。不管是“初始穩態→另一種穩態”，還是“初始穩態→失穩”，兩種狀態并不能來回轉換，該過程具有單向、不可逆的基本特點。從熵增定律出發，把外界應力作用下巖石看作一個狹義的系統，即巖石-應力系統。

2、然而，巖石亞臨界狀態并不是簡單的裂隙擴展，還涉及了巖石力學性質弱化及破裂機制的轉換。若能識別出穩定到失穩的過渡狀態，從過渡狀態之時加以干預，就能以更簡單、高效的方式阻斷向失穩的進一步發展，從而防止重大失穩災害的發生。

技術實現思路

1、本發明針對能識別出穩定到失穩的過渡狀態，提出的亞臨界狀態，亞臨界狀態涉及了巖石力學性質弱化以及破裂機制的變化。

2、具體技術方案為：

3、基于巖石-應力系統亞臨界狀態的前兆預警分析方法，通過識別巖石-應力系統亞臨界狀態，所述的巖石-應力系統亞臨界狀態，指外界施加的應力高于巖石kaiser應力、低于巖石峰值應力，外界施加應力介于屈服應力和峰值應力之間的巖石-應力系統對應的穩定性狀態；捕捉預警特征點i、預警特征點ii對應的監測特征信息。基于監測特征信息，構建巖石剪切滑移前兆的智能識別模型，實現巖石失穩的長期預報和短臨預警的多級預警。

4、所述的預警特征點i、預警特征點ii確定方法為：

5、應力作用下巖石受力過程劃分為：oa初始及彈性階段、ab塑性變形階段、bc破壞階段、cd殘余應力階段，巖石-應力系統穩定態u變化規律總結如下：

6、(1)oa階段，前中期處于穩定態i，后期進入亞穩態ii：加載初期，外界應力處于較低水平，巖石對應初始及彈性階段。前中期巖石并未產生明顯破裂現象，發生原生裂隙閉合事件，巖石-應力系統處于穩定態i。外界應力增加到一定程度時，原生裂隙出現微小破裂現象，原生裂隙開始小幅度擴張，巖石-應力系統進入亞穩定態ii。此階段巖石-應力系統還具有自我調節能力。

7、(2)ab階段，亞穩態ii：外界應力持續增加，當超過屈服應力σa，巖石進入塑性變形階段。原生裂隙由微細觀擴展至宏觀尺度，次生裂隙開始萌生發育，巖石力學性質逐步劣化。巖石-應力系統進入亞穩定態ii，系統逐漸失去自我調節能力。當外界應力達到極限應力σb，巖石本身發生不可逆轉破壞，巖石-應力系統處于失穩臨界位置，系統下一步跨入失穩態iii。

8、(3)bc階段，失穩態iii：此階段巖石發生失穩破壞，巖石黏聚力消失。加載繼續進行，宏觀裂隙出現斷裂面之間的滑移位錯現象，而次生裂隙擴展。應力逐步降低，但在殘余應力作用下巖石并未完全跨塌。巖石-應力系統開始尋求新的平衡狀態。

9、(4)cd階段，穩態ii：殘余應力影響下，巖石-應力系統達到了新的平衡狀態，此時的新平衡態不穩定，為亞穩態ii。此階段巖石已失穩，微小的應力擾動極易轉至失穩態iii，系統已失去了自我調節能力。

10、當施加的應力持續變化下，巖石破裂發展經歷了“損傷可恢復→損傷不可恢復→破裂階段性演化”過程。剪切滑移作用下，巖石-應力系統的穩態演變過程，包括“穩定態→亞穩態i→亞穩態ii→失穩態iii→亞穩態i→亞穩態ii→失穩態iii”，該過程存在三個重要節點，不可逆損傷起始點、預警特征點i、預警特征點ii。不可逆損傷起始點為巖石-應力系統不可逆損傷的開始，穩定態-亞穩態i的交界處；預警特征點i，作為促發巖石-應力系統失穩預警信號的開始，亞穩態i和亞穩態ii的交界處；預警特征點ii，作為巖石-應力系統失穩短臨預報點，亞穩態ii和失穩態iii的交界處。

11、巖石-應力系統的亞臨界狀態位于預警特征點i和預警特征點ii之間，細分為亞穩態i和亞穩態ii兩種狀態。

12、本發明具有技術效果：

13、(1)定義了巖石-應力系統的科學內涵，涉及了應力變化條件下巖石力學劣化的關鍵性質。巖石-應力系統亞臨界狀態，指外界施加的應力高于巖石kaiser應力、低于巖石峰值應力，外界施加應力介于屈服應力和峰值應力之間的巖石-應力系統對應的穩定性狀態，即為亞臨界狀態。

14、(2)提出了巖石-應力系統的亞臨界狀態作為前兆的時空表征信息，巖石既發生了不可逆的損傷破壞，也沒有喪失承載能力。亞臨界狀態作為一種特殊的穩定性狀態，巖石對應力變化極為敏感。

技術特征：

1.基于巖石-應力系統亞臨界狀態的前兆預警分析方法，其特征在于，通過識別巖石-應力系統亞臨界狀態，所述的巖石-應力系統亞臨界狀態，指外界施加的應力高于巖石kaiser應力、低于巖石峰值應力，外界施加應力介于屈服應力和峰值應力之間的巖石-應力系統對應的穩定性狀態；捕捉預警特征點i、預警特征點ii對應的監測特征信息；基于監測特征信息，構建巖石剪切滑移前兆的智能識別模型，實現巖石失穩的長期預報和短臨預警的多級預警。

2.根據權利要求1所述的基于巖石-應力系統亞臨界狀態的前兆預警分析方法，其特征在于，所述的預警特征點i、預警特征點ii確定方法為：

技術總結
本發明提供一種基于巖石?應力系統亞臨界狀態的前兆預警分析方法，通過識別巖石?應力系統亞臨界狀態，所述的巖石?應力系統亞臨界狀態，指外界施加的應力高于巖石Kaiser應力、低于巖石峰值應力，外界施加應力介于屈服應力和峰值應力之間的巖石?應力系統對應的穩定性狀態；捕捉預警特征點I、預警特征點II對應的監測特征信息；基于監測特征信息，構建巖石剪切滑移前兆的智能識別模型，實現巖石失穩的長期預報和短臨預警的多級預警。本發明采用巖石?應力系統的亞臨界狀態作為前兆的時空表征信息，巖石既發生了不可逆的損傷破壞，也沒有喪失承載能力。

技術研發人員：游勛,王運敏,劉祥鑫,吳賢振,張安斌,劉金龍,謝麗萍
受保護的技術使用者：江西理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28