煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究进展与展望

王 凯教授 杜 锋讲师

(1.中国矿业大学(北京) 共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083)

0 引言

煤与瓦斯突出和冲击地压是煤矿开采最主要的2种典型动力灾害[1-4]。在浅部开采时，两者通常独立发生，各自的影响因素之间相互作用不很明显。随着我国煤炭开采深度以平均每年10～25m的速度快速延深，许多煤矿相继进入深部开采，深部高瓦斯压力、高地应力、低渗透性煤层及其围岩之间的耦合作用不断增强，出现一种特殊的复合型动力灾害，且危险性和危害性日益严重。这种灾害兼具煤与瓦斯突出的部分特征以及冲击地压的部分特征，类似于两者互相影响、互相诱发、互相复合，因此多数学者将其称为煤岩瓦斯复合动力灾害[5-7]。近年来，在辽宁、河南、安徽等矿区发生多起复合动力灾害事故，造成大量的人员伤亡[8-9]，如平顶山十矿复合动力灾害事故，如图1。在我国，由于复合动力灾害日益加剧，对复合动力灾害的研究成为热点和难点[3,10-15]。在2016年启动的国家重点研发计划“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”、2017年启动的国家重点研发计划“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”和2022年1月启动的国家自然科学基金重点项目“深部煤岩瓦斯复合动力灾害孕灾机制—演化规律及防控基础研究”中均涉及到复合动力灾害方面的研究内容。但是迄今国内外学者对煤与瓦斯突出以及冲击地压机理的认识仍然处于半定量阶段，对于发生机理较为复杂的煤岩瓦斯复合动力灾害的认识更处于初步探讨阶段。特别是除我国以外的大多数国家对于深部煤炭资源采取不采或者少采的政策，国际上针对煤岩瓦斯复合动力灾害的研究文献很少。我国对煤炭资源的依赖程度非常高，煤岩瓦斯复合动力灾害已成为影响我国深部煤炭安全高效开采的重大灾害之一。因此，继续深入开展复合动力灾害发生机理的基础研究十分必要。充分认识复合动力灾害的发生机理是灾害防治的前提和关键，是深部开采迫切需要解决的重要科学问题。

虽然对复合灾害的研究已有近30年历史，但目前尚缺乏对复合动力灾害机理研究的系统综述。为此，本文在参阅大量国内外文献的基础上，重点分析近年来煤岩瓦斯复合动力灾害机理的研究进展、亟待解决的主要问题以及未来的研究方向。

图1 平顶山十矿复合动力灾害事故现场照片Fig.1 Photos of compound dynamic disaster accident scene in Pingdingshan No.10 Mine

1 煤岩瓦斯复合动力灾害发生规律和破坏特征

我国范围内发生过煤岩瓦斯复合动力灾害的典型矿井，见表1[9-10,16-19]。根据表1可得出我国煤岩瓦斯复合动力灾害发生的区域分布特征。我国煤岩瓦斯复合动力灾害的发生呈现出区域性特征，集中在我国的中部、华东及东北地区。这是由于我国中部、华东及东北地区的矿井整体上地质条件较为复杂，经过长期开采，浅部资源逐渐减少，开采转向深部，因此在“三高一扰动”的综合影响下，极易发生煤岩瓦斯复合动力灾害。分析煤岩瓦斯复合动力灾害矿井发生地点的埋深可知，大部分煤岩瓦斯复合动力灾害发生在大于600m深度的区域，但是也有个别灾害案例发生在深度小于600m，甚至在400m深度，因此可以明确随着开采深度的加大，煤岩瓦斯复合动力灾害发生频率增大，但是在特定的应力、瓦斯、地质条件下，浅部煤层亦可能具有煤岩瓦斯复合动力灾害的威胁。另外，根据现场勘察煤岩瓦斯复合动力灾害发生时的灾害特征可知，灾害发生时，现场呈现出复杂的灾变特征，并且灾害破坏性也非常强烈。

表1 我国发生煤岩瓦斯复合动力灾害煤矿统计Tab.1 The statistics of coal mines that coal-rock-gas compound dynamic disasters happened in China

随着煤矿进入深部开采，煤岩体所受地应力及煤中瓦斯压力增大。一方面，地应力的增大使得一般在较硬质煤岩体条件下发生的冲击地压向中等强度煤岩体发展。另一方面，根据综合作用假说，瓦斯压力的增大会降低煤与瓦斯突出发生时“煤体强度”的门槛，使得一般在软煤条件下发生的煤与瓦斯突出在较硬煤体条件下也开始发生。因此，通常情况下，随着开采深度的加大，很多矿井面临着煤与瓦斯突出与冲击地压的双重危险，在满足一定条件下，会导致煤岩瓦斯复合动力灾害的发生。通过对煤岩瓦斯复合动力灾害的现场统计调研及大量的文献阅读，总结归纳出煤岩瓦斯复合动力灾害的破坏特征有：与典型的煤与瓦斯突出和冲击地压相比，复合动力灾害发生门槛降低，但是灾害强度却更大；与煤与瓦斯突出灾害相比，复合动力灾害的发生所需要的瓦斯压力一般较低，煤体强度相比较高；与冲击地压灾害相比，煤岩瓦斯复合动力灾害的发生需要相对较大的瓦斯压力，相对较小的顶板强度；灾害破坏类型与煤与瓦斯突出和冲击地压相比有明显的差异，表现出新的灾害特征。灾害发生特征兼具煤与瓦斯突出和冲击地压的部分特征，不仅冲击动力显现强烈，而且常伴有异常瓦斯涌出，有时表现出瓦斯突出的一些特征。煤体的破坏形状、破碎程度、抛出距离、搬运特征、分选性、安息角、动力显现强度、突出煤岩体量等方面都介于冲击地压和煤与瓦斯突出之间。

2 煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理研究现状

近年来，一些学者在煤岩瓦斯复合动力灾害的发生规律和致灾机制方面进行了有益的探索。早期有学者[20]在研究冲击地压的过程中，发现一些冲击地压现象与瓦斯的存在密切相关，但不清楚具体的关系是什么。与典型冲击地压不同，这些特殊的冲击地压在发生前或发生后都可能出现瓦斯浓度的异常升高，由此提出是瓦斯诱发冲击地压、还是冲击地压诱发瓦斯异常涌出抑或两者兼而有之的质疑，同时认为有高压瓦斯参与的岩石和煤体冲击并不属于通常意义上的冲击地压。后来，又有学者[12,21-22]发现一些并非典型的冲击地压灾害，这些灾害都有瓦斯的参与，因此开始对冲击地压和瓦斯的相关性进行研究。其中，李铁等[12,22]指出高压瓦斯气体极有可能参与冲击地压的孕育，即存在一种开挖卸载与瓦斯解吸膨胀耦合作用的冲击地压，这说明煤层高压瓦斯解吸膨胀会对冲击地压的孕育和诱发产生积极作用。上述研究虽然没有明确提出煤岩瓦斯复合动力灾害的概念，但其研究对象确属此类灾害现象。事实上，自前苏联学者佩图霍夫[23]于1987年首次提出复合动力灾害的研究理念之后，已有越来越多的学者对此予以关注并开展卓有意义的研究。

针对煤岩瓦斯复合动力灾害的发生规律和孕灾机制，已有研究可归纳为定性和初步定量研究2个方面。

在定性研究方面，可以分为2大类：第一类是结合典型案例研究和理论分析，探讨灾害发生的条件和特点，进而提出对灾害发生机制的定性解释。如李化敏[24]认为复合动力灾害与瓦斯突出和冲击地压这2种典型动力灾害之间可以相互转化，并且复合动力灾害的发生门槛相较于这2种典型动力灾害更低；陆菜平等[25]利用微震和声发射技术研究一起由冲击地压产生的冲击波诱发的煤与瓦斯突出事故，发现冲击地压导致煤层中瓦斯运移通道微破裂，使得微震和声发射信号保持较高的水平；潘一山和朱丽媛等[13,26]利用案例调研、理论分析和现场实践的手段，提出煤岩瓦斯动力灾害新的分类(如图2)，同时对煤岩瓦斯复合动力灾害的发生机制进行深入研究。笔者及其团队[5]根据灾害诱因及其作用时序，将煤岩瓦斯复合动力灾害划分为冲击诱导突出型动力灾害、突出诱导冲击型动力灾害、突出—冲击耦合动力灾害，探讨各类型复合动力灾害的发生机理和能量判别准则，并建议采用消减煤岩体弹性能和瓦斯内能2类措施并举的煤岩瓦斯复合动力灾害一体化防治策略。

图2 复合动力灾害分类体系[13]Fig.2 The classification system of compound dynamic disasters[13]

第二类是利用实验平台，从含瓦斯煤岩体损伤失稳诱发灾害的角度出发进行实验研究，以期掌握复合灾害的发生机制。尹光志等[27]通过层状煤岩体真三轴力学实验，对冲击—突出复合灾害的发生条件和显现特征进行探讨，将其分为高静载型、扰动型、冲击型复合动力灾害3种类型，同样指出在各类复合型动力灾害中，高压气体对复合动力灾害的孕育和发生具有积极的作用，这与李铁等人的观点一致[12,22]；鲁俊等[28]研究发现，煤岩瓦斯复合动力灾害的发生具有明显的阶段性和前兆性。李铁和皮希宇[29]通过含低气压大煤样失稳破坏物理试验，对低瓦斯煤层发生灾变的机理进行了分析，认为灾变会在顶板破断冲击和底板破断冲击复合作用下提前发动。笔者及其团队[30-34]从含瓦斯煤岩组合体的失稳破坏诱发煤岩瓦斯复合动力灾害的本质角度出发，系统研究了受载含瓦斯煤岩组合体耦合失稳诱发复合动力灾害机制。

在初步定量研究方面，学者们主要分析了灾害发生的条件和判别准则。章梦涛等[35]基于煤岩变形系统平衡状态稳定性，研究了煤与瓦斯突出和冲击地压的机理，提出了2种灾害的统一失稳理论和能量判据；王振[9]和蓝航等[36]基于能量守恒定律，根据煤岩破裂过程中的弹性能和瓦斯内能以及煤岩破坏消耗的能量等，给出了煤岩动力灾害统一表达式；李铁等[22]研究了“三软”煤层底板冲击地压诱导煤与瓦斯突出力学机制，建立底板冲击地压参与煤与瓦斯突出准备阶段和激发阶段的力学模型(如图3)，其研究促进了人们对于冲击地压诱发煤与瓦斯突出灾害的认识；尹永明等[37]对冲击型煤与瓦斯突出的力学作用机制进行分析，同时给出冲击型煤与瓦斯突出发生的能量准则和必要条件；朱丽媛等[26]采用量化力学模型的方法，构建考虑瓦斯作用的圆形巷道复合灾害发生的临界载荷判别式，并讨论临界载荷的影响因素和影响规律。

图3 底板冲击地压参与煤与瓦斯突出不同发展阶段 力学模型图[22]Fig.3 The mechanical model diagram for different phases of the coal and gas outburst induced by the floor rockburst[22]

3 含瓦斯煤岩组合体耦合失稳诱发复合动力灾害机制研究进展

煤岩瓦斯复合动力灾害的孕育过程必然受控于煤体和岩体这2种介质的损伤破坏及其与煤中瓦斯力学和渗流行为的耦合作用，而且煤岩体的变形破坏以及裂纹的产生和扩展不仅由煤岩材料性质决定，还与煤岩组合结构密切相关。因此，从本质上而言，煤岩瓦斯复合动力灾害的发生是含瓦斯煤岩组合体系统在高地应力、采动应力和瓦斯压力共同作用下发生的整体失稳灾变行为，与含瓦斯煤岩组合结构的损伤破坏及其与煤中瓦斯渗流的耦合效应有着密不可分的联系。以往对煤与瓦斯突出灾害的研究对象通常为含瓦斯煤体，对冲击地压灾害的研究对象通常为岩体或者煤岩组合体，而将含瓦斯煤岩组合体作为一个整体来研究其受载损伤与煤中瓦斯渗流耦合失稳诱发煤岩瓦斯复合动力灾害机制在国内外却鲜有报道。基于此，笔者及其团队从含瓦斯煤岩组合体的失稳破坏诱发煤岩瓦斯复合动力灾害的本质角度出发，通过实验研究含瓦斯煤岩组合体在常规三轴和卸荷条件等多种应力路径下的力学特性和瓦斯渗流规律，对组合体界面进行受力分析，研究组合体破坏机制和瓦斯渗流耦合规律，进行受载含瓦斯煤岩组合体失稳致灾物理模拟实验，探讨煤岩瓦斯复合动力灾害的发生条件和能量判据，分析煤岩瓦斯复合动力灾害的多场耦合致灾机制[30-34]。

3.1 卸荷条件下含瓦斯煤岩组合体力学及渗透特性

以含瓦斯煤岩组合体为研究对象进行常规三轴加载、定轴压卸围压、复合加卸载3种路径下的损伤—渗透—声发射同步试验，对比不同瓦斯压力和不同围压下煤岩组合体力学行为的差异，同时分析提取含瓦斯煤岩组合体失稳破坏前兆特征。研究结果表明，含瓦斯煤岩组合体发生破坏的区域主要出现在煤体部分，但是在一定条件下，煤体破坏产生的裂纹也会扩展到接触到的岩体部分，形成贯穿裂纹，如图4。含瓦斯煤岩组合体强度特征符合Mohr-Coulomb强度准则。随着瓦斯压力的增加，组合体峰值强度和残余强度有减小的趋势，随着围压的增加，组合体试件峰值强度和残余强度呈现出增大的趋势。在不同的应力以及瓦斯压力条件下，含瓦斯煤岩组合体的渗透率变化规律不同。煤岩体内裂纹的发生和扩展不仅影响着煤岩组合体的宏观应力—应变特征，还决定其渗透率演化特征。在低围压下，煤岩组合体声发射信号分布特征更类似于煤体的连续分布特征，但又由于强度高于单体煤，因此破坏所需要的时间以及破坏过程的损伤程度都要大于单体煤。而在高围压下，煤岩组合体声发射信号分布特征更类似于岩石的脉冲分布特征，相对于单体煤，强度更大的煤岩组合体的累积损伤减小得更多。含瓦斯煤岩组合体在不同应力路径下的峰值强度和残余强度的关系为：常规三轴>卸围压>复合加卸载。复合加卸载路径下声发射累积计数和累计能量最大，其次是卸围压，最后是常规三轴加载，并且瓦斯对组合体的力学性质也具有较大的影响。含瓦斯煤岩组合体与含瓦斯煤的力学性质、渗透特性、声发射前兆信号等方面存在较大差异，并且应力路径对组合体的各种性质也具有重要影响，因此要想彻底弄清楚煤岩瓦斯复合动力灾害的发生机理，必须将煤、岩、瓦斯作为一个整体来进行研究，而且还必须考虑更符合现场实际条件的应力路径。

图9为在自然风速5m/s时，相同喷雾条件下，辅助气流速度15m/s，气流出口与喷头之间水平距离对雾滴飘移的影响。从图9中可以看到，气流出口与喷头相对水平距离越小，雾滴的飘移率减低。喷头接近气流出口处，喷出的雾滴直接受到辅助气流产生的流场的影响。气流出口越接近喷头，对雾滴产生的影响越大，更有效地胁迫其向下运动，从而能够减少雾滴飘移率。

图4 煤岩组合体在3种应力路径下破坏图和素描图Fig.4 Failure modes and sketches of the coal-rock combinations under three stress paths

受载含瓦斯煤岩组合体损伤及煤中瓦斯渗透演化机制的研究，能够为煤岩瓦斯复合动力灾害机理的研究提供理论依据。以含瓦斯煤岩组合体接触面处的受力分析为突破口(如图5)，对含瓦斯煤岩组合体损伤破坏机制进行理论分析。利用CT扫描技术，构建煤岩组合体的三维重构模型，对含瓦斯煤岩组合体的损伤破坏及能量演化规律进行数值模拟(如图6)。结果表明，含瓦斯煤岩组合体在变形破坏过程中，煤体和岩体部分在水平方向会产生不协调变形量，从而在各自界面处产生附加应力的作用，这是含瓦斯煤岩组合体的损伤破坏异常复杂的根本原因。初始加载阶段煤岩组合体在接触面处出现小范围塑性破坏，但煤岩组合结构仍然处于弹性阶段。随着加载的进行，煤岩组合体接触面以外的煤体开始出现塑性破坏，之后接触面处的煤体开始大范围出现塑性破坏，随着加载的继续进行，煤体部分完全破坏，同时接触面处的岩体也发生一定的塑性破坏，此时煤岩组合体整体失稳破坏。煤岩组合体在不同围压以及瓦斯压力下破坏时的塑性区云图，如图7。随着围压的增大或者瓦斯压力的减小，含瓦斯煤岩组合体的峰值强度及到峰值强度时的总输入能量、弹性应变能和耗散能均呈现增大趋势。以含瓦斯煤体在全应力应变过程中的渗透率演化模型为基础，同时考虑附加应力的影响，建立受载含瓦斯煤岩组合体影响下煤体的渗透率演化模型，并利用试验数据进行验证。

图5 煤岩组合体受力分析示意图Fig.5 The stress analysis diagram of the coal-rock combination

图6 煤岩组合体三维重构模型Fig.6 The three-dimensional reconstruction model for the coal-rock combination

3.2 含瓦斯煤岩组合体失稳致灾物理模拟

受客观条件的制约，对煤岩瓦斯复合动力灾害进行现场研究很难实现，因此，利用物理模拟手段模拟含瓦斯煤岩组合体失稳诱发的煤岩瓦斯复合动力灾害，是研究灾害发生机理的重要方法，但相关研究报道还很少。笔者带领研究团队，以含瓦斯煤岩组合体系统为研究对象，进行不同条件下的含瓦斯煤岩组合体失稳破坏物理模拟试验。通过控制各主要影响因素，模拟典型煤系地层条件下含瓦斯煤岩组合体失稳破坏诱发煤岩瓦斯复合动力灾害过程。图8表示一个典型的复合动力灾害发生时含瓦斯煤岩的抛出过程。

图7 煤岩组合体在不同围压以及瓦斯压力下的 塑性区云图Fig.7 The plastic zone cloud chart of the coal-rock combinations under different confining pressures and gas pressures

图8 灾害发生时煤岩抛出全过程视频截图Fig.8 The video screenshot of the whole process of the coal and rock throwing out during disaster

物理模拟试验结果表明，复合动力灾害发生后，灾害抛出的煤粉大部分都会抛在中远部区域，没有明显的分选性，这区别于一般意义上的煤与瓦斯突出现象。灾害发生后，煤体内部形成凹形孔洞，并且在孔洞周围的煤体发生层裂破坏，存在大量裂隙，强度较低。清理孔洞内的碎煤后发现，未破坏煤体仍较完整，且具有一定强度。在地应力、瓦斯压力、煤岩组合体结构的综合影响下，顶板岩层也会发生一定的变形破坏，如图9。煤岩组合系统失稳破坏后，煤体所受应力从暴露面向煤层深处分别存在应力卸载区、应力集中区和原始应力区，垂直应力的峰值出现在暴露面附近的应力集中区。瓦斯压力在暴露面处为大气压，暴露面向煤体深处瓦斯压力急剧上升，在应力集中处达到最大。灾害发生瞬间，瓦斯压力急剧下降，但是在下降过程中呈现出阵发性特征。

图9 突出口煤岩的破裂及孔洞特征Fig.9 Characteristics of the fracture and hole in the coal and rock at the outburst

3.3 含瓦斯煤岩组合体失稳诱发复合动力灾害条件及能量判据

3.3.1 含瓦斯煤岩组合体失稳诱发复合动力灾害发生条件

受开采等扰动影响，处于临界状态的煤岩组合体变形系统开始失稳，煤岩体释放弹性应变能，同时，孔隙和裂隙中积聚的大量解吸瓦斯释放瓦斯膨胀能，对煤体产生拉伸破坏作用，煤体破坏同时会对接触的岩体的弹性能释放起到促进作用，当煤岩组合体的弹性能和瓦斯膨胀能同时释放时，发生煤岩瓦斯复合动力灾害。煤岩瓦斯复合动力灾害是介于煤与瓦斯突出与冲击地压两者之间的新的灾害类型，它是在一定瓦斯压力、地应力和煤层及顶板强度的范围之内发生的，在这些参数的范围之外就会过渡到单一的煤与瓦斯突出或冲击地压灾害，并且煤与瓦斯突出和冲击地压灾害并没有严格的界限。由于煤岩瓦斯复合动力灾害发生条件的复杂性及各因素之间的复杂相互作用，找到灾害发生的临界瓦斯压力、临界地应力及临界煤岩组合体物理力学性质很困难。对于瓦斯压力条件来说，过大的瓦斯压力反而不利于煤岩瓦斯复合动力灾害的发生，而是更有利于突出的发生。对于地应力条件来说，在满足特定的条件下，3种灾害都是随着地应力的增大而增强。在煤与瓦斯突出或者冲击地压向煤岩瓦斯复合动力灾害过渡的过程中，在其他条件一致的情况下，较大的地应力更有利于煤岩瓦斯复合动力灾害的发生。对于煤岩体来说，在其他条件一致的情况下，较大的煤体强度更有利于煤岩瓦斯复合动力灾害的发生。较高的顶板煤层强度差并不利于煤岩瓦斯复合动力灾害的发生。因此，煤与瓦斯突出危险性煤层通常是高瓦斯压力、低强度煤层以及高地应力的有机组合。而冲击地压通常是高强度煤、低瓦斯压力、坚硬顶板以及高地应力的有机组合。与突出相比，煤岩瓦斯复合动力灾害更易在相对低的瓦斯压力、相对高的煤层强度以及较小的顶板煤层强度差的条件下发生，但这些条件不能达到冲击地压的发生条件。煤与瓦斯突出/冲击地压与煤岩瓦斯复合动力灾害的转化关系，如图10。

图10 煤与瓦斯突出/冲击地压与复合动力灾害 转化关系示意图Fig.10 The schematic diagram of conversion relationships between gas outburst/rockburst and compound dynamic disasters

3.3.2 含瓦斯煤岩组合体失稳诱发复合动力灾害能量判据

从能量的角度分析，煤岩瓦斯复合动力灾害的发生是煤岩组合体中的能量持续集聚至煤岩组合体发生动力失稳的过程，也是集聚的能量超出煤岩组合系统所能储存的极限能量的过程。将煤岩组合体中煤体和岩体的弹性能与煤中瓦斯膨胀能之和定义为灾害发动能，将煤体破碎及岩体断裂所需的能量定义为灾变耗散能。若煤岩组合体系统中灾害发动能小于耗散能时，认为整个系统处于稳定状态；若煤岩组合体系统中灾害发动能量大于耗散能量时，认为整个系统处于不稳定状态；而当两者相等时整个系统则处于临界状态。因此可以得出含瓦斯煤岩组合体失稳诱发煤岩瓦斯复合动力灾害的能量判据为：

(1)

式中：

Ur—岩体弹性能，J；

Uc—煤体弹性能，J；

Wf—游离态的瓦斯气体膨胀所做功，J；

Wd—煤体变形过程中部分吸附瓦斯转化为游离态的瓦斯膨胀所做的功，J；

Eb—单位体积煤体破碎功，J；

Ufmin—煤岩系统的损伤极限耗能，J；

Vfc—破碎煤体的体积，m3；

Vfr—岩体的损伤体积，m3。

3.3.3 含瓦斯煤岩组合体失稳诱发复合动力灾害机制

随着采掘的推进，在采动或扰动的作用下前方含瓦斯煤岩组合体受力状态发生改变，在环向卸压及垂向应力集中的影响下，含瓦斯煤体组合体的弹性模量和强度等物性参数降低，一方面使得煤岩组合系统储存的弹性能增加，降低了煤体破碎所需要的能量；另一方面提高煤体内原有的瓦斯压力梯度，高瓦斯压力梯度加速了煤体的裂隙扩展，促使吸附瓦斯快速解吸和渗流。吸附瓦斯快速解吸和渗流使得煤体的有效应力增加，表现为对煤体具有拉伸破坏作用，使得煤体部分加速破裂。在改变的瓦斯流动状态和改变的受力状态相互耦合作用下，煤体部分达到极限抗压强度后发生失稳破坏，同时煤体破坏会在接触面扩展到岩体部分，而岩体破坏释放弹性能更加促使煤体破坏及瓦斯流动状态的变化。最终，当煤岩组合体的弹性能和瓦斯膨胀能同时快速释放时，灾害发动能瞬间大于灾害耗散能，在应力、瓦斯和煤岩组合结构相互作用下，含瓦斯煤岩组合系统整体失稳诱发煤岩瓦斯复合动力灾害，如图11。

图11 含瓦斯煤岩组合系统失稳致灾机制示意图Fig.11 The schematic diagram of the disaster-forming mechanism induced by the gas-bearing coal-rock combination system instability

4 煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究展望

前人研究成果加深了对煤岩瓦斯复合动力灾害的理解，也初步形成对煤岩瓦斯复合动力灾害机理的认识。但是，到目前为止，学术界对于复合动力灾害的研究仍然处于起步阶段，灾害的成灾模式和发生机理等还没有完全弄清楚，从而使得对复合动力灾害的预测和防控较为盲目且低效，远不能满足国家对煤炭资源安全绿色开采的战略需要。因此，对煤岩瓦斯复合动力灾害的发生机理进行深入研究迫在眉睫，其亟待解决的主要问题及未来研究方向如下：

(1)从灾害发生时现场呈现出多种类型的灾变特征可以看出灾害诱因的多样性及发生机理的复杂性。比如：学术界目前对“冲击地压诱导的瓦斯异常涌出是不是复合动力灾害？应力主导型突出是不是复合动力灾害？”等问题还没有统一的定论。要想彻底弄清楚煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理，就必须对煤岩瓦斯复合动力灾害进行更加科学的分类，对各种类型的复合动力灾害发生机理进行针对性的研究。

(2)前人对煤岩瓦斯复合动力的研究大多是从定性和初步定量角度出发。这些手段能为宏观上认识复合动力灾害机理提供一些有益的参考和借鉴，但是由于复合动力灾害的高度复杂性及非线性特征，要想真正地弄清楚其发生机理，构建复合动力灾害的量化力学模型是未来研究的重点。

(3)含瓦斯煤岩组合体与含瓦斯煤的力学性质、渗透特性、声发射前兆信号等方面存在较大的差异，并且应力路径对组合体的性质也具有重要的影响，因此，复合动力灾害机理的研究中，不仅要将瓦斯、煤、岩3者结合起来整体(含瓦斯煤岩组合体系统)进行研究，还必须考虑更符合现场实际条件的应力路径，如真三轴、动静组合加载等应力路径。

(4)近年来，以深度学习和大数据技术为代表的人工智能技术飞速发展，对提高煤岩瓦斯复合动力灾害发生规律与机理分析的智能化水平具有重要的意义。可以在深度学习和大数据分析的基础上实现灾害主控因素和前兆指标的精准判识，在灾害非线性机理的定量研究方面发挥重要作用。

(5)在国家提出“碳达峰”和“碳中和”目标的背景下，煤炭行业的绿色、低碳发展尤为重要。随着我国煤矿快速进入深部开采，可以预见的是，复合动力灾害未来将成为制约深部煤炭绿色安全高效开采的重大威胁。而充分认识复合动力灾害的发生机理是灾害预测和防治的前提和关键，因此，政府、高校和企业应加大对煤岩瓦斯复合动力灾害基础研究的投入力度。

5 结论

(1)我国煤岩瓦斯复合动力灾害的发生呈现出区域性特征，集中在我国的中部、华东及东北地区。大部分煤岩瓦斯复合动力灾害发生在大于600m深度的区域，但是也有一些灾害案例发生深度小于600m，甚至在400m的深度。国内外学者从定性和初步定量角度对煤岩瓦斯复合动力灾害机理的研究取得了一定进展，但尚未完全弄清楚灾害的成灾模式和发生机理，极大影响了对复合动力灾害的精准预测和防控。

(2)应重点从以下几个方面加强对煤岩瓦斯复合动力灾害机理的研究：一是对煤岩瓦斯复合动力灾害进行更加科学的分类；二是深入研究复合动力灾害发生的量化力学模型；三是要考虑含瓦斯煤岩组合体系统在更符合现场实际条件的应力路径下的致灾机制研究；四是强化深度学习和大数据技术在灾害非线性机理研究中的作用；五是持续加大科技攻关力度。