煤岩瓦斯复合动力灾害监测预警与防控技术研究进展
2024-05-27杨科李彩青刘文杰张寨男
杨科 李彩青 刘文杰 张寨男
文章編号：1671?251X（2024）04?0018?15
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.18187
摘要：煤岩瓦斯复合动力灾害是深部煤炭开采的重大安全隐患，探明其致灾机理、发展监测预警及防控技术是防治关键。提出了煤岩瓦斯复合动力灾害防治“四面体”理论，即分别从灾害分类、灾害机理、灾害预警、灾害防控4个层面概述煤岩瓦斯复合动力灾害研究进展。总结了以能量释放主体、初始瓦斯压力、载荷条件为主的复合动力灾害类型划分依据；梳理了理论分析尺度和实验室尺度下的复合动力灾害机理研究进展，发现应力路径、微裂纹动态演化和煤岩赋存地质因素临界指标是致灾机理研究的关键；概述了以前期灾害前兆信息判识、中期灾害前兆信息采集、后期灾害一体化监测预警为主线的复合动力灾害监测预警技术研究进展；揭示了复合动力灾害消能减灾一体化防控技术和多尺度分源防控关键技术科学内涵。在此基础上针对两淮矿区灾害特点，提出了深部强动载条件下复合动力灾害智能判识与预警方法和分区协同防控方法。基于当前研究进展，提出了煤岩瓦斯复合动力灾害研究亟待解决的问题，助力实现深部煤炭安全、精准、高效开采。
关键词：煤岩瓦斯复合动力灾害；灾害分类；致灾机理；监测预警；灾害防控
中图分类号：TD67 文献标志码：A
Research progress on monitoring， early warning， and prevention and control technologies for coal-rock-gas composite dynamic disasters
YANG Ke1，2， LI Caiqing1，2， LIU Wenjie1，2， ZHANG Zhainan1，2
（1. Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining Ministry of Education， Anhui University of Science andTechnology， Huainan 232001， China；2. State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention andControl in Deep Coal Mines， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）
Abstract： Coal-rock-gas composite dynamic disaster is a major safety hazard in deep coal mining. Exploring its disaster mechanism and developing monitoring， early warning， prevention and control technologies are key to prevention and control. Therefore， the 'tetrahedral' theory for the prevention and control of coal-rock-gas composite dynamic disasters is proposed. The theory summarizes the research progress of coal-rock-gas composite dynamic disasters from four levels： disaster classification， disaster mechanism， disaster warning， and disaster prevention and control. The study summarizes the basis for classifying the type of composite dynamic hazard based on the main body of energy release， initial gas pressure， and loading conditions. The study reviews the research progress on composite dynamic disaster mechanisms at both theoretical and laboratory scales. It is found that stress paths， dynamic evolution of microcracks， and critical indicators of geological factors associated with coal and rock occurrence are key to the study of disaster mechanisms. The paper summarizes the researchprogress of composite dynamic disaster monitoring and early warning technology， with the main focus on early disaster precursor information identification， mid-term disaster precursor information collection， and integrated monitoring and early warning of later disasters. The study reveals the scientific connotation of integrated prevention and control technology for energy dissipation and disaster reduction in composite power disasters， as well as key technologies for multi-scale and multi-source prevention and control. On this basis， based on the features of disasters in the Lianghuai Mining Areas， intelligent identification and warning methods for composite dynamic disasters under deep strong dynamic load conditions and zoning collaborative prevention and control methods are proposed. Finally， based on current research progress， urgent issues in the study of coal-rock-gas composite dynamic disasters are proposed to help achieve safe， precise， and efficient mining of deep coal.
Key words： coal-rock-gas composite dynamic disaster; disaster classification; disaster causing mechanism; monitoring and early warning; disaster prevention and control
0引言
长期以来“富煤、贫油、少气”的既定能源格局，使煤炭在我国一次消费能源中扮演着重要角色。此外，日益增长的能源需求也意味着煤炭仍将在未来很长一段时间内担当补足现代化能源体系缺口的“压舱石”[1-3]。常年高强度的煤炭开采致使我国浅部煤炭资源正逐年枯竭，中东部地区煤矿相继转入深部开采，许多矿井采深已至800 m[4-7]。开采深度的增加意味着煤岩体赋存环境愈加复杂，在高地应力、高瓦斯压力及开采扰动等因素的影响下，煤矿动力灾害频次和强度上升趋势明显加快，严重威胁矿井生产和人员安全[8-9]。与此同时，我国部分地区矿井开始显现兼具煤与瓦斯突出和冲击地压灾害特征的灾害现象，2种灾害相互影响，相互作用，无法用单一的灾种去界定灾害类型，因此学者们将此类灾害称为煤岩瓦斯复合动力灾害[10-12]。如辽宁阜新王营矿和河南平顶山天安煤业股份有限公司十矿、十二矿等，曾在20世纪八九十年代及21世纪初发生多起复合型动力灾害事故，造成大量人员伤亡。与美国、澳大利亚等产煤国相比，我国煤田地质条件要复杂得多，动力灾害尤其突出，因此探明其致灾机理，发展监测预警及防控技术是实现深部煤炭资源安全高效开采的现实需求。
早期就有学者关注到一些冲击地压现象与瓦斯的存在有某种关联[10，13]。研究过程中发现一些特殊的冲击地压灾害发生前后都可能出现瓦斯浓度异常升高，由此提出“究竟是冲击地压导致了瓦斯浓度异常变化，还是瓦斯诱发了冲击地压，亦或二者兼有之”的质疑[14]。随着国内外矿山建设要求和理念的更新，许多国家针对灾害严重的矿井采取少采或关井措施，对于煤岩瓦斯复合动力灾害的研究重心逐渐转向国内。近年来，国内学者针对煤岩瓦斯复合动力灾害机理问题展开了一系列探索，积累了相当一部分研究成果。但由于冲击地压和煤与瓦斯突出的孕灾机制到目前为止仍停留于综合作用假说，所以关于煤岩瓦斯复合动力灾害机理的相关研究大多处于理论分析层面，少部分属于半定量计算，尚未得出统一的定论。
学者们对致灾机理的认识与理解，也推动了关于煤岩瓦斯复合动力灾害监测预警及防控技术的有益探索。行业管理部门和学术界也一直将这方面的工作视为研究重点[10]。2016年、2017年及2022年相继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”、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”等均涉及该方面的课题[15-16]。然而，煤岩瓦斯复合动力灾害因兼有冲击地压和煤与瓦斯突出二者的破坏特征，且发生门槛低、强度大[11，17-18]，加之安全监测体系能捕捉的灾害前兆信息受限，因而目前关于煤岩瓦斯复合动力灾害监测预警技术的研究尚处在依靠传统方式——冲击地压和煤与瓦斯突出灾害监测预警技术融合使用的阶段，但由于各监测系统独立、分散，协调性差，导致数据同步及共享性差[3，16]，系统采集的前兆信息也因判据不足未能充分利用，预警难、预警准确率低等问题亟待解决。同时，在煤岩瓦斯复合动力灾害防控方面主要是采用冲击地压和煤与瓦斯突出的区域与局部防治措施，尚未实现综合化、智能化一体防控。关于煤岩瓦斯复合动力灾害机理、監测预警及防控技术，尚存在诸多关键科学问题亟待解决。
本文在参阅大量文献的基础上，结合国内学者近30 a 的研究成果，提出了煤岩瓦斯复合动力灾害防治“四面体”理论，即分别从灾害分类、灾害机理、灾害预警、灾害防控4个层面概述煤岩瓦斯复合动力灾害研究进展。总结了3种复合动力灾害类型划分依据，梳理了理论分析尺度和实验室尺度下的复合动力灾害机理研究进展，概述了复合动力灾害监测预警技术研究进展，揭示了复合动力灾害消能减灾一体化防控技术和多尺度分源防控关键技术的科学内涵。在此基础上针对两淮矿区的灾害特点，提出了深部强动载条件下复合动力灾害智能判识与预警方法和分区协同防控方法。基于当前研究进展，提出了煤岩瓦斯复合动力灾害研究亟待解决的问题，以期助力实现深部煤炭安全、精准、高效开采。
1煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究进展
煤矿动力灾害是地球内动力驱动地壳运动和开采扰动共同作用的结果，是煤岩体组成的力学变形系统发生的动力破坏过程，因此矿井各类动力灾害均有统一的动力源[19-21]，即地壳运动过程中积蓄的弹性能量，因而矿井各类动力灾害具有统一的力学机理和特性。由于矿山企业长期利用和开发浅部煤炭资源，对煤矿动力灾害的相关认识处在一个较为固定的模式。然而，深部开采条件下煤岩动力学结构特性更为复杂，继而表现其特有的工程动力响应[20]，因此，显现出的宏观动力灾害特点也与以往典型灾害有所不同。如我国一些冲击地压矿井在采深达到800～1000 m 时，开始显现煤岩瓦斯复合动力灾害，在冲击地压灾害后往往伴随异常的瓦斯涌出，且抛出煤岩体所展现的分选特点与典型灾害明显不同。同时，煤矿所特有的大面积开采和层状介质变形破坏的时效性特点[19]，导致探寻深部煤岩瓦斯复合动力灾害机理变得愈加困难。因此，迫切需要从宏观层面对复合动力灾害类型有一个整体的具象化分类，并在定性描述的基础上，开展针对致灾机理的探索工作。
1.1复合动力灾害分类
煤岩瓦斯复合动力灾害因兼具冲击地压和煤与瓦斯突出灾害的破坏特征，无法归为单一类型灾害，因而为事故定性、致灾机理探究、事故预测等带来了难题[22-26]。解决煤岩瓦斯复合动力灾害类型界定模糊问题是深部开采阶段探寻复合动力灾害机理的关键前提，因此笔者在以往研究成果的基础上总结了煤岩瓦斯复合动力灾害分类方法。从整体的能量演化角度将煤岩瓦斯复合动力灾害分为冲击诱导突出型、突出诱导冲击型、突出?冲击耦合型3种类型[18]。随着研究的深入，部分学者探寻复合动力灾害类型与其影响因素间的关联性，发现瓦斯参与程度和载荷类型与最终的灾害宏观破坏形式有着密切联系，进而前者以瓦斯压力0.4 MPa 和0.6 MPa 为分界点将动力灾害分为冲击地压、冲击地压和煤与瓦斯突出过渡类型和煤与瓦斯突出3类[23]，而后者根据载荷条件将复合动力灾害分为高静载型、扰动型和冲击型[17]。
1.1.1能量释放主体
材料的动力失稳过程从宏观层面简单概述包括受力和变形2个部分，而与之对应的微观描述主体是应力和能量。因而主流的灾害分类依据主要是将瓦斯气体和煤岩固体组成的复合材料等同于含瓦斯煤岩组合体，并在实验室模拟试验探究煤岩弹性能和瓦斯内能在动力失稳直至破坏过程中的能量释放情况[13，27-28]。从整体来看，在不同的动力失稳体系下能量释放主体存在差异。当瓦斯内能释放量超过动力破坏所需的总能量，外部表征为煤与瓦斯突出灾害；反之，当煤岩体弹性能释放量超过动力破坏所需总能量，则表现为冲击地压灾害。此外还存在2种能量互为助推的情况：瓦斯助推煤岩弹性能释放量超过动力破坏所需的总能量，为冲击?突出复合灾害；煤岩助推瓦斯内能释放量超过动力破坏所需的总能量，则为突出?冲击复合灾害。
然而仅依据2种能量释放的相对大小来划分灾害类型，并没有体现煤与瓦斯突出和冲击地压相互诱发、相互作用、相互转化的特点，而且这其中忽略了2种能量相当的情况[10-11]，因此根据复合动力灾害发生过程中2种灾害间诱发作用先后次序，进一步将煤岩瓦斯复合动力灾害分为冲击诱导突出型、突出诱导冲击型、突出?冲击耦合型3种类型。
1.1.2初始瓦斯压力
早些年，在统一失稳理论的基础上，有学者利用数值模拟软件建立煤岩瓦斯复合动力灾害统一能量模型，用于定量表征兼具冲击地压和煤与瓦斯突出灾害特征的灾害事件发生规律。模拟研究发现，在由煤岩和高压瓦斯气体组成的系统中，剩余能量是整个系统失稳破坏的动力源。而剩余能量是指煤岩体变形过程中积聚的固体弹性应变能及煤层中游离瓦斯和吸附瓦斯解吸产生的气体膨胀能与煤岩体发生塑性破坏所消耗能量的差值[22]。在不考虑瓦斯做功时，剩余能量即煤岩体积聚的弹性能与发生动力破坏消耗的塑性变形能之差，此时系统发生冲击地压灾害。
在进一步采用流固耦合模型计算后发现，剩余能量随初始瓦斯压力呈现一定的变化规律，继而可由剩余能量成分判断动力灾害类型。当瓦斯压力低于0.4 MPa 时，主要发生冲击地压；0.4～0.6 MPa 范围内发生冲击地压和煤与瓦斯突出过渡类型灾害；一旦压力超过0.6 MPa则表现为典型的煤与瓦斯突出。
1.1.3载荷条件
以往的研究普遍认为煤岩瓦斯复合动力灾害的发生需综合考虑冲击地压和煤与瓦斯突出的影响因素，即静载、动载和气体压力[16，29]三者缺一不可。在实验室条件下分别对含瓦斯煤岩组合体施加不同程度的静载及交变载荷，研究煤岩系统失稳时的动力现象，结合载荷条件及煤样破裂时的物理力学响应和呈现的宏观破坏特点，将复合动力灾害分为高静载型、扰动型和冲击型3种类型。高静载型复合动力灾害是由静应力、瓦斯压力或轻微外界扰动打破煤岩系统极限平衡状态引起的[30-32]，通常伴随煤岩破碎体的弹射、抛出和屈曲层裂，并且具有明显的分选性和搬运特征，多发于断层、褶皱等特殊地质条件处；深井开采时，天然地震、重型设备震动等均以交变载荷的形式作用于煤岩体，此类扰动作用下煤体破碎程度、抛出质量、抛射动能等均明显大于高静载条件；而冲击型相比于前二者是在巨厚基本顶大面积来压、断层突然活化等高加载速率下产生的灾害现象，因此表现出的冲击动力特征更显著。但无论哪种类型灾害，高压瓦斯[16，33-34]总是作为复合动力灾害孕育的原动力和助推力量，其渗流做功、解吸膨胀能等均会对复合动力灾害的孕育和诱发产生积极作用。
1.2复合动力灾害类型划分讨论
上述3种分类依据有的在理论层面尚且可行，有的则辅以试验研究作为支撑，看似不存在明显的瑕疵，但若深究，不难发现：按照能量释放主体分类时如何判断究竟是瓦斯内能还是煤岩弹性能对煤岩系统失稳起主要作用？当初始瓦斯压力处于0.4～0.6 MPa 时的过渡类型灾害该如何细化界定？再者在深部开采时，煤岩系统的赋存环境多数情况下并非单一载荷条件，往往同时受到高静载、交变载荷和冲击载荷中的2种或2种以上的组合载荷作用，继而形成混合型复合动力灾害，那么组合灾害作用与单一载荷条件引发的动力失稳破坏现象该如何判定是否一致？因此，关于煤岩瓦斯复合动力灾害类型的量化界定问题，仍将是未来研究的重点。
1.3复合动力灾害机理
煤岩瓦斯复合动力灾害实质上是开采或地质强烈扰动下煤岩体在地应力场和瓦斯压力共同作用下发生的具有动力响应的非稳定动力失稳过程[28，35-36]。在近30 a 里，我国学者针对这种深部煤炭开采过程中煤岩体能量异常释放的诱因及动力灾害孕灾机制问题积累了相当一部分研究成果，见表1。现阶段可大致从理论分析和实验室尺度2个层面去归纳和梳理，而理论分析层面又分为定性分析和初步定量分析2个部分。
1.3.1理论分析尺度
早期的成果大多是理论分析层面的产物，这些成果主要分为2类。
第1类是以典型矿井事故案例或冲击地压矿井和煤与瓦斯突出礦井为背景，通过分析现场监测数据、工作面地质条件等因素，试图探寻灾害发生特点和孕灾条件的定性分析。如，平顶山矿区位于河南省西部，是国家大型煤炭基地，采掘过程中时有小断裂构造出现，加之受构造应力、瓦斯压力与采动应力相互耦合的影响，极易发生煤岩瓦斯复合动力灾害[19，40-41]。因此，诸多学者以此矿区为工程背景，通过相似材料模拟试验，研究底板和覆岩破裂移动规律、采场上覆岩层的“三带”特征等，并辅以数值模拟手段，发现煤岩固体孔隙率变化会导致瓦斯压力改变，进而影响瓦斯运移规律，从而反映出煤体变形与孔隙压力变化存在某种关联，揭示了平顶山矿区动力灾害多因素耦合灾变统一机理。此外，也有学者通过分析大量微震、瓦斯监测和现场调查数据，对以往“冲击地压只是忽略或没有瓦斯作用的煤体突出”理论提出了质疑，认为高压瓦斯气体极有可能参与了冲击地压的孕育过程[33]。
第2类是以分析煤岩瓦斯复合动力灾害发生条件和判别准则为主的半定量分析。这类研究成果中，统一失稳理论兼具奠基性和代表性[39]。在近代已有的“裂隙发展主导煤岩体破坏”机理的基础上，统一失稳理论结合应变弱化介质在破坏过程中的力学性质变化，指出冲击地压和煤与瓦斯突出单一灾变具有共同的力学过程，且均能使煤岩体发生动力失稳现象。此外，借助煤岩体系统在平衡稳定和动力失稳2个过程中的能量判别准测，章梦涛等[28]建立了统一失稳理论的数学判据，初步开启了对煤岩瓦斯复合动力灾害问题的探索之门。在此基础上，蓝航等[23]量化了煤岩固体变形能和瓦斯气体膨胀能，建立了动力灾害统一能量方程，对深部开采条件下兼具冲击地压和煤与瓦斯突出灾害特征的复合动力灾害过渡类型现象给出了解释。
1.3.2实验室尺度
煤岩组合体冲击动力学有助于揭示矿井因扰动响应导致的动力灾害机理[39]，因此在煤岩瓦斯复合动力灾害现场研究不易实现的情况下，学者们在实验室尺度下，更多是通过探究含瓦斯煤岩组合体在不同加载方式和应力条件下破裂失稳进而诱发复合动力灾害来推演动力失稳过程，以此研究灾害演化机理，这是目前主流的研究手段。从能量的角度简单分析，复合动力灾害是外力扰动打破含瓦斯煤岩组合体内部能量平衡状态产生的结果，即煤岩固体系统积蓄的弹性能和吸附瓦斯解吸产生的膨胀能之和小于外部不利条件集中作用产生的用于破碎、断裂煤岩体系统的能量[6，42-43]。因而，災害的发生需经过煤岩介质变形、微裂纹扩展、吸附瓦斯解吸和外界影响导致含瓦斯煤岩组合体突发性失稳等阶段[10，36]。该过程中，导致煤岩介质变形的因素包括开采扰动、瓦斯压力和地应力。因此不少学者从导致煤岩体变形的不同应力路径入手，开展了诸如常规三轴加载、定轴压卸围压、复合加卸载等试验。对比不同瓦斯压力和围压下煤岩组合体力学行为，发现不同应力路径、微裂纹动态演化、煤岩赋存地质因素临界指标等分别从物理力学响应、宏微观特征、灾害类型界定等层面对煤岩体产生了不同程度的影响。3种不同应力路径下煤岩组合体破坏如图1所示。
1）应力路径。围压大小影响煤岩组合体的渗透率，进而体现出煤岩组合体和单体煤的声发射信号分布特征存在差异。低围压时，组合体凭借自身强度优势，破坏所需时间与单体煤相比更长，声发射信号分布类似于煤体的连续分布；高围压时，强度更大的组合体累积损伤减小得更多，声发射信号分布特征更类似于岩石的脉冲分布。不同应力路径[44-45]下含瓦斯煤岩组合体与含瓦斯煤在力学性质、渗透特性、声发射前兆信号等方面均存在较大差异。因此，将煤、岩、瓦斯作为整体，并在此基础上考虑更符合工作面实际情况的应力路径，是弄清楚煤岩瓦斯复合动力灾害机理的关键。
2）微裂纹动态演化。煤岩体内存在原生裂隙，在动载应力波作用下，一方面，原生裂隙扩展和分叉，驱动裂纹扩张，另一方面也会产生新生裂隙。同时，新生裂隙的产生滞后于原生裂隙扩张，因此新生裂隙的数量很大程度上取决于原生裂隙的发展速度[16，36]。而应变率的高低影响裂隙的扩张、贯通，进而影响煤岩碎块从母体向外部空间弹射的时间。此外，煤岩体内裂纹的发生和扩展影响煤岩体宏观应力?应变特征的同时，还决定渗透率演化规律。
3）煤岩赋存地质因素临界指标。煤岩瓦斯复合动力灾害是在一定的地应力、瓦斯压力和煤岩开采地质条件下发生的，灾害形式受致灾因素影响从而在单一灾种和过渡类型灾害之间转化。因此，确定灾害发生的临界瓦斯压力、临界地应力等煤岩赋存地质因素临界指标是探明致灾机理的又一关键所在。1.4复合动力灾害机理分析和讨论
目前来看，煤岩瓦斯复合动力灾害从准备、发动、发展到终止[40]是一个极其复杂的非稳定动力破坏过程。煤岩体在高地应力、开采扰动等影响下，一方面，弹性模量、强度等物性参数下降，产生变形，积聚大量弹性能，同时煤岩介质强度的变化降低了煤岩体破坏所需的总能量阈值；另一方面，煤体内瓦斯压力增大，加速吸附瓦斯解吸。而瓦斯解吸产生的膨胀力和游离瓦斯渗透力驱动原生裂隙的发育和扩展，进而产生裂纹集中区，导致煤体充分破碎。当整个系统能量平衡被破坏，积蓄在煤岩体内的弹性能和高压瓦斯内能先后或同时释放能量，高冲击气流裹挟破碎煤岩体突然涌入采掘空间，从而显现兼具煤与瓦斯突出和冲击地压双重灾害特征的新型灾害现象，这便是煤岩瓦斯复合动力灾害发生的过程（图2）。但在整个灾害事件中，包括探寻最佳应力路径、应变率对微裂纹扩展影响的定量表征及煤岩赋存地质因素临界指标等问题尚未有统一的定论，后期研究还需要重点关注。
2煤岩瓦斯复合动力灾害监测预警技术研究进展
发展煤矿安全监测与预警技术是有效减少矿山事故的重要手段。几十年来国家相关部门持续推进煤矿动力灾害研究，但关于复合动力灾害包括致灾机理、主控因素、失稳前兆信息判识、监测系统敏感指标等在内的前置条件尚未有成熟的定论，相应的灾害前兆信息采集传输技术、风险辨识及预警技术发展滞后，导致了煤岩瓦斯复合动力灾害预警的盲目性和不确定性。然而，在过渡类型灾害尚未有明确的类型划分的前提下，应将深部矿井动力灾害作为整体进行研究，发展一体化预测与防控技术是关键所在。
笔者在前人研究成果的基础上总结归纳了煤岩瓦斯复合动力灾害全周期监测预警技术研究进展，包括前期灾害前兆信息判识、中期灾害前兆信息采集和后期灾害一体化监测预警。在此基础上，以典型的深部多场耦合矿区——两淮矿区为研究背景，提出了以“前兆信息采集?多参量预警体系构建?智能预警大数据模型”为主线的深部煤炭资源精准、安全、高效开采的新思路。
2.1复合动力灾害前兆信息判识
有效识别复合动力灾害前兆信息是构建监测预警体系的关键前提。大量学者通过理论研究、试验研究、现场实测等手段，得到了煤与瓦斯突出应力、瓦斯和温度前兆特征[3，15]。同时发现了冲击地压孕育过程的应力与震动敏感参量[46-47]，以此为基础构建了基于 b 值、A（b）值、等效能级参数、断层总面积、矿压危险系数等的冲击地压监测预警指标体系。笔者及其团队通过煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验，发现声发射信号与煤岩体的失稳破坏具有良好的同步性，可作为监测矿井煤岩瓦斯复合动力灾害的前兆信息之一[48]。同时，根据煤岩体声发射的时频、时空特性，可对煤岩体的大范围瞬时失稳破坏开展监测预警技术研究，从而实现煤岩瓦斯复合动力灾害实时监测和超前预警[49-50]。此外，通过真三轴单面临空状态下煤岩组合体冲击破坏特征试验发现，高静载作用下组合体变形破坏具有明显的阶段性特征，煤体破坏弹射特征和钻屑量可作为高静载作用下监测预警的前兆信息。
2.2复合动力灾害前兆信息采集
在有效判识灾害前兆信息的基础上，进一步有效采集煤岩瓦斯复合动力灾害防治相关安全信息是监测预警的前提和基础。煤岩瓦斯复合动力灾害后期一体化监测预警所需的安全信息大致可分为矿井基础信息、自动监测信息和人工观测信息3类[46]。针对不同类型的信息，应该采用不同的信息采集方式，从而实现信息的高效、精准和全面获取。
矿井的基础信息包括煤层及瓦斯赋存特征、地质构造、煤柱信息等。这些信息在煤矿日常生产中变动较小，可作为静态监测数据。一般采用专门的数字化工具进行采集和存储，用于后期监测实时调用和更新。
瓦斯、声发射、电磁辐射、矿压、采掘进度等属于自动监测信息，这些信息实时动态更新，均由专业系统采集和处理。借助矿井区域网络，将监测主机与地面预警服务器相连，通过专门的数据接口程序对监测信息进行实时连续采集。
地质构造探测、瓦斯相关参数检测、钻孔轨迹测量实施等这类需要人为参与的信息，先通过人工观测或单机运行检测设备获得，再由指定方式上传至预警信息库。
2.3复合动力灾害一体化监测预警
目前国内主流的复合动力灾害监测方法大多是冲击地压和煤与瓦斯突出监测体系的融合，根据监测对象和监测原理大致可划分为接触式和非接触式2类[51-52]。接触式监测预警方法是指对工作面或采空区内围岩变形情况、煤岩应力应变、煤体温度等物理力学参量进行监测，从而获取预警数据，如钻屑法、钻孔应力法、围岩变形测量法等；非接触式监测预警方法则通过实时监测煤岩体在各种扰动下破裂释放的电磁辐射波、弹力波等信号，达到提前定位预警的目的，常见的有微震监测、地音监测、电磁辐射监测等。潘一山[27]提出的复合动力灾害一体化预警技术包含3个板块（部分监测设备如图3所示）：①钻屑法多指标一体化检测用于区分灾害类型及确定灾害危险等级。钻屑量、钻屑粒度、相对钻屑温度及孔底温度衰减这4种测试参量可作为复合动力灾害发生的敏感指标，通过对比测试数据与敏感指标确定复合动力灾害类型和危险程度。②煤体温度实时连续监测装置用于记录钻孔温度。煤体温度变化主要与煤体破裂辐射温度和解吸瓦斯辐射温度有关，煤体破裂放热，解吸瓦斯吸热。装置在平顶山八矿的现场应用发现，在无外部干扰的情况下34℃为煤体温度临界值，高于临界值煤体冲击倾向性增大，低于临界值煤体突出倾向性增强。③煤体电荷实时连续监测装置用于监测含瓦斯煤体受载破裂产生自由电荷。现场监测数据显示，煤与瓦斯突出发生前煤体电荷最大值波动大，最小值几乎为0；而冲击地压发生前煤体电荷最小值、平均值与最大值几乎一致；复合动力灾害发生时，电荷变化规律综合了冲击地压和煤与瓦斯突出的煤体电荷特征。朱丽媛[18]通过试验研究发现随着煤矿开采深度的增加，瓦斯对复合动力灾害的作用逐渐减弱，但应力作用却愈加显著，且煤岩体应力存在临界值，超过该值系统失稳发生复合动力灾害，因此煤岩应力是煤矿复合动力灾害的主控因素，可用于安全监测。而钻屑法恰能用于反映煤岩体应力情况，因此在传统钻屑法监测技术基础上，辅以钻头温差和钻杆转矩2项指标，提出钻屑多指标复合动力灾害监测方法。
随着互联网、大数据等新型信息技术手段的发展，数字化智慧矿山理论应运而生。如何利用云平台构建自动化、智能化的安全监测与预警体系，研究更为科学、合理的数据采集与融合方法，对煤礦动力灾害进行连续性时空双轨制监测、全方位辨识是众多学者近年来研究的课题。曹安业等[53]以传统的微震监测系统所采集的百万条地震波数据为样本，就如何高效精确捕捉与定位矿山低信噪比震动波展开了研究。结合 U?Net 深度神经网络模型[54]建立的到时自动拾取模型（图4）和设计的微震定位台站自动优选方法，各自实现了矿山震动波 P 波自动精准拾取及矿山微震事件的自动精准定位，将原本耗时数分钟的人工定位缩短到200 ms 内完成，初步实现无人化自动定位，为煤矿动力灾害微震信息准确解析及智能预警技术提供了研究思路。王凯等[55]认为通过单一或综合指标评分实现煤岩瓦斯复合动力灾害监测预警的方法会受到活跃的主观因素影响，加上尚未明朗的致灾机理，导致无法充分挖掘敏感指标与动力灾害演化的内在联系，进而影响预测结果的准确度。因此引入深度学习理论，提出了基于卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，CNN）的煤岩瓦斯复合动力灾害预测模型，该模型包含煤体坚固性系数、煤厚、瓦斯压力等10个敏感性指标。结合现场应用情况分析，该模型比 BP 模型、随机森林（Random Forest，RF）模型、支持向量机（Support Vector Machine，SVM）模型及人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）收敛速度更快，且模型预测准确率高达93.3%。
2.4深部强动载条件下复合动力灾害智能判识与预警方法
上述监测预警手段在小范围工作面进行工程实际应用，均取得了较为理想的反馈结果，但因我国煤岩瓦斯复合动力灾害事故呈现矿井地质条件区域性差异，缺少普适性，推广难度极大。因此，笔者及其团队针对两淮矿区这一典型的复合动力灾害频发带开展了“深部强动载条件下煤岩瓦斯复合动力灾害智能判识与预警”研究工作，可为煤岩瓦斯复合动力灾害预警研究提供新思路。
2.4.1两淮矿区基本特点
安徽煤炭资源丰富，其中两淮煤田具有厚表土层、高瓦斯、低透气性、松软、多煤层群的赋存条件，煤层瓦斯压力高达7.0 MPa，是我国开采条件最复杂矿区之一。随着开采深度增加，瓦斯、冲击地压等灾害耦合，成灾机理复杂，且因没有明显宏观前兆，往往难以准确预测、预警与防控，严重制约了安徽深部煤炭资源安全精准开采。
2.4.2复合动力灾害前兆信息采集及数据挖掘分析
1）强动载条件下煤岩破坏前兆信息采集。在高频振动采集及孔内成像三轴动静载实验系统内，采用 LVDT 位移传感器、声发射探头、电磁辐射监测仪等，采集应变、声发射信号及电磁辐射信号，分析动载影响下煤岩破裂过程中的力?声?电信号特征及破坏后瓦斯放散特征。在大型含瓦斯真三维物理模拟试验系统内，通过布置压力盒、位移计、光纤、声发射探头等，监测动载扰动下煤岩瓦斯灾变过程中应力、位移、声发射、电阻等4种信号。进一步分析模型试验中前兆信息演化过程，识别实验室尺度下煤岩强动载破坏发生时的应力峰值、最大变形量、声发射能级、能量释放率、电信号峰值等参数。基于工程和灾害案例分析，获取软煤钻孔瓦斯涌出初速度、钻屑瓦斯解吸指标、钻屑量、瓦斯放散初速度等指标数据。选取典型开采条件，采集采动应力、瓦斯压力、电磁辐射信号、微震信号等前兆信息数据，构建两淮矿区动力灾害力?震?电?瓦斯多源前兆信息数据库。
2）多参量预警指标体系构建。基于力?震?电?瓦斯多源前兆信息特征规律，利用多源回归、模糊聚类2种方法，初步筛选现场力?震?电?瓦斯4类有效前兆信息数据。利用敏感指数法，计算力?震?电?瓦斯4类前兆信息间的预警敏感性系数。运用多源信息关联规则，分析现场力?震?电?瓦斯前兆信息数据间的耦合联动性，揭示力?震?电?瓦斯指标之间的耦合响应机制。采用概率法、距离权重法、综合指标法等方法，综合确定力?震?电?瓦斯多源前兆信息的致灾权重系数。结合各指标间联动关系和加权值，以应力、震源、瓦斯、能级4个指标为主参量，电磁辐射信号、钻屑量2个指标为辅助参量，综合考虑典型深部矿区的地质环境、开采条件、卸?抽?支工程，构建深部强动载条件下煤岩瓦斯复合动力灾害多参量预警指标体系，如图5所示。
3）多参量预警指标体系数据挖掘方法。煤岩瓦斯复合动力灾害多参量预警指标体系所需数据是矿井在线传感器连续采集的数据。单一数据源无法全面描述不同地质和开采方法下的煤岩瓦斯复合动力灾害机理，多源数据能够从不同角度反映灾害结果的多因素统计信息。利用力?震?电?瓦斯多参量指标体系数据挖掘（图6）和大数据分析方法建立多参量预警指标体系集合和 MapReduce 大数据处理模型。针对已有的指标体系数据和风险判识准则，在 MapReduce 大数据处理模型构建过程中，对输入参数向量进行分析，研究力?震?电?瓦斯指标条件下的判识结果，分析力?震?电?瓦斯单指标和力?震?电?瓦斯多指标组合下的判识准确率和稳定性。基于构建的 MapReduce 大数据处理模型，将预测结果最优的输入参数向量作为关键指标集合，为煤岩瓦斯复合动力灾害大数据模型构建提供基本指标体系。
2.4.3复合动力灾害智能预警大数据模型
结合 MapReduce 大数据处理模型得到的关键指标集合，研究基于循环神经网络的煤岩瓦斯复合动力灾害智能评判与辨识模型。考虑地质条件、开采参数和监测数据的特征融合技术，建立煤岩瓦斯复合动力灾害风险智能多模态数据融合方法与分类模型。将现场数据输入上述模型，对灾害的实时情况进行响应，并根据响应结果，对网络参数进行实时调整，实现煤岩瓦斯复合动力灾害的全空间、全过程动态与智能预警。根据复合动力灾害智能评判与辨识模型输出的结果，获取使动力灾害显现的关键指标影响因素，基于关键指标值所反映的现场传感器位置，进行现场危险区域划分和危险程度分级，完成煤岩瓦斯复合动力灾害智能预警大数据模型构建。
3煤岩瓦斯复合动力灾害防控技术研究进展
复合动力灾害防控技术的发展受限于尚不明晰的致灾机理等因素，同监测预警体系建设一样，依靠传统的方式——冲击地压灾害防控和煤与瓦斯突出灾害防控技术融合使用。到目前为止，已形成局部和区域防治相结合的防控措施[56-57]，并逐渐向一体化防控方向发展。煤岩瓦斯复合动力灾害区域防治措施主要包括保护层开采和预抽煤层瓦斯。局部防治措施包括掘进工作面防治措施和采煤工作面防突措施。针对掘进工作面可采取多种措施进行卸压，如煤层注水、高压磨料射流割縫、高位巷穿层预抽、低位巷穿层预抽等。针对采煤工作面则普遍采用回风巷顺层钻孔抽采、高（低）位巷穿层钻孔抽采措施。
3.1复合动力灾害一体化防控技术
针对深部煤岩瓦斯复合动力灾害机理复杂、灾害发生阈值低的特点，同时为避免灾害防治不全面、不彻底的问题（即防治了冲击地压，则有可能发生煤与瓦斯突出[27]；防治了煤与瓦斯突出，可能还发生冲击地压），采用一体化防控理念，按灾害类型“因材施教”，有针对性地削弱灾害孕育过程中的主要能量聚集区，从而实现复合动力灾害一体化防治。
3.1.1消能减灾一体化防治技术
所谓“消能”就是针对不同灾害类型，采用一定的能量削弱手段，释放或降低介质内部聚能区能量，以此达到降低动力灾害危险性的一类灾害防治手段的统称。例如，通过瓦斯抽采消减瓦斯内能；针对坚硬顶板和低渗透煤层，研发深孔爆破断顶?破煤?断底技术[27]，超前释放顶板?煤体?底板组合体内积聚的大量弹性能，削减应力集中区。此外，通过煤层注水，一方面水分驱替瓦斯，降低瓦斯内能，另一方面水分能减小煤体颗粒间的黏结力，释放煤岩弹性势能，从而降低冲击倾向性；在深部开采过程中，以煤与瓦斯突出为主的煤层消突后，煤层强度变大，会增加冲击危险性，而以冲击为主的煤层在削减煤岩体弹性势能后往往不会增大煤与瓦斯突出危险性，因此齐庆新等[58]在分析冲击地压和煤与瓦斯突出防控技术的基础上，提出了煤岩瓦斯复合动力灾害“横切纵断”卸荷消能一体化防控技术（图7（a）），通过横向切缝卸荷消除静载作用下的煤与瓦斯突出危险性，纵向切断顶板消除动载作用下的冲击危险性，从而达到煤岩瓦斯复合动力灾害一体化防治目的。
3.1.2多尺度分源防控关键技术
深部开采煤岩瓦斯复合动力灾害防治遵循多尺度分源防控理念[58]，即从矿井群、采掘工作面、巷道等工程尺度，物性源（煤岩介质属性）、应力源（应力）、瓦斯源（瓦斯）等致灾源头，开展灾害一体化防控技术。抓住应力源和瓦斯源2个基本要素，从不同载荷条件下煤岩体弹性能和瓦斯内能演化规律切入，开发了煤岩瓦斯复合动力灾害“卸压?抽采?注水”一体化防控技术（图7（b）），以达到多尺度分源防控目的。
3.2深部强动载诱导复合动力灾害分区协同防控方法
随着矿井智能化水平的提高，大数据和云计算技术日新月异的发展正在推动新一轮的能源变革，而煤矿动力灾害安全监测与预警及防控技术也同样面临着转型升级，要从传统的定性型、经验型向定量型和精准型转变[59-60]，从而为有效减少我国深部煤炭开采动力灾害事故提供更多有利途径。
笔者及其团队基于两淮矿区提出了深部强动载诱导煤岩瓦斯复合动力灾害分区协同防控方法的技术路径，如图8所示。应用综合指数法，构建煤岩瓦斯复合动力灾害危险等级评价与危险区域划分技术指标体系，确定煤岩瓦斯动力灾害区域性防控技术措施实施方案。结合煤岩瓦斯复合动力灾害危险区域、危险等级及主控诱发因素动态判识结果，针对不同静载应力水平、动载诱发因素与强度及瓦斯压力，综合确定煤岩瓦斯复合动力灾害“卸压?抽采?支护”协同分区防控工艺与参数；依托安徽理工大学煤岩瓦斯复合动力灾害监测预警平台，建立多源信息监测预警和煤岩瓦斯复合动力灾害防范效果互馈机制，实时动态检验煤岩瓦斯复合动力灾害防治技术措施，评估灾害防控技术措施实施效果，进一步优化煤岩瓦斯复合动力灾害“卸压?抽采?支护”协同分区防控工艺与技术参数，集成强动载诱导煤岩瓦斯复合动力灾害分区精准防控技术，支持深部开采煤岩瓦斯复合动力灾害预警平台建设。
4煤岩瓦斯复合动力灾害研究亟待解决的问题
前人研究成果勾勒了煤岩瓦斯复合动力灾害研究的大致路径，初步形成对煤岩瓦斯复合动力灾害机理、监测预警技术和防控手段的认识。但学术界对于孕灾机制、发展机理等尚未得出定论，进而导致灾害预测的盲目性和低效性，远不能满足国家对深部煤炭资源安全高效开采的战略需要。到目前为止，对于复合动力灾害的相关研究仍然处于起步阶段。因此，迫切需要持续深入对煤岩瓦斯复合动力灾害的相关研究。
1）深部煤岩瓦斯复合动力灾害机理探寻。深部煤岩瓦斯复合动力灾害演化过程在“三高一扰动”的影响下变得异常复杂，灾害治理迫切需要从以下方面展开机理探索：①煤岩瓦斯复合动力灾害呈现多样性灾变特征，关于其灾害类型的界定仍然模糊，因此迫切需要研究更科学合理的灾害分类方式。②应力路径影响含瓦斯煤岩组合体的物理力学响应，将含瓦斯煤岩组合体看作整体，研究符合工作面实际的应力路径是关键。③煤岩体内微裂纹的扩展在影响煤岩体宏观力学特性的同时，参与煤层瓦斯渗透率演化过程，研究含瓦斯煤岩组合体渗透率规律能够为灾害机理研究提供理论依据。④煤岩瓦斯复合动力灾害的发生条件多介于冲击地压和煤与瓦斯突出之间，如何确定瓦斯压力、地应力等煤岩赋存地质因素临界指标是关键问题。
2）煤岩瓦斯复合动力灾害时空演化机制研究。实现灾害的精准治理，须弄清楚深部多场耦合开采条件下复合动力灾害潜在区域的时空演化机制，进而实现灾害潜在区域的精准确定或识别。因此，须重点关注应力?震动?渗流多场演化前兆信息特征，开展灾害潜在区域的力?震?电?瓦斯信息响应规律研究。
3）煤岩瓦斯复合动力灾害前兆信息智能融合与判识研究。针对深部开采煤岩瓦斯复合动力灾害涉及因素众多、指标繁杂的特点，需要有针对性地辨识多源海量前兆信息。如何从现场海量动态信息中智能辨識应力?瓦斯关键指标，进行数据融合分析，是智能预警和灾害精准防控的关键。
4）基于理论?判据?数据多重驱动相互支撑的煤岩瓦斯复合动力灾害自适应预警模型开发。随着计算机技术的发展，智能算法和云计算技术在灾害预测中具有很好的应用前景，因此针对煤岩瓦斯复合动力灾害机理复杂、影响因素多而杂的特点，发展基于失稳多源前兆信息的精细化、可量化的预警指标体系，形成基于理论?判据?数据多重驱动相互支撑的自适应预警模型是很有必要的。
5）煤岩瓦斯复合动力灾害矿井安全开采细则制定。深部煤炭开采应遵循绿色、安全与高效的理念，这需要从国家政策法规导向入手进行宏观调控，从而实现工程实践和科学管理的有机结合。
5结论
1）在以往研究成果基础上总结了以能量释放主体、初始瓦斯压力、载荷条件为主的复合动力灾害类型划分依据。
2）梳理了理论分析尺度和实验室尺度下煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究进展，发现研究符合工作面实际情况的应力路径、微裂纹动态演化和煤岩赋存地质因素临界指标是未来致灾机理研究的关键。
3）针对两淮矿区的灾害特点，基于力?震?电?瓦斯多源前兆信息特征规律，提出了深部强动载条件下复合动力灾害智能判识与预警方法和分区协同防控方法。
4）提出了煤岩瓦斯复合动力灾害研究亟待解决的问题，即探寻深部煤岩瓦斯复合动力灾害机理、研究煤岩瓦斯复合动力灾害时空演化机制、研究煤岩瓦斯复合动力灾害前兆信息智能融合与判识、开发基于理论?判据?数据多重驱动相互支撑的煤岩瓦斯复合动力灾害自适应预警模型、制定煤岩瓦斯复合动力灾害矿井安全开采细则。
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