煤炭是我国的主导能源，2016年煤炭消费量占我国能源消费总量的62%[1]，中国工程院重点咨询项目《我国煤炭资源高效回收及节能战略研究》预测2020年、2030年、2050年我国煤炭产能分别为44亿、40亿、34亿t[2]，因此煤炭的主体能源地位在相当长一段时期内无法改变。
随着我国煤炭资源开采深度和开采强度的增加，发生冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害的矿井数量快速增加，事故频度和强度也明显增加[3-6]。据统计，截至2015年，冲击地压矿井已有187处，26个产煤省区已有17个发生过冲击地压，冲击地点大多数在煤矿深部。我国高瓦斯矿井约占70%，煤与瓦斯突出矿井已达1 192对，至今已发生约2万次突出事故，瓦斯事故占煤矿总事故的27%。“十二五”期间，瓦斯事故死亡2 122人，占事故死亡总人数的27%。其中2015年发生瓦斯事故45起，死亡171人[7-8]。频繁发生的煤矿动力灾害事故，使我国煤炭安全绿色开采面临严重挑战。
煤矿典型动力灾害主要包括冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害，具有突然、急剧、猛烈等特点，不仅危害程度大，影响面广，而且容易诱发其他重大事故[9]。学术界对此开展了大量的研究工作，取得了诸多进展[10-15]。首先对冲击地压进行分类，按其破坏机理，可分为材料失稳型、滑移错动型和结构失稳型;按其主控因素，可分为顶板破断型、煤柱破坏型、断层滑移型和褶曲构造型;按其载荷特征，可分为高静载型、强动载型和低临界应力型。针对冲击地压发生机理，先后提出了刚度理论、强度理论、能量理论、冲击倾向理论、变形系统失稳理论、剪切滑移理论、三准则理论、“三因素”理论、强度弱化减冲理论、复合型厚煤层“震冲”机理、岩体动力失稳的折迭突变机理、冲击启动理论、煤岩组合冲击机理、冲击地压和突出的统一失稳理论等[10-13]。针对煤与瓦斯突出机理，提出了瓦斯主导作用、地应力主导作用、化学本质作用和综合作用等假说[14-15]。针对煤岩瓦斯复合动力灾害，根据灾害诱因及其作用时序，可划分为冲击诱导突出型、突出诱导冲击型和突出-冲击耦合型[15]。然而，煤矿典型动力灾害是一种非线性复杂问题，涉及地质赋存条件致灾作用机制、煤岩体变形破坏规律和工程动力响应特征、采动应力分布、能量场的时空演化规律及多因素耦合过程分析等问题，致灾机理至今仍不清楚。虽然近年来一些技术含量高的监测设备被引入到煤矿动力灾害的监测预警中来，但由于对动力灾害在多相多物理场耦合条件下的形成过程及演化机制认识不清，灾害前兆信息采集传感、传输技术、挖掘辨识技术落后，现有监控系统风险辨识预警模块缺乏，灾害风险判识仍具有主观性、盲目性和不确定性[16-20]。为满足煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警的重大需求，亟需开展煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警机制与关键技术研究。新世纪互联网+及智能化发展势头强劲，新一轮能源变革正在孕育，云计算技术日新月异，给煤矿灾害风险判识及监测预警由传统的经验型、定性型向精准型、定量型转变提供了新的发展机遇和挑战[21-25]，为有效避免我国煤矿典型动力灾害事故的发生提供了可能。
因此，笔者结合我国煤矿典型动力灾害预防存在的主要问题以及监控预警科技创新的发展方向，提出了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警，在煤炭精准开采的理念指导下，阐述了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警的基本原理、方法和目标，凝练了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警的关键科学问题和主要研究方向，阐述了已取得的阶段性研究进展，为实现冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时精准预警提出了技术路径。
1 煤矿典型动力灾害预防存在的主要问题
(1)灾害诱因复杂、致灾机理尚不明确。
煤矿典型动力灾害是特定地质赋存条件下的煤岩体系统能量的稳定态积聚、非稳定态释放的非线性动力学过程，是外部荷载环境、内部结构、构造及其物理力学性质的多物理场耦合致灾过程。其灾害孕育演化机理一直是国内外学术界长期面临的课题。不仅涉及到断层褶曲构造特征与构造应力分布规律，而且关联到构造应力场和采动应力场耦合条件下采场应力突变、能量激增的非线性动力学演化过程。动力灾害诱因复杂，致灾机理尚不明确，亟待研究采动条件下多相多场耦合致灾机理，建立煤矿典型动力灾害灾变新理论。
(2)前兆采集传感可靠性差、多网融合传输手段缺乏。
近年来煤岩动力灾害的监测技术及装备朝着区域化、连续在线化、智能网络化方向发展，智能识别、综合分析、多属性决策在地质灾害预警领域得到了较大发展[26]。但由于煤矿工程的复杂性，微震监测存在频率范围窄、精度低，应力监测存在维度单一、真实性较差等问题，瓦斯前兆信息存在浓度检测精度低，调校周期短等问题，而人工检定信息获得滞后，时效性较差，同时预测指标单一，系统性缺乏，导致预警准确率低，小于80%。现有传感检测技术的可靠性、及时性和兼容性不能满足需求，存在诸多问题，如有线传输布线困难、移动灵活性差、未全面覆盖，无线传输时效性差、信号覆盖范围小，异构数据无法融合、无时间同步、数据通信可靠性及抗干扰性能差、关键区域密集监测传输手段缺乏等。因此，亟待研究煤矿典型动力灾害前兆采集传感与多网融合传输关键技术，解决当前传感信息不全面、灵敏度低、可靠性较差及多源信息共网传输等影响灾害监控预警有效性的问题。
(3)多源信息挖掘困难、普适性较差。
目前煤矿典型动力灾害预警模型和方法都是针对单一灾害进行分析和研究，都有各自的适用条件，没有考虑到冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的共有技术因素，不能进行耦合分析、综合预警。虽然建立了一些灾害判识模型，但大都包含了许多不可测的参数，多源信息挖掘困难，使得预警出现较多偏差，缺乏普适性，预警可靠性差，准确率低。针对煤矿典型动力灾害预测特征的时空强技术需求，亟待研究面向煤矿微震、地应力、瓦斯等监测数据的快速分析算法，设计智能数据抽取与析构引擎，实现煤矿动力灾害特征数据的快速抽取，形成多源多指标的煤矿典型动力灾害危险区域模态评价方法，实现煤矿典型动力灾害可能涉及的危险区域进行快速辨识和动态圈定。
(4)大尺度、区域性煤矿灾害监控预警缺乏。
目前煤矿重大灾害风险判识主观性较强，无法定量实时处理人机环参数信息，不能够适应复杂多变的煤矿情况。监控预警主要针对单一煤矿，系统故障率高，抗干扰等级低，尚未建立大尺度、区域性的煤矿监控预警[27]。多煤矿灾害人机环全方位信息种类繁多、结构复杂，需要构建具有推理能力、语义一致性的煤矿典型动力灾害知识库，形成区域内煤矿静态、动态等多源头全方位异构数据的互联互通，建立区域煤矿信息数据中心。同时监控预警云平台的缺乏，亟待联合主流的物联网、云计算技术和先进的多参量监测预警理论，建设包含硬件网络、数据库、软件、服务等内容的冲击地压、煤与瓦斯突出实时远程在线监测预警平台，实现灾害预警远程发布、监管与运维。
2 风险精准判识及监控预警基本原理和方法
煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警是在煤炭精准开采的理念指导下，基于多相多场耦合灾变孕育演化机理，利用灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术、多源海量前兆信息提取挖掘方法，能够实现煤矿典型动力灾害前兆信息深度感知、风险精准判识及监控预警的新模式新方法，其基本原理如图1所示。
图1 风险精准判识及监控预警原理
Fig.1 Principle of precise risk identification and monitoring early warning
针对煤矿典型动力灾害诱因复杂、显现突然所导致的监测预警困难等重大难题，需要采用基础理论分析、物理模拟试验、矿井现场试验和数值模拟计算相结合的四位一体科学研究方法，运用先进的信息采集传输及大数据分析技术，开展开采扰动及多场耦合条件下冲击地压、煤与瓦斯突出等典型动力灾害孕育演化机理、灾变前兆信息采集传感传输和挖掘辨识技术研究，提出煤矿典型动力灾害多相多场耦合灾变新理论，开发高可靠、抗干扰的灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术及装备，形成基于大数据与云技术的多源海量动态信息提取、挖掘方法及预警模型，实现冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿重大灾害灾变隐患在线监测、智能判识、实时精准预警。煤矿典型动力灾害风险精准判识与监测预警技术体系如图2所示。
图2 风险精准判识及监控预警体系
Fig.2 System of precise risk identification and monitoring early warning
基于冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害灾变新理论和煤矿重大灾害判识预警模型及信息挖掘方法，风险精准判识及监控预警技术研究将在关键区域实现人机环参数全面采集、传感器故障自诊断，在系统响应时间、标校周期、系统稳定运行无故障率、抗干扰等级、无故障运行时间等方面较现有技术大幅提高，最终实现煤矿典型动力灾害隐患在线智能预警，准确率大于90%，全面提升我国煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警能力。
3 风险精准判识及监控预警关键科学问题
以冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿典型动力灾害为对象，针对煤矿典型动力灾害孕育、前兆信息识别、多网融合传输及精准预警中的重大难题，需要解决4个关键科学问题:
(1)煤矿典型动力灾害多相多场耦合灾变孕育规律及演化机理。煤矿典型动力灾害是一种非线性复杂问题，是煤岩体中应力场、裂隙场、渗流场和温度场4者之间形成的一个相互影响不断耦合的作用过程。风险精准判识及监控预警在该方面涉及的关键科学问题包括多尺度多物理场耦合条件下高应力煤岩在加卸载过程中力学效应与损伤演化关系、外部应力和内部渗流场叠加作用下煤岩局部变形和裂隙扩展、气固两相多物理场动态耦合诱突机制等。
(2)煤矿典型动力灾害多参量前兆信息智能判识预警理论与技术。煤炭井下开采涉及地应力、残余构造应力、瓦斯压力、煤岩力学参数及渗流场、裂隙场等多源多参量信息。风险精准判识及监控预警在该方面涉及的关键科学问题包括面向煤矿微震、地应力、瓦斯等监测数据的快速分析算法，面向数据特征的去噪、滤波、分解和频谱信息的快速提取，煤矿动力灾害特征数据的快速抽取，多源多指标的煤矿典型动力灾害危险区域模态评价方法等。
(3)煤矿典型动力灾害前兆信息新型感知与多网融合传输方法与技术装备。开发安全、灵敏、可靠的新型采集传感装备，研究人机环参数全面采集及共网传输新方法，实现煤矿动力灾害前兆信息深度感知、高可靠传输，已成为灾害前兆信息采集传输发展的趋势。风险精准判识及监控预警在该方面涉及的关键科学问题包括开发高可靠性的灾害前兆信息采集传感技术与装备，形成人机环参数全面采集、共网传输新方法。
(4)基于大数据与云技术的煤矿典型动力灾害预警方法与技术。优化集成一大批灾害前兆信息采集传感、挖掘辨识、远程传输、云计算、数据融合等先进技术，对于构建多源海量动态信息远程在线传输、存储和挖掘的系统平台至关重要。风险精准判识及监控预警在该方面涉及的关键科学问题包括创建典型动力灾害监测预警技术装备示范应用的共性关键集成架构体系，形成基于大数据的煤矿典型动力灾害模态化预警方法及主动推送服务体系，研发基于云技术的远程监控预警系统平台。
4 风险精准判识及监控预警主要研究方向
围绕4个关键科学问题，考虑到煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警的特殊性，凝练了8个主要研究方向，从不同层面对冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿典型动力灾害诱发机理、风险判识、监控预警展开研究，形成灾害风险判识评价体系，构建煤矿典型动力灾害监控预警平台，有效提高煤矿典型动力灾害监测预警的准确性。主要研究方向的逻辑关系如图3所示。
图3 主要研究方向的逻辑关系
Fig.3 Logical relationship of the main research directions
(1)煤矿冲击地压失稳灾变动力学机理与多场耦合致灾机制。
揭示冲击地压多场耦合致灾机理，建立煤矿冲击地压发生发展的新理论，是实现冲击地压风险精准判识与监测预警的基础，其关键在于探索复杂地质构造条件与煤岩冲击失稳的互馈机制，揭示开采扰动和多场耦合效应下冲击地压孕育过程中能量的非稳态释放特征。
(2)煤与瓦斯突出灾变机理及复合动力灾害孕育机制。
揭示煤与瓦斯突出灾变机理及复合动力灾害孕育机制，是实现煤与瓦斯突出及复合灾害风险精准判识与监测预警的基础，其关键在于充分考虑煤与瓦斯突出的多物理场边界条件，系统研究应力场、裂隙场及渗流场等多物理场对煤与瓦斯突出影响的动力学特征与规律，构建煤与瓦斯突出动力灾害孕育及演化的多物理场力学模型，揭示煤与瓦斯突出多物理场耦合灾变机理及演化机制。
(3)冲击地压风险智能判识与监测预警理论及技术体系。
建立冲击地压的综合判识预警理论与模型，形成冲击地压敏感参数选择及其预警判据确定的智能判识技术及体系，实现冲击地压隐患的智能判识及预警，其关键在于基于冲击地压类型及前兆模式的研究，构建监测预警指标体系，建立冲击地压主控因素、灾害风险与前兆信息的智能判识方法与技术。基于时空互补性，建立冲击地压多尺度多参量监测预警理论，研发冲击地压力-电-震多源信息综合监测预警技术及装备，为冲击地压的监测预警奠定理论基础。
(4)煤与瓦斯突出风险判识与监测预警理论及技术体系。
建立煤与瓦斯突出灾害风险判识方法，构建突出事故风险多参量预警指标体系及预警模型，开发多元数据融合的智能突出预警系统，其关键在于从矿井生产系统突出风险评价、采掘工作面突出危险性实时监测、防突措施有效性、基于大数据技术的预警方法等角度系统研究煤与瓦斯突出风险判识方法与预警理论及技术体系。
(5)煤矿动力灾害前兆采集传感与多网融合传输技术及方法。
实现煤矿动力灾害前兆信息采集传感与多网融合传输，需要解决当前传感信息不全面、灵敏度低、可靠性较差、关键区域密集监测传输手段缺乏、异构数据无法融合等问题，其关键在于研究光纤光栅微震传感、三轴应力传感、分布式多点激光甲烷传感、井下非接触供电与数据交互、非在线式检测关键信息快速采集等关键技术，开发具有故障自诊断、高灵敏、标校周期长的前兆信息采集传感技术与装备，研究异构数据融合、自组网、抗干扰等多网融合传输关键技术，开发矿井关键区域人机环参数全面采集、多元信息共网传输新方法、新装备，为煤矿典型动力灾害监控预警系统可靠运行提供技术保障。
(6)基于数据融合的煤矿典型动力灾害多元信息挖掘分析技术。
研发井下传感器多源异构数据聚合方法及关键技术，建立煤矿典型动力灾害灾变敏感特征提取、多粒度知识发现理论及关键技术，构建面向需求驱动的煤矿典型动力灾害预警服务体系，其关键在于基于地质构造、开采条件、开采工艺等不可预知因素所引起的环境、事件、感知、关联等漂移特征，构建动态潜在煤矿典型动力灾害分析反走样模型，提出煤矿典型动力灾害多粒度预测方法和面向灾变区域预测模型的全息全局学习方法。针对煤矿动力灾害预警所涉及的时空数据、感知数据、生产数据、灾变数据等数据的大范围、多类型、多维度、多尺度、多时段等特征，建立面向煤矿典型动力灾害预测前兆信息模态构建的数据挖掘方法与模型，实现灾害预测前兆信息模态的自动更新，实现对煤矿典型动力灾害可能涉及的危险区域进行快速辨识和动态圈定。
(7)基于云技术的煤矿典型动力灾害区域监控预警系统平台。
研发煤矿典型动力灾害的综合、分项动态辨识技术及有效的远程监控预警系统平台，其关键在于开发基于云计算及深度机器学习的区域性煤矿典型动力灾害风险智能判识技术，研究满足煤矿典型动力灾害数据多源、海量、动态及实时特点且适用于区域煤矿典型动力灾害实时远程监控预警的云平台架构技术，研发冲击地压“灾源”自动定位与识别技术、震动波场前兆信息自动识别技术、应力场实时反演及专家诊断系统高效运行与处理系统。
(8)煤矿典型动力灾害监测预警技术集成及示范。
建立煤矿典型动力灾害集成监测预警平台以及灾害远程监控预警系统综合平台，实现对冲击地压、煤与瓦斯突出、冲击-突出复合型动力灾害时空演化规律的多场多参量综合预警，其关键在于系统开展煤矿典型动力灾害监测预警技术体系优化集成，构建冲击地压、煤与瓦斯突出、冲击-突出复合型动力灾害监测预警技术装备示范应用的共性关键集成架构体系，分别建立冲击地压、煤与瓦斯突出、冲击-突出复合型动力灾害多源监测和人机环监控集成系统，建立可实现煤矿典型动力灾害多源海量动态信息远程在线传输、存储和多源信息挖掘的系统平台。
5 风险精准判识及监控预警关键技术研究进展
基于煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警基本原理、关键科学问题和主要研究方向，围绕基础理论研究、关键技术开发和预警平台搭建，建立监测预警关键技术研究体系如图4所示。学术界对此展开了诸多研究，已取得了一些阶段性的研究成果，现重点阐述以下12个方面的研究进展。
图4 风险精准判识及监控预警研究体系示意
Fig.4 Research system of precise risk identification and monitoring early warning
5.1 基础理论研究
揭示多物理场耦合条件下采场整体动力失稳机制，研究复杂断层褶曲构造特征致灾机理，分析煤与瓦斯突出的固气两相动力学演化机理，揭示煤层开采多相多物理场耦合演化规律，建立煤矿典型动力灾害致灾机理，构建风险判识指标体系，为实现灾害风险判识及监控预警奠定理论基础。风险精准判识及监控预警在基础理论方面取得的研究进展主要包括以下内容:
(1)动静载叠加致灾机理。
煤矿典型动力灾害是煤岩体变形破裂与瓦斯运移演化共同作用导致的突发性灾害，其孕灾机理是当作用在煤岩体的组合载荷超过其承载强度时发生剧烈失稳破坏。煤矿典型动力灾害的力源主要包括煤岩体的静载应力σs、采动诱发的动载应力σd和煤岩体裂隙中的瓦斯压力σg，其中静载荷由地应力和支承压力组成，动载荷由开采活动及煤岩体对其力学响应组成，统一称为矿震，瓦斯压力由吸附瓦斯和游离瓦斯压力组成。当采掘空间煤岩体的静载荷、矿震诱发的动载荷和瓦斯压力3者叠加，超过煤岩体在该区域的极限强度时，就会诱发煤矿典型动力灾害，即煤矿典型动力灾害发生的“动静载叠加致灾机理”，如图5所示，其应力表达式为
σs+σd+σg≥σbmax
(1)
式中，σbmax为靠近采掘工作面区域煤岩体的极限强度。
图5 动静载叠加致灾机理
Fig.5 Disaster mechanism of static and dynamic loads
(2)复杂地质构造与采动应力叠加致灾机理。
煤层开采时，顶板上方砂岩组积蓄大量弹性能，在采动应力作用下，容易破断释放大量能量，诱发矿震，导致大范围动力显现现象。尤其是当上覆岩层空间结构运动引起的工作面见方、双工作面见方和三工作面见方时，更容易诱发矿震。在丘陵、山地下采煤时，地表起伏产生的垂直应力变化形成的强剪切力，也容易使蓄能岩层产生整体破断，进而诱发矿震。通过对京西矿区30次冲击地压案例分析，认为倒转型褶皱、逆冲断层构造、高地应力、强冲击倾向性和孤岛工作面开采等复杂条件形成的水平应力异常，是导致冲击地压的主要因素，其中逆冲断层形成的构造应力能够影响500 m范围内的工作面及巷道的动力显现。当埋深超过800 m时，褶曲、断层及相变等高构造应力区容易发生“流变型”冲击地压。以上研究为建立以震动场、应力场为主的动力灾害监测预警系统提供了理论支撑。
图6 固气耦合试验装置
Fig.6 Solid-gas coupling test device
(3)煤与瓦斯突出的固气两相动力学演化机理。
揭示煤与瓦斯间的固气耦合作用机制，可以为突出预警提供理论指导。为实现对含瓦斯煤的精确加卸载及试验全程可视化实时监测，解决煤岩体在耦合加载环境下的物理力学参数测试问题，山东大学岩土与结构工程研究中心研制了可视化恒容固气耦合试验系统。该系统的核心模块是可视化恒容试验仪(图6(a))，已成功应用于固气耦合加载不同强度型煤峰后瞬间卸围压试验中，为实现含瓦斯煤物理力学参数的定量测试提供了科学仪器。为探索煤与瓦斯突出过程中突出煤-瓦斯两相流运移规律及突出冲击波传播特征，重庆煤科院研制了煤与瓦斯突出动力效应模拟试验装置(图6(b))。该装置主要由动力系统、管道系统、除尘系统和数据采集系统等构成。利用该装置可模拟不同固气参数条件下突出煤-瓦斯两相流在不同巷道网络中的运移与分选堆积过程。结果显示巷道内突出煤运移大致经历了加速阶段、减速阶段和沉降阶段3个过程，由于突出时瓦斯气体迅速涌入巷道形成冲击波，导致压力、温度发生跳跃式改变，冲击波超压峰值沿巷道呈现衰减趋势。该结果对装置的可靠性进行了验证，并为揭示复合加卸载条件下含瓦斯煤变形破裂过程的固气耦合作用及演化机制提供了依据。
(4)大尺度物理模拟试验及反演。
在相似准则和相似准数的基础上，进行煤与瓦斯突出过程的大尺度物理模拟试验及反演，能够揭示煤层开采多相多物理场耦合过程和演化规律。为方便开展大尺度物理模拟试验，针对煤体获取困难、参数不可调的特点，研发了一种基本物理力学参数调节方便、性质符合原煤相似要求、可循环利用的型煤相似材料。该材料选用0～3 mm粒度级配的煤粉作为基本骨料，腐殖酸钠水溶液作为胶结剂。针对瓦斯气体易燃易爆特点，研制了以45%CO2和55%N2混合气体作为甲烷的相似气体。大尺度物理模拟试验采用大型真三维定量化物理模拟试验装置(图7)。该装置主要由模型反力与空间密封单元、大流量高压瓦斯气体充填加载单元、高地应力梯度加载智能控制单元、多物理场信息获取单元和巷道微型掘进机与高速摄像记录单元等组成，可以模拟埋深小于1 500 m、瓦斯压力不大于3 MPa、煤层坚固性系数0.05～5、掘进进尺小于50 m/d的开采条件。通过开展首次验证试验，可实现地应力环境的长时保压，大流量瓦斯源的连续保压充填，巷道掘进的定量控制，以及多物理场信息的准确获取，并证实了该装置具有一定的可靠性，为揭示煤与瓦斯突出的作用机制和演化规律奠定了基础。
图7 真三维物理模拟试验装置
Fig.7 True three-dimensional physical simulation test device
(5)风险判识指标体系构建。
风险判识指标是有效监控预警的关键，构建预警指标体系，对于灾害防治意义重大。针对冲击地压的智能监测预警难题，窦林名提出了一种基于声震多尺度前兆识别的冲击地压综合预警方法。认为临近冲击破坏时，b值和Mm值(缺震)出现明显低值异常，A(b)值、断层总面积、活动度S、活动标度ΔF和等效能级参数出现明显高值异常，并结合R值评分法，验算得出综合预警指标的最终R值为0.41，预警效能明显。贺虎在分析冲击地压发生的力学环境与能量过程的基础上，提出了电磁-震动耦合预警方法。认为震动能量维持在低水平，震动次数明显上升，且电磁辐射强度高于正常值，会发生冲击地压，若震动能量持续稳定释放，则不会发生冲击矿压。试验表明，不同指标均能一定程度反映震动时间、空间、强度特征，但冲击地压类型不同，指标敏感程度也不同，需要进一步研究确定。
实现冲击地压的准确预警，预警后需要具备下列条件之一:① 发生了冲击地压;② 出现强烈震动、瞬间底(帮)臌、煤岩弹射、锚杆(索)断裂等;③ 发生了危险性矿震(达到临界能量等级);④ 监测到预警指标超限，判定有冲击危险。基于此，可以计算冲击地压预警准确率P:
(2)
式中，NC为预警后发生冲击次数;NZ为预警后出现危险性矿震次数;NX为预警后监测指标超限次数;NP为预警总次数。
针对煤与瓦斯突出的灾害预警，梁运培基于矿井抽掘采合理部署，建立以最大埋藏深度、煤层厚度等6个煤层地质环境参量为二级指标，以生产、瓦斯抽采、通风、监测监控、辅助生产等系统为三级指标，以安全错距、预抽超前时间、开采程序、抽掘采接替等19个可量化的参数作为四级指标的突出致灾风险评价指标体系，为突出矿井风险决策和灾害预警提供依据。此外，煤与瓦斯突出预警主要从警源监测、警兆识别、警情分析、警度发布和预警响应5个方面进行，采用预警总准确率、漏报率和虚报率3个指标评价其预警效果。
5.2 关键技术开发
煤矿典型动力灾害风险判识及监测预警采用分区分级立体式监测模式，主要包括综合指数法、多因素耦合分析法和动静载应力叠加法。基于动静载叠加致灾机理，煤矿典型动力灾害多参量综合监测预警主要从静载、动载和瓦斯压力3个方面进行，具体如图8所示。其中，微震、声发射、电磁辐射、应力等前兆信息是煤岩体在动力灾害孕育发展过程中能量释放的物理效应之一，深入研究灾变前兆信息的多参量动态变化特征、采集传感与多网融合传输以及多源信息挖掘，可以实现对煤矿典型动力灾害的准确预警。风险精准判识及监控预警在关键技术开发方面取得的研究进展主要包括以下内容:
图8 多参量综合监测体系
Fig.8 Multi-parameter comprehensive monitoring system
(1)可控式震动波CT应力反演技术。
煤矿开采活动可诱发矿震，利用矿震震动波进行层析成像称为震动波CT。矿震震动波CT测试技术是近年来国内外的研究热点。LURKA[28]利用被动CT技术对波兰Zabrze Bielszowice等煤矿进行动力灾害危险评价，发现动力灾害或强矿震往往出现在高波速区和高波速变化梯度区。窦林名团队基于微震监测系统(目前支持SOS和ARAMIS M/E)，系统研究了震动波CT模型、求解原理及方法，并为提高CT反演精度和可靠度，深入研究了微震定位及台网优化布设、震动波形选择及波形除噪等，提出了冲击危险双源(自然震源、可控震源)震动波一体化反演技术(图9)，采用双源触发、可控、被动震动波反演，大范围、高分辨率、高效率获取采掘工作面周围区域的波速和应力分布特征，并基于波速VP、波速异常An1和波速梯度VG异常An2三个参数构建动力灾害危险预警指标，能够准确预警反演区域内的冲击危险分布范围和级别，提高监测预警的可靠度。目前，该技术已在跃进、星村、兴安等10多个煤矿应用，效果良好。
图9 震动波CT应力反演
Fig.9 Vibration wave CT stress inversion
(2)分布式声电瓦斯监测系统。
分布式声电瓦斯监测系统(图10)，可以对煤体声电瓦斯信息多点、区域化、协同监测与传输。通过对其声发射频响特征进行研究，遍历测试和分析了5～3 000 Hz内的16个频点，得出声发射探头最佳接收频率为1 300 Hz。通过搭建声电干扰实验测试系统，研究了基于机电设备开停状态的干扰滤波技术，同步测试了开关量、电磁辐射和声发射信号，研究了基于开关量开停的信号滤波处理算法，结果表明，该方法能较好的滤除电气干扰。通过分析掘进速度对声发射及电磁辐射的影响，并测试了动力显现过程的声电瓦斯指标，发现动力显现前，声发射、电磁辐射和瓦斯指标有明显增大，并保持较高水平。
图10 分布式声电瓦斯监测系统
Fig.10 Distributed acoustoelectric gas monitoring system
(3)低频探地雷达探测技术。
常用的井下构造探测方法有地震勘探、槽波勘探、电法勘探等，而探地雷达除了具有探测精度高、灵活性强的特点外，更具有较强的探测指向性和适用性。目前国内各机构研发的矿井探地雷达中心频率普遍高于100 MHz，有效探测深度为40 m，为提高矿井探测深度并同时保障探测精度，崔凡改进了50 MHz低频天线(图11)，并试制了12.5 MHz低频天线，反射探测有效深度分别可达70,100 m，CT透射探测可穿透工作面320 m，能够有效识别隐伏断层构造及其附近破碎区域，对井下隐伏构造灾害探测起到了一定推动作用。
图11 改进后的50 MHz探地雷达
Fig.11 Improved 50 MHz ground penetrating radar
(4)采集传感与多网融合传输技术。
开发具有故障自诊断、高灵敏、标校周期长的前兆信息采集传感技术与装备，实现矿井关键区域人机环参数全面采集和多元信息共网实时传输，可以为煤矿典型动力灾害监控预警系统可靠运行提供技术保障。
针对煤矿典型动力灾害中的微震、应力、瓦斯突出预警相关指标等前兆信息，研制了光纤微震监测系统(图12(a))、分布式多点激光甲烷监测系统(图12(b))、无线钻屑瓦斯解吸指标测定仪(图12(c))、无线钻孔瓦斯涌出初速度测定仪(图12(d))和三轴应力传感器(图12(e))共5类传感样机。其中新一代光纤光栅三分量加速度微震监测系统传感谐振频率约为250 Hz、灵敏度约为200 pm/g、交叉灵敏度小于 5%，可满足矿山中低频微震监测需求。开发了嵌入式PTP同步时钟模块，并搭建了时钟同步平台，主从同步精度优于1 μs，能够解决井下多台光纤微震分站工作的时钟同步问题。分布式多点激光甲烷监测装置测量误差不超过±3%。针对煤矿井下受限空间内ZigBee,6LoWPAN,WiFi无线自组网及路由管理技术，优化包括接口协议、网络路径及中继传输优化算法在内的无线自组网节点设计，完成无线自组网基站实验室样机设计，并搭建其实验室硬件试验环境。针对狭长弯曲空间无线信号连续均匀覆盖问题，设计了分布式总线定位和通信模块电路，研发了动力电与信号电混合成缆技术和基于就近耦合、分布式传感与联合计算的高精度无线定位技术，能够实现实时连续的精确定位。通过研制煤矿非接触供电技术及装备，设计并调试10 W功率模块，可满足2 km范围覆盖需求。通过HomePlug电力载波传输技术性能测试表明，传输距离为500 m时、带宽6.3 Mbps，800 m时，带宽1 Mbps，丢包率不大于5%，同时具备抗工频磁场干扰能力，可在60 A条件下可靠工作。通过透明传输网关关键模块，实现 ZigBee,6LoWPAN,WiFi,RS485,CAN等多种制式信号的解调转换、融合，并通过以太网透明可靠传输。利用区域协同控制器，能够实现数据融合、数据存储、数据处理及智能化管理等功能，完成灾害前兆信息的采集和解析。
图12 前兆信息传感装置
Fig.12 Sensing device for disaster precursor information
(5)多源信息挖掘分析技术。
目前，针对煤矿典型动力灾害前兆信息的挖掘分析主要集中在微震和矿压数据方面，包括缺失数据压缩重建、数据降噪、互相关分析和灾变预警等。
基于地震勘探目标区域环境复杂多变容易加剧勘探数据的缺失及不完整，在压缩感知相关理论的支撑下，贾瑞生提出了基于超完备字典学习的地震数据重构方法。同时微震信号具有高噪声、持时短、突变快等随机非平稳特征，应用传统降噪方法效果不明显，卢新明提出了一种基于变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)和能量熵的自适应微震信号降噪方法。通过与基于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)的微震信号降噪方法进行对比，前者从信噪比、降噪后信号占原信号的能量百分比和原信号与降噪后信号的均方根误差3个评价指标上均表现出更好的降噪效果，以上技术方法为实现多源数据的异构集成、有机聚合和规范化处理建立了基础。基于数据漂移问题的实质，为实现聚类并抽取出漂移特征，构建了潜在煤矿典型动力灾害反走样模型，提出了一种基于特征漂移和最小二乘支持向量机(LS-SVM)的煤矿冲击地压灾害在线预警方法和一种基于RBF神经网络的煤与瓦斯突出预测方法，为深度挖掘煤矿典型动力灾变特征、提高预警准确率奠定基础。
5.3 预警平台构建
建立可实现煤矿典型动力灾害多源海量动态信息远程在线传输、存储和多源信息挖掘的系统平台，实现动力灾害远程在线智能预警，指导示范矿井典型动力灾害治理，是煤矿典型动力灾害风险精准判识和监控预警的最终目的。风险精准判识及监控预警在预警平台构建方面取得的研究进展主要包括以下内容:
(1)共性关键集成架构体系。
优化多参量数据集成方案及监测预警效果，建立冲击地压、煤与瓦斯突出灾害监测预警技术装备示范应用的共性关键集成架构体系，形成从信息感知、数据挖掘、监测预警到远程共享的相互融合，从而实现各单元的时空有机联系。目前在陕西彬长矿区进行现场应用示范，建立了冲击地压多参量综合监测预警技术工程应用共性集成架构体系。
(2)多参量监测预警平台。
确定多源监测信息，形成分级立体式监测模式，构建基于云技术的监控预警系统平台，是实现煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警的落脚点。多参量监测预警平台(图13)从物理层次上包括矿端各监测系统数据标准化集成与上传中心，集团监测中心的数据存储与综合预警平台，以及架构在云平台上的客户端Web平台和区域监测预警中心。北京科技大学在陕西煤业化工集团初步建立了矿山动力灾害远程在线监测预警实验研究系统，可实现“矿井-矿业集团-远程监测预警中心”三级监测，为后续接入各示范矿井的微震、电磁辐射、瓦斯、采动应力等信号，实现在线远程监测预警试验奠定了基础。该预警平台已成功预测了胡家河煤矿2016-10-27冲击地压事件。
图13 多参量监测预警平台
Fig.13 Multi-parameter monitoring and early warning platform
6 展 望
煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警是以煤炭精准开采为指导，以多相多物理场耦合为基础，以多参量前兆信息智能判识预警技术为支撑，采用多学科交叉、多手段综合的方式，基于大数据与云计算平台的前兆信息采集传感、多网融合传输及提取挖掘技术，实现煤矿重大灾害灾变隐患在线监测、智能判识和实时准确预警的未来采矿预警新模式。该模式为有效避免我国煤矿典型动力灾害事故的发生提供了可能。
聚焦我国典型动力灾害矿井安全开采，实现煤炭绿色安全开采，任重而道远。煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警机制与关键技术研究紧密围绕上述4个个关键科学问题，将建立煤矿典型动力灾害多相多场耦合灾变和多参量前兆信息智能判识预警新理论，形成多参量灾害前兆信息智能判识、采集传感与多网融合传输以及基于大数据与云技术的煤矿典型动力灾害模态化预警新技术。建议政府主管部门和煤炭行业高度重视煤矿监控预警科技创新，在典型动力灾害矿井建设应用示范工程，构建煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术体系，全面提升我国煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警能力，助推中国能源科技强国梦。
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