截止到2017年，我国东部和中部煤矿大部分进入深部开采，矿震、冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等动力灾害越来越严重。西部煤矿由于地质和水文条件的复杂性和特殊性，以及千万吨级生产能力导致的高强度开采(强扰动)，近年来越来越多的矿井开始出现矿震、冲击地压以及诱发的煤与瓦斯突出、突水、自燃、冒顶、地表塌陷或沉陷等复合性动力灾害。这些灾害具有明显的相关性，且有时互为诱发因素，从而导致这类动力灾害危险性的实时预警准确性下降，目前煤矿常用的冲击地压预警技术已不能满足安全生产的需要。
为解决此类复合动力灾害危险性实时预警的难题，本文通过分析此类事故发生前兆“指向”和“机理”的相关性，提出了实时危险性的多参数监测和预警方法，并通过建设多参数联合预警平台，在多个煤矿进行了试验，取得了初步的效果。
1 复合动力灾害关联性分析
1.1 冲击危险性实时预测预警的发展过程
“基于监控平台的多参数预测预警”是当前冲击地压危险性预警最先进的阶段[1-3]，涵盖了回采工作面、掘进工作面、巷道和硐室围岩的震动(区域微震、工作面微震、掘进工作面地音)、应力动态(应力在线监测系统)、位移(位移计或离层仪等)、支护力(锚杆锚索、支架等)等实时信息，并将这些信息实时传输到地面监控平台，通过综合分析软件，分析“当时”和预测“未来”的冲击危险区域及危险性。煤矿可以根据各自的开采和地质条件，选择合适的监测方法、仪器和分析软件。
图1为目前矿井采用的“基于监控平台的多参数预测预警”技术的发展，该技术在冲击地压矿井取得了良好的效果，基本保障了矿井安全生产。然而，在存在复合动力灾害的矿井开采过程中，这种针对冲击地压的预测预警平台技术还不能满足要求，需要进一步研究新的监测预警方法及监控平台。
图1 冲击危险性实时预测预警的发展阶段示意
Fig.1 Development phase diagram of real-time forecasting and prewarning of rock burst
1.2 复合动力灾害发生机理的关联性分析
关于矿震、冲击地压以及煤与瓦斯突出发生机理的关联性，我国潘一山[4-6]、窦林名[7-8]、齐庆新[9]、何学秋[10]、王恩元[11-12]等多位学者开展了大量研究，取得了很多成果。总体结论为矿震、冲击地压导致了煤体和围岩的破裂，弱化了煤体和围岩，从而增加了瓦斯的涌出量和突出的危险性。
我国学者对冲击地压与突水发生机理的关联性进行了研究，取得了一定成果[13-15]。近年来在山东鲁西地区、陕西北部矿区、鄂尔多斯地区煤矿，发生了多起因“冲击造成的突水”和“大量放水诱发的冲击”事故。前者的机理是:冲击造成了顶板或底板破裂，隔水层厚度瞬间减小形成突水通道，从而导致底板突水或顶板溃水;后者的机理是:大量放水导致工作面支承压力峰值转移，当转移应力与构造应力或其它采动应力发生叠加时，容易诱发冲击地压。由于这类复合动力灾害近年来才逐渐显现，其发生机理仍需要深入研究。
在具有煤体自燃威胁的煤矿，矿震和冲击引起自燃的主要机理是:矿震和冲击造成煤体破裂、岩层断裂、隔离矿柱破裂或构造活化，导致通风系统紊乱、风压失衡和漏风通道增加等，当温度和自燃前兆气体指标达到一定条件后，容易引起煤体自燃。
另外，矿震、冲击地压、煤与瓦斯突出以及突水等灾害均可弱化顶板和支护体系，引起冒顶事故。
此外，在坚硬顶板矿区，岩层移动和地表沉陷是引起冲击、矿震和煤与瓦斯突出的重要原因，也是评估动力灾害危险性的重要指标。在存在巨厚坚硬岩层的矿区，地表沉陷状况是判断是否已经发生“最强矿震、最强冲击”的重要指标。
由此可见，复合动力灾害的发生与很多因素有关，其机理也是相互关联的。
1.3 灾害前兆的关联性分析
现场监测表明，矿震、冲击地压以及诱发的煤与瓦斯突出、突水、自燃、冒顶、地表塌陷或沉陷等灾害发生前，均不同程度地存在前兆，按照单一灾害和复合灾害的关系，这些前兆可以分为共性和个性两类，见表1。由此可以得到不同灾害特性下需要监测的参数类型、性质以及监测结果可以用于的预警目标。
表1 各类动力灾害共性与个性前兆与监测参数关系
Table 1 Universality and individuality foreshadows of various dynamic disasters and the relationship with onitoring parameters
由表1可知，共性前兆可以合并监测，个性前兆可以根据煤矿情况进行选择性监测。按照这个思路构建的灾害监测预警平台，可以最大限度地简化监测系统，做到“一机多用”和“多灾害联合预测预警”，从而改善当前单参量单系统的分散预测预警局面。
2 复合动力灾害危险性实时预警平台构建
2.1 复合动力灾害危险性实时监测参数选择
煤矿复合动力灾害预警平台的基本监测参数为应力、震动以及变形。同时，应根据矿井的具体灾害类型，增加需要监测的参数。
(1)煤与瓦斯突出矿井，监测参数需要增加瓦斯压力和浓度;
(2)突水矿井，监测参数需要增加水压、流量和温度;
(3)易自燃矿井，监测参数需要增加气体指标和温度;
(4)易冒顶矿井，监测参数需要增加支护体受力;
(5)岩层移动和地表沉陷严重影响应力场和位移场的矿井，监测参数需要增加岩层移动和地表沉陷。
上述为煤矿复合动力灾害预警平台监测参数选择的基本依据。
2.2 复合动力灾害危险性实时预警平台构建
复合动力灾害危险性实时预警平台的技术构成如图2所示，主要包含监测硬件、分析软件及预警方法指标3个部分。
复合动力灾害冲击危险性实时预警平台建设应遵循以下基本原则:
图2 复合动力灾害预警平台技术构成示意
Fig.2 Technical structure of composite dynamic disaster prewarning platform
(1)采用区域与局部监测相结合的方式，实现复合动力灾害危险区域监测在“空间上全覆盖”。
(2)采用连续与抽检相结合的方式，实现复合动力灾害危险区域监测在“时间上全覆盖”。
(3)采用云技术和大数据分析技术，实现复合动力灾害矿井的井上与井下、矿井与集团、矿井与其它监管部门联网监管，做到在“监管上全覆盖”。
图3为复合动力灾害危险性实时预警平台工作预测过程及预警结果应用示意。
图3 复合动力灾害危险性实时预警平台预测过程及预警结果应用示意
Fig.3 Composite dynamic disaster real-time orecasting process and the application of prewarning results
3 复合动力灾害危险性联合预警方法
按照我国政府的有关规定，具有复合动力灾害危险的矿井在开采前，均需要进行危险性评价。这类评价是根据勘探和开采揭露的地质资料，划定实际开采过程中的危险区域及危险性，属于“静态评价”;该评价结果需要用实时监测信息进行验证、修正和确认，即“动态监测”。在复合动力灾害监测过程中需要将静态与动态信息联合监测，同时在动态监测过程中应实现单参数与多参数的联合预警。
3.1 静态与动态信息联合预警
以突水与冲击复合动力灾害为例，其静态评价结果与应力、微震、突水、地表沉陷等动态信息联合预警的过程如图4所示。
上述为在静态评价结果的基础上，依次将应力监测、水文监测、微震监测及地表沉陷监测等动态信息与静态评价联合分析，从而预警工作面开采过程中的复合动力灾害。
3.2 单参数与多参数联合预警方法
根据各类灾害前兆的敏感性，采用敏感前兆单参数预警和一般前兆多参数预警相结合的方法实施预警。下面以“冲击-突水-地表沉陷”复合型灾害为例，介绍单参数与多参数联合预警方法。
图4 静态与动态信息联合预警过程
Fig.4 Static and dynamic prewarning procedure char
(1)单指标预警
“冲击-突水-地表沉陷”复合型灾害预警技术基础监测指标包含了“冲击地压监测”、“水文监测”、“地表沉降监测”和“常规矿压监测”4个部分(图5)。单指标预警指各个模块按照其敏感性各自划定预警值，当某模块超限时触发预警机制。
图5 “冲击-突水-地表沉陷”复合型灾害多参数综合预警示意
Fig.5 Multi-parameter comprehensive prewarning chart of complex disasters “burst-water burst-surface subsidence”
(2)多参数预警
多参数预警是指综合各个监测参数表征的危险性，经过特定的计算方法，得到工作面前兆数据表征的整体危险性。例如，4个参数模块的数据虽没有达到单指标预警水平，但整体都表征出危险趋势，即有可能触发多参数综合预警机制，这一方法充分体现了多参量监测的优势。
假设危险性指数用I表示，I=max[If(单指标)，If(综合指标)]。
4 复合动力灾害危险性实时预警试验与探索
根据煤矿复合动力灾害危险性实时预警平台建设的学术思想，课题组在河南、山东等存在复合动力灾害的矿井进行了预警试验和基础性研究。
4.1 冲击地压与瓦斯突出预警试验
河南方山煤矿在开采过程中存在冲击地压与瓦斯突出复合动力灾害，根据矿井的灾害类型构建了危险性实时预警平台并选取了监测参数。在11041工作面回采过程中，采用微震、应力监测技术对其煤岩破坏与应力变化进行了实测研究，结合工作面抽放和风排瓦斯涌出量监测数据，得到了综采工作面煤岩破坏、应力变化和瓦斯涌出三者之间的关系，如图6所示。
由图6可知，工作面的微震事件能量大小与瓦斯抽放指数变化都具有周期性的变化规律。当微震事件能量增多时，瓦斯抽放指数也相应的增加，当微震事件能量达到周期峰值时，瓦斯抽放指数也很快达到周期峰值，且其峰值要滞后于微震事件的能量峰值，一般情况下，两者相差1 d。同时可见，应力与瓦斯抽放指数两者变化在时间上较为一致，煤体测点应力周期极值点与瓦斯抽放指数周期峰值处于相同的时间点上。
图6 微震事件发生能量、煤体应力与瓦斯抽放量指数关系曲线[16]
Fig.6 Relationship among microseismic event energy,coal stress and gas drainage index[16]
根据该研究确定了11041工作面基于应力实时在线监测的冲击性突出预警值，见表2。工作面开采过程中，在冲击地压和煤与瓦斯突出预警的区域及时采区了防治措施，保证了工作面的安全开采。
表2 11041工作面冲击地压实时监测预警系统预警值[17]
Table 2 11041 working face’s rock burst prewarning value from real-time monitoring and prewarning system[17]
4.2 矿震-冲击-煤与瓦斯突出预警探索
河南某高瓦斯矿井12070工作面在回采过程中，煤层上覆存在坚硬岩层且地表为山地，在工作面开采过程中存在矿震、冲击及煤与瓦斯突出复合动力灾害。该工作面在2016-11-08T10:33发生了矿震，地面晃动明显，持续5 s;风巷上隅角瓦斯体积分数由0.65%上升至0.69%;工作面上部巨响，采煤工作面、风巷、机巷煤尘飞扬。
根据该工作面复合动力灾害的类型，选取微震、应力及瓦斯浓度作为监测参数构建预警平台，预警了工作面可能发生的矿震区域，同时在该区域采取了冲击地压和瓦斯突出防治措施，保证了工作面的安全开采。
4.3 冲击地压与突水预警探索
山东某矿 1301 工作面在回采过程中发生冲击地压，如图7所示。该工作面冲击区域在冲击前发生了顶板出水，最大涌水量达到500～600 m3/h，相当于在顶板中开采了一个“薄煤层”，其水位降低的边缘已经深入到工作面前方，从而造成工作面前方部分区域压力升高，造成了该区域的冲击。
图7 某矿1301工作面冲击地压事故示意
Fig.7 One mine’s 1301 working face rock burst accident chart
通过对该工作面冲击地压与突水发生机理研究，目前在该工作面开展了微震、应力与水文相关参数监测的复合动力灾害预警平台建设。通过水文监测来预警冲击，同时通过微震和应力监测也可以对工作面的突水进行预测。
5 结论及展望
5.1 结 论
(1)通过研究煤矿复合动力灾害发生机理及前兆的关联性，将复合动力灾害发生前兆分为共性和个性两类，以此为基础选取合理的监测参数和类型构建复合动力灾害危险性实时预警平台，用于工作面开采过程中复合动力灾害的临场预警、中期预警或远期预警。
(2)提出了复合动力灾害危险性实时预警平台建设的基本原则。
(3)提出了复合动力灾害危险性的静态与动态信息联合预警方法，同时对于动态信息的预警应采用单参数与多参数的联合预警模式。
(4)根据复合动力灾害危险性实时预警平台构建的学术思想，课题组在河南、山东等存在复合动力灾害的矿井进行了预警试验和基础研究，预警了矿井的复合动力灾害，为构建和完善复合动力灾害危险性实时预警平台提供了基础。
5.2 展 望
(1)随着电子技术和信息技术的飞速发展，监测系统硬件将由现在的“信号标准化后并网监测”，发展到“以互联网为基础的全数字化监测”阶段，为智能化预警创造先进的硬件环境。
(2)随着复合动力灾害机理研究的逐步深入，智能化的预警方法和软件将逐渐完善。
(3)随着云技术和大数据分析技术的应用，复合动力灾害的监测预警将逐步走向“空间上全覆盖”、“时间上全覆盖”和“监管上全覆盖”。
参考文献(References):
[1] 窦林名，巩思园，刘鹏，等.矿震冲击灾害远程在线预警平台[J].煤炭科学技术，2015，43(6):48-53.
DOU Linming，GONG Siyuan，LIU Peng，et al.Remote online early warning platform of mine seismic and bump disaster[J].Journal of China Coal Society，2015，43(6):48-53.
[2] 姜福兴，曲效成，于正兴，等.冲击地压实时监测预警技术及发展趋势[J].煤炭科学技术，2011，39(2):58-63.
JIANG Fuxing，QU Xiaocheng，YU Zhengxing，et al.Real time monitoring and measuring early warning technology and development of mine pressure bumping[J].Coal Science and Technology，2011，39(2):58-63.
[3] 刘金海.煤矿冲击地压监测预警技术新进展[J].煤炭科学技术，2016，44(6):71-77.
LIU Jinhai.New progress on monitoring and early warning technology ofmine strata pressure bump[J].Coal Science and Technology，2016，44(6):71-77.
[4] 潘一山,章梦涛.冲击地压失稳理论的解析分析[J].岩石力学与工程学报,1996,15(S1):504-510.
PAN Yishan，ZHANG Mengtao.The exact solution for rockburst in coal mine by unstability rockburst theory[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1996，15(S1):504-510.
[5] 潘一山,李忠华,唐鑫.阜新矿区深部高瓦斯矿井冲击地压研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(S1):5202-5205.
PAN Yishan,LI Zhonghua,TANG Xin.Research on rockburst for highly gassy deep mine in Fuxin coal minning area[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(S1):5202-5205.
[6] 潘一山.煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究[J].煤炭学报,2016,41(1):105-112
PAN Yishan.Integrated study on compound dynamic disaster of coal-gas outburst and rockburst[J].Journal of China Coal Society,2011,41(1):105-112
[7] 窦林名，陆菜平，牟宗龙，等.冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用[J].煤炭学报，2005，30(5):690-694.
DOU Linming，LU Caiping，MOU Zonglong，et al.Intensity weakening theory for rockburst and its application[J].Journal of China Coal Society，2005，30(5):690-694.
[8] 窦林名,何学秋.煤矿冲击矿压的分级预测研究[J].中国矿业大学学报，2007,36(6):717-722.
DOU Linming,HE Xueqiu.Technique of classification forecasting rock burst in coal mines[J].Journal of China University of Mining & Technology，2007,36(6):717-722.
[9] 齐庆新，彭永伟，汪有刚，等.基于煤体采动裂隙场分区的瓦斯流动数值分析[J].煤矿开采，2010，15(5):8-10.
QI Qingxin，PENG Yongwei，WANG Yougang，et al.Numerical analysis of methane flow based on districting coal body’s crack field induced by mining[J].Coal Mining Technology，2010，15(5):8-10.
[10] 何学秋，窦林名，牟宗龙，等.煤岩冲击动力灾害连续监测预警理论与技术[J].煤炭学报，2014，39(8):1485-1491.
HE Xueqiu，DOU Linming，MOU Zonglong，et al.Continuous monitoring and warning theory and technology of rock burst dynamic disaster of coal[J].Journal of China Coal Society，2014，39(8):1485-1491.
[11] 王恩元，何学秋.煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究[J].地球物理学报,2000，43(1):131-137.
WANG Enyuan，HE Xueqiu.An experimental study of the electromagnetic emission during the deformation and fracture of coal or rock[J].Chinese Journal of Geophysics，2000，43(1):131-137.
[12] 王恩元，何学秋，窦林名，等.煤矿采掘过程中煤岩体电磁辐射特征及应用[J].地球物理学报，2005，48(1):216-221.
WANG Enyuan，HE Xueqiu，DOU Linming，et al.Electromagnetic radiation characteristics of coal and rocks during excavation in coal mine and their application[J].Chinese Journal of Geophysics，2005，48(1):216-221.
[13] 姜福兴,王存文,杨淑华.冲击地压及煤与瓦斯突出和透水的微震监测技术[J].煤炭科学技术,2007,35(1):26-28.
JIANG Fuxing,WANG Cunwen,YANG Shuhua.Microseismic monitoring and measuring technology for pumping pressure coal and gas outburst and water inrush[J].Coal Science and Technology,2007,35(1):26-28.
[14] 姜福兴,叶根喜,王存文,等.高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用[J].岩石力学与工程学报,2008,27(9):1932-1938.
JIANG Fuxing,YE genxi,WANG Cunwen,et al.Application of high-precision microseismic monitoring technique to water inrush monitoring in coal mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(9):1932-1938.
[15] 窦林名,何江,巩思园,等.采空区突水动力灾害的微震监测案例研究[J].中国矿业大学学报,2012,41(1):20-25.
DOU Linming,HE Jiang,GONG Siyuan,et al.A case study of micro-seismic monitoring goaf water-inrush dynamic hazards[J].Journal of China University of Mining & Technology,2012,41(1):20-25.
[16] 尹永明,姜福兴,谢广祥,等.基于微震和应力动态监测的煤岩破坏与瓦斯涌出关系研究[J].采矿与安全工程学报,2015,32(2):325-330.
YIN Yongming,JIANG Fuxing,XIE Guangxiang,et al.Relation between coal-rock failure and methane emission based on microseismic and dynamic stress monitoring[J].Journal of Mining and Safety Engineering,2015,32(2):325-330.
[17] 尹永明.冲击性煤与瓦斯突出发生机理及防治技术研究[D].北京:北京科技大学，2014:111-113.
YIN Yongming.Research on mechanism and control technology of coal and gas outburst induced by rockburst[D].Beijing:University of Science and Technology Beijing,2014:111-113.
11