0516 齐庆新1,2,3，潘一山4,5，舒龙勇2,3，李宏艳2,3，姜德义6，赵善坤2,3，邹银辉7，潘俊锋8，王魁军9，李海涛2,3
(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013;2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013;4.辽宁大学，辽宁 沈阳 120000;5.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000;6.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044;7.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037;8.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013;9.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016)
摘 要:煤矿进入深部开采后，煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变，开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大，矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现，冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化，煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚，相互转化机制不清，快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状，凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题，提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想，确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向，构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构，最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系，为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。
关键词:深部开采;煤岩动力灾害;冲击地压;煤与瓦斯突出;多尺度分源;灾害防控
中图分类号:TD82
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)07-1801-10
QI Qingxin1,2,3，PAN Yishan4,5，SHU Longyong2,3，LI Hongyan2,3，JIANG Deyi6，ZHAO Shankun2,3，ZOU Yinhui7，PAN Junfeng8，WANG Kuijun 9，LI Haitao2,3
(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Mine Safety Technology Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China;4.Liaoning University,Shenyang 110136,China;5.Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;6.State Key Laboratory for the Coal Mine Disaster Dynamics and Controls,Chongqing University,Chongqing 400044，China;7.Chongqing Research Institute of CCTEG，Chongqing 400037,China;8.Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;9.CCTEG Shenyang Research Institute,Shenyang 110016,China)
Abstract:The deep mining of coal mines leads to some significant changes in the physical properties of coal and rock,stress environment and gas occurrence law.The perturbed range of overlying rock and level of dynamic-static load have also increased significantly.In addition,the disaster effect caused by the linkage of mine groups and the control effect of large geological bodies appear in deep mining.The same disaster effect with the coexistence and conversion of rock burst and coal &gas outburst occurs.Therefore,above characteristics make the prevention and control of dynamic disaster in deep coal mines become a problem to be solved urgently.Considering the situation that the conditions of disaster breeding and mutual transformation mechanism are complex and still unclear,the quick detection method,prevention-control technology and equipment are still lacking,in this paper,the key scientific and technical problems of prevention-control for dynamic disaster in deep mining are condensed,the thought of prevention and control with different sources in multi-scales for coal and rock dynamic disasters in deep mining is proposed,the research direction of prevention and control technology for dynamic disaster in deep mining is determined,and the theory and technical framework of prevention and control with different sources in multi-scales for coal and rock dynamic disasters in deep mining are established.Based on the above achievements,the theory and technology system of prevention and control with different sources in multi-scales for coal and rock dynamic disasters in deep mining are formed successfully,which can provide a theoretical and technical support for the prevention and control of rock burst,the outburst of coal and gas or compound dynamic disaster in deep mining of coal mines in China.
Key words:deep mining;coal and rock dynamic disaster;rock burst;coal and gas outburst;different source in multi-scale;disaster prevention and control
齐庆新，潘一山，舒龙勇,等.煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构[J].煤炭学报,2018,43(7):1801-1810.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0660
QI Qingxin，PAN Yishan，SHU Longyong,et al.Theory and technical framework of prevention and control with different sources in multi-scales for coal and rock dynamic disasters in deep mining of coal mines[J].Journal of China Coal Society,2018,43(7):1801-1810.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0660
收稿日期:20180516
修回日期:20180629 责任编辑:毕永华
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804200);国家自然科学基金资助项目(51704164，51874176)
作者简介:齐庆新(1964—)，男，吉林九台人，研究员，博士生导师。E-mail:qiqingxin@x263.net
通讯作者:舒龙勇(1985—)，男，安徽金寨人，助理研究员，博士研究生。E-mail:yonglongshu@163.com
煤炭作为不可再生资源，具有能源、工业原料双重属性。目前，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2015年我国煤炭消费量仍占国内能源消费总量的64%，煤炭作为我国主导能源的地位短期内不会改变。随着浅部煤炭资源的日益枯竭，我国的煤炭开采深度不断加大，深部开采将成为煤炭资源开发中的常态[1]。一直以来科技界和工程界就深部开采中的诸多问题，如深部开采中的非线性岩石力学特征、深部开采的动力响应与灾害行为、深部开采中围岩支护与控制、浅深部开采的界限划分与工程指标、极限开采深度以及深部开采的技术与装备等开展了广泛深入的研究，取得了丰富的成果，有效地指导了煤炭的安全和高效生产[2-5]。但由于我国煤层赋存条件千差万别，煤层厚度从薄和极薄到厚与特厚、煤层倾角从近水平到缓倾斜、急倾斜均有分布，且地处欧亚板块结合部，地质构造复杂，高瓦斯、煤与瓦斯突出、冲击地压煤层多，开采难度大，同时深部煤炭开采基础研究薄弱，使得煤炭行业在满足国家能源需求、促进社会进步的同时也付出了巨大的代价[6]。冲击地压、煤与瓦斯突出(简称“突出”)是煤矿开采中最为严重的动力灾害，由于我国煤层地质条件复杂，冲击地压、煤与瓦斯突出灾害十分严重;煤矿浅部开采时，动力灾害多表现为煤与瓦斯突出、冲击地压单一的灾害形式，灾害预测及防治研究通常分别进行，取得了一定进展[7-12]。煤矿进入深部开采后，煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变，开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大，矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现，冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化，煤矿深部煤岩动力灾害(本文指冲击地压、煤与瓦斯突出及两者的复合灾害)的防控已成为当前亟待解决的问题。
本文针对我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出孕灾条件复杂且尚不清楚，相互转化机制不清，快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状，我们凝练了煤矿深部开采煤岩动力灾害防控存在的重大科学问题和关键工程技术问题，提出了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控思想及其内涵，确定了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构，进而建立煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论和技术体系，为有效遏制煤矿深部开采煤岩动力灾害提供科学和技术支撑。
在世界范围内，自1738年英国南史塔福煤田首次发生冲击地压灾害、1834年法国鲁阿雷煤田首次发生煤与瓦斯突出灾害以来，目前包括我国在内的世界采矿国家，如美国、加拿大、波兰、俄罗斯、澳大利亚、捷克、南非等国都受到冲击地压和煤与瓦斯突出灾害的威胁[13-14]。在冲击地压防控方面，我国围绕开拓布置优化、保护层开采等区域防范技术和煤层注水、顶板深孔爆破、煤层卸载爆破等局部解危技术，已初步形成了浅部冲击地压防控技术体系;在煤与瓦斯突出防控方面，保护层开采、预抽瓦斯、煤层水力化增透等技术装备已经推广应用，近年更加注重区域防突技术的研究，逐步发展成区域与局部两个“四位一体”综合防突技术体系;在复合煤岩动力灾害方面，我国已经探索采用高压空气致裂、深孔断顶爆破等技术进行防控。尽管国内外在煤岩动力灾害防控方面取得很大进展[15-18]，但煤矿进入深部开采后，原岩应力增大，瓦斯压力增加，围岩应力场的复杂性、围岩的大变形和强流变性、动力响应的突变性、深部岩体的脆延转化特性等，使得深部矿井煤岩动力灾害表现出与浅部不同的特征:强度更大、破坏影响范围更广、空间位置分布更加分散、发生更突然、复合灾害增多。深部开采煤岩动力灾害防控仍然面临重大难题，国内外冲击地压和煤与瓦斯突出仍时有发生。深部开采煤岩动力灾害防控存在的工程技术问题主要体现为:
(1)进入深部开采后，控制煤岩动力灾害发生的煤岩体物性条件、应力环境、瓦斯赋存条件等因素发生很大变化，有必要揭示深部煤岩动力灾害的孕灾条件及防控机理。
(2)进入深部开采后，煤岩动力灾害发生频率高，灾害突发性强，必须开发煤岩动力灾害的快速探测及评价技术，为煤岩动力灾害及时防控提供保证。
(3)进入深部开采后，不同于浅部的静载荷作用，必须考虑采掘工作面顶板及上覆岩层断裂引起的强扰动、动载荷作用。
(4)进入深部开采后，与浅部主要考虑局部-区域的煤岩动力灾害防控不同，必须考虑巷道、采掘工作面、矿井及矿井群多尺度联动的煤岩动力灾害防控。
(5)进入深部开采后，煤岩动力灾害破坏特征相近，发生门槛降低，冲击地压和煤与瓦斯突出发生类型相互转化，必须进行一体化防控。
以冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害为对象，针对煤矿深部开采煤岩动力灾害孕灾条件、危险区探测与评价、灾害防控工程实践中的重大难题，笔者认为煤矿深部开采煤岩动力灾害防控需要解决的关键科学技术问题包括:
(1)深部煤岩动力灾害孕灾条件和时空防控机制。研究深部煤岩体在高地应力、高瓦斯压力、强采矿扰动作用下的力学行为与响应，揭示煤岩介质属性、环境应力、瓦斯压力等对煤岩动力灾害的控制作用;研究深部煤岩体应力场、瓦斯压力场、裂隙场及能量场在孕灾过程中的变化、演化及转化规律，探索煤岩动力灾害时空防控机制。
(2)深部开采复合煤岩动力灾害转化机制。研究深部瓦斯煤岩体物性、应力与瓦斯压力在不同动静载作用下的变化规律，探讨煤岩体物性、应力和瓦斯压力的互馈规律，揭示复合煤岩动力灾害主控因素及转化机制。
(3)深部煤岩动力灾害危险性区域精准探测技术。研究深部开采煤岩动力灾害危险性控制因素，探索深部煤岩动力灾害危险性和敏感性新指标，确定深部煤岩动力灾害危险区的精准探测新方法与技术。
(4)深部煤岩体原位改性与应力调控防冲技术。研究矿井群井间远场扰动、矿井区域覆岩运动、采掘工作面近场采动影响下动静载来源及控制技术，探索顶板破断应力调控、煤层和底板改性加固技术，建立深部开采冲击地压防控技术新体系。
(5)深部煤体卸压增透与时空抽采防突技术。研究深部煤体气液固多相卸压增透防突技术，研究井上瓦斯预抽和井下煤层瓦斯抽采防突的新技术装备，建立深部开采煤与瓦斯突出井上下联合防控新模式。
(6)深部复合煤岩动力灾害一体化防控技术。研究深部开采复合煤岩动力灾害类型及划分方法，研究深部复合煤岩动力灾害静载卸荷消突-动载消能防冲及能量稳态调控有序释放一体化控制技术，实现深部复合煤岩动力灾害一体化防控。
煤岩动力灾害发生机理是有效防控煤岩动力灾害的前提和基础。针对冲击地压发生机理，国内外学者先后提出了强度理论、刚度理论、能量理论、变形系统失稳理论、“三准则”理论[19]、冲击倾向性理论[20-21]、“三因素”理论[22]和冲击启动理论[23]等，其中“三因素”理论较系统地分析了冲击地压为何发生的问题，认为冲击地压的发生必须具备三个因素，即内在因素(煤岩的冲击倾向性)、力源因素(高度的应力集中或高变形能的赋存与外部的动态扰动)和结构因素(具有软弱结构面和易于引起突变滑动的层状介面)。针对煤与瓦斯突出发生机理，各国学者主要致力于研究突出现象发生的条件、规律，先后提出了多种学说用于揭示突出发生、发展及停止的内在机制，将这些假说归纳起来可以分为瓦斯作用说、地应力作用说、化学本质说和综合作用假说等四类[24]，其中综合作用假说认为突出是地应力、瓦斯、煤的力学性质等多因素综合作用的结果。由于综合作用假说较全面的考虑了突出的动力和阻力两方面影响因素，得到了国内外学者的普遍认可，但该假说中关于突出机制研究比较抽象，缺乏与现场工程结构的结合，因而往往难以有效指导防突工程实践。20世纪80年代以来，我国学者又相继提出了煤与瓦斯突出流变假说[25]、球壳失稳假说[26]、力学作用机理[27]和关键结构体致灾机理[28]等学术观点，进一步丰富了煤与瓦斯突出发生的理论体系。随着我国煤矿开采水平的逐步延深，冲击地压、煤与瓦斯突出两种灾害间的相互作用开始显现，一些学者[29]认为传统冲击地压和煤与瓦斯突出分别进行治理的理念和技术已不能满足深部矿井煤岩动力灾害治理的需要，因此提出将煤矿深部煤岩动力灾害统一进行研究，实施一体化的预测与防治。
由于不同煤矿地质结构环境和采掘施工条件千差万别，学者们一直在尝试从不同角度对煤岩动力灾害的发生机理进行剖析，但总体上来看，影响煤岩动力灾害的主要因素可归结为应力、瓦斯和煤岩介质属性三个方面，以往学者们提出的各种学说也多是围绕着这三方面展开的。但若要实现煤矿深部开采煤岩动力灾害精准防控，必须回答“如何针对深部煤岩介质属性、结构与应力环境的变化提出有效的防控机理？如何从不同尺度、不同致灾因素的来源上实现协同防控？如何弄清采掘空间载荷作用方式，并有效利用深部开采动静载的不同作用形式，控制灾害的发生？如何探索冲击地压和煤与瓦斯突出相互诱发与转换的机制并进行一体化防控？”等问题。为此，笔者提出了深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控思想，即针对影响煤岩动力灾害发生的应力源、瓦斯源和物性源，对于冲击地压灾害，在“矿井群—矿井—采掘工作面—巷道”尺度下，主要控制应力源，辅以改变物性源;对于煤与瓦斯突出灾害，采取井上下联合区域—局部防控，主要控制瓦斯源，辅以控制应力源和改变物性源;对于复合煤岩动力灾害，采取井下区域—局部联合防控，主要控制瓦斯源和应力源，辅以改变物性源。
针对深部开采煤岩动力灾害防控存在的关键科学技术问题，以多尺度分源防控思想为指导，笔者所在团队承担了国家重点研发计划“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”项目，目标是揭示深部与浅部开采煤岩动力灾害的本质差异，探明深部煤岩动力灾害防控机理以及复合煤岩动力灾害转化机制，建立深部煤岩动力灾害防控理论与科学评价方法，分别从矿井群、矿井、采掘工作面、巷道等不同尺度，研发防控深部煤岩动力灾害的新方法、新技术和新装备，研究成果在典型矿井进行集成与示范，解决煤矿深部开采面临的安全生产问题。项目整体实施的技术路线如图1所示，各研究内容的逻辑关系及课题设置情况如图2所示。
图1 煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究技术路线
Fig.1 Research technical route of prevention and control dynamic disaster in deep mining of coal mines
图2 主要研究内容和方向间的逻辑关系
Fig.2 Logical relationship between the main research directions and contents
针对冲击地压、煤与瓦斯突出及复合煤岩动力灾害，以冲击地压“三因素”机理、变形系统失稳理论和煤与瓦斯突出的综合作用假说、关键结构体致灾机理等理论为基础，从物性条件、应力条件和瓦斯条件出发，开展煤岩动力灾害的孕灾规律研究，分析孕灾条件，探讨各种防控技术在治灾和抑灾过程中主控因素的作用机制，研究煤岩介质属性如何改变，结构如何改造，环境应力如何控制，为煤岩动力灾害防控新技术的研发提供理论支撑。
(1)深部开采煤岩体原位改性与应力控制防冲机理。引起冲击地压发生的因素主要可以归纳为煤岩冲击倾向特性、煤岩体结构特性和煤岩体所受应力等3个方面。无论是哪种类型的冲击地压现象，均是应力作用导致煤岩体突然破坏的结果，只是应力的来源、大小和表现形式等要素不同而已。具有冲击倾向性的煤岩体，原始赋存条件下内部积聚了一定的原始应力，煤层开采引起采场应力的重新分布并在局部形成高应力集中，此时处于非稳定动态平衡状态的煤岩体在外界扰动应力的作用下就会诱发冲击地压的发生。以往关于冲击地压防控机理的研究，比较有代表性的“应力控制理论[30]”和“强度弱化减冲理论[31]”就是分别从应力控制和煤岩体改性的角度对冲击地压进行防控。煤矿现场防冲实践过程中，人造缺陷[32]、钻孔、切缝、压裂、注水、卸载爆破等措施，很多也是在改变煤岩体性质的同时，实现对应力场的调整，使能量有序释放与耗散。近年来，一些学者[33-34]针对煤矿井下现场不同力源类型和围岩组合结构形式，提出了对冲击地压灾害进行分类防治的思想和实践，取得了一定的应用效果。但以往研究冲击地压灾害孕灾条件与防控机理，没有充分考虑进入深部开采后煤岩介质属性改变、地应力升高、大型地质构造与巨厚上覆岩层以及冲击地压矿井群联动效应等影响，在深部开采条件下，以往这些研究成果是否仍然适用，需要进一步深入研究，以便建立冲击地压的深部开采煤岩体原位改性与应力控制机理(图3)，为深部煤矿冲击地压灾害的科学防控提供指导。
图3 深部开采煤岩体原位改性与应力控制原理
Fig.3 Principle of in situ modification and stress control of coal and rock mass in deep mining
(2)深部开采卸荷增透与煤岩介质改性防突机理。煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤的力学性质等多因素综合作用的结果，包含影响突出的动力和阻力两方面的因素。从式(1)所示的煤与瓦斯突出启动条件的力学判据中可以看出，可分别从主动消除高能瓦斯和被动提高煤体强度2个方面入手防控煤与瓦斯突出灾害。然而，煤矿井下现场突出煤体往往存在着渗透率低、瓦斯难以抽采的问题，深部开采地应力主导了煤层所受有效应力的变化，直接或间接控制着煤层渗透率大小，只有改变深部煤层渗透率的主导因素——地应力，方能实现煤矿深部低渗高突煤层的瓦斯高效抽采[35]。因此，煤矿深部开采煤与瓦斯突出灾害的防控应该因地施策，从卸荷增透和煤岩介质改性两个方面入手，重点区域可以采用卸荷增透与介质改性协同防突技术措施。深部开采卸荷增透与煤岩介质改性防突原理如图4所示，其内在力学机制有待在今后的研究中进一步深化和完善。
图4 深部开采卸荷增透与煤岩介质改性防突原理
Fig.4 Outburst prevention principle for pressure-relief and modification of coal and rock medium in deep mining
(1)
式中，Cm为突出启动力学判据;p为瓦斯压力，MPa;c，φ分别为煤的黏聚力与内摩擦角;pa为巷道内的环境气压;σxt，σyt，σzt分别为煤壁前方的动态应力场中x，y，z方向的应力大小[28]，MPa。
(3)深部开采复合煤岩动力灾害转化机制与防控机理。我国部分矿区进入深部开采后，煤岩动力灾害既有煤与瓦斯突出特征，又有冲击地压特征，难以归类为单一灾害类型，称为复合煤岩动力灾害。与浅部动力灾害相比，复合煤岩动力灾害发生门槛降低、强度增大，其发生机理更复杂。煤与瓦斯突出煤层采取防突技术治理，使煤体冲击危险性增加，进而可能发生冲击地压灾害;冲击地压煤层采取钻孔卸压等防治技术，可能诱发煤与瓦斯突出(图5)。冲击地压、煤与瓦斯突出分别进行治理的理念和技术，已不能满足复合煤岩动力灾害治理需要。其原因是二者在孕灾条件上彼此交错、灾变过程相互促进，引发灾害的类型具有不确定性。因此，探明深部开采复合煤岩动力灾害转化机制与防控机理是有效防控复合煤岩动力灾害的基础。
图5 深部开采复合煤岩动力灾害转化原理
Fig.5 Principle of the mutual transition among coal and rock dynamic disasters in deep mining
煤矿深部开采煤岩动力灾害发生频率高、突发性强，缺乏能快速探测危险区域技术与评价方法。传统的煤矿浅部煤岩动力灾害探测技术无法及时反馈具有极强突发性灾害的类型、危险等级及范围等信息，亟需适用于煤矿深部开采煤岩动力灾害危险性区域快速探测及评价技术。针对煤矿深部开采环境，围绕着“煤岩体应力、构造、瓦斯如何探测？煤岩动力灾害危险性(区)如何表征？”等问题，研发煤矿深部巷道掘进及回采工作面危险性区域快速探测技术，建立深部开采动力灾害危险区多参量精准等级划分及评价技术，形成工作面应力、构造、瓦斯等危险性指标参量可视化表征技术，实现煤矿深部采场危险性区域透明化。具体包括:
(1)煤矿深部开采掘进巷道煤岩动力灾害危险性区域快速探测技术。研究深部矿井煤层钻孔钻进过程中钻屑温度变化、钻屑量大小及粒径分布等与煤层突出危险性的相关性，提出基于钻屑探测突出危险性快速反演方法，研发井下随钻型煤与瓦斯突出快速测定分析系统，结合地质雷达探测瓦斯地质异常区的理论和方法，实现深部巷道掘进面迎头突出危险性区域的快速精准探测;基于光纤光栅分布式测量原理，集成一孔多点钻孔应力测试系统与巷道表面位移测试装置，发展应力与位移实时监测数据与动态分析技术，建立以应力梯度和位移梯度为评价指标的冲击危险性动态评价方法;基于巷道两侧煤体应力和巷道表面位移实时在线监测，研发掘进巷道时滞型冲击地压快速探测技术。
(2)煤矿深部开采回采工作面煤岩动力灾害危险性区域多源动态探测技术。研究地震CT原位快速探测回采工作面危险源技术，建立工作面地震CT一次探测应力、构造整体成像方法;研究微震远场应力异常区动态探测技术，建立三维空间条件下应力动态监测系统;开展回采工作面地震CT-微震相结合的时空一体化探测方法研究，建立回采工作面煤层内部应力异常区及构造区综合探测技术;开发冰冻“保真”取样技术，基于单片机的自动监测装置，研究回采煤层区域瓦斯压力布点连续探测及数据动态采集与传输装置，实现采场瓦斯压力动态实时快速探测。
(3)煤矿深部开采动力灾害危险性区域精确分级及“透明采场”(图6)表征技术:研究危险区各类探测信息的综合显现方法，基于数据挖掘技术研究煤岩动力灾害前兆信息统计归类模型，探索突出煤层危险区范围表征反演技术，建立多参量综合煤岩动力灾害危险区快速确定及等级划分方法，实现煤矿深部危险区域等级精确划分及评价;结合深部矿井危险区精确分级技术，探索煤矿开采煤层应力集中区、瓦斯富集区及煤岩结构异常区的三维显示方法，开发煤矿深部采区时空一体化综合探测数据分析及可视化显现软件平台，实现煤矿深部动力灾害危险区“透明采场”表征。
图6 “透明采场”概念图
Fig.6 Concept mapping of transparent stope
深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控技术的研发遵循多尺度分源防控的理念，多尺度包括矿井群、矿井、采掘工作面、巷道等工程尺度，分源主要是考虑煤岩介质属性(物性源)、应力(应力源)以及瓦斯(瓦斯源)等致灾源头。
(1)深部开采多尺度分源防冲技术与装备。冲击地压多尺度分源防冲技术包括矿井群、矿井及采掘工作面、巷道三个尺度上的内容，一是在矿井群尺度下，以控制矿井群煤系地层结构效应和应力链为中心的大型地质体控制型矿井群冲击地压协同防控方法与技术(图7)，主要包括研究大型地质体控制型矿井群结构特征和工程地质应力环境，开展大型地质体控制型矿井群“井—地—空”一体化监测及时空稳定性评价，有针对性地采取冲击地压矿井群井间吸能稳构防控技术和井间断链增耗应力控制技术;二是在矿井及采掘工作面尺度下，近场以控制顶底板和煤层、远场以控制采掘工作面覆岩结构的动静载分源防冲技术与装备，主要包括研究分析深部矿井冲击地压区域动静载演化规律，针对不同的应力源，分别采取顶板“钻—切—压”一体化冲击地压动静载调控防冲技术、煤层大直径钻孔静载荷调控防冲技术(包括研制如图8所示的超大转矩远程控制自动化钻机)和底板联排桩静载荷调控防冲技术等;三是在巷道尺度下，基于动力学理念的深部开采巷道吸能支护防冲技术与装备，主要包括吸能支护防控冲击地压理论与方法、高冲击韧性强力锚杆防控巷道冲击地压技术与装备、稳构恒阻吸能“O型”棚支护防控巷道冲击地压技术与装备、吸能液压支架防控巷道冲击地压技术与装备等(图9)。
图7 矿井群联动致灾效应及协同防控示意
Fig.7 Disaster causing effect and the cooperative prevention and control of mine group
图8 超大转矩远程控制自动化钻机
Fig.8 Ultra-high torque remote control automation drilling rig
图9 巷道“三级”支护技术体系
Fig.9 Tertiary support technology system of roadway
(2)深部开采区域—局部分源防突技术与装备。区域性消除煤与瓦斯突出危险是突出煤层开采的重要安全保障，传统区域性突出防治一般采用井下防治方法，井下工程量大、治理周期长，深部高应力、高瓦斯条件下更易造成矿井采掘接替严重失衡，生产安全难以保障。如何有效提升区域性防突效果，缩短防治周期是深部突出矿井面临的重要技术问题。井上下立体抽采与井下卸压增透相结合的井上下联合方法(图10)，是解决此难题的工程技术新思路，其核心和关键在于形成深部煤层井上下联合时空衔接抽采技术和井下区域卸压增透技术。鉴于此，提出了深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合区域—局部防控方法与技术，即一是深部开采煤与瓦斯突出井上下联合防控方法与技术，即区域防控，主要研究深部开采煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控方法，深部近距离煤层群多水平分支井井上下联合抽采防突技术，深部中远距离煤层群采动井井上下联合卸压抽采防突技术，地面预抽煤层煤巷条带动静载强化卸压防突技术，地面抽采煤层超高压切压联合区域卸压防突技术及装备;二是深部开采煤与瓦斯突出多相分源防控技术与装备，即局部防控，主要包括高压气体磨料射流扩孔卸压防突技术与装备，水力大直径分级造穴卸压增透技术(图11)与装备，径向回转水力喷射钻进网状钻孔抽采消能防突技术(图12)与装备，水力“压—钻—冲”一体化改性卸压增透协同防突技术，高突煤层地质构造带卸压消能与相变固化协同防突技术与装备。
图10 井上下联合时空衔接抽采防突方法
Fig.10 Outburst prevention method for extracting coal bed gas by up-hole and down-hole combination
图11 水力大直径分级造穴卸压增透防突技术
Fig.11 Outburst prevention technique of hydraulic large diameter graded cavitation
图12 径向回转水力喷射钻进网状钻孔抽采防突技术
Fig.12 Outburst prevention technique of radial rotary hydraulic jet drilling through the mesh drilling
(3)深部复合煤岩动力灾害一体化防控方法与技术。深部复合煤岩动力灾害的防控是一个全新的研究课题，针对深部煤层冲击地压、煤与瓦斯突出两种灾害在孕灾及灾变过程中两者相互作用，互为诱发因素，导致灾害防治的针对性、有效性差等技术难题，在冲击地压和煤与瓦斯突出理论与技术的基础上，遵循多尺度分源防控思想，抓住应力源和瓦斯源两个基本要素，以不同载荷条件下瓦斯煤岩体的弹性能与瓦斯内能的动态演化规律为切入点，开发复合煤岩动力灾害一体化辨识技术，实现对灾害类型的划分。针对不同类型灾害的能量主体，从控制能量的释放次序与释放速率角度出发，开发复合煤岩动力灾害横切纵断卸荷消能一体化防控技术(图13)与复合煤岩动力灾害一孔变径“卸压—抽采—注水”一体化防控技术(图14)，实现复合煤岩动力灾害能量有序调控和稳态释放，达到一体化防控目的。
图13 横切纵断卸荷消能一体化防控技术
Fig.13 Integrated prevention and control technology of unlo-ading through transverse and longitudinal cutting
图14 一孔变径“卸压-抽采-注水”一体化防控技术
Fig.14 Integrated prevention and control technology of ‘pressure relief-gas extraction-water injection’ in the same drill hole
以冲击地压“三因素”机理、变形系统失稳理论、应力控制理论和煤与瓦斯突出的综合作用假说、关键结构体致灾机理等理论为基础，围绕着深部开采煤岩动力灾害防控存在的关键科学技术问题，提出了深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控思想，即针对影响煤岩动力灾害发生的应力源、瓦斯源和物性源，对于冲击地压灾害，在“矿井群—矿井—采掘工作面—巷道”尺度下，主要控制应力源，辅以改变物性源;对于煤与瓦斯突出灾害，采取井上下联合区域—局部防控，主要控制瓦斯源，辅以控制应力源和改变物性源;对于复合煤岩动力灾害，采取井下区域—局部联合防控，主要控制瓦斯源和应力源，辅以改变物性源。
以深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控思想为指导，研究深部煤岩动力灾害孕灾条件和防控机理、复合煤岩动力灾害转化机制与防控机理，研发应力、构造、瓦斯多源动态快速探测技术与装备，从而揭示深部与浅部开采煤岩动力灾害的本质差异，构建深部煤岩动力灾害防控理论和科学评价方法;开发深部煤岩动力灾害多尺度分源防控新技术与新装备，通过现场检验和工程示范，最终形成煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系，全面提升我国煤矿煤岩动力灾害防控能力，保障深部煤炭资源安全开采。
当然我们应该清醒的认识到:当今世界，能源格局正在深刻调整，新一轮能源变革已经开始，安全绿色、高效智能矿山是未来煤炭行业发展的必然趋势，实现煤炭安全绿色、高效智能生产将是我们持续奋斗目标，深部开采煤岩动力灾害防控装备的研发也应融入新一轮科技创新大潮中，充分吸收“互联网+”等发展理念，开发适应于深部煤炭资源开发的智能化、无人化的煤岩动力灾害探测和防控技术与装备体系。
致谢 本文在完成过程中，得到了国家重点研发专项“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”(2017YFC0804200)参加单位及相关人员的大力支持，在此一并表示感谢！
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