近10 a来，我国煤矿开采中的煤岩动力现象频繁显现，灾害时有发生，如2017年河南登封兴峪“1·4”煤与瓦斯突出事故、辽宁红阳三矿“11·11”冲击地压事故、2018年贵州盘州梓木嘎“8·6”煤与瓦斯突出事故、山东龙郓“10·20”冲击地压事故、2019年吉林龙家堡“6·9”冲击地压事故、贵州安龙广隆“12·17”煤与瓦斯突出事故、2020年山东龙堌“2·22”事故[1-2]等。因此，进一步提升煤岩动力灾害防控技术的有效性已刻不容缓。
我国从“十五”开始就高度重视煤矿安全生产，特别从机制体制方面，成立了国家煤矿安全监察局，由此将煤矿安全的监管监察上升至国家行为。同时，对于煤岩动力灾害的研究，国家从“十一五”开始就陆续通过国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家科技支撑计划等加强科技攻关投入。特别是“十三五”期间，国家先后确定了“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”(2016YFC0801400)和“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究(2017YFC0804200)”两个国家重点研发计划项目，以开展针对煤矿煤岩动力灾害的专项研究工作。通过“十五”、“十一五”，特别是“十三五”以来对煤岩动力灾害的研究，我国已从国家层面形成了系列化的煤岩动力灾害防治技术标准、规程及细则等，并建立了较为系统的煤岩动力灾害防控技术体系。我国煤矿煤岩动力灾害防控已逐步走上了“管理有法可依、执法有据可查”的科学轨道。
同时，也需要清楚地认识到，我国煤矿煤岩动力灾害防控仍存在很多待解难题。仅就冲击地压而言，目前的《防治煤矿冲击地压细则》中明确规定，我国冲击地压防治应当坚持“区域先行，局部跟进，分区管理，分类防治”的原则，但针对具体冲击地压矿井，如何在防控技术研究中体现实际开采地质条件的差异并给出对策，如何完成区域-局部措施的合理选择及有效配合，冲击地压灾害和冲击地压矿井如何分类，又如何以此为据实施分区管理和分类防治等等诸多问题，均需在冲击地压灾害防治的实践中找到解决方案。同样，煤与瓦斯突出灾害及复合煤岩动力灾害的防控也面临类似挑战。
本文以“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”的总体研究思路和技术架构[3]为基础，针对我国煤岩动力灾害防治中遇到的相关技术问题，从概念认知、理论基础及关键技术等方面论述了项目组3 a来的研究工作和取得的主要进展。
1 煤岩动力灾害防控中的主要概念
本文研究的煤岩动力灾害，仅指冲击地压、煤与瓦斯突出和2者的复合煤岩动力灾害。不同于常规的冒顶、底臌、片帮等灾害，对于煤矿开采过程中的煤岩动力灾害往往更强调其“动力”特征，即突然、猛烈、急剧地破坏。与之相关，对于煤岩动力灾害的防控，需要明确以下5个主要概念:
(1)冲击倾向性。
冲击倾向性是煤岩体的一种固有力学属性，反映煤岩材料产生冲击破坏的能力。基于我国煤矿开采条件和煤岩层赋存的特点，在实际冲击地压研究中分别给出了煤和岩层的冲击倾向性定义。其中，煤的冲击倾向性定义为:煤体具有的积聚变形能并产生冲击破坏的性质[4];岩层的冲击倾向性定义为:岩层积聚变形能并具有产生冲击破坏的性质[5]。煤岩自身所固有的冲击倾向性是一种与受力条件等无关的自然属性。
当然，煤矿开采条件下煤岩冲击倾向性的表征指标与其他矿山和地下岩体工程中表征岩爆倾向性的指标还是有所不同的。比如强度脆性系数在用来表征岩爆倾向性时，是一种常用且适用的指标[6]，但在表征煤岩冲击倾向性时，是不适用的，且与其他冲击倾向性指标不相关[7]。这在一定程度上体现了冲击地压与岩爆的差异性[8]。
(2)冲击危险性。
冲击危险性描述煤岩体发生冲击地压的危害程度或危险程度，具体指现场开采条件下发生冲击地压的可能性及其危害程度的大小。除煤岩冲击倾向性，还与矿山地质和开采条件，如采深、煤岩层厚度、煤柱宽度、煤岩体受力条件等因素相关[9]。目前，我国多采用综合指数法、经验类比分析法、微震监测法、采动应力监测法等实现煤岩层冲击危险性的评价，但在科学性和系统性方面仍需进一步提炼。
需要强调的是，冲击倾向性与冲击危险性是完全不同的两个概念，必须区别对待。如前所述，冲击倾向性是与环境无关的煤岩体固有性质，而冲击危险性则与受力状态、边界条件及工艺过程密切相关。举例示之:某煤矿具有一强冲击倾向性煤层，经评价该煤层某区域处于中等冲击危险性的状态(图1(a)煤块A)，则该煤块无论是处于原位抑或是实验室，其冲击倾向性均为强冲击倾向性，不因地点环境而变;但其冲击危险性则将由于所处环境不同而改变:井下原位环境中，该煤块具有中等冲击危险性，而处于实验室自由状态下，该块煤则不具有冲击危险性(图1(b)放置于桌面的煤块A)。此外，冲击倾向性通常以实验室测试为主要获得手段，而冲击危险性则往往需要基于井下实测数据的分析才可实现评价。
图1 击倾向性与冲击危险性异同表征示意
Fig.1 Schematic representation of the similarities and differe-nces between bursting liability and bursting risk
然而，在实际研究与工程中，对于冲击倾向性和冲击危险性的认识仍存在不同程度的偏差或错误，尤其是在研究非煤矿山、隧道等地下工程中的岩爆问题时，往往将岩爆倾向性、冲击倾向性、可能性、危险性作为同一概念使用，通常对此并不加以区分[10-13]。
(3)冲击危险性评估和冲击危险性评价。
冲击危险性评估和冲击危险性评价是在冲击地压防控不同阶段开展的研究工作。其差异主要体现在:冲击危险性评估是在矿区规划、矿井建设可行性研究及矿井初步设计阶段，针对煤岩层在未来开采过程中冲击地压发生可能性开展的研究工作，具体方法可采用经验类比、理论分析及数值模拟计算等，评估结果通常是定性的或趋势性的;冲击危险性评价则是在矿井建设期间或生产期间开展的针对煤岩层是否具有冲击危险性开展的研究工作，主要通过实测方法进行定性的、具有明确结论的评价。
(4)突出危险性与突出危险性评价。
突出危险性是指具有潜在突出能量的含瓦斯煤岩体在采掘扰动作用下发生突出的可能性及其危害程度的大小。煤岩突出危险性受地应力(原岩应力和采动应力)、煤岩中气体压力和煤岩吸附解吸特性、煤岩物理力学性质、地质结构环境特征、矿井采掘施工条件等因素综合影响，其中煤岩吸附解吸特性和物理力学性质等因素是煤岩固有的介质属性，诸如瓦斯放散初速度Δp、坚固性系数f值、煤的破坏类型等均属于该范畴。现行《防治煤与瓦斯突出细则》中规定，我国防治煤与瓦斯突出基本流程主要包括:突出危险性评估与鉴定、两个“四位一体”综合防突措施设计。其中评估与鉴定具体包括:建井前突出危险性评估、突出危险性鉴定、开拓前区域突出危险性评估、开拓后突出煤层区域突出危险性预测、工作面突出危险性预测等环节。
在突出防治领域虽然没有突出危险性评价的专门概念，但防突工程实践中很多工作本质上都属于突出危险性评价范畴。例如:建井前突出危险性评估是指新建矿井在可行性研究阶段，根据地质勘查资料和邻近生产矿井资料等对井田范围内采掘工作面可能揭露的所有平均厚度在0.3 m及以上的煤层进行的突出危险性评价;突出危险性鉴定是指在建井期间或生产期间，依据矿井实际发生的瓦斯动力现象或实测的突出危险性鉴定指标进行的煤层突出危险性评价工作;开拓前区域突出危险性评估、开拓后突出煤层区域突出危险性预测、工作面突出危险性预测等属于矿井建井后的不同阶段开展的突出危险性评价工作，其主要目的分别是指导开拓设计、区域防突措施和局部防突措施的制定与实施。
(5)冲击地压矿井和煤与瓦斯突出矿井。
目前，冲击地压矿井的确定在《防治煤矿冲击地压细则》中已有明确规定:“有冲击地压煤层的矿井为冲击地压矿井”。但笔者认为，冲击地压防控作为贯穿矿井全生命周期的工作，在冲击地压矿井的定义中同样应当有所体现，其表述应加以补充，即“有冲击地压煤层的矿井为冲击地压矿井，或发生过冲击地压的矿井为冲击地压矿井，或评估为有冲击危险性煤层的矿井为冲击地压矿井”。以此在矿区规划、矿井建设和矿井生产等不同阶段按照“区域先行，局部跟进，分区管理，分类防治”的基本原则。实现对于冲击地压的全面防控。
对于煤与瓦斯突出矿井，《煤矿安全规程》(2016版)和《煤矿瓦斯等级鉴定办法》中明确指出:“突出煤(岩)层是指在矿井井田范围内发生过煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出的煤(岩)层或者经过鉴定、认定为有突出危险的煤(岩)层;而煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井是指在矿井开拓、生产范围内有突出煤(岩)层的矿井”。然而，煤矿现场防突工程实践已经证明，现行突出危险性评估、鉴定的指标与方法存在一定不足，特别是未考虑地应力、地质构造及不同地区煤质差异等因素的影响，致使所得结论可能存在偏差，典型情况包括[14]:① 按照单项指标法所得的突出鉴定结论，可能不足以支撑对于煤层突出危险性的判定，如突出煤层和非突出煤层的瓦斯放散初速度Δp相差不大，不存在一个明显能划分煤层突出危险性的临界值(图2);又如煤矿深部或松软破碎煤层发生突出时的瓦斯压力并未超过0.74 MPa(阳泉矿区寺家庄煤矿最小突出压力仅0.23 MPa，豫西重力滑动构造影响区内二1煤突出的最小瓦斯含量仅4.00 m3/t)。② 依据现行突出危险性鉴定指标和流程所得结论的科学性仍有待提高，《防治煤与瓦斯突出细则》规定开展突出煤层鉴定工作的过程中，测压钻孔的布置应根据煤层范围大小、地质构造复杂程度等综合确定，但同一地质单元内沿煤层走向和倾向分别不应少于2个和3个测点，且应当确保在该地质单元内埋深最大及标高最低的开拓工程部位布置有测点。煤层突出危险性及突出危险程度受地质构造影响作用明显，依据现有方法布置测点，难以做到测点布置在最危险或突出参数最大值区域，测定的参数不能确定是否为煤层区域的极值。出于管理及安全角度考虑,多数鉴定机构在开展突出煤层鉴定工作中,对于无突出危险的鉴定结论通常会明确给出鉴定标高(或埋深)或者用拐点坐标圈定出鉴定范围。
图2 不同地区瓦斯放散初速度Δp统计规律[14]
Fig.2 Statistical law of initial speed of methane diffusion in different areas[14]
2 煤岩动力灾害防控理论基础
2.1 广义“三因素”理论的建立
基于煤岩体的层状特征及其发生冲击地压的特点，笔者针对冲击地压提出了的“三因素”机理[9,15]。同时，在煤与瓦斯突出的各种发生机理中，综合作用假说具有普遍性。这两种“机理”或“假说”可以较好地解释冲击地压和煤与瓦斯突出的发生机理，也得到了较为广泛的认同，成为认识冲击地压和煤与瓦斯突出的基本共识。
在冲击地压“三因素”机理模型中，“内在因素”、“力源因素”和“结构因素”是影响冲击地压发生最为主要的3个因素，并由此构成了冲击地压发生的必要条件，缺一不可。具体而言，“内在因素”是指煤岩体自身所具有的性质，即冲击倾向性;“力源因素”是指煤岩体的高度的应力集中或高度的能量贮存与动态扰动;“结构因素”是指发生冲击地压的煤岩体具有弱面和容易引起突变滑动的层状介面，存在断层或薄软层结构。
在煤与瓦斯突出的综合作用假说中，认为煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综合作用的结果，并指出，在煤与瓦斯突出形成过程中，地应力、瓦斯气体及其压力起到促进突出发生的动力作用，而煤体则起到阻碍突出发生的阻力作用。地应力、瓦斯和煤体3者紧密相联，共同影响煤与瓦斯突出的发生。
进一步对比分析冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说可知:冲击地压中的“内在因素”与突出中煤的物理力学性质可概括为“物性因素”;冲击地压中的“力源因素”与突出的地应力、瓦斯压力可概括为“应力因素”;而无论是冲击地压还是煤与瓦斯突出，其发生冲击与突出破坏所处的煤岩系统，均具有顶底板夹持煤层的相同结构，进而可将其概括为“结构因素”。
由此，冲击地压和煤与瓦斯突出的发生机理都可以用“物性因素”、“应力因素”和“结构因素”进行概括，为区别冲击地压的“三因素”机理，将其称为广义“三因素”机理或理论。当然，冲击地压“三因素”机理并未像煤与瓦斯突出的综合作用假说一样，强调了发生过程中“动力”和“阻力”的概念，但其关键均集中于“应力因素”，这一决定动力现象发生与否最为主要的因素。至于“物性因素”和“结构因素”，基本由发生冲击地压或煤与瓦斯突出煤岩体所具有的自然条件所决定，也正是因为有了这样的“物性因素”和“结构因素”条件，才使其能够在“应力因素”的作用下出现动力破坏，造成灾害的发生。
上述的分析表明，冲击地压和煤与瓦斯突出的发生机理可以用“物性因素”、“应力因素”及“结构因素”来描述，即煤矿动力灾害的广义“三因素”理论。当然，关于冲击地压和煤与瓦斯突出的发生机理的共性研究，章梦涛等[16]早在30多年前就基于佩图霍夫的基本概念提出了冲击地压和煤与瓦斯突出的统一失稳理论。从该角度而言，综合冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出综合作用假说，并由此提出的煤岩动力灾害广义“三因素”理论是具有理论依据的，能够为煤矿煤岩动力灾害的防控提供更为基础的支撑。
需要补充的是，广义“三因素”理论所提供的基础支撑具体表现为，从理论上明确了煤岩动力灾害防控应从改变煤岩体的“物性因素”、“应力因素”和“结构因素”入手，以实现不同尺度、不同应力源或载荷源、不同结构与构造、不同煤岩层的控制，防止煤岩动力灾害的发生。
2.2 冲击地压与冲击地压矿井类型确定
2.2.1 冲击地压类型划分
冲击地压是煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于弹性能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等。但是，由于煤岩体中弹性能释放的主体、载荷类型与来源、发生时间与位置、有无断层与褶曲等具体条件的不同，导致冲击地压的类型各异。因此，对冲击地压进行分类，并采取针对性的有效防治措施，对于实现对冲击地压的分类防治具有重要意义。
目前，国际上主要基于冲击现象和内在机理而将冲击地压分为两类，即应变型冲击地压和滑移型冲击地压[17]。就我国而言，目前尚未形成公认的冲击地压分类标准和方法，更多的是不同学者从各自角度出发而提出的冲击地压分类结果。潘一山等[18]将冲击地压分为3类:煤体压缩型冲击地压、 顶板断裂型冲击地压和断层错动型冲击地压。窦林名等[19]按照冲击地压位置及影响因素的不同，将冲击地压分为4种类型，即煤柱型、坚硬顶板型、褶曲构造型和断层型。谭云亮等[20]将冲击地压分为深部应变型、断层滑移型和坚硬顶板型3种类型。潘俊锋等[21]针对我国煤矿深部开采冲击地压问题，从动静载荷源的角度，将冲击地压分为深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型3种类型。姜耀东等[22]将我国煤矿冲击地压分为3 类:材料失稳型冲击地压、滑移错动型冲击地压和结构失稳型冲击地压。
事实上，由于冲击地压具有受煤岩层结构、采动等多因素综合影响的特性，在实际发生冲击地压时，往往会被直观的描述为诸如顶板冲击地压、煤层冲击地压、动载冲击地压、断层冲击地压、掘进工作面冲击地压、强烈冲击地压等不同类型。这些冲击地压类型，或者是按参与冲击地压的岩体类别划分，或者是按应力来源和加载形式划分，或者是按破坏与显现程度划分，或者是按冲击的震级及抛出煤量划分。
为实现冲击地压科学分类，更好地指导冲击地压防控工作，在进行冲击地压分类时，应针对煤矿冲击地压特点，并考虑以下4个要素:
(1)冲击地压发生机理要素。煤岩体系统发生冲击地压，其破坏机理只有两类，即材料失稳破坏和结构失稳破坏。
(2)冲击地压发生位置要素。从煤岩层位置角度可分为顶板冲击、底板冲击、煤层冲击;从掘进和回采角度可分为巷道冲击、回采工作面冲击、回采工作面前方巷道冲击、回采工作面后方巷道冲击。
(3)冲击地压发生载荷(力源)要素。发生冲击地压的载荷可分为静载荷和动载荷两类。
(4)冲击地压发生周围条件要素。发生冲击地压周围条件要素可分为断层冲击、煤层相变带冲击、向斜轴附近冲击等。
由此，通过上述4个要素的选择完成对于冲击地压的描述和分类，将能够充分体现冲击破坏的多重属性。
为便于理论研究和工程应用，综合考虑上述4个要素，并结合我国80多年冲击地压发生实例，我们将典型的冲击地压综合划分为煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型等4 种类型(图3)。该划分方式综合了以上4个要素，并基本涵盖了我国煤矿冲击地压的主要类型。限于篇幅，其他详细说明将另文论述。
图3 煤矿典型冲击地压类型发生机理与破坏示意
Fig.3 Schematic diagram of the mechanism and destruction of typical rockbusrt type in coal mine
需要强调的是，冲击地压的类型和岩爆的类型存在显著的区别。在国际岩石力学界，通常认为岩爆和冲击地压是同一个概念，只是表述不同而已，可分为应变型岩爆和滑移型岩爆两类。而对于我国的煤矿冲击地压而言，其发生远比岩爆复杂，最为主要的原因是采动影响和由此导致的不同开采空间结构失稳，与地下隧道、水利工程的受力条件和边界条件是完全不同的。也正因为如此，才使得冲击地压的类型比岩爆的类型多而复杂。
2.2.2 冲击地压矿井类型
关于冲击地压矿井类型，通常认为与冲击地压类型对应，其实完全不然！已有的相关文献表明，国内外关于冲击地压类型的研究成果较多，而对冲击地压矿井类型的研究则几乎空白，仅有煤科院冲击地压团队对此开展过针对性的研究工作[23]，并从现场防治冲击地压的角度，把冲击地压矿井划分为5类，即浅部冲击地压矿井、深部冲击地压矿井、构造冲击地压矿井、坚硬顶板冲击地压矿井和煤柱冲击地压矿井。冲击地压矿井类型的不同，其冲击地压防治方法和重点也不同，具体请参见相关文献。
2.3 冲击与突出危险性探测技术
2.3.1 冲击危险性探测及评价
煤层的冲击危险性不同于冲击倾向性，不同的时间、地点，甚至同一地点在不同时刻的冲击危险性都将会发生改变。因此，如何确定煤层是否具有冲击危险性，在具体阶段将会具有何种冲击危险程度，对冲击地压矿井的冲击地压煤层开采而言，都是必须要解决的问题。
目前的理论认为，影响冲击危险性的因素包括生产因素和地质因素两类。理论上，可以根据地质因素(常量)建立力学模型，并在此基础上施加生产因素(变量)即采动条件的影响，以此确定冲击危险性。但事实上，每一个地质参数的准确获得，都是十分困难的事情。这就涉及到直接影响评价冲击危险性参量与指标的探测问题，即冲击危险性探测是开展冲击危险性评价工作的基础，有了冲击危险性探测，获得具体参量和指标，才能在此基础上开展冲击危险性评价工作。鉴于此，这里的冲击危险性评价是指基于冲击危险性探测获得的相关指标和参量而进行的冲击危险性评价。
我国对于冲击危险性探测的理论与工程研究，始于20世纪90年代初期，主要采用锤击波速法，以锤击作为激发源，产生地震波的折射与反射，而震动波在煤体中的传播速度与煤体应力状态高度相关，通过确定震动波纵波波速与煤岩体相对应力之间的关系，即可获得煤岩体支承压力分布或冲击危险性[24]。
进入21世纪后，特别是近10 a来，我国利用地震波CT探测技术和微震反演技术开展冲击危险性探测理论技术研究工作，并取得了良好的工程应用效果。巩思园[25]从理论、实验及工程角度探讨了微震震动波波速层析成像原理、方法，建立了基于微震信号的波速层析成像模型并通过现场实验、数值计算和理论分析获得了高精度波速场，提出波速异常、波速梯度异常和应力集中系数3个危险性指标预测冲击危险性。夏双等[26]开展了基于微震CT反演的冲击危险性评价指标的研究，有效地评价了具体回采工作面的冲击危险性。刘少虹等[27-28]基于地音监测与电磁波CT 探测技术和地震波和电磁波CT 联合探测技术，采用波速异常系数、波速梯度系数、吸收系数异常指数和吸收系数梯度指数等指标表征煤岩体状态并进而给出采掘空间冲击危险性评价方法。姜福兴等[29]通过采动应力监测和分析的方法，以及微震、地音和应力联合监测的方法，对冲击危险性进行评价。
需要指出的是，无论从方法上还是技术上，冲击危险性探测都是一项复杂且技术难度极高的工作。一方面，是由于煤岩体自身所处地质环境的复杂性;另一方面，与冲击危险性表征指标和参数的不确定性也有直接关系。因此，针对具体条件找到适合的方法、技术，以及配套的指标、参数，实现煤岩体物性参数、结构参数、力学参数、受力状态等的清楚表述，才能在此基础上做出正确的冲击危险性评价。
为此，我们通过采用应力-钻屑-微震-地震CT等综合技术，完成对巷道和回采工作面煤体冲击危险性的表征，并据此提出“透明采场”的表征原理[3]，即充分量化各类探测信息，以此建立模型，通过软件完成可视化，实现对探测区域的“透明”表征[27-28]。
2.3.2 煤与瓦斯突出危险性探测与预测
煤岩层中突出危险区具有典型的局部分布特征，其仅占整个开采区域面积的5%～20%[30]，故进行突出危险区超前探测和煤岩层突出危险性评价意义重大，国内外学者也从未间断过突出危险性探测和预测新方法的研究工作。发展至今，煤与瓦斯突出危险探测主要包含接触式和非接触式两类手段，其中接触式探测主要通过钻孔施工过程中发生的各种物理现象(如顶钻、夹钻、吸钻、喷孔等)和测定的各种突出预测参数(如瓦斯含量、瓦斯压力、钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标等)来判断煤层突出危险性，该类方法获得的物理现象和数据较为直观，但存在工程量大、探测范围有限(以点代面、一孔之见)等显著缺点;非接触式探测主要是利用物探设备和手段(如微震、无线电波透视、电磁辐射、三维地震勘探、瑞利波探测等)获取相关特征信息(地质构造、地应力变化、煤层变化、含气量大小等)，用来判断采掘工作面范围内是否存在潜在的危险性，虽然该类方法工程量以及对正常作业的影响都较小，但却存在着多解性和准确性低等问题。
当前，我国煤矿实际防突工程实践中，多数矿井是遵照《防治煤与瓦斯突出细则》等相关规定，严格执行两个“四位一体”综合防突措施，实际开展的突出危险性探测与预测工作可分为区域预测和局部预测两部分，采用的方法多是测定相关突出预测指标。但由于突出发生是地应力、瓦斯、煤岩介质属性、地质构造和开采条件等多因素耦合的结果，单一突出预测指标难以综合反映煤层突出危险性大小，其临界值也会随着地质条件和开采条件的改变而发生变化，故近年来发生了多起“低指标突出”、预测措施作用后的区域突出的现象。针对以上工程技术问题，我们将突出发生机理研究与现场工程结构相结合，提出了描述突出发生位置工程环境特征的关键结构体模型，并指出突出发生位置除应具备地应力、瓦斯和煤的物理力学性质3个主控因素外，3者还必须共同作用形成特殊的地质结构环境(即“关键结构体”)[31]。基于以上认识我们进而提出了煤与瓦斯突出危险“层层递进-精准辨识”的理论方法[32](图4)，具体包括3个层次:采用物探和钻探相结合的手段，超前探测采掘工作面周围存在的异常地质结构;采用微震和瓦斯涌出实时监测相结合的方法，动态分析采掘扰动条件下采掘工作面前方煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征;采用随钻测定相关特征参数和预测指标的方法，进一步验证超前探测和实时监测的辨识结果。未来通过重点发展物探和钻探相结合的精细探测技术，引入大数据分析和机器学习算法等训练综合判识模型，开发以“超前探测异常地质结构，实时监测采掘工作面微震信号和瓦斯涌出时序变化特征，随钻测定各种特征参数和预测指标”为核心的综合预警系统，有望实现突出灾害多元信息综合监测与智能预警，更好地服务于煤与瓦斯突出防治工作。
图4 煤与瓦斯突出危险精准辨识原理示意[32]
Fig.4 Principle of precision identification method for coal and gas outburst hazard[32]
2.4 影响冲击地压的主要因素分析
不同于前述煤岩动力灾害机理中具有概括性的“物性因素”、“应力因素”和“结构因素”，本节主要分析宏观的、具体的、可量化的、与生产地质条件密切相关的因素，如采深、煤厚、煤层之上顶板岩层厚度(直接顶、基本顶、上覆岩层及累厚)、工作面长度、区段煤柱宽度、顶板来压步距、断层、采空区悬顶面积等(图5(a))。
图5 影响冲击地压主要因素的工程示意
Fig.5 Engineering schematic diagram of main factors affecting rockburst in coal mine
采深对冲击地压的影响是显而易见的，因其能够直接影响煤岩体的应力大小，而应力又是影响冲击地压最为主要的因素。在我国，尽管采深160 m的煤岩层也发生过冲击地压，但通常情况下，采深400 m才是被广泛认可的冲击地压临界危险深度。
煤厚(或采高)与冲击地压的发生存在相关性，尤其近年来发生的灾害性冲击地压事故，基本发生在厚度大于3.5 m甚至更厚的煤层中。同时，煤层越厚或采高越大，冲击地压造成的破坏往往越严重。
至于煤层上方岩层厚度对冲击地压的影响，一方面体现在整层厚度上，另一方面则体现在岩层强度(或储存弹性能的能力)上。也正因如此，《防治煤矿冲击地压细则》中明确指出:“埋深超过400 m的煤层，且煤层上方100 m范围内存在单层存度超过10 m、单轴抗压强度大于60 MPa的坚硬岩层……,应当进行煤层(岩层)冲击倾向性鉴定”，可见岩层厚度对冲击地压发生的重要影响。需要说明的是，《细则》中的规定是关注煤层之上100 m以内的顶板岩层，而工程实践表明，很多大范围冲击地压事故中，由于采高(煤层厚度)较大，顶板岩层完整性好，能够对冲击地压产生影响的不止是100 m之内的岩层，有时可达200 m甚至更高，如新汶华丰煤矿和义马千秋煤矿，距离煤层之上300 m的砂砾岩顶板对冲击地压的发生同样会产生影响。
对于工作面长度、区段煤柱的宽度及顶板来压距对冲击地压的影响，基本都是通过影响回采工作面周围煤岩体的应力分布和应力集中程度而产生作用，限于篇幅，不再赘述。
断层对冲击地压的影响主要体现在两个方面，一个是断层的活动会直接诱发冲击地压，另一个是断层附近也是应力高度集中区域。
采空区悬顶面积对冲击地压影响的理论研究一直被忽视，但在工程实践中却无法回避。常规矿压中的顶板大面积来压实质就是采空区悬顶面积的问题。在冲击地压的工程实践中，5 000 m2的采空区悬顶面积通常被认为是发生冲击地压的临界值，在一般的情况下，如果采空区悬顶面积S大于5 000 m2，回采工作面发生冲击地压的危险将陡增(图5(b))。虽然该值来源于工程实践，但回采工作面矿压理论却可为其提供支撑依据，甚至还可将其同顶板来压步距L、工作面长度B紧紧联系在一起，3者关系可简单地用式(1)表示：
S=LB
(1)
实践表明，在回采工作面长度为120～320 m的条件下，采空区悬顶面积与顶板来压步距、工作面长度呈正相关关系，而顶板来压步距与工作面长度相对于采空区悬顶面积呈倒数关系，并且可以将采空区悬顶面积作为评价冲击危险性的一个指标。但如果工作面长度大于320 m，达到400 m甚至500 m时，该关系式是否仍能成立，是否还可以将采空区悬顶面积作为评价冲击危险性指标，值得进一步研究。
2.5 煤与瓦斯突出的主要影响因素
地质构造对突出的控制作用最为显著。尽管在一些地质条件相对简单的区域也会发生突出，但多数典型突出及大强度突出均发生在构造破坏带，同一矿井、同一煤层不同位置的突出危险性往往也存在明显差异，前述的突出危险区的带状分布特征主要源于地质构造对其的控制作用。例如:向斜轴部地区、断层或褶曲交汇地区，火成岩影响的交混或邻近地区、煤层扭转区、煤层厚度和倾角骤变区、压性或压扭性断层地带等都是突出易发地区[33]。另外，发生特大型突出的煤层几乎都发育有厚度不等的软分层，或是煤层整体比较松软，破坏类型较高;在地质构造变化带附近往往会形成强烈的揉皱煤，层理和节理遭到严重破坏，这更有利于突出的发生。
采深对突出存在重要影响，但突出危险程度与采深并不存在线性关系。对同一矿区的同一煤层，由于随着开采深度的增加，煤岩体地应力和瓦斯压力也相应增大，故突出危险性也会呈现整体增大的趋势。一般具体矿井或具体煤层会存在一个开始发生突出的深度(即始突深度)，通常比瓦斯风化带的深度深一倍以上。随开采深度增加，突出危险性整体增大的直接表现为:突出次数增多、突出强度增大、突出危险区域面积扩大，但突出危险程度和开采深度间并非简单的线性关系。这主要是由于水平应力大小对突出危险性也存在重要影响，且其普遍大于垂直应力，与垂直应力的比值也并不是恒定不变的。突出矿井主应力大小和方向主要取决于区域构造应力场，而不单受开采深度的影响。
煤与瓦斯突出的次数和强度，往往随着煤层厚度特别是软分层厚度的增加而增多，厚煤层或相互接近的煤层群条件下，突出危险性一般比单一薄煤层大[34]。对于同一煤层而言，当其厚度由薄变厚时，突出危险性有增大趋势。例如:2018-08-16平煤十三矿发生于己15-1711111回采工作面的突出事故，事故调查过程中勘查得出突出位置附近煤层厚度变化较大，虽然工作面回采前采用顺层钻孔进行了大面积预抽，但由于顺层钻孔钻进未发现煤层厚度变异区、钻孔向顶板发生飘移，造成煤层变厚区内底部煤层瓦斯未抽采达标，回采工作面接近该区时发生了突出煤量301 t、瓦斯量约10 123.33 m3的典型突出事故。
与冲击地压灾害不同，突出主要发生在采掘工作面临空面附近，而极少发生在采空区、已掘成的巷道或已回采区内的掘进工作面中。统计资料显示，采掘工作面发生突出的概率由大到小分别为:平巷、回采工作面、上山、石门、下山、大直径钻孔及其他。在各种类型的巷道中，虽然石门揭煤、井筒揭煤突出发生的总次数不多，但此类突出的强度最大，绝大多数特大型突出均发生在石门揭煤工作面;而回采工作面内发生的突出往往强度较小，大部分是煤的突然压出，并且属于突然挤出类型。
采掘工作面附近存在应力集中带(如邻近层留有煤柱、相向采掘的工作面逐渐接近、巷道开口或两巷贯通前在集中应力带内掘进巷道等条件)，在其中掘进巷道时突出危险性会倍增，突出次数和强度均会提升。此外，采掘作业往往会激发突出，特别是落煤与震动放炮等作业，不仅可引起应力状态的突变，而且作业时产生的动载荷作用在采掘面前方煤体上会造成煤突然破碎。大约有50%以上的突出灾害发生在放炮作业过程中，并且放炮诱发突出的平均强度往往较大。风镐落煤时的突出次数虽不多，但强度一般也较大。近年来随着机械化水平的提升，掘进机、采煤机诱发的突出次数也有增大趋势，支护、打钻和手镐落煤作业也可能诱发突出，还有部分突出是发生在无作业的情况下(主要是延迟型突出)。
3 深部开采煤岩动力灾害防控关键技术
在煤矿深部开采煤岩动力灾害防控中，各种防控技术都是基于广义“三因素”理论开展的，或改变“物性因素”，或改变“应力因素”，或改变“结构因素”，而事实上，改变“应力因素”是最为广泛使用的，这也是煤矿开采采动影响特点所决定的。这里主要探讨的是单一的、具体的防控冲击地压或煤与瓦斯突出的关键技术。
3.1 冲击地压多尺度分源防控技术
3.1.1 基本思想
由前述广义“三因素”理论可知，既然“物性因素”、“应力因素”和“结构因素”是导致冲击地压发生的主要因素，那我们就可以从改变这3个因素入手，使煤岩层及其组成的系统失去大量积聚弹性能的能力将是冲击地压防控的基本逻辑。同时，可以明确的是，在防控冲击地压时，应针对前述4种不同的典型煤矿冲击地压类型，采取针对性的措施，或改变“物性因素”，或改变“应力因素”，或改变“结构因素”。当然，由于各类型冲击地压的发生机理不同，冲击引起的破坏范围和释放能量大小也将是不同的。通常情况下，煤层材料失稳型冲击地压，冲击破坏的应力源往往是煤层所承受的静载荷，破坏范围相对较小，一般是几米至十几米，释放的能量一般为102～104 J，通常不会超过105 J。而断层滑移错动型冲击地压，冲击破坏的应力源往往来自采矿引起的较大断层的滑移与错动，同时往往会有矿井或矿区范围内采场失稳而引起的动载荷作用，破坏范围小则几十米，大则上百米甚至几百米，释放的能量小则105 J，大则107 ～108 J，甚至达到109 J。因此，在实际冲击地压防控过程中，应针对不同冲击地压类型，从不同尺度、不同应力源进行防控。
3.1.2 方法与原则
按照“区域先行，局部跟进，分区管理，分类防治”的原则，在实际冲击地压防控过程中，更主要的是按照先区域后局部的方式，实现区域和局部两类防冲方法的有效配合，并在此基础上实施分区管理和分类防治。
(1)区域。区域方法是冲击地压防控中最应首先采取的方法，也是积极主动、事半功倍的方法。从广义“三因素”理论，并结合大范围、矿井及矿区防冲的思想看，区域方法中能够改变的主要是“应力因素”和“结构因素”。具体而言，一方面通过优化合理开采布局，确定开采顺序及回采参数，确保开采过程中应力集中程度最低，最大限度地降低“应力因素”对冲击地压的影响;另一方面，通过对控制矿井或矿区的坚硬厚岩层实施地面或井下断裂，使煤岩体承载结构发生改变，实现对“结构因素”的控制。当然，实施顶板断裂的同时，也改变了其积聚弹性能的能力，在一定程度上“物性因素”也得到了控制。通常情况下，区域防控方法大多是在开拓开采前开展的工作，从矿区、矿井及采区或盘区等尺度上开展防控工作，具体的方法包括开采布置优化、保护层开采、地面或井下顶板岩层爆破或水压致裂等。
(2)局部。采用局部方法防控冲击地压，往往是针对具体的开采布置，通过事先冲击危险性评价，在明确冲击危险性存在并需要采取防冲措施降低其冲击危险性的条件下开展的。局部防冲一方面从采区或盘区、回采工作面、巷道的尺度上开展，另一方面要确定应力的形成、来源及特性，进而从改变“应力因素”、“物性因素”和“结构因素”角度设计措施降低或消除冲击危险性。针对具体条件，首先要确定 “应力因素”、“物性因素”和“结构因素”中的哪个因素是影响冲击危险性或可能导致冲击地压发生的主要因素;其次，再从控制各因素的角度提出防控冲击地压的方法措施。具体而言，通过对煤层实施注水、爆破或卸压钻孔，对顶板实施水压致裂或爆破[35-36]，对底板实施断裂爆破[37]，对巷道进行加强支护，对断层进行爆破，对局部软弱层实施加固，等等。最终实现原位弱化改性的“物性因素”控制、应力大小改变和动静载作用形式转变的“应力因素”控制和结构加固与断层弱化的“结构因素”控制。
综合区域和局部方法与措施，即构成了多尺度分源防控冲击地压的技术体系。
3.1.3 技术关键
煤矿深部开采多尺度分源防控冲击地压的技术关键，在于明确何种尺度下应如何控制应力源(类型与大小)。在矿区或矿井群尺度下，相邻矿井间存在井间开采扰动导致应力转移并诱发冲击地压的情况，据此提出“以弱化矿井间高应力传递结构链为核心的井间‘弱链增耗’防冲技术和避免井间相邻工作面同时布置的协调开采防冲技术，破坏或弱化冲击地压发生的应力和能量传递条件，从而有效防止冲击地压的发生”[38](图6(a))。在矿井、采区或盘区的尺度下，合理优化开采顺序，或保护层开采，使动载荷应力源转化为静载荷应力源，使静载荷应力源降到最低，冲击地压防控的核心就是“降低静载荷集中程度，并兼顾动载荷源消除，即实现静、动载荷源分源防治”[21](图6(b))。在回采工作面、掘进工作面和巷道的尺度下，在控制井间应力转移、动静载荷应力源转化的基础上，针对性地采取措施，或改变煤体物性增加抗冲击的阻力，或使煤体的应力向煤层深部转移，或强化底板支护而使巷道总体受力均匀合理，或弱化顶板、断层结构避免高度应力集中和动载荷的产生，从物性、应力和结构3方面防控冲击地压(图6(c))。
区域、局部及2者相结合的防冲技术关键在于如何降低煤岩体的应力水平，如何避免动载荷的产生，如何使断层等结构不形成高应力集中。综合而言，实现冲击地压有效防控的关键，在于应力控制[39-40]。
3.2 深部开采冲击地压巷道支护技术
煤矿冲击地压绝大部分发生在煤巷中，约占煤矿冲击地压的80%以上。巷道是一个复杂的煤岩力学系统，由煤层、顶板、底板、支护体构成。在无冲击危险性煤层，且无需考虑冲击地压的巷道中，其支护往往只需使得巷道允许变形与支护体强度和变形之间满足一定的关系即可，即“合理的‘支架-围岩’相互作用关系应取支架工作特性曲线2围岩位移特性曲线1的交点保持在离C点不远的左侧，如图7中的E点”[41](图7中，P为支架阻力或支护反力，U为巷道围岩径向位移或变形)。但在冲击地压煤层中，巷道的支护则需额外考虑抵抗冲击载荷作用，因此需要提高巷道支护强度。过去，我国煤矿主要采用锚杆配U型钢作为防治巷道冲击地压的主要支护形式，并以此为基础，在采动应力影响显著区域采用单体支柱、垛式液压支架、门式液压支架作为巷道的加强支护措施，在一定程度上起到了较好的效果。但是，在深部开采条件下，上述冲击地压巷道支护通常难以充分满足防冲要求。鉴于此，我们在以往刚柔一体化吸能支护技术[42]、快速吸能让位支护[43]研究成果的基础上，提出深部开采冲击地压巷道“三级”吸能支护思想与成套技术[44-45]。
图6 基于不同冲击地压类型的冲击地压防控技术
Fig.6 Prevention and control technology Based on different types of rock burst
图7 “支架-围岩”相互作用原理示意[41]
Fig.7 Schematic diagram of the “support-wall” interaction principle[41]
具体而言，深部开采冲击地压巷道“三级”吸能支护理论与技术体系可表述为:针对传统基于静力学设计理念的巷道支护技术难以有效支护深部高地应力和强冲击荷载双重作用巷道的事实，我们建立了冲击载荷作用下支护与围岩耦合作用动力学模型，并深入研究了冲击载荷作用下巷道围岩的动力学破坏特征、围岩与支护的互馈机制以及支护-围岩系统能量耗散规律。以此为基础，创新研发了:高冲击韧性强力锚杆，锚杆杆体屈服强度达到721 MPa，抗拉强度为859 MPa，直径22 mm 的杆体屈服力274 kN，最大承载力343 kN，冲击吸收功147 J，最大力延伸率9%，断后延伸率22%，锚杆杆尾螺纹段最大承载力331 kN，达到杆体的96.5%[46];稳构恒阻吸能“O型”棚，确保强冲击荷载作用下整架环向收缩量超过1 080 mm时仍保持有效支护，吸收能量超过500 kJ;吸能液压支架，实现吸能让位阻力为2 010 kN，让位位移为200 mm，冲击下让位速度为2.2 m/s，让位吸能为402 kJ。由此，形成了包括高冲击韧性强力支护锚杆一级吸能(图8(a))、稳构恒阻吸能“O型”棚二级吸能(图8(b))、吸能液压支架三级吸能(图8(c))在内的“三级”吸能支护技术(图8(d))，构建了完整的冲击地压巷道吸能支护技术体系，从而实现冲击地压巷道的吸能防冲支护。目前，我们正在义马耿村、抚顺老虎台等煤矿，组织集“高冲击韧性强力锚杆、稳构恒阻吸能‘O型’棚、吸能液压支架 ”为一体的“三级”吸能防冲支护成套装备工业性示范及应用。
图8 煤矿深部开采冲击地压巷道三级吸能支护技术体系原理
Fig.8 Schematic diagram of the three-level energy-absorbing support technology system for deep mining roadway with rock burst
3.3 煤与瓦斯突出井上下联合抽采防突技术
对于煤与瓦斯突出而言，我国多年来已经形成“先区域、后局部”的两级“四位一体”综合防突技术体系。其中，区域防突措施主要是开采保护层和区域煤层瓦斯预抽，在无保护层开采的区域，多采用井下穿层钻孔及顺层钻孔预抽来防控煤与瓦斯突出的发生。然而，根据新的《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出细则》的相关明确规定:对于突出矿井的防突工作，必须建立地面永久抽采瓦斯系统，必须采取先抽后采的方式，必须坚持区域综合防突措施先行、局部综合防突措施补充的原则。尤其是在深部高地应力、高瓦斯压力、低渗透突出煤层的条件下，亟需探索新的更加有效的防突理念和防突技术。
近年来，伴随着煤矿机械自动化和智能化水平的整体提升，顶板水平井分段压裂、多分支水平井联合抽采、采动井抽采卸压瓦斯等新型地面抽采技术和顺煤层长钻孔分段水力压裂、长钻孔气相压裂、超高压水力割缝、高压水力分段造穴等井下抽采技术均取得了长足的进步，诸如远距离遥控钻机等自动化装备在高突矿井也得以推广应用。
为此，我们揭示了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造的协同防突机理[47]，构建了煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造的协同防控方法[48]，突破传统单一井下防突思路的局限，提出了井上下联合瓦斯时空衔接抽采防突技术。具体而言，煤与瓦斯突出井上下联合抽采防突技术体现在区域和局部两个层面:对于区域层面，在以往瓦斯抽采“三区”(规划区、准备区和生产区)”[49]的基础上，分析“三区”对应的采煤工程与瓦斯抽采工程的时空变量，系统分析井上、井下抽采技术的时空分布特征及其约束条件，建立井上下联合抽采防突时空衔接模式和井上下联合抽采防突时空衔接评价模型，针对深部开采突出矿井高瓦斯压力、高瓦斯含量的瓦斯赋存特征，按照“地面井先抽后建”、“井下钻孔预抽防突”、“井上下联合抽排达标”的原则，形成具有不同时空接替特征的“三区”递进式多源联合抽采方式，进而揭示煤炭开采“三区”的井上下联合抽采时空转换机制，形成井上下多源联合区域抽采防突方法;对于局部层面，针对突出、低渗煤层难抽问题，提出了“压-钻-冲”一体化增透消突新技术，包括煤层钻孔分级造穴、水力大直径分级造穴、径向小半径回转煤层网状钻孔抽采防突方法与装备，实现“大直径冲孔造穴-水力压裂-径向回转水力喷射钻进”一体化施工，使煤体在水力射流的作用下从钻孔大量排出，有效增大了影响半径，达到转移煤层地应力、降低煤层内瓦斯压力、提高煤体整体透气性的局部防突目的。综合区域和局部层面的思想与技术，从而形成了“矿井-区域-局部”逐级递进的井上下联合抽采新型防突技术(图9)。
煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术目前正在新集煤矿、朱集西煤矿和沈阳红阳二矿进行现场试验。
3.4 复合煤岩动力灾害防控技术
近年来，在我国煤矿深部开采过程中，冲击地压和煤与瓦斯突出并存的复合煤岩动力灾害时有发生。然而，以往更多的是对复合煤岩动力灾害机理及监测预警技术的研究，针对复合煤岩动力灾害防控技术的研究则相对较少。当然，冲击地压防控技术和煤与瓦斯突出防控技术可以考虑用于复合煤岩动力灾害的防控，但由于复合煤岩动力灾害转化机制的复杂性，以突出为主的煤层在消突后可能因煤层变硬而冲击危险性增加，而以冲击为主的煤层在消除冲击危险后往往不会增大突出危险性，从而使得复合煤岩动力灾害的防控变得困难。为此，我们在分析冲击地压和煤与瓦斯突出防控技术的基础上，提出复合煤岩动力灾害“横切纵断”卸荷消能一体化防控技术，通过横向切缝卸荷消除静载作用下的突出危险，通过纵向切断顶板消除动载作用下的冲击危险(图10)。
图9 井上下分区-分源联合抽采防突时空关系与关键技术
Fig.9 Spatial-temporal relationship and key technologies of combined up-down partitioning-split-source extraction to prevent outburst
图10 复合煤岩动力灾害超高压“横切纵断”一体化防控技术
Fig.10 Ultra-high pressure “cross-cut and vertical-break” integrated prevention and control technology for composite coal and rock power disasters
目前切割压力为60～100 MPa的超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术已经成功在新集二矿进行应用，结果表明，超高压水射流“横切纵断”技术，抽采瓦斯纯量提高3.5倍，有效抽采瓦斯时间缩短38%，大范围地改变了煤体及厚层坚硬顶板的裂隙状态，增大了煤体渗透率，增加了煤体中瓦斯解析自由面，提高了瓦斯抽采钻孔透气能力，有效提升了煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化的防治效果。
4 深部开采煤岩动力灾害防控工程实践
在煤矿深部开采煤岩动力灾害防控的工程实践中，没有哪种单一的技术可以完全达到灾害防控的目的，更主要是采用不同的区域、局部以及2者结合的防控技术，以期达到防控冲击地压或煤与瓦斯突出的效果。现结合两个具体的冲击地压和煤与瓦斯突出防控工程，针对区域与局部结合防冲、井上下联合防突的综合防控技术分别进行阐述。
4.1 冲击地压防控工程实践
针对内蒙古巴彦高勒煤矿的实际开采条件，在前期回采过程中出现冲击地压现象后，我们开展了针对性的冲击地压防控实践。
巴彦高勒煤矿位于鄂尔多斯市境内呼吉尔特勘查区南部，井田构造形态与区域含煤地层构造形态一致，总体为一向北西倾斜的单斜构造，倾向300°～320°，地层倾角1°～3°，地层产状沿走向及倾向均有一定变化，但变化不大，区内未发现大的断裂和褶皱构造，亦无岩浆岩侵入，矿井地质简单。
首采11盘区的首采煤层3-1煤层，无保护层开采，煤层开采深度超600 m，全区发育、全区可采，可采厚度3.09～6.25 m，平均5.39 m，层位稳定，厚度变化小。顶底板岩石以砂质泥岩、粉砂岩为主，其次为中细粒砂岩及粗粒砂岩。首采11盘区南北向回采，工作面长260 m、走向长度3 600 m，终采线与3-1煤层大巷间留设100 m宽大巷保护煤柱，区段煤柱宽30 m，双巷布置，上一工作面辅助运输巷兼做下一工作面的回风巷。
矿井原设计中并未考虑冲击地压问题，在实际回采过程中，首采工作面矿压显现也相对平稳，并未出现明显的动力破坏现象，但当回采第2个工作面时，随着工作面的推进，工作面后方的留巷矿压显著增大，并开始发生冲击地压现象，尤其是回风巷受2次采动影响时，巷帮水平变形、底臌严重，甚至在回采后期，对应的3-1煤层大巷巷帮也监测到了开裂现象。
为此，我们基于已有成果和认识，首先开展了围岩松动圈探测、物理力学参数测试、地应力测试、PASAT应力探测等基础性探测与测定工作，并在此基础上，结合现场实际地质条件，重点分析了地应力、煤层开采深度、坚硬厚顶板岩层结构、区段煤柱宽度等冲击地压主控因素，认为该矿是典型的深部冲击地压矿井和煤柱冲击地压矿井，并依据应力控制思想，提出了该矿冲击地压防控的基本原则:调整盘区布置、调整巷道布置、对顶板岩层及时处理，加强回采工作面超前支护。具体而言，在区域应力调控方面:根据矿区地应力主控方向，改变原11盘区南北向巷道布置方案为东西向布置巷道，停止11盘区开采，调整为矿区南北两侧12盘区和13盘区联合开采，改“两进一回”式巷道布置为“一进一回”式布置，将原来30 m区段大煤柱改为6 m区段小煤柱，工作面终采线至大巷距离由原来100 m增加到不小于200 m;在局部卸压解危方面:在工作面开切眼与终采线位置提前采取顶板处理措施，在超前工作面不小于300 m处开始开展煤层和顶板卸压工作，在回风巷道沿空侧采用顶板深孔爆破技术、实体煤侧巷道采用定向水力压裂技术进行顶板预卸压，对煤层采用大直径钻孔卸压实现应力的转移和释放，巷道超前支护采取吸能让压耦合支护技术提高沿空侧回风巷的支护强度和抗冲击能力(图11)。
图11 巴彦高勒煤矿冲击地压防控技术实施布置
Fig.11 Layout of the implementation of the rockburst prevention and control technology in the Bayangol Coal Mine
通过采取上述区域和局部防冲技术，冲击地压现象显著下降，基本不再发生破坏性、事故性的冲击地压，实现了冲击地压的有效防控。
4.2 煤与瓦斯突出防控工程实践
以往煤与瓦斯突出防控工程多集中于井下，进而使得采掘工程过于紧张，防突效果也不甚理想。针对上述问题，我们以朱集西煤矿的煤层群开采为工程背景，开展了煤层群井上下联合抽采防突技术的工程实践。
朱集西矿为千米深井，目前主采标高-962 m(地面标高+23.23 m)的一水平13-1,11-2煤层，两煤层平均厚度分别为3.8 m和1.6 m，平均倾角5°，均为突出煤层，两煤层层间距73 m。矿井首采突出危险性相对较小的11-2煤层作为保护层，同时预抽13-1煤层卸压瓦斯。采用井上下联合抽采的方式进行煤层群突出防治。即11-2煤层采用井下钻孔预抽的区域防突措施，13-1煤层采用井上下联合抽采防突技术，将地面钻井与井下抽采进行优势互补，最大限度降低时空条件对瓦斯抽采工程的限制。井上下联合抽采防突布置示意如图12(a)所示。
图12 朱集西矿井上(地面井)与井下底板穿层孔联合抽采防突布置
Fig.12 Layout of combined extraction of anti-outburst in the upper (surface well) and the bottom floor through hole of Zhujixi Coal Mine
根据远距离煤层群井上下联合抽采防突时空关系，11-2煤层首采工作面煤巷采用底板巷施工穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯的区域防突措施，回采工作面则采用顺层长钻孔预抽瓦斯的区域防突措施，实现常规保护层瓦斯抽采与防突;13-1煤层则采用井上下联合抽采防突技术，地面钻井均超前11-2煤层工作面20 m开始抽采13-1煤层卸压瓦斯，并在地面钻井周围50 m以外的区域采用井下穿层钻孔抽采13-1煤层卸压瓦斯，实现地面钻井抽采与井下穿层钻孔联合抽采防突(图12(b))。
现场实测结果表明，11-2煤层回采对上覆13-1煤层起到了预期的卸压保护作用，卸压线分别内错保护层工作面37.2,11.8 m，在倾向、走向方向的有效卸压角分别为63.7°，80.8°。同时，13-1煤层采用地面井和井下穿层钻孔联合抽采的区域消突措施，至工作面回采完毕，共抽排瓦斯量1 283.14万m3，预抽率为81.4%，实测13-1煤层残余瓦斯含量为2.17～5.25 m3/t。煤巷掘进期间实测最大钻屑量S=3.2 kg/m，最大钻屑解吸指标K1 max=0.13 mL/(g·min1/2)，未出现预测指标超标及瓦斯动力现象，取得了良好的防突效果。
5 结 论
(1)通过全面分析冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出综合作用假说，建立了煤岩动力灾害广义“三因素”理论，并据此将我国煤矿典型冲击地压划分为煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型共4种类型。
(2)对煤矿煤岩动力灾害防控中的主要概念如冲击倾向性、冲击危险性、冲击危险性评估、冲击危险性评价、突出危险性、突出危险性评价、冲击地压矿井、煤与瓦斯突出矿井等概念，给出了其基本内涵，澄清了一些模糊概念和认识，并进行了比较分析。
(3)分析了采深、顶板岩层厚度、工作面长度、采空区悬顶面积等对冲击地压的影响和地质构造、瓦斯压力、煤层中软层厚度、采掘工艺等对煤与瓦斯突出的影响，特别给出了采空区悬顶面积和工作面长度对冲击地压影响的量化表达。
(4)针对深部开采冲击地压灾害类型与特点，提出了冲击地压多尺度分源防控技术，其技术关键在于明确了不同尺度下应力源控制方法，即矿区或矿井群尺度下“以弱化矿井间高应力传递结构链为核心的井间‘弱链增耗’防冲技术和避免井间相邻工作面同时布置的协调开采防冲技术，破坏或弱化冲击地压发生的应力和能量传递条件，从而有效防止冲击地压的发生”、矿井或采区或盘区尺度下“降低静载荷集中程度，并兼顾消除动载荷源，实现静、动载荷源分源防治”、采掘工作面和巷道尺度下“改变煤体物性增加抗冲击的阻力，使煤体的应力向煤层深部转移，爆破或水力压裂弱化顶板、断层结构避免高度应力集中和动载荷的产生，从物性、应力和结构3方面防控冲击地压”。
(5)提出深部开采冲击地压巷道“三级”吸能支护思想与成套技术，研发了高冲击韧性强力锚杆、稳构恒阻吸能“O型”棚和吸能液压支架，由此形成了包括高冲击韧性强力锚杆支护一级吸能、稳构恒阻吸能“O型”棚2级吸能、吸能液压支架三级吸能的冲击地压巷道“三级”吸能支护技术。
(6)通过揭示煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造的协同防突机理并构建煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造的协同防控方法，提出了井上下联合瓦斯时空衔接抽采防突技术，实现区域和局部防突。
(7)应用超高压水射流技术，提出复合煤岩动力灾害“横切纵断”卸荷消能一体化防控技术，通过横向切缝卸荷消除静载作用下的突出危险，通过纵向切断顶板消除动载作用下的冲击危险。
(8)通过在内蒙古巴彦高勒煤矿开展的区域与局部结合的冲击地压防治和安徽朱集西煤矿开展的煤层群井上下联合抽采防突，现场工程实践取得了较好的应用效果。
致谢 煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究项目开展近3 a来，24个参研单位100余名科研人员紧紧围绕“深部煤岩动力灾害孕灾条件和时空防控机制”“深部开采复合煤岩动力灾害转化机制”2个科学问题和“深部煤岩动力灾害危险性区域精准探测技术”“深部煤岩体原位改性与应力调控防冲技术”“深部煤体卸压增透与时空抽采防突技术”“深部复合煤岩动力灾害一体化防控技术”4个关键技术开展研究，本文介绍的只是研究成果的一部分，其他主要成果，如大型地质体控制下井间联动诱冲机制与防冲技术、复合加载试验机、临界应力指数法巷道冲击危险性评价等，本专辑的其他论文将做重点介绍。
同时，本文的研究工作也同时得到了项目组其他课题人员的参加和帮助，在此一并表示感谢！
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