煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害成为长期制约煤炭安全高效开采的重要隐患。随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，我国大多数矿井已进入中深部开采阶段。随着开采深度的增加，高地应力、高瓦斯压力、煤岩体低渗透性、煤岩体力学性质的转变等促使各种动力灾害的发生类型、频率、烈度增加[1-3]。因此深部煤矿的安全高效开采对瓦斯突出、冲击地压等动力灾害的监测预警、防治、治理提出了更高的要求。充分认识各种灾害发生的条件、过程和机理是灾害防治的前提和关键。
经过近几十年的研究，国内外学者对瓦斯突出、冲击地压等的认识已取得了大量的成果。在冲击地压研究方面，姜福兴等[4]建立了孤岛充填工作面的覆岩结构力学模型并提出了相应的冲击危险性评价方法。齐庆新等[5]研究了巨厚砾岩顶板和大型断层相邻矿井的冲击地压机理和控制技术。李海涛等[6]从能量角度出发分析了顶底板夹持作用下煤岩的力学机制，认为顶底板高压注水可有效降低冲击危险性。马念杰等[7]分析了圆形巷道的应力状态和塑性破坏特性，提出了“蝶型冲击三准则”。此外，还有大量学者从地质条件、煤岩力学性质、灾害动力源、启动发生条件、监测预警、防控措施等方面出发做了大量工作[8-15]。
在煤与瓦斯突出方面，尹光志等[16]研究了含水率对煤与瓦斯突出强度的影响，结果表明含水率的升高可极好的减弱煤与瓦斯突出的强度。王振等[17]研究了瓦斯、地应力及煤岩性质对冲击地压和瓦斯突出诱发转化的影响。张超林等[18]研究了煤与瓦斯突出过程气体压力的时空演化规律。此外，一些学者从煤体粒径、瓦斯压力、应力条件等方面分析了煤与瓦斯突出的前兆和规律，并提出了一些预警方法[18-21]。但上述研究多将煤与瓦斯突出、冲击地压两种灾害分开研究，忽略了2种灾害的相互作用、共同显现特征。
冲击地压是应力主导作用下蓄能煤体的动力失稳现象，瓦斯突出是瓦斯主导下的软弱煤体抛出的现象。相关研究表明，瓦斯的解吸膨胀作用对煤岩体的力学性质、裂纹扩展有较大的促进作用，而应力诱导煤体裂隙的发育又促进了瓦斯的流动。因此将瓦斯突出、冲击地压统一起来进行研究有利于更加准确的认识深部煤矿动力灾害的发生条件和机理[22-23]。潘一山根据灾害发生过程中瓦斯和煤岩破坏释放能量的相对大小将煤岩动力灾害分类煤与瓦斯突出、冲击-突出复合、瓦斯-冲击复合和冲击地压4类[22]。上述研究表明，冲击、突出复合动力灾害的发生过程和机理较单一的动力灾害更为复杂。此外，现有室内试验多集中于单轴应力条件，这与实际的工程应力存在较大差异。已有研究表明，煤岩的真三轴力学性质较单轴、常规三轴有较大差异[24-25]。
煤岩在真三轴应力条件下破坏形式主要为单斜面剪切、双斜面对称剪切或剪切、拉伸复合破坏[25]。此外，真三轴应力条件下含预制钻孔煤岩的破坏形式与主应力方位、钻孔直径等密切相关，破坏形式更加复杂[26]。钻孔平行于中间主应力时，试样破坏后形成近似蝶形破坏，且试样整体强度最小，破坏程度加剧。因此开展真三轴应力条件下煤岩的复合动力灾害试验对于深部煤矿复合动力灾害发生机理的认识和防控措施的合理优化至关重要。
鉴于此，本工作进行了真三轴应力条件下原煤的复合动力灾害模拟试验。记录了复合动力灾害发生的过程，探讨了中间主应力对复合动力灾害的影响规律。同时研究了不同应力方向的卸压钻孔对复合动力灾害机理的影响。本研究可为揭示深井复合动力灾害致灾机理和优化防控措施提供重要参考。
1 试验设备与方案
1.1 真三轴试验系统
试验采用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”，如图1所示。 该装置由真三轴压力室、加载系统、渗流系统、控制和采集系统等组成，可进行应力场、渗流场等多物理场耦合试验。该装置可在 2个方向(水平X方向、竖直Y方向)分别提供6 000 kN，一个方向(水平Z方向)提供4 000 kN的载荷。试验试件最大尺寸可达到200 mm×200 mm×200 mm，试件变形由高精度位移传感器配合采集卡监测和记录。该试验系统在3个方向采用6个MOGI阀实现液压独立控制，可进行单轴、双轴及三轴试验，同时可实现单面临空5面加载试验、6面压缩任意1面卸载等试验。可较好的模拟采煤工作面存在单面临空时的复合动力灾害试验。试验过程中用高速摄像机全程拍摄记录动力灾害发生的过程。
图1 真三轴试验测试系统
Fig.1 True triaxial testing system
1.2 试验试样制备
试验中使用的煤样取自四川省西南部宜宾的白胶煤矿。 煤样的矿物成分主要是高岭石，石英，方解石等。试验所用煤样均取自同一位置，将大块煤样用切割机切成100 mm(X方向)×100 mm(Y方向)×100 mm(Z方向)的立方体，然后打磨成不平行度和不垂直度小于0.02 mm的标准试样。为模拟气体对动力灾害的影响，在试样中部(Z方向)用钻机钻取直径5 mm，深度为35 mm的钻孔，可保证气体产生一定的压差(本文试验钻孔直径、深度较小，且钻孔平行于最大主应力方向，钻孔对试样整体强度等影响较小[26]，本文忽略不计。因此，本文暂不考虑进气孔对煤样的力学特性影响)。卸压钻孔煤样:在试样(X或Y方向)钻取直径10 mm、深度100 mm的贯通孔，研究卸压钻孔及钻孔方位对复合动力灾害机理影响，如图2所示。试验前所有试样放入2.5 MPa的二氧化碳恒压箱48 h，使试样基本吸附饱和(考虑到试验的安全性，用CO2代替CH4)。
图2 试验试样示意
Fig.2 Test sample schematic
1.3 试验应力加载路径
开采前，煤岩体处于真三轴应力状态，开采后工作面前方形成一个自由面，应力状态由三向不等压变为五面受力单面临空状态。实际工程现场复合动力灾害主要发生在自由面附近，因此本试验主要模拟存在单一自由面时的致灾过程。试验开始前，将煤样从恒压箱取出，进行真三轴试验。应力加载方案如图3所示，图中εyg表示自由面对侧的压头位置在试验过程中保持不变。试验步骤如下:
图3 试验加载应力路径
Fig.3 Testing stress loading path
(1)在X,Y,Z三向同时以0.2 MPa/s的速度加载至静水压力15 MPa，同时施加密封油压5 MPa，随后通入1.0 MPa CO2继续进行吸附饱和2 h。基本吸附饱和后，卸除油压。
(2)保持气体压力1.0 MPa不变，将Y方向一侧应力卸除(自由面)，另一侧应力卸载至5.0 MPa，随后试验中保持该方向压头位置不变。
(3)将X,Z方向应力以0.2 MPa/s加载至设定值(σ2=σ1=10，15，20，25，30，35 MPa)，随后保持X方向应力σ2不变，Z方向应力以0.001 mm/s速度加载破坏。
(4)卸压钻孔试验:加载步骤同上，分别进行卸压钻孔平行X,Y方向试验，应力水平3个(σ2=10，20，30 MPa)。
整个试验过程中，始终保持气瓶出口端压力为1.0 MPa。试验试样编号及应力条件见表1。
2 试验结果分析
2.1 完整煤样复合动力灾害演化过程
试验中用摄像机全程记录煤样复合动力灾害发生过程。几个典型煤样(WC1,WC3,WC4,WC6)的灾害过程如图4所示。不同水平应力条件下动力灾害发生过程类似。基本都经历了初期的平衡状态、小范围颗粒弹射、局部碎片弹射、外部煤体破坏抛出伴随瓦斯涌出(劈裂成板)、内部煤体抛出(板裂曲折)再到最终的再次平衡状态。以WC1煤样为例，具体的致灾过程分析如下:
表1 试验试样编号及应力条件
Table 1 Test sample number and stress conditions
试样编号σ3/MPaσ2/MPa峰值应力σPeak/MPa试验组别WC151033.73WC251544.62WC352047.93A组完整试样WC452550.10WC553054.35WC653557.20HXC151028.86HXC251536.96B组卸压孔平行XHXC352041.88HYC151031.75HYC251540.85C组卸压孔平行YHYC352045.16
(1)初始平衡状态:应力加载初始阶段，煤样处于孔隙、裂隙压密阶段，煤样的应变能大多被孔、裂隙吸收消耗，此时主要以储能为主，试样经历较长的平静期。
(2)局部颗粒弹射阶段:由于试样处于5面加载、单面临空状态，因此内部的应力不均匀程度随轴向应力的增大逐渐增加。此外，煤样内部由于物质构成、层理、解理、裂隙等造成其本身具有较大的非均质性。因此随着应力的增加，局部应力集中超过颗粒间的黏结，致使颗粒间的黏结断裂，发生颗粒弹射现象，此过程伴随明显的声响。此阶段新生裂纹不断萌生，且呈现间歇性弹射现象，间隔时间较长。
(3)局部碎片弹射-外部煤体破坏抛出:随着轴向应力的继续增大，在峰值应力附近时，自由面附近应力集中程度持续增加，新生及原生裂隙不断发育、扩展、汇合并贯通，产生明显的碎片弹射现象。随后，轴向应力增加，自由面形成明显的宏观破裂面，伴随着气体的涌出，有明显气体“嘶嘶”声。局部大块度煤块在弹性能和瓦斯内能的作用下被抛出自由面，释放大量弹性能。随后煤样承载能力降低，进入峰后阶段。
图4 真三轴应力条件下煤样复合动力灾害过程
Fig.4 Compound dynamic disaster process of coal samples under true triaxial stress conditions
(4)内部煤体破坏抛出、整体失稳:在不断加载过程中，内部煤体不断劣化，裂纹不断发育。原生裂隙、新生裂隙的不断发展、贯通形成自由面，为煤体中的吸附态气体解吸膨胀提供了有利条件，这种解吸膨胀力和游离态气体渗透力共同作用于裂纹尖端，促进了裂纹的发育、扩展，在气体和应力不断作用下，煤体充分破碎。在进入峰后阶段较短时间内，内部破碎煤体伴随大量气体抛出，整体失稳，此过程伴随较大声响。
(5)重新平衡状态:煤样在加载过程中是一个能量积累与耗散的过程，在(2)～(4)阶段，大量的弹性能被耗散，煤样破坏形成较多裂隙和断裂面，气体内能大幅降低。煤样承载能力降低，轴向载荷减少，无法继续储存较大的弹性能，不能再发生动力弹射现象。整体进入重新平衡状态，进入缓慢破坏阶段，复合动力灾害致灾过程基本结束。
由此试验过程可知，复合动力灾害致灾过程具有明显的阶段性，孕育期时间较长，灾害前有明显的前兆信息，如局部颗粒、碎片弹射等，致害过程时间较短，具有猛烈瞬发性。因此在实际工程中，局部煤岩的弹射现象可作为复合动力灾害监测预防的重要前兆信息，应加以重视并及时采取防控措施。
煤样破坏过程中，在应变能和气体内能的共同作用下，煤体脱离母体时以一定的速度抛离自由面。灾害后的煤体构造、破坏形态和程度、抛出距离、搬运分选特性、弹射能量、持续时间等均可作为区分灾害类型的指标[23]。统计实验后弹射颗粒、碎块的动力破坏特性，见表2。抛离煤体具有明显的空间分选特性和搬运特性，与实际工程灾害类似。随着中间主应力的增加，煤体破坏后抛出质量有明显增多的趋势，同时破坏后的煤体破碎程度增加，这是因为随着中间主应力增加，轴向和侧向应力对煤样的膨胀拉伸作用更加明显，煤样储存的应变能增加，更多的能量用于裂隙的发育、扩展，使煤样充分破坏。同时，中间主应力的增加促使煤体内部产生更多的微裂隙，气体解吸膨胀力、渗透力促进裂纹尖端不断扩展，最终形成较多的颗粒状和粉状煤块。
表2 试验试样破坏后的动力特性
Table 2 Dynamic characteristics of the test specimen after failure
中间主应力/MPa峰值强度/MPa破碎程度抛出质量/g抛射动能/J分选情况突出煤体是否有气体涌出搬运特征1033.73粉状-块状195.10.1048较明显较少有较明显1544.62块状-粉状283.00.1158较明显较少有明显2047.93块状-粉状325.50.0950明显较多有明显2550.10块状-粉状388.10.1120明显较多有明显3054.35粉状-块状504.20.1071明显多有明显3557.20多为粉状520.60.1320明显多有明显
2.2 完整煤样峰值强度及破坏特性
大量常规真三轴试验(6面受载)研究结果表明，在一定的最小主应力条件下，煤岩的峰值强度随中间主应力的增加而先增加后降低。图5为不同水平应力σx条件下试样的峰值强度。由此可见，试样峰值强度随侧向应力的增加逐渐增加，但增加幅度逐渐降低。当σx由10 MPa增加到35 MPa，峰值应力由33.73 MPa增加到了57.20 MPa，增加了69.58%。可见，即使在非常规真三轴(5面受载)条件下，中间主应力的增加对试样峰值强度同样有明显的影响。因此中间主应力对煤岩峰值强度的影响不应忽略，应加以重视。同时，本文由于中间主应力的变化范围较小，而未出现峰值强度降低的情况，因此较大范围的中间主应力对复合动力灾害影响机制有必要进一步探讨。
图5 不同应力条件下试样峰值强度
Fig.5 Strength of coal samples under different stress conditions
图6为试样破坏后的形态，可见煤样破坏后形成平行于中间主应力而近似垂直于自由面的“V”形坑。较常规真三轴单一或几条剪切裂纹(拉伸)而言更加复杂[25-26]。这主要因为裂隙优先在垂直于最小主应力方向发育，同时煤体端部比中部受到的约束作用大，试样中部更有利于能量的高效释放，因此最终在剪切、拉伸应力作用下形成阶梯状“V”形破坏特征。在煤样破坏过程中，外部加载力主要使煤岩发生变形、储存弹性能和局部软化形成塑性区并作为形成主断裂面的主控因素，气体压力则主要以解吸膨胀力、渗透力的形式促进微裂纹尖端扩展，形成大量微裂纹，最终加剧煤体的破碎程度，促进破碎煤体抛向自由面。
图6 不同应力条件下试样破坏特性
Fig.6 Failure characteristics of coal samples under different stress conditions
2.3 钻孔卸压减灾防灾过程分析
卸压钻孔技术广泛应用于煤矿动力灾害的防治，可较好的改变煤岩的物理性质，有效、定向释放应变能，在一定程度上减少灾害的烈度和发生概率。但已有研究对于卸压钻孔的布置与地应力方位关系方面则鲜有报道。因此笔者进行了卸压钻孔分别平行于最小主应力方向(自由面:工作面)和侧向(中间主应力方向)的复合动力灾害试验，典型破坏过程如图7所示。
图7 真三轴应力条件下含卸压钻孔煤样破坏过程
Fig.7 Failure process of coal samples with relief pressure drilling under true triaxial stress conditions
由图7可知，含卸压钻孔试样的破坏过程较完整试样存在较大差异。卸压孔煤样主要经历了较长的初始平静期、小面积颗粒弹射、自由面局部开裂伴随气体涌出、劈裂成板、弯曲折断挤出、重新平衡状态。相较于完整煤样，破坏过程呈现出渐进缓慢式劈裂挤出破坏，无明显的煤体瞬发抛出式失稳现象。这是因为，在加载过程中，首先在钻孔周围形成应力集中区，钻孔周围裂纹优先发育，致使钻孔周围形成裂隙区。随着应力的不断增大，裂隙范围逐渐扩大，裂纹汇合、贯通形成较大的裂隙面，在此过程中消耗较多的应变能。钻孔周围的塑性裂隙区主导应变能定向、有效的释放，用于自由面煤体破坏弹射的能量减少，最终用于煤体弹射、瞬时破坏的能量减少，煤样趋于静态破坏。
值得注意的是，卸压钻孔平行于不同主应力时的卸压效果存在一定差异。可以明显看出，卸压孔平行于中间主应力时相较于平行最小主应力(自由面)时破坏烈度更小，说明卸压效果更好，这与真三轴应力条件下应力主导破坏与钻孔塑性区诱导破坏耦合密切相关。表3统计了卸压钻孔试样破坏后的动力特性。对比表2及图8可知，采取钻孔卸压后，动力破坏特性明显减弱，破坏后煤体抛出质量和抛射动能明显减小，分选特性和搬运特性明显减弱。因此，钻孔卸压措施可有效减少动力灾害的烈度，并在一定条件下可预防灾害的发生。此外，由表3可知，卸压钻孔平行于中间主应力时，煤体抛出质量和弹射动能较卸压钻孔平行于最小主应力时明显降低，相同应力条件下，降低了几倍到几十倍。与未钻孔和其他钻孔布置方式相比，致灾程度弱化，无明显动力显现特征，卸压减灾效果更好。
表3 卸压钻孔试样破坏后的动力特性
Table 3 Dynamic characteristics of the test specimen after failure
试样编号峰值强度/MPa破碎程度抛出质量/g抛射动能/J分选情况突出(挤出)煤体是否有气体涌出搬运特征HXC128.86块状6.920.0019不明显少有不明显HXC236.96多为块状30.350.0060不明显少有不明显HXC341.88多块状-粉状35.900.0064不明显少有不明显HYC131.75块状-粉状234.100.0427不明显较多有不明显HYC240.85多块状-粉状181.500.0305不明显较多有不明显HYC345.16多块状-粉状94.400.0158不明显少有不明显
图8 钻孔卸压前后煤样抛射质量和弹射动能对比
Fig.8 Comparison of projectile mass and ejection kinetic energy before and after drilling pressure relief
2.4 钻孔卸压煤样强度及破坏特性
图9为含卸压钻孔试样与完整试样的强度对比情况。由图9可知，3组试验中煤样峰值强度均随中间主应力的增加而增大，其中完整煤样强度最高，卸压孔平行于最小主应力时强度次之，卸压孔平行于中间主应力时强度最低。其中，HXC1,HXC2,HXC3试样强度依次比WC1,WC2,WC3试样强度降低了14.44%,17.17%和12.62%，比HYC1,HYC2,HYC3依次降低了9.10%,9.52%和7.26%。
图9 真三轴应力条件下含卸压钻孔煤样峰值强度
Fig.9 Peak strength of coal samples with relief pressure drilling under true triaxial stress conditions
图10为含卸压钻孔试样破坏形态，可见B,C两组试样破坏后，仍然形成平行于中间主应力而近似垂直于最小主应力的主裂隙面，与完整试样类似。但相较于完整试样，含卸压孔试样无明显的“V”形煤体抛出坑，但形成更多的拉伸、剪切裂隙面，层裂现象更加明显。这与卸压孔诱导裂隙发育有关。此外，卸压孔平行于中间主应力方向时，试样破坏后完整性更好，说明弹射抛出现象更加弱化，卸压孔定向释放弹性能效果更好。
3 钻孔卸压机理及工程应用
冲击地压、煤与瓦斯突出复合动力灾害的过程是煤岩介质在地应力、瓦斯压力作用下积聚应变能、气体内能，随着煤岩所受应力逐渐增大，局部应力集中，裂纹逐渐扩展、贯通，吸附瓦斯解吸，当整个系统处于非稳定状态时，煤岩-瓦斯系统动力失稳向自由面释放能量的非线性动力过程。根据此特点，大量研究人员提出了消减瓦斯内能、改善煤岩力学性质、提高塑性耗能能力等方法。如合理的巷道、回采工作面布置、保护层开采等有效释放系统变形能;如断顶爆破、断底爆破降低顶底板弹性能;如煤层注水、煤层水力压裂、煤层脉冲压裂等改善煤层透气性降低瓦斯压力、降低煤层储能能力、软化煤岩结构;如大直径卸压钻孔定向卸除煤岩应变能、增加煤岩塑性、转移降低周期来压。由上文研究可知，卸压钻孔的布置方位对动力灾害的防治效果和煤岩的破坏形式有较大影响。但目前研究却鲜有报道，因此笔者将进一步分析卸压孔影响煤岩破坏、应力释放的深层机理。
图10 真三轴应力条件下含卸压钻孔煤样破坏特性
Fig.10 Failure characteristics of coal samples with relief pressure drilling under true triaxial stress conditions
(1)软化煤岩性质，增加煤岩塑性。图11为完整煤样和卸压孔煤样在相同应力条件下的轴向变形特性。由图11可知:① 含卸压孔煤样较完整煤样峰前变形能力更强、变形模量减小，表明煤样储能降低;② 钻孔卸压煤样峰前多呈现阶梯状渐进破坏，表明煤样峰前能量耗散增加且为阶梯式缓慢释放;③ 钻孔卸压煤样峰值处变形较大、塑性变强，表明峰值时消耗能量更多，煤岩脆性减弱，峰值时能量释放率降低;④ 钻孔卸压煤样峰后延性增强、变形较大、曲线平滑，无明显应力突降现象，表明峰后能量缓慢释放、试样渐进破坏;⑤ 卸压钻孔平行于中间主应力时，峰前变形模量更小、峰前及峰后塑性均较大、渐进破坏明显。
图11 真三轴应力条件下不同煤样轴向变形特性
Fig.11 Axial deformation characteristics of different coal samples under true triaxial stress
综上所述:钻孔卸压可有效改善煤岩物理性质，增强煤岩塑性，诱导应变能有效、缓慢释放，减缓系统应变能的突发性释放。卸压孔平行于中间主应力时，可取得更好的煤岩塑性改造效果。
(2)产生塑性裂隙区、提高煤层瓦斯渗透性。气体压力是复合动力灾害过程中的助推力量，其势能和解吸膨胀能会对煤岩的裂隙发育、灾害的诱发产生推动作用。在地应力作用下，钻孔周围形成应力集中区，微裂纹不断发展形成塑性区，可有效提高煤层瓦斯渗透性。同时，钻孔在一定程度上减小了附近煤层的应力，使煤层部分吸附瓦斯解吸。因此，在煤层中进行超前钻孔、钻孔瓦斯预抽措施可在一定程度上降低煤层瓦斯压力，减弱瓦斯在动力灾害过程中的促进作用。
(3)诱导裂隙定向发育、煤岩体耦合破坏。图12为不同应力状态下煤岩破坏模式。其中，煤岩在常规真三轴应力状态(6面受力)时发生剪切破坏伴随少量拉伸裂纹[25-26]，主破裂面平行于中间主应力而与最小主应力有一倾角(图12(a))。在本文模拟工作面工程动力灾害应力状态下(5面受力-单面临空)，煤岩发生明显的层裂破坏现象，主要断裂面平行于中间主应力而近似垂直最小主应力，且为明显的弧形阶梯式断裂。这主要因为试样自由面对侧的压应力导致轴向产生摩擦约束力(实际工程同样为位移约束)，这种摩擦约束力与轴向压应力引起的侧向膨胀力共同形成拉剪作用。煤岩在拉剪复合作用下发生层裂屈曲破坏(图12(a))。
钻孔的存在一定程度上影响煤岩的力学性质，钻孔围岩在应力作用下形成塑性裂隙区，而塑性裂隙区的范围受应力状态和方位影响较大。笔者在先前研究中发现，钻孔平行于中间主应力方向时，裂隙区发育更加活跃，塑性区范围更大[26]。试样整体破坏时，无论钻孔平行于中间主应力还是最小主应力，主断裂面均平行于中间主应力。钻孔平行于中间主应力时，煤岩试样破坏程度更加剧烈，裂隙更加发育。这是因为煤岩破坏失稳总是沿着所需能量最小的方向进行，钻孔平行于中间主应力时，钻孔方向更多的裂隙发育加剧了煤岩的破坏(图12(b))。
图12 不同应力状态下煤岩试样破坏模式
Fig.12 True triaxial failure modes of coal rock specimen under different stress conditions
对于5面受力-单面临空卸压孔煤岩试样，如图12(c)所示。卸压孔周围首先形成微裂隙，微裂隙不断发育、扩展，形成较大范围的裂隙区。此过程中消耗大量的应变能，同时加剧吸附气体的解吸、增强游离气体的流动，减弱煤岩体气体压力，内能减小。在拉剪应力作用下，裂纹更加容易扩展，诱导主裂隙在平行卸压孔轴向扩展、断裂。且需要的能量也较小，使煤岩储能能力减弱，相比卸压孔平行于最小主应力裂隙范围更大，裂隙诱导主断裂面作用更加明显。最终，煤岩体在较低的应力下发生层裂屈曲破坏。因此，卸压孔平行于中间主应力时强度更低、塑性更强、卸压效果更明显。
图13 实际工程卸压-抽采-注水钻孔优化布置方式
Fig.13 Optimal arrangement of pressure relief-drainagewater injection drilling in actual engineering
深部煤矿复合动力灾害是含瓦斯煤岩体在变形能和气体助推作用下非线性耦合瞬发性破断的动力过程。合理的措施可在一定程度上改善煤岩体性质、应力分布，从而减少灾害的发生。从上文可知，根据地应力合理布置卸压孔位置可最大程度上减少动力灾害的烈度。如图13(a)所示，当确定煤层地应力分布之后，工作面推进方向沿中间主应力时，宜在工作面前方采取超前大直径钻孔卸压措施。而当推进方向的侧向为中间主应力时，可考虑在工作面侧方布置卸压孔或在工作面前方位置进行侧向大倾角钻孔卸压，尽可能使卸压孔方位沿中间主应力方向，如图13(b)所示。在实际工程中，井下地应力条件复杂，在不易根据地应力方位进行卸压钻孔施工时，可适当采取增加钻孔直径、减小卸压孔间距、增加钻孔深度等措施增加塑性区范围，达到更好的卸压效果。同时对于深部低渗透高瓦斯煤层，宜在上述卸压孔进行高压水(气)磨料射流、高压水网状割缝、水力压裂、液态二氧化碳气体压裂、水力大直径分级造穴、径向回转水力喷射钻进网状钻孔等技术进行有效卸压，同时增加煤岩体裂隙区范围，提高煤层渗透性，提高瓦斯抽采效果，降低煤层瓦斯压力。同时可在卸压孔内进行煤层注水、注水辅助微波破岩等技术措施软化煤岩体性质，改良煤岩储能结构，降低煤岩变形能的储存和释放。发展深部矿山可视化管理、深部矿山应力-构造-变形-微震-瓦斯等多源动态监测对于深部矿山高效生产和动力灾害的多源及时防控至关重要。
4 结 论
(1)复合动力灾害具有明显的阶段性，主要经历:小范围颗粒弹射、大范围颗粒弹射伴随碎片弹射、外部煤体抛出、内部破碎煤体抛出整体失稳、重新平衡阶段。煤样破坏时的峰值强度在一定的中间主应力范围内逐渐增大，试样破坏后形成平行于中间主应力方向的主断裂面。破坏后形成明显的弧形阶梯状煤体抛出坑。
(2)钻孔卸压可在一定程度上改善煤岩力学性质，软化煤岩结构，降低煤岩强度，增强其塑性变形特性。同时可诱导裂隙定向发育、煤岩体耦合破坏。促进煤岩渐进式损伤，优化能量释放结构，煤岩趋于静态缓慢式破坏。试样破坏后形成明显的阶梯式层裂结构，有效降低复合动力灾害的烈度和风险。
(3)对比试验结果表明，卸压孔平行于中间主应力时煤样产生的塑性区范围更大，塑性程度更强，钻孔后的试样破坏后形成明显的阶梯式层裂结构，与未钻孔和其他钻孔布置方式相比，致灾程度弱化，无明显动力显现特征，卸压效果更好。
(4)针对现场工程条件复杂等特点，可根据现场地应力方位、施工条件等合理优化布置卸压钻孔方位、钻孔直径、钻孔间距等。此外，合理的辅助压裂、割缝等造缝增透措施可增强钻孔卸压效果，更好的防治动力灾害。
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