研究背景：我国自然能源赋存具有“富煤、贫油、少气”的基本特点，这导致在未来较长一段时间内，煤炭仍是我国能源的主体。据中国工程院预测，到2050年，我国煤炭消费量占能源消费总量的比例仍会保持在50%左右。此外，在“碳达峰、碳中和”的双碳目标下，煤炭在能源体系中仍需继续发挥“压舱石”功能，扮演着能源安全兜底的角色。然而，随着我国浅部煤炭资源日益枯竭，深部开采已成为我国能源的战略需求。据统计，我国煤矿开采深度以每年10～25 m的速度向深部延伸，现有千米以上的深部矿井47座，最大采深达1 530 m，未来5～10 a还将新建30余座千米矿井。
煤炭开采进入深部以后，煤层呈现出地应力高，瓦斯吸附性强、渗透性低的特征愈发明显，开采环境发生剧大变化。在采矿扰动的影响下，煤与瓦斯突出和冲击地压灾害的强度和频次的威胁越来越严重。例如，陕西燎原煤矿(2020−06−10)、陕西乔子梁煤矿(2020−11−04)、山西左权煤矿(2021−03−25)、贵州东风煤矿(2021−04−09)和贵州利民煤矿(2022−03−02)相继发生煤与瓦斯突出事故，累计造成35人死亡。山东龙郓煤矿(2018−10−20)、吉林龙家堡煤矿(2019−06−09)、河北唐山煤矿(2019−08−02)、山东新巨龙煤矿(2020−02−22)、陕西胡家河煤矿(2021−10−11)相继发生冲击地压事故，累计造成45人死亡。地应力和瓦斯压力的增大可改变煤与瓦斯突出和冲击地压发生时的“煤体”强度临界值。因此，随着煤炭资源开采深度的增加，部分矿井面临着煤与瓦斯突出和冲击地压双重灾害的威胁，表现为煤与瓦斯突出和冲击地压灾害相互诱导与复合。例如，河南省信义煤矿11011第1采煤工作面煤层开挖，曾多次发生冲击地压引起的瓦斯异常排放或突出现象，且其中有一次发生了典型的冲击地压引起的煤与瓦斯突出事故。我国平煤神马集团和阜新矿业集团的部分煤矿也出现过煤与瓦斯突出和冲击地压复合动力灾害。
由于煤与瓦斯突出和冲击地压相互耦合，复合动力灾害的成灾机理变得复杂，灾害防治愈加困难。因此，笔者针对深部煤炭资源开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压及其复合煤岩动力灾害问题，系统总结了我国煤岩动力灾害机理的研究进展，阐述了煤岩动力灾害评价和监测预警的关键技术，梳理了煤岩动力灾害防治和风险管控技术，基于煤炭深部开采的趋势，提出煤岩动力灾害机理研究与防控等面临的科技难题，并对此类问题的解决进行了科学研究展望。
煤与瓦斯突出机理代表性假说及理论化研究的相关研究历史进程
摘要：随着我国浅部煤炭资源日益枯竭，煤矿开采转向深部将成为保障我国能源需求的新常态。针对深部煤炭资源开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压及其复合动力灾害等问题，分析了我国煤岩动力灾害机理研究进展，阐述了煤岩动力灾害评价和监测预警关键技术，总结了煤岩动力灾害防治和风险管控措施及技术手段，提出了煤岩动力灾害预防及研究面临的科技难题和科学研究展望：
在研究手段方面，研发能真实反映现场复杂地质条件、工程条件及其多场耦合作用过程的科研仪器，发展矿山动力灾害演化模拟与再现技术，揭示煤岩动力灾害的耦合演化机制。
在危险区探测方面，进一步发展基于地球物理手段的工作面动力灾害危险区超前精细探测理论与技术，研发原位条件及采掘影响下煤岩层多参量时空分布钻测与反演技术。
在风险评价方面，开展深部复杂地层和采掘工程耦合条件下灾害危险性评价关键指标及智能评价方法研究。
在监测预警方面，建立煤矿多灾害融合监控预警平台，实现煤矿多灾害融合监控、智能预警和安全态势的准确分析。
发展煤岩动力灾害的远程精准区域防治技术，实现煤岩动力灾害的超前区域防控；研究煤岩动力灾害事故数字化应急决策理论与关键技术，实现煤岩动力灾害智能应急决策。通过理论、技术及设备等系统研究，为实现动力灾害有效防控、保障煤炭资源安全高效开采提供保障。
冲击地压灾害风险判识和多参量综合监测预警指标体系
结论与展望：(1)煤岩多场耦合动力灾害相似模拟研究。对煤岩动力灾害耦合演化过程的认识难，其根本原因是缺乏有效研究手段。模拟试验是认知深部工程动力灾害演化过程最直接有效的手段，但能够模拟深部复杂地层环境工程岩体灾变的科研仪器目前仍是空白。笔者将在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目(部门推荐)“深地工程多场耦合动力灾变试验仪”资助下展开煤岩多场耦合动力灾害相似模拟研究工作，突破多场耦合环境原态模拟、深部地层相似原性重构、动态多元信息原值测定和动力灾变演化再现等原理与技术，实现冲击地压、煤与瓦斯突出、突水及复合动力灾害的模拟实验研究，引领世界深地工程岩体致灾动力学及测试分析技术发展，为深地工程岩体多场耦合动力学特性、多物理场响应及动力灾害预警防控体系的科学研究提供重大科研仪器，保障我国深部煤炭能源安全开发。
(2)多场多相煤岩体动力灾害耦合演化机理研究。深部煤岩动力灾害的耦合演化过程非常复杂，深部开采的复杂地层环境与工程活动耦合演化致灾机制不清。通过现场不同地质条件、工程条件及其多场耦合灾变演化过程的模拟试验与再现分析，结合多场多相耦合理论分析，揭示冲击地压、岩爆、煤与瓦斯突出、突水等不同动力灾害的多场多相耦合演化过程与机理，为各类煤岩动力灾害危险精准评价、可靠预警和精准防控提供理论基础。
(3)煤岩动力灾害危险区超前精准探测技术研究。除构造外，工作面前方应力集中和煤厚变化等结构异常区对突出动力灾害影响越来越大，目前缺乏有效探测分析手段。冲击地压危险区的探测也面临着提高精细化程度、分辨率及对矿压分布和变化响应程度的需求。针对冲击等动力灾害危险区的演化过程，发展定时或不定时多次探测技术也有很大的需求。发展基于地震、并行电法、电磁等地球物理方法的自动精细探测或定位监测分析技术非常必要。
(4)煤岩层多参量的随钻或远程测定技术研究。煤岩层物理力学参数对煤岩动力灾害及区域划分影响很大。目前煤层瓦斯含量和力学等关键参数测试，主要以取样测试为主，在空间上属于离散、点式，精细化程度满足不了实践需求。尤其是煤与瓦斯突出突出及复合动力灾害，瓦斯参数及煤的力学性质分布直接关系到灾害区域分布等。而随着定向钻进技术的突破发展，进行原位条件及采掘影响下煤层瓦斯、力学参数等随钻测试、反演或远程测试技术创新研究和标准化，将在煤岩动力灾害危险性鉴定、区域划分、预测预报和效果检验中发挥重要作用。
(5)煤矿全时空多尺度多场实时监测与分析技术研究。煤矿动力灾害受采掘大结构演化影响较大，而且随着采深加大，影响越来越明显。散点式、局部的、区域性的监测与分析技术已经不能满足实践需求。发展煤矿全时空多尺度多场实时监测与分析技术，实现多尺度应力、震动、电磁等指标信息实时监测，应力、变形、裂隙和渗流等多场耦合反演分析非常必要。
(6)煤岩动力灾害危险性智能评价方法研究。深部复杂地层、工程结构和高强度采掘工作耦合条件下，采动应力影响程度和范围越来越大，复杂采场结构和小构造影响越来越大，甚至高位巨厚坚硬顶板、远程构造等对冲击动力灾害影响显著。现有的煤岩动力灾害危险性评价理论与方法已不能完全适应。针对评价指标不能完全反映深部开采及灾害实际情况、指标之间存在耦合关系、临界条件具有模糊性等情况，应研究健全符合实际条件的关键评价指标，发展煤岩动力灾害危险性智能评价方法，提高灾害危险性评价的准确性。
(7)煤岩动力灾害融合监控预警理论与关键技术研究。针对煤矿动力灾害各监测系统独立、分散，同步性及数据共享性差，监测信息未能充分利用，预警难、预警准确率低等情况，应研究建立煤矿多灾害融合监控预警理论、关键技术、一体化系统与软件平台，传感信息互联互通，进行煤矿煤岩动力灾害全时空感知、风险就地判识与管控、隐患智能识别，实现煤矿多灾害云边端一体化监测、融合监控、灾害演化孪生可视化、融合智能预警和安全态势预测。
(8)煤岩动力灾害超前远程精准区域防控技术研究。目前的动力灾害防控以区域防控为主、局部防控为辅，灾害防控对采掘工作及工作面接替影响较大，并且部分在临近危险区采取的防控工作存在风险。针对超前区域防控灾害、安全性和解决采续紧张难题的需求研究基于定向长钻孔的井下或地面超前远程区域性精准防控技术，实现动力灾害超前精准区域防控是非常必要的，随着井下、地面定向技术的突破和水力化卸压增透等技术的进一步完善，使得实现煤岩动力灾害超前、远程、高效、精准区域防控成为可能。
(9)煤岩动力灾害事故数字化应急决策理论与关键技术研究。针对复杂的灾害事故，应急决策和应急救援难度大，决策和救援效率不能满足实践需求。随着物联网、大数据、信息化和人工智能等新一代信息技术的发展，以及我国对应急管理工作的高要求，应发挥大数据和人工智能的作用，研发煤岩动力灾害事故数字化应急决策理论与关键技术，基于数字化智能应急预案、学习得到的决策模型和监测大数据进行快速精准应急决策、应急调度和选择适宜的应急处置技术与参数，实现煤岩动力灾害事故智能应急决策，将显著提升我国煤矿安全应急管理水平。
风险精准判识及监控预警体系
（来源：煤炭学报）
