深部采动响应与灾害防控研究进展.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a r ．2 0 2 1 深部采动响应与灾害防控研究进展 袁亮1 ’2 ’3 1 ．安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ．安徽理工大学煤炭安全精准开采国家地方联合工程研 究中心，安徽淮南2 3 2 0 0 1 ；3 ．深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要掌握深部采动响应机制与灾害防控技术对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的现实 意义。针对深部开采面临高地应力、高地温、高岩溶水压和强开采扰动的复杂环境，探讨了深部采 动煤岩体响应特征。阐述了煤炭开采多物理化学场时空动态演化规律和多资源全生命周期动态叠 加多相多场耦合致灾机理。最后，基于上述采动响应特征和多场耦合规律及致灾机理，从透明矿山 及地质保障关键技术、灾害风险判识与监控预警关键技术和典型动力灾害防控关键技术3 个方面 讨论了深部采动灾害防控方法。未来应继续加大对深部开采基础研究支持力度，大力支持自主创 新重大仪器及科学装置研究，重点开展深部煤炭开采应用基础理论和关键技术研究，依靠科技创新 突破制约我国深部煤炭开采的理论与技术瓶颈。加强深部采动多物理化学场耦合灾变机理分析， 实现深地资源地质精准勘探和三维地质可视化，建立深部采动灾害风险判识及合理性评价模型，以 及开展多参量灾害预警与防控技术和装备研究，实现对灾害的有效预警和精准防控，综合形成深部 煤矿灾害防控理论与技术标准体系。同时，在充分认清深部各种灾害特征、治理能力极限和技术经 济可行性的基础上，科学确定开采下限。最终有效解决深部煤炭开采面临的科学问题和重大技术 难题，促进深部煤炭安全高效开采。 关键词深部开采；采动响应；灾害防控；地质保障；多场耦合 中图分类号T D 7 6文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 - 0 7 1 6 - 1 0 R e s e a r c hp r o g r e s so fm i n i n gr e s p o n s ea n dd i s a s t e rp r e v e n t i o na n d c o n t r o li nd e e pc o a lm i n e s Y U A NL i a n 9 1 ’2 ，3 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f M i n i n gR e s p o n s ea n dD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dC o n t r o li nD e e pC o a l 删∞，A n h u iU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H n a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ；2 ．N a t i o n a l ＆L o c a lJ o i n tE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fP m c i s i o nC o a lM i n i n g ，A n h u iU n i v e r s 蚵o fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ；3 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f D e e pC o a lM i n i n g ＆E n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n ，H n a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t U n d e r s t a n d i n gt h er e s p o n s em e c h a n i s mo fd e e pm i n i n ga n dd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi so f p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os a f ea n de f f i c i e n tc o a lm i n i n g ．I nv i e wo ft h ec o m p l e xe n v i r o n m e n to fd e e pm i n i n gc h a r a c t e r - i z e db yh i g hg r o u n ds t r e s s ，h i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hk a n tw a t e rp r e s s u r ea n ds t r o n gm i n i n gd i s t u r b a n c e s ，t h ec o a la n d r o c kr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gd e e pm i n i n ga c t i v i t i e si sd i s c u s s e d ．M e a n w h i l e ，t h es p a t i a l t e m p o r a ld y n a m i ce v o - l u t i o nl a wo fm u l t i p l ep h y s i c a la n dc h e m i c a lf i e l d si nc o a lm i n i n g ，t h ed y n a m i c s u p e r p o s i t i o nm u l t i p h a s ea n dm u l t i 一 收稿日期2 0 2 1 0 1 2 3修回日期2 0 2 1 0 3 0 5 责任编辑常琛D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．Y T 2 1 ．0 1 5 8 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 8 Y F C 0 8 0 8 0 0 0 ；中国工程院咨询研究资助项目 2 0 2 0 x z 1 3 ；国家自然 科学基金资助项目 5 1 9 0 4 0 1 3 作者简介袁亮 1 9 6 0 一 ，男，安徽金寨人，中国工程院院士。E m a i l y u a n l 一1 9 6 0 s i n a ．c o r n 引用格式袁亮．深部采动响应与灾害防控研究进展[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 3 7 1 6 7 2 5 ． Y U A NL i a n g ．R e s e a r c hp r o g r e s so fm i n i n gr e s p o n s ea n dd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r o li nd e e pc o a lm i n e s [ J ] ． J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 7 1 6 - 7 2 5 ． 移动阅读 万方数据 第3 期袁亮深部采动响应与灾害防控研究进展 7 1 7 f i e l dc o u p l i n gh a z a r dm e c h a n i s mi nm u l t i r e s o u r c e sa n dw h o l el i f ec y c l ea r ed e s c r i b e d ．F i n a l l y ，b a s e do na b o v e m e n - t i o n e dm i n i n gr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，m u l t i f i e l dc o u p l i n gl a w sa n dd i s a s t e r c a u s i n gm e c h a n i s m ，t h ek e yd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e si nd e e pm i n i n ga y ed i s c u s s e df r o mf o l l o w i n gt h r e ep e r s p e c t i v e s k e yt e c h n o l o g i e so f t r a n s p a r e n tm i n e sa n dg e o l o g i c a ls u p p o r t ，k e yt e c h n o l o g i e so fd i s a s t e rr i s ki d e n t i f i c a t i o n ，m o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n g ， a n dk e yt e c h n o l o g i e so ft y p i c a ld y n a m i cd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r 0 1 ．I nf u t u r es t u d i e s ，s u p p o r t sf o rb a s i cr e s e a r c h o nd e e pm i n i n ga n di n d e p e n d e n ti n n o v a t i o no fm a j o ri n s t r u m e n t sa n ds c i e n t i f i cd e v i c e ss h o u l db ei n c r e a s e d ．R e s e a r c h o nb a s i ct h e o r i e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fd e e pc o a lm i n i n gs h o u l db ee m p h a s i z e d ，a n dt h et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a l b o t t l e n e c k sr e s t r i c t i n gC h i n a ’Sd e e pc o a lm i n i n ga r ee x p e c t e dt ob er e m o v e db a s e do nt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n ．T h e a n a l y s i so fm u l t i p h y s i c a la n dc h e m i c a lf i e l dc o u p l i n gd i s a s t e rm e c h a n i s m i nd e e pm i n i n gs h o u l db es t r e n g t h e n e d ．T h e p r e c i s eg e o l o g i c a le x p l o r a t i o na n dt h r e e d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lv i s u a l i z a t i o nc a nb er e a l i z e d ．Ad e e pm i n i n gd i s a s t e r r i s ki d e n t i f i c a t i o na n dr a t i o n a l i t ye v a l u a t i o nm o d e ls h o u l db ee s t a b l i s h e d ．T h er e s e a r c hs h o u l db ec o n d u c t e do nm u l t i p a r a m e t e rd i s a s t e re a r l yw a r n i n ga n dp r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tt oa c h i e v ee f f e c t i v ee a r l yw a i n i n ga n dp r e c i s ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fd i s a s t e r s ．A sar e s u l t ，at h e o r ya n dt e c h n i c a ls t a n d a r d ss y s t e mf o rd e e pc o a l m i n i n gr e s p o n s ea n dd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r o li se x p e c t e dt ob ee s t a b l i s h e d ．M e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt oaf u l lu n d e r s t a n d i n go fv a r i o u sd i s a s t e rc h a r a c t e r i s t i c s ，t h el i m i t so fc o n t r o lc a p a b i l i t i e sa n dt h et e c h n i c a la n de c o n o m i cf e a s i b i l i t y ，t h ed e p t hl i m i to fm i n i n gi se x p e c t e dt ob ed e t e r m i n e d ．F i n a l l y ，s o m es c i e n t i f i cp r o b l e m sa n dm a j o rt e c h n i c a li s s u e s f a c e db yd e e pm i n i n ga r ee f f e c t i v e l ys o l v e d ，g u a r d i n gt h es a f ee f f i c i e n tm i n i n gi nd e e pc o a lm i n e s ． K e yw o r d s d e e pc o a lm i n i n g ；m i n i n gr e s p o n s e ；d i s a s t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r o l ；g e o l o g i c a ls u p p o r t ；m u l t i f i e l dc o u p l i n g 我国“缺气、少油、相对富煤”的资源禀赋特征， 决定了在未来相当长的一段时间内，煤炭仍将是我国 的主导能源，根据2 0 1 9 年最新统计，煤炭在一次能源 生产和消费结构中分别占6 8 ．8 ％和5 7 ．7 ％⋯。随着 国民经济的飞速发展，能源需求总量呈逐年增长态 势。为了保障能源供给，我国煤炭资源开采在东北、 华东为代表的中东部区域以l O ～2 5m ／a 的速度向深 部推进，深度达到8 0 0 ～10 0 0m ，并有4 7 对矿井深度 超过10 0 0m ，西部煤炭资源开采则集中在晋陕蒙宁 甘，保有和预测煤炭资源总计达3 ．8 5 万亿t ，占全国 的6 6 ．2 ％，以大柳塔、上湾、保德等为代表的千万吨 级高强度开采矿井群亦相继出现了深部开采动力现 象‘2 3 | 。 煤炭开采进入深部以后，瓦斯赋存条件变得更加 复杂HJ ，开采环境发生剧烈变化“ J 。由于深部岩体 承受着上覆岩层自重产生的较大垂直应力以及地质 构造产生的构造应力，最终导致较高的地应力，并随 之产生极大的岩溶水压，深部条件下的地温也将越来 越高，即高地应力、高地温、高岩溶水压。而在“三 高”的环境作用下，由于深部岩体具有强时间效应， 极易发生大范围的流变，同时也会造成工作环境处于 极高温度，影响工人的工作效率，并导致动力灾害发 生频率增加，从而形成工程响应强流变性、强湿热环 境、强动力灾害的特点，开采扰动性强MJ 。因此深部 采煤环境和岩体工程响应具有“三高一强扰动”的特 点“ ‘8J ，这为深部煤炭资源安全开采带来巨大挑战。 深部煤炭资源开采过程中，将不可避免地产生大 幅度采动响应，在矿井采掘作业空间一定范围内，煤 岩层、地下含水层及隔水层变形、破断和运动，进而产 生大量裂隙及地表沉降，应力应变场、地球物理场、裂 隙场、渗流场、温度场、浓度场及其他复合场均发生变 化一。0 | 。随着开采深度的日益增大，这种煤岩体多场 响应变化特征与浅部相比差异更大。开采活动越来 越受到煤与瓦斯突出、冲击地压、巷道围岩大变形、矿 井水害、矿井热害等问题的困扰卜坨J 。目前相关研 究主要围绕开采扰动诱发的工程灾害响应描述、隐伏 致灾源探寻、灾害预测及控制，而针对影响深地资源 开发利用的相关煤岩体响应关键理论基础和多场耦 合致灾机制研究不够深入、全面。因此，笔者聚焦于 深部煤矿采动响应及多场耦合致灾关键机理，并基于 相关理论成果，结合人工智能、云计算、大数据、区块 链等为代表的科技革命创新成果，探讨深部采动灾害 防控关键技术，助力实现深地资源安全高效开采。 1深部采动煤岩体响应特征 受到深部矿井“三高一强扰动”特殊开采环境的 影响，采动响应机制变得愈加复杂到 图1 。深部 煤炭开采无论是工程规模，还是采区的扰动范围，相 比浅部都大很多。且在响应范围内煤岩体变形、受力 也更加剧烈4 | 。同时，影响深部矿井生产的地质因 素增多，各因素之间关系复杂，危害强度大，多场耦合 响应特征呈现出一种新的状态。 万方数据 7 1 8 煤炭 学报 图1不同深度煤炭资源开采特点及灾害响应情况 F i g ．1 C h a r a c t e r i s t i c so fc o a lm i n i n ga n dd i s a s t e rr e s p o n s ew i t hd i f f e r e n tm i n i n gd e p t h s 深部采动响应具有明显的空间性和时序性。。“。 一方面，受到煤炭开采扰动影响，围岩内部结构和原 位应力场失衡【1 ⋯，其最初、最直接反映就是引发岩层 运移，空问特征表现出明显的“分带性”和“形态 性”1 1 7 1 ，即在开采扰动下，固、液、气、电多相、多态重 新分布与运移交互。18 | ，应力一温度～渗流一化学一微生 物多作用机制与多物理场耦合具有显著的空问响应 特征 图2 。目前感知装备与测试技术在解决深部 开采及动力灾害防治方面探索少、挑战大，特别是煤 炭绿色、安全、高效、智能化开发利用需求下，如何明 [ 耍里巫互巫] V 深 部 采 动 响 应 确采动空间范围多物理化学场耦合机理、多灾孕育及 耦合演化规律、多参量灾害预警与防控技术装备还需 不断探索9 I 。另一方面，深部煤炭资源开采时序响 应贯穿井巷空间设计、建设至煤体采出、采区范围煤 岩体稳定及地表生态恢复的全过程。煤岩体在深部 条件下，其动态演化时效性变化明显，其流固特征、非 连续结构演化、应力场重新分布、多场相互作用机制 以及煤岩体灾变全过程物理现场的发生机理和时空 演化规律在时序特征上显现快、速率高、周期 短‘2 0 。2 1 I 。煤岩体空间变形形态在孕育、延伸、交叉拓 多源、多相介质运移、交互 ◇ 深井巷道围压变形时空耦合支护 多灾孕育及耦合演化预警与防控理论 深部采动多物理化学场耦合机理 多资源全生命周期多场耦合基础理论 共伴生资源开采叠加多相多场耦合致灾 碳封存动态叠加多相多场耦合致灾 图2深部采动煤岩体多场空间响应特征 F i g ．2 M u l t i f i e l ds p a t i a lr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fc o a la n dr o c km a s s e si nd e e pm i n i n g 出 应 形 幢 臆 废 剡 嘲 鲫 响 响 鳓 斯 压 雠 害 害 剃 瓦 蚀 引 冰 憔 蜊 与 击 巷 井 井 喙 一 ～ 一 一 一 一 万方数据 第3 期 袁亮深部采动响应与灾害防控研究进展 7 1 9 展时间变化方面的相关研究尚且不足。特别在深部 智能化开采模式实现致灾因素的预判、预警、预解尚 且难以有效解决，不能满足深部资源开采的需求旧2 | 。 因此，从设计、建设、生产各个环节如何建立满足煤系 资源开采及共伴生资源的综合利用，仍需要在时序上 进一步优化心3 1 。特别是建立基于时序变化的超前感 知、精准定位、高效预警体系，对保障深地煤炭资源安 全开采意义重大。 2 深部采动多场耦合规律及致灾机理 深部开采过程涉及应力场、裂隙场、渗流场、温度 场等多场耦合影响，分析多场耦合规律，有利于掌握 各类灾害的致灾机理。秦玉金等Ⅲ1 建立了渗流场、 应力场和温度场之间的多场耦合模型，并进行瓦斯赋 存特征数值模拟解算，模型解算结果与煤层实际参数 基本相符。梁冰等怛副考虑瓦斯吸附解吸和煤体变形 对煤体裂隙瓦斯流动的影响，建立深部顺层钻孔抽采 渗流多场耦合模型，并使用该模型模拟得到目标煤层 的有效抽采半径。林柏泉等旧钊采用双重孔隙介质结 构，引入瓦斯动态扩散系数，推导多场耦合渗流模型， 分析应力场和扩散场对渗流场的影响。尹光志等心7 J 采用热一流一固耦合真三轴瓦斯渗流试验平台，分别 测试了突出型煤和非突出型煤在全应力一应变状态 下的瓦斯渗流特征，得出渗透性可以作为判别深部突 出危险程度的一个指标。结合已有研究进展，综合考 虑强开采扰动和时效性的深部开采多场耦合规律及 致灾机理论述如下。 2 ．1 煤炭开采多物理化学场时空动态演化规律 深地资源开采涉及应力场、裂隙场、渗流场、温度 场、震动场、能量场等多物理化学场时空动态演化，煤 层开采改性原位应力场，触发能量场与震动场，引发 裂隙场孕育演化，高瓦斯压力、高承压水改变裂隙场 分布形态，影响渗流场分布，裂隙场与渗流场演化改 变应力场、能量场及震动场运移路径及分布形 态【2 p 29 | 。同时开采扰动诱发固态开采、流态开采及 多资源协调开采下岩体结构演化、岩体灾变破坏和流 态化，以及裂纹裂隙孕育、延伸及交叉拓展等时空动 态演化过程。需要借助分形重构、3 D 打印、应力冻结 等物理实验方法和技术，研究探索气固开采下多场透 明及可视化表征方法，包括建立深部岩体非连续结 构的分形重构算法；研制与深部岩层基本力学性能相 一致的三维应力可视化材料，借助3 D 打印技术，构 建高清透明并具有良好光折射能力的深部岩体的三 维物理模型，直观地显示天然岩体内部复杂的裂隙结 构与空间形态，建立深部岩层非连续结构可视化物理 模型。同时，发展三维应力冻结技术与提取方法，建 立深部岩体流态化开采扰动下的应力场、裂隙场和渗 流场的定量表征方法与可视化理论，直观地再现深部 煤炭开采过程中的非连续结构演化、应力场重分布、 应力场和渗流场相互作用机制以及岩体灾变全过程 等各种物理现象的发生机理、时空演化规律。基于可 视化理论，预先对深部煤炭开采进行“透明推演”，直 观、定量地显示整个开采过程中矿体破碎、应力与能 量转移、灾害发生的形式、位置、时间、量级，从而达到 预判、预警、预解的目标。以多发的煤与瓦斯突出事 故来说，为了达到防突目的，需要揭示应力场一扩散 场一渗流场耦合诱突机理及突出发展演化规 律悼7 ’3 0 ‘3 1J ，原位实测与数值模拟分析构造区域地应 力与采动应力分布特征，建立“应力场一扩散场一渗流 场”多场耦合模型，揭示煤与瓦斯突出多场耦合孕育 机制，并提出煤与瓦斯突出的临界判据，图3 表示多 场耦合情况下，诱导煤与瓦斯突出发生的概念模型、 数学模型和过程及机理旧引。 2 ．2 多资源全生命周期动态叠加多相多场耦合致灾 机理 深部煤炭资源开采引发岩层运移涉及深部多资 源安全协调开发问题，扰动围岩运移涉及到多物理场 理论体系和复杂影响因素，开采扰动下的固、液、气、 电多相并存的开采环境，以及应力一温度一渗流一化 学一微生物多种作用机制的多物理场耦合模型，需要 揭示深部不同资源协调开采方式下的岩体本构行为、 渗流机制、变形破坏规律，最终形成深地资源气固开 采扰动下的多物理场耦合理论∞3 | 。 深部共伴生多资源精准开采涉及应力场一裂隙 场一渗流场一温度场一能量场耦合作用及动态叠加多 相多场耦合复合灾害孕育演化，应力、渗流、化学反应 作用下多孔介质、裂隙介质损伤演化及渗透特性变化 规律亟待突破∞4 | 。煤、稀有金属协调开采中煤层开 采“三带”效应对铀矿床构成威胁，甚至活化稀有金 属矿床，破坏地浸开采地层水环境，同时氡气及其子 体、重金属在扩散、对流及弥散作用下对地层水及深 埋煤层构成污染威胁；煤、油气协调开采中煤层开发 扰动油气圈闭层稳定性，影响油气动态分布，油气管 井与煤层覆岩力热耦合效应诱发管道泄漏、爆燃，扰 动煤层采动围岩应力场一裂隙场一渗流场动态耦合过 程，诱发采场围岩异常响应，矿井水、瓦斯、粉尘等异 常扩散。强化共伴生多资源开采多相多场耦合机理 研究，揭示资源开采动态叠加多相多场耦合灾害孕育 演化规律，实现耦合灾害的超前感知、精准定位、高效 预警预解，为煤及共伴生资源开采提供保障∞引。 万方数据 7 2 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 非 强度 折减 多场耦合 向异性 、、 断层 ．褶皱 F 均质软煤 { { J 造位置 多 场 稍 A I I 诱 突 数 学 模 ，趔 ＼／ ∥∽叫创百p M ＼ 川篇，孝即， 巨曩煮 ＼＼L ； 互鲨 。⋯． 【习 ]竺 厂 鬲等旧一h d 却zc H ，] 蝎 M 卜等沁“ “⋯ n 3 深部采动灾害防控 v ，．v ，高能聚集区入| | 和 f 【_ | 瓦斯流动速度 ，一流动时间； 矿一高能聚集区n 勺体积 口一瓦斯从力 肘一甲烷分子摩尔质最 R 气体常数； 丁煤层温度 女广煤层渗透率； “甲烷‘i 体动力黏度 产内膨胀系数； p 。一煤层初始裂隙率； e 。最大吸附J 、Z 变； P ．一压力常数 d I ．巩 K 力常数和温度常数 带a ．一热膨胀系数 A a 一有效应力增量； 口，y 与岩石力学性质相关r f J “ i “ 数 a 工作而前方煤体的抵抗强度； 蓍 下标。一对应变量的初始值； 塑G I 一煤体的最大主应力i 笑 a ，一煤体的最小主应力。 诱 突 过 程 及 机 理 图3 煤与瓦斯突出多场耦合诱突过程。3 2 l F i g ．3 M u l t i f i e l dc o u p l i n gi n d u c i n gp r o c e s so fc o a la n dg a so u t b u r s t i 3 2 高地应力、高地温、高岩溶水压及强开采扰动的 深地开采环境，导致采动煤岩非线性非均匀性力学及 物性属性，诱发煤与瓦斯突出、冲击地压等多种灾害， 进一步聚焦透明矿山及地质保障关键技术、灾害风险 判识与监控预警关键技术和典型动力灾害防控关键 技术研发与应用，进一步提升深地资源立体式全生命 周期安全开采、灾害防控、自主修复水平，是实现深地 资源安全高效开采的关键所在。 3 ．1透明矿山及地质保障关键技术 与智能化、规模化煤炭资源开采模式相匹配的透 明矿山及综合地质保障技术的不断发展与完善是深 部灾害防控关键技术的先导基础。基于深部“三高 一强扰动”的开采环境，通过综合运用矿井地质科学 理论、方法、技术，融合井巷建设资料，分析评价煤层 成因、赋存条件、地质构造、水文地质、煤岩体组分及 其物理力学性质，充分利用现代地球物理探测技术、 地质大数据、物联网、5 G 通讯、人工智能等技术手段， 构建具有高度准确性、实时性和连续性的可视化透明 矿山 图4 。26 ’珀。重点针对采掘工程扰动条件下的 变形场、渗流场、温度场及应力场等动态地质信息开 展实时监控，获取煤炭开采空问范围内煤、岩、土、水、 气等多介质、多结构、多态的变化特征和规律”卜3 8 。。 化建判转，量力能能压内的 9 U 瓦瓦突。将为立据 万方数据 第3 期袁亮深部采动响应与灾害防控研究进展 7 2 1 围绕开采地质条件精准探查、隐蔽致灾地质体准确探 测、地质灾害超前预报，开展地质保障技术创新，形成 以多参量、多相、多源、多维度数据体的系统化、规格 化、严密化的评价体系，消除煤炭资源深部开采信息 滞后，加强全过程综合地质保障技术平台的建立，发 挥其服务效果，提升矿井防灾、减灾水平，为综合防控 深地采动灾害提供技术保障。 具体而言，透明矿山及地质保障关键技术的核心 ．■一 ；信息处理 是建立煤炭资源开发利用全生命周期理论和技术体 系，基于深部开采理论和科技创新驱动，通过多源数 据获取与融合可视化展示，不断提高智能感知装备与 技术水平，加强矿山透明信息与灾害预警多学科、多 部门的跨界合作，建设友好、安全开采的深部地质环 境，促进矿井智能化防灾、减灾能力的提升，进而实现 深部煤炭开采在理论、技术、装备、系统等多层面科 学、精准、绿色开采 图5 。 仪 图4基于综合勘探技术的可视化透明矿山构建Ⅲ F i g ．4 V i s u a la n dt r a n s p a r e n tm i n ec o n s t r u c t i o nb a s e do nc o m p r e h e n s i v ee x p l o r a t i o nt e c h n o l o g y [ 3 8 罡垂产雩一】 匝垂蒌圈医垂垂圃[ 叠茧困[ 巫夔函臣亟区圃 地质构造及控制因素 采掘空间矿压变化 碎软煤层钻井技术多场融合探查技术物探测试机器人 ∑二蔓D ∑至堕叵 ∑二二二】垂亟塑亟堕亟二二二二 3 ．2 灾害风险判识与监控预警关键技术 由于采动灾害是区域地质与开采过程耦合作用 的结果，即使同一开采区域也有多种灾害类型，且引 起灾害的主控因素也存在较大的差异，据此应当建立 灾害控制因素与风险指标的智能判识算法与模型，从 而达到针对性的防治灾害的目的，因此需对灾害风险 判识指标自适应调节与进化技术进行研究，同时建立 灾害风险判识及合理性评价模型。故需提出煤矿灾 害危险主控因素与风险判识方法①通过实验室实 验对煤岩物理特性进行分析，研究受载条件下力、声、 电、震、瓦斯等多元煤岩破坏前兆信息变化特征；② 分析煤矿灾害发生地点煤层地质赋存情况、采动应力 变化、瓦斯灾害治理情况以及瓦斯涌出量变化规律等 信息，探索研究灾害多元前兆信息传感关键技术和复 杂环境下灾害前兆信息多网融合传输关键技术。当 前主要通过双震源一体化在线式弹性波C T 子系统、 万方数据 7 2 2 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 微震监测子系统、地音监测子系统、矿山压力监测子 系统、采动应力系统、瓦斯监测子系统等共同组成煤 矿灾害前兆信息感知采集系统；③将上述收集的灾 害特征信息进行汇总分析，探索基于大数据和云技术 的煤矿动力灾害多源信息挖掘分析技术，研发形成基 于大数据的多参量煤矿灾害模态化预警方法 图6 煤矿动力灾害预警模态参数 及主动推送服务体系，构建采动灾害监测与预警技术 指标体系，实现深部开采灾害防控智能化、信息化监 测；④形成煤矿灾害监测预警技术集成及示范，实现 煤矿灾害监测预警基础研究一关键技术开发一应用 示范的有机融合，全面提升我国煤矿灾害风险判识及 监控预警能力㈡“。 。x 7 了向地，’方向地z 方向地围岩抗压 应j 3 0 。际应力口，医J 、t 力t 医强度s 厩 嘲岩抵抗[ 作面顶嘲岩变体杉变形 ，／，、 煤 线K 度晦板E J Q 丙形量U 而 能U 医 矿 数 形状变形顶板弯曲煤层瓦斯煤层瓦斯 攥 动 据 能U 际 能U 、 瓯含量Ⅳ丙压／J 尸瓦 矿 力 挖 扒 状态持续瓦斯突； △q酝 M ． 动 灾 掘 时间T 瓯倾向’r } 瓯瓦瓯 力 害 与 △盯二 △S△∥ A Q - ／ 灾 全 转 吖 瓯瓯瓯际 害 患 换 瑗 数 器△U△ⅣA P H 击倾 警 据 向性 瓦 器 库 医医叵 自由窄间围岩弹性突水 绝对气压瓦 模量 医 厂 厂 ＼／ 透水预留 厂厂厂 厂 预警 结果 - 一瓦斯突出 一冲击地压 图6 矿山动力灾害的全息模态化预警方法及系统架构” F i g ．6H o l o g r a p h i cm o d a le a r l yw a r n i n gm e t h o da n ds y s t e ma r c h i t e t u r eo fm i n ed y n a m i ch a z a r d s 。3 2 3 ．3 典型动力灾害防控关键技术 应力环境、物性组合和结构因素是诱发冲击地 压、煤与瓦斯突出、顶板大面积来压等典型动力灾害 的重要原因弘4 ⋯。典型动力灾害防控关键技术包括 开采前和开采中。在新工作面投入运行前，需对区域 内典型动力灾害危险性进行综合评价，评价采用的方 法有分区分级早期智能判识、综合指数法、多因素叠 加法和工程类比法等。若评价为无灾害风险，可在正 常典型动力灾害区域监测预警条件下继续掘进或回 采；若评价为严重灾害风险，则需采取典型动力灾害 预防措施，包括保护层开采、煤层注水和优化开拓方 案等方法。4 卜4 2 。。工作面生产过程中，常用的典型动 力灾害危险局部解危措施有煤层大直径钻孔卸 压| 4 列、顶板深孑L 断裂爆破Ⅲo 、顶板水压致裂和顶板 定向水压致裂。4 纠等措施，局部解危措施实施后，还需 通过电磁辐射法、钻屑法、钻孑L 窥视监测、声发射法、 震源一体化在线式C T 反演方法等对典型动力灾害 解危效果进行效果验证。若解危有效，则可在典型动 力灾害危险监测措施下正常回采，若解危措施无效， 则需重新进行典型动力灾害危险卸压解危，并重新验 证其卸压防灾效果 图7 。未来应着重研究煤矿典 型灾害的智能化防控技术，如“透明工作面”构建、工 作面灾害巡检机器人、灾害防控决策系统构建、多尺 度分源防冲技术与装备、煤矿远近场动静载作用下围 岩应力控制技术、顶板钻切压综合一体化防控装备 等。通过开采实时数据的智能监测，建立图像识别模 型，采取相应的预警、干预、协同控制策略，最终达到 对动力灾害的联合防控。 4 展望 深部煤炭资源的安全高效开采，有助于提高企业 安全生产管理水平、减缓国内生态环境压力以及达到 能源领域的碳中和标准。持续推