煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究

潘一山

(1.辽宁大学，辽宁 沈阳　110136；2.辽宁工程技术大学,辽宁 阜新　123000)



煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究

潘一山1,2

(1.辽宁大学，辽宁 沈阳110136；2.辽宁工程技术大学,辽宁 阜新123000)

摘要:随着煤矿向深部开采，一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征，又有冲击地压的部分特征，2种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合，难以界定为单一灾害类型，为此提出煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的概念。通过复合动力灾害一体化理论研究，揭示了复合动力灾害发生的统一机理，据此建立了统一失稳判别准则；基于现有动力灾害分类所存在问题，将动力灾害划分为4种类型，在此基础上，针对矿井复合动力灾害类型创新研发了钻屑法多指标一体化检测及煤体温度、煤体电荷实时连续监测设备，形成了复合动力灾害一体化分类分级预测技术；同时，提出了瓦斯抽采、深孔爆破断顶-破煤-断底卸压、煤层注水等消减瓦斯内能、释放煤岩弹性能的复合动力灾害一体化防治技术。

关键词:煤与瓦斯突出；冲击地压；复合动力灾害；一体化；扰动响应统一失稳判别准则

煤与瓦斯突出、冲击地压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，煤与瓦斯突出、冲击地压灾害十分严重[1-4]。浅部开采，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，相互作用、相互影响不甚显著，预测及防治研究通常分别进行，取得了一定进展[5-10]。随着开采深度的加大，高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井发生冲击地压灾害[11-12]，2种灾害间的相互作用开始显现，造成矿井煤与瓦斯突出、冲击地压2种灾害互为共存、相互复合。进入深部开采后，2种灾害间的相互作用呈加剧态势[13]，表现出2种灾害复合发生，发生机理变得更为复杂，预测防治难度加大。将煤与瓦斯突出、冲击地压分别进行治理的理念和技术，已不能满足深部矿井动力灾害治理的需要，因此将深部矿井动力灾害作为一体进行研究，研发一体化预测与防治技术，成为深部矿井煤炭安全高效开采的重大需求。

原苏联学者佩图霍夫[14]最早提出将冲击地压和突出2种现象放在一起进行统一研究，在我国，章梦涛等[15]最早提出冲击地压、煤与瓦斯突出统一失稳理论，并建立了2种现象的统一失稳理论，认为冲击地压是无瓦斯作用的突出，突出是瓦斯作用不可忽略的冲击地压。李铁、蔡美峰等[16-17]提出煤炭深部开采冲击地压的发生与瓦斯密切相关，高压瓦斯气体参与冲击地压的孕育，存在一种开挖卸荷和瓦斯解吸膨胀耦合作用的冲击地压，以新安煤田为工程背景，验证和深化了关于“三软”煤层底板冲击地压诱导煤与瓦斯突出提前发动力学机制的认识。王振等[18]从灾害的发生条件、能量来源和破坏形式等方面分析了高瓦斯煤层冲击地压和突出的异同点；从瓦斯、应力和煤岩的物理力学性质等方面讨论了2种灾害的诱发转化机制；同时以实验研究和理论分析为基础，提出了2种灾害在孕育、发生和发展等不同阶段的诱发转化条件。张福旺等[19]在分析平煤十矿“11·12”煤与瓦斯动力灾害的成因时，总结出单一型灾害在深部演化为复合型煤与瓦斯动力灾害的物质条件、动力条件、开采扰动和构造条件，认识到了冲击地压和煤与瓦斯突出相互作用复合型灾害的3种成灾模式。

煤与瓦斯突出、冲击地压2种动力灾害耦合在一起，其发生机理更加复杂，如何建立统一的发生理论？矿井地质条件复杂，2种动力灾害影响因素众多，且互相影响，如何进行一体化预测？2种动力灾害相互复合，如何实现对2种动力灾害共同有效的一体化防治？针对以上难题本文将建立新的矿井动力灾害分类体系，研究灾害发生过程中煤岩破裂与瓦斯运移规律，提出复合动力灾害扰动响应统一失稳理论；基于统一失稳理论，提出预测方法，研发监测仪器，区分灾害类型，划分危险等级，实现动力灾害一体化分类分级预测；同时基于统一失稳理论，提出防治方法，实现动力灾害一体化分类分级防治。

1复合动力灾害扰动响应一体化理论

将含瓦斯煤岩体看成由煤岩固体和瓦斯气体组成的复合材料体，同时将煤与瓦斯突出、冲击地压2种动力灾害作为一体，研究灾害发生时煤岩破裂、瓦斯运移过程，提出了扰动响应统一失稳理论，这样就实现了煤与瓦斯突出、冲击地压作为一体进行研究。

1.1动力灾害发生统一机理

煤矿井下巷道、采掘工作面等煤岩体在地应力、瓦斯压力和采动应力共同作用下产生变形，微破裂不断发生发展。如图1所示，当高应力区域的煤体应力超过峰值强度后，破坏形成耗能的塑性变形区，而其周围煤岩体构成蓄能的弹性变形区。煤体的变形破坏改变了煤体透气性，局部区域形成高压瓦斯集聚。当煤岩体变形系统达到临界状态时，遇到开采等扰动后，煤岩变形系统失稳，蓄能的弹性变形区煤岩体释放能量，发生冲击地压；在煤岩体塑性变形区内，裂纹裂隙孔隙空间被高压瓦斯充满，同时裂纹裂隙由此区域向周围煤岩体延伸，当塑性变形区内储存的瓦斯及其周围煤岩体裂隙孔隙大量解析瓦斯迅速喷出时，发生煤与瓦斯突出。当蓄能的弹性变形区煤岩与储存的瓦斯同时或先后释放能量时，发生复合动力灾害。

图1　复合动力灾害孕育发生过程Fig.1　Inoculation and occurrence process of compound dynamic disaster

煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的发生是煤岩介质变形破坏，微裂纹发生发展，吸附瓦斯解吸，煤体瓦斯变形系统动力失稳并释放能量的过程。据此提出通过消减瓦斯内能、煤岩弹性能，提高塑性区耗能能力，实现动力灾害一体化防治的科学思想。

1.2扰动响应判别准则

对于含瓦斯煤岩变形控制系统，处于平衡状态，假设在外载荷P作用下，产生的塑性软化变形区特征深度为ρ，产生的特征位移为u(可以是顶板下沉量或巷道收敛位移)。这样一个控制系统，扰动量是岩体应力，响应量是塑性区半径或顶板下沉量或巷道收敛位移。该控制系统的控制量是煤岩单轴抗压强度σc、冲击倾向性指数K、瓦斯压力p。某一时刻，对于外载荷P的一个微小扰动增量ΔP，这时响应，煤岩体塑性软化变形区由ρ增加到ρ+Δρ，位移由u增加到u+Δu。若响应增量Δρ或Δu是有界的或有限的，则此时平衡状态是稳定的，扰动消失后又处于新的平衡状态。

若煤岩变形系统处于非稳定平衡状态，则无论扰动增量ΔP多么小，都会导致塑性软化变形区或特征位移的无限增长，即

根据扰动响应判别准则，计算得到高瓦斯煤层圆形巷道围岩失稳条件为

式中，α为有效应力系数；r为圆形巷道半径；r*为临界塑性区半径；q=(1+sinφ)/(1-sinφ)，φ为煤岩材料内摩擦角。

通过对大量实验数据综合分析，建立了煤岩物理力学性质、瓦斯压力、瓦斯含量之间相互耦合的定量关系。其中孔隙率n与瓦斯压力p的关系为

煤的峰值强度σc与瓦斯含量Q的关系为

弹性模量E和瓦斯含量Q的关系为

E=e1exp(-e2Qe3)

渗透系数为

K=aexp(-bΘ)-cp+dp2

式中，Θ表示体积应力；a1,a2,a3,ζ,d1,d2,d3,e1,e2,e3,a,b,c,d均表示拟合系数。

2动力灾害分类

2.1现有动力灾害分类存在问题

现有部分冲击地压或煤与瓦斯突出事故发生前，仅按常规灾害危险性评价方法，当评价为安全不采取措施或发生冲击地压、煤与瓦斯突出事故采取常规治理措施后，灾害仍旧发生。究其原因，主要存在3点问题：① 预测后已判定为安全的煤层，可能还发生动力灾害；② 采取常规防治措施后，可能还发生动力灾害；③ 灾害发生后现场破坏既包含煤与瓦斯突出部分特征，也包含冲击地压部分特征。

因此，进入深部仅仅依据常规评价方法对煤与瓦斯突出或冲击地压事故进行评价是不完善的，在一种动力灾害的助推作用下，另一种动力灾害可在常规危险性预测参数的“低指标”情况下提前发生。针对一些事故现场既有煤与瓦斯突出的部分特征，又有冲击地压的部分特征，难以界定为单一灾害类型，本文提出煤与瓦斯突出-冲击地压复合动力灾害类型。

2.2动力灾害类型划分

基于煤岩固体和瓦斯气体组成的复合材料体失稳破坏释放能量，如图2所示，将煤岩动力灾害划分为4种类型：瓦斯释放能量超过动力破坏所需总能量，则为煤与瓦斯突出；瓦斯助推煤岩释放能量超过动力破坏所需总能量，则为冲击-突出复合；煤岩助推瓦斯释放能量超过动力破坏所需总能量，则为瓦斯-冲击复合；煤岩释放能量超过动力破坏所需总能量，则为冲击地压。据此，提出瓦斯内能、煤岩弹性能释放所产生的信息都可作为动力灾害类型及危险等级的预测信息。

图2　动力灾害类型划分Fig.2　Classifications of dynamic disasters

复合动力灾害是深部矿井开采时遇到的不同于通常的煤与瓦斯突出、冲击地压的矿山动力灾害，复合动力灾害可以是冲击地压为主、煤与瓦斯突出为辅的冲击-突出复合，也可以是煤与瓦斯突出为主、冲击地压为辅的突出-冲击复合。表现为2种灾害互相影响、相互复合。深部矿井若发生冲击地压，可能诱发破坏性更大的煤与瓦斯突出，甚至引发瓦斯、煤尘爆炸等次生灾害。

动力灾害发生后，可根据瓦斯含量、地质构造、煤体构造、破坏形状、破碎程度、抛出距离、搬运特征、分选情况、动力显现、突出煤体、破坏地点、破坏能量、破坏持续时间、破坏范围等十几个不同特征区分灾害类型。见表1，当瓦斯含量很大、破坏形状呈口小腔大、煤体搬运特征及分选明显、突出煤体很多、破坏持续时间较长等特征，属于煤与瓦斯突出或突出-冲击复合动力灾害；当瓦斯含量较少、损坏支柱、破坏时间持续很短、破坏能量很大、破坏范围很大等特征，属于冲击地压或冲击-突出复合动力灾害。

表1　4种类型动力灾害特征

此外，根据瓦斯含量Q、能量释放持续时间Δt可以判别动力灾害的类型。定义tct1为冲击地压发生时能量释放持续时间临界值，tct2为煤与瓦斯突出发生时能量释放持续时间临界值，冲击地压发生时能量释放持续时间比煤与瓦斯突出短，tct1

3复合动力灾害一体化预测

针对复合动力灾害，既要通过预测区分复合动力灾害的类型，还要通过预测确定复合动力灾害的危险等级，为此研发了钻屑法多指标一体化检测及煤体温度、电荷实时连续监测技术。

3.1钻屑法多指标一体化检测

向工作面煤壁垂直打直径为42 mm钻孔并取钻屑，通过测量钻屑量、钻屑粒度的方法称为钻屑法。在传统技术基础上创新研制了钻屑温度测试装置，图3分别为装置示意和实物图。应用该套装置通过对井下巷道两帮煤体打钻，逐米测定钻屑量、钻屑粒度、相对钻屑温度及孔底温度衰减等指标值，现场研究发现上述4种测试参量可以作为复合动力灾害发生的敏感指标，通过测试数据与敏感指标对比确定复合动力灾害危险程度，初步实现了煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化检测预警。该项技术已在淮南、鹤岗、平顶山矿区进行了应用。

图3　钻屑温度测试装置Fig.3　Testing device of drillings temperature

对监测的大量钻孔温度衰减与时间数据进行拟合，得出钻孔温度与时间的关系大致为T=mtn，其中，m反映煤体应力集中程度，n为负值，其绝对值大小反映瓦斯解吸速率。当m值较大、绝对值n较小时易于发生冲击地压；当m值较小、绝对值n值较大时易于发生煤与瓦斯突出，如图4所示。

图4　复合动力灾害发生前钻孔温度衰减拟合曲线Fig.4　Borehole temperature decay fitting curves before the compound dynamic disaster occureed

针对不同灾害类型，每种类型划分为3个危险等级，通过长期测试确定平顶山八矿动力灾害的分类分级危险指标(对于不同矿井该指标不唯一，应根据现场具体环境确定)，见表2。

表2　平顶山八矿钻屑法多参量分类分级危险指标

以上研究表明，通过改进传统钻屑法测试钻屑量、钻屑粒度、相对钻屑温度及孔底温度衰减指数四种指标能够较好地划分复合动力灾害类型，采用钻屑法多指标一体化检测方法预测复合动力灾害类型及危险等级是可行的。

3.2煤体温度实时连续监测

研发了煤岩体温度监测装置，如图5所示，该装置由温度探头、连接杆、支架、温度记录仪组成。实际应用时，在钻进一定孔深时撤出钻杆，将温度探头放入孔底，由温度记录仪记录钻孔温度，包括孔底温度和孔壁温度。

图5　煤体温度测量装置Fig.5　Testing devices of coal temperature

煤体温度变化主要包括煤体破裂辐射温度和解吸瓦斯辐射温度的变化，煤体破裂释放热量，煤体温度升高；煤体解吸瓦斯吸收热量，煤体温度降低。在平顶山八矿进行了现场应用，通过长期井下监测，如图6所示，设置34 ℃为煤体温度临界值。在无外界干扰的情况下，当超过34 ℃时认为煤体冲击倾向性增强，且升高值越大冲击倾向性越大；当低于34 ℃时认为煤体突出倾向性增强，且降低值越大突出倾向性越大。

图6　平顶山八矿煤体温度监测数据Fig.6　Monitoring data of coal temperature in the eighth Mine of Pingdingshan

图7　平顶山八矿煤体电荷监测数据Fig.7　Monitoring data of coal charge in the eighth Mine of Pingdingshan

3.3煤体电荷实时连续监测

研究表明含瓦斯煤体受载破裂产生自由电荷[22]，为此研发了在线式煤体电荷监测系统，对平顶山八矿进行了煤体电荷现场监测。由图7中监测数据发现，煤体电荷信号呈脉冲状波动，监测数据显示瓦斯突出发生前，煤体电荷最大值波动幅度较大，最小值几乎为0，瓦斯异常涌出携带电荷；而冲击地压发生前，煤体电荷最小值、平均值与最大值几乎相同，电荷信号呈先上升后下降趋势，煤体表面积聚电荷；复合动力灾害发生时，最大值波动，最小值不波动；复合动力灾害发生时电荷信号变化规律综合了冲击地压与瓦斯突出特征。

以上3种一体化预测技术在平顶山等矿区的煤与瓦斯突出矿井推广应用，对复合动力灾害预警效果显著。

4复合动力灾害一体化防治研究

针对复合动力灾害，煤与瓦斯突出、冲击地压耦合在一起，防治了煤与瓦斯突出，有可能还发生冲击地压；防治了冲击地压，有可能还发生煤与瓦斯突出。为此通过一体化预测确定灾害类型，针对不同灾害类型，采取有针对性的消减瓦斯内能和释放煤岩弹性能措施，根本上实现复合动力灾害的一体化防治。

4.1消减瓦斯内能——瓦斯抽采

我国煤矿瓦斯抽采的发展先后经历了局部防突措施为主、先抽后采、抽采达标和区域防突措施先行4个阶段，形成了采前、采中、采后抽采的系统瓦斯抽采方法和基本指标[23]，通过瓦斯抽采消减了煤层中存储的瓦斯能量，提高了煤体强度，降低了煤与瓦斯突出、突出-冲击复合动力灾害发生的概率。区域性瓦斯抽采技术在矿井复合动力灾害防治中广泛应用，袁亮等[24]通过理论研究和工程实践，提出并研究了煤与瓦斯共采技术、极易离层煤岩支护工程技术、复杂地质条件下采矿工程地质保障技术以及高瓦斯矿区复杂地质条件安全高效开采关键技术，解决高瓦斯矿区复杂地质条件安全高效开采技术难题。该项技术在淮南、淮北等矿区进行应用，取得了较好的效果。

4.2释放煤岩弹性能-深孔爆破断顶-破煤-断底卸压技术

针对坚硬顶底板和低渗透煤层，研发了深孔爆破断顶-破煤-断底技术。在工作面巷道每隔20 m布置1组钻孔，每组钻孔布置3个断顶孔、1个破煤孔、1个断底孔。孔径75 mm，每孔装药15 kg，反向装药，每孔2个炮头。爆破后产生了相互贯通的孔隙裂隙网，超前释放了顶板-煤体-底板组合结构所积聚的大量弹性能，削弱了应力集中程度，达到了解除冲击危险的目的，图8为平顶山某矿井下回风巷道钻孔布置示意。深孔爆破断顶-破煤-断底技术是冲击地压、冲击-突出复合动力灾害防治的重要手段之一。深孔爆破断顶-破煤-断底技术在平顶山等矿区进行应用，取得了较好地效果。

图8　钻孔布置示意Fig.8　Schematic diagram of drilling hole arranging

4.3煤层注水

煤层注水技术已成为实践所检验的预防煤与瓦斯突出和冲击地压的有效办法之一[25-26]。煤层注水后，煤体颗粒间的黏结力减小，颗粒接触面间摩擦力降低，降低了煤体冲击倾向，同时水分驱替瓦斯等气体，降低了瓦斯内能，因而煤层注水不仅释放了煤岩弹性能而且降低瓦斯内能，减小了复合动力灾害发生的概率。煤层注水技术在我国几十个矿井使用，经反复工业性试验、实践与细化，不断改进预注水压力、钻孔深度、钻孔间排距、单孔注水量、注水时间、注水泵选型等工艺和参数，使得该项技术现场实施方便，取得了显著效果。

此外，改善巷道支护方式，采用吸能让位的支护理念对井下巷道进行支护[27]，同样能够实现一体化防治，研发快速吸能让位支护装备，将是实现复合动力灾害一体化支护技术装备研发的重大突破。

5结论

(1) 随着开采深度的增加，复合动力灾害将成为煤矿动力灾害的重要形式，并呈愈演愈烈趋势，对深部煤炭开采构成严重威胁，建议深部开采应高度重视复合动力灾害的预测和防治。

(2) 深部矿井煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害影响因素众多，发生机理更加复杂，须进行深入研究，建立完备的一体化理论体系，指导预测防治技术的研发与实践。

(3) 深部矿井煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害是可预测的，对钻屑多指标一体化检测、煤体温度监测、煤体电荷监测进行现场应用，划分灾害类型，提高了灾害预测的准确率。

(4) 深部矿井煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害是可防控的，瓦斯抽采、深孔爆破断顶-破煤-断底卸压、煤层注水等一体化防治技术现场应用效果显著，提高了灾害一体化防治的有效性。

(5) 高度认识深部煤炭开采过程中复合动力灾害的复杂性和危害性，采前、采中、采后的整个生产过程中，特别重视复合动力灾害的监控与治理，以确保煤炭资源的安全高效开采。

参考文献：

[1]付建华,程远平.中国煤矿煤与瓦斯突出现状及防治对策[J].采矿与安全工程学报,2007,24(3):253-259.

Fu Jianhua,Cheng Yuanping.Situation of coal and gas outburst in China and control countermeasures[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2007,24(3):253-259.

[2]胡千庭,赵旭生.中国煤与瓦斯突出事故现状及其预防的对策建议[J].矿业安全与环保,2010,39(5):1-6.

Hu Qianting,Zhao Xusheng.Present situation of coal and gas outburst accidents in China’s coal mines and countermeasures and suggestions for their prevention[J].Mining Safety & Environmental Protection,2010,39(5):1-6.

[3]姜耀东,潘一山,姜福兴,等.我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J].煤炭学报,2014,39(2):205-213.

Jiang Yaodong,Pan Yishan,Jiang Fuxing,et al.State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):205-213.

[4]潘一山,李忠华,章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(11):1844-1851.

Pan Yishan,Li Zhonghua,Zhang Mengtao.Distribution，type,mechanism,and prevention of rockburst in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(11):1844-1851.

[5]姜福兴,魏全德,王存文,等.巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析[J].煤炭学报,2014,39(7):1191-1196.

Jiang Fuxing,Wei Quande,Wang Cunwen,et al.Analysis of rock burst mechanism in extra-thick coal seam controlled by huge thick conglomerate and thrust fault[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1191-1196.

[6]闫江伟,张小兵,张子敏.煤与瓦斯突出地质控制机理探讨[J].煤炭学报,2013,38(7):1174-1178.

Yan Jiangwei,Zhang Xiaobing,Zhang Zimin.Research on geological control mechanism of coal-gas outburst[J].Journal of China Coal Society,2013,38(7):1174-1178.

[7]尹光志,赵洪宝,许江,等.煤与瓦斯突出模拟试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(8):1674-1680.

Yin Guangzhi,Zhao Hongbao,Xu Jiang,et al.Experimental study of simulation of coal and gas outburst[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(8):1674-1680.

[8]齐庆新,李晓璐,赵善坤.煤矿冲击地压应力控制理论与实践[J].煤炭科学技术,2013,41(6):1-5.

Qin Qingxin,Li Xiaolu,Zhao Shankun.Theory and practices on stress control of mine pressure bumping[J].Coal Science and Technology,2013,41(6):1-5.

[9]潘俊锋,宁宇,杜涛涛,等.区域大范围防范冲击地压的理论与体系[J].煤炭学报,2012,37(11):1803-1809.

Pan Junfeng,Ning Yu,Du Taotao,et al.The theory and system for preventing rock burst in large-scale areas[J].Journal of China Coal Society,2012,37(11):1803-1809.

[10]姜福兴,杨淑华,成云海,等.煤矿冲击地压的微地震监测研究[J].地球物理学报,2006,49(5):1511-1516.

Jiang Fuxing,Yang Shuhua,Cheng Yunhai,et al.A study on microseismic monitoring of rock burst in coal mine[J].Chinese Journal of Geophysics,2006,49(5):1511-1516.

[11]李忠华.高瓦斯煤层冲击地压发生理论研究及应用[D].阜新:辽宁工程技术大学,2007.

Li Zhonghua.Study on theory and application of high gassy seam rockburst[D].Fuxin:Liaoning Technical University,2007.

[12]张铁岗.平顶山矿区煤与瓦斯突出的预测及防治[J].煤炭学报,2001,26(2):172-177.

Zhang Tiegang.Prediction and control of coal and gas outburst in Pingdingshan Mining Area[J].Journal of China Coal Society 2001,26(2):172-177.

[13]何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803-2812.

He Manchao,Xie Heping,Peng Suping,et al.Study on rock mechanics in deep mining engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(16):2803-2812.

[14]佩图霍夫.预防冲击地压的理论与实践[A].第22届国际采矿安全会议论文集[C].北京:煤炭工业出版社,1987.

[15]章梦涛,徐曾和,潘一山,等.冲击地压和突出的统一失稳理论[J].煤炭学报,1991,16(4):48-53.

Zhang Mengtao,Xu Zenghe,Pan Yishan,et al.A united instabilty theory on coal(rock) burst and outburst[J].Journal of China Coal Society,1991,16(4):48-53.

[16]李铁,蔡美峰,王金安.深部开采冲击地压与瓦斯的相关性探讨[J].煤炭学报,2005,30(5):562-567.

Li Tie,Cai Meifeng,Wang Jin’an.Discussion on relativity between rockburst and gas in deep exploitation[J].Journal of China Coal Society,2005,30(5):562-567.

[17]李铁,梅婷婷,李国旗,等.“三软”煤层冲击地压诱导煤与瓦斯突出力学机制研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(6):1283-1288.

Li Tie,Mei Tingting,Li Guoqi,et al.Mechanism study of coal and gas outburst induced by rockburst in “three-soft” coal seam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(6):1283-1288.

[18]王振,尹光志,胡千庭,等.高瓦斯煤层冲击地压与突出的诱发转化条件研究[J].采矿与安全工程学报,2010,27(4):572-575,580.

Wang Zhen,Yin Guangzhi,Hu Qianting,et al.Inducing and transforming conditions from rockburst to coal-gas outburst in a high gassy coal seam[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2010,27(4):572-575,580.

[19]张福旺,李铁.深部开采复合型煤与瓦斯动力灾害的认识[J].中州煤炭,2009(4):73-76.

Zhang Fuwang,Li Tie.Cognizance on compound dynamic disaster of coal and gas in deep mining[J].Zhongzhou Coal,2009(4):73-76.

[20]潘一山,章梦涛.冲击地压失稳理论的解析分析[J].岩石力学与工程学报,1996,15(S0):504-510.

Pan Yishan,Zhang Mengtao.The exact solution for rockburst in coal mine by unstability rockburst theory[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1996,15(S0):504-510.

[21]潘一山.冲击地压发生和破坏过程研究[D].北京：清华大学,1999.

Pan Yishan.Study on rockburst initiation and failure propagation[D].Beijing:Tsinghua University,1999.

[22]潘一山,罗浩,肖晓春,等.三轴条件下含瓦斯煤力电感应规律的试验研究[J].煤炭学报,2012,37(6):918-922.

Pan Yishan,Luo Hao,Xiao Xiaochun,et al.Experimental study on mechanical-charge induction law of coal containing gas under triaxial compression[J].Journal of China Coal Society,2012,37(6):918-922.

[23]程远平,付建华,俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报,2009,26(2):127-138.

Cheng Yuanping,Fu Jianhua,Yu Qixiang.Development of gas extraction technology in coal mines of China[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2009,26(2):127-138.

[24]袁亮.高瓦斯矿区复杂地质条件安全高效开采关键技术[J].煤炭学报,2006,31(2):174-178.

Yuan Liang.Key technique to high efficiency and safe mining in highly gassy mining area with complex geologic condition[J].Journal of China Coal Society,2006,31(2):174-178.

[25]肖知国,王兆丰.煤层注水防治煤与瓦斯突出机理的研究现状与进展[J].中国安全科学学报,2009,19(10):150-158.

Xiao Zhiguo,Wang Zhaofeng.Status and progress of studies on mechanism of preventing coal and gas outburst by coal seam infusion[J].China Safety Science Journal,2009,19(10):150-158.

[26]章梦涛,宋维源,潘一山.煤层注水预防冲击地压的研究[J].中国安全科学学报,2003,13(10):69-72.

Zhang Mengtao,Song Weiyuan,Pan Yishan.Study on water pouring into coal seam to prevent rock-burst[J].China Safety Science Journal,2003,13(10):69-72.

[27]潘一山,王凯兴,肖永惠.基于摆型波理论的防冲支护设计[J].岩石力学与工程学报,2013,32(8):1537-1543.

Pan Yishan,Wang Kaixing,Xiao Yonghui.Design of anti-scour support based on theory of pendulum-type wave[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(8):1537-1543.

Integrated study on compound dynamic disaster of coal-gas outburst and rockburst

PAN Yi-shan1,2

(1.LiaoningUniversity，Shenyang110136，China； 2.LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Abstract:With the mining depth increase,some mine dynamic disaster shows the characteristics of both coal and gas outburst and rockburst.The two dynamic disasters are mutual coexistence,mutual influence and mutual composite.They are difficult to be defined as a single type of disaster.Thus,in this study,the concept of compound dynamic disaster of coal and gas outburst and rockburst was put forward.The unified mechanism of compound dynamic disaster was revealed,through the integrated theoretical research of compound dynamic disaster.Therefore,the unified criterion of instability was established.The dynamic disasters were divided into four types based on the exiting problems of current dynamic disaster classification.On this basis,for the type of mine compound dynamic disaster,the multi-target integration testing equipment of drilling bits method and the real-time continuous monitoring equipment of coal temperature and coal charge were innovated and developed.Also,the integrated classification and grading prediction technology of compound dynamic disaster were developed.For the mine compound dynamic disaster,the integrated prevention technology of compound dynamic disaster was proposed on the basis of intrinsic gas energy reduction and coal rock elastic energy release,which includes gas extraction,the deep hole blasting pressure relief of roof-coal-bottom breaking,coal seam water injection,et al.

Key words:coal-gas outburst;rockburst;compound dynamic disaster;integration study;unified criterion of instability of disturbance response

中图分类号:TD712;TD324

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2016)01-0105-08

作者简介:潘一山(1964—)，男,辽宁丹东人,教授,博士生导师。E-mail:panyish_cn@sina.com

基金项目:国家自然科学基金面上基金资助项目(11172121，51274114，51374123)

收稿日期:2015-11-29修回日期:2015-12-08责任编辑:韩晋平

潘一山.煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究[J].煤炭学报,2016,41(1):105-112.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9034

Pan Yishan.Integrated study on compound dynamic disaster of coal-gas outburst and rockburst[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):105-112.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9034