随着开采深度的增大，我国中东部煤矿的应力条件、瓦斯条件和开采技术条件发生了显著变化，出现了高原岩地应力、高采动次生应力、高瓦斯吸附压力及含量、低渗透性煤岩体等新的复杂的不利开采环境，加上深部采动岩体力学行为的非线性特征凸显，围岩对开采扰动和外部动力响应的敏感度增加，导致煤、岩、瓦斯动力灾害间相互作用、相互诱导作用明显，灾害形式由单一灾种(瓦斯灾害或冲击地压灾害等)致灾演变为深部多灾种复合成灾及引发次生灾害，造成采煤环境和条件恶化、煤岩与瓦斯等动力灾害成因复杂，突发性和重大工程灾害威胁加重(姜耀东等，2010；张铁岗等，2011； 孙学会等，2011).

2005 年孙家湾发生的“2.14”特大瓦斯爆炸事故、2005 年平煤十二矿“6.29”事故、2007年平煤十矿的“11.12”事故均表现出了冲击地压和煤与瓦斯突出共同作用的特征，多种因素相互交织，在事故孕育、发生、发展过程中可能互为诱因，互相强化，或产生“共振”效应，灾害形式发生了很大的变化，使传统的灾害预测及防治方法难以凑效.与单一的动力源相比，复合型动力灾害发生的门槛可能更低，灾害发生时其强度可能更大、更猛烈(张铁岗等，2011).在一种动力灾害附加动力作用下，它种动力灾害可能超前发动，使得人们疏于防范，易于导致突发性重大灾害事故，对深部开采矿井的生产安全构成重大威胁.新的动力灾害形式给矿山的安全生产技术和管理带来了更大的难度，面临更大的挑战，这也标志着深部矿井的煤炭开采矿井进入了一个新的更加复杂的复合动力灾害阶段.新灾害形式下急需开展致灾机理方面的研究，以便采取有针对性的预测和治理技术. 1 煤岩瓦斯复合动力灾害的研究现状

冲击地压是矿山井巷或者采场周围矿体和围岩由于弹性变形能或承受高压的脆性岩体极限平衡状态被破坏，向自由空间突然释放巨大能量，而产生的以急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象(袁亮等，2010)(下文中提及冲击地压主导的动力灾害，简称冲击)；而煤与瓦斯突出是煤矿中极其复杂 的动力现象，它能在很短的时间内，由煤体向巷道或采场突然喷出大量的瓦斯及碎煤，在煤体中形成特殊的空洞，并形成一定的动力效应，如推倒矿车、破坏支架等；喷出的煤粉可以填充数百米长的巷道，喷出的瓦斯-粉煤流有时带有暴风般的性质，瓦斯可以逆流运行，充满数千米长的巷道(余不凡等，2005)(下文中煤与瓦斯突出主导的动力灾害，简称突出).冲击地压和煤与瓦斯突出都是煤矿动力现象，其国际分类如图 1 所示.国内外学者已经对冲击和突出的致灾条件、致灾机理、灾害预测和防治方法开展了深部研究，并取得了显著的成果.

图 1

图 1 煤矿动力现象国际分类(Dechelette O等，1984) Fig. 1 The international classification of mine dynamic phenomena(Dechelette O， et al，1984)

煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤体抗破坏能力综合作用的观点已经被广泛接受，只不过在不同的灾害类型中，地应力和瓦斯压力对动力现象的贡献程度不同.早在上个世纪二十年代就已经发现冲击地压和矿震等动压诱发煤与瓦斯突出或者瓦斯异常涌出的现象，特别是矿井相继进入深部开采以来逐渐引起学术界的深入研究(姜耀东等，2010；张铁岗等，2011； 孙学会等，2011).

国外开展该方面的记录和理论研究较早.上世纪60年代中期，南非的库克和苏联的霍多特分别提出了冲击地压和突出的能量理论，认为两者都是由于煤岩体破坏而导致(Dechelette O等，1984).冲击地压和突出的发生是由于煤岩体破坏而导致矿体与围岩组织的变形，其力学系统平衡被破坏时，释放的能量大于所消耗的能量，剩余的能量转化为使煤岩抛出、围岩震动的动能.二者不同的是突出有瓦斯作用，因此认为，冲击地压只是忽略或没有瓦斯作用的突出.冲击和突出之间的相对转化关系如图 2所示(中间虚线区域为复合型动力灾害区域).近年来由于国外建设本质安全型矿井的要求和安全理念的改变，冲击和突出等复合动力灾害案例和相关理论的研究成果少了许多，相反国内学者逐渐开始关注冲击地压和瓦斯的相互作用问题.

图 2

图 2 不同主导因素作用下动力灾害类型 Fig. 2 Dynamic disaster type underdifferent dominant factors

国内开展该方面的研究主要集中在灾害案例统计、致灾机理、动力灾害预测和灾害防控技术等.1994-1995年，辽宁省北票台吉煤矿竖井在-870m深度开采期间，井下17次冲击地压和矿震显现中，有6次伴有瓦斯异常涌出现象；2005年的孙家湾“2.14”特大瓦斯爆炸、2007年平煤集团十矿的“11.12”煤与瓦斯突出以及平煤集团十二矿和义煤集团新义煤矿煤与瓦斯突出均属于冲击地压参与下的煤与瓦斯突出；甘肃华煤集团砚北煤矿、山东兖矿集团东滩煤矿、义煤集团千秋煤矿等低瓦斯矿井在2014年3月27日发生冲击后也出现了瓦斯异常涌出超限现象.

在冲击地压与瓦斯突出相互作用方面，(黄弘读等，1999；谈庆明等，1984)从纯力学角度研究了一维含气多孔介质突然卸载渗流特征、突出前兆特征以及膨胀运动，为后来的煤与瓦斯突出和冲击地压机理研究打下了很好的基础.章梦涛等^[9]给出了冲击地压、突出发生的判据，初步建立了关于冲击地压和突出现象的统一失稳理论，提出冲击地压只是忽略或没有瓦斯作用的煤体突出的结论.(李铁等，2004；李铁等， 2005a，b；李铁等， 2007，a，b，c；李铁等，2008；李铁等， 2011a，b；李铁等，2012)提出煤炭深部开采条件下冲击地压与瓦斯密切相关，高压瓦斯气体极有可能参与了冲击地压的孕育，存在一种含气多孔介质和储气构造在开挖卸荷和高压吸附瓦斯解吸膨胀耦合作用下诱发的冲击地压，对冲击地压和煤与瓦斯突出复合型动力灾害的成灾条件、成灾破裂模式和灾害类型开展了初步探索.(潘一山等，2003；潘一山等，2013)对阜新煤田冲击地压与瓦斯关系的研究指出，在高瓦斯矿井，加大瓦斯抽采量，使得煤层中大量瓦斯经解吸、渗流而排出，改变了煤体的物理性质，造成由瓦斯灾害向冲击地压灾害转变，冲击地压的强度和频度均有所增加，并提出适当控制抽采量和加强煤层注水的技术方案来降低冲击地压的危险.(梁铁山，2008)根据平煤十矿“11.12”复合动力灾害事故显现特征，总结出三种致灾模式.(李世愚等， 2003，2004，2006；He XS等，2007)提出建立矿震(冲击地压)与瓦斯突出联合监测和预警系统，是维护矿山安全，减轻矿山灾害的重要途径，并详细阐述了瓦斯流体对矿震的触发作用，尤其超临界流体的特殊性质在矿震发生中的重要作用. 2 煤岩瓦斯复合动力灾害声发射监测的发展动态

材料中局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬态弹性波的现象称为声发射(Acoustic Emission，简称AE)(蒋海昆等， 2000，2009；高保彬，2010).声发射监测技术原理和微震监测技术原理相同，所不同就是频谱范围的差异(如图 3所示).与传统技术相比，微震/声发射定位监测具有远距离、动态、三维、实时监测的特点，还可以根据震源情况进一步分析破裂尺度、强度和性质(Gao BB等，2009；苏承东等，2009；尹陈等，2013).

图 3

图 3 震动波频谱及声发射/微震技术的应用范围Fig. 3 The application range of shock wave spectrum and acoustic emission/microseismic Technology

声发射(AE)技术是研究岩石类材料变形破坏微观机理的重要手段，对研究岩石类材料失稳机制和前兆辨识具有重要意义.声发射是自然界的一种普通现象，地震、锡鸣就是其例，最早观测到的声发射是锡鸣，时间约在公元前2650-前2550年之间.现代声发射技术以20世纪50年代初德国人Kaiser在金属材料中发现著名的Kaiser效应为标志(Gao B B等，2009；苏承东等，2009；尹陈等，2013).

国外关于岩石类材料的声发射特征的研究开展的较早，上世纪50年代前后，美国、前苏联、德国等国家首先应用声发射技术对各种金属矿、煤矿以及隧道工程的安全稳定问题进行监测和预报.60 年代以后，南非、日本、波兰等国家，也都开展了岩石声发射技术的研究工作，研究的内容还扩大到边坡稳定、岩爆等方面.上个世纪60年代，Mogi、 Scholz、Goodman等人开展了系列的岩石类材料失稳破坏过程声发射特征的试验研究，对后人在该方面的研究起到了很好的引领作用(姜福兴等，2003a)；新世纪以来(Alber等，2009)进行了深井长壁工作面微震监测，对长壁工作面顶板破断三种不同特征进行了记录和分析；(Ganne等，2007)对硬脆岩石峰前损伤进行了量化研究，建立了声发射特征参数和微破裂之间的关系；(Cai等，2007)采用声发射特征参数对岩体的力学特征进行了反分析，并采用FLAC/PFC耦合的数值模拟方法对大空间地下开挖工程的声发射事件进行了模拟；(Tsuyoshi等，2001)对4种不同粒度的花岗岩试样进行了水压致裂声发射测试，研究了粒度和不同粘度液体作用下的试验的破裂机制，发现当粒度较大时，以剪切破坏机制占主导，当粒度较小时，以张拉破坏机制占主导.(Cheon等，2011)通过改进AE设备、室内试样破坏标准的建立、边坡监测和数值模拟的技术手段，采用声发射波导技术实时评价了岩质边坡破坏损伤情况，为边坡预警和治理提供了保障.(Tsuyoshi等，2010)为了验证在非均质地层中断层错动孕育动力灾变假说，采用声发射设备观测现场位错试验过程中的声发射震源分布特征，为动力灾变过程的声发射监测提供了理论和案例.(Majewska等，2006；Majewska等，2007a，b)对煤样在瓦斯和二氧化碳吸附与解析过程中的声发射及应变特性进行了研究，认为在瓦斯和二氧化碳吸附解析过程中其声发射与应变特征是有差异的.(Shkuratnik等，2004；Shkuratnik等，2005；Shkuratnik等，2007)在单轴和三轴压缩下分别对煤样的声发射特性进行了研究，对在全应力应变过程中的声发射计数、累计计数及应力与应变的关系进行了分析.

在我国，开展岩石类材料声发射研究的主要集中在脆硬岩石方面，近年来一些学者在具有冲击危险性煤样上相继做了一些工作.(袁瑞甫，2006)通过研究花岗岩带有预制裂纹花岗岩破坏过程声发射事件的定位效果，得出声发射事件的时空分布反映了岩石内部裂隙萌生和扩展规律.(赵兴东等， 2008a，b)通过系列研究，得出不同加载方式不同尺寸岩石及不同岩样破裂失稳过程中声发射特征.(李庶林等，2004)在刚性试验机上开展了单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，给出了岩石破裂过程与声发射参数之间的关系，提出了合理的岩石破坏前兆判据；(刘保县等，2007)对重塑煤样单轴压缩变形损伤及声发射特征进行了研究；(杨永杰等，2006)对煤样进行了单轴压缩条件下的声发射特征进行研究；(王恩元等，2004；窦林名等，2004；巩思园等，2010)的试验研究表明煤岩体受载破裂时，其声发射信号的频谱不是一成不变的，而是随载荷及变形破裂过程而发生变化.(赵毅鑫等，2008)采用声发射技术对煤岩组合体变形破坏前兆信息进行了试验研究，得出了组合煤岩的破裂前兆信息更难以捕捉的结论；(张黎明等，2012)研究了不同应力路径下大理石破坏过程的声发射特性，得出常规三轴和卸围压应力路径下岩石失稳前兆特征；(尚晓吉等，2012)研究了岩石岩爆倾向性与加载过程中声发射特征的关联，建立了不同岩爆倾向岩石加载过程中声发射累积数与应变的定量关系；(XU Shuai等，2012)研究了煤柱破坏过程各应力集中区域失稳破坏规律和声发射特征，认为各应力集中点破坏前声发射的“平静期”是其失稳的前兆模式.(张宗文等，2011)在分析了微震和地音监测技术各自优势的基础上，结合ARAMIS M/E微震监测系统与ARES-5/E地音监测系统在华丰煤矿的应用效果，提出了综合微震和地音监测技术的冲击地压防治方法.(吴贤振等，2011)在单轴加载条件下，根据需要选择声发射累计数、震级-频度关系中的b值变化规律，研究了砂岩岩爆的前兆信息.(纪洪广等，2012)采用三轴压缩试验和声发射试验，研究玲珑金矿二长花岗岩声发射特征与力学参数之间的关系.(贺虎等，2011)提出采用声发射技术预测冲击地压等矿山动力灾害的预测机制、表征方式以及临界指标的确定，并给现场声发射监测技术的应用提出了期望. 3 煤岩瓦斯复合动力灾害微震监测的发展动态

微震现象相比声发射现象具有较早的发现历史，在20世纪30年代末由美国L.阿伯特及W.L.杜瓦尔发现的.20世纪70年代以来，美国矿业局就用标准微震技术研究煤层结构的破坏，同时，采用超声波监测技术来监测岩层响声能量.研究人员利用低频(10~10 kHz)微震技术确定发出突出的时间，按照目前的划分标准，该频段的微震信号应该属于声发射或者地音范畴.目前国内外微震监测技术可以分为三大类：第一类是监测大范围矿区岩层震动为主的系统，监测震动的频率为100 Hz以内，重点是测震，定位精度在100~500 m；第二类以监测工作面周围的岩层震动为主的系统，监测震动频率在200~300 Hz，重点监测岩层破坏，定位精度一般在5~10 m；第三类是检测小范围(如巷道周围)的岩层破裂为主的系统，监测震动频率在300 Hz以上，通常被称为地音系统或者声发射系统，他们的共同特点就是监测范围小，监测精度相对较高.

早在1908年，Mintrop在德国Ruhr煤田的Bochum地区建立的第一个用于矿山观测的台站，20世纪20年底Mainka在波兰的上西里西亚建立了第一个用于矿井监测的地震台网(唐礼忠，2008).目前波兰学者在煤岩动力灾害预测研究和装备技术方面代表当今的领先水平，引进我国的SOS和ARAMIS M/E微震监测系统、ARES-5/E 声发射监测系统等设备的定位精度可达米级；美国矿业局在20世纪40年代就开始提出采用微震法来探测给地下矿井造成严重危害的冲击地压.澳大利亚应用微震监测技术开始于1994年，到了2000年，已经有13个煤矿在使用，并取得了较好的效果，其中澳大利亚科学与工业研究院(CISRO)已经完成了15个煤矿的微震监测，积累了大量的现场经验，为微震监测工作的广泛开展和进一步研究提供了基础.南非和印度的科学家在硬质岩体的岩爆预测代表当今的领先水平.南非学者Mendecki等在定量地震学研究成果的基础上，提出了用平均振动指数SI(SI=EI×log(E))预测矿山某一地区在未来一段时间内发生M_L>2.0较大岩爆的方法，并且将数字地震学技术引入矿山，用监测到的岩体破裂弹性波，求出视在应力、视在体积、能量指数EI、地震应力、地震应变速率、地震黏度、地震松弛时间、地震德贝拉数、地震扩散性和地震施密特数等地震学参数(Mendeeki A J等，1997；Beer W等，1998).根据长期观察积累经验，岩爆预测的成功率达到35%～60%.近来，加拿大ESG和南非ISS等公司开发的高灵敏度地震计在我国矿山得到应用，传感器布设在采矿工作面附近的三维岩体中，传感器密度依据定位精度要求设计，震源定位精度已可达米级，自动化程度较高.设备配置的软件，具备震源机制反演、波谱分析和简单的统计分析功能(唐礼忠，2008).

在国内，1959年北京门头沟用当时的中科院地球物理研究所研制的581微震仪(哈林地震仪改装而成)，监测岩爆活动；20世纪70年代，国内开始用耳机收听或者录音记录岩石声发射频度的便携式地音仪，长沙矿山研究院开发了DYF-1，DYF-2型便携式地音分析仪以及STL-1，STL-12型多通道声发射监测系统，用于矿山微震监测.华丰煤矿在1995年与中国地球物理学会合作设计安装了微震监测系统，通过十来年的连续监测，积累了大量的数据资料.由于煤炭行业市场方面等诸多原因，整个90 年代，我国矿山应用微震法监测和预测冲击和突出等煤岩动力灾害的工作出现了系统性停滞.

2002年后，随着国内煤炭市场行情的好转，在谢和平、姜耀东、何满潮、窦林名、姜福兴、齐庆新、唐春安、潘一山、李铁等学者坚持不懈的科研和推广下，我国在各矿山企业相继建立了20余套微震监测系统，同时在实验室开展了系列微震和声发射规律的研究工作.(李铁等，2004；李铁等， 2005a，b；李铁等， 2007，a；Li T等，2007a，b；李铁等，2008；李铁等， 2011a，b；李铁等，2012)在抚顺老虎台矿建设的数字化矿山微震监测系统上，连续稳定监测了10年余，并开展了冲击地压、矿震、透水、煤与瓦斯突出灾害机理及危险性预测的相关研究.2008年起，与甘肃砚北煤矿、华亭煤矿、山寨煤矿、河南平煤十一矿、淮北海孜煤矿、淮南新庄孜煤矿合作，开展冲击地压危险性、煤与瓦斯突出和岩体破裂失稳监测预测的工程应用研究和实践，取得了良好的效果，冲击地压区域预测准确率大于90%，局部危险性预测准确率接近70%(窦林名等，2001；齐庆新等，2008；陆菜平等，2008；陆菜平等，2010).2003年，新汶华丰矿和徐州三河尖矿与中国地震局地球物理所合作，布设微震监测系统，此后该矿又引进波兰微震设备，定位精度有较大改善.2004年以后，北京科技大学姜福兴自主研发一套微震监测系统，陆续装备在国内一些煤矿，开展了爆破地震波传播规律、采场空间结构及应力场、冲击地压、覆岩导水裂隙带、突水监测等研究(姜福兴等，2002；姜福兴等，2003b；成云海等，2006；姜福兴等，2007；姜福兴等，2008)；辽宁工程技术大学潘一山自主研发的微震监测系统，陆续装备在国内一些煤矿，开展了监测结果可视化等研究(芦东平等，2008)；大连理工大学唐春安等引进加拿大ESG 高精度微震监测系统，开展了边坡微震监测系统及其工程应用、矿山灾害救援、煤与瓦斯突出和冲击地压预测等研究(焦明若等，2003)；中国矿业大学窦林名团队引进波兰SOS高精度微震监测系统，开展了顶板岩层破断诱发矿震的频谱特征、工作面过褶曲时微震活动规律、坚硬顶板诱发煤体冲击破坏的微震效应、监测台网优化布设、煤岩冲击前兆微震频谱演变规律、岩土介质中冲击震动波传播规律等研究；煤炭科学研究总院齐庆新团队引进波兰ARAMIS 高精度微震监测系统和ARES-5/E 地音监测系统，开展了冲击矿压危险源及其层次化辨识等研究；河南理工大学高保彬在霍州煤电集团李雅庄煤矿建立了SOS微震监测系统，开展了高应力高瓦斯条件下孤岛工作面动力灾害的监测工作(高保彬等，2011). 4 开展声发射/微震监测煤岩瓦斯复合动力灾害研究的科学意义及应用前景

目前，关于冲击地压或者煤与瓦斯突出的致灾机理研究成果都没有给出模式化的本构方程，其机理分析仍然停留在假说阶段，复合动力灾害的致灾机理研究更是刚刚起步.在新的灾害条件和灾害类型下，来自工程实践的动力灾害的预测、预报和预警就显得尤为重要.

传统的冲击和突出的预测方法具有局部性、静态性、间断性和滞后性的特点，需要新技术的引入.经过国内外专家、工程技术人员多年的实践证明，微震理论和技术与矿山岩体采动(扰动)下的应力应变特征相结合，是补充和完善传统理论和技术的较好选择，将大大推动深部岩体力学的发展.声发射和微震设备和技术正在深部矿山岩体力学领域不断得到应用，证明了该技术正在被国内外行内工程技术和科学研究人员接受.

众多学者的声发射试验、数值试验和工程监测表明，煤岩材料属于典型的非均质弹塑性体，在能量积聚到一定量发生主破裂失稳前，灾变过程要经历微小破裂萌生→扩展→集结和从无序到有序的发展过程.该发展过程的声发射特征并不直观，且离散型很大，特别是失稳前兆特征缺少规律性，急需将各统一的参量运用数理统计、分形几何学和图像动力学等方法分析和提取能够比对的声发射信息.

矿山动力灾害发生的实质就是采掘活动导致煤岩体快速破裂失稳的灾变过程.微震技术用于煤岩瓦斯复合动力灾害孕育过程的监测和灾变前兆辨识，极大的开阔了考察采动(扰动)煤岩体变形与损伤的视野，为深入理解煤岩瓦斯复合动力灾害致灾机理提供了新的途径.利用微震监测设备，结合传统的接触式的应力、变形、钻屑量、瓦斯放散初速度、瓦斯压力和瓦斯含量测量方法，形成煤岩动力过程的多信号相应机理和时空相应规律，形成煤岩瓦斯复合动力灾变的分级预测预警体系.该研究具有重要的科学意义和广泛的工程应用前景.

致 谢 感谢审稿专家和编辑部的大力支持.