超高壓水射流“橫切縱斷”防治復合煤巖動力災害技術

易恩兵，張永將

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000; 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037; 3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著我國煤礦深井高地應力、高瓦斯壓力煤炭高強度開采，不可避免的伴隨沖擊地壓、煤與瓦斯突出復合煤巖動力災害發生[1-5]。目前已有的高壓水射流切割松軟煤體技術主要是針對煤與瓦斯突出、沖擊地壓單一動力災害防治方面的研究[6-10]，同時低壓水射流切割高硬度沖擊地壓煤層，切割縫槽寬度及半徑較小，切割效果差。因此需要研究防治復合煤巖動力災害超高壓水射流成套工藝技術，即100 MPa超高壓水射流切割煤體和頂板，減弱遠、近場載荷應力及瓦斯壓力，減弱沖擊地壓、煤與瓦斯突出復合災害的發生。

針對復合煤巖瓦斯動力災害發生機理，以往學者已開展大量研究工作，如竇林名等[2,11]提出了動靜載疊加誘發高靜載、強動載和低臨界應力3種類型動力災害原理，構建適用于煤巖瓦斯復合型災害的監測預警指標體系。高壓水射流防治瓦斯突出災害的研究如盧義玉等[12]利用自激振蕩脈沖水射流在煤層中割縫，增加煤層透氣性，提高瓦斯解吸率，縮短石門揭煤時間;張建國等[13]開發了將鉆機鉆進與射流割縫技術有機結合的穿層鉆孔高壓旋轉水射流割縫增透防突技術，水射流壓力低于50 MPa，數值模擬研究了鉆孔和射流縫槽卸壓效果。另有學者[14-18]利用高壓水射流鉆孔切縫研究了提高松軟煤層瓦斯抽采率方面的技術難題，水射流增透技術是改造煤體結構的有效途徑。

然而，目前針對復合動力災害的機理及監測預警技術研究較多，而缺乏有效成套的防治技術體系;國內普通高壓水射流防治煤與瓦斯突出單一動力災害雖然有一定效果，但存在水射流切割煤體壓力低、切割速度慢，加砂水射流操作工藝復雜、易堵孔等問題;目前國內外40 MPa水射流切割預裂頂板是預先借助機械刀具切割頂板形成縫槽，再退鉆封孔壓裂頂板，因操作工藝復雜，刀具易損壞，壓裂厚層堅硬頂板成功率低等原因缺乏推廣應用。因此，需要研發超高壓(100 MPa)水射流切割煤巖體成套技術，直接切割煤巖體一體化防治復合煤巖瓦斯動力災害。筆者采用理論分析、數值分析、實驗等綜合研究手段，研發100 MPa超高壓水射流切割煤巖體工藝技術，該技術操作工藝簡單，切割速度快，切割縫槽深，并應用到新集二礦220108工作面復合煤巖動力災害防治實踐。

本工程計劃只為某部門服務的工程投資由該部門承擔，同時為兩個或兩個以上部門服務的工程投資由各受益部門之間進行分攤［6］。

1 超高壓水射流切割煤巖體機制

針對100 MPa超高壓水射流切割煤巖體過程中，射流對接觸點表面在極短時間內產生沖擊作用(圖1)，對接觸區域煤巖介質進行切削擾動，隨著射流的沖擊，使煤巖體內部產生剪切應力和拉伸應力[19]，同時沖擊作用會在接觸面產生壓縮-拉伸作用，加速煤巖體內部裂紋產生與擴展，促使煤巖體沿軸向和徑向發生破壞。

圖1 超高壓水射流切割煤巖體機制示意Fig.1 Sketch of ultra-high pressure water jet cutting coal and rock mass

在超高壓水射流沖擊作用下，煤巖體發生損傷預裂破壞，微裂紋在水射流沖擊力作用下發生二次擴展，并最終形成宏觀破壞。此時煤巖介質體處于單向拉應力狀態，σ1=σ3=0，σ2=σ>0(受拉)。微裂紋擴展所需達到的臨界應力[20]為

(1)

其中，σ1為煤巖介質所受最大主應力;σ2為煤巖介質所受中間主應力;σ3為煤巖介質所受最小主應力;σ為煤巖介質所受主應力;σc為微裂紋擴展臨界應力;a0為初始微裂紋半徑;KIC為煤巖體斷裂因子的臨界值。在臨界應力作用下微裂紋的擴展長度為

(2)

式中，c為微裂紋擴展總長度，c=au+l，au為微裂紋平均半徑;σw為微裂紋擴展臨界應力;σu為初始損傷區域內煤巖抗拉強度。將c=au+l代入式(2)得

1.在選擇制造元件的時候，必須要選擇質量過硬的產品。質量好的產品能夠在最大程度上減少繼電設備故障發生的概率，對不合格的元件要堅決抵制。

(3)

SSR分子標記研究的必要前提和技術難點是引物開發。本研究基于廣西地不容轉錄組測序數據開發SSR引物，比傳統SSR標記開發和從全基因組開發引物成本低、周期短、難度低，又較EST-SSR可提供更多的信息。但是，由于真核生物轉錄本中存在內含子剪切，導致SSR引物無法結合上全基因組DNA，因而需對引物進行嚴格的篩選和檢驗。本研究中從設計的50對引物中最終篩選得到10對多態性較高的引物。

(4)

由以上分析可知，在超高壓水射流破煤巖過程中，主要是由沖擊動載產生的剪切、拉伸應力綜合作用導致煤巖體發生破壞。隨著射流對煤巖體切割速度的劇烈變化，沖擊載荷分布復雜[20]，最初極短時間內的切割效應使煤巖體處于壓縮狀態，隨切割壓力的急劇下降，高度壓縮狀態煤巖迅速卸壓形成拉伸載荷，當卸載產生的拉伸應力超過煤巖自身強度極限時破裂。當射流沖擊載荷不斷增大，高壓水順著沖擊裂紋傳播并在裂紋尖端產生應力集中，削弱煤巖整體強度，卸壓增滲，最終同自由面貫通使煤巖碎塊從煤巖體表面整體脫離。

老板娘還沒等我把話說完，就急切地說：“哪有這么巧的事情？好端端的衣柜，怎么早不散架，晚不散架，偏偏一抬到他周二家門口的時候就散架了哩？他周二當時也不仔細想想，他只撿了兩塊木板拿在手里敲了敲，木板‘空空空’地響，他當真就稀里糊涂地認定是衣柜的料不好，硬不相信那有什么不吉利的兆頭。”

2 超高壓水射流防治復合煤巖動力災害原理

復合動力災害發生的原理是在復合載荷共同作用下煤巖體的組合應力超過其極限承載強度從而發生急劇破壞[2]。

如圖2所示，復合煤巖瓦斯動力災害發生的主要影響因素為煤巖體中的近場應力、厚層堅硬頂板突然斷裂產生的遠場動載應力和煤巖體中賦存的瓦斯壓力，3者共同作用下誘發復合災害發生。超高壓水射流“橫切縱斷”技術，“橫切”是指從煤層賦存層位水平方向上切割煤層卸壓增透，“縱斷”是指從煤層頂板垂直方向上切割預裂堅硬厚層頂板，改變煤層與頂板結構的同時，降低煤巖體的應力值和瓦斯壓力值。“橫切縱斷”技術就是切割煤體降低近場應力、瓦斯壓力，切割預裂堅硬厚層頂板降低遠場礦震動載荷，防止復合載荷共同作用下的煤巖瓦斯動力災害發生。誘發復合煤巖動力災害發生的應力條件為

σs+σd+σg≥σbmin

(5)

式中,σs為煤巖體近場靜載應力;σd為遠場動載應力;σg瓦斯壓力;σbmin為發生動力災害時的臨界應力。

[7]they allocate an extra packer=>the allocation of an extra packer

圖2 采動區復合應力誘發動力災害示意Fig.2 Schematic diagram of composite stress-induced dynamic disaster in mining area

由式(5)可知，超高壓水射流切割煤巖體可減弱采掘空間的近場載荷、瓦斯壓力載荷、遠場高能量礦震載荷，使3者疊加后的載荷大幅降低，不超過煤巖體發生動力災害時的臨界載荷，減弱復合煤巖動力災害發生率，即超高壓水射流防治復合煤巖動力災害原理，如圖3所示。

煤體不同切縫間距模擬最大主應力如圖6所示，切縫后鉆孔周圍卸壓效果明顯，隨著切縫間距增大，拉剪塑性區范圍增大，卸壓空間范圍增大。切縫間距為1 m時，卸壓范圍為6 m;切縫間距為2 m時，卸壓范圍為8.5 m;切縫間距為3 m時，卸壓范圍為7.9 m。

圖3 超高壓水射流減弱復合動力災害模型示意Fig.3 Schematic diagram of composite dynamic disaster model weakened by ultra-high pressure water jet

針對頂板切割的難題，選取不同的射流壓力，對配比強度類似頂板強度的試塊進行切割實驗。實驗射流壓力為70 MPa，噴嘴直徑2.5 mm，鉆桿旋轉速度60 r/min，割縫時間為10 min，割縫寬度3～5 cm，割縫深度為56 cm;當射流壓力為80 MPa，噴嘴直徑2.5 mm，鉆桿旋轉速度60 r/min，割縫時間為10 min時，割縫寬度3～6 cm，割縫深度為74 cm。割縫效果如圖4所示。

3 超高壓水射流切縫實驗

為實驗研究超高壓水射流對煤巖體的切割破碎合理工藝參數，試塊由相似模擬材料配比制成的水泥試塊(0.5 m×0.5 m×0.5 m)代替，水泥試塊強度經物理力學參數實測與井下煤體和頂板的強度近似，實驗配比參數見表1。

表1 煤巖材料配比參數Table 1 Proportioning parameters of coal and rock materials kg

超高壓水射流實驗系統，額定工作壓力100 MPa，電機功率250 kW，最高工作壓力水射流流量為132 L/min，鉆桿旋轉速度60 r/min。當選用直徑小于2.5 mm的噴嘴進行射流實驗時，高壓水射流霧化嚴重，切割能力大大減弱，當選用直徑2.5 mm的噴嘴切割時，達到較好的切割效果。實驗得到高壓水射流切割煤層的工藝參數:切割壓力70～100 MPa(根據煤層堅固性系數f值不同，選擇不同的割縫壓力)，噴嘴直徑2.5 mm，鉆桿旋轉速度60 r/min，單刀割縫時間為8 min。

煤巖體滲透性方面，超高壓水射流切割煤體過程中，煤體受到遠場動載應力影響，與自身的近場靜載應力、瓦斯壓力疊加，煤體中的應力出現升高、降低循環轉移過程，煤體內脆性破壞裂隙面的數目、裂隙面相互貫通聯接及張開的程度都相應提高，切割縫槽周邊煤體發生屈服損傷破壞，煤體滲透率增大。同時，超高壓水射流在孔底水楔作用下滲入到縫槽遠處的煤層中，促使壓實的煤體產生松動，形成新的裂隙通道，煤層透氣性得到提高。滲透性提高的煤體中可解析游離態瓦斯沿切割縫槽迅速釋放，負壓抽采條件下，瓦斯抽采濃度、抽采純量大幅提高，降低瓦斯參與的動力災害程度。

圖4 70，80 MPa射流壓力割縫深度Fig.4 Slotting depth under 70 MPa and 80 MPa water jet pressure

當射流壓力為90 MPa，噴嘴直徑2.5 mm，鉆桿旋轉速度60 r/min，割縫寬度3～6 cm，割縫深度為124 cm;當射流壓力為100 MPa，噴嘴直徑2.5 mm，割縫時間為10 min，割縫寬度3～6 cm，割縫深度為152 cm。割縫效果如圖5所示。

圖5 90，100 MPa射流壓力割縫深度Fig.5 Slotting depth under 90 MPa and 100 MPa water jet pressure

超高壓水射流切割頂板巖層工藝參數為:切縫壓力100 MPa，鉆桿旋轉速度60 r/min，噴嘴直徑2.5 mm，單刀割縫時間為10 min。

4 超高壓水射流切煤巖數值分析

為了得到超高壓水射流鉆孔之間及鉆孔內部切割的工藝參數，結合實驗室測試結果，根據現場試驗地點中煤集團新集二礦2201采區220108工作面1上煤層賦存條件及煤巖體參數，采用FLAC3D，Comsol，UDEC軟件建立高壓水射流孔內切割間距及鉆孔切縫間距數值模型，煤巖物理力學參數見表2，煤的抗壓強度為12.5 MPa，煤的抗拉強度為0.83 MPa，煤基質的彈性模量為8 139 MPa，煤體骨架體積模量為10 335 MPa，初始裂隙孔隙率為0.012，甲烷的摩爾質量為0.016 kg/mol。分析煤體切縫鉆孔的煤體應力變化、割縫抽采效果、頂板弱化卸壓效果，結合實驗優化確定高壓水射流橫切煤層及縱斷頂板合理工藝參數，為井下工業性試驗提供依據。

4.1 鉆孔內不同切縫間距分析

在政府強制推動的粗放發展模式之下，信用合作社與合作金庫內部資金積累薄弱，信用合作社被時人稱為“合借社”，合作金庫股金也主要為國家行局所認購的提倡股，據合作事業管理局收集之全國410所合作金庫股本情況看，除云南省外，全國合作金庫股金構成中，合作社股占比僅11.8%，提倡股占比88.3%。個別省份提倡股比例可達95%以上。[15]合作金庫與信用合作社幾乎成為國家行局合作貸款的轉貸機構。

表2 煤巖層物理力學參數Table 2 Mechanical parameters of strata

圖6 不同切縫間距的最大主應力分布Fig.6 Maximum principal stress distribution with different distance between drillholes

當割縫間距增加到3.5 m時，鉆孔內切割縫槽周圍主應力分布范圍逐漸分離，鉆孔內重新出現應力集中現象，鉆孔內卸壓范圍不再增大。鉆孔內切割間距越小，切割縫槽周圍卸壓越充分，但是割縫工程量大，考慮經濟效益，滿足卸壓增透的前提下，鉆孔內割縫間距應在2 m時最優。

5.1.2縱斷頂板方案

4.2 不同鉆孔間距切縫分析

如圖8所示，當鉆孔間距為6～10 m時，割縫鉆孔之間的應力降低明顯，當割縫間距為12 m時，切割煤體后，鉆孔之間的應力高達30 MPa，應力集中系數高達1.8，未達到卸壓效果。綜合考慮煤體順層鉆孔工程量，切割鉆孔間距為8 m最優。

圖8 不同割縫間距鉆孔之間的應力分布Fig.8 Stress distribution diagram between bores with different slits

綜上分析，初步得到煤體鉆孔內切縫間距應為2 m;根據煤體硬度不同，切縫壓力70～100 MPa均可，切縫壓力越大，卸壓范圍越大。煤體切縫順層長鉆孔間距為8 m最優。

根據確定的橫切煤層工藝參數，在220108工作面運輸巷選取1～50號為割縫考察鉆孔，鉆孔間距8 m;在距割縫區域80 m處，設計51～175號未割縫鉆孔，如圖11所示。

4.3 切割弱化頂板分析

5.1.1橫切煤層方案

圖9 不同鉆孔切割間距頂板應力分布Fig.9 Stress distribution diagram of different drilling cutting distance of coal seam roof

圖10 切割預裂后頂板均勻垮落效果Fig.10 Effect of even roof collapse after cutting and pre-cracking

當切割間距為18 m時，從開切眼開始至工作面后方80 m產生了較大的應力峰值，最大值高達40 MPa，而工作面后方80 m范圍內基本沒有應力恢復點，說明頂板產生了大面積懸空，切頂效果不理想。當切割間距為11 m時，工作面后方每隔20 m左右存在應力恢復的峰值，且應力增長緩慢，說明切頂后頂板呈小范圍均勻垮落。高壓水射流切割頂板巖體切縫壓力為100 MPa最佳，單刀切縫時間10 min，切割鉆孔間距為11 m。數值分析結合實驗綜合確定新集二礦220108工作面橫切煤層參數:鉆孔內割縫間距2 m、割縫壓力70～100 MPa、鉆桿旋轉速度60 r/min、割縫鉆孔間距8 m、單刀切縫時間8 min;縱斷頂板參數:鉆孔內切割間距2 m，切縫壓力100 MPa，鉆桿旋轉速度60 r/min，切縫鉆孔間距11 m，單刀切縫時間10 min。研究獲得的工藝參數可為新集二礦220108工作面橫切煤層縱斷頂板復合災害防治實踐提供依據。

5 復合動力災害防治實踐

試驗點中煤新集二礦220108工作面位于二水平西翼2201采區，工作面埋深566～646 m，走向長1 280 m，面長205 m，所采1上煤層傾角3°～8°，平均5°，煤厚3.4 m，煤層上方賦存厚度26.6 m的砂巖。

220108工作面實測1上煤層原始瓦斯壓力最大為1.65 MPa，1上煤層為突出煤層。實測1上煤層動態破壞時間為348 ms，彈性能指數為3.21，沖擊能指數為3.07，單軸抗壓強度為13.47 MPa。同時1上煤層上方約為26 m厚的砂巖頂板，實測砂巖頂板彎曲能量指數為63.3 kJ，試驗區220108工作面煤層及其頂板均具有弱沖擊傾向性，工作面具備發生突出、沖擊地壓復合煤巖動力災害的條件。

5.1 超高壓水射流切割煤層及頂板方案

綜合分析試驗地點來壓步距等地質條件，建立頂板鉆孔切割間距為11 m和18 m兩個模型。切割弱化頂板后，頂板應力曲線如圖9所示，頂板均勻垮落效果如圖10所示。

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再次，盡心地精細讀。許多經典名著，其寫作背景或事件的發生有著深厚的歷史背景，在缺乏指導的情況下，要想理解其深刻的主題，對于中學生來講，難度較大，在一定程度上影響了學生的閱讀興趣；即使他們能勉強閱讀，也只能是讀些皮毛，讀明白了字詞句的表面意思，理解不了主題和深遠的意義。由此可見，學生只有愛閱讀、學會讀，盡興地讀，盡情地讀，盡心地讀，才能使學生在閱讀中拓展思維空間，拓寬知識視野。

圖11 220108工作面橫切煤層示意Fig.11 High pressure water jet cross-cutting coal seam schematic of 220108 working face

通過對比瓦斯抽采效果驗證割縫效果，進而形成橫切煤層工藝技術消除煤與瓦斯突出災害。用帶有高壓密封鉆桿的鉆機施工煤層順層鉆孔80 m，鉆孔深部60 m煤段采取旋轉切割模式，孔內每間隔3 m割1刀，單刀割縫時間8 min，單孔割縫時間為2.0～3.5 h，平均單孔割縫時間3 h，鉆孔周邊形成一定寬度和高度的橢圓縫槽空間。鉆孔淺部20～5 m煤段采取橫切煤層方式，使鉆孔兩側煤體形成一定寬度和高度的扁平卸壓抽采縫槽，鉆孔最淺部5 m煤段考慮到巷道支護等條件不予割縫。

如圖7所示，當鉆孔內割縫間距為1,2,3 m時，割縫卸壓抽采后瓦斯壓力明顯降低，瓦斯壓力基本小于0.74 MPa，同時滲透性增大，抽采效果較好。當鉆孔內割縫間距為3.5 m時，瓦斯壓力仍大于0.74 MPa，卸壓抽采后未能有效消除突出災害，綜上分析，切縫間距分布在2 m時，鉆孔內切縫效果最佳。

根據確定的切割頂板工藝參數結合220108工作面頂板砂巖覆存地質條件，在220108工作面運輸巷和軌道巷施工上向穿層鉆孔，鉆孔終孔位置控制到1上煤層上方堅硬厚層砂巖頂板厚度的2/3處，每組4個鉆孔，如圖12所示。

建筑工程項目施工安全管理掙值法的4個安全績效評價指標為：安全保障水平偏差指標、安全成本值偏差指標、安全保障水平績效指標、安全成本績效指標。其計算式如(4)～(7)所示。

圖12 220108工作面縱斷頂板示意Fig.12 High pressure water jet cutting top plate schematic of 220108 working face

采用獲得的超高水射流切割頂板工藝參數結合試驗區采掘地質條件，對堅硬厚層砂巖進行旋轉切割，鉆孔間距11 m，鉆孔內間隔2 m切割1次，單刀切割時間10 min。

壓板式止水結構型式是在伸縮縫兩側預埋螺栓，通過螺母緊固力壓緊、壓勻鋼板，將止水帶固定。通過分析，止水接觸面滲漏通道有止水與混凝土基面間不密實形成滲漏通道、止水與壓板間不密實形成滲漏通道。

美術教學，應建立在情感促動的過程中，這是最能體現其審美教育本質的一個特征。美術教師應努力去追求和創造，使美術教育成為真正美育意義上的一種教育。通過創設情境，發展情趣，培養情感，美術教學不僅是讓學生掌握繪畫的技能，技巧，畫出幾幅圖畫，更重要的是要挖掘學生的美術潛能，激發對美術的學習興趣，培養學生對藝術美的感受，表現和創造。

5.2 復合災害防治效果

5.2.1橫切煤層防治效果分析

220108工作面運輸巷50個順層割縫鉆孔，每個鉆孔內割縫15～20刀，平均排水量58～72 L/min，割縫后形成縫槽半徑經計算為2.30～2.56 m，卸壓增透空間顯著，經測試原始透氣性系數為0.038 61 m2/(MPa2·d)，切縫后測得1上煤層透氣性系數為1.158 3 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數比原始煤層透氣性提高近30倍。

從圖13中可看出，割縫鉆孔單孔平均抽采純量最大為0.28 m3/min，最小為0.15 m3/min，平均為0.19 m3/min;未割縫鉆孔單孔平均抽采純量最大為0.10 m3/min，最小為0.02 m3/min，平均為0.059 m3/min。單孔平均抽采純量割縫鉆孔是未割鉆孔的3.5倍，采用超高壓水力割縫后鉆孔工程量減少60%，抽采達標時間縮短38%。

經現場實測試驗區殘余瓦斯壓力為0.25 MPa，煤體兩幫布置鉆孔應力計實測割縫區域煤體支承壓力為16.5 MPa，未割縫區域支承壓力為25.4 MPa，降低35%，煤體卸壓效果明顯。

圖13 割縫鉆孔與未割鉆孔單孔平均抽采純量變化曲線Fig.13 Variation of gas drainage of drillholes that has high pressure water jet and thas do not

5.2.2縱斷頂板防治效果分析

如圖14所示，未切割頂板區域頂板來壓表現為分段式突然來壓，回采過程中懸頂，頂板突然斷裂導致液壓支架工作阻力由12.5 MPa陡升至39.5 MPa，工作面液壓支架和兩巷超前支護單體載荷明顯增大。采取高壓水射流切割預裂頂板區域，未出現大面積懸頂，頂板緩慢均勻垮落，支架工作阻力大部分分布在20～25 MPa，礦壓顯現緩和，表明超高壓水射流切割預裂砂巖頂板效果顯著。

2)用無人機防治稻飛虱等病蟲害會出現藥水量不足，噴霧難以噴施到水稻莖稈基部，應注意定期人工巡查，進行有效防治。

圖14 220108工作面回采液壓支架工作阻力曲線Fig.14 Mining hydraulic support working resistance curve of 220108 working face

6 結 論

(1)復合煤巖動力災害是近場靜載應力、遠場厚層堅硬頂板急劇垮落誘發的動載應力及瓦斯壓力共同誘發，超高壓水射流橫切煤層、縱斷頂板技術可降低煤巖體中的應力、瓦斯壓力，減弱復合煤巖動力災害的發生。

(2)地面實驗結合數值分析獲得了高壓水射流橫切煤層、縱斷頂板合理工藝技術參數:切割壓力為70～100 MPa，鉆孔內切割間距2 m，射流噴嘴直徑2.5 mm，單刀切割時間為8～10 min;切割煤體抽采瓦斯純量提高3.5倍，有效抽采瓦斯時間縮短38%，切割弱化堅硬厚層頂板，工作面液壓支架工作阻力分布在20～25 MPa，厚層堅硬頂板均勻垮落，未出現高能量遠場動載荷沖擊采場現象。

(3)高壓水射流切割煤巖體較大范圍改變煤體及厚層堅硬頂板的圍巖裂隙狀態，滲透率增大，增加煤體中瓦斯解析自由面，提高瓦斯抽采率，高效抽出瓦斯防治煤與瓦斯突出災害，同時切割預裂堅硬厚層頂板，弱化頂板圍巖，避免大面積懸頂突然垮落誘發動載荷沖擊，有效提高煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害一體化災害防治。