煤礦采空區(qū)地震安全防護的若干問題

魏曉剛　麻鳳?！t　戴君武

摘要：針對煤礦采空區(qū)地下巖體結(jié)構(gòu)的地震安全防護不足的問題，分別從煤礦采空區(qū)災(zāi)害的特征與危害、煤礦采空區(qū)的形成與基本特點及煤礦采空區(qū)失穩(wěn)破壞的基本模式等方面深入研究煤礦采空區(qū)場地可能導(dǎo)致的次生災(zāi)害。通過分析煤礦采空區(qū)地下巖體結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變的相關(guān)研究成果，總結(jié)煤礦采空區(qū)地震安全防護所涉及的關(guān)鍵安全問題，揭示地震作用下煤礦采空區(qū)的場地穩(wěn)定性與地下巖體結(jié)構(gòu)安全防護迫切需要解決的技術(shù)難題，為采煤沉陷區(qū)工程建設(shè)及地震安全防護提供參考。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū)；地震災(zāi)變；巖體結(jié)構(gòu)；地震荷載；采煤沉陷；巖層移動

中圖分類號：TU4 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）01-0151-08

0 引言

目前中國由于煤炭資源的過度開采，形成了數(shù)量相當可觀的煤礦采空區(qū)（群）（何滿潮，錢七虎，2010；李連濟，2005）。河北省邯鄲市礦區(qū)由于煤炭的資源過度開采（已經(jīng)累計開采煤炭約1.2億t），所形成的煤礦采空區(qū)的面積約43.72km²（邯鄲市的面積為1.2萬km²）；遼寧省阜新市礦區(qū)地下煤炭資源累計開采出1.2億t，所形成的無任何處理措施的煤礦采空區(qū)面積為77.18km²（阜新市的面積為10445km²）；山西省由于煤炭資源開采所形成的煤礦采空區(qū)已經(jīng)達到20000km²，約占山西省土地面積的1/8（山西省的面積為156699km²）；根據(jù)《中國煤炭城市采空塌陷災(zāi)害及防治對策研究》（李連濟，2005）可知：截至2007年，煤礦采空區(qū)發(fā)生塌陷沉陷的面積已經(jīng)遠遠超過了70萬km²，由此所造成的經(jīng)濟損失大約500億元，并且目前煤礦采空區(qū)還以94km²/a的速度發(fā)生塌陷沉陷。煤礦采空區(qū)失穩(wěn)現(xiàn)象非常容易造成重大的災(zāi)害性事件，在中國，各大礦區(qū)由于采空區(qū)所造成的各種災(zāi)難性的事件也屢見不鮮（何滿潮，錢七虎，2010；李連濟，2005；劉書賢等，2013；張彥賓，2012；言志信等，2013；吳啟紅，2010；劉剛，2011；唐禮忠等，2012）。

2007年8月29日，陜西省神木縣孫家岔鎮(zhèn)的邊不拉煤礦采空區(qū)由于坍塌引發(fā)3.3級地震，造成了大量的礦區(qū)建筑倒塌破壞。2010年12月28日23時18分，陜西省榆林市神木縣煤礦采空區(qū)的突然沉陷坍塌引發(fā)3.0級地震，煤礦采空區(qū)附近的居民建筑出現(xiàn)了裂縫破壞現(xiàn)象。2012年9月7日11時19分，云南省昭通市彝良與貴州省畢節(jié)地區(qū)威寧彝族回族苗族自治縣交界的煤礦采空區(qū)發(fā)生了5.7級地震。

中國企業(yè)報（2012）以《彝良地震之痛：奪命煤礦采空區(qū)》為題，報道了該地區(qū)農(nóng)民自建房屋95%以上都不具備抗震的條件，煤礦企業(yè)開采形成的煤礦采空區(qū)，更加劇了地震的破壞性，造成大量的村民無家可歸。2014年3月19日，中央電視臺以《消失的黑洞》報道了徐州礦務(wù)局煤礦采空區(qū)所造成的土地荒漠化、建筑損傷破壞等現(xiàn)象，指出了煤礦采空區(qū)是各種災(zāi)難衍生的黑洞。2014年10月24日，新疆東方金盛工貿(mào)公司沙溝煤礦的采空區(qū)在其綜采工作面附近出現(xiàn)了頂板大面積冒頂破壞現(xiàn)象，造成了煤礦采空區(qū)巖層中大量有毒有害氣體逸出，造成了16名煤礦工人窒息死亡。以上災(zāi)害案例說明了煤礦采空區(qū)的工程場地安全問題迫在眉睫，亟需解決。

隨著土地資源的日益緊張及工程建設(shè)的迅猛發(fā)展，各類基礎(chǔ)設(shè)施不可避免地要建立在煤礦采空區(qū)場地上，但是煤礦采空區(qū)場地穩(wěn)定性是否滿足建造建筑物的條件值得商榷，并且煤礦采空區(qū)巖層移動變形導(dǎo)致地表塌陷以及地面建筑損傷倒塌現(xiàn)象異常嚴峻（張彥賓，2012；言志信等，2013；魏曉剛，2015b）。煤層開采過程中不可避免的要面臨各種擾動荷載的動力破壞效應(yīng)，但礦山建設(shè)設(shè)計中較少考慮地震等各種動力災(zāi)害對礦區(qū)地下工程結(jié)構(gòu)的影響及破壞。

我國有80%以上的礦區(qū)處于強地震區(qū)，但卻沒有專門細致化的礦山地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法及抗震設(shè)計規(guī)范標準，地震作用下煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性、巷道結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)、采空區(qū)與地面建筑動力響應(yīng)的相互影響問題是研究煤礦采空區(qū)的地震安全不可回避的重要問題（魏曉剛等，2015a，b）。礦區(qū)實際震害表明：煤礦采空區(qū)屬于抗震不利的場地，在地震時可能會加劇原有的地表變形，甚至產(chǎn)生較大的震陷（魏曉剛等，2015a，b）。

中國的礦區(qū)煤田多處于抗震設(shè)防區(qū)域，而目前對于煤礦地下工程結(jié)構(gòu)卻沒有相應(yīng)的抗震設(shè)計規(guī)范，并且土木工程領(lǐng)域的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）也沒有針對于地下巷道結(jié)構(gòu)專門的條款。煤礦采空區(qū)的存在，對于地面建筑是一個極大的潛在威脅：由于煤礦開采引起的地表移動變形，不僅會嚴重降低和破壞建筑物的抗震性能，而且發(fā)生地震時地面極易出現(xiàn)裂縫和塌陷（吳啟紅，2010；劉剛，2011；唐禮忠等，2012）。為了最大限度地保證地震發(fā)生時煤礦巷道結(jié)構(gòu)和地面建筑的安全性，有必要對煤礦采空區(qū)的地震安全性開展研究，為了保證地下采空巷道和地表建筑在地震作用下不被破壞，最大程度地保護人民的生命安全，有必要對地震波作用下煤礦采空區(qū)的安全問題進行研究。

1 煤礦采空區(qū)的形成及基本特點

20世紀初期，由于礦山開采機械化程度較低，主要依賴于人力開采礦山資源。人力開采初期由于挖掘強度低，所形成的采空區(qū)體積較小，采空區(qū)周圍的圍巖的穩(wěn)定性保持較好，基本上不需要對采空區(qū)進行支護充填處理。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和成熟，礦山機械化程度越來越高，礦山開采工藝（空場法采礦、留礦法、崩落法等）也逐漸得到推廣（何國清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強，2004），大大提高了礦區(qū)礦山資源的開采能力。雖然高效成熟的開采工藝開采出了大量的礦山資源，獲得了可觀的經(jīng)濟效益，但是卻為礦區(qū)留下了大量的安全隱患。

煤礦開采的過程中通常把礦山資源分為礦柱與礦房，隨著采煤工作面的不斷推進，會在一定的距離內(nèi)設(shè)置一些礦柱（或者采用人工支柱）來作為巷道頂板的豎向傳力途徑。但是隨著開采強度的增大和采煤工作面的持續(xù)推進，采空區(qū)（的體積）會越來越多（大）。開采后的礦區(qū)千瘡百孔，猶如蜂窩一樣。如果采空區(qū)足夠多，發(fā)生連通現(xiàn)象則容易形成采空區(qū)群，此時采空區(qū)的穩(wěn)定性非常差，容易發(fā)生各種礦山安全事故（表1）。

地下巷道結(jié)構(gòu)周圍的巖石屬于脆性材料，其穩(wěn)定性具有明顯的突變性和時效性。地下巖石在外界擾動荷載（地震、礦震、機械擾動、地下水等）作用下，會發(fā)生崩解、粉碎等現(xiàn)象，導(dǎo)致煤礦采空區(qū)形狀改變，并與臨近的采空區(qū)相互貫通，形成更大的采空區(qū)群。采空區(qū)群是由各種不同性質(zhì)的采空所構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特點如下（何國清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強，2004）：

（1）形狀（態(tài)）各異：由于礦區(qū)巖體內(nèi)部天然缺陷（裂隙、節(jié)理、斷層、弱面）的存在，加之煤礦采空區(qū)所處的環(huán)境條件復(fù)雜，導(dǎo)致其自然形態(tài)各異。由于巖體大小不同，礦山資源開采后所形成的采空區(qū)的形態(tài)也各有不同；隨著資源的不斷采出，采空區(qū)的數(shù)量、面積和體積也隨之增大，擴大了采空區(qū)（群）。采空區(qū)（群）的空間幾何形狀與礦山資源的分布情況密切相關(guān)，故其失穩(wěn)災(zāi)變特點也是和采空區(qū)（群）的自身形狀（態(tài)）密切相關(guān)的。

（2）空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜：采空區(qū)（群）如同蜂窩一樣復(fù)雜，并且極其不規(guī)則。由于巖體結(jié)構(gòu)存在幾何缺陷，加之爆破開采、鑿巖開采、機械開采等各種開采施工工藝的精度不高，巖體弱面大量存在于采空區(qū)的邊界，各種不同功能的巷道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的排列組合方式，由此導(dǎo)致采空區(qū)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性加劇。

（3）動態(tài)演化：由于采空區(qū)的巖層失去支撐，加之巖層的流變特性以及采空區(qū)充填不及時，在外界各種擾動荷載（爆破荷載、機械施工荷載、地震、礦震）以及各種應(yīng)力（構(gòu)造應(yīng)力、地應(yīng)力）的影響下，采空區(qū)時刻與周圍的圍巖發(fā)生物理、化學(xué)、生物作用，導(dǎo)致采空區(qū)的空間結(jié)構(gòu)和形態(tài)處于時刻變化之中，由此引起的失穩(wěn)災(zāi)變也顯得較為復(fù)雜。

2 煤礦采空區(qū)失穩(wěn)破壞的基本模式

煤礦采空區(qū)頂板失穩(wěn)破壞會嚴重影響煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性與安全性，而煤礦采空區(qū)的失穩(wěn)破壞與頂板的破壞模式密切相關(guān)，煤礦采空區(qū)的失穩(wěn)本質(zhì)上就是由頂板破壞引起的，不同的頂板破壞模式所引起的煤礦采空區(qū)失穩(wěn)破壞形式不一樣。從頂板破壞到煤礦采空區(qū)的失穩(wěn)，最終會引起嚴重的礦山災(zāi)害，會造成巨大的經(jīng)濟損失，嚴重影響了礦山工程建設(shè)的安全持續(xù)進行。

頂板破壞模式（何國清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強，2004）是指隨著礦山資源的開采，巷道上方的頂板成為懸挑結(jié)構(gòu)，在上覆巖層的自重及其他次生災(zāi)害應(yīng)力的多重作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞的方式。不同煤礦采空區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件不同，其失穩(wěn)破壞模式也各不相同。分析總結(jié)煤礦采空區(qū)頂板破壞失穩(wěn)現(xiàn)象，頂板的破壞模式主要可以分為：拱形冒落、離層垮冒、折斷垮落、沿斷層破碎帶抽冒、楔形冒落、其它不規(guī)則方式的冒落（何國清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強，2004）。

（1）拱形冒落：頂板產(chǎn)生拱形冒落破壞主要是因為頂板的巖體多為破碎狀或者塊狀，其結(jié)構(gòu)缺陷較大，內(nèi)部節(jié)理發(fā)育明顯，存在大量節(jié)理裂隙，嚴重降低了巖體的強度，削弱其承載能力；頂板巖體在自重作用下，會不斷產(chǎn)生冒落現(xiàn)象并形成拱形。

（2）離層垮冒：當頂板為層狀巖體（層狀巖體屬于強度低的巖石）且跨度較大時，頂板巖層多厚度低且質(zhì)軟。雖然層狀巖體的單層連續(xù)性好，但是巖層之間結(jié)合力差，在巖層自重應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力等外界力的作用下，頂板巖層會出現(xiàn)拉裂分層離析，頂板不同巖層（直接頂板與老頂）之間會分離，并產(chǎn)生彎曲變形破壞。一旦頂板彎曲變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其極限抗拉強度時，巖體會被拉斷破裂并向煤礦采空區(qū)方向垮冒，即發(fā)生了頂板的離層垮冒現(xiàn)象。

（3）折斷垮落：如果頂板巖層的整體性較好、強度較低、中等厚度，有斷層破碎帶存在，且垂直于礦山資源，在進行煤炭開采時容易在斷層破碎帶發(fā)生抽冒現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道頂板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，在上覆巖層的重力作用下，懸臂梁結(jié)構(gòu)形式的頂板容易在其垂直方向和水平方向上產(chǎn)生折斷垮落破壞現(xiàn)象。

（4）沿斷層破碎帶抽冒：如果頂板結(jié)構(gòu)存在傾角較大、厚度較厚的斷層破碎帶，則容易在頂板結(jié)構(gòu)的斷層破碎帶處發(fā)生抽冒破壞現(xiàn)象。如果頂板厚度較小，且斷層破碎帶垂直礦體，當斷層破碎帶抽冒之后，頂板結(jié)構(gòu)體系會出現(xiàn)折斷垮冒破壞現(xiàn)象。

（5）楔形冒落：當頂板的巖體強度較低、厚度不大，且存在著與頂板夾角較小的多條斷層破碎帶時，由于頂板被斷層切割成結(jié)構(gòu)弱面，形成了楔形體的結(jié)構(gòu)。在巖體的重力作用下，頂板結(jié)構(gòu)容易發(fā)生折斷垮冒破壞現(xiàn)象。如果頂板中存在多個斷層破碎帶（或結(jié)構(gòu)弱面），則容易形成多個棱柱（錐）形狀的巖體，此時在自重荷載的作用下，棱柱（錐）形狀的巖體容易發(fā)生冒落現(xiàn)象。

（6）其它不規(guī)則方式的冒落：當頂板的厚度較小，不存在斷層破碎帶以及結(jié)構(gòu)弱面時，或者頂板的巖體形狀主要為塊狀、破碎狀、層狀（被黏結(jié)強度低的節(jié)理裂隙切割）時，頂板破壞容易出現(xiàn)不規(guī)則的破壞形式，此時頂板的破壞模式主要取決于局部巖體質(zhì)量、物理力學(xué)特性以及巖體的裂隙分布情況。

3 煤礦采空區(qū)穩(wěn)定的影響因素

煤礦采空區(qū)所造成的次生災(zāi)害主要體現(xiàn)在（何國清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強，2004）：①在煤炭開采的過程中，采場的圍巖受到擾動荷載的作用后裂隙發(fā)育，容易形成貫通地表的裂縫，或者是與原有的老空區(qū)相連通形成通路，為礦區(qū)巷道的突水事故埋下了隱患，極易造成巨大的經(jīng)濟損失；②煤礦采空區(qū)遺留大量的礦柱，在發(fā)生蠕變變形、損傷破壞后，容易引起頂板冒落、巖層移動（圖1），巖層的移動變形發(fā)展到地面則導(dǎo)致煤礦采空區(qū)地表開裂、沉陷和塌陷，影響礦區(qū)土地和建筑的正常使用。

煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性是一個涉及多載體、多影響因素耦合的復(fù)雜大尺寸空間的平衡問題，影響其穩(wěn)定性因素主要有（何國清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強，2004）：結(jié)構(gòu)體系因素、地質(zhì)采礦因素和擾動荷載因素。

（1）結(jié)構(gòu)體系因素主要是指采空區(qū)自身結(jié)構(gòu)體系、上覆巖層的結(jié)構(gòu)體系以及周圍地質(zhì)構(gòu)造等諸多影響因素（何國清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強，2004），主要涉及到：①采空區(qū)的形態(tài)（采空區(qū)空間形狀、大小、高度、埋藏深度和頂板暴露面積）、煤層的物理性質(zhì)（埋深、厚度、傾角等）；②上覆巖層的物理力學(xué)性質(zhì)（巖層的密度、泊松比、彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角以及抗壓、抗拉強度等）、厚度、賦存狀態(tài)等；③采場場地的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等周圍地質(zhì)構(gòu)造。

（2）地質(zhì)采礦因素（何國清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強，2004）主要是指在煤礦開采過程中所涉及到的煤層開采方法、開采面積、開采次數(shù)、頂板管理方法以及采空區(qū)地層中的斷層、褶皺和結(jié)構(gòu)面等因素。

（3）擾動荷載因素（何國清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強，2004）則主要是指各種不可預(yù)測的影響采空區(qū)穩(wěn)定性的動荷載（地震、巖爆、礦震、爆破、煤與瓦斯突出等沖擊荷載、機械振動以及交通運輸荷載引起的振動等），擾動荷載的大小、類型和位置對采空區(qū)穩(wěn)定性影響極大。

煤礦采空區(qū)發(fā)生失穩(wěn)災(zāi)變坍塌的影響因素較多，其失穩(wěn)災(zāi)變機理以及影響因素目前尚不明晰。而目前對于煤礦采空區(qū)失穩(wěn)現(xiàn)象多關(guān)注于由于靜力荷載作用下（巖層自重）的采空區(qū)失穩(wěn)現(xiàn)象，而對于擾動荷載因素影響下煤礦采空區(qū)的失穩(wěn)演化則相對較少。筆者針對地震作用下煤礦采空區(qū)的動力失穩(wěn)現(xiàn)象與建筑安全問題進行探討，立足于煤礦采空區(qū)的4大特征（效應(yīng)）：大尺度特征（效應(yīng)）、時間特征（效應(yīng)）、動力特征（效應(yīng)）和環(huán)境安全特征（效應(yīng)），對煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了研究。

4 煤礦采空區(qū)地下巖體結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變的研究進展

劉剛（2011）研究了礦區(qū)條帶開采后所形成的煤柱在靜力荷載及動力荷載作用下的穩(wěn)定性，重點分析了不同地震波作用下煤柱的動力失穩(wěn)演化過程，所取得的研究成果對于提高煤礦采空區(qū)條帶煤柱抵抗動荷載的穩(wěn)定性具有較好的借鑒意見；唐禮忠等（2012）通過有限差分數(shù)值分析軟件FLAC3D研究爆破地震波對煤礦采空區(qū)及充填后的采空區(qū)圍巖的破壞作用，研究結(jié)果表明爆炸地震波作用下煤礦采空區(qū)圍巖的塑性變形及位移增加，對煤礦采空區(qū)進行填充后可有效控制煤礦采空區(qū)及圍巖的動力響應(yīng)；呂濤（2008）基于溪洛渡水電站的工程背景，通過對比分析地震作用下二維和三維地下洞室模型的動力響應(yīng)，建立了地下洞室的地震安全評價方法，與地下洞室的其他地震評價方法相比較，該評價方法的評價結(jié)果是偏于安全的；張玉敏（2010）通過巖石的動三軸力學(xué)試驗得到巖石的損傷本構(gòu)方程，在此基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件FLAC3D系統(tǒng)研究了地震作用下水電站的地下洞室群動力響應(yīng)規(guī)律及特征，指出地震波的頻譜特征、自振周期巖體的物理力學(xué)性能對地下洞室群的內(nèi)力（加速度、位移、應(yīng)力等）響應(yīng)影響較大；谷寧（2011）通過有限元數(shù)值計算軟件對靜力荷載和動力荷載分別作用下水電站的地下廠房洞室結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)的研究，利用強度折減方法分析了地震作用下地下洞室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并得到了地下洞室結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，可以為溪洛渡水電站左岸地下洞室群的地震穩(wěn)定性分析提供參考和借鑒；汪海波（2013）基于小波包變換理論，采用Matlab數(shù)值計算軟件對鉆眼爆破法產(chǎn)生的爆破地震波的組成進行了分析，并分析爆破動荷載作用下煤礦巷道結(jié)構(gòu)及支護結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力響應(yīng)，提出了控制爆破地震動的災(zāi)害能量的方法，對于控制災(zāi)害爆破能量對煤礦巷道結(jié)構(gòu)及支護結(jié)構(gòu)的破壞具有較好的借鑒意義；張彥賓（2012）基于突變理論建立了條帶煤柱在動靜載荷組合作用下的突變力學(xué)判據(jù)，指出了在外力擾動荷載作用下條帶煤柱的失穩(wěn)條件以及影響條帶煤柱穩(wěn)定性的各種影響因素，在此基礎(chǔ)上利用有限元數(shù)值計算軟件FLAC3D分析了地震作用下條帶煤柱的動力穩(wěn)定性，為條帶煤柱的設(shè)計提供了新的設(shè)計建議；言志信等（2012）基于工程結(jié)構(gòu)波動理論，利用莫爾一庫侖強度準則研究了地震作用下巖體的動力響應(yīng)，得到了巖體地震動力破壞的影響因素，初步得到了水平地震作用下巖體的破壞機理；崔臻等（2013）系統(tǒng)分析總結(jié)了地震作用下地下洞室的動力響應(yīng)及動力災(zāi)變的重要問題，并根據(jù)國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)于地下洞室的地震動力災(zāi)變的相關(guān)研究進展進行了深入的分析與總結(jié)，指出了地下洞室（群）研究未來的發(fā)展方向以及需要解決的關(guān)鍵問題，可以為地震作用下地下洞室（群）結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)與災(zāi)變相關(guān)研究提供參考和借鑒。

礦區(qū)巷道地下結(jié)構(gòu)與一般的隧道結(jié)構(gòu)、水電站地下洞室結(jié)構(gòu)有所區(qū)別（吳啟紅，2010；劉剛，2011；唐禮忠等，2012；魏曉剛，2015b；呂濤，2008；張玉敏，2010；谷寧，2011；汪海波，2013；張彥賓，2012；言志信等，2013；崔臻等，2013；趙寶友，2009；曹安業(yè)，2009；王國波等，2014；呂祥鋒，2014；趙同彬等；2014；王書文等，2012；中國地震局工程力學(xué)研究所，1978），因為煤炭開采過程中在地層所產(chǎn)生（遺留）的大面積的、縱橫分布的煤礦采空區(qū)域是孕育各種礦山動力災(zāi)害的不可忽略和輕視的隱患。礦區(qū)地下巷道結(jié)構(gòu)的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，加之圍巖在采礦活動影響下發(fā)生了一定程度的損傷破裂現(xiàn)象，在上覆巖層的影響下地下煤礦巷道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)發(fā)生了較大的變化。地下煤炭開采過程中會在礦區(qū)的地層中形成大量的、縱橫交錯的煤礦采空區(qū)及地下結(jié)構(gòu)，如果礦區(qū)地下工程結(jié)構(gòu)的幾何尺寸遠遠小于地震波的波長時，地下結(jié)構(gòu)的存在對地震波的傳播及地表動力響應(yīng)的影響較小（胡聿賢，2006）。如果礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與地震波的波長處于同一數(shù)量級別的時候，煤礦采空區(qū)則對地表地震動力響應(yīng)以及地震波的傳播產(chǎn)生較大的影響。目前礦山動力災(zāi)害的發(fā)生除了人為因素之外，其動力災(zāi)變的孕育、演化過程及致災(zāi)機理尚不明晰，無法采取切實有效的方法預(yù)測礦山動力災(zāi)害是重要的原因之一（魏曉剛，2015b）。

綜上可知，外力擾動荷載作用下煤礦采動區(qū)孕育次生災(zāi)害發(fā)生的機理尚不明晰是導(dǎo)致礦山采空區(qū)各種災(zāi)難性事故發(fā)生的重要原因之一；加之中國礦區(qū)多采用機械化的采煤技術(shù)，開采過程中容易引起采場圍巖結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)力場變化劇烈，容易引起高應(yīng)力集中現(xiàn)象；并且國內(nèi)外專家學(xué)者對于擾動荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波誘發(fā)煤礦采空區(qū)次生災(zāi)害的機制認識不夠充分（張曉明等，2013；崔臻等，2012；黃勝，2010；魏曉剛等，2015a），煤礦采空區(qū)引發(fā)的次生災(zāi)害控制相對較難，所以研究擾動荷載作用下煤礦采空區(qū)及圍巖結(jié)構(gòu)體系的成災(zāi)過程、動力響應(yīng)的演化過程是保證煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。

5 煤礦采空區(qū)地震安全防護所涉及的關(guān)鍵安全問題

煤礦采空區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)體系涉及煤柱、巷道結(jié)構(gòu)、頂板、底板、圍巖介質(zhì)以及整體的巖體結(jié)構(gòu)體系等（何國清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強，2004），煤礦采空區(qū)與其他的地下巖體結(jié)構(gòu)都面臨著地震破壞的威脅（胡聿賢，2006）；并且在煤層開采過程中不可避免的面臨各種擾動荷載（巖爆、礦震、爆破、煤與瓦斯突出、地震、重載車輛等）的動力破壞效應(yīng)，但前期的礦山建設(shè)設(shè)計中較少考慮地震等各種動力災(zāi)害荷載對礦區(qū)地下工程結(jié)構(gòu)的破壞影響（吳啟紅，2010；劉剛，2011；唐禮忠等，2012；魏曉剛，2015b；呂濤，2008；張玉敏，2010；谷寧，2011；汪海波，2013；張彥賓，2012；言志信等，2013；崔臻等，2013；趙寶友，2009；曹安業(yè)，2009；王國波等，2014；呂祥鋒，2014；趙同彬等；2014；王書文等，2012；中國地震局工程力學(xué)研究所，1978）?；诖?，對礦區(qū)巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)體系地震動力響應(yīng)的研究，需要重點對地震災(zāi)害荷載作用下煤礦采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)、應(yīng)力場演化規(guī)律進行關(guān)注，尤其是探討地震災(zāi)害荷載對煤礦采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)安全性能的影響，是迫切需要開展的研究工作。目前煤礦采動裂隙巖體的地震動力災(zāi)變有以下幾個問題需要解決：

（1）高強度開采下巖體移動破斷及地層塌陷災(zāi)變發(fā)生過程中的能量耗散遷移。從災(zāi)變演化過程人手，研究煤炭開采擾動過程中采場巖層的能量轉(zhuǎn)移、吸收與耗散機理和分布規(guī)律，建立基于應(yīng)力、位移和能量的控制指標的變位分配原理。針對分配指標，建立多步驟、分階段的控制理論，區(qū)別性地優(yōu)化和提高細部與整體的安全性，達到量化安全控制的目的。從應(yīng)力、位移、能量3個指標來分析高強度開采下巖體移動破斷及地層塌陷的災(zāi)變機制，建立煤礦采動覆巖移動變形破斷的力學(xué)模型及能量方程，推導(dǎo)煤礦采空區(qū)上覆巖層破斷坍塌的判據(jù)，研究高強度開采過程中采場巖層的應(yīng)力場分布、能量演化與移動變形的關(guān)系，建立起合理的高強度開采下巖體移動破斷及地層塌陷災(zāi)變演化中所涉及到的能量耗散遷移。

（2）煤礦采空區(qū)固體密實充填材料介質(zhì)的選擇及其工作力學(xué)性能。煤礦采空區(qū)充填材料的選取，需要考慮其來源、力學(xué)性能（尤其是充填碎矸體力學(xué)特性）、密實度、經(jīng)濟性、便捷性及環(huán)境污染，同時也需要深入探討充填介質(zhì)材料、上覆巖層、煤柱以及支護結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同作用機理，建立煤礦采空區(qū)充填復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)體系的數(shù)學(xué)幾何關(guān)系、力學(xué)特性以及時空關(guān)系，為研究考慮充填效應(yīng)的煤礦采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)體系（復(fù)雜支撐體系）的強度、剛度、變形特性及抗震性能提供參考和奠定理論基礎(chǔ)。

（3）地震災(zāi)害荷載作用下裂隙巖體的損傷破壞機制及能量運移（演化）規(guī)律?；谄趽p傷試驗測試、損傷識別方法和有限元數(shù)值計算試驗，初步探索裂隙幾何特性（節(jié)理傾角、間距等）和地震荷載特性（振幅、持續(xù)時間、加載頻率等）對裂隙巖體一般動力學(xué)性質(zhì)及疲勞損傷性質(zhì)的影響機制與變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，深入研究動態(tài)循環(huán)荷載作用下裂隙巖體介質(zhì)的應(yīng)變率特性、疲勞損傷特性和它們之間的耦合特性，揭示裂隙巖體地震往復(fù)荷載作用下的疲勞損傷規(guī)律與破壞機制；考慮結(jié)構(gòu)面、地應(yīng)力等因素對煤礦采動裂隙巖體動力特性的影響，建立裂隙巖體非線性動力特性及動強度參數(shù)的計算方法，基于能量理論建立巖體非線性動態(tài)本構(gòu)關(guān)系；從應(yīng)力調(diào)整→轉(zhuǎn)移、能量聚集→傳遞→釋放角度出發(fā)，研究動力擾動荷載作用下不同結(jié)構(gòu)的裂隙巖體應(yīng)力轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)化的過程中，其圍巖結(jié)構(gòu)的演化（出現(xiàn)分區(qū)破裂化等現(xiàn)象）、災(zāi)害的孕育演化致災(zāi)的機制、特征和規(guī)律，提出災(zāi)害孕育演化理論模型和災(zāi)害發(fā)生的應(yīng)力、能量判據(jù)。

（4）煤礦采動裂隙巖體的采動損傷及強震作用下震裂損傷的評估及測定?；跀嗔蚜W(xué)、損傷力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、耗散結(jié)構(gòu)與能量理論，建立外力擾動災(zāi)變荷載（煤礦采動、地震）作用下巖體力學(xué)行為結(jié)構(gòu)控制和應(yīng)力控制轉(zhuǎn)化的應(yīng)力判據(jù)以及巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力協(xié)同控制裂隙巖體行為的準則，基于能量耗散理論搭建采動損傷及震裂損傷的橋梁；深入探討開采擾動下（地震作用下）裂隙巖體結(jié)構(gòu)圍巖應(yīng)力場的調(diào)整、轉(zhuǎn)移機制；建立裂隙巖體結(jié)構(gòu)災(zāi)變演化過程中的應(yīng)力調(diào)整和轉(zhuǎn)移的理論分析模型，提出合理的開挖強卸荷載影響下不同圍巖介質(zhì)的應(yīng)力場演化（擾動、轉(zhuǎn)移、傳遞和釋放）過程分析方法。

建立地震作用下煤礦采空區(qū)失事概率演化模型，提出地震作用下煤礦采空區(qū)失事的動態(tài)風險評估方法，提出基于全生命周期性能演化的煤礦采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)與場地設(shè)計、監(jiān)測預(yù)警以及安全控制的理論與方法，完善全生命周期煤礦采動破斷巖體微破裂實時監(jiān)測與評估技術(shù)。

（5）考慮充填體的煤礦采動裂隙（破碎）巖體的耗能減隔震性能，防控煤礦采空區(qū)的動力失穩(wěn)研究。建立地震作用下考慮擾動荷載效應(yīng)的煤礦巷道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)方程及巖體內(nèi)地震波傳播的波動方程，探討地震波作用于巖體時應(yīng)力波性質(zhì)的改變；重點分析地震波在考慮充填效應(yīng)的煤礦采空區(qū)圍巖介質(zhì)與充填材料不同介質(zhì)之間的傳播衰減特性，深入探討充填后煤礦采空區(qū)的地震動力穩(wěn)定性的條件，以期得到煤礦采空區(qū)的地震動力穩(wěn)定性的影響因素、地表動力響應(yīng)以及煤礦采空區(qū)應(yīng)力場演化特性。