魏曉剛　麻鳳?！t　戴君武

摘要：針對(duì)煤礦采空區(qū)地下巖體結(jié)構(gòu)的地震安全防護(hù)不足的問(wèn)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(diǎn)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(chǎng)地可能導(dǎo)致的次生災(zāi)害。通過(guò)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(hù)所涉及的關(guān)鍵安全問(wèn)題，揭示地震作用下煤礦采空區(qū)的場(chǎng)地穩(wěn)定性與地下巖體結(jié)構(gòu)安全防護(hù)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(hù)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(dòng)

中圖分類號(hào)：TU4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）01-0151-08

0 引言

目前中國(guó)由于煤炭資源的過(guò)度開采，形成了數(shù)量相當(dāng)可觀的煤礦采空區(qū)（群）（何滿潮，錢七虎，2010；李連濟(jì)，2005）。河北省邯鄲市礦區(qū)由于煤炭的資源過(guò)度開采（已經(jīng)累計(jì)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(wàn)km²）；遼寧省阜新市礦區(qū)地下煤炭資源累計(jì)開采出1.2億t，所形成的無(wú)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(dá)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(guó)煤炭城市采空塌陷災(zāi)害及防治對(duì)策研究》（李連濟(jì)，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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了70萬(wàn)km²，由此所造成的經(jīng)濟(jì)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(guó)，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(jiàn)不鮮（何滿潮，錢七虎，2010；李連濟(jì)，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(jí)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(shí)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(jí)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(shí)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(jí)地震。

中國(guó)企業(yè)報(bào)（2012）以《彝良地震之痛：奪命煤礦采空區(qū)》為題，報(bào)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(wú)家可歸。2014年3月19日，中央電視臺(tái)以《消失的黑洞》報(bào)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(shuō)明了煤礦采空區(qū)的工程場(chǎng)地安全問(wèn)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(chǎng)地上，但是煤礦采空區(qū)場(chǎng)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(dòng)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(yán)峻（張彥賓，2012；言志信等，2013；魏曉剛，2015b）。煤層開采過(guò)程中不可避免的要面臨各種擾動(dòng)荷載的動(dòng)力破壞效應(yīng)，但礦山建設(shè)設(shè)計(jì)中較少考慮地震等各種動(dòng)力災(zāi)害對(duì)礦區(qū)地下工程結(jié)構(gòu)的影響及破壞。

我國(guó)有80%以上的礦區(qū)處于強(qiáng)地震區(qū)，但卻沒(méi)有專門細(xì)致化的礦山地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法及抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，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(dòng)力響應(yīng)的相互影響問(wèn)題是研究煤礦采空區(qū)的地震安全不可回避的重要問(wèn)題（魏曉剛等，2015a，b）。礦區(qū)實(shí)際震害表明：煤礦采空區(qū)屬于抗震不利的場(chǎng)地，在地震時(shí)可能會(huì)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(guó)的礦區(qū)煤田多處于抗震設(shè)防區(qū)域，而目前對(duì)于煤礦地下工程結(jié)構(gòu)卻沒(méi)有相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，并且土木工程領(lǐng)域的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）也沒(méi)有針對(duì)于地下巷道結(jié)構(gòu)專門的條款。煤礦采空區(qū)的存在，對(duì)于地面建筑是一個(gè)極大的潛在威脅：由于煤礦開采引起的地表移動(dòng)變形，不僅會(huì)嚴(yán)重降低和破壞建筑物的抗震性能，而且發(fā)生地震時(shí)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(shí)煤礦巷道結(jié)構(gòu)和地面建筑的安全性，有必要對(duì)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(hù)人民的生命安全，有必要對(duì)地震波作用下煤礦采空區(qū)的安全問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 煤礦采空區(qū)的形成及基本特點(diǎn)

20世紀(jì)初期，由于礦山開采機(jī)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(qiáng)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(duì)采空區(qū)進(jìn)行支護(hù)充填處理。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和成熟，礦山機(jī)械化程度越來(lái)越高，礦山開采工藝（空?qǐng)龇ú傻V、留礦法、崩落法等）也逐漸得到推廣（何國(guó)清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強(qiáng)，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(jì)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(guò)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(jìn)，會(huì)在一定的距離內(nèi)設(shè)置一些礦柱（或者采用人工支柱）來(lái)作為巷道頂板的豎向傳力途徑。但是隨著開采強(qiáng)度的增大和采煤工作面的持續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)（的體積）會(huì)越來(lái)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(shí)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(shí)效性。地下巖石在外界擾動(dòng)荷載（地震、礦震、機(jī)械擾動(dòng)、地下水等）作用下，會(huì)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(diǎn)如下（何國(guó)清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強(qiáng)，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(kuò)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(diǎn)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(jī)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(dòng)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(shí)，在外界各種擾動(dòng)荷載（爆破荷載、機(jī)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(shí)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(shí)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(huì)嚴(yán)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(huì)引起嚴(yán)重的礦山災(zāi)害，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了礦山工程建設(shè)的安全持續(xù)進(jìn)行。

頂板破壞模式（何國(guó)清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強(qiáng)，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?cái)鄬悠扑閹С槊啊⑿ㄐ蚊奥?、其它不?guī)則方式的冒落（何國(guó)清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強(qiáng)，2004）。

（1）拱形冒落：頂板產(chǎn)生拱形冒落破壞主要是因?yàn)轫敯宓膸r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(yán)重降低了巖體的強(qiáng)度，削弱其承載能力；頂板巖體在自重作用下，會(huì)不斷產(chǎn)生冒落現(xiàn)象并形成拱形。

（2）離層垮冒：當(dāng)頂板為層狀巖體（層狀巖體屬于強(qiáng)度低的巖石）且跨度較大時(shí)，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(huì)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(huì)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(guò)其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖體會(huì)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(qiáng)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(jìn)行煤炭開采時(shí)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?cái)鄬悠扑閹С槊埃喝绻敯褰Y(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(dāng)斷層破碎帶抽冒之后，頂板結(jié)構(gòu)體系會(huì)出現(xiàn)折斷垮冒破壞現(xiàn)象。

（5）楔形冒落：當(dāng)頂板的巖體強(qiáng)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(shí)，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(gè)斷層破碎帶（或結(jié)構(gòu)弱面），則容易形成多個(gè)棱柱（錐）形狀的巖體，此時(shí)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(dāng)頂板的厚度較小，不存在斷層破碎帶以及結(jié)構(gòu)弱面時(shí)，或者頂板的巖體形狀主要為塊狀、破碎狀、層狀（被黏結(jié)強(qiáng)度低的節(jié)理裂隙切割）時(shí)，頂板破壞容易出現(xiàn)不規(guī)則的破壞形式，此時(shí)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(guó)清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強(qiáng)，2004）：①在煤炭開采的過(guò)程中，采場(chǎng)的圍巖受到擾動(dòng)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(jì)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(dòng)（圖1），巖層的移動(dòng)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(gè)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(wèn)題，影響其穩(wěn)定性因素主要有（何國(guó)清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強(qiáng)，2004）：結(jié)構(gòu)體系因素、地質(zhì)采礦因素和擾動(dòng)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(guó)清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強(qiáng)，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(qiáng)度等）、厚度、賦存狀態(tài)等；③采場(chǎng)場(chǎng)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(guó)清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強(qiáng)，2004）主要是指在煤礦開采過(guò)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(dòng)荷載因素（何國(guó)清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強(qiáng)，2004）則主要是指各種不可預(yù)測(cè)的影響采空區(qū)穩(wěn)定性的動(dòng)荷載（地震、巖爆、礦震、爆破、煤與瓦斯突出等沖擊荷載、機(jī)械振動(dòng)以及交通運(yùn)輸荷載引起的振動(dòng)等），擾動(dòng)荷載的大小、類型和位置對(duì)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(jī)理以及影響因素目前尚不明晰。而目前對(duì)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(duì)于擾動(dòng)荷載因素影響下煤礦采空區(qū)的失穩(wěn)演化則相對(duì)較少。筆者針對(duì)地震作用下煤礦采空區(qū)的動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象與建筑安全問(wèn)題進(jìn)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(shí)間特征（效應(yīng)）、動(dòng)力特征（效應(yīng)）和環(huán)境安全特征（效應(yīng)），對(duì)煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)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(jìn)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(dòng)力荷載作用下的穩(wěn)定性，重點(diǎn)分析了不同地震波作用下煤柱的動(dòng)力失穩(wěn)演化過(guò)程，所取得的研究成果對(duì)于提高煤礦采空區(qū)條帶煤柱抵抗動(dòng)荷載的穩(wěn)定性具有較好的借鑒意見(jiàn)；唐禮忠等（2012）通過(guò)有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件FLAC3D研究爆破地震波對(duì)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(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行填充后可有效控制煤礦采空區(qū)及圍巖的動(dòng)力響應(yīng)；呂濤（2008）基于溪洛渡水電站的工程背景，通過(guò)對(duì)比分析地震作用下二維和三維地下洞室模型的動(dòng)力響應(yīng)，建立了地下洞室的地震安全評(píng)價(jià)方法，與地下洞室的其他地震評(píng)價(jià)方法相比較，該評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果是偏于安全的；張玉敏（2010）通過(guò)巖石的動(dòng)三軸力學(xué)試驗(yàn)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(dòng)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(duì)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(guò)有限元數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)靜力荷載和動(dòng)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(qiáng)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(jì)算軟件對(duì)鉆眼爆破法產(chǎn)生的爆破地震波的組成進(jìn)行了分析，并分析爆破動(dòng)荷載作用下煤礦巷道結(jié)構(gòu)及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力響應(yīng)，提出了控制爆破地震動(dòng)的災(zāi)害能量的方法，對(duì)于控制災(zāi)害爆破能量對(duì)煤礦巷道結(jié)構(gòu)及支護(hù)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(dòng)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(dòng)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(jì)算軟件FLAC3D分析了地震作用下條帶煤柱的動(dòng)力穩(wěn)定性，為條帶煤柱的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)建議；言志信等（2012）基于工程結(jié)構(gòu)波動(dòng)理論，利用莫爾一庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則研究了地震作用下巖體的動(dòng)力響應(yīng)，得到了巖體地震動(dòng)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(jī)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(dòng)力響應(yīng)及動(dòng)力災(zāi)變的重要問(wèn)題，并根據(jù)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)于地下洞室的地震動(dòng)力災(zāi)變的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了深入的分析與總結(jié)，指出了地下洞室（群）研究未來(lái)的發(fā)展方向以及需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，可以為地震作用下地下洞室（群）結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(guó)波等，2014；呂祥鋒，2014；趙同彬等；2014；王書文等，2012；中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，1978），因?yàn)槊禾块_采過(guò)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)發(fā)生了較大的變化。地下煤炭開采過(guò)程中會(huì)在礦區(qū)的地層中形成大量的、縱橫交錯(cuò)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震波的波長(zhǎng)時(shí)，地下結(jié)構(gòu)的存在對(duì)地震波的傳播及地表動(dòng)力響應(yīng)的影響較?。ê操t，2006）。如果礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與地震波的波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)別的時(shí)候，煤礦采空區(qū)則對(duì)地表地震動(dòng)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(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生除了人為因素之外，其動(dòng)力災(zāi)變的孕育、演化過(guò)程及致災(zāi)機(jī)理尚不明晰，無(wú)法采取切實(shí)有效的方法預(yù)測(cè)礦山動(dòng)力災(zāi)害是重要的原因之一（魏曉剛，2015b）。

綜上可知，外力擾動(dòng)荷載作用下煤礦采動(dòng)區(qū)孕育次生災(zāi)害發(fā)生的機(jī)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(guó)礦區(qū)多采用機(jī)械化的采煤技術(shù)，開采過(guò)程中容易引起采場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)力場(chǎng)變化劇烈，容易引起高應(yīng)力集中現(xiàn)象；并且國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于擾動(dòng)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(jī)制認(rèn)識(shí)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(duì)較難，所以研究擾動(dòng)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(guò)程、動(dòng)力響應(yīng)的演化過(guò)程是保證煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

5 煤礦采空區(qū)地震安全防護(hù)所涉及的關(guān)鍵安全問(wèn)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(guó)清，楊倫，1994；余學(xué)義，張恩強(qiáng)，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(guò)程中不可避免的面臨各種擾動(dòng)荷載（巖爆、礦震、爆破、煤與瓦斯突出、地震、重載車輛等）的動(dòng)力破壞效應(yīng)，但前期的礦山建設(shè)設(shè)計(jì)中較少考慮地震等各種動(dòng)力災(zāi)害荷載對(duì)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(guó)波等，2014；呂祥鋒，2014；趙同彬等；2014；王書文等，2012；中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，1978）。基于此，對(duì)礦區(qū)巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)體系地震動(dòng)力響應(yīng)的研究，需要重點(diǎn)對(duì)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(chǎng)演化規(guī)律進(jìn)行關(guān)注，尤其是探討地震災(zāi)害荷載對(duì)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(dòng)裂隙巖體的地震動(dòng)力災(zāi)變有以下幾個(gè)問(wèn)題需要解決：

（1）高強(qiáng)度開采下巖體移動(dòng)破斷及地層塌陷災(zāi)變發(fā)生過(guò)程中的能量耗散遷移。從災(zāi)變演化過(guò)程人手，研究煤炭開采擾動(dòng)過(guò)程中采場(chǎng)巖層的能量轉(zhuǎn)移、吸收與耗散機(jī)理和分布規(guī)律，建立基于應(yīng)力、位移和能量的控制指標(biāo)的變位分配原理。針對(duì)分配指標(biāo)，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(xì)部與整體的安全性，達(dá)到量化安全控制的目的。從應(yīng)力、位移、能量3個(gè)指標(biāo)來(lái)分析高強(qiáng)度開采下巖體移動(dòng)破斷及地層塌陷的災(zāi)變機(jī)制，建立煤礦采動(dòng)覆巖移動(dòng)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(qiáng)度開采過(guò)程中采場(chǎng)巖層的應(yīng)力場(chǎng)分布、能量演化與移動(dòng)變形的關(guān)系，建立起合理的高強(qiáng)度開采下巖體移動(dòng)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(shí)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(lái)源、力學(xué)性能（尤其是充填碎矸體力學(xué)特性）、密實(shí)度、經(jīng)濟(jì)性、便捷性及環(huán)境污染，同時(shí)也需要深入探討充填介質(zhì)材料、上覆巖層、煤柱以及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同作用機(jī)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(shí)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(qiáng)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(jī)制及能量運(yùn)移（演化）規(guī)律?；谄趽p傷試驗(yàn)測(cè)試、損傷識(shí)別方法和有限元數(shù)值計(jì)算試驗(yàn)，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(shí)間、加載頻率等）對(duì)裂隙巖體一般動(dòng)力學(xué)性質(zhì)及疲勞損傷性質(zhì)的影響機(jī)制與變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，深入研究動(dòng)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(jī)制；考慮結(jié)構(gòu)面、地應(yīng)力等因素對(duì)煤礦采動(dòng)裂隙巖體動(dòng)力特性的影響，建立裂隙巖體非線性動(dòng)力特性及動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的計(jì)算方法，基于能量理論建立巖體非線性動(dòng)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(dòng)力擾動(dòng)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(guò)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(jī)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(dòng)裂隙巖體的采動(dòng)損傷及強(qiáng)震作用下震裂損傷的評(píng)估及測(cè)定。基于斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、耗散結(jié)構(gòu)與能量理論，建立外力擾動(dòng)災(zāi)變荷載（煤礦采動(dòng)、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(zhǔn)則，基于能量耗散理論搭建采動(dòng)損傷及震裂損傷的橋梁；深入探討開采擾動(dòng)下（地震作用下）裂隙巖體結(jié)構(gòu)圍巖應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整、轉(zhuǎn)移機(jī)制；建立裂隙巖體結(jié)構(gòu)災(zāi)變演化過(guò)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(qiáng)卸荷載影響下不同圍巖介質(zhì)的應(yīng)力場(chǎng)演化（擾動(dòng)、轉(zhuǎn)移、傳遞和釋放）過(guò)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(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(chǎng)地設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)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(dòng)破斷巖體微破裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)。

（5）考慮充填體的煤礦采動(dòng)裂隙（破碎）巖體的耗能減隔震性能，防控煤礦采空區(qū)的動(dòng)力失穩(wěn)研究。建立地震作用下考慮擾動(dòng)荷載效應(yīng)的煤礦巷道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程及巖體內(nèi)地震波傳播的波動(dòng)方程，探討地震波作用于巖體時(shí)應(yīng)力波性質(zhì)的改變；重點(diǎn)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(dòng)力穩(wěn)定性的條件，以期得到煤礦采空區(qū)的地震動(dòng)力穩(wěn)定性的影響因素、地表動(dòng)力響應(yīng)以及煤礦采空區(qū)應(yīng)力場(chǎng)演化特性。