煤礦采空區的地震動力災變及安全防控的研究進展與挑戰*

魏曉剛，麻鳳海，劉書賢

(1.鄭州航空工業管理學院土木建筑工程學院，河南鄭州450046;2.大連大學建筑工程學院，遼寧大連116622;3.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新123000)

0 引言

我國礦區由于煤炭資源持續高效的開采形成了大量形式各異、大小不一、縱橫交錯、立體分布的煤礦采空區(何滿潮，錢七虎，2010;何國清，楊倫，1994;王來貴等，2007;朱旺喜等，2003;譚志祥，鄧喀中，2006)，而隨著土地資源的日益緊張及工程建設的迅猛發展，越來越多的建筑物、橋梁、輸電塔以及隧道等各類基礎設施不可避免的要建在煤礦采空區場地上，但是煤礦采空區場地的穩定性能否滿足建造建筑物的條件值得商榷，并且由于煤礦采空區巖層的移動變形導致地表塌陷以及地面建筑損傷倒塌現象異常嚴峻。

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，但礦山建設設計中較少考慮地震等各種動力災害對礦區地下工程結構的影響及破壞(王金莊，郭增長，2002;來興平，2004;王來貴等，2002;吳啟紅，2010)。我國有80%以上的礦區處于在強地震區，但卻沒有專門細致化的礦山地下結構抗震計算方法及抗震設計規范標準(胡聿賢，2006;姜耀東等，2005;許增會等，2004)。地震作用下煤礦采空區的穩定性，煤礦巷道結構與周圍介質、采空區與地面建筑動力響應的相互影響是研究煤礦采空區地震安全不可回避的問題。筆者針對煤礦采空區的地震安全問題，通過分析國內外專家學者對地下結構的地震災變與防控的相關研究成果，分別從煤礦采空區災害的特征與形成原因、煤礦采空區動力災害研究的緊迫性與嚴峻性、地下結構抗震研究的優秀研究成果以及煤礦采空區地震動力災變研究的不足及發展趨勢等方面進行了分析探討，并對煤礦采空區的動力災變及安全防控迫切需要解決的問題進行了歸納總結，在此基礎上對煤礦采空區的動力災變所面臨的挑戰性問題進行了展望。

1 煤礦采空區災害的破壞特征及形成原因

煤礦采空區的存在是礦區安全及工程建設的重大安全隱患，不僅直接威脅著礦區的安全，而且煤礦采動區在失穩破壞的過程中還會衍生出各種各樣的動力災害;通過分析國內外相關文獻(何滿潮，錢七虎，2010;何國清，楊倫，1994;王來貴等，2007;朱旺喜等，2003;譚志祥，鄧喀中，2006;王金莊等，2002;來興平，2004;王來貴等，2002;吳啟紅，2010)發現煤礦采空區所導致的次生(動力)災害主要存在著以下四大特征:(1)影響范圍廣，尺度大;(2)變形速率大，動力學特征明顯;(3)危害范圍大，突發性強;(4)社會負面效應大，經濟損失嚴重。

煤礦采空區次生災害的四大特征導致其成為威脅礦區安全的重大安全隱患，造成煤礦采空區及上覆巖層(圍巖)結構體系發生失穩的原因既有自然因素，也有人為因素，主要涉及到:(1)不同礦區的工程地質水文地質條件差異較大，由此導致不同煤礦采空區失穩破壞坍陷的原因也較多，其主要原因是由于地下煤炭資源的開采活動，破壞了圍巖的應力平衡狀態，導致煤礦采空區附近的圍巖發生應力重分布現象，進而導致巖層(體)發生了不同程度的損傷破壞，造成煤礦采空區成為各種災害災難衍生的源泉;(2)地下采煤工作面不可避免的要形成斷層(或者地下斷層原先就存在)，斷層在外力擾動荷載作用下容易引發巖層的移動變形，從而造成斷層附近容易發生坍塌失穩破壞現象;(3)多頻次、高強度、大規模的開采活動會直接引發(附近已有的)煤礦采空區發生失穩破壞;(4)地下煤炭資源的開采方案不合理，特別是煤礦巷道的保安(護)煤柱留設的不合理以及煤柱支撐體系的物理力學性能的損傷劣化，極易造成煤柱失穩進而引發煤礦采空區的失穩破壞;(5)地下煤炭資源不規范的過度開采:由于煤礦開采管理體制的不完善，目前還存在著小煤礦的私采偷采行為，由于小煤礦的生產技術設備落后、數量多而雜以及開采方案極不合理，導致所產生的煤礦采空區分布雜亂無章，在外界擾動荷載的影響下不同煤礦采空區的失穩破壞會相互影響，造成更大的破壞;(6)外界自然環境的影響:礦區的工業環境惡劣并且復雜多變，其生態環境極其脆弱，如果出現災害性的惡劣自然環境，就會為煤礦采空區的失穩破壞引發次生災害提供孕育發展的條件。

2 煤礦采空區地震安全問題研究的嚴峻性

煤炭開采后所形成的大量煤礦采空區以及廢棄礦井巷道不僅嚴重降低了礦區的安全性，而且還會產生各種各樣的衍生災害，對礦山城市造成巨大的嚴重威脅(錢鳴高等，1994;謝和平，2003)。最近幾年我國由于煤礦采空區所引發的災害事故頻發，造成了巨大的財產損失和人員傷亡(表1)。

由于煤礦巷道結構所處的工程地質環境比較復雜，礦井的高溫環境、高地應力、高水壓以及高濃度的瓦斯等均會引發各種不可控的突發性災害事故的發生，對煤炭資源的開發是嚴峻的挑戰和考驗(何滿潮，錢七虎，2010;謝和平，2003):各種煤礦動力災害(如沖擊地壓、煤與瓦斯突出、礦震、頂板大面積來壓)發生的頻度和強度呈現出增加的趨勢，而且其動力發生災害范圍較廣，由此而帶來巨大的人員傷亡和經濟損失(圖1)。

對于礦區地下工程結構的抗震研究國內外的專家學者涉足相對較少(馬行東，2005;馬行東等，2006;孫有為，2006，2011;劉向峰，2005;劉剛，2011;唐禮忠等，2012;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;佘詩剛，董隴軍，2013)，現有的抗震理論無法適應礦區地下結構的抗震防災設計。對于以煤炭資源為主要能源的國家，發生地震后礦井巷道的圍巖介質容易發生失穩破壞，其承載能力會嚴重降低，此時礦區巷道結構的基本使用功能已經完全破壞喪失，如何合理的解決我國礦井巷道結構的抗震設計問題及煤礦沉陷區的地面建筑的抗震安全問題也是迫在眉睫、亟需解決的工程科學問題。

3 煤礦采空區地震安全性研究的緊迫性

我國處于歐亞大陸地震帶和環太平洋地震帶世界兩大地震帶之間(胡聿賢，2006)，也是世界上強震活動區之一，區域地震活動極其頻繁活躍。根據我國目前現行地震烈度區劃圖可知，我國地域面積的60%以上處于基本地震烈度6度以上(胡聿賢，2006)。由于我國有80%以上的礦區處于在強地震區(劉書賢等，2013)，所以地震作用下礦區工程結構的動力災變控制及煤礦巷道結構的地震安全評價方法的研究就十分重要。

表1 煤礦采空區衍生災害的實際案例Tab.1 Actual cases of the derivative disaster in coal mining area

國內外的專家學者關于地下結構的工程抗震研究存在以下不足(胡聿賢，2006):(1)關于地下結構具有較強的抗震性能并且地震作用下不容易發生損傷破壞的認識是缺乏充分的震害數據依據的;(2)目前關于地下結構抗震設計的理論、方法還不能較好的反映地下結構地震動力響應的實際力學行為;(3)當前關于地下結構的強震致災機理及防控手段依然相對缺乏;(4)目前關于地下結構的抗震設計的相關理論及方法還不夠成熟，尚無法滿足蓬勃發展的地下結構工程防災減災的需要。

目前關于煤礦采空區的研究更多的是關注靜力荷載作用下的煤礦采空區穩定性及地表移動變形，較少考慮動荷載對煤礦采空區的影響和破壞。在地下煤炭資源開采的過程中，存在大量的不可控的擾動荷載(巖爆、地震、礦震、開采擾動、爆破開采等)，擾動荷載對煤礦采空區的穩定性構成較大的威脅和破壞。1976年7月28日發生的唐山ML7.8地震造成了大量的地下工程結構(煤礦巷道、地下通道以及人防工程)的破壞(胡聿賢，2006)。礦區由于工程地質條件復雜，往往存在著斷層以及斷裂帶，一旦發生地震，其后果不堪設想。目前國內外專家學者(劉向峰，2005;劉剛，2011;張彥賓，2012;王輝，2003;錢七虎，陳士海，2004;席道瑛等，1996;李歡秋等，2003;楊軍等，2001;王明洋等，2001;單仁亮等，2003;魏曉剛，2011，2015)對于地下隧道結構、地鐵結構以及地下廠房結構開展了一些研究工作，也取得了一定的研究成果，但是對于礦區地下巷道結構的地震動力穩定性的研究則相對較少。

礦區地下巷道結構的安全問題已經成為礦區工程建設安全問題重要的組成部分。由于學科專業領域的限制，土木工程領域的專家學者較少涉足煤礦巷道結構的地震災變研究。由于采礦工程領域的研究人員對土木工程領域抗震知識的缺乏，對于煤礦巷道結構的地震動力響應也較少關注，再加上礦區地下結構的震害案例缺乏，相關的試驗研究也相對較少，因此對于地震作用下礦區地下工程結構(煤柱、煤礦巷道及圍巖介質)體系的損傷劣化機理、損傷演化規律和抗震性能的研究還很不全面深入，尤其是缺乏對煤礦地下巷道結構的地震損傷力學機制與災變控制深入細致的探討研究。如何合理揭示煤礦采空區的地震動力響應、煤礦巷道結構的地震破壞模式及控制策略是研究煤礦采空區的地震安全迫在眉睫的問題。目前，缺乏合理的地下結構抗震設計方法與理論，尤其是礦區地下巷道結構方面缺乏相對應的抗震設計規范是限制煤礦采空區的地震安全研究發展的主要原因。

近幾年來在國家自然科學基金委以及國家科技部相關科研基金的支持下(見表2國內部分專家學者所承擔的國家自然科學基金項目及國家重點基礎研究發展計劃項目)，煤礦采空區穩定性及地表移動變形的成災機制等相關的科研項目得到了相關科研基金的支持，由此大大促進了煤礦采空區失穩成災機制研究的發展。

通過分析表2與國內煤礦采空區災變研究相關的部分國家自然科學基金及國家重點基礎研究發展計劃項目(973項目)可以發現:煤礦采空區成災機制的相關研究正在逐漸得到國家以及相關專家學者的關注和重視，近三年(2012～2015年)直接與煤礦采空區相關的國家自然科學基金科研項目迅速增加;從2007年以中國礦業大學繆協興教授為首席科學家所承擔的973項目《煤礦突水機理與防治基礎理論研究》為標志，煤礦開采所引發的各種動力災害開始引起國內專家的重視，之后國家科技部在采礦工程領域多次對與煤炭開采的各種動力災害破壞現象進行973項目立項，如2013年的《西部煤炭高強度開采下地質災害防治與環境保護基礎研究》以及2015年的《我國西北煤炭開采中的水資源保護基礎理論研究》。973科研項目的成功立項充分說明了國家對煤炭開采所引發的各種動力災害越來越重視;尤其是2015年以中南大學周子龍教授為首席科學家所承擔的973項目《復雜采空區大規模坍塌的災害孕育機理研究》、以中國科學院武漢巖土力學研究所盛謙教授為首席科學家所承擔的973項目《強震區重大巖石地下工程地震災變機理與抗震設計理論》以及北京交通大學袁大軍教授為首席科學家所承擔的973項目《高水壓越江海長大盾構隧道工程安全的基礎研究》的成功立項，標志著煤礦采空區災害的成災機制與防控以及地下結構的抗震安全研究將會成為我國學術界及工程界關注的熱點和亟需解決的科學問題和工程問題。

4 礦區地下巷道結構動力災變的研究進展

煤礦采動會導致采區巖體結構發生損傷，引起煤礦巷道結構的力學性能劣化、完整性被破壞，從而對煤礦巷道結構的安全穩定性造成極大的威脅。但是由于學科專業領域的限制，目前對于煤礦地下巷道結構尚沒有相應完善的抗震設計理論和方法。煤炭巷道結構由于其復雜的巖(土)體，地震荷載的隨機性、不確定性和后驗性，對于地震作用下煤礦巷道結構的損傷破壞演化尚不明晰，而且對于煤礦采動所引起的巷道結構的次生損傷在發生動力災害荷載時如何演化發展尚不清楚，并且礦區的地下巷道結構形式復雜以及所形成的煤礦采空區也是縱橫交錯分布，一旦出現損傷破壞其修復難度大，還可能導致發生大規模的坍塌事故，所以地震災害荷載作用下礦區地下結構的安全防災問題是一個迫在眉睫的問題。目前國內的專家學者對于地下洞室的地震動力災變與防控已經取得了一定的研究成果。

李海波等(2005，2006)通過研究西部強震區地震波的不同參數對地下洞室的動力響應的影響發現:地震波的入射方向、空間不均勻性對地下洞室的動力響應的影響主要與地下洞室的埋置深度、地應力等因素有關，所取得的研究成果對于分析水利工程領域的地下洞室的抗震問題具有較好的借鑒意義;孫有為(2006，2011)在研究地下洞室巖石松動圈的影響因素及與地下洞室幾何形狀對巖石松動圈的影響的基礎上，重點分析了地震作用下地下洞室巖石松動圈、襯砌結構的動力響應，提出了地下洞室松動圈動力荷載作用下的初步判定準則與方法，所取得的研究成果可以為地下工程結構的抗震研究提供一定的參考依據;劉向峰(2005)主要基于有限元分析軟件ANSYS對礦區地層結構及煤礦巷道結構的地震動力響應進行了初步的研究與探討，指出煤礦采動損傷地層的動力響應區別于普通的地層場地條件，所取得的研究成果可以為礦區的地下工程結構的動力破壞防護提供參考與借鑒。

劉剛(2011)研究了礦區條帶開采后所形成的煤柱在靜力荷載及動力荷載的穩定性，重點分析了不同地震波作用下煤柱的動力失穩演化過程，所取得的研究成果對于提高煤礦采空區條帶煤柱抵抗動荷載的穩定性具有較好的借鑒意見;唐禮忠等(2012)通過有限差分數值分析軟件FLAC3D研究爆破地震波對煤礦采空區及充填后的采空區圍巖的破壞作用，研究結果表明爆炸地震波作用下煤礦采空區圍巖的塑性變形及位移增加，對煤礦采空區進行填充后可有效控制煤礦采空區及圍巖的動力響應;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，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果是偏于安全的;張玉敏(2010)通過巖石的動三軸力學試驗得到巖石的損傷本構方程，在此基礎上利用有限元分析軟件FLAC3D系統研究了地震作用下水電站的地下洞室群動力響應規律及特征，指出地震波的頻譜特征、自振周期巖體的物理力學性能對地下洞室群的內力(加速度、位移、應力等)響應影響較大;谷寧(2011)通過有限元數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構的力學響應的研究，利用強度折減方法分析了地震作用下地下洞室結構的穩定性，并得到了地下洞室結構的安全系數，可以為溪洛渡水電站左岸地下洞室群的地震穩定性分析提供參考和借鑒;汪海波(2013)基于小波包變換理論和小波包變換理論，采用Matlab數值計算軟件對鉆眼爆破法產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構及支護結構的變形及內力響應，提出了控制爆破地震動的災害能量的方法，對于控制災害爆破能量對煤礦巷道結構及支護結構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判據，指出了在外力擾動荷載作用下條帶煤柱的失穩條件以及影響條帶煤柱穩定性的各種影響因素，在此基礎上利用有限元數值計算軟件FLAC3D分析了地震作用下條帶煤柱的動力穩定性，為條帶煤柱的設計提供了新的設計建議;言志信等(2012)基于工程結構波動理論，利用摩爾－庫倫強度準則研究了地震作用下巖體的動力響應，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)系統分析總結了地震作用下地下洞室的動力響應及動力災變的重要問題，并根據國內外專家學者關于地下洞室的地震動力災變的相關研究進展進行了深入的分析與總結，指出了地下洞室(群)研究未來的發展方向以及需要解決的關鍵問題，可以為地震作用下地下洞室(群)結構的動力響應與災變相關研究提供參考和借鑒。

礦區巷道地下結構與一般的隧道結構、水電站地下洞室結構有所區別，因為煤炭開采過程中在地層所產生(遺留)的大面積的、縱橫分布的煤礦采空區域是孕育各種礦山動力災害的不可忽略的隱患。礦區地下巷道結構的地質環境復雜多變，加之圍巖在采礦活動影響下發生了一定程度的損傷破裂現象，在上覆巖層的影響下地下煤礦巷道結構的動力學響應發生了較大的變化。地下煤炭開采過程中會在礦區的地層中形成大量的縱橫交錯的煤礦采空區及地下結構，如果礦區地下工程結構的幾何尺寸遠遠小于地震波的波長時，地下結構的存在對地震波的傳播及地表動力響應的影響較小(趙寶友，2009)。如果礦區地下結構的幾何尺寸與地震波的波長處于同一數量級別的時候，煤礦采空區則對地表地震動力響應以及地震波的傳播產生較大的影響。目前礦山動力災害的發生除了人為因素之外，其動力災變的孕育、演化過程及致災機理尚不明晰，無法切實有效的預測礦山動力災害是重要的原因之一(佘詩剛，董隴軍，2013)。

綜上可知，外力擾動荷載作用下煤礦采動區孕育次生災害發生的機理尚不明晰是導致礦山采空區各種災難性事故發生的重要原因之一;加之我國礦區多采用機械化的采煤技術，開采過程中采場圍巖結構體系的應力場變化劇烈，容易引起高應力集中現象;并且國內外專家學者對于擾動荷載產生的應力波誘發煤礦采空區次生災害的機制認識不夠充分，煤礦采空區引發的次生災害控制相對較難，所以研究擾動荷載作用下煤礦采空區及圍巖結構體系的成災過程、動力響應的演化過程是保證煤礦安全生產的關鍵問題之一。

5 礦區復雜場地地震動力響應的研究進展

煤礦采動區域的復雜的地質力學條件(巖體穩定性差、礦巖破碎、高地應力、煤礦采動應力擾動等)導致煤礦井下巷道結構和采場覆巖結構損傷破壞現象嚴重。煤礦采動損害影響下的覆巖可視為一種特殊的固體介質(結構)，在煤礦采動之前上覆巖層具有分層性，而且其天然構造中存在著裂隙;在采動之后礦區上覆巖(土)層會發生移動、破斷和變形。

煤礦采動區域的巖土層主要由煤系地層和巖石結構組成:(1)煤系地層多為沉積地層，各沉積層的巖性不同，其中包含軟弱巖層;(2)天然的巖石結構是一種極其復雜的介質，巖石內部的節理、裂隙和斷層等不連續(弱)結構面大量存在。巖土(石)結構體系復雜的微觀結構決定了宏觀上的不連續性和非均勻性的明顯性，煤礦開采過程中采礦活動的各種天然動力災害荷載(沖擊地壓、粉塵爆炸、天然地震、礦震、巖爆、煤與瓦斯突出等)在巖石介質中的傳播均以應力波的形式進行。

應力波在巖石介質的傳播問題是一個多因素耦合問題(佘詩剛，董隴軍，2013):(1)傳播介質的非均勻、非線性特征明顯;(2)煤礦巷道結構、巖層移動導致傳播介質的外貌特征、尺度大等邊界條件復雜;(3)采動活動會引起巷道結構和巖層發生次生損傷，該損傷在應力波的傳播下會繼續發展演化;(4)裂隙、節理和斷層等以一定的方向性存在于巖石內部，從而導致煤巖宏觀上呈現力學性質非連續性、各向異性等特點;(5)采場煤巖的力學特征方向性差異較大，導致應力波在傳播過程中會由于煤巖本身的各向異性而呈現出方向性。

以上影響因素導致應力波在煤礦采動復雜場地的傳播與衰減規律以及所引起的煤礦采動地下結構的損傷破壞的研究十分困難和復雜，煤礦采場復雜區域應力波傳播衰減問題的研究，對于采礦活動所引起的各種礦井動力災害的防治具有重要的現實意義和學術價值，煤礦采動復雜場地應力波在巖土介質中的傳播衰減規律涉及到土木工程、采礦工程和地震工程等學科領域:在地震工程領域，可以掌握地震波傳播對巖土層、地面建(筑)物的損傷破壞效應;在地下工程領域，分析應力波的傳播衰減效應，可以效應控制各種災害荷載(礦震、巖爆、爆炸波等)所引起的應力波對地下工程結構的破壞。

5.1 復雜場地地層應力波傳遞的研究進展

煤礦強烈的開采活動(機械開采、爆破開采等)導致圍巖發生損傷破裂，在巖層發生損傷破裂的過程中不可避免的要與外界環境進行能量交換。當出現動力災害荷載時，動力災害荷載對裂隙巖體的破壞作用主要是由災害荷載產生的應力波引起巖層(體)能量耗散(積聚)所導致的。通過分析應力波在煤礦采動損傷巖層傳播過程中引起的能量積聚與耗散機制，可以為解釋和揭示地震作用下煤礦采空區及地下巷道—圍巖結構體系的動力災變過程提供參考和借鑒。

礦區巖層(體)總是不可避免的存在各種各樣不規則的結構弱面(孔隙、裂縫、空洞等)，加之煤炭環境中的巖(地)層是成層分布的，而且不同巖層(砂巖、石灰巖、玄武巖、煤矸石等)的物理力學性能差別較大，其內部孔隙率也差別較大(孔隙率基本上在5% ～35%之間)。不同的孔隙率導致巖層內部的孔隙結構(孔隙的尺寸大小、幾何形態、連通性能)差別較大，所以擾動荷載作用下不同巖層的耗能能力不同，故可以根據不同巖層具有不同的能量耗散(集聚)能力分析巖體的能量演化致災過程來研究巖層的動力災變。由于巖石介質及礦區地下結構的復雜性，很多問題的研究還處于初始階段，需要從理論和實踐上做進一步的探討。目前對于應力波在巖土介質的傳播規律，地震對地下工程結構的破壞效應、復雜場地(如地下洞室群)的地震響應，國內外的專家學者已經進行了大量的研究工作。

Xia等(2007)采用數值計算和聲波實驗相結合的方法，分析了爆炸荷載作用下的巖體的損傷演化趨勢;王輝(2003)在理論分析的基礎上，通過有限元數值計算探討了爆炸沖擊波在巖體內的傳播衰減規律;錢七虎和陳士海(2004)、Wang和Qian(1995)根據巖石的斷層、節理裂隙帶的空間幾何關系，重點研究了爆炸應力沖擊波在通過巖石節理裂隙帶時的傳播衰減規律;Ju等(2006)在SHPB試驗的基礎上，采用分形方法研究了應力在巖石復雜節理結構的傳播與能量演化的關系，定量地分析了不規則節理面結構對應力波的傳播衰減和能量耗散的影響;席道瑛等(1996)采用低頻共振方法，探討了應力波在不同飽和條件下的大理巖砂巖中的傳播衰減規律;Wang等(2003)通過花崗巖的系列化爆破試驗，研究了爆炸應力波在自由場的傳播衰減規律;李歡秋等(2003)采用爆炸模擬的實驗結果和有限元數值計算方法相結合的方法，對應力波在地下復合結構介質中的傳播進行的分析研究，探討了爆炸應力波在復合巖石介質中的傳播衰減規律;Lu和Hustrulid(2002)在柱面波理論、子波理論和的應力波場理論分析的基礎上，建立了爆破應力波影響下的質點峰值振動速度衰減公式，并通過實驗研究和數值計算驗證了該衰減公式的合理性;楊軍等(2001)在沖擊試驗的基礎上，建立了考慮能量耗散的巖石爆破損傷模型，較好的解釋了爆破沖擊波作用在巖石結構的傳播衰減規律;王明洋等(2001，2010)從細觀物理力學理論著手，從微觀角度研究了爆炸應力波在巖體(結構)中的能量演化，初步了建立了微觀物理角度的動力本構模型;單仁亮等(2003)在大理巖和花崗巖沖擊試驗的基礎上，建立了考慮應變率效應的巖石黏彈性損傷模型。

目前對于應力波在巖土介質中衰減傳播的研究多集中于沖擊荷載或爆破荷載作用，所取得科研成果也較多;對于地震波在巖土(石)介質的傳播衰減，尤其是地震波在煤礦采動損傷場地的傳播衰減卻相對較少，而對于復雜場地(如地下洞室群)的地震動力學響應方面的研究已經進行了一定的研究工作。

5.2 復雜場地地層地震響應的研究進展

礦區煤層由于各種自身和外界自然因素(煤層形成的歷史條件、沉積條件、孔隙結構、煤層中的氣液相參與)的影響，以及煤炭開采過程中的外力擾動作用煤礦采動區采場的土層會發生一定的擾動損傷，再加上采場土層物性參數的隨機性、離散性明顯，所以煤炭開采明顯改變了巷道周圍的地震波動場，煤礦采動(損傷)復雜場地地震波的傳播衰減就與一般場地明顯不同，而且煤礦采動與地震聯合作用下地下工程結構的動力災變過程尚不明晰，因此開展煤礦采動損傷地層的地震動力響應分析就顯得尤為重要。

陳健云等(2001)基于阻尼影響抽取法，通過對溪洛渡地下廠房的三維地震動力學響應，重點探討了地震荷載作用下圍巖結構的動力特性，提出了實用于地下工程結構抗震分析算法;趙寶友(2010)利用有限元分析軟件ABAQUS，在考慮損傷的塑性模型的基礎上，綜合分析了工程地質力學條件對地下洞室群地震動力學響應的影響，并提出了適合地下洞室群的抗震減震方法;李海波等(2006)利用有限元分析軟件FLAC3D，探討了地下洞室形狀、埋深、地應力特征等因素對地下巖體洞室的地震動力響應的影響，并初步分析了其影響規律，可為地震荷載下地下洞室的位移反應提供一定的借鑒意義。李海波(2009)在有限元數值分析計算的基礎上，根據溪洛渡地下廠房的地震動力響應，建立了“動應力集中因子代表值”的基本概念，提出了一種地下洞室群的動力災變的安全評價方法;王如賓等(2009)通過對金沙江兩家人水電站的地震動力災變的分析，重點研究了地震荷載作用下地下廠房洞室有無襯砌工況下相對位移(安全系數)的變化規律，探討了位移變化規律和抗震效果。

梁建文和巴振寧(2012)基于間接邊界元理論，重點研究了地下洞室對入射平面SH波的放大作用，在綜合考慮場地土層的動力特性的基礎上，通過數值計算單一土層中地下洞室對入射平面SH波的放大作用，指出了土層對SH波傳播衰減的影響規律;梁建文等(2011)利用有限元分析軟件FLUSH，通過研究隧道群對地震的動力響應規律，探討了隧道間距、入射地震波頻譜等因素對隧道群地震動反應譜的影響規律;梁建文等(2012)采用頻域變換方法和間接邊界元理論相結合的辦法，研究了地下洞室群對地震動的出平面時域放大作用，重點探討了天津濱海地區不同地下洞室參數對地震波的放大效應;李帆(2008)在有限元分析軟件FLUSH數值計算的基礎，研究了地震作用下四種不同性質的場地背景的地鐵隧道群的動力災變問題問題，并從時域范圍內探討了隧道群的存在對地震波的傳遞的影響;馮領香(2008)通過在間接邊界元引入格林函數和半空間精確動力剛度矩陣，在頻域范圍內重點研究了破碎帶對斷層場地地震波傳播衰減的影響規律，所得的結論可為斷層場地的安全評價提供一定的借鑒意義。

榮棉水和李小軍(2007)基于有限差分法，采用有限元數值計算方法研究了不同地震動輸入方法(脈沖地震、實際地震)對粘彈性場地動力響應的差異，重點探討了不同的體波入射角度和高寬比的入射波對地表平面運動譜特性的影響規律;劉必燈(2011)在局部人工邊界的的顯式計算方法上，對SV地震波垂直入射下垂直入射下V型河谷地形運動的解析解，并重點研究了地震波在不同邊坡角度影響下的傳播衰減分布規律;喻畑和李小軍(2012a)利用汶川地震強震記錄數據，利用NGA衰減關系模型分析了對汶川地震區基巖場地各種場地的地震波傳播衰減規律，并對影響地震動衰減的因素(加速度反應譜、峰值位移、峰值速度、峰值加速度)進行了深入的探討;喻畑和李小軍(2012b)基于強震數據，對比分析了各地區不同土層場地的強震動記錄，在淺硬土層場地的放大系數研究分析的基礎上，演化得到了相對應的深厚土層場地的平均放大系數;陳國興等(2013)根據蘇州某實際地層的工程地質情況，通過建立精細化有限元模型，重點研究了地震動參數(地震動峰值加速度PGA、水平地震影響系數最大值、動力放大系數最大值)的變化規律，指出了地震的波動特性、場地土介質的性質對場地的設計地震動參數影響較大，所得的相關結論可為類似場地的地震安全性評價、抗震設防提高參考價值和借鑒意義。

國內的專家學者對于復雜地層的地震動力響應做了大量的有效研究工作，所取得的研究成果大大推動了巖土地震工程與土動力學領域的發展。但是對于礦區復雜場地土層及地下結構，往往會由于工程實踐活動(采礦活動、爆破作用、地鐵隧道的開挖)而產生一定程度的擾動損傷，而上述地震響應分析所用的地震動輸入以及場地的動力響應都沒有考慮場地的損傷所引起的抵抗破壞能力的影響，其計算結果應該會有失偏頗。

6 煤礦采空區地震動力災變及防控研究亟待解決的學術問題及面臨的挑戰

目前關于煤礦采空區穩定性的研究多集中于靜力荷載作用下的研究，即在巖層自重荷載作用下煤礦采空區發生失穩的研究國內專家學者研究較多，而對于擾動荷載作用下(尤其是地震作用下)煤礦采空區的動力穩定性相關的研究則剛剛起步(劉書賢等，2013，2014a，b，c，2015;李海軍等，2015)。礦井動力災害(礦震、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等)常常造成井巷垮塌、人員傷亡，造成重大的經濟損失，而現有的研究多集中于礦井各種動力災害發生機理的研究，只是分析了礦井發生各種動力災害(礦震、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等)的原因及誘發因素，而對煤礦巷道結構在災害荷載作用下的破壞形式及災害荷載在巷道結構中的傳播演化致災的過程少見報道，對于在地震作用下煤礦采動損傷地下結構災變演化過程的研究也相對較少;并且礦區地下結構的設計中沒有考慮到地震載荷的作用，且我國尚未有地下結構的抗震設計規范。

根據地震工程學、應力波基礎、煤礦開采沉陷學與工程結構波動理論可知，如果要深入剖析強震作用下煤礦巷道結構的損傷機制及其災變演化過程與動力災變防控措施，需要重點從煤礦采空區巖層的移動變形致災、地震作用下煤礦巷道結構的損傷演化破壞及煤礦采空區動力穩定性能的劣化機制與防控措施等內容開展一系列的研究工作，具體需要開展的研究內容(學術問題)如下:

(1)煤礦采空區的穩定性及多煤層重復開采影響下覆巖移動變形沉陷致災力學機制

研究煤礦采空區穩定性的影響因素及多煤層重復開采影響下覆巖的移動規律，建立煤礦采動覆巖移動變形破斷的力學模型及沉陷判據，并分析多煤層重復開采影響下的煤礦采空區上覆巖層的移動變形破壞與其應力分布的內在聯系，通過分析煤礦采空區巖層的移動變形沉陷規律及致災機制，為研究煤礦采空區的地震動力穩定性提供理論依據。

(2)開采擾動條件下煤巖體的應力與能量演化致災研究

探討煤礦采動影響下巖石變形破壞過程中能量耗散、能量釋放與巖石強度和整體破壞(災變)的內在聯系，分析煤礦采空區煤巖體非對稱作用誘致局部化失穩現象的致災機制，研究煤礦開采擾動條件下煤巖體中的應力場與能量場的空間分布規律，探討開采擾動與煤巖體卸壓的動態關系以及卸壓區內應力與能量變化速率;重點研究地下煤層開采過程中煤巖體局部化應力—變形的能量演化特征，基于地球物理理論和地震工程學探索中震、強震區煤巖局部動力失穩、孕災模式，揭示煤礦采空區動力失穩特性、形成機理和分布規律，為研究煤礦采動區工程場地的地震穩定性奠定理論基礎。

(3)煤礦采空區煤柱、巷道結構及圍巖的地震動力響應及穩定性，構建煤礦采動損傷地層的地震波傳播理論與采空區動力失穩演化規律

研究煤礦采空區煤柱的地震動力穩定性、巷道結構地震動力災變的影響因素及圍巖的應力場分布演化規律，建立地震作用下煤礦采空區煤柱、巷道結構的動力學運動方程，探討煤礦采空區煤柱地震動力失穩、煤礦巷道結構不同部位地震動力響應、考慮損傷效應的煤礦巷道結構的地震動力響應、煤礦采空區的地震動力穩定性以及考慮充填材料的煤礦采空區的地震動力穩定性是煤礦采空區地震安全研究的關鍵學術問題。

(4)煤礦采動區工程場地地震動力穩定性及災變防控

考慮到煤礦巖層受采動影響的分布特征，分析煤礦采動區冒落帶、裂隙帶、彎曲帶“三帶”、巷道之間空間分布的關系，采動區煤層群的空間結構關系、采動區域穩定時間、開采方法等對巖層移動致災的影響，充分考慮煤礦采動區“三帶”的形式、幾何特征、破碎帶的材料特性，采動損傷場地土的土層厚度和剛度，建立煤礦采動地層的均勻場地模型和煤礦采動損傷地層含破碎帶斷層的場地模型，分析煤礦采動區復雜地質體中波的傳播規律，揭示煤礦采動區“三帶”對彈性波的散射規律，探討煤礦采動損傷土層對場地地震響應的重要影響，建立煤礦采動區工程場地地震穩定性評價的理論和方法是研究煤礦采空區地震動力災變及安全防控措施的根本落腳點。

在充分分析國內外專家學者關于地下結構抗震研究領域的已有優秀研究成果的基礎上發現:要想較好的解決地震作用下煤礦采空區及地下結構的地震損傷力學機制與災變控制的核心學術問題，面臨著以下技術難題及挑戰(即煤礦采空區及其礦區地下結構的動力災變及防控的研究工作需要在以下幾方面進行展開和完善):

(1)煤礦采空區(群)的地震動力模擬試驗及地震監測:目前關于煤礦采空區(群)的振動臺模擬試驗及地震動力破壞觀測鮮見報道，加之振動臺試驗的小尺寸與煤礦采空區的大尺寸相對比，試驗中很難理想的將其合理化實現，所以如何在振動臺試驗中合理的消除尺寸效應對于煤礦采空區、巷道結構的影響，是試驗中的難點和重點;

(2)地震作用下煤礦采動裂隙巖體的動力本構模型及失穩致災機制:雖然目前關于巖石的動力本構模型已有大量的研究，但目前的研究大多基于沖擊荷載、爆破荷載作用下巖體的高應變率本構關系，較難真實的反映煤礦采動損傷巖石在地震作用下其內部裂紋產生、擴展的機制與損傷演化過程，以及煤礦開采擾動與煤巖體卸壓的動態本構關系，以及地震作用下煤巖體的裂隙發展演化與其應力和變形的能量演化特征，尤其是煤礦采空區煤巖體在動荷載擾動作用下局部化失穩現象發展到煤礦采空區整體動力失穩的致災機制將是核心需要解決的基礎問題;

(3)地震作用下煤礦采空區多因素、多相介質耦合的復雜惡劣力學環境的災害演化機制:煤礦采空區是涉及到固—液—氣三相同時存在的多場耦合復雜惡劣的災害系統，煤礦采空區任何一種致災因子都可能導致和引發煤礦采空區災變失穩現象的發生，如何合理的將煤礦采空區災害系統的復雜性、隨機性以及非線性的災害演化及致災機制梳理清楚，確定致災因子在災害系統中的權重，是煤礦采空區穩定性控制的關鍵問題;

(4)煤礦采空區地震動力災變評判準則:雖然目前關于煤礦采空區的穩定性研究已經取得了一定的研究成果，但是對于煤礦采空區地震動力失穩及災變方面的研究相對較少，尤其是如何評價和評判煤礦采空區的失穩等級是亟需解決的重要問題;所以建立科學合理的煤礦采空區動力災變的評判準則，對于評價煤礦采空區場地穩定性是否可以建造建筑物具有重大意義，也是建立準確的煤礦采空區動力災變防控保護措施的重要問題。

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