煤礦采動建筑地震動力災變與防控研究的現狀與發展趨勢*

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

作為以煤炭資源為主要能源的國家，煤炭資源在我國經濟和社會發展一直處于重要的戰略地位。我國在《能源中長期發展規劃綱要 (2004～2020年)》明確提出①國務院.2001.能源中長期發展規劃綱要 (2004～2020年).:我國將實施“堅持以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發展的能源戰略”;由中國工程院 (2001)編制的《中國能源中長期 (2030、2050)發展戰略研究》也明確提出:到2050年我國煤炭資源每年的產量需要控制在30億噸，由此可見煤炭資源目前仍然是我國核心的主體能源，煤炭資源將依然是我國國民經濟持續高速發展不可忽略的因素，根據《能源中長期發展規劃綱要 (2004～2020年)》相關數據所得到的我國能源生產結構圖 (圖1)和能源消費結構圖 (圖2)可以較為直觀看到煤炭資源在我國社會和經濟發展中的重要性 (中國工程院，2011;朱旺喜等，2003;譚志祥，鄧喀中，2006;王金莊，郭增長，2002)①。

圖1 中國能源生產結構Fig.1 Structure of energy production in China

圖2 中國能源消費結構Fig.2 Structure of energy consumption in China

從圖1、2可以明顯的看出:我國煤炭資源在一次能源生產結構中所占的比例一直超過70%(煤炭資源所占的比例為76.9%)，在一次性能用消費結構中所占的比例接近70%(煤炭資源所占的比例為69.3%)，煤炭資源在我國國民經濟中的重要性和關鍵性顯而易見;隨著我國能源結構的不斷完善和調整，煤炭資源作為我國主要的可靠的能源地位依然不可改變 (國務院，2001;中國工程院，2011;朱旺喜等，2003;譚志祥，鄧喀中，2006;王金莊，郭增長，2002)。所以如何科學合理高效的開采出地下煤炭資源是我國社會經濟快速發展的迫切需要，但是隨著煤炭資源持續高效的開采過程，煤炭工業所帶來的環境污染、生態破壞等災害問題也越來越突出 (來興平，2004;王來貴等，2002)。

目前我國由于地下煤炭開采對礦區造成了嚴重的環境污染和生態破壞，如果涉及到“三下壓煤” (建筑物下、道路與鐵路下、水體下)問題，所造成的危害及破壞就更大;目前我國由于“三下壓煤”問題導致地下煤礦資源的開采率遠遠達不到40% (國務院，2001;中國工程院，2011;朱旺喜等，2003;譚志祥，鄧喀中，2006;王金莊，郭增長，2002;來興平，2004;王來貴等，2002)，每年由于煤炭開采新增耕地超過7萬公頃 (圖3)，地下水的肆意排放超過80億噸，煤炭資源開采過程中所產生的煤矸石每年超過9億噸，由煤矸石所形成的矸石山近1 600余座，占地面積已經超過15 000公頃 (朱旺喜等，2003;譚志祥，鄧喀中，2006;王金莊，郭增長，2002;來興平，2004;王來貴等，2002)，煤矸石山的矸石堆積量超過55億噸，并且煤矸石還存在著占用土地資源、破壞植被、污染水體和空氣以及自燃爆炸等各種安全隱患 (梁為民，郭增長，2000)。

圖3 煤礦開采引起的土地裂縫Fig.3 Land cracks caused by coal mining

根據不完全統計 (朱旺喜等，2003;譚志祥，鄧喀中，2006;王金莊，郭增長，2002;來興平，2004;王來貴等，2002)，我國礦區目前由于地下煤炭資源開采所直接引發的各類各種災害災難事件每年超過1萬起，由此造成巨大的經濟損失和人員傷亡;并且地下煤炭資源的開采還會誘發更嚴重的次生災害 (礦震、煤與瓦斯突出、突水、粉塵爆炸、地面建筑倒塌破壞等)。僅以煤礦開采所引起的地表移動變形 (開采沉陷變形)與地面建筑的損傷破壞為例，目前我國由于礦區開采沉陷變形引起的地面建筑物倒塌破壞直接經濟損傷達到50億元，間接損失更是達到400億元 (譚志祥，2004;郭廣禮，2001;線登洲，2008);由于煤炭開采所造成的土地破壞與荒漠化的面積 (圖3)已經超過4萬km2，目前仍在以2 000 km2/年的速度高速增加，而采煤所引起的荒漠化與破壞的土地的治理利用率僅僅能達到15%(來興平，2004;王來貴等，2002)。能源短缺的緊迫性與礦山開采安全的剛性制約，使得礦區煤炭開采過程的地下工程結構與地面建筑的安全性顯得尤為重要。

隨著地下煤炭開采強度和范圍的不斷擴大，礦區出現開采沉陷變形的面積越來越大。大面積的開采沉陷變形引發嚴重的礦區生態環境問題，如造成建筑物的損害破壞，水資源污染，交通、通訊、管線設施等生命線工程受到損害等，給礦區和資源性城市在資源枯竭后的可持續發展帶來很大的隱患，極大的限制了礦區的經濟發展。地面建筑物是人類賴以生存的必要條件，一旦遭到破壞，就勢必造成巨大的不可挽回的損失。隨著礦區經濟的發展，礦區地面建筑物在逐漸增多，建筑物下壓煤開采已成為許多礦區面臨的主要問題，嚴重制約著礦區的可持續發展。當礦區地下煤炭資源被開采后，煤礦采動區的地表會出現開采沉陷變形，導致建筑物出現各種不同程度的損害和破壞，輕則需要維修加固，重則需要拆遷重建 (譚志祥，2004;郭廣禮，2001;線登洲，2008)。

煤炭開采后所形成的煤礦采空區對于地面建筑是一個極大的潛在威脅: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，而且發生地震時地面極容易出現裂縫和塌陷。為了最大限度的保證地震發生時礦區地面建筑的抗震安全性，有必要對煤礦采空區及地面建筑的地震安全性開展研究 (吳啟紅，2010;張永波，2005;彭欣，2008;王正帥，2011;胡聿賢，2006;歐進萍，2003;周福霖，1997;牛宗濤，2008)。

煤炭資源開采活動使礦區地層結構遭受損傷、抵抗破壞能力降低。調查表明:天然地震、采礦誘發地震對煤礦采動損傷地層內的地下結構破壞嚴重 (夏軍武等，2007，2002;鄭玉瑩等，2012;譚志祥，2004)。采礦活動使礦區地層及建筑結構的抗震能力降低，對唐山、大同等礦區的調查表明:煤炭開采活動明顯改變了煤礦采動區周圍的地震波動場;煤礦采空區會加重地震的破壞，地震對礦區地下結構及地面建筑的破壞更為嚴重。目前的采礦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;而對礦區建筑物的設計工作，沒有較好的將建筑物的抗震性能設計與抗變形設計統一起來。因而開展對礦區地層、地下結構與地面建筑結構的地震動力響應及災變控制的研究，具有重要的理論意義與現實意義。

1 煤礦采動建筑安全研究的緊迫性與嚴峻性

2012年9月7日11時19分，云南省昭通市彝良縣與貴州省畢節地區威寧彝族回族苗族自治縣交界發生5.7級地震。新聞媒體以《彝良地震之痛:奪命煤礦采空區》為題報道了該地區95%以上的農民自建房屋都不具備抗震的條件，由于煤礦企業開采形成的煤礦采空區，更加劇了地震的破壞性。礦區實際震害表明:煤礦采空區嚴重加劇了地震災害荷載的破壞性，煤礦采動損傷建筑的保護問題是礦區建設發展的瓶頸問題 (劉書賢等，2013a，b，2014a，b，c，d，e，2015;魏曉剛，2011，2015;李海軍等，2015)。

自1976年唐山發生7.8級大地震以來，我國的學者和科研人員就開始關注地震作用下煤礦采空區及地面建筑的安全問題 (胡聿賢，2006;歐進萍，2003;周福霖，1997)。在調查分析煤礦采動區的地震災害的基礎上，一些學者發現由于煤礦地下巷道結構及煤礦采空區的存在，地震波的傳播在發生改變的同時會嚴重影響煤礦巷道及巖層的應力場分布演化。由于地面建筑物的結構形式、強度儲備等諸多隨機模糊因素的存在，目前尚不能對煤礦采空區對建筑物的抗震性能的擾動規律進行定量分析判斷。因此開展煤礦采動區的地震穩定性研究，對于煤礦采空區的工程建設場地的規劃選擇、地面建筑物的抗震性能具有十分重要的現實意義。由于專業學科的限制，煤礦采動建筑的地震安全問題具有其特殊性:煤礦采動區由于煤礦開采導致巖 (土)層發生移動變形破斷，巖層的移動變形屬于礦山開采沉陷領域，主要涉及到巖體力學、開采沉陷學以及采礦工程學;煤礦采動建筑物的地震安全屬于土木工程領域，主要涉及到地震工程學、結構動力學、工程結構抗震等學科;目前國內外采礦工程領域的專家較少涉足結構工程領域，而土木工程領域的學者則對采礦工程的關注相對較少，導致煤礦采動建筑的地震災變與防控相關研究發展受阻。煤礦采動建筑物地震災變防控問題的特殊性和嚴峻性導致煤礦采動 (空)區的地震安全問題愈發嚴重。

我國礦區由于高強度、大面積的持續開采，導致煤礦采空區建筑物安全問題越發突出，采煤沉陷區建筑物損傷破壞現象日益嚴重①煤科總院唐山分院，徐州礦務局.1995.徐州莊礦大戶群高潛水位就地重建村莊下采煤技術研究報告.(查劍鋒等，2005;蘇仲杰，劉文生，2001;趙德深，2000;楊逾，2007;段敬民，2005;于廣云等，2004;常虹，2013;孫冬明，2010)。加之我國有80%的礦區處于抗震設防區，所以采煤沉陷區的建筑物不僅需要承受采煤沉陷的危害，同時也面臨著地震災害的威脅;因此研究采煤沉陷區建筑物的抗震性能也是礦區工程建設迫切需要解決的問題。

地下煤炭資源的開挖對地下工程圍巖產生擾動，使地下原有應力狀態發生改變，引起圍巖的應力重新調整，這就使圍巖材料發生了隨時間變化的蠕變特性，所以煤礦沉陷區地表的沉降變形一般持續時間比較長。煤礦采空區會加重地震的破壞，開采沉陷變形導致建筑物破壞問題異常嚴峻，嚴重影響礦區的環境保護、經濟發展和社會穩定，煤礦采動區建筑物抗震抗開采沉陷變形保護的研究已成為一個亟待解決的問題①煤科總院唐山分院，徐州礦務局.1995.徐州莊礦大戶群高潛水位就地重建村莊下采煤技術研究報告.(查劍鋒等，2005;蘇仲杰，劉文生，2001;趙德深，2000;楊逾，2007;段敬民，2005;于廣云等，2004;常虹，2013;孫冬明，2010)。

煤礦采動建筑物保護是涉及采礦、地質、巖土、結構、防災減災等多學科的綜合性、交叉性問題，采動區建筑物的變形破壞多是由于地下煤炭的開采引發的開采沉陷，產生了附加應力而引起的建筑物發生傾斜、出現裂縫等一系列問題。由于受到煤礦采動區地質條件的物理力學的性質以及煤炭的開采方法、開采面積、開采順序等開采因素的影響，加之建筑物的結構型式、地基土性質與承載能力、基礎與結構的強度剛度和整體性、基礎的穩定性以及建筑物在煤礦采動區的位置等因素，給理論計算和力學模型的建立與分析帶來了很大的困難。

對于煤礦采動區建筑物的損害防治與保護，國內外的專家學者等科技工作者都開展了大量的科學研究工作 (查劍鋒等，2005;蘇仲杰等，2001;趙德深，2000;楊逾，2007;煤科總院唐山分院等，1995;段敬民，2005;于廣云等，2004;常虹，2013;孫冬明，2010)，無論是從采礦工程(如煤炭資源的各種開采方法以及開采沉陷變形控制)還是從土木工程 (如對采動區建筑物進行加固維修或者是采取相應保護措施)等方面，取得了大量有益的科研成果 (井征博等，2011，2010;吳艷霞，2012;周長海，2010;張春禮，2009;楊鑫欣，2011;于廣云，2009;段敬民，1998;張永波，2005;吳啟紅，2010;羅一忠，2005;王金東，2013;陳炎光，陳冀飛，1996;Dobry，Gazetas，1986)。但是目前從礦區現場的實際調查和觀測的結果來看，地下煤炭資源的開采對地表建筑物的損害與破壞并非與現有的理論成果相一致(魏曉剛，2011，2015)，甚至與一些理論成果的差異還比較大。煤礦采動應力會導致建筑物產生一定的損傷破壞 (次生損傷)，該量級的次生損傷在強地震場作用下會逐漸累積、演化，對煤礦采動區的建筑物的整體穩定性和安全性構成極大的威脅。由于地面建筑物的設計方法均是單獨考慮建筑的抗震設計 (普通地區)或抗變形(煤礦采空區)，而煤礦采動區建筑物在受到地下煤炭開采擾動的條件下是否經得起地震的破壞影響，尤其是破壞形式及災變演化過程如何尚無從得知。地下煤炭資源開采引起采場圍巖變形破壞產生采動裂隙，采動裂隙是礦山一系列災害的根源，礦區建筑物不僅要受到煤炭開采引起的采動損害的影響，還要承受地震所產生的震害。基于此，繼續不斷深入的開展煤礦采動損害與地震對地面建筑的雙重作用致災機理的理論研究就顯得十分重要。

2 煤礦采動建筑安全性的研究現狀

2.1 煤礦采動建筑安全性研究的不足

目前對礦區的建筑物通常采取的保護措施主要可以分為:(1)通過提高采動區建筑物的整體剛度，來提高建筑物抵抗開采沉陷變形的能力;(2)通過現有采礦工藝和方法的改進，或者直接在地表采取離層注漿的方法來有效減緩沉降的方法 (查劍鋒等，2005;蘇仲杰等，2001;趙德深，2000;楊逾，2007;煤科總院唐山分院等，1995;段敬民，2005;于廣云等，2004;常虹，2013;孫冬明，2010)。綜合以上因素，巖層移動變形對建筑物的損傷破壞不容忽略，所以需要同時考慮煤礦采動區地基土—基礎—上部結構的相互作用(夏軍武等，2007，2002;鄭玉瑩等，2012;譚志祥，2004)，將三者視為一個整體結構體系，并考慮他們之間的協同工作關系 (煤礦采動區土—結構相互作用不僅指地震作用下土—結構動力相互作用，也指在煤礦采動過程中地基—基礎—上部結構之間的協調變形作用)，采取合理的保護措施來吸收或減緩地表的移動變形，提高建筑物自身的抗變形能力，消除開采沉陷變形對建筑物的危害。

雖然煤礦采動損害影響下建筑物保護理論取得了豐碩的研究成果 (夏軍武等，2007，2002;鄭玉瑩等，2012;譚志祥，2004)，但是，對于煤礦采動損傷建筑的研究主要存在以下不足之處:(1)注重一般自然環境的研究，對于煤礦地面復雜工業環境 (煤礦沉陷區)缺乏定量認識;(2)注重常規工業與民用建筑損傷劣化研究，對于煤礦地面建筑物嚴重損傷劣化程度缺乏定量的系統認識;(3)注重單一因素或少量因素作用的研究，對于地震作用下煤礦采動建筑的損傷劣化物理模擬試驗和機理研究缺少系統性;(4)現有鋼筋混凝土結構的可靠性評價理論注重一般自然環境，不能體現煤礦地面復雜環境 (煤礦沉陷區)的特殊性 (煤礦采動致災、煤礦采動與地震聯合致災)及復雜性。

對煤礦采動區建筑物進行保護需要同時開展煤礦采動建筑物抗開采沉陷變形隔震保護體系的研究 (劉書賢等，2013a，b，c，d，2014a，b，c，d，e，2015;魏曉剛，2011，2015;李海軍等，2015)，抗開采沉陷隔震保護的原則可概括為:在小于地震設計烈度或由于采動影響而引起的地表移動變形較小時，建筑物構件不開裂或僅產生微小變化;當發生罕遇地震時或較大的地表移動變形時，允許建筑物在抗開采沉陷隔震保護體系的保護下，使抗開采沉陷隔震保護體系首先發生破壞，盡量保證建筑物的整體不被破壞。煤礦采動區建筑物抗開采沉陷隔震保護體系是針對地基變形進行建筑物保護設計的同時，還應考慮建筑物的抗震性能設計。建筑物的抗采動保護與抗地震保護是對立統一的，抗震設計和抗變形設計的共同點是提高建筑結構的抗變形能力 (開采沉陷變形是長期緩慢的變形，地震則短時間的劇烈變形破壞)(魏曉剛，2011，2015)。

2.2 煤礦采動損害影響下的建筑物災變分析

煤炭資源開采后所形成的地下洞室結構 (煤礦采空區)在上覆巖層的自重應力作用下，煤礦采空區的巖層結構會逐漸產生彎曲、冒落、下沉甚至于破裂現象，在形成“彎曲帶”、“冒落帶”、“裂隙帶”后 (圖4)，煤礦采空區周圍的圍巖結構體系會形成暫時的穩定平衡狀態 (何國清，楊倫，1994)。隨著煤炭資源的持續開采，巖層移動變形破壞的范圍會不斷擴大。在上覆巖層的自重應力作用下，煤礦采空區上覆巖層會不斷的經歷“失穩—穩定—再失穩—再穩定”的演化過程，此時煤礦采空區的空洞 (隙)的巖層會逐漸壓實，波及到地面就表現為地表沉陷。

圖4 煤礦開采形成的三帶Fig.4 Three zones caused by mining subsidence

煤礦采動建筑的損傷破壞主要與煤炭開采引起的巖層移動變形破斷有關，煤礦采空區上覆巖層的移動變形不斷波及地表，地表會產生不同形式的移動變形 (通常為開采沉陷變形)。開采沉陷變形在地表的表現形式主要為:下沉、傾斜、地表曲率、地表水平變形、剪切變形以及扭轉變形等。

(1)地表下沉對地面建筑的損傷破壞

巖層的移動變形破壞波及地表，引起地表發生均勻下沉現象的時候，地面建筑一般只會產生整體下沉現象，此時由于地表幾乎不對地面建筑產生附加應力，所以地面建筑的損傷破壞較小;如果煤礦開采區域的地下水位較高時，地面建筑基礎所處的環境則轉變為潮濕的環境，容易引起基礎強度降低，導致地面建筑破壞倒塌。

(2)地表傾斜對地面建筑的損傷破壞

煤礦開采引起的地表移動變形容易導致建筑物傾斜，此時地面建筑的重心及中心發生偏離而產生了傾覆力矩，傾覆力矩對地面建筑物所產生的附加應力是其損傷破壞的災害源。

(3)地表曲率變形對地面建筑的損傷破壞

煤礦開采沉陷變形容易引起地表由初始的平面狀態向曲面狀態變化，進而破壞了建筑物基礎底面及建筑物荷載之間的力學平衡狀態 (圖5)。地表曲率變形分為正曲率變形和負曲率變形，底面建筑物在地表曲率變形的影響下，地基反力會發生應力重分布現象;如果曲率變形對底面建筑所產生的附加應力 (或剪力)超過了地面建筑的結構構件 (尤其是基礎)的承載能力極限狀態，則容易引起地面建筑發生損傷破壞現象。

圖5 地表曲率變形對建筑物的影響Fig.5 Influence of surface curvature deformation on structure

(4)地表水平變形、剪切變形以及扭轉變形對地面建筑的損傷破壞

煤礦采空區地表的移動變形主要可以分為水平變形、剪切變形以及扭轉變形，煤礦采空區地面建筑物的損傷破壞多為以上幾種變形的單獨作用或者幾種變形的耦合作用所引起，不同的變形所引發的建筑物破壞形式有所區別:水平變形容易引發建筑物的張拉破壞，尤其是在建筑物的門窗洞口等薄弱部位;剪切變形容易引起建筑物的基礎與上部結構發生相對錯 (轉)動，繼而引發建筑物的損傷破壞;扭曲變形則會引發建筑物產生較大的附加應力，引起建筑物發生扭曲變形，影響其正常使用。

2.3 煤礦采動區建筑保護的研究進展

波蘭主要是采用條帶開采的方法來提高煤炭開采的回采率及控制地面下沉，在多年的工程實踐之后波蘭的條帶開采方法的回采率在保證下沉系數為0.05～0.1時基本可以達到50% ～60%;波蘭在開采完成后對于采空區的處理主要是采用密實水砂充填的方法來實現煤礦采空區的安全性(劉天泉，1986)。采用水砂充填方法進行填充煤礦采空區時要求砂子必須滿足以下條件:保證壓縮率為5% ～6%時，要求含泥率≤10% ～20%，此時采區地表的下沉系數約為0.1～0.15。英國在進行建筑物下采煤的時候，主要是采取房柱式的開采方法來保證每天的開采率以及合理的實現地面建筑物保護。德國曾經采用破碎后的煤矸石以及爐渣作為煤礦采空區的填充材料，以減緩地表的移動變形和減輕對建筑物的采動損害 (英國煤炭局，1980)。波蘭還曾經利用不同礦山之間的協調開采方法、全部回采不留煤柱的開采方法以盡可能的減小和控制煤礦采空區的移動變形，以達到保護地面建筑物的目的 (劉天泉，1986)。

20世紀70、80年代，Sergeant(1992)曾先后分析研究了地下煤炭開采對地面公路、建筑物的損傷破壞，尤其是在公路下采煤及建筑物下伏采空區的區域采取合理的開采方法獲得了大量有益的研究成果;Peng(1992)根據煤礦采空區復雜的工程地質條件，在前人研究的基礎上提出了煤礦采空區建筑物盡可能采取對稱結構，以保證可以及時的控制煤礦采動引起的開采沉陷變形對建筑物的損害;Begley等指出要控制煤礦采空區地表的水平變形和垂直變形可以通過采用Expansion Joints(膨脹接頭)的保護方法來實現。德國的研究人員對于煤礦采動區建筑物的保護主要是采用彈簧來抵抗地表的移動變形以達到保護地面建筑的目的，但是其成本相對較高 (克拉茨等，1984)。

與國外的三下采煤技術及建筑物保護相比，我國的煤礦采動區建筑物保護的研究工作開展相對較晚:牛宗濤 (2008)基于礦山開采沉陷理論，通過對煤礦采動損害影響下的建筑破壞的實地考察，利用有限元數值軟件對煤礦采動損害建筑進行數值模擬，并與實際采動損害現象進行了對比分析，提出了合理的煤礦采動建筑的抗變形加固措施;夏軍武等 (2007，2002)，鄭玉瑩等(2012)和譚志祥 (2004)基于力學理論及礦山開采沉陷學，通過理論分析建立同時考慮上部建筑結構—條形基礎—下部地基的協同力學模型，重點探討了煤礦開采過程中上部建筑結構在適應地表移動變形的過程中結構內力的變化過程以及相應的影響因素，得到了由于地表移動變形導致煤礦采動建筑物所產生的附加內力的計算公式，在以上研究基礎上，設計了安裝在框架結構的主動抗變形支座裝置，以保證建筑物可以適時適應地表的移動變形。

譚志祥和鄧喀中 (2004)通過理論研究發現地表移動變形對建筑物損傷破壞主要是以附加內力的方式對建筑物進行加載，在此基礎上建立煤礦采動區建筑物上部結構—基礎—地基的整體力學模型，并對地表移動變形對建筑物所產生的附加內力進行了計算;查劍鋒等 (2005)在實驗研究的基礎上，通過對實驗數據分析研究發現要實現煤礦采動區建筑物的保護，首先需要控制地表的移動變形，而離層注漿減沉技術則是控制地表沉陷比較理想的技術;蘇仲杰和劉文生 (2001)根據煤礦采動所引起的地表移動變形及地面沉降，建立了煤礦采空區的上覆巖層產生離層的力學模型，對其覆巖離層的力學機理進行了深入全面的探討研究，并對充填材料與上覆巖層相互作用的機理進行了總結，確定了合理的離層充填注漿設備 (系統)。趙德深 (2001)研究了煤礦采空區覆巖離層充填減沉機理，采用薄板小撓度方法重點分析了煤礦采空區的上覆巖層離層產生的機理及控制方法，所得的研究成果可以為控制煤礦采空區上覆巖層的離層產生及控制地表移動變形提供參考和借鑒;蘇仲杰 (2001)針對煤礦采空區覆巖離層注漿控制地表移動變形尚不完善的問題，利用相似材料開采試驗與數值模擬分析計算相結合的方法，重點研究了煤礦采空區上覆巖層離層發育機理、影響因素及控制方法，并將研究成果在礦區進行了實際應用;楊逾 (2007)針對礦區垮落帶注巖層移動變形破斷的問題，采用粉煤灰漿體對垮落帶破碎巖體進行填充，并研究了充填后巖體的本構方程及移動變形的計算方法，并在邯鄲礦區進行了工程應用。原煤炭科學研究總院通過大量的工業實驗研究設計出了盒子房屋，該房屋不僅可以有效的抵御開采沉陷變形所引起的地表移動及沉降，并且可以實現隨時搬遷，提高了建筑物的可利用性①煤科總院唐山分院，徐州礦務局.1995.徐州莊礦大戶群高潛水位就地重建村莊下采煤技術研究報告.;段敬民(2005)根據煤礦采動所引起的地表沉降特點研制出了一種特殊的建筑物基礎，該基礎為可升降點式基礎，可以較好的抵抗地基不均勻沉降，以達到保護煤礦采動區建筑物的目的。

2.4 煤礦采動區土—結構相互作用研究的不足

煤礦采動區建筑物地基、基礎與上部結構的相互作用與一般地區的建筑物三者之間的相互作用機理不同 (夏軍武等，2007，2002;鄭玉瑩等，2012;譚志祥，2004;劉書賢等，2013a，b，2014a，b，c，d，e，2015;魏曉剛，2011，2015;李海軍等，2015):地下煤炭開采所引起的地表移動變形，導致采動區建筑物地基變形。在煤炭開采過程中因為煤炭開采所產生的擾動效應導致地基土基本的物理性質和力學性能隨著煤炭的開采而不斷變化;未采動建筑物的地基則由于開采沉陷變形的影響，再加之其上建筑筑物的自重會再不斷加載到地基土上，導致地基產生應力重新分布的現象。采動區建筑地基—基礎之間原來彼此相互連接或接觸的狀態，在地表發生移動變形后仍然部分或整體處于相互連接或接觸。而現有采動區建筑物的設計計算中通常不考慮地基、基礎與上部結構的相互作用，并且在結構的動力學性能計算時，往往將上部建筑結構視為絕對剛性體，同時將位移邊界條件與力的邊界條件進行轉換(直接施加強迫位移)，此時的計算所得的結果與實際之間相距甚遠。

目前煤礦采動區建筑物抗開采沉陷變形抵抗地震保護中涉及到地基土—基礎—上部結構之間相互作用關系的研究成果很少，并且主要存在以下不足 (夏軍武等，2007，2002;鄭玉瑩等，2012;譚志祥，2004;劉書賢等，2013a，b，2014a，b，c，d，e，2015;魏曉剛，2011，2015;李海軍等，2015;于廣云，2009):

(1)煤礦采動區地基土、基礎與上部結構之間的相互作用的理論模型和動力學方程尚未建立，并且采動區地基土特有的內力變化過程:“地基土變形—基礎切入—應力重新分布”這一過程現有理論不能較好的解釋和闡述，即當地基土曲率變形逐漸增大時，建筑物基礎的切入量也隨之增大，目前對地基土、基礎之間相互作用和影響的變形規律認識不充分，使得實際計算出來的地基土附加反力值與實際的監測值有較大的差別。

(2)由于地下煤炭開采所引起的開采沉陷變形，在引起將采動區建筑物地基反力實際上是不對稱的，而現有的理論通常假設由于采動所引起的建筑物地基反力為絕對對稱的，由此而造成理論計算的誤差偏大。

(3)煤礦采動區地基土的曲率變形導致建筑物產生曲率變形，由于兩者之間剛度的差異，從而使采動區建筑物存在著加載區和卸載區，可能出現嵌入區和懸空區;但基礎切入地基量尚無可實用的計算方法，嵌入區和懸空區的長度也難以確認。

(4)煤礦采動區建筑物地基、基礎與上部結構之間的相互作用尚未進行深入研究:因為建筑物剛度對地基反力的和分布的影響很大。而現有的計算理論是基于采動區建筑物的變形與地基的移動變形同步的假定，即不考慮建筑物剛度的大小，均按照地表曲率變形值進行計算。

3 煤礦采動損傷建筑物的地震災變分析

3.1 煤礦采動與地震對建筑物的成災機制探討

煤礦采空區巖層的移動變形與地震災害對建筑物的破壞有所不同:煤礦開采引起的巖層移動變形是長期緩慢發展的變形，對建筑物的破壞也是隨時間逐漸發展起來的;地震災害對建筑物的破壞則是短時間內劇烈的破壞，煤礦開采沉陷變形會導致建筑物產生一定的損傷破壞 (次生損傷)，該量級的次生損傷在強地震場作用下會逐漸累積、演化，這兩種不同層次的損傷如何演化發展，目前尚沒有清晰系統的理論。但是煤礦采動損害與地震災害對建筑物的損傷破壞具有相同(通)之處:二者對建筑物的荷載傳遞途徑都是通過“場地—基礎—上部結構”來實現對建筑物的損傷破壞，并且建筑物的破壞過程中都伴隨著建筑物的損傷和能量的耗散演化，因此可以根據損傷力學及能量理論，通過分析其荷載傳遞途徑來建立煤礦采動損害以及地震災害對建筑物損傷破壞的內在聯系。

采煤沉陷區由于巖層的移動變形破斷導致其巖層環境相對要復雜些，所以當煤礦采空區發生地震時，地震波在煤礦采空區的傳播更為復雜:不僅需要考慮地震波從基巖部分傳播入射到煤礦采空區底部，同時也要考慮在煤礦采空區可能會出現多個迎波邊界，并且在煤礦采空區不同位置的波動情況差別較大。綜上可知，煤礦采空區的破斷巖層屬于松散介質，其介質的不均勻性及局部幾何的不規則性對地震波的傳播影響均較大，需要采取合理的計算方法對其進行研究。圖6為煤礦采空區發生地震時的地震波傳播示意圖。

圖6 煤礦采空區地震波傳播示意Fig.6 Sketch of propagate of incident seismic waves in mining areas

3.2 煤礦采動區建筑物地震動力災變的研究現狀

國外關于建筑物下采煤技術及煤礦采動區建筑物保護等方面的研究工作開展的相對較早，其中德國是最早開始煤礦采動區建筑物保護相關理論及技術的研究，克拉茨 (1984)撰寫的專著《采動損害及其防護》成為德國建筑物下采煤技術發展的標志性里程碑;波蘭、前蘇聯在煤炭條帶開采技術方面做出了巨大的貢獻;英國和日本曾經對建筑物下的煤炭資源采用房柱式開采方法進行開采。

由于煤礦采動區建筑物保護問題屬于三下采煤 (建筑物下、水體下、道路與鐵路下)領域，所以在國內關于煤礦采空區建筑物保護的研究，主要以煤炭院校為核心骨干研究力量;在國家自然科學基金的支持下 (表1)，煤礦采動區建筑保護方面的研究得到了長足發展。

原煤炭科學技術研究總院唐山分院的崔繼憲研究員較早開始進行關于煤礦采動區建筑的抵抗地表移動變形及抵抗地震的雙重保護研究，是該方面研究的開拓者，之后在中國礦業大學、青島理工大學、河南理工大學、遼寧工程技術大學以及大連大學等學者相繼開始了該方向的研究工作。

表1 煤礦采動區建筑物保護方面的部分國家自然科學基金Tab.1 Partial National Natural Science Foundation of China about protection of buildings in coal mining area

表2 國內開展煤礦采動建筑保護的重點實驗室Tab.1 Key laboratory of China about protection of buildings in coal mining area

目前在中國的高等院校及研究所 (表2)先后形成了以中國礦業大學夏軍武教授、袁迎曙教授、于廣云教授為代表的江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性重點實驗室，該實驗室明確提出以開展建筑物抵抗地表移動變形和抗地震的雙重保護研究為該實驗室的重點研究方向;在遼寧工程技術大學形成了以劉文生教授、蘇仲杰教授及楊逾教授為代表的以研究礦山開采損害防護為研究特色的遼寧省礦山沉陷災害防治實驗室，其中該校的劉書賢教授也開展了煤礦采動區建筑物地震災變防護相關的研究工作，王來貴教授所帶領的科研團隊主要在煤礦采動損傷地層的穩定性及演化災變方面開展了大量的研究工作;在青島理工大學則形成了以于廣明教授、王謙源教授為代表的以從事地下開挖損害鑒定、地表沉陷與工程效應研究的山東省巖體損害防護與地表沉陷治理工程技術研究中心和青島理工大學礦山充填技術與地壓控制研究所;在大連大學形成了以麻鳳海教授為代表的以研究礦山開采沉陷變形及地下結構系統穩定為特色的遼寧省復雜結構系統災害預測與防治實驗室;在河南理工大學則形成了以郭文兵教授為學術帶頭人的煤礦采動損害與保護河南省創新型科技團隊;在西安科技大學形成了以伍永平教授為實驗室主任的陜西省巖層控制重點實驗室;山東科技大學、安徽理工大學及煤炭科學技術研究院有限公司 (尤其是唐山分院)也進行了煤礦采動損害防護的大量研究工作。

當煤礦采空區隸屬于地震區時，煤礦采動區建筑物需要同時承受煤礦采動損害引起的開采沉陷變形作用及地震的動力破壞作用。目前國內的專家學者關于煤礦采動區建筑物的抵抗開采沉陷變形和抵抗地震動的研究已經開展了一些研究工作:夏軍武等 (2007，2002)、鄭玉瑩等 (2012)、譚志祥 (2004)通過對煤礦采動區框架結構抗震性能的研究，指出了在對煤礦采動區建筑物進行設計時，需要同時考慮煤礦采動損害與地震對建筑物的破壞作用;中國礦業大學的夏軍武先后主持了國家自然科學基金項目《采動區橋體結構整體穩定機理研究》、《采動區框架結構建筑物整體穩定機理研究》以及教育部跨世紀人才基金項目《采動區多層建筑物穩定機理研究》，在國家自然科學基金的支持下得到了許多重要研究成果 (夏軍武等，2007，2002;鄭玉瑩等，2012;譚志祥，2004):根據煤礦采動區擾動土的破壞實驗，綜合考慮煤礦采動區地基土與上部框架結構之間的相互作用，建立了同時考慮煤礦采動區上部框架結構—獨立基礎—地基土的協調變形統一體的理論模型，該理論分析模型綜合考慮了煤炭開采過程中所引起的地表移動變形的動態變化過程，指出了煤礦開采沉陷變形與煤礦采動建筑物的附加內力的關系，推導建立了煤礦采動區框架結構的附加 (變形)內力的理論計算公式，并設計出了安裝在框架結構的主動抗變形支座裝置;通過分析影響煤礦采動區框架結構建筑物整體穩定性的因素，探討了開采沉陷變形影響下的煤礦采動區框架結構建筑物的極限能力，初步得到了煤礦采動區框架結構的抗地表移動變形的保護措施。常虹(2013)通過理論分析、試驗研究、數值模擬與現場調研應用相結合的研究方法，重點研究了煤礦采動區水閘結構損傷破壞過程，在綜合考慮煤礦采動區水閘結構與地基土 (協調變形)相互作用的基礎上，提出了對已破壞水閘結構合理化的加固設計方案以及煤礦采動區新建抗變形水閘的設計建議;孫冬明 (2010)通過建立煤礦采動區輸電塔—線的整體有限元模型，根據地下采煤工作面的推進方向與輸電塔導線走向的不同，重點研究了煤礦采動區輸電塔-線的內力變化，同時給出煤礦采動區輸電塔的安全評價，為煤礦采動區輸電塔—線體系的加固提供參考。

在國家自然科學基金的支持下，路世豹老師完成了科研項目《地震區煤礦采動建筑物雙重保護的基礎理論研究》的研究工作，該項目主要研究煤礦采空區地表移動變形對建筑物的損害在地震作用下的破壞倒塌機制 (井征博等，2011)，初步揭示了煤礦采動損害影響下的建筑物損傷演化規律以及地震作用下的災變過程，但是并沒有較好的解釋煤礦開采沉陷變形以及地震這兩種截然不同的災害荷載是如何影響和破壞建筑物，如何構建搭接這兩種災害荷載對建筑物損傷破壞的橋梁。井征博 (2010)利用有限元數值計算軟件ANSYS建立了鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，采用沉降的方法來模擬地表的移動變形，初步得到了鋼筋混凝土框架—剪力墻結構在同時考慮煤礦采動與地震荷載效應下的損傷破壞過程，但在沒有考慮地基土對結構的影響，所得到的結果是偏于安全的;吳艷霞 (2012)根據青島地區地鐵施工的工程背景，研究了地下地鐵隧道結構施工過程中引起的地面沉降對建筑物的損傷破壞，采用模糊數學的分析方法對地鐵上方建筑物的安全防護等級進行了判斷，提出了適用于適合青島濱海地區地鐵隧道結構上方建筑物損傷評判標準;周長海 (2010)利用SAP2000軟件研究了沉降荷載和地震荷載作用下建筑物的內力響應，重點分析了結構塑性鉸的形成發展過程;但是由于SAP2000較好的結構的彈性力學行為，不能較好的實現結構的塑性力學行為，容易造成數據誤差;張春禮(2009)基于ANSYS軟件建立了鋼筋混凝土框架結構，通過分析煤礦采動與地震災害荷載雙重作用下框架結構的力學響應及塑性鉸發展，指出對于煤礦采動區建筑物而言必須考慮建筑的抗采動設計和抗震設計;楊鑫欣 (2011)通過ANSYS軟件建立了高層框架結構，重點研究了煤礦采動損害與地震聯合作用下位移的時程曲線，并初步進行了結構損傷評估工作。

于廣云 (2009)以淮南礦區為工程背景，重點研究了煤礦采動區大變形影響下的土體物理力學性能的變化規律，提出了煤礦采動擾動率的概念，為煤礦采動區建造抗變形建筑以及加固設計提供參考;段敬民 (1998)通過建立煤礦沉陷區的建筑物—基礎—地基共同作用協調變形的整體力學模型，分析了煤炭開采過程中對建筑物所產生的附加作用力，提出了可移動及升降點式基礎的煤礦采動建筑物的保護方法，為煤礦沉陷區的建筑物的抗震加固提供參考和借鑒;譚志祥(2004)采用現場調研、試驗研究、理論分析與數值模擬相結合的方法建立煤礦采動區的建筑物—基礎—地基協調變形的整體力學模型，分析了地表移動變形影響下不同參數變化所導致的煤礦采動建筑物附加應力的變化趨勢，并提出了煤礦采動裂縫角的概念及其煤礦采動建筑破壞等級評判標準及保護措施;張永波 (2005)針對煤礦老采空區建筑物地基穩定性不足的問題，通過分析煤礦采空區上覆巖層、采礦工程的設計參數以及建筑物的自重荷載，通過現場工業實驗重點研究了煤礦老采空區建筑損傷破壞及地基失穩機理，可以為煤礦老采空區建筑物加固處理及設計提供參考。劉書賢等 (2010，2011a，b)通過深入礦區實地考察煤礦采動損害現場，采用理論分析與數值計算相結合的方法研究了煤礦采動損害荷載與地震災害荷載聯合作用下建筑物災變過程，重點探討了兩種災害聯合作用下建筑物的內力響應，建立了煤礦采動區建筑物的抗震抗變形雙重保護裝置，并進行了考慮土—結構相互作用的煤礦采動建筑抗震抗變形雙重保護裝置的減震性能的研究工作，但是沒有指出如何將煤礦采動損害與地震荷載對建筑物的損傷破壞聯系起來;劉書賢等(2014b)從能量角度分析了建立煤礦采動建筑的地震災變演化過程，指出了可以從能量角度分析建筑物的煤礦采動損傷與地震損傷。

目前對于煤礦采空區巖層移動變形的控制及煤礦采動建筑物的抵抗地表變形技術已經取得了豐碩的研究成果，但是對于煤礦采動損傷建筑在地震作用下的災變演化機理及控制尚存在著不足，尤其是考慮煤礦采動區建筑同時抵抗地表移動變形 (長期的變形)和抵抗地震動的大變形 (短時間內的變形)相關的研究尚不完善，尤其是如何建立建筑物的煤礦采動損傷與地震損傷的內在聯系，這是研究煤礦采動損傷建筑抗震性能劣化的核心和關鍵問題，通過合理的方法建立煤礦采動損害與地震損害聯系的橋梁與紐帶是研究地震區煤礦采動建筑抗震性能迫切需要解決的學術問題。

4 煤礦采動區建筑物地震動力災變防控亟待解決的學術問題

煤礦環境的復雜性、惡劣性，對建筑物的安全性、耐久性等產生了嚴重威脅。現行的《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)關于建筑物的抗震設計方法主要是基于自由場地來假設建筑周圍的區域，但是對于礦區建筑而言，地震發生煤礦采空區的存在對其動力響應的影響效應不可忽略。地震發生時，煤炭開采后形成的采空區的邊界區域改變了地震波的傳播，對地面建筑的動力響應有較大影響;所以地震作用下煤礦采空區的抗震安全問題、煤礦采空區與地面建筑物動力響應的相互影響的互饋機制的問題是研究煤礦采空區及地面建筑的地震安全的重要課題。針對煤礦采動損害影響下建筑抗震性能劣化致災的安全問題，要想對煤礦采動區建筑物地震動力災變防控開展系統化的研究工作，首先需要解決以下問題:

(1)煤礦采動區復雜地質環境 (采動損傷地層)地震動特性與災變演化分析:煤礦采動損傷地層的震源特性模型、地震波傳播路徑范圍內(區域尺度)的損傷地層介質模型及煤礦采動區的局部場地介質模型的選取，地震動場分析模型邊界約束條件的合理假定，煤礦采動區地震動場的時空分布規律，煤礦采動區復雜地下結構、復雜地形、斷層系統對地震的影響是理論分析、試驗研究和數值計算中擬解決的關鍵問題之一。

(2)煤礦采動區復雜工業環境下建筑物抗震性能劣化及煤礦采動對建筑物抗震性能的擾動規律研究:根據建筑物所處的自然環境、生產環境和力學環境，從材料、構件和結構層次探討煤礦沉陷區復雜環境下建筑物抗震性能劣化的影響因素，分析復雜災害因子耦合作用下建筑抗震性能的劣化過程，得到礦區復雜多變的災害演化系統對建筑物抗震性能的劣化機制;分析煤礦采動區巖層的移動破斷對建筑物抗震性能的影響，建立煤礦采動損害影響下建筑物的災變機制，重點探討煤礦采動對建筑物的損傷機理，研究煤礦復雜工業災害演化系統對建筑物的侵蝕破壞，揭示煤礦采動損害影響下的建筑結構損傷失效機制，形成煤礦采動損害影響下的建筑物修復加固及維護方法，最終建立礦區復雜多變的災害演化系統環境下既有建筑結構的可靠性設計理論。

(3)煤礦采動損害與地震災害雙重作用下建筑物性能損傷破壞演化機理:煤礦采動引起的建筑物次生損傷在地震動荷載作用下漸進破壞的演化進程中的宏細觀結構特征與力學屬性，合理的非線性靜、動力強度準則與采動損傷本構模型，煤礦采動與地震雙重作用下建筑物抗震性能參數及宏觀損傷的綜合影響機制。通過理論研究、試驗和數值分析手段深入研究地震區煤礦采動建筑物性能損傷演化機制，得到煤礦采動對建筑物抗震性能的擾動規律，提出煤礦采動與地震雙重作用下建筑物抗開采沉陷減震控制技術，是迫切需要解決的一個關鍵科學問題。

(4)煤礦采動區新建建筑物抗開采沉陷變形隔震保護理論與方法:研究煤礦采動與地震雙重作用下建筑抗開采沉陷減震控制原理，提出考慮煤礦采動損傷地層場地條件影響的結構減震控制方法;研究煤礦采動與地震雙重作用下抗開采沉陷變形隔震保護控制裝置力學性能劣化規律，建立相應的力學模型;研究煤礦采動區建筑物非線性損傷控制策略，建立結構減震控制體系的損傷控制及全壽命抗震性能設計方法和理論體系，構建煤礦采動區建筑物地震失效模式控制理論體系，建立煤礦采動區新建建筑物抗開采沉陷變形隔震保護體系的損傷控制體系，給出煤礦采動區新建建筑物抗開采沉陷變形隔震保護設計方法與建議是另一個關鍵科學問題。

要想真正解決煤礦采空區建筑物災變問題，首先需要解決煤礦開采引起的巖層移動變形破斷問題，最大限度的控制巖層移動變形對建筑物的損傷破壞，目前控制巖層移動變形最為理想的煤炭開采方法為采煤充填方法，以減緩煤炭開采引起的地表移動變形;其次采取合理的煤礦采動建筑物抗開采沉陷變形隔震保護技術措施，以保證煤礦采動建筑物在一定范圍內可以抵抗 (或適應)地表移動變形，同時在發生地震時，也可以較好的減少地震災害能量對煤礦采動區地面建筑物的動力破壞;基于此要想真正解決煤礦采動區建筑物的地震動力災變防控問題，需要采取“地下采煤充填控制巖層移動—地面建筑抗開采沉陷變形隔震保護技術措施”的煤礦采空區建筑保護理念，保證礦區工程建設的安全健康發展。

5 煤礦采動建筑地震動力災變與防控研究的發展趨勢

隨著煤炭資源持續高效的開采，遺留的煤礦采空區以及廢棄礦井巷道將會成為各種衍生災害的隱患，加之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要建立在煤礦采空區場地上，但是煤礦采空區場地是否穩定，并在其上建造建筑物值得商榷，并且目前關于煤礦采空區地面建筑物的地震動力災變更多的是局限于探索性研究階段，尚未形成系統化的研究成果及理論(魏曉剛，2011，2015)。目前煤礦采空區地面建筑抗震性能的劣化及保護的研究工作需要在以下幾方面進行展開和完善:

(1)煤礦采動區工程場地的靜力穩定性及地震動力穩定性研究

煤礦采動區域的地層結構分布與主采煤層形成的廢棄采場采深、大小、采高、傾向及巷道分布等參數是煤礦采空區的關鍵參數，研究主采煤層形成的采場與構造破碎帶、裂隙發育帶的位置、厚度、面積、走向、傾角和傾伏角等參數之間的關系，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，以采厚采深比為參數進行分類，深入研究煤礦采動對區域地表建筑物的穩定性的影響。分析地下煤炭資源開采后所形成的地下孔洞、含破碎帶斷層、斷層裂縫、凹凸地形及土介質分層等不規則性的地形及介質的不均勻性，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，分析煤礦采動損傷地層無破碎帶斷層的場地對彈性波的反射、散射等問題，求解SH波、P波、SV波入射所引起的煤礦采動區的地面位移場、應變場和應力場。

在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的基礎上，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反應的重要影響。建立煤礦采動區工程場的采動損傷巖土介質地震響應的理論分析模型，研究煤礦采空區—巖土介質相互作用對地基液化、側移和震陷的影響，揭示煤礦采動區場地液化、側移和震陷的特點及形成機理，建立煤礦采動區工程場地地震穩定性評價的理論和方法。

(2)煤礦采空區既有建筑結構的全生命周期抗震性能評估及安全控制的理論與方法

根據地震作用下煤礦采空區動力失穩及地面建筑抗震性能劣化及災變過程的孕育演化特征和成災條件，建立煤礦采空區的地震動力失穩演化致災預測與煤礦采空區既有建筑結構的全生命周期抗震性能評估及安全動態調控的綜合集成智能系統，為建筑物下采煤及煤礦采空區場地的地震安全性評價提供理論支撐和技術平臺是迫切需要展開的重要研究內容。

(3)研究煤礦采動區復雜地質環境下對建筑物抗震抗變形控制裝置力學性能的劣化影響規律。

不同抗開采沉陷變形隔震保護支座力學性能試驗研究，總結已有煤礦采動區建筑保護的理論與試驗成果，分析不同類型煤礦采動區建筑結構的失效破壞準則，分析煤礦采動區復雜場地的工程地質水文地質特點，研究其對建筑結構抗開采沉陷變形隔震保護減災控制體系地震動輸入的影響。在試驗研究、數值計算的基礎上，凝練深化煤礦采動區建筑物抗開采沉陷變形隔震保護理論與方法，形成系統化、合理化的煤礦采動建筑的抗開采沉陷變形隔震保護理論體系。

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