煤礦采空區地震安全防護的若干問題

魏曉剛　麻鳳海　劉書賢　戴君武

摘要：針對煤礦采空區地下巖體結構的地震安全防護不足的問題，分別從煤礦采空區災害的特征與危害、煤礦采空區的形成與基本特點及煤礦采空區失穩破壞的基本模式等方面深入研究煤礦采空區場地可能導致的次生災害。通過分析煤礦采空區地下巖體結構地震災變的相關研究成果，總結煤礦采空區地震安全防護所涉及的關鍵安全問題，揭示地震作用下煤礦采空區的場地穩定性與地下巖體結構安全防護迫切需要解決的技術難題，為采煤沉陷區工程建設及地震安全防護提供參考。

關鍵詞：煤礦采空區；地震災變；巖體結構；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，形成了數量相當可觀的煤礦采空區（群）（何滿潮，錢七虎，2010；李連濟，2005）。河北省邯鄲市礦區由于煤炭的資源過度開采（已經累計開采煤炭約1.2億t），所形成的煤礦采空區的面積約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已經達到20000km²，約占山西省土地面積的1/8（山西省的面積為156699km²）；根據《中國煤炭城市采空塌陷災害及防治對策研究》（李連濟，2005）可知：截至2007年，煤礦采空區發生塌陷沉陷的面積已經遠遠超過了70萬km²，由此所造成的經濟損失大約500億元，并且目前煤礦采空區還以94km²/a的速度發生塌陷沉陷。煤礦采空區失穩現象非常容易造成重大的災害性事件，在中國，各大礦區由于采空區所造成的各種災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的邊不拉煤礦采空區由于坍塌引發3.3級地震，造成了大量的礦區建筑倒塌破壞。2010年12月28日23時18分，陜西省榆林市神木縣煤礦采空區的突然沉陷坍塌引發3.0級地震，煤礦采空區附近的居民建筑出現了裂縫破壞現象。2012年9月7日11時19分，云南省昭通市彝良與貴州省畢節地區威寧彝族回族苗族自治縣交界的煤礦采空區發生了5.7級地震。

中國企業報（2012）以《彝良地震之痛：奪命煤礦采空區》為題，報道了該地區農民自建房屋95%以上都不具備抗震的條件，煤礦企業開采形成的煤礦采空區，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》報道了徐州礦務局煤礦采空區所造成的土地荒漠化、建筑損傷破壞等現象，指出了煤礦采空區是各種災難衍生的黑洞。2014年10月24日，新疆東方金盛工貿公司沙溝煤礦的采空區在其綜采工作面附近出現了頂板大面積冒頂破壞現象，造成了煤礦采空區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。以上災害案例說明了煤礦采空區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的迅猛發展，各類基礎設施不可避免地要建立在煤礦采空區場地上，但是煤礦采空區場地穩定性是否滿足建造建筑物的條件值得商榷，并且煤礦采空區巖層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（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，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。

我國有80%以上的礦區處于強地震區，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，地震作用下煤礦采空區的穩定性、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問題是研究煤礦采空區的地震安全不可回避的重要問題（魏曉剛等，2015a，b）。礦區實際震害表明：煤礦采空區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，甚至產生較大的震陷（魏曉剛等，2015a，b）。

中國的礦區煤田多處于抗震設防區域，而目前對于煤礦地下工程結構卻沒有相應的抗震設計規范，并且土木工程領域的《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）也沒有針對于地下巷道結構專門的條款。煤礦采空區的存在，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，而且發生地震時地面極易出現裂縫和塌陷（吳啟紅，2010；劉剛，2011；唐禮忠等，2012）。為了最大限度地保證地震發生時煤礦巷道結構和地面建筑的安全性，有必要對煤礦采空區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的安全問題進行研究。

1 煤礦采空區的形成及基本特點

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，所形成的采空區體積較小，采空區周圍的圍巖的穩定性保持較好，基本上不需要對采空區進行支護充填處理。隨著科學技術的發展和成熟，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；余學義，張恩強，2004），大大提高了礦區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，獲得了可觀的經濟效益，但是卻為礦區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，會在一定的距離內設置一些礦柱（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推進，采空區（的體積）會越來越多（大）。開采后的礦區千瘡百孔，猶如蜂窩一樣。如果采空區足夠多，發生連通現象則容易形成采空區群，此時采空區的穩定性非常差，容易發生各種礦山安全事故（表1）。

地下巷道結構周圍的巖石屬于脆性材料，其穩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，會發生崩解、粉碎等現象，導致煤礦采空區形狀改變，并與臨近的采空區相互貫通，形成更大的采空區群。采空區群是由各種不同性質的采空所構成的復雜結構系統，其特點如下（何國清，楊倫，1994；余學義，張恩強，2004）：

（1）形狀（態）各異：由于礦區巖體內部天然缺陷（裂隙、節理、斷層、弱面）的存在，加之煤礦采空區所處的環境條件復雜，導致其自然形態各異。由于巖體大小不同，礦山資源開采后所形成的采空區的形態也各有不同；隨著資源的不斷采出，采空區的數量、面積和體積也隨之增大，擴大了采空區（群）。采空區（群）的空間幾何形狀與礦山資源的分布情況密切相關，故其失穩災變特點也是和采空區（群）的自身形狀（態）密切相關的。

（2）空間結構復雜：采空區（群）如同蜂窩一樣復雜，并且極其不規則。由于巖體結構存在幾何缺陷，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的邊界，各種不同功能的巷道結構呈現出不同的排列組合方式，由此導致采空區結構的復雜性加劇。

（3）動態演化：由于采空區的巖層失去支撐，加之巖層的流變特性以及采空區充填不及時，在外界各種擾動荷載（爆破荷載、機械施工荷載、地震、礦震）以及各種應力（構造應力、地應力）的影響下，采空區時刻與周圍的圍巖發生物理、化學、生物作用，導致采空區的空間結構和形態處于時刻變化之中，由此引起的失穩災變也顯得較為復雜。

2 煤礦采空區失穩破壞的基本模式

煤礦采空區頂板失穩破壞會嚴重影響煤礦采空區的穩定性與安全性，而煤礦采空區的失穩破壞與頂板的破壞模式密切相關，煤礦采空區的失穩本質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失穩破壞形式不一樣。從頂板破壞到煤礦采空區的失穩，最終會引起嚴重的礦山災害，會造成巨大的經濟損失，嚴重影響了礦山工程建設的安全持續進行。

頂板破壞模式（何國清，楊倫，1994；余學義，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構，在上覆巖層的自重及其他次生災害應力的多重作用下發生失穩破壞的方式。不同煤礦采空區的工程地質、水文地質條件不同，其失穩破壞模式也各不相同。分析總結煤礦采空區頂板破壞失穩現象，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、其它不規則方式的冒落（何國清，楊倫，1994；余學義，張恩強，2004）。

（1）拱形冒落：頂板產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，其結構缺陷較大，內部節理發育明顯，存在大量節理裂隙，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，會不斷產生冒落現象并形成拱形。

（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軟。雖然層狀巖體的單層連續性好，但是巖層之間結合力差，在巖層自重應力以及構造應力等外界力的作用下，頂板巖層會出現拉裂分層離析，頂板不同巖層（直接頂板與老頂）之間會分離，并產生彎曲變形破壞。一旦頂板彎曲變形產生的拉應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方向垮冒，即發生了頂板的離層垮冒現象。

（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生抽冒現象，導致巷道頂板形成懸臂梁結構，在上覆巖層的重力作用下，懸臂梁結構形式的頂板容易在其垂直方向和水平方向上產生折斷垮落破壞現象。

（4）沿斷層破碎帶抽冒：如果頂板結構存在傾角較大、厚度較厚的斷層破碎帶，則容易在頂板結構的斷層破碎帶處發生抽冒破壞現象。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，頂板結構體系會出現折斷垮冒破壞現象。

（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構弱面，形成了楔形體的結構。在巖體的重力作用下，頂板結構容易發生折斷垮冒破壞現象。如果頂板中存在多個斷層破碎帶（或結構弱面），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）形狀的巖體容易發生冒落現象。

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

3 煤礦采空區穩定的影響因素

煤礦采空區所造成的次生災害主要體現在（何國清，楊倫，1994；余學義，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育，容易形成貫通地表的裂縫，或者是與原有的老空區相連通形成通路，為礦區巷道的突水事故埋下了隱患，極易造成巨大的經濟損失；②煤礦采空區遺留大量的礦柱，在發生蠕變變形、損傷破壞后，容易引起頂板冒落、巖層移動（圖1），巖層的移動變形發展到地面則導致煤礦采空區地表開裂、沉陷和塌陷，影響礦區土地和建筑的正常使用。

煤礦采空區的穩定性是一個涉及多載體、多影響因素耦合的復雜大尺寸空間的平衡問題，影響其穩定性因素主要有（何國清，楊倫，1994；余學義，張恩強，2004）：結構體系因素、地質采礦因素和擾動荷載因素。

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

（2）地質采礦因素（何國清，楊倫，1994；余學義，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、頂板管理方法以及采空區地層中的斷層、褶皺和結構面等因素。

（3）擾動荷載因素（何國清，楊倫，1994；余學義，張恩強，2004）則主要是指各種不可預測的影響采空區穩定性的動荷載（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穩定性影響極大。

煤礦采空區發生失穩災變坍塌的影響因素較多，其失穩災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失穩現象多關注于由于靜力荷載作用下（巖層自重）的采空區失穩現象，而對于擾動荷載因素影響下煤礦采空區的失穩演化則相對較少。筆者針對地震作用下煤礦采空區的動力失穩現象與建筑安全問題進行探討，立足于煤礦采空區的4大特征（效應）：大尺度特征（效應）、時間特征（效應）、動力特征（效應）和環境安全特征（效應），對煤礦采空區的穩定性進行了研究。

4 煤礦采空區地下巖體結構地震災變的研究進展

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作用下的穩定性，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，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，利用莫爾一庫侖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（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，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研究所，1978），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和輕視的隱患。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（胡聿賢，2006）。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，無法采取切實有效的方法預測礦山動力災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；加之中國礦區多采用機械化的采煤技術，開采過程中容易引起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（張曉明等，2013；崔臻等，2012；黃勝，2010；魏曉剛等，2015a），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 煤礦采空區地震安全防護所涉及的關鍵安全問題

煤礦采空區的巖體結構體系涉及煤柱、巷道結構、頂板、底板、圍巖介質以及整體的巖體結構體系等（何國清，楊倫，1994；余學義，張恩強，2004），煤礦采空區與其他的地下巖體結構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，但前期的礦山建設設計中較少考慮地震等各種動力災害荷載對礦區地下工程結構的破壞影響（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，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研究所，1978）。基于此，對礦區巷道圍巖整體結構體系地震動力響應的研究，需要重點對地震災害荷載作用下煤礦采空區巖體結構的內力響應、應力場演化規律進行關注，尤其是探討地震災害荷載對煤礦采空區巖體結構安全性能的影響，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變發生過程中的能量耗散遷移。從災變演化過程人手，研究煤炭開采擾動過程中采場巖層的能量轉移、吸收與耗散機理和分布規律，建立基于應力、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，區別性地優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變機制，建立煤礦采動覆巖移動變形破斷的力學模型及能量方程，推導煤礦采空區上覆巖層破斷坍塌的判據，研究高強度開采過程中采場巖層的應力場分布、能量演化與移動變形的關系，建立起合理的高強度開采下巖體移動破斷及地層塌陷災變演化中所涉及到的能量耗散遷移。

（2）煤礦采空區固體密實充填材料介質的選擇及其工作力學性能。煤礦采空區充填材料的選取，需要考慮其來源、力學性能（尤其是充填碎矸體力學特性）、密實度、經濟性、便捷性及環境污染，同時也需要深入探討充填介質材料、上覆巖層、煤柱以及支護結構體系的協同作用機理，建立煤礦采空區充填復雜組合結構體系的數學幾何關系、力學特性以及時空關系，為研究考慮充填效應的煤礦采空區巖體結構體系（復雜支撐體系）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。

（3）地震災害荷載作用下裂隙巖體的損傷破壞機制及能量運移（演化）規律。基于疲勞損傷試驗測試、損傷識別方法和有限元數值計算試驗，初步探索裂隙幾何特性（節理傾角、間距等）和地震荷載特性（振幅、持續時間、加載頻率等）對裂隙巖體一般動力學性質及疲勞損傷性質的影響機制與變化規律。在此基礎上，深入研究動態循環荷載作用下裂隙巖體介質的應變率特性、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荷載作用下的疲勞損傷規律與破壞機制；考慮結構面、地應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的計算方法，基于能量理論建立巖體非線性動態本構關系；從應力調整→轉移、能量聚集→傳遞→釋放角度出發，研究動力擾動荷載作用下不同結構的裂隙巖體應力轉移和能量轉化的過程中，其圍巖結構的演化（出現分區破裂化等現象）、災害的孕育演化致災的機制、特征和規律，提出災害孕育演化理論模型和災害發生的應力、能量判據。

（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。基于斷裂力學、損傷力學、結構動力學、耗散結構與能量理論，建立外力擾動災變荷載（煤礦采動、地震）作用下巖體力學行為結構控制和應力控制轉化的應力判據以及巖體結構與應力協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）裂隙巖體結構圍巖應力場的調整、轉移機制；建立裂隙巖體結構災變演化過程中的應力調整和轉移的理論分析模型，提出合理的開挖強卸荷載影響下不同圍巖介質的應力場演化（擾動、轉移、傳遞和釋放）過程分析方法。

建立地震作用下煤礦采空區失事概率演化模型，提出地震作用下煤礦采空區失事的動態風險評估方法，提出基于全生命周期性能演化的煤礦采空區巖體結構與場地設計、監測預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測與評估技術。

（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，防控煤礦采空區的動力失穩研究。建立地震作用下考慮擾動荷載效應的煤礦巷道結構的動力學方程及巖體內地震波傳播的波動方程，探討地震波作用于巖體時應力波性質的改變；重點分析地震波在考慮充填效應的煤礦采空區圍巖介質與充填材料不同介質之間的傳播衰減特性，深入探討充填后煤礦采空區的地震動力穩定性的條件，以期得到煤礦采空區的地震動力穩定性的影響因素、地表動力響應以及煤礦采空區應力場演化特性。