煤矿采空区的地震动力灾变及安全防控的研究进展与挑战*

魏晓刚，麻凤海，刘书贤

(1.郑州航空工业管理学院土木建筑工程学院，河南郑州450046;2.大连大学建筑工程学院，辽宁大连116622;3.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新123000)

0 引言

我国矿区由于煤炭资源持续高效的开采形成了大量形式各异、大小不一、纵横交错、立体分布的煤矿采空区(何满潮，钱七虎，2010;何国清，杨伦，1994;王来贵等，2007;朱旺喜等，2003;谭志祥，邓喀中，2006)，而随着土地资源的日益紧张及工程建设的迅猛发展，越来越多的建筑物、桥梁、输电塔以及隧道等各类基础设施不可避免的要建在煤矿采空区场地上，但是煤矿采空区场地的稳定性能否满足建造建筑物的条件值得商榷，并且由于煤矿采空区岩层的移动变形导致地表塌陷以及地面建筑损伤倒塌现象异常严峻。

煤层开采过程中不可避免的要面临各种扰动荷载的动力破坏效应，但矿山建设设计中较少考虑地震等各种动力灾害对矿区地下工程结构的影响及破坏(王金庄，郭增长，2002;来兴平，2004;王来贵等，2002;吴启红，2010)。我国有80%以上的矿区处于在强地震区，但却没有专门细致化的矿山地下结构抗震计算方法及抗震设计规范标准(胡聿贤，2006;姜耀东等，2005;许增会等，2004)。地震作用下煤矿采空区的稳定性，煤矿巷道结构与周围介质、采空区与地面建筑动力响应的相互影响是研究煤矿采空区地震安全不可回避的问题。笔者针对煤矿采空区的地震安全问题，通过分析国内外专家学者对地下结构的地震灾变与防控的相关研究成果，分别从煤矿采空区灾害的特征与形成原因、煤矿采空区动力灾害研究的紧迫性与严峻性、地下结构抗震研究的优秀研究成果以及煤矿采空区地震动力灾变研究的不足及发展趋势等方面进行了分析探讨，并对煤矿采空区的动力灾变及安全防控迫切需要解决的问题进行了归纳总结，在此基础上对煤矿采空区的动力灾变所面临的挑战性问题进行了展望。

1 煤矿采空区灾害的破坏特征及形成原因

煤矿采空区的存在是矿区安全及工程建设的重大安全隐患，不仅直接威胁着矿区的安全，而且煤矿采动区在失稳破坏的过程中还会衍生出各种各样的动力灾害;通过分析国内外相关文献(何满潮，钱七虎，2010;何国清，杨伦，1994;王来贵等，2007;朱旺喜等，2003;谭志祥，邓喀中，2006;王金庄等，2002;来兴平，2004;王来贵等，2002;吴启红，2010)发现煤矿采空区所导致的次生(动力)灾害主要存在着以下四大特征:(1)影响范围广，尺度大;(2)变形速率大，动力学特征明显;(3)危害范围大，突发性强;(4)社会负面效应大，经济损失严重。

煤矿采空区次生灾害的四大特征导致其成为威胁矿区安全的重大安全隐患，造成煤矿采空区及上覆岩层(围岩)结构体系发生失稳的原因既有自然因素，也有人为因素，主要涉及到:(1)不同矿区的工程地质水文地质条件差异较大，由此导致不同煤矿采空区失稳破坏坍陷的原因也较多，其主要原因是由于地下煤炭资源的开采活动，破坏了围岩的应力平衡状态，导致煤矿采空区附近的围岩发生应力重分布现象，进而导致岩层(体)发生了不同程度的损伤破坏，造成煤矿采空区成为各种灾害灾难衍生的源泉;(2)地下采煤工作面不可避免的要形成断层(或者地下断层原先就存在)，断层在外力扰动荷载作用下容易引发岩层的移动变形，从而造成断层附近容易发生坍塌失稳破坏现象;(3)多频次、高强度、大规模的开采活动会直接引发(附近已有的)煤矿采空区发生失稳破坏;(4)地下煤炭资源的开采方案不合理，特别是煤矿巷道的保安(护)煤柱留设的不合理以及煤柱支撑体系的物理力学性能的损伤劣化，极易造成煤柱失稳进而引发煤矿采空区的失稳破坏;(5)地下煤炭资源不规范的过度开采:由于煤矿开采管理体制的不完善，目前还存在着小煤矿的私采偷采行为，由于小煤矿的生产技术设备落后、数量多而杂以及开采方案极不合理，导致所产生的煤矿采空区分布杂乱无章，在外界扰动荷载的影响下不同煤矿采空区的失稳破坏会相互影响，造成更大的破坏;(6)外界自然环境的影响:矿区的工业环境恶劣并且复杂多变，其生态环境极其脆弱，如果出现灾害性的恶劣自然环境，就会为煤矿采空区的失稳破坏引发次生灾害提供孕育发展的条件。

2 煤矿采空区地震安全问题研究的严峻性

煤炭开采后所形成的大量煤矿采空区以及废弃矿井巷道不仅严重降低了矿区的安全性，而且还会产生各种各样的衍生灾害，对矿山城市造成巨大的严重威胁(钱鸣高等，1994;谢和平，2003)。最近几年我国由于煤矿采空区所引发的灾害事故频发，造成了巨大的财产损失和人员伤亡(表1)。

由于煤矿巷道结构所处的工程地质环境比较复杂，矿井的高温环境、高地应力、高水压以及高浓度的瓦斯等均会引发各种不可控的突发性灾害事故的发生，对煤炭资源的开发是严峻的挑战和考验(何满潮，钱七虎，2010;谢和平，2003):各种煤矿动力灾害(如冲击地压、煤与瓦斯突出、矿震、顶板大面积来压)发生的频度和强度呈现出增加的趋势，而且其动力发生灾害范围较广，由此而带来巨大的人员伤亡和经济损失(图1)。

对于矿区地下工程结构的抗震研究国内外的专家学者涉足相对较少(马行东，2005;马行东等，2006;孙有为，2006，2011;刘向峰，2005;刘刚，2011;唐礼忠等，2012;吕涛，2008;张玉敏，2010;谷宁，2011;汪海波，2013;张彦宾，2012;言志信等，2013;崔臻等，2013;赵宝友，2009;佘诗刚，董陇军，2013)，现有的抗震理论无法适应矿区地下结构的抗震防灾设计。对于以煤炭资源为主要能源的国家，发生地震后矿井巷道的围岩介质容易发生失稳破坏，其承载能力会严重降低，此时矿区巷道结构的基本使用功能已经完全破坏丧失，如何合理的解决我国矿井巷道结构的抗震设计问题及煤矿沉陷区的地面建筑的抗震安全问题也是迫在眉睫、亟需解决的工程科学问题。

3 煤矿采空区地震安全性研究的紧迫性

我国处于欧亚大陆地震带和环太平洋地震带世界两大地震带之间(胡聿贤，2006)，也是世界上强震活动区之一，区域地震活动极其频繁活跃。根据我国目前现行地震烈度区划图可知，我国地域面积的60%以上处于基本地震烈度6度以上(胡聿贤，2006)。由于我国有80%以上的矿区处于在强地震区(刘书贤等，2013)，所以地震作用下矿区工程结构的动力灾变控制及煤矿巷道结构的地震安全评价方法的研究就十分重要。

表1 煤矿采空区衍生灾害的实际案例Tab.1 Actual cases of the derivative disaster in coal mining area

国内外的专家学者关于地下结构的工程抗震研究存在以下不足(胡聿贤，2006):(1)关于地下结构具有较强的抗震性能并且地震作用下不容易发生损伤破坏的认识是缺乏充分的震害数据依据的;(2)目前关于地下结构抗震设计的理论、方法还不能较好的反映地下结构地震动力响应的实际力学行为;(3)当前关于地下结构的强震致灾机理及防控手段依然相对缺乏;(4)目前关于地下结构的抗震设计的相关理论及方法还不够成熟，尚无法满足蓬勃发展的地下结构工程防灾减灾的需要。

目前关于煤矿采空区的研究更多的是关注静力荷载作用下的煤矿采空区稳定性及地表移动变形，较少考虑动荷载对煤矿采空区的影响和破坏。在地下煤炭资源开采的过程中，存在大量的不可控的扰动荷载(岩爆、地震、矿震、开采扰动、爆破开采等)，扰动荷载对煤矿采空区的稳定性构成较大的威胁和破坏。1976年7月28日发生的唐山ML7.8地震造成了大量的地下工程结构(煤矿巷道、地下通道以及人防工程)的破坏(胡聿贤，2006)。矿区由于工程地质条件复杂，往往存在着断层以及断裂带，一旦发生地震，其后果不堪设想。目前国内外专家学者(刘向峰，2005;刘刚，2011;张彦宾，2012;王辉，2003;钱七虎，陈士海，2004;席道瑛等，1996;李欢秋等，2003;杨军等，2001;王明洋等，2001;单仁亮等，2003;魏晓刚，2011，2015)对于地下隧道结构、地铁结构以及地下厂房结构开展了一些研究工作，也取得了一定的研究成果，但是对于矿区地下巷道结构的地震动力稳定性的研究则相对较少。

矿区地下巷道结构的安全问题已经成为矿区工程建设安全问题重要的组成部分。由于学科专业领域的限制，土木工程领域的专家学者较少涉足煤矿巷道结构的地震灾变研究。由于采矿工程领域的研究人员对土木工程领域抗震知识的缺乏，对于煤矿巷道结构的地震动力响应也较少关注，再加上矿区地下结构的震害案例缺乏，相关的试验研究也相对较少，因此对于地震作用下矿区地下工程结构(煤柱、煤矿巷道及围岩介质)体系的损伤劣化机理、损伤演化规律和抗震性能的研究还很不全面深入，尤其是缺乏对煤矿地下巷道结构的地震损伤力学机制与灾变控制深入细致的探讨研究。如何合理揭示煤矿采空区的地震动力响应、煤矿巷道结构的地震破坏模式及控制策略是研究煤矿采空区的地震安全迫在眉睫的问题。目前，缺乏合理的地下结构抗震设计方法与理论，尤其是矿区地下巷道结构方面缺乏相对应的抗震设计规范是限制煤矿采空区的地震安全研究发展的主要原因。

近几年来在国家自然科学基金委以及国家科技部相关科研基金的支持下(见表2国内部分专家学者所承担的国家自然科学基金项目及国家重点基础研究发展计划项目)，煤矿采空区稳定性及地表移动变形的成灾机制等相关的科研项目得到了相关科研基金的支持，由此大大促进了煤矿采空区失稳成灾机制研究的发展。

通过分析表2与国内煤矿采空区灾变研究相关的部分国家自然科学基金及国家重点基础研究发展计划项目(973项目)可以发现:煤矿采空区成灾机制的相关研究正在逐渐得到国家以及相关专家学者的关注和重视，近三年(2012～2015年)直接与煤矿采空区相关的国家自然科学基金科研项目迅速增加;从2007年以中国矿业大学缪协兴教授为首席科学家所承担的973项目《煤矿突水机理与防治基础理论研究》为标志，煤矿开采所引发的各种动力灾害开始引起国内专家的重视，之后国家科技部在采矿工程领域多次对与煤炭开采的各种动力灾害破坏现象进行973项目立项，如2013年的《西部煤炭高强度开采下地质灾害防治与环境保护基础研究》以及2015年的《我国西北煤炭开采中的水资源保护基础理论研究》。973科研项目的成功立项充分说明了国家对煤炭开采所引发的各种动力灾害越来越重视;尤其是2015年以中南大学周子龙教授为首席科学家所承担的973项目《复杂采空区大规模坍塌的灾害孕育机理研究》、以中国科学院武汉岩土力学研究所盛谦教授为首席科学家所承担的973项目《强震区重大岩石地下工程地震灾变机理与抗震设计理论》以及北京交通大学袁大军教授为首席科学家所承担的973项目《高水压越江海长大盾构隧道工程安全的基础研究》的成功立项，标志着煤矿采空区灾害的成灾机制与防控以及地下结构的抗震安全研究将会成为我国学术界及工程界关注的热点和亟需解决的科学问题和工程问题。

4 矿区地下巷道结构动力灾变的研究进展

煤矿采动会导致采区岩体结构发生损伤，引起煤矿巷道结构的力学性能劣化、完整性被破坏，从而对煤矿巷道结构的安全稳定性造成极大的威胁。但是由于学科专业领域的限制，目前对于煤矿地下巷道结构尚没有相应完善的抗震设计理论和方法。煤炭巷道结构由于其复杂的岩(土)体，地震荷载的随机性、不确定性和后验性，对于地震作用下煤矿巷道结构的损伤破坏演化尚不明晰，而且对于煤矿采动所引起的巷道结构的次生损伤在发生动力灾害荷载时如何演化发展尚不清楚，并且矿区的地下巷道结构形式复杂以及所形成的煤矿采空区也是纵横交错分布，一旦出现损伤破坏其修复难度大，还可能导致发生大规模的坍塌事故，所以地震灾害荷载作用下矿区地下结构的安全防灾问题是一个迫在眉睫的问题。目前国内的专家学者对于地下洞室的地震动力灾变与防控已经取得了一定的研究成果。

李海波等(2005，2006)通过研究西部强震区地震波的不同参数对地下洞室的动力响应的影响发现:地震波的入射方向、空间不均匀性对地下洞室的动力响应的影响主要与地下洞室的埋置深度、地应力等因素有关，所取得的研究成果对于分析水利工程领域的地下洞室的抗震问题具有较好的借鉴意义;孙有为(2006，2011)在研究地下洞室岩石松动圈的影响因素及与地下洞室几何形状对岩石松动圈的影响的基础上，重点分析了地震作用下地下洞室岩石松动圈、衬砌结构的动力响应，提出了地下洞室松动圈动力荷载作用下的初步判定准则与方法，所取得的研究成果可以为地下工程结构的抗震研究提供一定的参考依据;刘向峰(2005)主要基于有限元分析软件ANSYS对矿区地层结构及煤矿巷道结构的地震动力响应进行了初步的研究与探讨，指出煤矿采动损伤地层的动力响应区别于普通的地层场地条件，所取得的研究成果可以为矿区的地下工程结构的动力破坏防护提供参考与借鉴。

刘刚(2011)研究了矿区条带开采后所形成的煤柱在静力荷载及动力荷载的稳定性，重点分析了不同地震波作用下煤柱的动力失稳演化过程，所取得的研究成果对于提高煤矿采空区条带煤柱抵抗动荷载的稳定性具有较好的借鉴意见;唐礼忠等(2012)通过有限差分数值分析软件FLAC3D研究爆破地震波对煤矿采空区及充填后的采空区围岩的破坏作用，研究结果表明爆炸地震波作用下煤矿采空区围岩的塑性变形及位移增加，对煤矿采空区进行填充后可有效控制煤矿采空区及围岩的动力响应;吕涛(2008)基于溪洛渡水电站的工程背景，通过对比分析地震作用下二维和三维地下洞室模型的动力响应，建立了地下洞室的地震安全评价方法，与地下洞室的其他地震评价方法相比较，该评价方法的评价结果是偏于安全的;张玉敏(2010)通过岩石的动三轴力学试验得到岩石的损伤本构方程，在此基础上利用有限元分析软件FLAC3D系统研究了地震作用下水电站的地下洞室群动力响应规律及特征，指出地震波的频谱特征、自振周期岩体的物理力学性能对地下洞室群的内力(加速度、位移、应力等)响应影响较大;谷宁(2011)通过有限元数值计算软件对静力荷载和动力荷载分别作用下水电站的地下厂房洞室结构的力学响应的研究，利用强度折减方法分析了地震作用下地下洞室结构的稳定性，并得到了地下洞室结构的安全系数，可以为溪洛渡水电站左岸地下洞室群的地震稳定性分析提供参考和借鉴;汪海波(2013)基于小波包变换理论和小波包变换理论，采用Matlab数值计算软件对钻眼爆破法产生的爆破地震波的组成进行了分析，并分析爆破动荷载作用下煤矿巷道结构及支护结构的变形及内力响应，提出了控制爆破地震动的灾害能量的方法，对于控制灾害爆破能量对煤矿巷道结构及支护结构的破坏具有较好的借鉴意义;张彦宾(2012)基于突变理论建立了条带煤柱在动静载荷组合作用下的突变力学判据，指出了在外力扰动荷载作用下条带煤柱的失稳条件以及影响条带煤柱稳定性的各种影响因素，在此基础上利用有限元数值计算软件FLAC3D分析了地震作用下条带煤柱的动力稳定性，为条带煤柱的设计提供了新的设计建议;言志信等(2012)基于工程结构波动理论，利用摩尔－库伦强度准则研究了地震作用下岩体的动力响应，得到了岩体地震动力破坏的影响因素，初步得到了水平地震作用下岩体的破坏机理;崔臻等(2013)系统分析总结了地震作用下地下洞室的动力响应及动力灾变的重要问题，并根据国内外专家学者关于地下洞室的地震动力灾变的相关研究进展进行了深入的分析与总结，指出了地下洞室(群)研究未来的发展方向以及需要解决的关键问题，可以为地震作用下地下洞室(群)结构的动力响应与灾变相关研究提供参考和借鉴。

矿区巷道地下结构与一般的隧道结构、水电站地下洞室结构有所区别，因为煤炭开采过程中在地层所产生(遗留)的大面积的、纵横分布的煤矿采空区域是孕育各种矿山动力灾害的不可忽略的隐患。矿区地下巷道结构的地质环境复杂多变，加之围岩在采矿活动影响下发生了一定程度的损伤破裂现象，在上覆岩层的影响下地下煤矿巷道结构的动力学响应发生了较大的变化。地下煤炭开采过程中会在矿区的地层中形成大量的纵横交错的煤矿采空区及地下结构，如果矿区地下工程结构的几何尺寸远远小于地震波的波长时，地下结构的存在对地震波的传播及地表动力响应的影响较小(赵宝友，2009)。如果矿区地下结构的几何尺寸与地震波的波长处于同一数量级别的时候，煤矿采空区则对地表地震动力响应以及地震波的传播产生较大的影响。目前矿山动力灾害的发生除了人为因素之外，其动力灾变的孕育、演化过程及致灾机理尚不明晰，无法切实有效的预测矿山动力灾害是重要的原因之一(佘诗刚，董陇军，2013)。

综上可知，外力扰动荷载作用下煤矿采动区孕育次生灾害发生的机理尚不明晰是导致矿山采空区各种灾难性事故发生的重要原因之一;加之我国矿区多采用机械化的采煤技术，开采过程中采场围岩结构体系的应力场变化剧烈，容易引起高应力集中现象;并且国内外专家学者对于扰动荷载产生的应力波诱发煤矿采空区次生灾害的机制认识不够充分，煤矿采空区引发的次生灾害控制相对较难，所以研究扰动荷载作用下煤矿采空区及围岩结构体系的成灾过程、动力响应的演化过程是保证煤矿安全生产的关键问题之一。

5 矿区复杂场地地震动力响应的研究进展

煤矿采动区域的复杂的地质力学条件(岩体稳定性差、矿岩破碎、高地应力、煤矿采动应力扰动等)导致煤矿井下巷道结构和采场覆岩结构损伤破坏现象严重。煤矿采动损害影响下的覆岩可视为一种特殊的固体介质(结构)，在煤矿采动之前上覆岩层具有分层性，而且其天然构造中存在着裂隙;在采动之后矿区上覆岩(土)层会发生移动、破断和变形。

煤矿采动区域的岩土层主要由煤系地层和岩石结构组成:(1)煤系地层多为沉积地层，各沉积层的岩性不同，其中包含软弱岩层;(2)天然的岩石结构是一种极其复杂的介质，岩石内部的节理、裂隙和断层等不连续(弱)结构面大量存在。岩土(石)结构体系复杂的微观结构决定了宏观上的不连续性和非均匀性的明显性，煤矿开采过程中采矿活动的各种天然动力灾害荷载(冲击地压、粉尘爆炸、天然地震、矿震、岩爆、煤与瓦斯突出等)在岩石介质中的传播均以应力波的形式进行。

应力波在岩石介质的传播问题是一个多因素耦合问题(佘诗刚，董陇军，2013):(1)传播介质的非均匀、非线性特征明显;(2)煤矿巷道结构、岩层移动导致传播介质的外貌特征、尺度大等边界条件复杂;(3)采动活动会引起巷道结构和岩层发生次生损伤，该损伤在应力波的传播下会继续发展演化;(4)裂隙、节理和断层等以一定的方向性存在于岩石内部，从而导致煤岩宏观上呈现力学性质非连续性、各向异性等特点;(5)采场煤岩的力学特征方向性差异较大，导致应力波在传播过程中会由于煤岩本身的各向异性而呈现出方向性。

以上影响因素导致应力波在煤矿采动复杂场地的传播与衰减规律以及所引起的煤矿采动地下结构的损伤破坏的研究十分困难和复杂，煤矿采场复杂区域应力波传播衰减问题的研究，对于采矿活动所引起的各种矿井动力灾害的防治具有重要的现实意义和学术价值，煤矿采动复杂场地应力波在岩土介质中的传播衰减规律涉及到土木工程、采矿工程和地震工程等学科领域:在地震工程领域，可以掌握地震波传播对岩土层、地面建(筑)物的损伤破坏效应;在地下工程领域，分析应力波的传播衰减效应，可以效应控制各种灾害荷载(矿震、岩爆、爆炸波等)所引起的应力波对地下工程结构的破坏。

5.1 复杂场地地层应力波传递的研究进展

煤矿强烈的开采活动(机械开采、爆破开采等)导致围岩发生损伤破裂，在岩层发生损伤破裂的过程中不可避免的要与外界环境进行能量交换。当出现动力灾害荷载时，动力灾害荷载对裂隙岩体的破坏作用主要是由灾害荷载产生的应力波引起岩层(体)能量耗散(积聚)所导致的。通过分析应力波在煤矿采动损伤岩层传播过程中引起的能量积聚与耗散机制，可以为解释和揭示地震作用下煤矿采空区及地下巷道—围岩结构体系的动力灾变过程提供参考和借鉴。

矿区岩层(体)总是不可避免的存在各种各样不规则的结构弱面(孔隙、裂缝、空洞等)，加之煤炭环境中的岩(地)层是成层分布的，而且不同岩层(砂岩、石灰岩、玄武岩、煤矸石等)的物理力学性能差别较大，其内部孔隙率也差别较大(孔隙率基本上在5% ～35%之间)。不同的孔隙率导致岩层内部的孔隙结构(孔隙的尺寸大小、几何形态、连通性能)差别较大，所以扰动荷载作用下不同岩层的耗能能力不同，故可以根据不同岩层具有不同的能量耗散(集聚)能力分析岩体的能量演化致灾过程来研究岩层的动力灾变。由于岩石介质及矿区地下结构的复杂性，很多问题的研究还处于初始阶段，需要从理论和实践上做进一步的探讨。目前对于应力波在岩土介质的传播规律，地震对地下工程结构的破坏效应、复杂场地(如地下洞室群)的地震响应，国内外的专家学者已经进行了大量的研究工作。

Xia等(2007)采用数值计算和声波实验相结合的方法，分析了爆炸荷载作用下的岩体的损伤演化趋势;王辉(2003)在理论分析的基础上，通过有限元数值计算探讨了爆炸冲击波在岩体内的传播衰减规律;钱七虎和陈士海(2004)、Wang和Qian(1995)根据岩石的断层、节理裂隙带的空间几何关系，重点研究了爆炸应力冲击波在通过岩石节理裂隙带时的传播衰减规律;Ju等(2006)在SHPB试验的基础上，采用分形方法研究了应力在岩石复杂节理结构的传播与能量演化的关系，定量地分析了不规则节理面结构对应力波的传播衰减和能量耗散的影响;席道瑛等(1996)采用低频共振方法，探讨了应力波在不同饱和条件下的大理岩砂岩中的传播衰减规律;Wang等(2003)通过花岗岩的系列化爆破试验，研究了爆炸应力波在自由场的传播衰减规律;李欢秋等(2003)采用爆炸模拟的实验结果和有限元数值计算方法相结合的方法，对应力波在地下复合结构介质中的传播进行的分析研究，探讨了爆炸应力波在复合岩石介质中的传播衰减规律;Lu和Hustrulid(2002)在柱面波理论、子波理论和的应力波场理论分析的基础上，建立了爆破应力波影响下的质点峰值振动速度衰减公式，并通过实验研究和数值计算验证了该衰减公式的合理性;杨军等(2001)在冲击试验的基础上，建立了考虑能量耗散的岩石爆破损伤模型，较好的解释了爆破冲击波作用在岩石结构的传播衰减规律;王明洋等(2001，2010)从细观物理力学理论着手，从微观角度研究了爆炸应力波在岩体(结构)中的能量演化，初步了建立了微观物理角度的动力本构模型;单仁亮等(2003)在大理岩和花岗岩冲击试验的基础上，建立了考虑应变率效应的岩石黏弹性损伤模型。

目前对于应力波在岩土介质中衰减传播的研究多集中于冲击荷载或爆破荷载作用，所取得科研成果也较多;对于地震波在岩土(石)介质的传播衰减，尤其是地震波在煤矿采动损伤场地的传播衰减却相对较少，而对于复杂场地(如地下洞室群)的地震动力学响应方面的研究已经进行了一定的研究工作。

5.2 复杂场地地层地震响应的研究进展

矿区煤层由于各种自身和外界自然因素(煤层形成的历史条件、沉积条件、孔隙结构、煤层中的气液相参与)的影响，以及煤炭开采过程中的外力扰动作用煤矿采动区采场的土层会发生一定的扰动损伤，再加上采场土层物性参数的随机性、离散性明显，所以煤炭开采明显改变了巷道周围的地震波动场，煤矿采动(损伤)复杂场地地震波的传播衰减就与一般场地明显不同，而且煤矿采动与地震联合作用下地下工程结构的动力灾变过程尚不明晰，因此开展煤矿采动损伤地层的地震动力响应分析就显得尤为重要。

陈健云等(2001)基于阻尼影响抽取法，通过对溪洛渡地下厂房的三维地震动力学响应，重点探讨了地震荷载作用下围岩结构的动力特性，提出了实用于地下工程结构抗震分析算法;赵宝友(2010)利用有限元分析软件ABAQUS，在考虑损伤的塑性模型的基础上，综合分析了工程地质力学条件对地下洞室群地震动力学响应的影响，并提出了适合地下洞室群的抗震减震方法;李海波等(2006)利用有限元分析软件FLAC3D，探讨了地下洞室形状、埋深、地应力特征等因素对地下岩体洞室的地震动力响应的影响，并初步分析了其影响规律，可为地震荷载下地下洞室的位移反应提供一定的借鉴意义。李海波(2009)在有限元数值分析计算的基础上，根据溪洛渡地下厂房的地震动力响应，建立了“动应力集中因子代表值”的基本概念，提出了一种地下洞室群的动力灾变的安全评价方法;王如宾等(2009)通过对金沙江两家人水电站的地震动力灾变的分析，重点研究了地震荷载作用下地下厂房洞室有无衬砌工况下相对位移(安全系数)的变化规律，探讨了位移变化规律和抗震效果。

梁建文和巴振宁(2012)基于间接边界元理论，重点研究了地下洞室对入射平面SH波的放大作用，在综合考虑场地土层的动力特性的基础上，通过数值计算单一土层中地下洞室对入射平面SH波的放大作用，指出了土层对SH波传播衰减的影响规律;梁建文等(2011)利用有限元分析软件FLUSH，通过研究隧道群对地震的动力响应规律，探讨了隧道间距、入射地震波频谱等因素对隧道群地震动反应谱的影响规律;梁建文等(2012)采用频域变换方法和间接边界元理论相结合的办法，研究了地下洞室群对地震动的出平面时域放大作用，重点探讨了天津滨海地区不同地下洞室参数对地震波的放大效应;李帆(2008)在有限元分析软件FLUSH数值计算的基础，研究了地震作用下四种不同性质的场地背景的地铁隧道群的动力灾变问题问题，并从时域范围内探讨了隧道群的存在对地震波的传递的影响;冯领香(2008)通过在间接边界元引入格林函数和半空间精确动力刚度矩阵，在频域范围内重点研究了破碎带对断层场地地震波传播衰减的影响规律，所得的结论可为断层场地的安全评价提供一定的借鉴意义。

荣棉水和李小军(2007)基于有限差分法，采用有限元数值计算方法研究了不同地震动输入方法(脉冲地震、实际地震)对粘弹性场地动力响应的差异，重点探讨了不同的体波入射角度和高宽比的入射波对地表平面运动谱特性的影响规律;刘必灯(2011)在局部人工边界的的显式计算方法上，对SV地震波垂直入射下垂直入射下V型河谷地形运动的解析解，并重点研究了地震波在不同边坡角度影响下的传播衰减分布规律;喻畑和李小军(2012a)利用汶川地震强震记录数据，利用NGA衰减关系模型分析了对汶川地震区基岩场地各种场地的地震波传播衰减规律，并对影响地震动衰减的因素(加速度反应谱、峰值位移、峰值速度、峰值加速度)进行了深入的探讨;喻畑和李小军(2012b)基于强震数据，对比分析了各地区不同土层场地的强震动记录，在浅硬土层场地的放大系数研究分析的基础上，演化得到了相对应的深厚土层场地的平均放大系数;陈国兴等(2013)根据苏州某实际地层的工程地质情况，通过建立精细化有限元模型，重点研究了地震动参数(地震动峰值加速度PGA、水平地震影响系数最大值、动力放大系数最大值)的变化规律，指出了地震的波动特性、场地土介质的性质对场地的设计地震动参数影响较大，所得的相关结论可为类似场地的地震安全性评价、抗震设防提高参考价值和借鉴意义。

国内的专家学者对于复杂地层的地震动力响应做了大量的有效研究工作，所取得的研究成果大大推动了岩土地震工程与土动力学领域的发展。但是对于矿区复杂场地土层及地下结构，往往会由于工程实践活动(采矿活动、爆破作用、地铁隧道的开挖)而产生一定程度的扰动损伤，而上述地震响应分析所用的地震动输入以及场地的动力响应都没有考虑场地的损伤所引起的抵抗破坏能力的影响，其计算结果应该会有失偏颇。

6 煤矿采空区地震动力灾变及防控研究亟待解决的学术问题及面临的挑战

目前关于煤矿采空区稳定性的研究多集中于静力荷载作用下的研究，即在岩层自重荷载作用下煤矿采空区发生失稳的研究国内专家学者研究较多，而对于扰动荷载作用下(尤其是地震作用下)煤矿采空区的动力稳定性相关的研究则刚刚起步(刘书贤等，2013，2014a，b，c，2015;李海军等，2015)。矿井动力灾害(矿震、冲击地压、煤与瓦斯突出等)常常造成井巷垮塌、人员伤亡，造成重大的经济损失，而现有的研究多集中于矿井各种动力灾害发生机理的研究，只是分析了矿井发生各种动力灾害(矿震、冲击地压、煤与瓦斯突出等)的原因及诱发因素，而对煤矿巷道结构在灾害荷载作用下的破坏形式及灾害荷载在巷道结构中的传播演化致灾的过程少见报道，对于在地震作用下煤矿采动损伤地下结构灾变演化过程的研究也相对较少;并且矿区地下结构的设计中没有考虑到地震载荷的作用，且我国尚未有地下结构的抗震设计规范。

根据地震工程学、应力波基础、煤矿开采沉陷学与工程结构波动理论可知，如果要深入剖析强震作用下煤矿巷道结构的损伤机制及其灾变演化过程与动力灾变防控措施，需要重点从煤矿采空区岩层的移动变形致灾、地震作用下煤矿巷道结构的损伤演化破坏及煤矿采空区动力稳定性能的劣化机制与防控措施等内容开展一系列的研究工作，具体需要开展的研究内容(学术问题)如下:

(1)煤矿采空区的稳定性及多煤层重复开采影响下覆岩移动变形沉陷致灾力学机制

研究煤矿采空区稳定性的影响因素及多煤层重复开采影响下覆岩的移动规律，建立煤矿采动覆岩移动变形破断的力学模型及沉陷判据，并分析多煤层重复开采影响下的煤矿采空区上覆岩层的移动变形破坏与其应力分布的内在联系，通过分析煤矿采空区岩层的移动变形沉陷规律及致灾机制，为研究煤矿采空区的地震动力稳定性提供理论依据。

(2)开采扰动条件下煤岩体的应力与能量演化致灾研究

探讨煤矿采动影响下岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏(灾变)的内在联系，分析煤矿采空区煤岩体非对称作用诱致局部化失稳现象的致灾机制，研究煤矿开采扰动条件下煤岩体中的应力场与能量场的空间分布规律，探讨开采扰动与煤岩体卸压的动态关系以及卸压区内应力与能量变化速率;重点研究地下煤层开采过程中煤岩体局部化应力—变形的能量演化特征，基于地球物理理论和地震工程学探索中震、强震区煤岩局部动力失稳、孕灾模式，揭示煤矿采空区动力失稳特性、形成机理和分布规律，为研究煤矿采动区工程场地的地震稳定性奠定理论基础。

(3)煤矿采空区煤柱、巷道结构及围岩的地震动力响应及稳定性，构建煤矿采动损伤地层的地震波传播理论与采空区动力失稳演化规律

研究煤矿采空区煤柱的地震动力稳定性、巷道结构地震动力灾变的影响因素及围岩的应力场分布演化规律，建立地震作用下煤矿采空区煤柱、巷道结构的动力学运动方程，探讨煤矿采空区煤柱地震动力失稳、煤矿巷道结构不同部位地震动力响应、考虑损伤效应的煤矿巷道结构的地震动力响应、煤矿采空区的地震动力稳定性以及考虑充填材料的煤矿采空区的地震动力稳定性是煤矿采空区地震安全研究的关键学术问题。

(4)煤矿采动区工程场地地震动力稳定性及灾变防控

考虑到煤矿岩层受采动影响的分布特征，分析煤矿采动区冒落带、裂隙带、弯曲带“三带”、巷道之间空间分布的关系，采动区煤层群的空间结构关系、采动区域稳定时间、开采方法等对岩层移动致灾的影响，充分考虑煤矿采动区“三带”的形式、几何特征、破碎带的材料特性，采动损伤场地土的土层厚度和刚度，建立煤矿采动地层的均匀场地模型和煤矿采动损伤地层含破碎带断层的场地模型，分析煤矿采动区复杂地质体中波的传播规律，揭示煤矿采动区“三带”对弹性波的散射规律，探讨煤矿采动损伤土层对场地地震响应的重要影响，建立煤矿采动区工程场地地震稳定性评价的理论和方法是研究煤矿采空区地震动力灾变及安全防控措施的根本落脚点。

在充分分析国内外专家学者关于地下结构抗震研究领域的已有优秀研究成果的基础上发现:要想较好的解决地震作用下煤矿采空区及地下结构的地震损伤力学机制与灾变控制的核心学术问题，面临着以下技术难题及挑战(即煤矿采空区及其矿区地下结构的动力灾变及防控的研究工作需要在以下几方面进行展开和完善):

(1)煤矿采空区(群)的地震动力模拟试验及地震监测:目前关于煤矿采空区(群)的振动台模拟试验及地震动力破坏观测鲜见报道，加之振动台试验的小尺寸与煤矿采空区的大尺寸相对比，试验中很难理想的将其合理化实现，所以如何在振动台试验中合理的消除尺寸效应对于煤矿采空区、巷道结构的影响，是试验中的难点和重点;

(2)地震作用下煤矿采动裂隙岩体的动力本构模型及失稳致灾机制:虽然目前关于岩石的动力本构模型已有大量的研究，但目前的研究大多基于冲击荷载、爆破荷载作用下岩体的高应变率本构关系，较难真实的反映煤矿采动损伤岩石在地震作用下其内部裂纹产生、扩展的机制与损伤演化过程，以及煤矿开采扰动与煤岩体卸压的动态本构关系，以及地震作用下煤岩体的裂隙发展演化与其应力和变形的能量演化特征，尤其是煤矿采空区煤岩体在动荷载扰动作用下局部化失稳现象发展到煤矿采空区整体动力失稳的致灾机制将是核心需要解决的基础问题;

(3)地震作用下煤矿采空区多因素、多相介质耦合的复杂恶劣力学环境的灾害演化机制:煤矿采空区是涉及到固—液—气三相同时存在的多场耦合复杂恶劣的灾害系统，煤矿采空区任何一种致灾因子都可能导致和引发煤矿采空区灾变失稳现象的发生，如何合理的将煤矿采空区灾害系统的复杂性、随机性以及非线性的灾害演化及致灾机制梳理清楚，确定致灾因子在灾害系统中的权重，是煤矿采空区稳定性控制的关键问题;

(4)煤矿采空区地震动力灾变评判准则:虽然目前关于煤矿采空区的稳定性研究已经取得了一定的研究成果，但是对于煤矿采空区地震动力失稳及灾变方面的研究相对较少，尤其是如何评价和评判煤矿采空区的失稳等级是亟需解决的重要问题;所以建立科学合理的煤矿采空区动力灾变的评判准则，对于评价煤矿采空区场地稳定性是否可以建造建筑物具有重大意义，也是建立准确的煤矿采空区动力灾变防控保护措施的重要问题。

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