煤礦采空區(qū)的地震動力災(zāi)變及安全防控的研究進展與挑戰(zhàn)*

魏曉剛，麻鳳海，劉書賢

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

0 引言

我國礦區(qū)由于煤炭資源持續(xù)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(qū)(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(shè)的迅猛發(fā)展，越來越多的建筑物、橋梁、輸電塔以及隧道等各類基礎(chǔ)設(shè)施不可避免的要建在煤礦采空區(qū)場地上，但是煤礦采空區(qū)場地的穩(wěn)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(qū)巖層的移動變形導(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(yīng)，但礦山建設(shè)設(shè)計中較少考慮地震等各種動力災(zāi)害對礦區(qū)地下工程結(jié)構(gòu)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(qū)處于在強地震區(qū)，但卻沒有專門細致化的礦山地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法及抗震設(shè)計規(guī)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(qū)的穩(wěn)定性，煤礦巷道結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)、采空區(qū)與地面建筑動力響應(yīng)的相互影響是研究煤礦采空區(qū)地震安全不可回避的問題。筆者針對煤礦采空區(qū)的地震安全問題，通過分析國內(nèi)外專家學(xué)者對地下結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)變與防控的相關(guān)研究成果，分別從煤礦采空區(qū)災(zāi)害的特征與形成原因、煤礦采空區(qū)動力災(zāi)害研究的緊迫性與嚴峻性、地下結(jié)構(gòu)抗震研究的優(yōu)秀研究成果以及煤礦采空區(qū)地震動力災(zāi)變研究的不足及發(fā)展趨勢等方面進行了分析探討，并對煤礦采空區(qū)的動力災(zāi)變及安全防控迫切需要解決的問題進行了歸納總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對煤礦采空區(qū)的動力災(zāi)變所面臨的挑戰(zhàn)性問題進行了展望。

1 煤礦采空區(qū)災(zāi)害的破壞特征及形成原因

煤礦采空區(qū)的存在是礦區(qū)安全及工程建設(shè)的重大安全隱患，不僅直接威脅著礦區(qū)的安全，而且煤礦采動區(qū)在失穩(wěn)破壞的過程中還會衍生出各種各樣的動力災(zāi)害;通過分析國內(nèi)外相關(guān)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(fā)現(xiàn)煤礦采空區(qū)所導(dǎo)致的次生(動力)災(zāi)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(xué)特征明顯;(3)危害范圍大，突發(fā)性強;(4)社會負面效應(yīng)大，經(jīng)濟損失嚴重。

煤礦采空區(qū)次生災(zāi)害的四大特征導(dǎo)致其成為威脅礦區(qū)安全的重大安全隱患，造成煤礦采空區(qū)及上覆巖層(圍巖)結(jié)構(gòu)體系發(fā)生失穩(wěn)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(qū)的工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件差異較大，由此導(dǎo)致不同煤礦采空區(qū)失穩(wěn)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(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致煤礦采空區(qū)附近的圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象，進而導(dǎo)致巖層(體)發(fā)生了不同程度的損傷破壞，造成煤礦采空區(qū)成為各種災(zāi)害災(zāi)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(fā)巖層的移動變形，從而造成斷層附近容易發(fā)生坍塌失穩(wěn)破壞現(xiàn)象;(3)多頻次、高強度、大規(guī)模的開采活動會直接引發(fā)(附近已有的)煤礦采空區(qū)發(fā)生失穩(wěn)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(shè)的不合理以及煤柱支撐體系的物理力學(xué)性能的損傷劣化，極易造成煤柱失穩(wěn)進而引發(fā)煤礦采空區(qū)的失穩(wěn)破壞;(5)地下煤炭資源不規(guī)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(chǎn)技術(shù)設(shè)備落后、數(shù)量多而雜以及開采方案極不合理，導(dǎo)致所產(chǎn)生的煤礦采空區(qū)分布雜亂無章，在外界擾動荷載的影響下不同煤礦采空區(qū)的失穩(wěn)破壞會相互影響，造成更大的破壞;(6)外界自然環(huán)境的影響:礦區(qū)的工業(yè)環(huán)境惡劣并且復(fù)雜多變，其生態(tài)環(huán)境極其脆弱，如果出現(xiàn)災(zāi)害性的惡劣自然環(huán)境，就會為煤礦采空區(qū)的失穩(wěn)破壞引發(fā)次生災(zāi)害提供孕育發(fā)展的條件。

2 煤礦采空區(qū)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(qū)以及廢棄礦井巷道不僅嚴重降低了礦區(qū)的安全性，而且還會產(chǎn)生各種各樣的衍生災(zāi)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(qū)所引發(fā)的災(zāi)害事故頻發(fā)，造成了巨大的財產(chǎn)損失和人員傷亡(表1)。

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

對于礦區(qū)地下工程結(jié)構(gòu)的抗震研究國內(nèi)外的專家學(xué)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(xiàn)有的抗震理論無法適應(yīng)礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)的抗震防災(zāi)設(shè)計。對于以煤炭資源為主要能源的國家，發(fā)生地震后礦井巷道的圍巖介質(zhì)容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，其承載能力會嚴重降低，此時礦區(qū)巷道結(jié)構(gòu)的基本使用功能已經(jīng)完全破壞喪失，如何合理的解決我國礦井巷道結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計問題及煤礦沉陷區(qū)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(xué)問題。

3 煤礦采空區(qū)地震安全性研究的緊迫性

我國處于歐亞大陸地震帶和環(huán)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(qū)之一，區(qū)域地震活動極其頻繁活躍。根據(jù)我國目前現(xiàn)行地震烈度區(qū)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(qū)處于在強地震區(qū)(劉書賢等，2013)，所以地震作用下礦區(qū)工程結(jié)構(gòu)的動力災(zāi)變控制及煤礦巷道結(jié)構(gòu)的地震安全評價方法的研究就十分重要。

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

國內(nèi)外的專家學(xué)者關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的工程抗震研究存在以下不足(胡聿賢，2006):(1)關(guān)于地下結(jié)構(gòu)具有較強的抗震性能并且地震作用下不容易發(fā)生損傷破壞的認識是缺乏充分的震害數(shù)據(jù)依據(jù)的;(2)目前關(guān)于地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的理論、方法還不能較好的反映地下結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)的實際力學(xué)行為;(3)當(dāng)前關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的強震致災(zāi)機理及防控手段依然相對缺乏;(4)目前關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計的相關(guān)理論及方法還不夠成熟，尚無法滿足蓬勃發(fā)展的地下結(jié)構(gòu)工程防災(zāi)減災(zāi)的需要。

目前關(guān)于煤礦采空區(qū)的研究更多的是關(guān)注靜力荷載作用下的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性及地表移動變形，較少考慮動荷載對煤礦采空區(qū)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(qū)的穩(wěn)定性構(gòu)成較大的威脅和破壞。1976年7月28日發(fā)生的唐山ML7.8地震造成了大量的地下工程結(jié)構(gòu)(煤礦巷道、地下通道以及人防工程)的破壞(胡聿賢，2006)。礦區(qū)由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜，往往存在著斷層以及斷裂帶，一旦發(fā)生地震，其后果不堪設(shè)想。目前國內(nèi)外專家學(xué)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(jié)構(gòu)、地鐵結(jié)構(gòu)以及地下廠房結(jié)構(gòu)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(qū)地下巷道結(jié)構(gòu)的地震動力穩(wěn)定性的研究則相對較少。

礦區(qū)地下巷道結(jié)構(gòu)的安全問題已經(jīng)成為礦區(qū)工程建設(shè)安全問題重要的組成部分。由于學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的限制，土木工程領(lǐng)域的專家學(xué)者較少涉足煤礦巷道結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)變研究。由于采礦工程領(lǐng)域的研究人員對土木工程領(lǐng)域抗震知識的缺乏，對于煤礦巷道結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)也較少關(guān)注，再加上礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)的震害案例缺乏，相關(guān)的試驗研究也相對較少，因此對于地震作用下礦區(qū)地下工程結(jié)構(gòu)(煤柱、煤礦巷道及圍巖介質(zhì))體系的損傷劣化機理、損傷演化規(guī)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(jié)構(gòu)的地震損傷力學(xué)機制與災(zāi)變控制深入細致的探討研究。如何合理揭示煤礦采空區(qū)的地震動力響應(yīng)、煤礦巷道結(jié)構(gòu)的地震破壞模式及控制策略是研究煤礦采空區(qū)的地震安全迫在眉睫的問題。目前，缺乏合理的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法與理論，尤其是礦區(qū)地下巷道結(jié)構(gòu)方面缺乏相對應(yīng)的抗震設(shè)計規(guī)范是限制煤礦采空區(qū)的地震安全研究發(fā)展的主要原因。

近幾年來在國家自然科學(xué)基金委以及國家科技部相關(guān)科研基金的支持下(見表2國內(nèi)部分專家學(xué)者所承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項目及國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目)，煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性及地表移動變形的成災(zāi)機制等相關(guān)的科研項目得到了相關(guān)科研基金的支持，由此大大促進了煤礦采空區(qū)失穩(wěn)成災(zāi)機制研究的發(fā)展。

通過分析表2與國內(nèi)煤礦采空區(qū)災(zāi)變研究相關(guān)的部分國家自然科學(xué)基金及國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973項目)可以發(fā)現(xiàn):煤礦采空區(qū)成災(zāi)機制的相關(guān)研究正在逐漸得到國家以及相關(guān)專家學(xué)者的關(guān)注和重視，近三年(2012～2015年)直接與煤礦采空區(qū)相關(guān)的國家自然科學(xué)基金科研項目迅速增加;從2007年以中國礦業(yè)大學(xué)繆協(xié)興教授為首席科學(xué)家所承擔(dān)的973項目《煤礦突水機理與防治基礎(chǔ)理論研究》為標志，煤礦開采所引發(fā)的各種動力災(zāi)害開始引起國內(nèi)專家的重視，之后國家科技部在采礦工程領(lǐng)域多次對與煤炭開采的各種動力災(zāi)害破壞現(xiàn)象進行973項目立項，如2013年的《西部煤炭高強度開采下地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護基礎(chǔ)研究》以及2015年的《我國西北煤炭開采中的水資源保護基礎(chǔ)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(fā)的各種動力災(zāi)害越來越重視;尤其是2015年以中南大學(xué)周子龍教授為首席科學(xué)家所承擔(dān)的973項目《復(fù)雜采空區(qū)大規(guī)模坍塌的災(zāi)害孕育機理研究》、以中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所盛謙教授為首席科學(xué)家所承擔(dān)的973項目《強震區(qū)重大巖石地下工程地震災(zāi)變機理與抗震設(shè)計理論》以及北京交通大學(xué)袁大軍教授為首席科學(xué)家所承擔(dān)的973項目《高水壓越江海長大盾構(gòu)隧道工程安全的基礎(chǔ)研究》的成功立項，標志著煤礦采空區(qū)災(zāi)害的成災(zāi)機制與防控以及地下結(jié)構(gòu)的抗震安全研究將會成為我國學(xué)術(shù)界及工程界關(guān)注的熱點和亟需解決的科學(xué)問題和工程問題。

4 礦區(qū)地下巷道結(jié)構(gòu)動力災(zāi)變的研究進展

煤礦采動會導(dǎo)致采區(qū)巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，引起煤礦巷道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能劣化、完整性被破壞，從而對煤礦巷道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性造成極大的威脅。但是由于學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的限制，目前對于煤礦地下巷道結(jié)構(gòu)尚沒有相應(yīng)完善的抗震設(shè)計理論和方法。煤炭巷道結(jié)構(gòu)由于其復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的次生損傷在發(fā)生動力災(zāi)害荷載時如何演化發(fā)展尚不清楚，并且礦區(qū)的地下巷道結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜以及所形成的煤礦采空區(qū)也是縱橫交錯分布，一旦出現(xiàn)損傷破壞其修復(fù)難度大，還可能導(dǎo)致發(fā)生大規(guī)模的坍塌事故，所以地震災(zāi)害荷載作用下礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)的安全防災(zāi)問題是一個迫在眉睫的問題。目前國內(nèi)的專家學(xué)者對于地下洞室的地震動力災(zāi)變與防控已經(jīng)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(qū)地震波的不同參數(shù)對地下洞室的動力響應(yīng)的影響發(fā)現(xiàn):地震波的入射方向、空間不均勻性對地下洞室的動力響應(yīng)的影響主要與地下洞室的埋置深度、地應(yīng)力等因素有關(guān)，所取得的研究成果對于分析水利工程領(lǐng)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?guī)r石松動圈的影響因素及與地下洞室?guī)缀涡螤顚r石松動圈的影響的基礎(chǔ)上，重點分析了地震作用下地下洞室?guī)r石松動圈、襯砌結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，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(jié)構(gòu)的抗震研究提供一定的參考依據(jù);劉向峰(2005)主要基于有限元分析軟件ANSYS對礦區(qū)地層結(jié)構(gòu)及煤礦巷道結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)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(yīng)區(qū)別于普通的地層場地條件，所取得的研究成果可以為礦區(qū)的地下工程結(jié)構(gòu)的動力破壞防護提供參考與借鑒。

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力荷載的穩(wěn)定性，重點分析了不同地震波作用下煤柱的動力失穩(wěn)演化過程，所取得的研究成果對于提高煤礦采空區(qū)條帶煤柱抵抗動荷載的穩(wěn)定性具有較好的借鑒意見;唐禮忠等(2012)通過有限差分數(shù)值分析軟件FLAC3D研究爆破地震波對煤礦采空區(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，對煤礦采空區(qū)進行填充后可有效控制煤礦采空區(qū)及圍巖的動力響應(yīng);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(yīng)，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(jié)果是偏于安全的;張玉敏(2010)通過巖石的動三軸力學(xué)試驗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)通過有限元數(shù)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(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)的研究，利用強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和小波包變換理論，采用Matlab數(shù)值計算軟件對鉆眼爆破法產(chǎn)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(jié)構(gòu)及支護結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力響應(yīng)，提出了控制爆破地震動的災(zāi)害能量的方法，對于控制災(zāi)害爆破能量對煤礦巷道結(jié)構(gòu)及支護結(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)值計算軟件FLAC3D分析了地震作用下條帶煤柱的動力穩(wěn)定性，為條帶煤柱的設(shè)計提供了新的設(shè)計建議;言志信等(2012)基于工程結(jié)構(gòu)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(yīng)，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(tǒng)分析總結(jié)了地震作用下地下洞室的動力響應(yīng)及動力災(zāi)變的重要問題，并根據(jù)國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)于地下洞室的地震動力災(zāi)變的相關(guān)研究進展進行了深入的分析與總結(jié)，指出了地下洞室(群)研究未來的發(fā)展方向以及需要解決的關(guān)鍵問題，可以為地震作用下地下洞室(群)結(jié)構(gòu)的動力響應(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，因為煤炭開采過程中在地層所產(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力災(zāi)害的不可忽略的隱患。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)的動力學(xué)響應(yīng)發(fā)生了較大的變化。地下煤炭開采過程中會在礦區(qū)的地層中形成大量的縱橫交錯的煤礦采空區(qū)及地下結(jié)構(gòu)，如果礦區(qū)地下工程結(jié)構(gòu)的幾何尺寸遠遠小于地震波的波長時，地下結(jié)構(gòu)的存在對地震波的傳播及地表動力響應(yīng)的影響較小(趙寶友，2009)。如果礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與地震波的波長處于同一數(shù)量級別的時候，煤礦采空區(qū)則對地表地震動力響應(yīng)以及地震波的傳播產(chǎn)生較大的影響。目前礦山動力災(zāi)害的發(fā)生除了人為因素之外，其動力災(zāi)變的孕育、演化過程及致災(zāi)機理尚不明晰，無法切實有效的預(yù)測礦山動力災(zāi)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(qū)孕育次生災(zāi)害發(fā)生的機理尚不明晰是導(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;加之我國礦區(qū)多采用機械化的采煤技術(shù)，開采過程中采場圍巖結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)力場變化劇烈，容易引起高應(yīng)力集中現(xiàn)象;并且國內(nèi)外專家學(xué)者對于擾動荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波誘發(fā)煤礦采空區(qū)次生災(zāi)害的機制認識不夠充分，煤礦采空區(qū)引發(fā)的次生災(zāi)害控制相對較難，所以研究擾動荷載作用下煤礦采空區(qū)及圍巖結(jié)構(gòu)體系的成災(zāi)過程、動力響應(yīng)的演化過程是保證煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。

5 礦區(qū)復(fù)雜場地地震動力響應(yīng)的研究進展

煤礦采動區(qū)域的復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)條件(巖體穩(wěn)定性差、礦巖破碎、高地應(yīng)力、煤礦采動應(yīng)力擾動等)導(dǎo)致煤礦井下巷道結(jié)構(gòu)和采場覆巖結(jié)構(gòu)損傷破壞現(xiàn)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(zhì)(結(jié)構(gòu))，在煤礦采動之前上覆巖層具有分層性，而且其天然構(gòu)造中存在著裂隙;在采動之后礦區(qū)上覆巖(土)層會發(fā)生移動、破斷和變形。

煤礦采動區(qū)域的巖土層主要由煤系地層和巖石結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是一種極其復(fù)雜的介質(zhì)，巖石內(nèi)部的節(jié)理、裂隙和斷層等不連續(xù)(弱)結(jié)構(gòu)面大量存在。巖土(石)結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)決定了宏觀上的不連續(xù)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(zāi)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(zhì)中的傳播均以應(yīng)力波的形式進行。

應(yīng)力波在巖石介質(zhì)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(zhì)的非均勻、非線性特征明顯;(2)煤礦巷道結(jié)構(gòu)、巖層移動導(dǎo)致傳播介質(zhì)的外貌特征、尺度大等邊界條件復(fù)雜;(3)采動活動會引起巷道結(jié)構(gòu)和巖層發(fā)生次生損傷，該損傷在應(yīng)力波的傳播下會繼續(xù)發(fā)展演化;(4)裂隙、節(jié)理和斷層等以一定的方向性存在于巖石內(nèi)部，從而導(dǎo)致煤巖宏觀上呈現(xiàn)力學(xué)性質(zhì)非連續(xù)性、各向異性等特點;(5)采場煤巖的力學(xué)特征方向性差異較大，導(dǎo)致應(yīng)力波在傳播過程中會由于煤巖本身的各向異性而呈現(xiàn)出方向性。

以上影響因素導(dǎo)致應(yīng)力波在煤礦采動復(fù)雜場地的傳播與衰減規(guī)律以及所引起的煤礦采動地下結(jié)構(gòu)的損傷破壞的研究十分困難和復(fù)雜，煤礦采場復(fù)雜區(qū)域應(yīng)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(zāi)害的防治具有重要的現(xiàn)實意義和學(xué)術(shù)價值，煤礦采動復(fù)雜場地應(yīng)力波在巖土介質(zhì)中的傳播衰減規(guī)律涉及到土木工程、采礦工程和地震工程等學(xué)科領(lǐng)域:在地震工程領(lǐng)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(yīng);在地下工程領(lǐng)域，分析應(yīng)力波的傳播衰減效應(yīng)，可以效應(yīng)控制各種災(zāi)害荷載(礦震、巖爆、爆炸波等)所引起的應(yīng)力波對地下工程結(jié)構(gòu)的破壞。

5.1 復(fù)雜場地地層應(yīng)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(dǎo)致圍巖發(fā)生損傷破裂，在巖層發(fā)生損傷破裂的過程中不可避免的要與外界環(huán)境進行能量交換。當(dāng)出現(xiàn)動力災(zāi)害荷載時，動力災(zāi)害荷載對裂隙巖體的破壞作用主要是由災(zāi)害荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波引起巖層(體)能量耗散(積聚)所導(dǎo)致的。通過分析應(yīng)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(qū)及地下巷道—圍巖結(jié)構(gòu)體系的動力災(zāi)變過程提供參考和借鑒。

礦區(qū)巖層(體)總是不可避免的存在各種各樣不規(guī)則的結(jié)構(gòu)弱面(孔隙、裂縫、空洞等)，加之煤炭環(huán)境中的巖(地)層是成層分布的，而且不同巖層(砂巖、石灰?guī)r、玄武巖、煤矸石等)的物理力學(xué)性能差別較大，其內(nèi)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(dǎo)致巖層內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)(孔隙的尺寸大小、幾何形態(tài)、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(jù)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(zāi)過程來研究巖層的動力災(zāi)變。由于巖石介質(zhì)及礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)的復(fù)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(yīng)力波在巖土介質(zhì)的傳播規(guī)律，地震對地下工程結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)、復(fù)雜場地(如地下洞室群)的地震響應(yīng)，國內(nèi)外的專家學(xué)者已經(jīng)進行了大量的研究工作。

Xia等(2007)采用數(shù)值計算和聲波實驗相結(jié)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(chǔ)上，通過有限元數(shù)值計算探討了爆炸沖擊波在巖體內(nèi)的傳播衰減規(guī)律;錢七虎和陳士海(2004)、Wang和Qian(1995)根據(jù)巖石的斷層、節(jié)理裂隙帶的空間幾何關(guān)系，重點研究了爆炸應(yīng)力沖擊波在通過巖石節(jié)理裂隙帶時的傳播衰減規(guī)律;Ju等(2006)在SHPB試驗的基礎(chǔ)上，采用分形方法研究了應(yīng)力在巖石復(fù)雜節(jié)理結(jié)構(gòu)的傳播與能量演化的關(guān)系，定量地分析了不規(guī)則節(jié)理面結(jié)構(gòu)對應(yīng)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(yīng)力波在不同飽和條件下的大理巖砂巖中的傳播衰減規(guī)律;Wang等(2003)通過花崗巖的系列化爆破試驗，研究了爆炸應(yīng)力波在自由場的傳播衰減規(guī)律;李歡秋等(2003)采用爆炸模擬的實驗結(jié)果和有限元數(shù)值計算方法相結(jié)合的方法，對應(yīng)力波在地下復(fù)合結(jié)構(gòu)介質(zhì)中的傳播進行的分析研究，探討了爆炸應(yīng)力波在復(fù)合巖石介質(zhì)中的傳播衰減規(guī)律;Lu和Hustrulid(2002)在柱面波理論、子波理論和的應(yīng)力波場理論分析的基礎(chǔ)上，建立了爆破應(yīng)力波影響下的質(zhì)點峰值振動速度衰減公式，并通過實驗研究和數(shù)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(chǔ)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(jié)構(gòu)的傳播衰減規(guī)律;王明洋等(2001，2010)從細觀物理力學(xué)理論著手，從微觀角度研究了爆炸應(yīng)力波在巖體(結(jié)構(gòu))中的能量演化，初步了建立了微觀物理角度的動力本構(gòu)模型;單仁亮等(2003)在大理巖和花崗巖沖擊試驗的基礎(chǔ)上，建立了考慮應(yīng)變率效應(yīng)的巖石黏彈性損傷模型。

目前對于應(yīng)力波在巖土介質(zhì)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(zhì)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(fù)雜場地(如地下洞室群)的地震動力學(xué)響應(yīng)方面的研究已經(jīng)進行了一定的研究工作。

5.2 復(fù)雜場地地層地震響應(yīng)的研究進展

礦區(qū)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(jié)構(gòu)、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(qū)采場的土層會發(fā)生一定的擾動損傷，再加上采場土層物性參數(shù)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(fù)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(lián)合作用下地下工程結(jié)構(gòu)的動力災(zāi)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(yīng)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(xué)響應(yīng)，重點探討了地震荷載作用下圍巖結(jié)構(gòu)的動力特性，提出了實用于地下工程結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，綜合分析了工程地質(zhì)力學(xué)條件對地下洞室群地震動力學(xué)響應(yīng)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(yīng)力特征等因素對地下巖體洞室的地震動力響應(yīng)的影響，并初步分析了其影響規(guī)律，可為地震荷載下地下洞室的位移反應(yīng)提供一定的借鑒意義。李海波(2009)在有限元數(shù)值分析計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)溪洛渡地下廠房的地震動力響應(yīng)，建立了“動應(yīng)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(zāi)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(zāi)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(shù))的變化規(guī)律，探討了位移變化規(guī)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(chǔ)上，通過數(shù)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(guī)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(yīng)規(guī)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(yīng)譜的影響規(guī)律;梁建文等(2012)采用頻域變換方法和間接邊界元理論相結(jié)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(qū)不同地下洞室參數(shù)對地震波的放大效應(yīng);李帆(2008)在有限元分析軟件FLUSH數(shù)值計算的基礎(chǔ)，研究了地震作用下四種不同性質(zhì)的場地背景的地鐵隧道群的動力災(zāi)變問題問題，并從時域范圍內(nèi)探討了隧道群的存在對地震波的傳遞的影響;馮領(lǐng)香(2008)通過在間接邊界元引入格林函數(shù)和半空間精確動力剛度矩陣，在頻域范圍內(nèi)重點研究了破碎帶對斷層場地地震波傳播衰減的影響規(guī)律，所得的結(jié)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(shù)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(yīng)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(guī)律;劉必?zé)?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(guī)律;喻畑和李小軍(2012a)利用汶川地震強震記錄數(shù)據(jù)，利用NGA衰減關(guān)系模型分析了對汶川地震區(qū)基巖場地各種場地的地震波傳播衰減規(guī)律，并對影響地震動衰減的因素(加速度反應(yīng)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(shù)據(jù)，對比分析了各地區(qū)不同土層場地的強震動記錄，在淺硬土層場地的放大系數(shù)研究分析的基礎(chǔ)上，演化得到了相對應(yīng)的深厚土層場地的平均放大系數(shù);陳國興等(2013)根據(jù)蘇州某實際地層的工程地質(zhì)情況，通過建立精細化有限元模型，重點研究了地震動參數(shù)(地震動峰值加速度PGA、水平地震影響系數(shù)最大值、動力放大系數(shù)最大值)的變化規(guī)律，指出了地震的波動特性、場地土介質(zhì)的性質(zhì)對場地的設(shè)計地震動參數(shù)影響較大，所得的相關(guān)結(jié)論可為類似場地的地震安全性評價、抗震設(shè)防提高參考價值和借鑒意義。

國內(nèi)的專家學(xué)者對于復(fù)雜地層的地震動力響應(yīng)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(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。但是對于礦區(qū)復(fù)雜場地土層及地下結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生一定程度的擾動損傷，而上述地震響應(yīng)分析所用的地震動輸入以及場地的動力響應(yīng)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(jié)果應(yīng)該會有失偏頗。

6 煤礦采空區(qū)地震動力災(zāi)變及防控研究亟待解決的學(xué)術(shù)問題及面臨的挑戰(zhàn)

目前關(guān)于煤礦采空區(qū)穩(wěn)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(qū)發(fā)生失穩(wěn)的研究國內(nèi)專家學(xué)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(qū)的動力穩(wěn)定性相關(guān)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(zāi)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(jīng)濟損失，而現(xiàn)有的研究多集中于礦井各種動力災(zāi)害發(fā)生機理的研究，只是分析了礦井發(fā)生各種動力災(zāi)害(礦震、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等)的原因及誘發(fā)因素，而對煤礦巷道結(jié)構(gòu)在災(zāi)害荷載作用下的破壞形式及災(zāi)害荷載在巷道結(jié)構(gòu)中的傳播演化致災(zāi)的過程少見報道，對于在地震作用下煤礦采動損傷地下結(jié)構(gòu)災(zāi)變演化過程的研究也相對較少;并且礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計中沒有考慮到地震載荷的作用，且我國尚未有地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計規(guī)范。

根據(jù)地震工程學(xué)、應(yīng)力波基礎(chǔ)、煤礦開采沉陷學(xué)與工程結(jié)構(gòu)波動理論可知，如果要深入剖析強震作用下煤礦巷道結(jié)構(gòu)的損傷機制及其災(zāi)變演化過程與動力災(zāi)變防控措施，需要重點從煤礦采空區(qū)巖層的移動變形致災(zāi)、地震作用下煤礦巷道結(jié)構(gòu)的損傷演化破壞及煤礦采空區(qū)動力穩(wěn)定性能的劣化機制與防控措施等內(nèi)容開展一系列的研究工作，具體需要開展的研究內(nèi)容(學(xué)術(shù)問題)如下:

(1)煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性及多煤層重復(fù)開采影響下覆巖移動變形沉陷致災(zāi)力學(xué)機制

研究煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素及多煤層重復(fù)開采影響下覆巖的移動規(guī)律，建立煤礦采動覆巖移動變形破斷的力學(xué)模型及沉陷判據(jù)，并分析多煤層重復(fù)開采影響下的煤礦采空區(qū)上覆巖層的移動變形破壞與其應(yīng)力分布的內(nèi)在聯(lián)系，通過分析煤礦采空區(qū)巖層的移動變形沉陷規(guī)律及致災(zāi)機制，為研究煤礦采空區(qū)的地震動力穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

(2)開采擾動條件下煤巖體的應(yīng)力與能量演化致災(zāi)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(zāi)變)的內(nèi)在聯(lián)系，分析煤礦采空區(qū)煤巖體非對稱作用誘致局部化失穩(wěn)現(xiàn)象的致災(zāi)機制，研究煤礦開采擾動條件下煤巖體中的應(yīng)力場與能量場的空間分布規(guī)律，探討開采擾動與煤巖體卸壓的動態(tài)關(guān)系以及卸壓區(qū)內(nèi)應(yīng)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(yīng)力—變形的能量演化特征，基于地球物理理論和地震工程學(xué)探索中震、強震區(qū)煤巖局部動力失穩(wěn)、孕災(zāi)模式，揭示煤礦采空區(qū)動力失穩(wěn)特性、形成機理和分布規(guī)律，為研究煤礦采動區(qū)工程場地的地震穩(wěn)定性奠定理論基礎(chǔ)。

(3)煤礦采空區(qū)煤柱、巷道結(jié)構(gòu)及圍巖的地震動力響應(yīng)及穩(wěn)定性，構(gòu)建煤礦采動損傷地層的地震波傳播理論與采空區(qū)動力失穩(wěn)演化規(guī)律

研究煤礦采空區(qū)煤柱的地震動力穩(wěn)定性、巷道結(jié)構(gòu)地震動力災(zāi)變的影響因素及圍巖的應(yīng)力場分布演化規(guī)律，建立地震作用下煤礦采空區(qū)煤柱、巷道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)運動方程，探討煤礦采空區(qū)煤柱地震動力失穩(wěn)、煤礦巷道結(jié)構(gòu)不同部位地震動力響應(yīng)、考慮損傷效應(yīng)的煤礦巷道結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)、煤礦采空區(qū)的地震動力穩(wěn)定性以及考慮充填材料的煤礦采空區(qū)的地震動力穩(wěn)定性是煤礦采空區(qū)地震安全研究的關(guān)鍵學(xué)術(shù)問題。

(4)煤礦采動區(qū)工程場地地震動力穩(wěn)定性及災(zāi)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(qū)冒落帶、裂隙帶、彎曲帶“三帶”、巷道之間空間分布的關(guān)系，采動區(qū)煤層群的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系、采動區(qū)域穩(wěn)定時間、開采方法等對巖層移動致災(zāi)的影響，充分考慮煤礦采動區(qū)“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(qū)復(fù)雜地質(zhì)體中波的傳播規(guī)律，揭示煤礦采動區(qū)“三帶”對彈性波的散射規(guī)律，探討煤礦采動損傷土層對場地地震響應(yīng)的重要影響，建立煤礦采動區(qū)工程場地地震穩(wěn)定性評價的理論和方法是研究煤礦采空區(qū)地震動力災(zāi)變及安全防控措施的根本落腳點。

在充分分析國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)于地下結(jié)構(gòu)抗震研究領(lǐng)域的已有優(yōu)秀研究成果的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn):要想較好的解決地震作用下煤礦采空區(qū)及地下結(jié)構(gòu)的地震損傷力學(xué)機制與災(zāi)變控制的核心學(xué)術(shù)問題，面臨著以下技術(shù)難題及挑戰(zhàn)(即煤礦采空區(qū)及其礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)的動力災(zāi)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(qū)(群)的地震動力模擬試驗及地震監(jiān)測:目前關(guān)于煤礦采空區(qū)(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(qū)的大尺寸相對比，試驗中很難理想的將其合理化實現(xiàn)，所以如何在振動臺試驗中合理的消除尺寸效應(yīng)對于煤礦采空區(qū)、巷道結(jié)構(gòu)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(gòu)模型及失穩(wěn)致災(zāi)機制:雖然目前關(guān)于巖石的動力本構(gòu)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(yīng)變率本構(gòu)關(guān)系，較難真實的反映煤礦采動損傷巖石在地震作用下其內(nèi)部裂紋產(chǎn)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(tài)本構(gòu)關(guān)系，以及地震作用下煤巖體的裂隙發(fā)展演化與其應(yīng)力和變形的能量演化特征，尤其是煤礦采空區(qū)煤巖體在動荷載擾動作用下局部化失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)展到煤礦采空區(qū)整體動力失穩(wěn)的致災(zāi)機制將是核心需要解決的基礎(chǔ)問題;

(3)地震作用下煤礦采空區(qū)多因素、多相介質(zhì)耦合的復(fù)雜惡劣力學(xué)環(huán)境的災(zāi)害演化機制:煤礦采空區(qū)是涉及到固—液—氣三相同時存在的多場耦合復(fù)雜惡劣的災(zāi)害系統(tǒng)，煤礦采空區(qū)任何一種致災(zāi)因子都可能導(dǎo)致和引發(fā)煤礦采空區(qū)災(zāi)變失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，如何合理的將煤礦采空區(qū)災(zāi)害系統(tǒng)的復(fù)雜性、隨機性以及非線性的災(zāi)害演化及致災(zāi)機制梳理清楚，確定致災(zāi)因子在災(zāi)害系統(tǒng)中的權(quán)重，是煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵問題;

(4)煤礦采空區(qū)地震動力災(zāi)變評判準則:雖然目前關(guān)于煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性研究已經(jīng)取得了一定的研究成果，但是對于煤礦采空區(qū)地震動力失穩(wěn)及災(zāi)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(qū)的失穩(wěn)等級是亟需解決的重要問題;所以建立科學(xué)合理的煤礦采空區(qū)動力災(zāi)變的評判準則，對于評價煤礦采空區(qū)場地穩(wěn)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(qū)動力災(zāi)變防控保護措施的重要問題。

陳國興，戰(zhàn)吉艷，劉培玄，等.2013.遠場大地震作用下深軟場地設(shè)計地震動參數(shù)研究［J］.巖土工程學(xué)報，35(9):1591－1599.

陳健云，胡志強，林皋.2001.超大型地下洞室群的三維地震響應(yīng)分析［J］.巖土工程學(xué)報，23(4):494－498.

崔臻，盛謙，冷先倫，等.2013.大型地下洞室群地震動力災(zāi)變研究綜述［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，33(5):606－616.

單仁亮，薛友松，張倩.2003.巖石動態(tài)破壞的時效損傷本構(gòu)模型［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，22(11):1771 －1776.

馮領(lǐng)香.2008.斷層場地對彈性波的散射［D］.天津:天津大學(xué).

谷寧.2011.水電站地下洞室節(jié)理圍巖的地震穩(wěn)定性分析［D］.大連:大連理工大學(xué).

何國清，楊倫.1994.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社.

何滿潮，錢七虎.2010.深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社.

胡聿賢.2006.地震工程學(xué)［M］.北京:地震出版社.

姜耀東，趙毅鑫，宋彥琦，等.2005.放炮震動誘發(fā)煤礦巷道動力失穩(wěn)機理分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，24(17):3131－3136.

來興平.2004.西部礦山大尺度采空區(qū)衍生動力災(zāi)害控制［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，26(1):1－3.

李帆.2008.地鐵隧道群對地震動的影響［D］.天津:天津大學(xué).

李海波，劉博，呂濤，等.2009.一種簡單的巖體地下洞室地震安全評價方法［J］.巖土力學(xué)，30(7):1873－1882.

李海波，馬行東，李俊如，等.2006.地震荷載作用下地下巖體洞室位移特征的影響因素分析［J］.巖土工程學(xué)報，28(3):358－362.

李海波，馬行東，邵蔚，等.2005.地震波參數(shù)對地下巖體洞室位移特性的影響分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，24(S1):4627－4634.

李海軍，魏曉剛，孫琦，等.2015.地震和煤礦采動耦合作用下露天礦邊坡及采空區(qū)穩(wěn)定性研究［J］.地震研究，38(1):161－166.

李歡秋，盧芳云，吳祥云，等.2003.應(yīng)力波在有地下復(fù)合結(jié)構(gòu)的巖石介質(zhì)中傳播規(guī)律研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，22(11):1832－1836.

梁建文，巴振寧.2012.層狀半空間中洞室對平面SH波的放大作用［J］.地震工程與工程振動，32(2):14 －24.

梁建文，李帆，劉中憲.2011.地鐵隧道群對地震動的放大作用［J］.地震工程與工程振動，31(2):31－39.

梁建文，張季，巴振寧.2012.層狀半空間中洞室群對地震動的時域放大作用［J］.地震工程與工程振動，45(S1):152－157.

劉必?zé)?，周正華，劉培玄，等.2011.SV波入射情況下V型河谷地形對地震動的影響分析［J］.地震工程與工程振動，31(2):17－24.

劉剛.2011.條帶開采煤柱靜動態(tài)穩(wěn)定性研究［D］.西安:西安科技大學(xué).

劉書賢，郭濤，魏曉剛，等.2014a.地震作用下煤礦開采損傷建筑的能量耗散演化致災(zāi)分析［J］.地震研究，37(3):442－449.

劉書賢，胡紅珍，魏曉剛，等.2015.煤礦采動與地震聯(lián)合作用下建筑物損傷演化災(zāi)變分析［J］.地震研究，38(1):156－160.

劉書賢，王春麗，魏曉剛，等.2014b.煤礦采空區(qū)的地震動力響應(yīng)及其對地表的影響［J］.地震研究，37(4):642－647.

劉書賢，魏曉剛，王偉，等.2014c.基于隔震技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)抗采動變形抗地震保護［J］.地震研究，37(1):86－93.

劉書賢，魏曉剛，張弛，等.2013.煤礦采動與地震耦合作用下建筑物災(zāi)變分析［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，42(4):526－534.

劉向峰.2005.采動損傷地層結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)研究［D］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué).

呂濤.2008.地震作用下巖體地下洞室響應(yīng)及安全評價方法研究［D］.武漢:中國科學(xué)院研究生院(武漢巖土力學(xué)研究所).

馬行東，李海波，肖克強，等.2006.動荷載作用下地下巖體洞室應(yīng)力特征的影響因素分析［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，26(2):164－169，228.

馬行東.2005.地震動荷載作用下地下洞室響應(yīng)的初步分析［D］.武漢:中國科學(xué)院研究生院(武漢巖土力學(xué)研究所).

錢鳴高，繆協(xié)興，何富連.1994.采場“砌體梁”結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵塊分析［J］.煤炭學(xué)報，19(6):557－564.

錢七虎，陳士海.2004.爆破地震效應(yīng)［J］.爆破，21(2):1－5.

榮棉水，李小軍.2007.局部地形對出平面運動譜特性的影響分析［J］.中國地震，23(2):147－156.

佘詩剛，董隴軍.2013.從文獻統(tǒng)計分析看中國巖石力學(xué)進展［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，32(3):442－464.

孫有為.2006.地下洞室的幾何性質(zhì)對松動圈的影響［D］.哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所.

孫有為.2011.地下硐室圍巖松動圈的地震反應(yīng)研究［D］.哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所.

譚志祥，鄧喀中.2006.建筑物下采煤研究進展［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，25(4):485－488.

唐禮忠，周建雄，張君，等.2012.動力擾動下深部采空區(qū)圍巖力學(xué)響應(yīng)及充填作用效果［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，39(6):623－628.

汪海波.2013.煤礦爆破地震效應(yīng)對巷道穩(wěn)定性影響及控制研究［D］.淮南:安徽理工大學(xué).

王輝.2003.爆炸荷載下巖石爆破損傷斷裂機理研究［D］.西安:西安科技大學(xué).

王金莊，郭增長.2002.我國村莊下采煤的回顧與展望［J］.中國煤炭，28(5):28－32.

王來貴，劉向峰，姚再興，等.2002.大中型露天煤礦閉坑地質(zhì)災(zāi)害淺析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，13(3):51－54.

王來貴，潘一山，趙娜.2007.廢棄礦山的安全與環(huán)境災(zāi)害問題及其系統(tǒng)科學(xué)研究方法［J］.渤海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，28(2):97－101.

王明洋，戚承志，錢七虎.2001.巖體中爆炸與沖擊下的破壞研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，20(4):385－389.

王如賓，徐衛(wèi)亞，石崇，等.2009.高地震烈度區(qū)巖體地下洞室動力響應(yīng)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，28(3):568－575.

魏曉剛.2011.考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用的采動區(qū)建筑物抗震抗變形雙重保護裝置減震分析［D］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué).

魏曉剛.2015.煤礦巷道與采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)地震動力災(zāi)變及地面建筑抗震性能劣化研究［D］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué).

吳啟紅.2010.礦山復(fù)雜多層采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析及安全治理研究［D］.長沙:中南大學(xué).

席道瑛，劉衛(wèi)，易良坤，等.1996.在不同飽和流體條件下大理巖砂巖應(yīng)力波的衰減［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，15(S1):456－459.

謝和平.2003.礦山巖體力學(xué)及工程的研究進展與展望［J］.中國工程科學(xué)，5(3):31－38.

許增會，宋宏偉，趙堅.2004.地震對隧道穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，33(1):41－44.

言志信，史盛，黨冰，等.2013.水平地震力作用下巖體破壞機理探究［J］.地震工程學(xué)報，35(2):203 －207.

楊軍，高文學(xué)，金乾坤.2001.巖石動態(tài)損傷特性實驗及爆破模型［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，20(3):320 －323.

喻畑，李小軍.2012a.基于NGA模型的汶川地震區(qū)地震動衰減關(guān)系［J］.巖土工程學(xué)報，34(3):552 －558

喻畑，李小軍.2012b.汶川地震余震震源參數(shù)及地震動衰減與場地影響參數(shù)反演分析［J］.地震學(xué)報，34(5):621－632.

張彥賓.2012.條帶開采工程非線性動力穩(wěn)定性研究［D］.焦作:河南理工大學(xué).

張玉敏.2010.大型地下洞室群地震響應(yīng)特征研究［D］.武漢:中國科學(xué)院研究生院(武漢巖土力學(xué)研究所).

趙寶友，馬震岳，丁秀麗.2010.不同地震動輸入方向下的大型地下巖體洞室群地震反應(yīng)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，29(S1):3395－3402.

趙寶友.2009.大型巖體洞室地震響應(yīng)及減震措施研究［D］.大連:大連理工大學(xué).

朱旺喜，王來貴，王建國，等.2003.資源枯竭城市災(zāi)害形成機理與控制戰(zhàn)略研討［M］.北京:地質(zhì)出版社.

J.Y.，Li Y.X.，Xie H.P.，et al..2006.Stress wave propagation and energy dissipation in jointed rocks［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，25(12):2426 －2434.

Lu W..B.，Hustrulid W..2002.An improvement to the equation for the attenuation of the peak particle velocity［J］.Engineering Blasting，8(3):1－4.

Wang M.Y.，F(xiàn)an P.X.，Li W.P..2010.Mechanism of splitting and unloading failure of rock［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，29(2):234 －239.

Wang M.Y.，Qian Q.H..1995.Attenuation law of explosive wave propagation in cracks［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，17(2):42－46.

Wang Z.J.，Li X.L.，Ge K.，et al..2003.Free － field stress wave propagation induced by underground chemical explosion in granite［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，22(11):1827－1831.

Xia X.，Li J.R.，Li H.B.，et al..2007.Study of damage characteristics of rock mass under blasting load in Ling'ao nuclear power station，Guangdong Province［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，26(12):2510 －2516.