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

作為以煤炭資源為主要能源的國家，煤炭資源在我國經(jīng)濟和社會發(fā)展一直處于重要的戰(zhàn)略地位。我國在《能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要 (2004～2020年)》明確提出①國務(wù)院.2001.能源中長期發(fā)展規(guī)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(fā)展的能源戰(zhàn)略”;由中國工程院 (2001)編制的《中國能源中長期 (2030、2050)發(fā)展戰(zhàn)略研究》也明確提出:到2050年我國煤炭資源每年的產(chǎn)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(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展不可忽略的因素，根據(jù)《能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要 (2004～2020年)》相關(guān)數(shù)據(jù)所得到的我國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)圖 (圖1)和能源消費結(jié)構(gòu)圖 (圖2)可以較為直觀看到煤炭資源在我國社會和經(jīng)濟發(fā)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(chǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of energy production in China

圖2 中國能源消費結(jié)構(gòu)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(chǎn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)濟中的重要性和關(guān)鍵性顯而易見;隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷完善和調(diào)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(wù)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(xué)合理高效的開采出地下煤炭資源是我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展的迫切需要，但是隨著煤炭資源持續(xù)高效的開采過程，煤炭工業(yè)所帶來的環(huán)境污染、生態(tài)破壞等災(zāi)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(qū)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)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(dǎo)致地下煤礦資源的開采率遠遠達不到40% (國務(wù)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(chǎn)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(jīng)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(jù)不完全統(tǒng)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(qū)目前由于地下煤炭資源開采所直接引發(fā)的各類各種災(zāi)害災(zāi)難事件每年超過1萬起，由此造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡;并且地下煤炭資源的開采還會誘發(fā)更嚴(yán)重的次生災(zāi)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(qū)開采沉陷變形引起的地面建筑物倒塌破壞直接經(jīng)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(jīng)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(qū)煤炭開采過程的地下工程結(jié)構(gòu)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(qū)出現(xiàn)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(fā)嚴(yán)重的礦區(qū)生態(tài)環(huán)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(shè)施等生命線工程受到損害等，給礦區(qū)和資源性城市在資源枯竭后的可持續(xù)發(fā)展帶來很大的隱患，極大的限制了礦區(qū)的經(jīng)濟發(fā)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(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，礦區(qū)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(qū)面臨的主要問題，嚴(yán)重制約著礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)?shù)V區(qū)地下煤炭資源被開采后，煤礦采動區(qū)的地表會出現(xiàn)開采沉陷變形，導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)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(qū)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(yán)重降低和破壞建筑物的抗震性能，而且發(fā)生地震時地面極容易出現(xiàn)裂縫和塌陷。為了最大限度的保證地震發(fā)生時礦區(qū)地面建筑的抗震安全性，有必要對煤礦采空區(qū)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(qū)地層結(jié)構(gòu)遭受損傷、抵抗破壞能力降低。調(diào)查表明:天然地震、采礦誘發(fā)地震對煤礦采動損傷地層內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重 (夏軍武等，2007，2002;鄭玉瑩等，2012;譚志祥，2004)。采礦活動使礦區(qū)地層及建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力降低，對唐山、大同等礦區(qū)的調(diào)查表明:煤炭開采活動明顯改變了煤礦采動區(qū)周圍的地震波動場;煤礦采空區(qū)會加重地震的破壞，地震對礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)及地面建筑的破壞更為嚴(yán)重。目前的采礦地下結(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;而對礦區(qū)建筑物的設(shè)計工作，沒有較好的將建筑物的抗震性能設(shè)計與抗變形設(shè)計統(tǒng)一起來。因而開展對礦區(qū)地層、地下結(jié)構(gòu)與地面建筑結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)及災(zāi)變控制的研究，具有重要的理論意義與現(xiàn)實意義。

1 煤礦采動建筑安全研究的緊迫性與嚴(yán)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(jié)地區(qū)威寧彝族回族苗族自治縣交界發(fā)生5.7級地震。新聞媒體以《彝良地震之痛:奪命煤礦采空區(qū)》為題報道了該地區(qū)95%以上的農(nóng)民自建房屋都不具備抗震的條件，由于煤礦企業(yè)開采形成的煤礦采空區(qū)，更加劇了地震的破壞性。礦區(qū)實際震害表明:煤礦采空區(qū)嚴(yán)重加劇了地震災(zāi)害荷載的破壞性，煤礦采動損傷建筑的保護問題是礦區(qū)建設(shè)發(fā)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(fā)生7.8級大地震以來，我國的學(xué)者和科研人員就開始關(guān)注地震作用下煤礦采空區(qū)及地面建筑的安全問題 (胡聿賢，2006;歐進萍，2003;周福霖，1997)。在調(diào)查分析煤礦采動區(qū)的地震災(zāi)害的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)由于煤礦地下巷道結(jié)構(gòu)及煤礦采空區(qū)的存在，地震波的傳播在發(fā)生改變的同時會嚴(yán)重影響煤礦巷道及巖層的應(yīng)力場分布演化。由于地面建筑物的結(jié)構(gòu)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(qū)對建筑物的抗震性能的擾動規(guī)律進行定量分析判斷。因此開展煤礦采動區(qū)的地震穩(wěn)定性研究，對于煤礦采空區(qū)的工程建設(shè)場地的規(guī)劃選擇、地面建筑物的抗震性能具有十分重要的現(xiàn)實意義。由于專業(yè)學(xué)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(qū)由于煤礦開采導(dǎo)致巖 (土)層發(fā)生移動變形破斷，巖層的移動變形屬于礦山開采沉陷領(lǐng)域，主要涉及到巖體力學(xué)、開采沉陷學(xué)以及采礦工程學(xué);煤礦采動建筑物的地震安全屬于土木工程領(lǐng)域，主要涉及到地震工程學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、工程結(jié)構(gòu)抗震等學(xué)科;目前國內(nèi)外采礦工程領(lǐng)域的專家較少涉足結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，而土木工程領(lǐng)域的學(xué)者則對采礦工程的關(guān)注相對較少，導(dǎo)致煤礦采動建筑的地震災(zāi)變與防控相關(guān)研究發(fā)展受阻。煤礦采動建筑物地震災(zāi)變防控問題的特殊性和嚴(yán)峻性導(dǎo)致煤礦采動 (空)區(qū)的地震安全問題愈發(fā)嚴(yán)重。

我國礦區(qū)由于高強度、大面積的持續(xù)開采，導(dǎo)致煤礦采空區(qū)建筑物安全問題越發(fā)突出，采煤沉陷區(qū)建筑物損傷破壞現(xiàn)象日益嚴(yán)重①煤科總院唐山分院，徐州礦務(wù)局.1995.徐州莊礦大戶群高潛水位就地重建村莊下采煤技術(shù)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(qū)處于抗震設(shè)防區(qū)，所以采煤沉陷區(qū)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(zāi)害的威脅;因此研究采煤沉陷區(qū)建筑物的抗震性能也是礦區(qū)工程建設(shè)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(chǎn)生擾動，使地下原有應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，引起圍巖的應(yīng)力重新調(diào)整，這就使圍巖材料發(fā)生了隨時間變化的蠕變特性，所以煤礦沉陷區(qū)地表的沉降變形一般持續(xù)時間比較長。煤礦采空區(qū)會加重地震的破壞，開采沉陷變形導(dǎo)致建筑物破壞問題異常嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響礦區(qū)的環(huán)境保護、經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定，煤礦采動區(qū)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(wù)局.1995.徐州莊礦大戶群高潛水位就地重建村莊下采煤技術(shù)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(zhì)、巖土、結(jié)構(gòu)、防災(zāi)減災(zāi)等多學(xué)科的綜合性、交叉性問題，采動區(qū)建筑物的變形破壞多是由于地下煤炭的開采引發(fā)的開采沉陷，產(chǎn)生了附加應(yīng)力而引起的建筑物發(fā)生傾斜、出現(xiàn)裂縫等一系列問題。由于受到煤礦采動區(qū)地質(zhì)條件的物理力學(xué)的性質(zhì)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(jié)構(gòu)型式、地基土性質(zhì)與承載能力、基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)的強度剛度和整體性、基礎(chǔ)的穩(wěn)定性以及建筑物在煤礦采動區(qū)的位置等因素，給理論計算和力學(xué)模型的建立與分析帶來了很大的困難。

對于煤礦采動區(qū)建筑物的損害防治與保護，國內(nèi)外的專家學(xué)者等科技工作者都開展了大量的科學(xué)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(qū)建筑物進行加固維修或者是采取相應(yīng)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(qū)現(xiàn)場的實際調(diào)查和觀測的結(jié)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(xiàn)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(yīng)力會導(dǎo)致建筑物產(chǎn)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(qū)的建筑物的整體穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成極大的威脅。由于地面建筑物的設(shè)計方法均是單獨考慮建筑的抗震設(shè)計 (普通地區(qū))或抗變形(煤礦采空區(qū))，而煤礦采動區(qū)建筑物在受到地下煤炭開采擾動的條件下是否經(jīng)得起地震的破壞影響，尤其是破壞形式及災(zāi)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(chǎn)生采動裂隙，采動裂隙是礦山一系列災(zāi)害的根源，礦區(qū)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(chǎn)生的震害?；诖?，繼續(xù)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(zāi)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(xiàn)狀

2.1 煤礦采動建筑安全性研究的不足

目前對礦區(qū)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(qū)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(xiàn)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(qū)地基土—基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，并考慮他們之間的協(xié)同工作關(guān)系 (煤礦采動區(qū)土—結(jié)構(gòu)相互作用不僅指地震作用下土—結(jié)構(gòu)動力相互作用，也指在煤礦采動過程中地基—基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)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(huán)境的研究，對于煤礦地面復(fù)雜工業(yè)環(huán)境 (煤礦沉陷區(qū))缺乏定量認(rèn)識;(2)注重常規(guī)工業(yè)與民用建筑損傷劣化研究，對于煤礦地面建筑物嚴(yán)重損傷劣化程度缺乏定量的系統(tǒng)認(rèn)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(tǒng)性;(4)現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性評價理論注重一般自然環(huán)境，不能體現(xiàn)煤礦地面復(fù)雜環(huán)境 (煤礦沉陷區(qū))的特殊性 (煤礦采動致災(zāi)、煤礦采動與地震聯(lián)合致災(zāi))及復(fù)雜性。

對煤礦采動區(qū)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(shè)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(gòu)件不開裂或僅產(chǎn)生微小變化;當(dāng)發(fā)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(fā)生破壞，盡量保證建筑物的整體不被破壞。煤礦采動區(qū)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(shè)計的同時，還應(yīng)考慮建筑物的抗震性能設(shè)計。建筑物的抗采動保護與抗地震保護是對立統(tǒng)一的，抗震設(shè)計和抗變形設(shè)計的共同點是提高建筑結(jié)構(gòu)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(zāi)變分析

煤炭資源開采后所形成的地下洞室結(jié)構(gòu) (煤礦采空區(qū))在上覆巖層的自重應(yīng)力作用下，煤礦采空區(qū)的巖層結(jié)構(gòu)會逐漸產(chǎn)生彎曲、冒落、下沉甚至于破裂現(xiàn)象，在形成“彎曲帶”、“冒落帶”、“裂隙帶”后 (圖4)，煤礦采空區(qū)周圍的圍巖結(jié)構(gòu)體系會形成暫時的穩(wěn)定平衡狀態(tài) (何國清，楊倫，1994)。隨著煤炭資源的持續(xù)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(yīng)力作用下，煤礦采空區(qū)上覆巖層會不斷的經(jīng)歷“失穩(wěn)—穩(wěn)定—再失穩(wěn)—再穩(wěn)定”的演化過程，此時煤礦采空區(qū)的空洞 (隙)的巖層會逐漸壓實，波及到地面就表現(xiàn)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(guān)，煤礦采空區(qū)上覆巖層的移動變形不斷波及地表，地表會產(chǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(fā)生均勻下沉現(xiàn)象的時候，地面建筑一般只會產(chǎn)生整體下沉現(xiàn)象，此時由于地表幾乎不對地面建筑產(chǎn)生附加應(yīng)力，所以地面建筑的損傷破壞較小;如果煤礦開采區(qū)域的地下水位較高時，地面建筑基礎(chǔ)所處的環(huán)境則轉(zhuǎn)變?yōu)槌睗竦沫h(huán)境，容易引起基礎(chǔ)強度降低，導(dǎo)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(dǎo)致建筑物傾斜，此時地面建筑的重心及中心發(fā)生偏離而產(chǎn)生了傾覆力矩，傾覆力矩對地面建筑物所產(chǎn)生的附加應(yīng)力是其損傷破壞的災(zāi)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(tài)向曲面狀態(tài)變化，進而破壞了建筑物基礎(chǔ)底面及建筑物荷載之間的力學(xué)平衡狀態(tài) (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(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象;如果曲率變形對底面建筑所產(chǎn)生的附加應(yīng)力 (或剪力)超過了地面建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件 (尤其是基礎(chǔ))的承載能力極限狀態(tài)，則容易引起地面建筑發(fā)生損傷破壞現(xiàn)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(zhuǎn)變形對地面建筑的損傷破壞

煤礦采空區(qū)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(zhuǎn)變形，煤礦采空區(qū)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(fā)的建筑物破壞形式有所區(qū)別:水平變形容易引發(fā)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(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生相對錯 (轉(zhuǎn))動，繼而引發(fā)建筑物的損傷破壞;扭曲變形則會引發(fā)建筑物產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，引起建筑物發(fā)生扭曲變形，影響其正常使用。

2.3 煤礦采動區(qū)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(shù)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(qū)的處理主要是采用密實水砂充填的方法來實現(xiàn)煤礦采空區(qū)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(qū)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(qū)地表的下沉系數(shù)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(xiàn)地面建筑物保護。德國曾經(jīng)采用破碎后的煤矸石以及爐渣作為煤礦采空區(qū)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(jīng)利用不同礦山之間的協(xié)調(diào)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(qū)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(jì)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(qū)的區(qū)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(jù)煤礦采空區(qū)復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，在前人研究的基礎(chǔ)上提出了煤礦采空區(qū)建筑物盡可能采取對稱結(jié)構(gòu)，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(qū)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(xiàn)。德國的研究人員對于煤礦采動區(qū)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(shù)及建筑物保護相比，我國的煤礦采動區(qū)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(shù)值軟件對煤礦采動損害建筑進行數(shù)值模擬，并與實際采動損害現(xiàn)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(xué)理論及礦山開采沉陷學(xué)，通過理論分析建立同時考慮上部建筑結(jié)構(gòu)—條形基礎(chǔ)—下部地基的協(xié)同力學(xué)模型，重點探討了煤礦開采過程中上部建筑結(jié)構(gòu)在適應(yīng)地表移動變形的過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化過程以及相應(yīng)的影響因素，得到了由于地表移動變形導(dǎo)致煤礦采動建筑物所產(chǎn)生的附加內(nèi)力的計算公式，在以上研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了安裝在框架結(jié)構(gòu)的主動抗變形支座裝置，以保證建筑物可以適時適應(yīng)地表的移動變形。

譚志祥和鄧喀中 (2004)通過理論研究發(fā)現(xiàn)地表移動變形對建筑物損傷破壞主要是以附加內(nèi)力的方式對建筑物進行加載，在此基礎(chǔ)上建立煤礦采動區(qū)建筑物上部結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—地基的整體力學(xué)模型，并對地表移動變形對建筑物所產(chǎn)生的附加內(nèi)力進行了計算;查劍鋒等 (2005)在實驗研究的基礎(chǔ)上，通過對實驗數(shù)據(jù)分析研究發(fā)現(xiàn)要實現(xiàn)煤礦采動區(qū)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(shù)則是控制地表沉陷比較理想的技術(shù);蘇仲杰和劉文生 (2001)根據(jù)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(qū)的上覆巖層產(chǎn)生離層的力學(xué)模型，對其覆巖離層的力學(xué)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(jié)，確定了合理的離層充填注漿設(shè)備 (系統(tǒng))。趙德深 (2001)研究了煤礦采空區(qū)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(qū)的上覆巖層離層產(chǎn)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(qū)上覆巖層的離層產(chǎn)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(qū)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(shù)值模擬分析計算相結(jié)合的方法，重點研究了煤礦采空區(qū)上覆巖層離層發(fā)育機理、影響因素及控制方法，并將研究成果在礦區(qū)進行了實際應(yīng)用;楊逾 (2007)針對礦區(qū)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(gòu)方程及移動變形的計算方法，并在邯鄲礦區(qū)進行了工程應(yīng)用。原煤炭科學(xué)研究總院通過大量的工業(yè)實驗研究設(shè)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(xiàn)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(wù)局.1995.徐州莊礦大戶群高潛水位就地重建村莊下采煤技術(shù)研究報告.;段敬民(2005)根據(jù)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(chǔ)，該基礎(chǔ)為可升降點式基礎(chǔ)，可以較好的抵抗地基不均勻沉降，以達到保護煤礦采動區(qū)建筑物的目的。

2.4 煤礦采動區(qū)土—結(jié)構(gòu)相互作用研究的不足

煤礦采動區(qū)建筑物地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的相互作用與一般地區(qū)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(dǎo)致采動區(qū)建筑物地基變形。在煤炭開采過程中因為煤炭開采所產(chǎn)生的擾動效應(yīng)導(dǎo)致地基土基本的物理性質(zhì)和力學(xué)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(dǎo)致地基產(chǎn)生應(yīng)力重新分布的現(xiàn)象。采動區(qū)建筑地基—基礎(chǔ)之間原來彼此相互連接或接觸的狀態(tài)，在地表發(fā)生移動變形后仍然部分或整體處于相互連接或接觸。而現(xiàn)有采動區(qū)建筑物的設(shè)計計算中通常不考慮地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的相互作用，并且在結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能計算時，往往將上部建筑結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換(直接施加強迫位移)，此時的計算所得的結(jié)果與實際之間相距甚遠。

目前煤礦采動區(qū)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(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)之間相互作用關(guān)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(qū)地基土、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間的相互作用的理論模型和動力學(xué)方程尚未建立，并且采動區(qū)地基土特有的內(nèi)力變化過程:“地基土變形—基礎(chǔ)切入—應(yīng)力重新分布”這一過程現(xiàn)有理論不能較好的解釋和闡述，即當(dāng)?shù)鼗燎首冃沃饾u增大時，建筑物基礎(chǔ)的切入量也隨之增大，目前對地基土、基礎(chǔ)之間相互作用和影響的變形規(guī)律認(rèn)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(jiān)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(qū)建筑物地基反力實際上是不對稱的，而現(xiàn)有的理論通常假設(shè)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(qū)地基土的曲率變形導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生曲率變形，由于兩者之間剛度的差異，從而使采動區(qū)建筑物存在著加載區(qū)和卸載區(qū)，可能出現(xiàn)嵌入?yún)^(qū)和懸空區(qū);但基礎(chǔ)切入地基量尚無可實用的計算方法，嵌入?yún)^(qū)和懸空區(qū)的長度也難以確認(rèn)。

(4)煤礦采動區(qū)建筑物地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)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(xiàn)有的計算理論是基于采動區(qū)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(zāi)變分析

3.1 煤礦采動與地震對建筑物的成災(zāi)機制探討

煤礦采空區(qū)巖層的移動變形與地震災(zāi)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(fā)展的變形，對建筑物的破壞也是隨時間逐漸發(fā)展起來的;地震災(zāi)害對建筑物的破壞則是短時間內(nèi)劇烈的破壞，煤礦開采沉陷變形會導(dǎo)致建筑物產(chǎn)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(fā)展，目前尚沒有清晰系統(tǒng)的理論。但是煤礦采動損害與地震災(zāi)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(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)”來實現(xiàn)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(jù)損傷力學(xué)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(zāi)害對建筑物損傷破壞的內(nèi)在聯(lián)系。

采煤沉陷區(qū)由于巖層的移動變形破斷導(dǎo)致其巖層環(huán)境相對要復(fù)雜些，所以當(dāng)煤礦采空區(qū)發(fā)生地震時，地震波在煤礦采空區(qū)的傳播更為復(fù)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(qū)底部，同時也要考慮在煤礦采空區(qū)可能會出現(xiàn)多個迎波邊界，并且在煤礦采空區(qū)不同位置的波動情況差別較大。綜上可知，煤礦采空區(qū)的破斷巖層屬于松散介質(zhì)，其介質(zhì)的不均勻性及局部幾何的不規(guī)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(qū)發(fā)生地震時的地震波傳播示意圖。

圖6 煤礦采空區(qū)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(qū)建筑物地震動力災(zāi)變的研究現(xiàn)狀

國外關(guān)于建筑物下采煤技術(shù)及煤礦采動區(qū)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(qū)建筑物保護相關(guān)理論及技術(shù)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(shù)發(fā)展的標(biāo)志性里程碑;波蘭、前蘇聯(lián)在煤炭條帶開采技術(shù)方面做出了巨大的貢獻;英國和日本曾經(jīng)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(qū)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(lǐng)域，所以在國內(nèi)關(guān)于煤礦采空區(qū)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(xué)基金的支持下 (表1)，煤礦采動區(qū)建筑保護方面的研究得到了長足發(fā)展。

原煤炭科學(xué)技術(shù)研究總院唐山分院的崔繼憲研究員較早開始進行關(guān)于煤礦采動區(qū)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(yè)大學(xué)、青島理工大學(xué)、河南理工大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)以及大連大學(xué)等學(xué)者相繼開始了該方向的研究工作。

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

表2 國內(nèi)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(yè)大學(xué)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(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)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(shù)大學(xué)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(zāi)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(qū)建筑物地震災(zāi)變防護相關(guān)的研究工作，王來貴教授所帶領(lǐng)的科研團隊主要在煤礦采動損傷地層的穩(wěn)定性及演化災(zāi)變方面開展了大量的研究工作;在青島理工大學(xué)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(yīng)研究的山東省巖體損害防護與地表沉陷治理工程技術(shù)研究中心和青島理工大學(xué)礦山充填技術(shù)與地壓控制研究所;在大連大學(xué)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定為特色的遼寧省復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)災(zāi)害預(yù)測與防治實驗室;在河南理工大學(xué)則形成了以郭文兵教授為學(xué)術(shù)帶頭人的煤礦采動損害與保護河南省創(chuàng)新型科技團隊;在西安科技大學(xué)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(xué)、安徽理工大學(xué)及煤炭科學(xué)技術(shù)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(dāng)煤礦采空區(qū)隸屬于地震區(qū)時，煤礦采動區(qū)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(nèi)的專家學(xué)者關(guān)于煤礦采動區(qū)建筑物的抵抗開采沉陷變形和抵抗地震動的研究已經(jīng)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(qū)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，指出了在對煤礦采動區(qū)建筑物進行設(shè)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(yè)大學(xué)的夏軍武先后主持了國家自然科學(xué)基金項目《采動區(qū)橋體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定機理研究》、《采動區(qū)框架結(jié)構(gòu)建筑物整體穩(wěn)定機理研究》以及教育部跨世紀(jì)人才基金項目《采動區(qū)多層建筑物穩(wěn)定機理研究》，在國家自然科學(xué)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(jù)煤礦采動區(qū)擾動土的破壞實驗，綜合考慮煤礦采動區(qū)地基土與上部框架結(jié)構(gòu)之間的相互作用，建立了同時考慮煤礦采動區(qū)上部框架結(jié)構(gòu)—獨立基礎(chǔ)—地基土的協(xié)調(diào)變形統(tǒng)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(tài)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(nèi)力的關(guān)系，推導(dǎo)建立了煤礦采動區(qū)框架結(jié)構(gòu)的附加 (變形)內(nèi)力的理論計算公式，并設(shè)計出了安裝在框架結(jié)構(gòu)的主動抗變形支座裝置;通過分析影響煤礦采動區(qū)框架結(jié)構(gòu)建筑物整體穩(wěn)定性的因素，探討了開采沉陷變形影響下的煤礦采動區(qū)框架結(jié)構(gòu)建筑物的極限能力，初步得到了煤礦采動區(qū)框架結(jié)構(gòu)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(shù)值模擬與現(xiàn)場調(diào)研應(yīng)用相結(jié)合的研究方法，重點研究了煤礦采動區(qū)水閘結(jié)構(gòu)損傷破壞過程，在綜合考慮煤礦采動區(qū)水閘結(jié)構(gòu)與地基土 (協(xié)調(diào)變形)相互作用的基礎(chǔ)上，提出了對已破壞水閘結(jié)構(gòu)合理化的加固設(shè)計方案以及煤礦采動區(qū)新建抗變形水閘的設(shè)計建議;孫冬明 (2010)通過建立煤礦采動區(qū)輸電塔—線的整體有限元模型，根據(jù)地下采煤工作面的推進方向與輸電塔導(dǎo)線走向的不同，重點研究了煤礦采動區(qū)輸電塔-線的內(nèi)力變化，同時給出煤礦采動區(qū)輸電塔的安全評價，為煤礦采動區(qū)輸電塔—線體系的加固提供參考。

在國家自然科學(xué)基金的支持下，路世豹老師完成了科研項目《地震區(qū)煤礦采動建筑物雙重保護的基礎(chǔ)理論研究》的研究工作，該項目主要研究煤礦采空區(qū)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(guī)律以及地震作用下的災(zāi)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(zāi)害荷載是如何影響和破壞建筑物，如何構(gòu)建搭接這兩種災(zāi)害荷載對建筑物損傷破壞的橋梁。井征博 (2010)利用有限元數(shù)值計算軟件ANSYS建立了鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)在同時考慮煤礦采動與地震荷載效應(yīng)下的損傷破壞過程，但在沒有考慮地基土對結(jié)構(gòu)的影響，所得到的結(jié)果是偏于安全的;吳艷霞 (2012)根據(jù)青島地區(qū)地鐵施工的工程背景，研究了地下地鐵隧道結(jié)構(gòu)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(shù)學(xué)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(qū)地鐵隧道結(jié)構(gòu)上方建筑物損傷評判標(biāo)準(zhǔn);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(nèi)力響應(yīng)，重點分析了結(jié)構(gòu)塑性鉸的形成發(fā)展過程;但是由于SAP2000較好的結(jié)構(gòu)的彈性力學(xué)行為，不能較好的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的塑性力學(xué)行為，容易造成數(shù)據(jù)誤差;張春禮(2009)基于ANSYS軟件建立了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，通過分析煤礦采動與地震災(zāi)害荷載雙重作用下框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)及塑性鉸發(fā)展，指出對于煤礦采動區(qū)建筑物而言必須考慮建筑的抗采動設(shè)計和抗震設(shè)計;楊鑫欣 (2011)通過ANSYS軟件建立了高層框架結(jié)構(gòu)，重點研究了煤礦采動損害與地震聯(lián)合作用下位移的時程曲線，并初步進行了結(jié)構(gòu)損傷評估工作。

于廣云 (2009)以淮南礦區(qū)為工程背景，重點研究了煤礦采動區(qū)大變形影響下的土體物理力學(xué)性能的變化規(guī)律，提出了煤礦采動擾動率的概念，為煤礦采動區(qū)建造抗變形建筑以及加固設(shè)計提供參考;段敬民 (1998)通過建立煤礦沉陷區(qū)的建筑物—基礎(chǔ)—地基共同作用協(xié)調(diào)變形的整體力學(xué)模型，分析了煤炭開采過程中對建筑物所產(chǎn)生的附加作用力，提出了可移動及升降點式基礎(chǔ)的煤礦采動建筑物的保護方法，為煤礦沉陷區(qū)的建筑物的抗震加固提供參考和借鑒;譚志祥(2004)采用現(xiàn)場調(diào)研、試驗研究、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法建立煤礦采動區(qū)的建筑物—基礎(chǔ)—地基協(xié)調(diào)變形的整體力學(xué)模型，分析了地表移動變形影響下不同參數(shù)變化所導(dǎo)致的煤礦采動建筑物附加應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)及保護措施;張永波 (2005)針對煤礦老采空區(qū)建筑物地基穩(wěn)定性不足的問題，通過分析煤礦采空區(qū)上覆巖層、采礦工程的設(shè)計參數(shù)以及建筑物的自重荷載，通過現(xiàn)場工業(yè)實驗重點研究了煤礦老采空區(qū)建筑損傷破壞及地基失穩(wěn)機理，可以為煤礦老采空區(qū)建筑物加固處理及設(shè)計提供參考。劉書賢等 (2010，2011a，b)通過深入礦區(qū)實地考察煤礦采動損害現(xiàn)場，采用理論分析與數(shù)值計算相結(jié)合的方法研究了煤礦采動損害荷載與地震災(zāi)害荷載聯(lián)合作用下建筑物災(zāi)變過程，重點探討了兩種災(zāi)害聯(lián)合作用下建筑物的內(nèi)力響應(yīng)，建立了煤礦采動區(qū)建筑物的抗震抗變形雙重保護裝置，并進行了考慮土—結(jié)構(gòu)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(lián)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(zāi)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(qū)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(shù)已經(jīng)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(zāi)變演化機理及控制尚存在著不足，尤其是考慮煤礦采動區(qū)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(nèi)的變形)相關(guān)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(nèi)在聯(lián)系，這是研究煤礦采動損傷建筑抗震性能劣化的核心和關(guān)鍵問題，通過合理的方法建立煤礦采動損害與地震損害聯(lián)系的橋梁與紐帶是研究地震區(qū)煤礦采動建筑抗震性能迫切需要解決的學(xué)術(shù)問題。

4 煤礦采動區(qū)建筑物地震動力災(zāi)變防控亟待解決的學(xué)術(shù)問題

煤礦環(huán)境的復(fù)雜性、惡劣性，對建筑物的安全性、耐久性等產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)關(guān)于建筑物的抗震設(shè)計方法主要是基于自由場地來假設(shè)建筑周圍的區(qū)域，但是對于礦區(qū)建筑而言，地震發(fā)生煤礦采空區(qū)的存在對其動力響應(yīng)的影響效應(yīng)不可忽略。地震發(fā)生時，煤炭開采后形成的采空區(qū)的邊界區(qū)域改變了地震波的傳播，對地面建筑的動力響應(yīng)有較大影響;所以地震作用下煤礦采空區(qū)的抗震安全問題、煤礦采空區(qū)與地面建筑物動力響應(yīng)的相互影響的互饋機制的問題是研究煤礦采空區(qū)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(zāi)的安全問題，要想對煤礦采動區(qū)建筑物地震動力災(zāi)變防控開展系統(tǒng)化的研究工作，首先需要解決以下問題:

(1)煤礦采動區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境 (采動損傷地層)地震動特性與災(zāi)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(nèi)(區(qū)域尺度)的損傷地層介質(zhì)模型及煤礦采動區(qū)的局部場地介質(zhì)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(qū)地震動場的時空分布規(guī)律，煤礦采動區(qū)復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)、復(fù)雜地形、斷層系統(tǒng)對地震的影響是理論分析、試驗研究和數(shù)值計算中擬解決的關(guān)鍵問題之一。

(2)煤礦采動區(qū)復(fù)雜工業(yè)環(huán)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(guī)律研究:根據(jù)建筑物所處的自然環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境和力學(xué)環(huán)境，從材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)層次探討煤礦沉陷區(qū)復(fù)雜環(huán)境下建筑物抗震性能劣化的影響因素，分析復(fù)雜災(zāi)害因子耦合作用下建筑抗震性能的劣化過程，得到礦區(qū)復(fù)雜多變的災(zāi)害演化系統(tǒng)對建筑物抗震性能的劣化機制;分析煤礦采動區(qū)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(zāi)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(fù)雜工業(yè)災(zāi)害演化系統(tǒng)對建筑物的侵蝕破壞，揭示煤礦采動損害影響下的建筑結(jié)構(gòu)損傷失效機制，形成煤礦采動損害影響下的建筑物修復(fù)加固及維護方法，最終建立礦區(qū)復(fù)雜多變的災(zāi)害演化系統(tǒng)環(huán)境下既有建筑結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計理論。

(3)煤礦采動損害與地震災(zāi)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(jié)構(gòu)特征與力學(xué)屬性，合理的非線性靜、動力強度準(zhǔn)則與采動損傷本構(gòu)模型，煤礦采動與地震雙重作用下建筑物抗震性能參數(shù)及宏觀損傷的綜合影響機制。通過理論研究、試驗和數(shù)值分析手段深入研究地震區(qū)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(guī)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(shù)，是迫切需要解決的一個關(guān)鍵科學(xué)問題。

(4)煤礦采動區(qū)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(jié)構(gòu)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(xué)性能劣化規(guī)律，建立相應(yīng)的力學(xué)模型;研究煤礦采動區(qū)建筑物非線性損傷控制策略，建立結(jié)構(gòu)減震控制體系的損傷控制及全壽命抗震性能設(shè)計方法和理論體系，構(gòu)建煤礦采動區(qū)建筑物地震失效模式控制理論體系，建立煤礦采動區(qū)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(qū)新建建筑物抗開采沉陷變形隔震保護設(shè)計方法與建議是另一個關(guān)鍵科學(xué)問題。

要想真正解決煤礦采空區(qū)建筑物災(zāi)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(shù)措施，以保證煤礦采動建筑物在一定范圍內(nèi)可以抵抗 (或適應(yīng))地表移動變形，同時在發(fā)生地震時，也可以較好的減少地震災(zāi)害能量對煤礦采動區(qū)地面建筑物的動力破壞;基于此要想真正解決煤礦采動區(qū)建筑物的地震動力災(zāi)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(shù)措施”的煤礦采空區(qū)建筑保護理念，保證礦區(qū)工程建設(shè)的安全健康發(fā)展。

5 煤礦采動建筑地震動力災(zāi)變與防控研究的發(fā)展趨勢

隨著煤炭資源持續(xù)高效的開采，遺留的煤礦采空區(qū)以及廢棄礦井巷道將會成為各種衍生災(zāi)害的隱患，加之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)施要建立在煤礦采空區(qū)場地上，但是煤礦采空區(qū)場地是否穩(wěn)定，并在其上建造建筑物值得商榷，并且目前關(guān)于煤礦采空區(qū)地面建筑物的地震動力災(zāi)變更多的是局限于探索性研究階段，尚未形成系統(tǒng)化的研究成果及理論(魏曉剛，2011，2015)。目前煤礦采空區(qū)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(qū)工程場地的靜力穩(wěn)定性及地震動力穩(wěn)定性研究

煤礦采動區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)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(shù)是煤礦采空區(qū)的關(guān)鍵參數(shù)，研究主采煤層形成的采場與構(gòu)造破碎帶、裂隙發(fā)育帶的位置、厚度、面積、走向、傾角和傾伏角等參數(shù)之間的關(guān)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(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，以采厚采深比為參數(shù)進行分類，深入研究煤礦采動對區(qū)域地表建筑物的穩(wěn)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(zhì)分層等不規(guī)則性的地形及介質(zhì)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(qū)的地面位移場、應(yīng)變場和應(yīng)力場。

在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的基礎(chǔ)上，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反應(yīng)的重要影響。建立煤礦采動區(qū)工程場的采動損傷巖土介質(zhì)地震響應(yīng)的理論分析模型，研究煤礦采空區(qū)—巖土介質(zhì)相互作用對地基液化、側(cè)移和震陷的影響，揭示煤礦采動區(qū)場地液化、側(cè)移和震陷的特點及形成機理，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。

(2)煤礦采空區(qū)既有建筑結(jié)構(gòu)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(jù)地震作用下煤礦采空區(qū)動力失穩(wěn)及地面建筑抗震性能劣化及災(zāi)變過程的孕育演化特征和成災(zāi)條件，建立煤礦采空區(qū)的地震動力失穩(wěn)演化致災(zāi)預(yù)測與煤礦采空區(qū)既有建筑結(jié)構(gòu)的全生命周期抗震性能評估及安全動態(tài)調(diào)控的綜合集成智能系統(tǒng)，為建筑物下采煤及煤礦采空區(qū)場地的地震安全性評價提供理論支撐和技術(shù)平臺是迫切需要展開的重要研究內(nèi)容。

(3)研究煤礦采動區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下對建筑物抗震抗變形控制裝置力學(xué)性能的劣化影響規(guī)律。

不同抗開采沉陷變形隔震保護支座力學(xué)性能試驗研究，總結(jié)已有煤礦采動區(qū)建筑保護的理論與試驗成果，分析不同類型煤礦采動區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的失效破壞準(zhǔn)則，分析煤礦采動區(qū)復(fù)雜場地的工程地質(zhì)水文地質(zhì)特點，研究其對建筑結(jié)構(gòu)抗開采沉陷變形隔震保護減災(zāi)控制體系地震動輸入的影響。在試驗研究、數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，凝練深化煤礦采動區(qū)建筑物抗開采沉陷變形隔震保護理論與方法，形成系統(tǒng)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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