煤矿采动建筑地震动力灾变与防控研究的现状与发展趋势

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摘要：针对煤矿采空区地面建筑地震动力灾变及抗震性能劣化研究不足的问题，通过分析国内外关于煤矿采动区建筑物保护的相关研究成果，分别从煤矿采动的次生灾害、煤矿采动建筑安全研究的紧迫性与严峻性、煤矿采动建筑安全性研究的不足、煤矿采动损害与地震灾害联合作用的致灾机制以及煤矿采动建筑地震动力灾变现有的研究成果与发展趋势进行了重点探讨，在分析煤矿采动建筑地震动力灾变机制的基础上指出了煤矿采动建筑地震动力灾变与防控研究迫切需要解决的学术问题，初步阐述了技术难题，为煤矿采动建筑的地震动力响应与灾变演化过程的防控提供参考借鉴。

关键词：煤矿采动损害；地震灾害；致灾机制；动力灾变；能量演化

中图分类号：P315.9 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2015）04-0674-15

0.引言

作为以煤炭资源为主要能源的国家，煤炭资源在我国经济和社会发展一直处于重要的战略地位。我国在《能源中长期发展规划纲要（2004-2020年）》明确提出：我国将实施“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”；由中国工程院（2001）编制的《中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究》也明确提出：到2050年我国煤炭资源每年的产量需要控制在30亿吨，由此可见煤炭资源目前仍然是我国核心的主体能源，煤炭资源将依然是我国国民经济持续高速发展不可忽略的因素，根据《能源中长期发展规划纲要（2004～2020年）》相关数据所得到的我国能源生产结构图（图1）和能源消费结构图（图2）可以较为直观看到煤炭资源在我国社会和经济发展中的重要性（中国工程院，2011；朱旺喜等，2003；谭志祥，邓喀中，2006；王金庄，郭增长，2002）。

从图1、2可以明显的看出：我国煤炭资源在一次能源生产结构中所占的比例一直超过70%（煤炭资源所占的比例为76.9%），在一次性能用消费结构中所占的比例接近70%（煤炭资源所占的比例为69.3%），煤炭资源在我国国民经济中的重要性和关键性显而易见；随着我国能源结构的不断完善和调整，煤炭资源作为我国主要的可靠的能源地位依然不可改变（国务院，2001；中国工程院，2011；朱旺喜等，2003；谭志祥，邓喀中，2006；王金庄，郭增长，2002）。所以如何科学合理高效的开采出地下煤炭资源是我国社会经济快速发展的迫切需要，但是随着煤炭资源持续高效的开采过程，煤炭工业所带来的环境污染、生态破坏等灾害问题也越来越突出（来兴平，2004；王来贵等，2002）。

目前我国由于地下煤炭开采对矿区造成了严重的环境污染和生态破坏，如果涉及到“三下压煤”（建筑物下、道路与铁路下、水体下）问题，所造成的危害及破坏就更大；目前我国由于“三下压煤”问题导致地下煤矿资源的开采率远远达不到40%（国务院，2001；中国工程院，2011；朱旺喜等，2003；谭志祥，邓喀中，2006；王金庄，郭增长，2002；来兴平，2004；王来贵等，2002），每年由于煤炭开采新增耕地超过7万公顷（图3），地下水的肆意排放超过80亿吨，煤炭资源开采过程中所产生的煤矸石每年超过9亿吨，由煤矸石所形成的矸石山近1600余座，占地面积已经超过15000公顷（朱旺喜等，2003；谭志祥，邓喀中，2006；王金庄，郭增长，2002；来兴平，2004；王来贵等，2002），煤矸石山的矸石堆积量超过55亿吨，并且煤矸石还存在着占用土地资源、破坏植被、污染水体和空气以及自燃爆炸等各种安全隐患（梁为民，郭增长，2000）。

根据不完全统计（朱旺喜等，2003；谭志祥，邓喀中，2006；王金庄，郭增长，2002；来兴平，2004；王来贵等，2002），我国矿区目前由于地下煤炭资源开采所直接引发的各类各种灾害灾难事件每年超过1万起，由此造成巨大的经济损失和人员伤亡；并且地下煤炭资源的开采还会诱发更严重的次生灾害（矿震、煤与瓦斯突出、突水、粉尘爆炸、地面建筑倒塌破坏等）。仅以煤矿开采所引起的地表移动变形（开采沉陷变形）与地面建筑的损伤破坏为例，目前我国由于矿区开采沉陷变形引起的地面建筑物倒塌破坏直接经济损伤达到50亿元，间接损失更是达到400亿元（谭志祥，2004；郭广礼，2001；线登洲，2008）；由于煤炭开采所造成的土地破坏与荒漠化的面积（图3）已经超过4万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与破坏的土地的治理利用率仅仅能达到15%（来兴平，2004；王来贵等，2002）。能源短缺的紧迫性与矿山开采安全的刚性制约，使得矿区煤炭开采过程的地下工程结构与地面建筑的安全性显得尤为重要。

随着地下煤炭开采强度和范围的不断扩大，矿区出现开采沉陷变形的面积越来越大。大面积的开采沉陷变形引发严重的矿区生态环境问题，如造成建筑物的损害破坏，水资源污染，交通、通讯、管线设施等生命线工程受到损害等，给矿区和资源性城市在资源枯竭后的可持续发展带来很大的隐患，极大的限制了矿区的经济发展。地面建筑物是人类赖以生存的必要条件，一旦遭到破坏，就势必造成巨大的不可挽回的损失。随着矿区经济的发展，矿区地面建筑物在逐渐增多，建筑物下压煤开采已成为许多矿区面临的主要问题，严重制约着矿区的可持续发展。当矿区地下煤炭资源被开采后，煤矿采动区的地表会出现开采沉陷变形，导致建筑物出现各种不同程度的损害和破坏，轻则需要维修加固，重则需要拆迁重建（谭志祥，2004；郭广礼，2001；线登洲，2008）。

煤炭开采后所形成的煤矿采空区对于地面建筑是一个极大的潜在威胁：煤矿开采引起的地表移动变形，不仅会严重降低和破坏建筑物的抗震性能，而且发生地震时地面极容易出现裂缝和塌陷。为了最大限度的保证地震发生时矿区地面建筑的抗震安全性，有必要对煤矿采空区及地面建筑的地震安全性开展研究（吴启红，2010；张永波，2005；彭欣，2008；王正帅，2011；胡聿贤，2006；欧进萍，2003；周福霖，1997；牛宗涛，2008）。