第1章 开采沉陷损害类型及特征（课件）

开采损害与环境保护,六盘水师范学院矿业工程系2013.8,第一章 开采沉陷损害类型及特征 第二章 开采水动力损害 第三章 开采大气损害 第四章 开采废弃物（尾矿）损害 第五章 开采对生态环境的影响,第一篇 开采损害类型及特征,目录,第二篇 开采损害防治,第六章 岩层移动变形机理 第七章 开采沉陷的一般规律 第八章 开采损害的监测与评价 第九章 保护煤（岩）柱或矿（岩）柱的留设 第十章 建筑物下采煤 第十一章 铁路下采煤 第十二章 水体下采煤 第十三章 承压含水层上采煤,第三篇 矿山环境保护,第十四章 村庄、城镇建筑物的地上保护措施 第十五章 开采沉陷盆地土地治理 第十六章 矿山固体废弃物处理 第十七章 矿区水环境与水资源化 第十八章 矿山环境质量评价 第十九章 开采损害防治新理论、新技术及其应用 第二十章 矿区环境与可持续发展,第一章 开采沉陷损害类型及特征,第一节 开采沉陷土地损害 第二节 开采沉陷房屋损害 第三节 开采沉陷地面及地下构筑物损害 第四节 开采井筒煤柱不均匀沉陷导致的工业广场设施 及井筒损害 第五节 开采沉陷导致的工程地质损害 第六节 近地表开采（挖）损害,第一篇 开采损害类型及特征 第一章 开采沉陷损害类型及特征 矿山开采包括露天开采和地下开采两大类。下面以地下开采损害为 主，阐述各类损害及其特征。 第一节 开采沉陷土地损害 一、开采沉陷土地损害现状 目前，我国采矿业每年占用和破坏的土地约达3.4万公顷，其中仅每年 煤炭开采形成的地面塌陷就约达3.0万公顷，累计已达约50万公顷，且每年 还将以3万公顷左右的速度增长。 二、下沉土地损害形式 开采沉陷引起土地损害的形式可归纳为以下几种形式： （一）开采沉陷引起的地表裂缝、台阶下沉、塌陷坑及滑坡破坏。,此破坏对土地的损害也最为严重。如：陕西开采时间最长的铜川矿区，由 于开采形成的地裂缝比比皆是（图1-1），市区内因采动引起的新老滑坡154 处，崩塌和坠落体351处。澄合矿区巨厚湿陷性黄土覆盖层开采地表裂缝经雨 水冲刷、侵蚀后形成塌陷破坏坑（图1-2）和泥石流等地质灾害。,图1-1采动地表裂缝破坏 图1-2采动地表塌陷坑破坏,（二）降低了地表标高，形成低洼积水坑或沼泽地。 （三）开采引起湿陷性黄土裂缝损害。 三、土地沉陷损害分级 我国目前还没有关于土地沉陷损害的分级标准，根据土地沉陷的特点一般可将土地沉陷损害分为4个等级，见表1-1。,土地沉陷损害分级 表1-1,注：对于地表沉陷裂缝带，塌陷坑等无法耕种的沉陷损害，均可归于D级损害,第二节 开采沉陷房屋损害,地下开采对地表房屋的损害主要是由采动地表在垂直方向的移动变形（下沉、 倾斜、曲率、扭曲）和水平方向的移动变形（水平移动、拉伸与压缩变形）以及地 表平面内的剪应变引起。 一、开采沉陷房屋损害类型 （一）下沉对房屋的损害 一般，当房屋所处的地表出现均匀下沉时，房屋的结构不会产生附加应力，因 而对其本身也就不会带来损害，但当地表下沉量大，地下水位又很高时，造成房屋 周围长期积水或受潮，改变了房屋所处的环境，会降低地基的强度。不均匀下沉造 成房屋损害的最普遍形式就是产生不同程度的房屋斑裂，一般不均匀下沉的上方墙 体就产生倾斜裂缝，严重时就会影响房屋的使用甚至会使房屋破坏而废弃。,（二） 倾斜对房屋的损害 地表倾斜后，将引起房屋的歪斜。房屋倾斜会导致房屋重心偏离，产生 附加倾覆力矩，承载结构内部将产生附加应力，基础承载压力重新分布。地 表倾斜尤其对高层建筑物的损害明显，甚至会引起楼房底层发生下水道倒流 等现象，影响正常生活和使用。 （三）地表曲率对房屋的损害 地表曲率变形将原来房屋的平面基础变为曲面形状。这样，建筑物的荷 载与基础土壤反力间的初始平衡状态就遭到了破坏。在正负曲率作用下，房 屋都会受到损害。,图1-3 a）正曲率作用下房屋的受力状态 b)负曲率作用下房屋的受力状态 FR地表曲率附加力 MR地表曲率附加力矩,房屋在受到正、负曲率影响下，将使地基反力重新分布，而使房屋墙壁 在竖直面内受到附加的弯矩和剪力的作用（图1-3），其值超过房屋基础和 上部结构的极限强度时，房屋就会出现裂缝。,（四）地表水平变形对房屋的损害 地表水平变形对房屋的破坏作用很大，尤其是拉伸变形。由于房屋的抵 抗拉伸能力远小于抵抗压缩的能力，所以较小的地表拉伸变形就能使房屋产 生开裂性裂缝，砖砌体的结合缝，房屋的结构点（如房梁）易被拉开。当压 缩变形较大时，可使房屋墙壁、地基压碎，地板鼓起产生剪切和挤压裂缝， 可使门窗洞口挤成菱形，纵墙或围墙产生褶曲或屋顶鼓起。 （五）剪切变形房屋损害 当房屋处于下沉盆地主断面上，但其方位与回采区段斜交，或者房屋处 于下沉盆地非主断面位置时，在地表剪切变形作用下，房屋的纵横基础间将 产生相对转动，从而使房屋改变了原有的平面形状。 （六）扭曲变形对房屋的损害 由于两个横墙处的地表倾斜值不同，导致了地表沿房屋的纵轴中心线产 生了扭曲变形，导致房屋扭转变形的产生。 开采引起的房屋损害类型见图1-4所示。,二、开采房屋损害程度分级 我国在建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 （以下简称“三下采煤”规程）中将长度或变形缝区段内长度小于20m的砖混 结构房屋破坏分为四个等级，见表1-2。其它结构类的建（构）筑物可参照 表1-2执行，表1-3给出了土筑平房破坏等级与地表变形的对应关系。,建筑物（土筑平房）破坏（保护）等级与地表变形的关系 表1-3,第三节 开采沉陷地面及地下构筑物损害,开采沉陷地面及地下构筑物损害包括：地面铁路、公路、高压输电线 塔、线路、索道、电视转播塔、烟囱等高层建（构）筑物、堤坝、桥涵、管 路及地下埋藏的各类建（构）筑物等。 一、开采沉陷对铁路、公路及其构筑物的损害 按开采沉陷引起地表变形特点， 可将沉陷对铁路、公路的损害分为： （一）地表横向倾斜移动变形损害 横向不均匀移动变形将导致铁路 轨道横向移动扭曲变形（图1-5）， 两条轨道分离或挤压，使高速行驶的 火车行使困难，脱轨掉道，甚至发生 翻车事故。,图1-5 采动引起轨道横向扭曲变形,（二）地表纵向倾斜移动变形损害 地表纵向倾斜变形使道路爬行坡度增大，两站之间的区间坡度大于1:80 （12.5）时车辆行使困难，可能会破坏列车的正常运行和调车场的工作， 为此需要增加列车的牵引力和制动力。采动线路中出现高差大于200mm的鞍 形断面或盆形断面时，为了恢复轨道的正常坡度，必须进行大量的维修作。 （三）地表波浪起伏沉陷损害 开采地表压缩变形的挤压力，通过路基传递给路面，一般情况下公路路 面的抗挤压能力很小，在挤压变形作用下，公路路面波浪起伏，在这种条件 下高速行驶的车辆会腾空，引发翻车事故，同时在行车的作用下会加速路面 的破坏。 （四）地表拉伸变形损害 纵向水平移动变形会引起钢轨衔接处鱼尾板的断裂、轨缝闭合、以及钢 轨的纵向弯曲表现为侧向弯曲或向上凸起，严重时会导致轨道脱离路基悬 空，引起火车掉道、行车事故。采动地表纵向移动变形会引起公路路基、路 面开裂破坏或挤压隆起形成波浪起伏路面。公路路面开裂后，雨水浸入路面 在热胀冷缩及冻溶作用下，路面更易破坏。,（五）开采沉陷引起路基稳定性损害 采动地表沉陷过程的拉伸、压缩、倾斜变形减小了路基的 内摩擦力和内聚力，会引起路基承载能力的下降，导致边坡的 滑移甚至滑坡灾害发生。 （六）铁路、公路保护（损害）分级 我国在“三下规程”中规定：一等火车站、高速公路为级 保护对象；二等火车站、一级公路为级保护物；三、四等火 车站，为级保护物。国外将国铁、高等级公路列为保 护物，普通公路列为保护物。,二、开采沉陷对高压输电线塔、线路、索道、电视转播塔、烟囱等高层 建（构）筑物的损害 （一）这些属于点式高层构筑物，由于基础面积小，因而抗变形能力较强， 但是它们对倾斜变形非常敏感。这种高层构筑物因倾斜偏心矩的作用，在塔体任 意截面内产生自重附加弯矩，在弯矩的作用下，可能沿塔体中部某截面发生断裂 破坏。同时使得基底承载压力发生变化（图1-6），这种偏心矩对基底产生的偏 心压力超过了基底的强度时，塔体即可能发生倾覆破坏或倒塌。,图1-6 塔体倾斜平衡力系的变化 1塔体原始状态；2塔体倾斜状态；3地表原始状态 4地表沉陷状态；5基础应力状态；p作用力；c倾斜角,（二）开采沉陷对地下管线的损害 城镇地下管道可分为带压管道：输油、供水、供气、供暖等；自流管 道：生活废水、工业废水、雨水排水管道；电缆（通讯）管线三类。这些 管（道）线对纵向水平变形和局部下沉形成的曲率变形比较敏感。 埋设各类地下管线在通过矿区沉陷区时，都应事先论证，根据预计的 下沉引起的各种有关的变形值及埋设管线、材料、土质类型等论证，其抗 变形能力是否超过其允许变形值，若小于则安全，否则应采用特殊措施加 以安全保护。,第四节 开采井筒煤柱不均匀沉陷导致的 工业广场设施及井筒损害,一、概述 随着开采煤层深度的加深和开采煤层层数的增多，井筒与工业广场煤柱 的压煤量也越来越大。井筒煤柱的煤层一般赋存稳定，开采条件好，开拓开 采都十分方便。同时运输距离短，耗电量少，吨煤成本低能取得较好的经济 技术效益。 井筒煤柱开采系指要利用原有的井筒及其它的主生产系统，来回收自身 的保护煤柱，因此井筒煤柱的开采涉及井筒、主要生产系统及其工业广场建 筑设施三大系统的保护，故具有它的特殊性和复杂性。 二、井筒煤柱开采对井筒本身的损害 井筒煤柱开采可分为正常地质条件和特殊地质条件下两种情况。所谓正 常地质条件，系指没有较大的断层切割井筒和开采煤层；特殊地质条件，系 指有较大的断层或明显的软弱层穿过井筒。井筒煤柱的开采对井筒的损害主 要表现在以下几个方面：,（一）立井的偏斜变形 立井偏斜变形，主要受开采煤层产状、覆岩性质和开采方法影响。例如， 急倾斜煤层立井保护煤柱开采时，位于开采煤层底板内的井筒，不论采用什么 样的开采技术措施，总是要向采空一侧发生偏斜变形（图1-7），这是由煤层 产状决定的。,图1-7 井筒将发生偏斜变形 图1-8 井筒将产生错动损坏 1地表；2断层,（二）井筒的错动 在特殊地质条件下开采立井井筒保护煤柱时，由于采动的影响，岩体沿 断层破碎带或软弱岩层面发生滑动，致使井筒产生错动（图1-8）。 （三）井筒的竖向变形 井筒围岩的竖向变形，使井筒产生竖向拉伸或压缩变形。井筒的拉伸变 形，可使井筒的井壁在个别地段断裂，如果井筒对防水没有特殊的要求，井 壁的断裂一般不会影响生产。井壁的压缩变形，可造成井壁在个别地段的局 部塌落，同时造成井筒内罐道的弯曲，影响罐道的使用。井壁允许围岩的压 缩变形值与井壁的结构类型有关，表1-4给出了常用井壁允许的岩体竖向压 缩变形值。,常见井壁允许岩体竖向压缩变形值 表1-4,（四）立井水平断面的变形破坏 在开采水平及缓倾斜煤层时，井筒的竖向变形是主要危害指标。但在倾 斜和急倾斜煤层开采时，立井水平断面的水平变形对井壁的破坏起着重要的 作用。立井水平断面的变形与破坏，基本上出现在围岩软弱层通过井壁处。 在采动影响下，围岩处于竖向受压状态，因软弱层抵抗变形的能力较弱，所 以必然产生较大的横向膨胀或流动，这将使井壁受到径向加载，造成井筒横 断面的收缩。一般情况下，这种附加水平应力场是非均匀的。在非均匀附加 水平应力场的作用下，井筒的横断面收缩将使圆形井筒变为椭圆形。井筒横 断面的收缩使井壁破坏、掉块或塌落，同时由于罐道梁的作用，将使罐道弯 曲，从而影响提升。 （五）立井的弯曲 立井井筒保护煤柱的开采，引起立井井壁发生各种变形破坏。立井井壁 的变形破坏主要集中在围岩软弱层通过井壁处，这已被实践所证实。特别是 井筒围岩以坚硬岩层为主，而且在两层坚硬岩层间有软弱岩层存在时，若井 壁处于受压状态，井壁通过软弱岩层处，必然发生破坏。,三、工业广场设施及井筒内设施的损害 井筒保护煤柱的开采不但会引起井筒本身的损害，而且会 引起井口地面生产系统中的设施及井筒内设施的损害。 （一）井口设施的损害 包括井架、扇风机和绞车的损害。 开采非均匀沉陷还会影响井口的地面装车系统、选煤系统 等的正常运转。 （二）井筒设施的损害 “三下采煤”规程中对矿区建（构）筑物保护等级划分见 表1-5。,矿区建（构）筑物保护等级划分 表1-5,第五节 开采沉陷导致的工程地质损害,一、开采沉陷导致的工程地质损害类型 开采沉陷导致的工程地质灾害主要为：地质构造活化；地表裂缝、塌陷 坑、岩溶塌陷；山体滑坡、崩塌；冲击地压、矿震、煤与瓦斯突出等灾害。 （一）地质构造活化 开采沉陷是矿物开采后，其上覆岩层内部剧烈移动变形传递到地表的结 果。这种移动变形使开采破坏了岩层内部平衡后需要形成新的平衡的过程， 同时也会诱发一些地质构造的活化，导致工程地质灾害发生。开采沉陷导致 的地质活化包括：断层的活化；古（老）滑坡稳定区甚至古岩溶陷落柱的活 化等。 （二）冲击地压、矿震及煤与瓦斯突出 煤矿冲击地压是指在一定条件的高地应力作用下，井巷或回采工作面周 围的煤岩体由于弹性能的瞬间释放而产生破坏的矿井动力现象，伴随着巨大 的声响，煤岩体被抛向采掘空间和产生巨大气浪等现象。它往往造成采掘空 间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡和井巷的毁 坏，甚至导致地表塌陷而引起局部地震。,（三）山体滑坡、崩塌、地裂缝 矿山开采沉陷引起的滑坡是在山区地表条件下，开采引起沿地层弱面 发生大的滑移或具有厚度较大表土层条件下，而导致的山体重力失稳的滑 坡灾害。 在特厚黄土覆盖层的冲沟或山区条件下，开采沉陷在地表首先形成裂 缝破坏，在雨水侵蚀作用下，裂缝破坏加剧，常常造成黄土高陡坡失稳形 成大的滑坡或崩塌灾害。如：耀县梅七铁路线30km长的地段就有38处发生 滑坡；韩城矿务局厚煤层放顶煤开采地表滑坡、大裂缝破坏非常严重（图 1-9，图1-10）。,图1-9 开采引起山体滑坡,图1-10 开采引起山体切落式大裂缝,二、开采沉陷地质灾害特点,开采沉陷地质灾害具有以下特点： （一）群发性 （二）衍生性 （三）区域性 （四）发灾持续时间的多样性 （五）不可避免性和可预防性 （六）影响的多