第1章 开采沉陷损害类型及特征

2010国家级精品课程开采损害与环境保护山东科技大学资源与环境工程学院1绪论一、课程简介《开采损害与环境保护》课程是采矿工程专业课程体系中具有十分重要地位的专业基础课，内容设置体现了科学研究的一般规律和环境保护与生态恢复的研究进展，对于学生科学思维、综合素质的培养与实践能力的提高起着至关重要的作用。课程以岩石力学、煤矿地质学、采煤学、测量学、矿山开采沉陷学、环境工程为先开课，通过课程学习使学生树立正确而较为全面的矿山开采损害与环境保护的概念，培养学生分析与解决实际问题的能力，对采矿工程专业相关课的学习，乃至毕业生的培养有着十分重要的作用。2绪论二、教学目的

学生通过本课程的学习，了解矿山资源开采的同时各种地质损害（灾害）的类型及特征，开采损害的防治措施以及矿山环境保护技术的发展等。使在专业基础知识中所学到的理论和方法进一步得到深化并运用到解决实际问题中去。通过本课程的教学，使学生树立正确而较为全面的矿山开采损害与环境保护的概念，培养学生分析与解决问题的能力、实事求是的态度和严谨细致的作风，为后继课程的学习、毕业设计及将来在生产实践中应用打下基础。3绪论三、服务于毕业设计为采矿工程毕业设计做准备一般部分：矿井（采区）初步设计专题部分：论文

设计中相关内容：煤柱留设、开采上限、水体下采煤等培养学生适应不同条件下的采矿工作能力特殊条件——三下一上（建筑物下、铁路下、水体下和承压水上）特殊工艺——短壁开采、条带开采、充填采煤、上行开采、水力采煤4绪论四、主要参考书目

1.郭惟嘉等编著，《矿井特殊开采》，煤炭工业出版社，2008.10

2.何国清等编，《矿山开采沉陷学》，中国矿业大学出版社，1991.4

3.国家煤炭工业局制定，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，煤炭工业出版社，2000.6

4.国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局，《煤矿防治水规定》，煤炭工业出版社，2009.115.国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局，《煤矿安全规程》(2011版)，煤炭工业出版社，2011.25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课程主要内容

第一篇开采损害类型及特征6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二篇开采损害防治7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三篇矿山环境保护8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9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。10二、沉陷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。这种地表非连续变形破坏对土地的损害也最为严重。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。图1-1

采动地表裂缝破坏11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1-2

采动地表塌陷坑破坏12(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。湿陷性黄土的抗拉伸变形能力很小，采动极易形成垂直裂缝地表破坏。在地表水冲刷和地下水流动的作用下，采动地表裂缝扩大，裂缝间联通形成地表塌陷坑或冲刷沟破坏。其次当这种采动裂缝出现在坡体位置时，会导致大面积的滑坡、坍塌灾害发生。13三、土地沉陷损害分级开采沉陷土地损害程度与开采深度关系相当密切，一般条件下，当深厚比H/m40时，地表将产生极为严重的裂缝，塌陷坑破坏，土地损害严重；当深厚比H/m=40～200时，地表产生不同程度的变形破坏，土地受到一定程度的损害；深厚比H/m200时，土地损害较轻。14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)。等级下沉量对土地的影响A级下沉大于100mm，小于500mm对土地影响轻微B级下沉大于500mm，小于1500mm对土地产生明显的影响C级下沉大于1500mm，小于3000mm对土地产生严重的影响D级下沉大于3000mm一般积水而无法耕作表1-1土地沉陷损害分级注：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15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

1.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。地表下沉量大，地下水位又很高不均匀下沉16

2.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。17

3.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。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，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。图1-3是地面房屋在正负曲率作用下的受力状态。18在正曲率作用下，房屋产生倒八字形裂缝，裂缝最大宽度在其上端；在负曲率作用下，房屋产生正八字形裂缝，裂缝的最大宽度在其下端。在采深较小、建筑物整体尺寸较大的条件下，地表曲率变形对建筑物的损害较严重，一般当采深采厚比H/m30时，地表将产生较为严重的裂缝、塌陷坑等非连续移动变形破坏，对房屋损害也极为严重；当深厚比H/m300时，地表曲率变形对房屋影响就较小。图1-3a）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19

4.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。205.剪切变形对房屋的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。6.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。21开采引起的房屋损害类型见图1-4所示。22二、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。23损坏等级建筑物损坏程度地表变形值损坏分类结构处理水平变形mm/m曲率K10-3/m倾斜imm/mⅠ自然间砖墙上出现宽度1-2mm的裂缝2.00.23.0极轻微损坏不修自然间砖墙上出现宽度小于4mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于10mm轻微损坏简单维修Ⅱ自然间砖墙上出现宽度小于15mm的裂缝，多条裂缝总宽度小于30mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/3截面高度；梁端抽出小于20mm；砖柱上出现水平裂缝，缝长大于1/2截面边长；门窗略有歪斜4.00.46.0轻度损坏小修Ⅲ自然间砖墙上出现宽度小于30mm的裂缝，多条裂缝总宽度小于50mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50mm；砖柱上出现小于5mm的水平错动；门窗严重变形6.00.610.0中度损坏中修Ⅳ自然间砖墙上出现宽度大于30mm的裂缝，多条裂缝总宽度大于50mm；梁端抽出小于60mm；砖柱出现小于25mm的水平错动6.00.610.0严重损坏大修自然间砖墙上出现严重交叉裂缝、上下贯通裂缝，以及墙体严重外鼓、歪斜；钢筋混凝土梁、柱裂缝沿截面贯通；梁端抽出大于60mm砖柱出现大于25mm的水平错动；有倒塌危险极度严重损坏拆建24表1-3建筑物（土筑平房）破坏（保护）等级与地表变形的关系损坏等级建筑物损坏程度地表变形值结构处理水平变形mm/m曲率K10-3/m倾斜imm/m一基础及勒脚出现1mm左右的细微裂缝1.00.051.0不修二勒脚处裂缝增大，并扩展到窗台下，梁下支撑处两侧墙壁开始出现裂缝1.0～2.00.05～0.11.0～1.5小修三窗台下裂缝扩展到门窗洞上角，梁下墙壁裂缝继续扩展2.0～7.00.1～0.31.5～3.0中修四裂缝扩展到檐口下，裂缝20mm以上，房屋呈菱形，墙角裂开7.0～110.3～0.53.0～4.0大修或拆除

表1-3给出了土筑平房破坏等级与地表变形的对应关系。25第三节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、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：1.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。26图1-5采动引起轨道横向扭曲变形272.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。3.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。284.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。295.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。6.铁路、公路保护等级我国在“三下规程”中规定：一等火车站、高速公路为Ⅰ级保护对象；二等火车站、一级公路为Ⅱ级保护物；三、四等火车站，为Ⅲ级保护物。国外将国铁、高等级公路列为Ⅰ～Ⅱ保护物，普通公路列为Ⅲ～Ⅳ保护物。30二、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

这些属于点式高层构筑物，由于基础面积小，因而抗拉压变形能力较强，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。31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32三、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。33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。34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：35图1-7井筒将发生偏斜变形1.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。36图1-8井筒将产生错动损坏1—地表；2—断层2.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）。37井壁类型岩体竖向压缩允许的变形值（mm/m）整体水泥井壁0.62砖砌井壁0.73钢质连续井壁0.63钢质丘宾筒1.00钢质水泥丘宾筒2.00表1-4常见井壁允许岩体竖向压缩变形值3.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。384.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。395.立井的弯曲若井筒保护煤柱开采顺序选择不当，可能导致井筒产生非均匀倾斜，即井筒沿纵向产生弯曲变形，从而影响矿井提升。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。40三、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。1.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。2.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。41保护等级主要建（构）筑物 Ⅰ国务院明令保护的文物和纪念性建筑物；一等火车站，发电厂主厂房，在同一跨度内有两台重型桥式吊车的大型厂房，平炉，水泥厂回转窑，大型选煤厂主厂房等特别重要或特别敏感的、采动后可能导致发生重大生产、伤亡事故的建（构）筑物；铸铁瓦斯管道干线，大、中型矿井主要通风机房，瓦斯抽放站，高速公路，机场跑道，高层住宅楼等。Ⅱ高炉，焦化炉，220KV以上超高压输电线路杆塔，矿区总变电所，立交桥；钢筋混凝土框架结构的工业厂房，设有桥式吊车的工业厂房，铁路煤仓、总机修厂等较重要的大型工业建（构）筑物；办公楼，医院，剧院，学校，百货大楼；二等火车站，长度大于20m的二层楼房和三层以上多层住宅楼；输水管干线和铸铁瓦斯管道支线；架空索道，电视塔及转播站，一级公路等。Ⅲ无吊车设备的砖木结构工业厂房，三、四等火车站，砖木、砖混结构平房或变形缝区段小于20m的两层楼房，村庄砖瓦民房；高压输电线路杆塔，钢瓦斯管道等。Ⅳ农村木结构承重房屋，简易仓库等。表1-5矿区建（构）筑物保护等级划分42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。1.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。432.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。443.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：陕西省耀县梅七铁路线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）。45图1-9开采引起山体滑坡图1-10