开采沉陷损害类型及特征

第1页，共27页，2023年，2月20日，星期四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2页，共27页，2023年，2月20日，星期四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3页，共27页，2023年，2月20日，星期四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4页，共27页，2023年，2月20日，星期四

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5页，共27页，2023年，2月20日，星期四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。第6页，共27页，2023年，2月20日，星期四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第7页，共27页，2023年，2月20日，星期四

（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。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8页，共27页，2023年，2月20日，星期四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。第9页，共27页，2023年，2月20日，星期四（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1-3a）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—地表曲率附加力矩第10页，共27页，2023年，2月20日，星期四房屋在受到正、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。第11页，共27页，2023年，2月20日，星期四

（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。第12页，共27页，2023年，2月20日，星期四二、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大修或拆除第13页，共27页，2023年，2月20日，星期四第14页，共27页，2023年，2月20日，星期四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第15页，共27页，2023年，2月20日，星期四（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。第16页，共27页，2023年，2月20日，星期四（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。第17页，共27页，2023年，2月20日，星期四二、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—倾斜角第18页，共27页，2023年，2月20日，星期四（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19页，共27页，2023年，2月20日，星期四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：第20页，共27页，2023年，2月20日，星期四（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—断层第21页，共27页，2023年，2月20日，星期四（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。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常见井壁允许岩体竖向压缩变形值表1-4第22页，共27页，2023年，2月20日，星期四（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。第23页，共27页，2023年，2月20日，星期四三、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。第24页，共27页，2023年，2月20日，星期四保护等级主要建（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。矿区建（构）筑物保护等级划分