開采沉陷損害類型及特征

第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一章開采沉陷損害類型及特征第二章開采水動力損害第三章開采大氣損害第四章開采廢棄物（尾礦）損害第五章開采對生態(tài)環(huán)境的影響第一篇開采損害類型及特征目錄第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日第二篇開采損害防治第六章巖層移動變形機(jī)理第七章開采沉陷的一般規(guī)律第八章

開采損害的監(jiān)測與評價(jià)第九章保護(hù)煤（巖）柱或礦（巖）柱的留設(shè)第十章建筑物下采煤第十一章鐵路下采煤第十二章水體下采煤第十三章承壓含水層上采煤第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日第三篇礦山環(huán)境保護(hù)第十四章村莊、城鎮(zhèn)建筑物的地上保護(hù)措施第十五章開采沉陷盆地土地治理第十六章礦山固體廢棄物處理第十七章礦區(qū)水環(huán)境與水資源化第十八章礦山環(huán)境質(zhì)量評價(jià)第十九章開采損害防治新理論、新技術(shù)及其應(yīng)用第二十章礦區(qū)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日

第一章開采沉陷損害類型及特征

第一節(jié)開采沉陷土地?fù)p害第二節(jié)開采沉陷房屋損害第三節(jié)開采沉陷地面及地下構(gòu)筑物損害第四節(jié)開采井筒煤柱不均勻沉陷導(dǎo)致的工業(yè)廣場設(shè)施及井筒損害第五節(jié)開采沉陷導(dǎo)致的工程地質(zhì)損害第六節(jié)近地表開采（挖）損害第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一篇開采損害類型及特征第一章開采沉陷損害類型及特征礦山開采包括露天開采和地下開采兩大類。下面以地下開采損害為主，闡述各類損害及其特征。第一節(jié)開采沉陷土地?fù)p害一、開采沉陷土地?fù)p害現(xiàn)狀目前，我國采礦業(yè)每年占用和破壞的土地約達(dá)3.4萬公頃，其中僅每年煤炭開采形成的地面塌陷就約達(dá)3.0萬公頃，累計(jì)已達(dá)約50萬公頃，且每年還將以3萬公頃左右的速度增長。二、下沉土地?fù)p害形式開采沉陷引起土地?fù)p害的形式可歸納為以下幾種形式：

（一）開采沉陷引起的地表裂縫、臺階下沉、塌陷坑及滑坡破壞。第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日此破壞對土地的損害也最為嚴(yán)重。如：陜西開采時(shí)間最長的銅川礦區(qū)，由于開采形成的地裂縫比比皆是（圖1-1），市區(qū)內(nèi)因采動引起的新老滑坡154處，崩塌和墜落體351處。澄合礦區(qū)巨厚濕陷性黃土覆蓋層開采地表裂縫經(jīng)雨水沖刷、侵蝕后形成塌陷破壞坑（圖1-2）和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

圖1-1采動地表裂縫破壞

圖1-2采動地表塌陷坑破壞第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日

（二）降低了地表標(biāo)高，形成低洼積水坑或沼澤地。（三）開采引起濕陷性黃土裂縫損害。三、土地沉陷損害分級我國目前還沒有關(guān)于土地沉陷損害的分級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)土地沉陷的特點(diǎn)一般可將土地沉陷損害分為4個(gè)等級，見表1-1。A級下沉大于100mm，小于500mm對土地影響輕微B級下沉大于500mm，小于1500mm對土地產(chǎn)生明顯的影響C級下沉大于1500mm，小于3000mm對土地產(chǎn)生嚴(yán)重的影響D級下沉大于3000mm一般積水而無法耕作土地沉陷損害分級表1-1注：對于地表沉陷裂縫帶，塌陷坑等無法耕種的沉陷損害，均可歸于D級損害第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)開采沉陷房屋損害地下開采對地表房屋的損害主要是由采動地表在垂直方向的移動變形（下沉、傾斜、曲率、扭曲）和水平方向的移動變形（水平移動、拉伸與壓縮變形）以及地表平面內(nèi)的剪應(yīng)變引起。一、開采沉陷房屋損害類型

（一）下沉對房屋的損害

一般，當(dāng)房屋所處的地表出現(xiàn)均勻下沉?xí)r，房屋的結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生附加應(yīng)力，因而對其本身也就不會帶來損害，但當(dāng)?shù)乇硐鲁亮看?，地下水位又很高時(shí)，造成房屋周圍長期積水或受潮，改變了房屋所處的環(huán)境，會降低地基的強(qiáng)度。不均勻下沉造成房屋損害的最普遍形式就是產(chǎn)生不同程度的房屋斑裂，一般不均勻下沉的上方墻體就產(chǎn)生傾斜裂縫，嚴(yán)重時(shí)就會影響房屋的使用甚至?xí)狗课萜茐亩鴱U棄。第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日（二）傾斜對房屋的損害地表傾斜后，將引起房屋的歪斜。房屋傾斜會導(dǎo)致房屋重心偏離，產(chǎn)生附加傾覆力矩，承載結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生附加應(yīng)力，基礎(chǔ)承載壓力重新分布。地表傾斜尤其對高層建筑物的損害明顯，甚至?xí)饦欠康讓影l(fā)生下水道倒流等現(xiàn)象，影響正常生活和使用。

（三）地表曲率對房屋的損害地表曲率變形將原來房屋的平面基礎(chǔ)變?yōu)榍嫘螤?。這樣，建筑物的荷載與基礎(chǔ)土壤反力間的初始平衡狀態(tài)就遭到了破壞。在正負(fù)曲率作用下，房屋都會受到損害。圖1-3a）正曲率作用下房屋的受力狀態(tài)b)負(fù)曲率作用下房屋的受力狀態(tài)FR—地表曲率附加力MR—地表曲率附加力矩第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日房屋在受到正、負(fù)曲率影響下，將使地基反力重新分布，而使房屋墻壁在豎直面內(nèi)受到附加的彎矩和剪力的作用（圖1-3），其值超過房屋基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度時(shí)，房屋就會出現(xiàn)裂縫。第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日

（四）地表水平變形對房屋的損害地表水平變形對房屋的破壞作用很大，尤其是拉伸變形。由于房屋的抵抗拉伸能力遠(yuǎn)小于抵抗壓縮的能力，所以較小的地表拉伸變形就能使房屋產(chǎn)生開裂性裂縫，磚砌體的結(jié)合縫，房屋的結(jié)構(gòu)點(diǎn)（如房梁）易被拉開。當(dāng)壓縮變形較大時(shí)，可使房屋墻壁、地基壓碎，地板鼓起產(chǎn)生剪切和擠壓裂縫，可使門窗洞口擠成菱形，縱墻或圍墻產(chǎn)生褶曲或屋頂鼓起。（五）剪切變形房屋損害當(dāng)房屋處于下沉盆地主斷面上，但其方位與回采區(qū)段斜交，或者房屋處于下沉盆地非主斷面位置時(shí)，在地表剪切變形作用下，房屋的縱橫基礎(chǔ)間將產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，從而使房屋改變了原有的平面形狀。（六）扭曲變形對房屋的損害由于兩個(gè)橫墻處的地表傾斜值不同，導(dǎo)致了地表沿房屋的縱軸中心線產(chǎn)生了扭曲變形，導(dǎo)致房屋扭轉(zhuǎn)變形的產(chǎn)生。開采引起的房屋損害類型見圖1-4所示。第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日二、開采房屋損害程度分級

我國在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（以下簡稱“三下采煤”規(guī)程）中將長度或變形縫區(qū)段內(nèi)長度小于20m的磚混結(jié)構(gòu)房屋破壞分為四個(gè)等級，見表1-2。其它結(jié)構(gòu)類的建（構(gòu)）筑物可參照表1-2執(zhí)行，表1-3給出了土筑平房破壞等級與地表變形的對應(yīng)關(guān)系。建筑物（土筑平房）破壞（保護(hù)）等級與地表變形的關(guān)系表1-3損壞等級建筑物損壞程度地表變形值結(jié)構(gòu)處理水平變形mm/m曲率K10-3/m傾斜imm/m一基礎(chǔ)及勒腳出現(xiàn)1mm左右的細(xì)微裂縫1.00.051.0不修二勒腳處裂縫增大，并擴(kuò)展到窗臺下，梁下支撐處兩側(cè)墻壁開始出現(xiàn)裂縫1.0～2.00.05～0.11.0～1.5小修三窗臺下裂縫擴(kuò)展到門窗洞上角，梁下墻壁裂縫繼續(xù)擴(kuò)展2.0～7.00.1～0.31.5～3.0中修四裂縫擴(kuò)展到檐口下，裂縫20mm以上，房屋呈菱形，墻角裂開7.0～110.3～0.53.0～4.0大修或拆除第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)開采沉陷地面及地下構(gòu)筑物損害開采沉陷地面及地下構(gòu)筑物損害包括：地面鐵路、公路、高壓輸電線塔、線路、索道、電視轉(zhuǎn)播塔、煙囪等高層建（構(gòu)）筑物、堤壩、橋涵、管路及地下埋藏的各類建（構(gòu)）筑物等。一、開采沉陷對鐵路、公路及其構(gòu)筑物的損害按開采沉陷引起地表變形特點(diǎn)，可將沉陷對鐵路、公路的損害分為：（一）地表橫向傾斜移動變形損害橫向不均勻移動變形將導(dǎo)致鐵路軌道橫向移動扭曲變形（圖1-5），兩條軌道分離或擠壓，使高速行駛的火車行使困難，脫軌掉道，甚至發(fā)生翻車事故。圖1-5采動引起軌道橫向扭曲變形第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日（二）地表縱向傾斜移動變形損害

地表縱向傾斜變形使道路爬行坡度增大，兩站之間的區(qū)間坡度大于1:80（12.5‰）時(shí)車輛行使困難，可能會破壞列車的正常運(yùn)行和調(diào)車場的工作，為此需要增加列車的牽引力和制動力。采動線路中出現(xiàn)高差大于200mm的鞍形斷面或盆形斷面時(shí)，為了恢復(fù)軌道的正常坡度，必須進(jìn)行大量的維修作。（三）地表波浪起伏沉陷損害開采地表壓縮變形的擠壓力，通過路基傳遞給路面，一般情況下公路路面的抗擠壓能力很小，在擠壓變形作用下，公路路面波浪起伏，在這種條件下高速行駛的車輛會騰空，引發(fā)翻車事故，同時(shí)在行車的作用下會加速路面的破壞。（四）地表拉伸變形損害縱向水平移動變形會引起鋼軌銜接處魚尾板的斷裂、軌縫閉合、以及鋼軌的縱向彎曲表現(xiàn)為側(cè)向彎曲或向上凸起，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致軌道脫離路基懸空，引起火車掉道、行車事故。采動地表縱向移動變形會引起公路路基、路面開裂破壞或擠壓隆起形成波浪起伏路面。公路路面開裂后，雨水浸入路面在熱脹冷縮及凍溶作用下，路面更易破壞。第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日（五）開采沉陷引起路基穩(wěn)定性損害采動地表沉陷過程的拉伸、壓縮、傾斜變形減小了路基的內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚力，會引起路基承載能力的下降，導(dǎo)致邊坡的滑移甚至滑坡災(zāi)害發(fā)生。

（六）鐵路、公路保護(hù)（損害）分級我國在“三下規(guī)程”中規(guī)定：一等火車站、高速公路為Ⅰ級保護(hù)對象；二等火車站、一級公路為Ⅱ級保護(hù)物；三、四等火車站，為Ⅲ級保護(hù)物。國外將國鐵、高等級公路列為Ⅰ～Ⅱ保護(hù)物，普通公路列為Ⅲ～Ⅳ保護(hù)物。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日二、開采沉陷對高壓輸電線塔、線路、索道、電視轉(zhuǎn)播塔、煙囪等高層建（構(gòu)）筑物的損害

（一）這些屬于點(diǎn)式高層構(gòu)筑物，由于基礎(chǔ)面積小，因而抗變形能力較強(qiáng)，但是它們對傾斜變形非常敏感。這種高層構(gòu)筑物因傾斜偏心矩的作用，在塔體任意截面內(nèi)產(chǎn)生自重附加彎矩，在彎矩的作用下，可能沿塔體中部某截面發(fā)生斷裂破壞。同時(shí)使得基底承載壓力發(fā)生變化（圖1-6），這種偏心矩對基底產(chǎn)生的偏心壓力超過了基底的強(qiáng)度時(shí)，塔體即可能發(fā)生傾覆破壞或倒塌。圖1-6塔體傾斜平衡力系的變化1—塔體原始狀態(tài)；2—塔體傾斜狀態(tài)；3—地表原始狀態(tài)4—地表沉陷狀態(tài)；5—基礎(chǔ)應(yīng)力狀態(tài)；p—作用力；c—傾斜角第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日（二）開采沉陷對地下管線的損害

城鎮(zhèn)地下管道可分為帶壓管道：輸油、供水、供氣、供暖等；自流管道：生活廢水、工業(yè)廢水、雨水排水管道；電纜（通訊）管線三類。這些管（道）線對縱向水平變形和局部下沉形成的曲率變形比較敏感。埋設(shè)各類地下管線在通過礦區(qū)沉陷區(qū)時(shí)，都應(yīng)事先論證，根據(jù)預(yù)計(jì)的下沉引起的各種有關(guān)的變形值及埋設(shè)管線、材料、土質(zhì)類型等論證，其抗變形能力是否超過其允許變形值，若小于則安全，否則應(yīng)采用特殊措施加以安全保護(hù)。第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)開采井筒煤柱不均勻沉陷導(dǎo)致的工業(yè)廣場設(shè)施及井筒損害一、概述隨著開采煤層深度的加深和開采煤層層數(shù)的增多，井筒與工業(yè)廣場煤柱的壓煤量也越來越大。井筒煤柱的煤層一般賦存穩(wěn)定，開采條件好，開拓開采都十分方便。同時(shí)運(yùn)輸距離短，耗電量少，噸煤成本低能取得較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。井筒煤柱開采系指要利用原有的井筒及其它的主生產(chǎn)系統(tǒng)，來回收自身的保護(hù)煤柱，因此井筒煤柱的開采涉及井筒、主要生產(chǎn)系統(tǒng)及其工業(yè)廣場建筑設(shè)施三大系統(tǒng)的保護(hù)，故具有它的特殊性和復(fù)雜性。二、井筒煤柱開采對井筒本身的損害井筒煤柱開采可分為正常地質(zhì)條件和特殊地質(zhì)條件下兩種情況。所謂正常地質(zhì)條件，系指沒有較大的斷層切割井筒和開采煤層；特殊地質(zhì)條件，系指有較大的斷層或明顯的軟弱層穿過井筒。井筒煤柱的開采對井筒的損害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日（一）立井的偏斜變形立井偏斜變形，主要受開采煤層產(chǎn)狀、覆巖性質(zhì)和開采方法影響。例如，急傾斜煤層立井保護(hù)煤柱開采時(shí)，位于開采煤層底板內(nèi)的井筒，不論采用什么樣的開采技術(shù)措施，總是要向采空一側(cè)發(fā)生偏斜變形（圖1-7），這是由煤層產(chǎn)狀決定的。圖1-7井筒將發(fā)生偏斜變形圖1-8井筒將產(chǎn)生錯(cuò)動損壞1—地表；2—斷層第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日（二）井筒的錯(cuò)動在特殊地質(zhì)條件下開采立井井筒保護(hù)煤柱時(shí)，由于采動的影響，巖體沿?cái)鄬悠扑閹Щ蜍浫鯉r層面發(fā)生滑動，致使井筒產(chǎn)生錯(cuò)動（圖1-8）。（三）井筒的豎向變形井筒圍巖的豎向變形，使井筒產(chǎn)生豎向拉伸或壓縮變形。井筒的拉伸變形，可使井筒的井壁在個(gè)別地段斷裂，如果井筒對防水沒有特殊的要求，井壁的斷裂一般不會影響生產(chǎn)。井壁的壓縮變形，可造成井壁在個(gè)別地段的局部塌落，同時(shí)造成井筒內(nèi)罐道的彎曲，影響罐道的使用。井壁允許圍巖的壓縮變形值與井壁的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)，表1-4給出了常用井壁允許的巖體豎向壓縮變形值。井壁類型巖體豎向壓縮允許的變形值（mm/m）整體水泥井壁0.62磚砌井壁0.73鋼質(zhì)連續(xù)井壁0.63鋼質(zhì)丘賓筒1.00鋼質(zhì)水泥丘賓筒2.00常見井壁允許巖體豎向壓縮變形值表1-4第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日（四）立井水平斷面的變形破壞在開采水平及緩傾斜煤層時(shí)，井筒的豎向變形是主要危害指標(biāo)。但在傾斜和急傾斜煤層開采時(shí)，立井水平斷面的水平變形對井壁的破壞起著重要的作用。立井水平斷面的變形與破壞，基本上出現(xiàn)在圍巖軟弱層通過井壁處。在采動影響下，圍巖處于豎向受壓狀態(tài)，因軟弱層抵抗變形的能力較弱，所以必然產(chǎn)生較大的橫向膨脹或流動，這將使井壁受到徑向加載，造成井筒橫斷面的收縮。一般情況下，這種附加水平應(yīng)力場是非均勻的。在非均勻附加水平應(yīng)力場的作用下，井筒的橫斷面收縮將使圓形井筒變?yōu)闄E圓形。井筒橫斷面的收縮使井壁破壞、掉塊或塌落，同時(shí)由于罐道梁的作用，將使罐道彎曲，從而影響提升。（五）立井的彎曲立井井筒保護(hù)煤柱的開采，引起立井井壁發(fā)生各種變形破壞。立井井壁的變形破壞主要集中在圍巖軟弱層通過井壁處，這已被實(shí)踐所證實(shí)。特別是井筒圍巖以堅(jiān)硬巖層為主，而且在兩層堅(jiān)硬巖層間有軟弱巖層存在時(shí)，若井壁處于受壓狀態(tài)，井壁通過軟弱巖層處，必然發(fā)生破壞。第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日三、工業(yè)廣場設(shè)施及井筒內(nèi)設(shè)施的損害井筒保護(hù)煤柱的開采不但會引起井筒本身的損害，而且會引起井口地面生產(chǎn)系統(tǒng)中的設(shè)施及井筒內(nèi)設(shè)施的損害。（一）井口設(shè)施的損害包括井架、扇風(fēng)機(jī)和絞車的損害。開采非均勻沉陷還會影響井口的地面裝車系統(tǒng)、選煤系統(tǒng)等的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（二）井筒設(shè)施的損害

“三下采煤”規(guī)程中對礦區(qū)建（構(gòu)）筑物保護(hù)等級劃分見表1-5。第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日保護(hù)等級主要建（構(gòu)）筑物

Ⅰ 國務(wù)院明令保護(hù)的文物和紀(jì)念性建筑物；一等火車站，發(fā)電廠主廠房，在同一跨度內(nèi)有兩臺重型橋式吊車的大型廠房，平爐，水泥廠回轉(zhuǎn)窯，大型選煤廠主廠房等特別重要或特別敏感的、采動后可能導(dǎo)致發(fā)生重大生產(chǎn)、傷亡事故的建（構(gòu)）筑物；鑄鐵瓦斯管道干線，大、中型礦井主要通風(fēng)機(jī)房，瓦斯抽放站，高速公路，機(jī)場跑道，高層住宅樓等。Ⅱ 高爐，焦化爐，220KV以上超高壓輸電線路桿塔，礦區(qū)總變電所，立交橋；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房，設(shè)有橋式吊車的工業(yè)廠房，鐵路煤倉、總機(jī)修廠等較重要的大型工業(yè)建（構(gòu)）筑物；辦公樓，醫(yī)院，劇院，學(xué)校，百貨大樓；二等火車站，長度大于20m的二層樓房和三層以上多層住宅樓；輸水管干線和鑄鐵瓦斯管道支線；架空索道，電視塔及轉(zhuǎn)播站，一級公路等。Ⅲ無吊車設(shè)備的磚木結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，三、四等火車站，磚木、磚混結(jié)構(gòu)平房或變形縫區(qū)段小于20m的兩層樓房，村莊磚瓦民房；高壓輸電線路桿塔，鋼瓦斯管道等。Ⅳ農(nóng)村木結(jié)構(gòu)承重房屋，簡易倉庫等。礦區(qū)建（構(gòu)）筑物保護(hù)等級劃分