开采沉陷损害类型及特征

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1、1,2010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,2,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。,3,绪 论,二、教学目的 学生通过本课程

2、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。,4,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

3、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,5,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， 2009.11 5.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， 2011.2,6,第一章 开采沉陷损害类型

4、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,7,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,8,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

5、、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,9,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,10,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

6、已达约50万公顷。,11,二、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,12,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,13,(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

7、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。,14,三、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=40200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。,15,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)

8、。,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,16,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,17,2. 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

9、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。,18,3.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。,19,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

10、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1-3 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,20,4.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

11、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。,21,5.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。,22,开采引起的房屋损害类型见图1-4所示。,23,二、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

12、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。,24,25,表1-3 建筑物（土筑平房）破坏（保护）等级与地表变形的关系,表1-3给出了土筑平房破坏等级与地表变形的对应关系。,26,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

13、.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。,27,图1-5 采动引起轨道横向扭曲变形,28,2.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

14、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。,29,4.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。,30,5.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

15、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。,31,二、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

16、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。,32,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,33,三、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。,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,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