开采损害第一章开采损害类型及特征山东科技大学培训资料

开采损害学课程讲义（授课对象：采矿工程专业2001级一、二班）西安科技大学能源学院采矿工程系余学义2004年9月课程名称：开采损害学；课时：72；授课对象：采矿工程专业2001级一、二班；学分：4；教材：余学义、张恩强编著《开采损害学》煤炭工业出版社，2004.09。

主要参考书：1. 何国清等编 .矿山开采沉陷学.徐州：中国矿业大学出版社, 19892. 颜荣贵编 . 地基开采沉陷及其地表建筑 .北京：冶金工业出版社,19953. 国家煤炭工业局 . 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 . 北京：煤炭工业出版社,2000.4. 沈光寒等编 .特殊开采的理论与实践 .北京：煤炭工业出版社,19985. 林肇信等主编 .环境保护概论 .北京：高等教育出版社,19996. 韦冠俊编 .矿山环境保护 .北京：冶金工业出版社,19907. 赵经彻、何满朝编 .建筑下煤炭资源可持续开采战略 . 徐州：中国矿业大学出版社,19978. 煤炭科学院北京开采所编著 . 煤矿地表移动与覆岩破坏规律及应用 .北京：煤炭工业出版社, 19819. 中国矿业学院等编 . 煤矿岩层与地表移动 .北京：煤炭工业出版社, 1981概述：1.课程基本内容与解决的问题☞开采引起覆岩及地表沉陷的基本规律☞地表沉陷预计理论：概率积分法☞地表沉陷观测与实验室研究方法☞建（构）筑物、水体、道路管线下开采☞减损控制开采方法☞开采引起土地、水资源、环境损害问题☞矿山环境治理及综合评价2. 我国能源结构：按人均能源资源占有量分析，我国2000年人均煤炭可采储量90t，人均石油剩余可采储量3t，人均天然气剩余可采储量1080m3，分别是世界平均水平（165t、23t和24988m3）的54.9%、11%和4.3%，是美国（903t、13t和17025m3）的9.7%、23.1%和6.3%；是经合组织国家（404t、10t和12048m3）的22.3%、30%和9.0%。

《开采损害与环境保护》课程教学大纲一、课程的性质和目的《开采损害与环境保护》是采矿工程专业一门专业基础课，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。

二、课程的基本要求及重点、难点(一)课程的基本要求1．学习和掌握地表沉陷与损害特征、岩层移动和地表变形的一般规律性、开采损害监测与评价方法、建筑物保护矿柱的留设方法、建筑物下开采、铁路下开采、水体下开采的问题，受水体威胁矿床的开采技术及特殊采矿方法等基本知识、基本理论和基本技术。

2．学习和了解矿山资源与环境、采矿沉陷土地复垦、矿山废水控制与处理、矿山固体废弃物处理以及矿山环境与可持续性发展方面的新技术、新方法。

3．通过学习使学生基本掌握和了解地质灾害基本理论和矿山开采损害与环境保护方面的基本知识。

（二）重点、难点1．矿井开采地质灾害类型及防护技术；2．岩层与地表移动的一般规律；3．开采损害的基本理论与防治手段；4．建筑物下压煤开采的技术方法；5．概率积分法岩移计算理论；6．采矿塌陷地生态环境恢复技术。

三、本课程与其它课程的关系本课程作为采矿工程专业的必修课与“采矿工程”、“弹性力学”“岩石力学”、“矿山地质”、“矿山测量”等专业课程有密切的关系，采矿工程专业或非采矿工程专业的大学本科学生，须在具备了上述课程的基本知识后才能学好本课程。

四、课程内容与要求第一篇开采损害的类型及特征第一章开采损害类型及特征（2学时）1、学习目的和要求通过学习了解矿山开采对土地、房屋、地下构筑物、工业广场设施、井筒及工程地质灾害等，掌握其基本机理和分析方法。

山东科技大学09级采矿工程1、煤田：同一地质时期形成并大致连续发育的含煤岩系分布区称为煤田。

2、矿区：统一规划和开发的煤田或其一部分。

3、井田：在矿区内，划归给一个矿井开采的那一部分煤田。

4、井田范围：井田沿煤层走向的长度和倾向的水平投影宽度。

5、走向长度，小型矿井不小于1500m，中型矿井不小于4000m，大型矿井不小于7000m6、矿井生产能力：一般是指矿井的设计生产能力，以万t/a或Mt/a表示。

7、核定生产能力：对矿井各生产系统的能力重新核定，核定后的综合生产能力。

8、大型矿井：120、150 、180 、240 、300、400、500及500以上（其中300万t/a及其以上又称特大型矿井）中型矿井：45、60、90 。

小型矿井：9、15、21、30。

9、露天开采：从敞露的地表直接采出有用矿物的方法。

决定条件：剥采比。

10、当煤层厚度达到一定值，直接出露于地表，或其覆盖层较薄，开采煤层于覆盖层采剥量之比在经济上有利时，就可以考虑采用露天开采。

11、最大经济合理剥采比，就是按该剥采比开采的煤炭成本不大于用地下开采的煤炭成本。

最大经济合理剥采比一般对褐煤为6m3/t左右，对烟煤为8m3/t左右。

12、直立巷道：巷道的长轴线与水平面垂直13、水平巷道：巷道的长轴线与水平面近似平行14、倾斜巷道：巷道的长轴线与水平面有一定夹角的巷道，上下山、斜巷等。

15、在井田范围内，沿煤层倾向，按一定标高把煤层划分为若干个平行于走向的长条部分，每一个长条部分成为一个阶段。

16、井田划分为阶段后，阶段内的范围仍然较大，通常进行再划分：采区式、分段式、带区式17、在阶段范围内，沿走向把阶段划分为若干具有独立生产系统的块段，每一块段称为采区19、阶段范围内不划分采区，沿倾向将煤层划分为若干平行于走向的长条带，每个长条带称为分段23、回采巷道：形成采煤工作面及为其服务的巷道。

24、采煤工作包括破煤、装煤、运煤、工作面支护、采空区处理等基本工序和辅助工序25、倾斜分层——将煤层划分为若干个与煤层层面相平行的分层；工作面沿走向或倾向推进。

1,从采空区到地表覆岩坏范围逐渐增大，破坏强度逐渐减弱，划分为三带:跨落袋，裂隙带和弯曲下沉带；五区：垂坠下移区，垂直上移区，垂直与水平移动区，地板下移区和开采支撑压力区。

2覆岩移动破坏形式：弯曲，跨落，片帮，滑移，滚动。

底鼓3主断面：是指与开采边界方向垂直，并通过地表最大下沉值的垂直剖面4：稳态移动盆地划分为三个区域：中性区，压缩区和拉伸区5：下沉盆地的角度参数：边界角：开采达到或接近充分采动是，移动盆地主断面上盆地边界点和采空区边界点连续与采空区外侧水平线的夹角移动角：开采达到或接近充分采动时，移动盆地主断面上临界变形点和采空区边界点连线与采空区外侧水平线的夹角裂缝角：开采达到或接近充分采动时，采空区上方地表最外侧位置裂缝和采空区边界点连线与采空区外侧水平线的夹角最大下沉角：在移动盆地的倾斜主断面上，采空区的中点与地表下沉盆地中点的连线与矿层下山方向水平线的夹角6：启动距：地表开始移动式工作面推进距离地表开始移动：观测地表下沉值达到10mm地表移动时间：从地表开始移动到地表停止移动的持续时间。

分为启动。

活跃。

衰减阶段，1.67mm/d，百分之857：地表点移动盆地内移动特点：开始时指向回采工作面，稳定后指向采空区中心8：影响地表移动变形的主要地址采矿因素：1.岩石力学性质对覆岩移动破坏的影响，2岩石力学性质对开采沉陷分布的影响3松散层对地表移动的影响4矿层倾角的影响5采深与采高的影响6开采方法和顶板管理的影响7开采范围的影响8开采速度的的影响9重复采动的影响9：开采沉陷预计理论有：影响函数方法，理论模型方法，经验方法10：半无限开采：沿着工作面推进方向x区间0到正无穷上被开采，而沿垂直工作面推进方向的开采尺寸足够大，使之达到充分采动。

（1.2--1.4H）采高m下沉系数n煤层倾角a；Wmax=mncosa采深H主要影响半径r主要影响角正切tanB:r=H/tanB拐点偏移距d：开采煤层到边界拐点的水平距离I=w’，u=Bi，k=w”，12.覆岩内部移动变形规律：1.从上至下影响范围逐渐增大，破坏强度逐渐减弱，主要影响半径以非线性变化2,拐点位置由下至上逐渐向采空区方向移动3曲率与水平变形值逐渐远离拐点位置13.条带开采的设计原则：1保留条带的宽高比不小于2个充填条采或不小于5个跨落条采2保留条带要有足够的强度和长期的稳定性3条带开采的宽度一般小于开采煤层埋深的1/4，4覆岩中存在控制性关键层时，煤层数目不超过3层，6煤层倾角较大时，采用倾斜条带开采，7开采深度较大时，采用变条带采，留宽度布置14.观测站：就是在开采影响范围内的地表，岩层内部或其他研究对象上，按一定要求设立一系列互相联系的观测点15.观测站设计说明书内容：1简历观测站的目的和任务2设站地的地形第五以及地址采矿条件，3开采沉陷参数4观测线的长度位置和测点控制点的数目位置编号5测点控制点的构造以及理论方法6观测内容；所用仪器与矿区控制网的连接方法精度要求；联测的起始数据，定期观测的时间方法精度要求；有关地表采动影响的测定和编录方法7经费估算8观测成果的整理方法分析步骤16.观测站工作氛围：连接测量，全面测量和日常观测17.3s技术指：全球定位系统GPS，遥感RS和地理信息系统GIS18.数值模拟方法有：有限元法，边界元法，离散元法19.有限元分析的六个部分：1结构的离散化2选择位移模式3分析单元力学特征4计算等效节力点5集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程6求解未知节点位移和计算单元应力20.非采矿原因导致的建筑物破坏有：自然因素1湿度相关的地基土的物理性能变化2地壳运动3湿线性黄土的湿陷作用人为因素1地基或基础质量不好2建筑物结构设计有缺陷3建筑材料质量差或建造工程质量差22布置开采工作左面原则：1尽量使主要保护建筑物位于移动盆地的平底位置2尽量使主要保护物的长轴与开采工作面或开采边界平行3避免建筑物与开采工作面或开采边界斜交4由建筑物的抗拉，抗压变形能力和移动盆地的拉伸压缩变形区综合分析确定有利的开采方案5由保护建筑物的主要程度和分析情况确定开采方案23.减沉开采：是通过改变采场顶板管理方法控制顶板下沉量，达到减缓地表沉陷量24.协调开采：根据开采引起地表移动变形分布规律，通过合理的开采布局，开采顺序，方向时间等方法，减缓开采地表变形值25.保护建筑物开采措施：1减沉开采：充填开采，部分开采，离层充填开采2协调开采：多区段协调开采，多工作面协调开采，对称开采3控制开采：限高开采，间歇开采26.部分开采的使用条件（条带开采）：1地面建筑物十分密集，结构复杂的建筑物，有纪念性的建筑物，铁路隧道等，由于技术和经济上的原因不适于采取建筑物加固或充填措施2地面排水困难3矿层埋深400--500m4矿层厚度稳定，断层少5临近采取的开采不至于破坏煤柱的完整性27.离层充填的四个阶段：连续弯曲带产生，剪切滑移，非协调挠曲，离层产生；三个理学准则：剪应力准则τ><τ>剪力滑移2挠度准则，Wu<Wl产生非协调挠曲3张应力准则，δt><δt>离层产生28.变形缓冲沟：是在建筑物周围地表挖掘的一定深度的沟槽。

第8章建筑物下开采重点： 1.建筑物下减损开采方法类型与基本原理2.稳态地表沉陷盆地位置与建筑物受损关系3.协调开采中开采工作面推进方向与建筑物的关系4.全盆地分析开采损害的方法与原理5.建筑物受损评判标准与方法6.建筑物下开采研究方法与程序我国国有煤矿“三下”（建筑物、铁路、水体下）压煤总量超过133亿t，其中建筑物下压煤量达78.2亿t，占“三下”压煤总量的61%。

建筑物下压煤又以村镇下压煤所占数量为最大，其次就是工业场地及公用和民用建筑物下压煤。

因此解决建筑物下压煤的开采问题，对于煤炭工业可持续发展具有重要的意义。

1.建筑物下开采技术和方法（1）开采方法a)充填开采方法；b)部分（条带）开采方法；c)协调开采方法（2）建筑物加固方法（3）岩层离层充填减沉方法2. 我国建筑物下开采现状（1）村庄下开采（2）城镇下开采（3）开采新理论与新技术8.1 采动地表移动变形对建筑物的影响8.1.1 非采矿原因引起的地表移动对建筑物的影响1. 然因素引起的建筑物损坏（1）与湿度有关的地基土的物理性能变化由于蒸发、腐烂过程或植物吸收水分使得粘性土或有机物中的自然湿度降低，则粘性土的体积将减小，在表土自重或外部加载作用下空隙度将减小。

这种过程称作土的收缩或固结。

在这种情况下，体积将减少15～30%。

由于建筑物地基不同位置的干燥程度不同，使土体产生拱形鼓起，房屋基础弯曲引起房屋结构的变形破坏。

（2）地壳运动在有褶皱的岩层中，在构造应力的作用下，在应力平衡过程中可能产生导致地表出现地震式震动的动力现象。

如果这种震力达到5级，建筑物室内墙表面可能产生裂缝。

在波兰上西里西亚的某地长期观测表明，地表下沉为150mm，水平变形达0.6mm/m，其原因不是地下开采影响而是地壳构造运动影响的结果。

（3）山体滑移在山区地表的建筑物往往会因表土层的蠕动滑移破坏，特别在雨季期间，在山体坡度较大的条件下，山坡表土层会发生蠕动滑移而损坏建筑物[32]。