大学课程《地质灾害防治技术》教学PPT课件：任务4.1 地面塌陷

1、黑龙江鸡西市鑫永丰煤矿发生采空黑龙江鸡西市鑫永丰煤矿发生采空区地面塌陷区地面塌陷基于SPOT-5图像解译的唐山市煤矿采矿沉陷区分布图（李成尊等，2006）农田中岩溶塌陷点农田中岩溶塌陷点岩溶塌陷而受损的民房岩溶塌陷而受损的民房湖南省益阳市岳家桥镇岩溶塌陷深坑湖南省益阳市岳家桥镇岩溶塌陷深坑湖北鄂州矿区采空区塌陷点湖北鄂州矿区采空区塌陷点地面变形导致山西太原西山大地面变形导致山西太原西山大佛遭到破坏佛遭到破坏vv任务任务任务任务4.1 4.1 4.1 4.1 地面塌陷地面塌陷地面塌陷地面塌陷4.1.1 认识地面塌陷认识地面塌陷定义定义:地面塌陷是指天然洞穴或人工洞室、巷道上覆岩土体失稳突然陷落，导致地面快速下沉、开裂的现象和过程。地面塌陷造成的地面地面塌陷造成的地面变形量大变形量大，变形，变形速度快速度快，且具有，且具有突然性突然性，事，事前往往很难准确判断发生的时间，加之，其发生过程可导致地面建筑前往往很难准确判断发生的时间，加之，其发生过程可导致地面建筑物开裂、倒塌，甚至整体陷落，公路、桥梁扭曲错断，农田肢解以及物开裂、倒塌，甚至整体陷落，公路、桥梁扭曲错断，农田肢解以及大量的人员伤

2、亡，所以，大量的人员伤亡，所以，地面塌陷是人类面临的一种地质灾害地面塌陷是人类面临的一种地质灾害。u地面塌陷地面塌陷地下存在空洞是地面塌陷发生的地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件先决条件，地下空洞可分，地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类。为天然洞穴和人工洞室两类。天然洞穴天然洞穴：由自然地质作用形成的，包括：由自然地质作用形成的，包括岩溶洞穴岩溶洞穴、土洞、土洞（黄土洞穴、红土洞穴、冻胀丘融化形成的土洞）和熔岩洞穴。（黄土洞穴、红土洞穴、冻胀丘融化形成的土洞）和熔岩洞穴。人工洞室人工洞室：人工采掘活动所形成的，包括人防工程、地铁、：人工采掘活动所形成的，包括人防工程、地铁、隧道、涵洞和隧道、涵洞和采矿采矿形成的地下巷道系统。形成的地下巷道系统。目前面临的地面塌陷主要包括目前面临的地面塌陷主要包括岩溶塌陷岩溶塌陷和和采空区塌陷采空区塌陷。矿山采空区地面塌陷矿山采空区地面塌陷是人为诱发地面塌陷的最主要类型。是人为诱发地面塌陷的最主要类型。u4.1.1.1 4.1.1.1 地面塌陷的特征地面塌陷的特征（1 1）隐伏性隐伏性，其发育发展情况、规模大小、可能造成地，其发育发展情况、规模大小、

3、可能造成地表塌陷的时间及地点具有极大的隐伏性，发生之前很难被人意表塌陷的时间及地点具有极大的隐伏性，发生之前很难被人意识到。识到。（2 2）突发性突发性，一次完整的塌陷过程可能就是一次完整的塌陷过程可能就是1min1min左右，左右，往往使人们在塌陷发生时措手不及，造成财产损失和人员伤亡。往往使人们在塌陷发生时措手不及，造成财产损失和人员伤亡。（3 3）群发性和复发性群发性和复发性，地面塌陷灾害往往不是孤立存在地面塌陷灾害往往不是孤立存在的，常在同一地区或某一时段集中形成灾害群。的，常在同一地区或某一时段集中形成灾害群。（4 4）损害的严重性损害的严重性4.1.1.2 地面塌陷的危害地面塌陷的危害l 1 1、破坏地面建筑、造成人员伤亡、破坏地面建筑、造成人员伤亡 2009年8月8日，安徽省合肥市长江中路与徽州大道交叉口发生路面塌陷，一辆蓝色出租车掉入塌陷区中 2009年7月4日凌晨2时30分许，鄂州市汀祖镇刘云村陈盛湾村内，一幢占地面积百余平方米的平顶楼房部分向地下塌陷6米，户主30岁的儿子被埋遇难。安徽淮南采空区塌陷 黑龙江鹤岗煤矿，开采黑龙江鹤岗煤矿，开采70多年来，已塌陷多年来，

4、已塌陷土地土地41.97km2，搬迁房屋总建筑面积，搬迁房屋总建筑面积39.7104m2，目前山西目前山西省各类矿山采空区已达省各类矿山采空区已达2 2万多万多km2，以全省，以全省15.615.6万万km2的的土地面积计算，山西有近七分之一的地面已经成为土地面积计算，山西有近七分之一的地面已经成为“悬空区悬空区”，使大面积土地塌陷。使大面积土地塌陷。2000年4月6日下午4时8时，洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。陷坑18个，最大陷坑长63米、深67m；最小陷坑12长，深小于2m。陷坑带呈近东西向分布，散分在东西300m、南北250m的范围内。有2栋民房完全倒塌，有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。2008年8月11日，贵州沿河自治县谯家镇韩家村桃子坪发生一起地面塌陷，造成一人失踪，3间民房及2亩耕地损毁，危及附近农户9户38人，房屋24间。贵州沿河一村庄发生地陷，村民跌入深坑失踪西安70米长路面塌陷，9辆货运汽车掉进深约3米、长约70米的坑中附近群众以为地震 l 2 2、损毁铁路、公路和水利设施、损毁铁路、公路和水利设施 2008年11月15日杭州地铁一号线地面塌陷事故，造成75米的路

5、面陷落了15米，正在行驶的十一辆汽车包括一辆公交车陷入坑内，17人死亡，4人失踪。我国东部岩溶区，铁路我国东部岩溶区，铁路40104010公里，岩溶塌陷公里，岩溶塌陷376376处，近十处，近十年间中断车年间中断车18601860小时，颠覆小时，颠覆列车列车3 3次。次。修建公路、不合理开挖等l 3 3、引发矿井水患、引发矿井水患 2009年7月22日黑龙江省鸡西市鑫永丰煤矿发生采空区地面塌陷，形成面积约3000m2、深10余米的塌坑，由于正值降雨，水与流沙大量涌入坑内，使矿井淹没，23名当班矿工被困井下。l 4 4、破坏农田、破坏农田u4.1.1.3 4.1.1.3 地面塌陷分类地面塌陷分类（1 1）地面塌陷按照成因地面塌陷按照成因可分为自然塌陷和人为塌陷两大类。可分为自然塌陷和人为塌陷两大类。（2 2）按照地质条件分类按照地质条件分类可分为岩溶地面塌陷和非岩溶地面可分为岩溶地面塌陷和非岩溶地面塌陷。塌陷。（3 3）按照塌陷规模分类按照塌陷规模分类，根据地面塌陷形成的塌陷坑数量根据地面塌陷形成的塌陷坑数量和大小可分为四个等级。和大小可分为四个等级。小型塌陷：塌陷坑洞小型塌陷：塌陷坑洞

6、1 13 3处，合计影响面积小于处，合计影响面积小于1 1平方公里平方公里中型塌陷：塌陷坑洞中型塌陷：塌陷坑洞4 41010处，合计影响面积处，合计影响面积1 15 5平方公里平方公里大型塌陷：塌陷坑洞大型塌陷：塌陷坑洞11112020处，合计影响面积处，合计影响面积5 51010平方公平方公里。里。特大型塌陷：塌陷坑洞超过特大型塌陷：塌陷坑洞超过2020处，合计影响面积大于处，合计影响面积大于1010平方平方公里。公里。4.1.1.4 地面塌陷的形成条件地面塌陷的形成条件1 1、岩土体的内部条件、岩土体的内部条件（1 1）地下存在空洞）地下存在空洞（先决条件先决条件）具备一定规模的地下无岩土的空间，即具备一定规模的地下无岩土的空间，即空洞空洞。地下空洞的。地下空洞的存在有着两方面的意义：存在有着两方面的意义：其一，它是洞体顶板、侧壁局部冒落物以及塌陷发生时坠其一，它是洞体顶板、侧壁局部冒落物以及塌陷发生时坠落物的落物的储容空间储容空间，在地下岩溶发育区，地下洞穴以及溶蚀裂隙，在地下岩溶发育区，地下洞穴以及溶蚀裂隙还起着将洞穴暂时堆积物输移到远处或深处溶洞的还起着将洞穴暂时堆积物输移到

7、远处或深处溶洞的通道作用通道作用。其二，地下空洞为具有多个临空面的空腔，空洞的顶、底其二，地下空洞为具有多个临空面的空腔，空洞的顶、底板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生应力集中应力集中，而处于稳定，而处于稳定性很差的状态，一旦受到外力干扰，容易失稳而发生覆岩的冒性很差的状态，一旦受到外力干扰，容易失稳而发生覆岩的冒落，甚至发生波及地表的塌陷。落，甚至发生波及地表的塌陷。地下空洞的形成，可以是地下空洞的形成，可以是自然力自然力，也可以是，也可以是人工挖掘人工挖掘的结的结果。果。1 1）岩溶系统：）岩溶系统：在可溶盐岩分布区的岩溶洞穴包括各种形态的溶在可溶盐岩分布区的岩溶洞穴包括各种形态的溶洞、溶隙、管道等。一般而言，当可溶岩岩性较纯，岩层厚度洞、溶隙、管道等。一般而言，当可溶岩岩性较纯，岩层厚度较大，出露分布广，断层较发育、岩层较破碎时，岩溶较易发较大，出露分布广，断层较发育、岩层较破碎时，岩溶较易发育。育。岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排泄基准面的控制，多岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排泄基准面的控制，多发育于浅部，向深部逐渐减弱。浅部岩溶洞隙由于地下

8、水活动发育于浅部，向深部逐渐减弱。浅部岩溶洞隙由于地下水活动频繁，交替强烈，一般连通性较好，成为塌陷物质的储集空间频繁，交替强烈，一般连通性较好，成为塌陷物质的储集空间和运移通道。塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系。和运移通道。塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系。洞穴愈大，塌陷规模也愈大；洞隙开口愈大，塌陷速度愈快。洞穴愈大，塌陷规模也愈大；洞隙开口愈大，塌陷速度愈快。2)2)地下井巷系统地下井巷系统是最易引发地面塌陷的一种人工洞室。是最易引发地面塌陷的一种人工洞室。l人为针对某种专门目的而挖掘，可出现在不同的岩性地层人为针对某种专门目的而挖掘，可出现在不同的岩性地层中，而不限于可溶盐岩地层，洞室规模可大可小、可深可中，而不限于可溶盐岩地层，洞室规模可大可小、可深可浅。浅。l随施工进度或采矿计划不断扩大，即在施工完成或闭矿之随施工进度或采矿计划不断扩大，即在施工完成或闭矿之前，洞室的面积和体积随时间而变，采掘区地应力的变化前，洞室的面积和体积随时间而变，采掘区地应力的变化和调整一致在持续进行，而处于宏观的不稳定状态。和调整一致在持续进行，而处于宏观的不稳定状态。人工洞室，尤

9、其是长时间不间断采掘的矿山发生地面人工洞室，尤其是长时间不间断采掘的矿山发生地面塌陷的几率最大。塌陷的几率最大。（2 2）洞穴围岩状况）洞穴围岩状况 地下洞穴的受力状况如同梁的受力，洞的顶板相当于承载上覆地下洞穴的受力状况如同梁的受力，洞的顶板相当于承载上覆岩土体自重的梁，洞的两侧如同位于梁端的两个支点。是否发生塌岩土体自重的梁，洞的两侧如同位于梁端的两个支点。是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱。陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱。一般而论，当一般而论，当洞穴埋藏洞穴埋藏深度与洞穴高度之比小于深度与洞穴高度之比小于2525：1 1时时，洞顶上部就会形成三个，洞顶上部就会形成三个变形特点不同的带，即变形特点不同的带，即冒落带、冒落带、裂隙带和弯曲带裂隙带和弯曲带。2 2、岩土体的外部条件、岩土体的外部条件（1 1）自然影响因素）自然影响因素（a a）大气降水）大气降水l 降雨入渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大，降雨入渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大，自重加大自重加大；l 下渗水流会湿润裂隙面，下渗水流会湿润裂隙面，降低降低岩石块体间的岩石块体间的抗滑阻力抗滑阻力，从而引起，从而引起洞顶

10、和洞壁的进一步变形而失稳。洞顶和洞壁的进一步变形而失稳。l 降雨强度大、历时较长时，入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙，降雨强度大、历时较长时，入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙，形成较大的形成较大的动水压力和冲刷动水压力和冲刷作用。作用。l 在岩溶地区，降水入渗对补给封闭岩溶洞穴，快速上升的岩溶水在岩溶地区，降水入渗对补给封闭岩溶洞穴，快速上升的岩溶水会压缩洞内，形成会压缩洞内，形成上挤的压力上挤的压力，导致气爆发生，引发洞顶塌陷。，导致气爆发生，引发洞顶塌陷。（b b）河、湖近岸地带的侧向倒灌作用）河、湖近岸地带的侧向倒灌作用 河、湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双河、湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质。层含水介质。汛期洪水位急剧上升的情况下，汛期洪水位急剧上升的情况下，河、湖水将向地下水产生河、湖水将向地下水产生侧向倒灌，地下水位随之上升。这时岩溶地下水侧向倒灌，地下水位随之上升。这时岩溶地下水对洞隙上覆盖对洞隙上覆盖层土体产生正压力或使浮托力增大层土体产生正压力或使浮托力增大。在洪水位迅速回落时在洪水位迅速回落时，岩溶地下水位回落快于潜水位，对，岩溶地下水

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