采煤概論1-煤礦地質知識副本

第一章煤礦地質知識1

第一章煤礦地質基礎知識§1-1巖石的概念和巖石的分類§1-2煤層的賦存條件§1-3地質構造§1-4礦圖的基本知識23

第一章煤礦地質知識§1-1巖石的概念和巖石的分類

應該明確的兩個問題：

地殼是煤及各種礦產資源形成的地方，礦產資源的形成與地殼的物質運動及演變有密切關系。

地球表面生物的生長、發(fā)育及死亡的整個過程不斷地改變著地球表面各種元素和礦物的分布，使某些元素離散或集中形成有價值的礦產。（生物遺體變?yōu)槊汉褪偷龋┻@兩個方面都是地殼物質在地質作用下運動和演變的結果，因此，研究地殼的物質組成以及在地質作用下的地殼物質運動，是掌握礦床形成和埋藏規(guī)律的基礎。4一、地質作用—是指引起地殼物質組成、內部構造和地表形態(tài)變化與發(fā)展的自然作用。內力地質作用

外力地質作用

地殼運動

巖漿活動變質作用地震作用風化和剝蝕

搬運和沉積固結成巖§1-1巖石的概念和巖石的分類(按能源及作用場所分）地質作用5二、地殼的物質組成地殼是由巖石組成的，巖石則是由一些細小的礦物顆粒組成的。1、礦物—由一種或多種元素在地質作用下形成的，具有比較固定的化學成分和物理性質的自然產物。

自然界中礦物的種類繁多，目前已知的有2000多種。像自然金(Au)自然銀(Ag)石墨（C）等由一種元素組成。石英（SiO2）黃鐵礦（FeS2）磁鐵礦（Fe3O4）由兩種元素化合而成。方解石（CaCO3）高嶺石（AL2O3、2SiO2、2H2O）由多種元素組成。

組成巖石的常見礦物，稱為造巖礦物，主要的有20多種，像石英、長石、云母、方解石、赤鐵礦、黃鐵礦等。

2、巖石——礦物的集合體§1-1巖石的概念和巖石的分類6巖漿巖—是地球內部的高溫熔融狀態(tài)的巖漿，沿地殼薄弱地帶侵入地殼或噴出地殼逐漸冷卻、凝固而成的巖石。（花崗巖、玄武巖、閃長巖、輝綠巖等）根據SiO2含量的多少，巖漿巖又分為酸性、中性、基性和超基性四種巖類，巖漿巖造巖礦物主要有：石英、正長石、斜長石、白云母、黑云母等。巖石按生成原因分為三類變質巖—原有的巖石在地殼中受到高溫、高壓及化學性質活潑的氣體影響，巖石的物理和化學性質發(fā)生變化，變成一種新的巖石。常見的變質巖有：由石灰?guī)r、白云巖變成的大理石；由石英砂巖變質而成的石英巖；以及由其他巖石變質而成的片麻巖、片巖、千枚巖等

沉積巖

—是暴露于地表的原有巖漿巖、沉積巖、變質巖，經受外力地質作用被風化、剝蝕成碎塊或碎屑的物質和溶解物質，經搬運、沉積和固結成巖作用而形成的新的巖石。沉積巖分布最廣，地表約75%的面積都覆蓋有沉積巖，有許多重要的礦產如煤、油頁巖、巖鹽等本身就是沉積巖。8§1-1地質作用、地殼的物質組成及地史的概念各類巖漿巖的主要組成礦物及巖石顏色9

巖漿巖

橄欖巖玄武巖花崗巖閃長巖輝長巖安山巖10大理巖

黑色大理巖

石英片巖(具褶皺構造)

石英片巖片麻巖

花崗片麻巖

變質巖11黑色片巖

片巖(褶皺引起)板巖硬泥巖

矽質片巖

蛇紋巖

變質巖12沉積巖按物質成分和成因可分為:

碎屑巖類—角礫巖、礫巖、砂巖、粉砂巖（其中含有化石和結核）粘土巖類—泥巖、頁巖化學和生物化學巖類—石灰?guī)r：礦物成分主要是方解石，一般為白色或灰色沉積巖具有明顯的成層現象?！?-1地質作用、地殼的物質組成及地史的概念魚類化石鳥類化石

昆蟲化石

琥珀13

成因沉積巖形成于地表或接近地表。巖石顆粒經過風、流水、冰川的搬運，然后沉積于陸地、河湖以及海洋環(huán)境如海灘、三角洲、海底等。

沉積層

沙灘上的卵石和砂粒

最終可能形成沉積巖

顆粒大小

盡管沉積巖顆粒的分類很復雜，但粗粒、中粒和細粒等術語仍經常使用顆粒的大小從巨礫到粘土的微粒，組成粗粒巖石的碎屑肉眼可見，如礫巖、角礫巖和砂巖，中粒巖的顆粒用便攜式放大鏡可辨，如粉砂巖，細粒巖石包括頁巖、粘土巖和泥巖。

石英礫巖

頁巖

粗粒中粒砂巖

細?；瘍热莼饕a于沉積巖，它們是保存在沉積巖中的動植物遺體。巖石中所含化石指示巖石的形成環(huán)境，如海生生物化石說明巖石是在海洋環(huán)境下形成的，石灰?guī)r是富含化石的沉積巖。

貝殼石灰?guī)r中的腕足類化石

石英礫巖14火星環(huán)形山斜坡上的沉積巖

恐龍蛋化石遠古海底的沉積巖

15三、地史的概念地球形成已有四十五億年以上的歷史，在不同的歷史時期和自然地理環(huán)境下形成的地層，其顏色、成分和結構等都有一定的特征；各個歷史時期和特定的自然環(huán)境都繁殖有一定的古生物群，經石化后形成生物化石，成了地層的天然紀錄。為了便于研究，通常根據地殼運動及古生物的發(fā)展，將地球的歷史從古到劃分為太古代、元古代、古生代、中生代和新生代五個大的時代，代以下又分為若干紀，紀以下又分為世。宙、代、紀、世、期、時是國際統一的地質時代單位。計算地球年齡以“百萬年”為最小單位。在各個地質時代是形成的地層相應地稱為宇、界、系、統、階（組）、帶，它是國際統一的地層單位，見表1-2?！?-1地質作用、地殼的物質組成及地史的概念16年代單位年代

符號距今年數

(百萬年)主要現象新生代

(哺乳類動物時代)第四紀全新世Qh0.012

更新世Qp1.64冰川廣布，黃土生成晚第三紀上新世N2523.3西部造山運動，東部低平，湖泊廣布中新世N1早第三紀漸新世E337.5哺乳類分化始新世E238蔬果繁盛，哺乳類急速發(fā)展古新世E165（我國尚無古新世地層發(fā)現）17年代單位年代

符號距今年數

(百萬年)主要現象中生代

(爬行動物時代)白堊紀K137造山作用強烈，火成巖活動礦產生成侏羅紀J205恐龍極盛，中國南山俱成，大陸煤田生成三疊紀T250中國南部最后一次海侵，恐龍哺乳類發(fā)育18年代單位年代

符號距今年數主要現象上古生代

(兩棲動物與

造煤植物時代)二疊紀P295世界冰川廣布，新南最大海侵，造山作用強烈石炭紀C354氣候溫熱，煤田生成，爬行類昆蟲發(fā)生，

地形低平，珊瑚礁發(fā)育中古生代

(魚類時代)泥盆紀D410森林發(fā)育，腕足類魚類極盛，兩棲類發(fā)育志留紀S438珊瑚礁發(fā)育，氣候局部干燥，造山運動強烈19年代單位年代

符號距今年數主要現象下古生代

(無脊椎動物時代)奧陶紀O490地熱低平,海水廣布,無脊椎動物極繁,末期華北升起寒武紀∈543淺海廣布，生物開始大量發(fā)展隱生代上元古代震旦紀Sn680

地形不平，冰川廣布，晚期海侵加廣下元古代前震

旦紀滹沱

2300

沉積深厚造山變質強烈，火成巖活動礦產生成五臺

2500

早期基性噴發(fā),繼以造山作用,變質強烈,花崗巖侵入太古代泰山

約3350地殼局部變動

大陸開始形成

20一、煤的形成煤由植物遺體堆積埋藏后經成煤作用轉變而成。據研究，幾乎所有的植物遺體，只要具備了成煤的條件，都可以轉化成煤。不過，低等植物遺體所形成的煤，分布范圍小，厚度薄，很少被人利用。那些分布廣、規(guī)模大、利用廣泛的煤，都是高等植物的遺體（主要是古代的蕨類、松柏類以及一些被子植物的遺體）形成的。

成煤作用可劃分為兩大階段：第一階段是在地表常溫、常壓下，由堆積在停滯水體中的植物遺體經泥炭化作用或腐泥化作用，轉變成泥炭或腐泥的過程，稱泥炭化（或腐泥化）作用階段。這一階段以生物化學降解作用為主。

第二階段是泥炭或腐泥被埋藏后，由于沉積盆地基底沉降至地下深部，經成巖作用轉變成褐煤，當溫度和壓力再逐漸增高經變質作用轉變成煙煤和無煙煤。由泥炭或腐泥轉變成褐煤，以至無煙煤的全過程，稱煤化作用。這一階段以物理化學變化為主?！?-2煤的形成及煤系

21§1-2煤的形成及煤系

高等植物泥炭褐煤長焰煤不粘結煤弱粘結煤氣煤肥煤焦煤瘦煤貧煤無煙煤成煤作用煤化作用變質作用泥炭化作用（腐泥化作用）成巖作用煙煤低等植物腐泥腐泥煤成煤過程劃分示意圖22

煤的巖石組成和成因類型取決于泥炭或腐泥形成時的成煤植物種類、堆積環(huán)境和堆積方式。煤的物理、化學和工藝性質卻在很大程度上取決于煤化作用階段的有機質熱演化程度，即煤級。

古植物、古氣候、古地理和古構造條件，是影響成煤作用發(fā)生和強度的重要因素。成煤植物群落不同，決定了煤的成因類型。石炭紀開始，富含木質纖維組織的陸生高等植物大量繁殖、堆積形成的煤大多為腐殖煤；富含蛋白質、脂肪的低等菌藻類為主形成的煤為腐泥煤；高等和低等植物混合形成的煤為腐殖腐泥煤。腐泥煤、腐殖腐泥煤在自然界分布量少，常呈薄層或透鏡體夾于腐殖煤的煤層中。§1-2煤的形成及煤系

23泥炭歷來被認為是溫暖潮濕氣候條件下的產物。根據近代研究表明，在氣候條件中濕度所起的作用比溫度更重要。因為現代無論在溫暖的低緯度和寒冷的高緯度(50°～70°)，只要是降水量大于蒸發(fā)量的地區(qū)，都有較厚的泥炭層堆積，干旱條件顯然不利于成煤。有利于成煤作用的地理環(huán)境是沼澤。沼澤分布在濱海平原、海灣瀉湖、內陸大湖、三角洲平原、河流沖積平原和沖積扇前等環(huán)境。成煤作用有利的構造背景是古構造穩(wěn)定期。地殼緩慢沉降，容易在地表形成積水洼地。造山運動和地殼上升階段，均不利于泥炭的堆積和保存。

§1-2煤的形成及煤系

24蘆葦河流樹木濕地蘆葦沼澤稻田濕地平原濕地濕地是富饒多產的生態(tài)體系。濕地的類型繁多，包括：沼澤地、河口三角灣、泥灘、泥沼、水塘、三角洲、珊瑚礁、季節(jié)性河流、瀉湖、淺海、泥炭地、湖泊、泛濫平原等等。25

上述可見，要形成有開采價值的煤層，必須具備下列條件：

1、植物條件：我國的三大聚煤時期（晚古生代的石炭二迭紀、中生代的侏羅紀和新生代的第三紀），分別是植物界的孢子植物，裸子植物和被子植物繁殖的極盛時代。

2、氣候條件：溫暖潮濕。

3、地理環(huán)境：大面積沼澤化的自然地理條件。濱海平原、海灣瀉湖、河漫灘、河口三角洲等。

4、地殼運動：泥炭層的積聚要求地殼緩慢下沉，下沉速度最好為與植物遺體堆積的速度大致平衡，這種狀態(tài)持續(xù)的時間越久，形成的泥炭層越厚。泥炭層形成以后，地殼下降較快，有利于泥炭的保存和轉變成煤。§1-2煤的形成及煤系

26§1-2煤的形成及煤系

二、煤系和煤田

煤系—是含有煤層的一組沉積巖層（也叫含煤地層）。

煤系一般是按其形成的時代來命名的，如華北的石炭二迭紀煤系，東北的侏羅紀煤系，華南的晚二迭紀煤系。

煤田—在地質歷史發(fā)展過程中，同一地質時期形成并大致連續(xù)發(fā)育的含煤巖系分布區(qū)稱為煤田。27§1-3煤的性質及工業(yè)分類

由于成煤的原始物質,成煤環(huán)境及所受的變質作用不同,煤的種類很多,其物理性質和化學組成也有差別。性質不同的煤用途也不一樣。

一、煤的性質

1、物理性質包括光澤、顏色、條痕、硬度、脆度、比重和容重、導電性等，見表1-3。

2、

化學組成煤是由有機物和無機物混合組成的。。煤的化學組成碳最主要的可燃物質，含碳量越高，發(fā)熱量越大氫主要的可燃物質，隨變質程度加深而降低氧不可燃物質，隨變質程度加深而降低氮含氮量較少，近1~3%，不產生熱量硫有害物質，燃燒時形成二氧化硫，煉焦煤中含硫量不超過1%磷有害物質，煉焦煤中含磷量不超過0.01%28§1-3煤的性質及工業(yè)分類二、煤的工業(yè)分類1、常用的煤質指標：水分（W）、灰分（A）、揮發(fā)分（V）、發(fā)熱量（Q）、膠質層厚度（Y）、含矸率。水分和灰分：煤中的不可燃部分，含量越少煤質越好。灰分是指煤完全燃燒后所剩下的固體殘渣，灰分超過40%的煤暫不利用。揮發(fā)分：指煤與空氣隔絕后，加熱到900℃左右時所排出的氣體物質，主要成份為沼氣、氫及其它化合物。固體碳：是除去水份、灰分和揮發(fā)份后的有機固體可燃物。其含量隨煤的變質程度提高而增高。膠質層厚度：指粉煤與空氣隔絕后加熱到850±20℃時，煤中的有機質分解、熔融而產生具有粘結性膠體厚度，單位：mm。焦炭就是由粘結性好的煤，加熱后由膠質層粘結形成的。29§1-3煤的性質及工業(yè)分類二、煤的工業(yè)分類發(fā)熱量：指質量為1kg的煤完全燃燒時放出的熱量，其單位是J/kg，或大卡/kg。硫和磷：煤中的有害雜質。含硫高的煤，煉鋼性脆，質量下降。含矸率：指礦井采出的原煤中，大于50mm的矸石量占全部煤量的百分數。含矸率的高低將直接影響煤的質量和售價。30312、工業(yè)分類表1-4§1-3煤的性質及工業(yè)分類§1-4影響煤礦生產的地質因素

（煤層的埋藏特征）由于成煤時期的原始條件和受地殼運動的影響不同，埋藏在地下的煤層的賦存狀態(tài)、頂底板巖性及含水性、煤層的含瓦斯性及自燃傾向、以及受地質構造影響的程度等都有明顯的差別，而這些都與采礦工作密切相關，因此，有必要對其進行研究。32煤層的埋藏深度大小不一，最大垂深可達2000m。世界主要產煤國平均礦井開采深度：德國1100m（最大采深1700m）波蘭700m英國650m俄羅斯600m美國、南非、印度、澳大利亞在100—250m我國開采深度已達到1000m以上。我國平均開采深度為450-500m，沈陽彩屯煤礦1199m（最深的礦井）開灤礦區(qū)趙各莊礦1160m山東新汶孫村礦1055m北票冠山1059m河南省平頂山礦區(qū)部分礦井開采深度接近和達到1000m。

33一、煤層賦存狀態(tài)（位置、層數、厚度、傾角及穩(wěn)定性）1、煤層厚度：厚煤層煤層厚度〉3.5m約占產量40%中厚煤層1.3-3.5m40%薄煤層〈1.3m20%極薄煤層0.5－0.9m特厚煤層≥8m34一、煤層賦存狀態(tài)2、傾角：急傾斜煤層〉45°傾斜煤層25°～45°緩傾斜煤層〈25°近水平煤層≤8°大傾角煤層35°～50°3536§1-4影響煤礦生產的地質因素3、煤層的穩(wěn)定性（根據煤層厚度變化情況及對開采的影響，將煤層分為四類）：

穩(wěn)定性煤層：在井田范圍內厚度均大于最低開采標準(0.7m)，厚度的變化也有一定規(guī)律。

較穩(wěn)定煤層：厚度變化較大，但在井田范圍內大多可開采，僅局部不可采。

不穩(wěn)定煤層:厚度變化很大，常有增厚、變薄、分岔或尖滅現象，井田范圍內經常出現不可采區(qū)。如圖1-8所示。

極不穩(wěn)定性煤層：煤層常呈雞窩狀，串珠狀，斷斷續(xù)續(xù)分布，井田范圍內僅局部可采。如圖1-9所示。37§1-4影響煤礦生產的地質因素4、煤層結構：根據煤層中有無較穩(wěn)定的夾石層，將煤層分為兩類：簡單結構煤層：沒有比較穩(wěn)定的層狀出現的夾石層。復雜結構煤層：煤層中常含有較穩(wěn)定的夾石層。簡單結構復雜結構透鏡狀礦物質夾層38二、煤層頂底、板巖石39二、煤層頂底、板巖石頂板偽頂：多為炭質頁巖或炭質泥巖，厚度一般為幾厘米至幾十厘米。它極易垮塌，常隨采隨落。直接頂：巖性多為粉砂巖或泥巖。采煤回柱后自行垮落?；卷敚簬r性多為砂巖或石灰?guī)r，一般厚度較大，強度也大。底板偽底：巖性以炭質泥巖為主，厚度不大，常為幾十厘米。直接底：位于偽底之下的巖層。巖性多為粉砂巖或砂巖，厚度較大。40三、地質構造對煤層的影響

地質構造：在地殼運動的作用下，煤和巖層改變了原始埋藏狀態(tài)所產生的變形或變位的形跡稱為地質構造。

1、單斜構造：在一定的范圍內，煤或巖層大致向一個方向傾斜的構造形態(tài)。

巖層的產狀要素：走向、傾向、傾角走向：巖層層面與水平面交線的延伸方向。傾角：層面與水平面之間的二面角。傾角變化在0-90?之間。傾向：巖層面上與走向線垂直向下的傾斜線的水平投影所指的方向?！?-4影響煤礦生產的地質因素41

2、褶皺構造

褶皺：巖層受水平力的作用被擠壓成彎彎曲曲，但保持了巖層的連續(xù)性和完整性的構造形態(tài)。

背斜：巖層層面凸起的褶曲

向斜：巖層層面凹下的褶曲§1-4、影響煤礦生產的地質因素（煤層的埋藏特征）褶皺要素

42

3、斷裂構造：巖層受力后遭到破壞，失去了連續(xù)性和完整性的構造形態(tài)。

裂隙：斷裂面兩側的巖層沒有發(fā)生明顯位移。

斷層：斷裂面兩側的巖層發(fā)生了明顯位移的斷裂構造。

斷層要素：斷層面、斷盤和斷距。（1）斷層面：巖層發(fā)生斷裂位移時，相對滑動的斷裂面。其空間位置可用產狀要素來描述。

（2）斷層線：斷層面與地面（水平面）的交線。它反映了斷層的延伸方向（斷層的走向）。

（3）

斷盤：斷層面兩側的巖體。（上盤、下盤）（4）

斷距：斷層的兩盤相對位移的距離。斷距可分為：垂直斷距（相對位移的垂直距離）（落差）（ab）

水平斷距（相對位移的水平距離）（bc）§1-4、影響煤礦生產的地質因素43

根據斷層兩盤相對運動的方向,可分為:

正斷層

逆斷層

平推斷層:斷層兩盤沿水平方相對移動。根據斷層走向與巖層走向的相對關系，斷層可分為：

走向斷層：走向一致或近于一致。

傾向斷層：走向與傾向一致或近于一致。

斜交斷層：斷層走向與巖層走向斜交。據落差：大斷層、中斷層、小斷層

>50m，20~50m，<20m§1-4、影響煤礦生產的地質因素（煤層的埋藏特征）44

四、沖蝕、巖溶塌陷及巖漿侵入對煤層的影響出于古河流在泥炭層或含煤地層中流過而形成的煤層厚度發(fā)生變化或形成了無煤帶為沖蝕當煤層下部分布有可溶性的石灰?guī)r、白云巖，并且發(fā)生巖溶時，巖溶可引起上覆煤層和巖石跨落形成陷落，從而破壞了煤層的完整性。

巖漿侵入煤層時，使煤層的穩(wěn)定性和連續(xù)性遭到破壞。

五、影響開采工作的其他因素

1、煤的自燃傾向。2、瓦斯含量。

3、礦井的充水程度?！?-4影響煤礦生產的地質因素45大石圍天坑垂直高度為613米，平均深度為511米，南北走向420米，東西走向600米，平均面積16.66萬平方米，天坑底部原始森林面積為9.62萬平方米，容積6710萬立方米。森林面積、植物種類及旅游觀賞價值均居世界第一位，垂直高度及體積居世界第二位。4