第三章-煤層課件

瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)第三章煤層1瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)第三章煤層1

煤層的層數(shù)、厚度、結(jié)構(gòu)和賦存狀態(tài)及其變化等直接決定了煤田的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

第一節(jié)煤層結(jié)構(gòu)與煤層形態(tài)

第二節(jié)煤層頂?shù)装宓谌?jié)煤體結(jié)構(gòu)分類與構(gòu)造煤2煤層的層數(shù)、厚度、結(jié)構(gòu)和賦存狀態(tài)及其變化等第一節(jié)煤層結(jié)構(gòu)與煤層形態(tài)

一、煤層結(jié)構(gòu)

煤層結(jié)構(gòu)是指煤層含其它巖石夾層（又稱矸石層或夾矸）的情況。夾矸是指煤層中厚度為0.1m至煤層最低可采厚度的巖石夾層。根據(jù)煤層中有、無夾矸存在，可將煤層結(jié)構(gòu)分為簡單結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)。3第一節(jié)煤層結(jié)構(gòu)與煤層形態(tài)一、煤層結(jié)構(gòu)3（1）簡單結(jié)構(gòu)

是指煤層中不含矸石層或僅局部含有矸石層（圖3—1）。（2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)

指煤層中含有一層或數(shù)層連續(xù)的矸石層（圖3—2）。煤層中的矸石層成分為粘土巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)巖或粉砂巖，有時(shí)為石灰?guī)r、硅質(zhì)巖、油頁巖、細(xì)砂巖甚至礫巖等。圖3—1簡單煤層結(jié)構(gòu)圖3—2復(fù)雜煤層結(jié)構(gòu)4（1）簡單結(jié)構(gòu)是指煤層中不含矸石層或僅局部含有矸石層（圖

煤層中矸石層的層數(shù)多少，厚度大小及矸石層的形態(tài)和穩(wěn)定程度，主要取決于聚煤期的古構(gòu)造和古地理?xiàng)l件。一般說來，在聚煤期沉積環(huán)境比較穩(wěn)定情況下形成的煤層所含的矸石層層數(shù)少、厚度小，且穩(wěn)定，多為層狀、似層狀，而聚煤期沉積環(huán)境不穩(wěn)定情況下形成的煤層所含的矸石層層數(shù)多，形態(tài)多為透鏡狀，而且不穩(wěn)定。煤層中矸石的層數(shù)、厚度、成分、賦存形態(tài)，所含化石的種類和保存及其變化情況等，對(duì)于恢復(fù)成煤環(huán)境、對(duì)比煤層、評(píng)價(jià)煤田等都有重要意義。因此，在觀察和描述復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層時(shí)，應(yīng)注意矸石層的這些特征。5煤層中矸石層的層數(shù)多少，厚度大小及矸石二、煤層形態(tài)

煤層是自然界中由古植物遺體堆積起來，經(jīng)泥炭化和煤化作用轉(zhuǎn)變而成的固體可燃有機(jī)巖。是由有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)所組成的層狀沉積巖體。

煤層形態(tài)是指煤層的空間展布特征。根據(jù)煤層在一定范圍內(nèi)連續(xù)成層的程度和可采情況，可將煤層形態(tài)分為層狀、似層狀、不規(guī)則狀和馬尾狀四種，詳細(xì)劃分見表3—1。6二、煤層形態(tài)6表3—1煤層的基本形態(tài)煤層形態(tài)基本特征圖示層狀煤層在一個(gè)井田范圍內(nèi)是連續(xù)的，厚度變化不大全部或大部可采似層狀藕節(jié)狀煤層不完全連續(xù)或大致連續(xù)。而厚度變化較大。煤層的可采面積大于不可采面積串珠狀煤層不完全連續(xù)或大致連續(xù)。而厚度變化較大。煤層的可采面積大于不可采面積規(guī)則狀雞窩狀煤層斷斷續(xù)續(xù)，形狀不規(guī)則，呈雞窩狀。其中煤層的可采面積多小于不可采面積。有的雞窩狀煤層的煤包較大，也常具可采價(jià)值透鏡狀煤層斷斷續(xù)續(xù)，形狀不規(guī)則，呈透鏡狀。煤層的可采面積多小于不可采面積扁豆?fàn)蠲簩訑鄶嗬m(xù)續(xù)，形狀不規(guī)則，呈扁豆?fàn)?。煤層的可采面積多小于不可采面積馬尾狀煤層基本連續(xù)，總的是由厚到薄，以致完全消失，它是由厚煤層分岔，尖滅形成的。煤層的可采面積與不可采面積之比變化較大7表3—1煤層的基本形態(tài)煤層形態(tài)基本特征圖示層狀煤層在一個(gè)

第一節(jié)煤層結(jié)構(gòu)與煤層形態(tài)

第二節(jié)煤層頂?shù)装宓谌?jié)煤體結(jié)構(gòu)分類與構(gòu)造煤8第一節(jié)煤層結(jié)構(gòu)與煤層形態(tài)8第二節(jié)煤層頂?shù)装逡?、煤層頂?/p>

直接覆于煤層之上的巖層稱為煤層頂板。煤層頂板根據(jù)其巖性、厚度及在采煤過程中垮落的難易程度，分為偽頂、直接頂和老頂三類。（1）偽頂它直接位于煤層之上，很薄的，隨煤層開采一起垮落的巖層，多為幾厘米至十幾厘米厚的炭質(zhì)泥巖或泥巖，富含植物化石。在采煤過程中，因常常隨采隨落，而不易維護(hù)。（2）直接頂位于偽頂或直接位于煤層（無偽頂時(shí)）之上的巖層，常為數(shù)米厚的砂巖、粉砂巖、泥巖及少量石灰?guī)r。它比偽頂穩(wěn)定，在采煤過程中，常撤去支柱后能自行垮落，少數(shù)需要放頂。（3）老頂位于直接頂或煤層（無偽頂、無直接頂時(shí)）之上的巖層。一般為厚層的粗砂巖、礫巖或石灰?guī)r。采空后，較長時(shí)間內(nèi)不易垮落，僅發(fā)生緩慢的變形。9第二節(jié)煤層頂?shù)装逡?、煤層頂?二、煤層底板

直接伏于煤層之下的巖層稱為煤層底板。煤層底板根據(jù)巖性分為直接底和老底兩種。（1）直接底

直接位于煤層之下的巖層，稱為直接底。多為富含植物根化石的泥巖。由于這種巖石遇水膨脹、容易引起底鼓現(xiàn)象，可造成運(yùn)輸線路或巷道支架的破壞。（2）老底

它位于直接底之下，常為厚層狀砂礫巖或石灰?guī)r。煤層頂?shù)装迨疽鈭D10二、煤層底板煤層頂?shù)装迨疽鈭D10

煤層頂、底板的發(fā)育程度，受當(dāng)時(shí)沉積作用和后期構(gòu)造變動(dòng)的影響，因此不同煤層頂、底板性質(zhì)及發(fā)育程度不同。有的煤層頂板發(fā)育完好，幾種類型的頂、底板都有，有的煤層則缺少某種類型的頂板或底板。在觀察和研究煤層頂、底板時(shí)，要注意頂、底板的巖性，及其與煤層之間的接觸關(guān)系。因?yàn)樗鼈兪欠从趁簩有纬汕啊⒑蟮某练e環(huán)境及其變化情況的標(biāo)志。有的煤層頂、底板巖石本身就是有用礦產(chǎn)，有的特征明顯又可作為煤層對(duì)比的標(biāo)志層。此外，煤層頂板巖石特征與煤層頂板管理，地下水處理以及底鼓情況都有很大關(guān)系。因此，研究煤層的頂、底板，對(duì)煤礦開采有著現(xiàn)實(shí)的重要意義。11煤層頂、底板的發(fā)育程度，受當(dāng)時(shí)沉積作第一節(jié)煤層結(jié)構(gòu)與煤層形態(tài)第二節(jié)煤層頂?shù)装?/p>

第三節(jié)煤體結(jié)構(gòu)分類與構(gòu)造煤

12第一節(jié)煤層結(jié)構(gòu)與煤層形態(tài)12第三節(jié)煤體結(jié)構(gòu)分類與構(gòu)造煤一、煤體結(jié)構(gòu)分類河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)研究所從瓦斯地質(zhì)角度研究瓦斯突出，在總結(jié)我國瓦斯突出煤層構(gòu)造特征的基礎(chǔ)上，給不同類型構(gòu)造煤的煤結(jié)構(gòu)賦予了地質(zhì)涵義。1980年，根據(jù)煤體宏觀和微觀結(jié)構(gòu)特征，以構(gòu)造煤的類型為基礎(chǔ)，以突出的難易程度為依據(jù)，把煤體結(jié)構(gòu)劃分成4種類型，即原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，后3種類型為構(gòu)造煤，如表3—2示。通過十幾年的實(shí)踐，此種分類方案實(shí)用、易于鑒別，得到廣泛地認(rèn)同。13第三節(jié)煤體結(jié)構(gòu)分類與構(gòu)造煤一、煤體結(jié)構(gòu)分類13表3—2煤體結(jié)構(gòu)類型的四類劃分類型號(hào)類型賦存狀態(tài)和分層特點(diǎn)光澤和層理煤體破碎程度裂隙、揉皺發(fā)育程度手試強(qiáng)度堅(jiān)固性系數(shù)f瓦斯放散指數(shù)ΔP突出危險(xiǎn)程度Ⅰ原生結(jié)構(gòu)煤層狀、似層狀、與上下分層整合接觸煤巖類型界限清晰、原生條帶狀結(jié)構(gòu)明顯呈現(xiàn)較大的保持棱角的塊體，塊體間無相對(duì)位移內(nèi)、外生裂隙均可辯認(rèn)，未見揉皺鏡面捏不動(dòng)或成cm級(jí)碎塊＞0.8＜10非突出Ⅱ碎裂煤層狀、似層狀、透鏡狀，與上下分層整合接觸煤巖類型界限清晰，原生條帶狀結(jié)構(gòu)斷續(xù)可見呈現(xiàn)棱角狀塊體，但塊體間已有相對(duì)位移煤體被多組互相交切的裂隙切割，未見揉皺鏡面可捻搓成cm、mm級(jí)碎粒0.8～0.310～15過渡Ⅲ碎粒煤透鏡狀、團(tuán)塊狀、與上下分層呈構(gòu)造不整合接觸光澤暗淡，原生結(jié)構(gòu)遭到破壞煤被揉搓捻碎、主要粒級(jí)在1mm以上構(gòu)造鏡面發(fā)育易捻搓成mm級(jí)碎?；蛎悍郏?.3＞15易突出Ⅳ糜棱煤透鏡狀、團(tuán)塊狀、與上下分層呈構(gòu)造不整合接觸光澤暗淡，原生結(jié)構(gòu)遭到破壞煤被揉搓捻碎的更細(xì)小，主要粒級(jí)在1mm以下構(gòu)造、揉皺鏡面發(fā)育極易捻搓成粉末或粉塵＜0.3＞20易突出14表3—2煤體結(jié)構(gòu)類型的四類劃分類型號(hào)類型賦存狀態(tài)和分層特二、原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤1．原生結(jié)構(gòu)煤

原生結(jié)構(gòu)煤是指未受構(gòu)造變動(dòng)，保留原生沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征，煤層原生層理完整、清晰，僅有少量內(nèi)生、外生裂隙發(fā)育，煤體呈塊狀。顯微鏡下顯微組分層排列，界限清晰的煤層。原生結(jié)構(gòu)煤的煤巖成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、內(nèi)生裂隙清晰可辨。2．構(gòu)造煤

原生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)生物理化學(xué)變化的煤稱為構(gòu)造煤（變形煤），又叫軟煤。它是煤層在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生破碎甚至強(qiáng)烈的韌塑性變形和流變遷移的產(chǎn)物，也是煤層在區(qū)域變質(zhì)的基礎(chǔ)上疊加了動(dòng)力變質(zhì)作用的產(chǎn)物。15二、原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤151）構(gòu)造煤煤體的宏觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造煤煤體的宏觀結(jié)構(gòu)分為碎裂結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)、糜棱結(jié)構(gòu)3種類型，相應(yīng)的煤體為碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。（1）碎裂結(jié)構(gòu)煤被密集的次生裂隙相互交切成碎塊，但碎塊之間基本沒有位移，煤層原生層理基本可見，時(shí)斷時(shí)續(xù)。碎裂結(jié)構(gòu)常常位于原生結(jié)構(gòu)與碎粒結(jié)構(gòu)的過渡部位。（2）碎粒結(jié)構(gòu)煤被破碎成粒：主要粒級(jí)大于1mm。大部分煤粒由于相互位移摩擦失去棱角，煤層原生層理被破壞，層理不清，裂隙較發(fā)育，煤層煤體主要呈粒狀。碎粒結(jié)構(gòu)往往緊靠碎裂結(jié)構(gòu)分布，常常距離煤層頂板或底板一定距離，也常常位于斷裂帶的中心部位。（3）糜棱結(jié)構(gòu)煤被破碎成很細(xì)的粉末，主要粒級(jí)小于1mm。有時(shí)被重新壓緊，煤層原生層理完全被破壞，已看不到煤層原生層理和節(jié)理，滑移面、摩擦面很多，煤體呈透鏡體狀、粉狀、鱗片狀，極易捻成粉末。糜棱結(jié)構(gòu)煤是強(qiáng)擠壓、剪切破壞的束縛，常出現(xiàn)在壓應(yīng)力很大的斷裂褶皺帶中。161）構(gòu)造煤煤體的宏觀結(jié)構(gòu)162）構(gòu)造煤煤體的顯微結(jié)構(gòu)

構(gòu)造煤煤體的微觀特征研究能夠從更深層面刻畫瓦斯突出煤層的煤體結(jié)構(gòu)特征，為從瓦斯突出煤層的物理?xiàng)l件認(rèn)識(shí)瓦斯突出機(jī)理和瓦斯突出原因提供必要的理論基礎(chǔ)。在顯微鏡下，特別是電子掃描顯微鏡下，對(duì)構(gòu)造煤的顯微構(gòu)造標(biāo)志進(jìn)行了大量的描述，并對(duì)其進(jìn)行了顯微構(gòu)造類型劃分和命名。

（1）碎裂—棱角狀結(jié)構(gòu)煤

碎裂—棱角狀結(jié)構(gòu)煤是指由碎裂作用所產(chǎn)生的具有棱角狀顆粒的構(gòu)造煤。這是一種脆性變形的結(jié)果。顆粒的最重要特征是具棱角狀結(jié)構(gòu)，顆粒間的脆性破裂裂隙閉合或張開，由此產(chǎn)生的顆粒之間的平動(dòng)位移可以在幾到幾十微米，但在裂隙閉合后多數(shù)顆粒尚可復(fù)元到原始位置上。顆粒間的旋轉(zhuǎn)位移不甚明顯。顆粒的大小分布在微米級(jí)到毫米級(jí)。就是說在這一類型中，對(duì)粒度大小沒有作具體要求，著重考慮的是顆粒的形態(tài)特征。按照顆粒粒度的分布，這種類型又可分為兩種亞類，即等粒棱角狀結(jié)構(gòu)和斑狀棱角狀結(jié)構(gòu)。前者指棱角顆粒大致在同一數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)。后者指顆粒粒度分布相差較大，大的棱角狀顆粒漂浮在小的棱角狀顆?；|(zhì)中，或二者等量分布。棱角狀結(jié)構(gòu)煤的另一特征是顆粒本身呈近等軸形態(tài)，顆粒組合及其中的裂隙均無明顯的定向性，壓裂作用比較明顯。172）構(gòu)造煤煤體的顯微結(jié)構(gòu)17（2）碎裂—粒狀結(jié)構(gòu)煤

這種煤由粒徑較大的顆粒和粒徑較小的粒狀基質(zhì)所組成。大、小顆粒是近于等軸的橢圓形，沒有明顯的棱角，表面比較光滑或具有明顯的構(gòu)造磨蝕痕跡。大粒徑的圓形顆粒被直徑較小的圓形顆?；|(zhì)所包圍，二者的接觸邊界在斷面上呈一不規(guī)則的園環(huán)形。大顆粒直徑在10～30μm，小顆粒直徑不足1～5μm左右。在這兩種粒徑差異較大顆粒共存時(shí)，形成所謂斑狀結(jié)構(gòu)；在顆粒直徑大小近似時(shí)，形成等粒結(jié)構(gòu)。理想的基質(zhì)在斑狀結(jié)構(gòu)中賦存于大顆粒的周圍，這種基質(zhì)可能是高度粉碎的微粒經(jīng)構(gòu)造壓實(shí)作用的產(chǎn)物，表面平整、光滑，無顆粒狀形特征。這種構(gòu)造基質(zhì)細(xì)小到在微米級(jí)別上無法辯認(rèn)出的粒度，因此它們是納米級(jí)大小的顆粒。從這種意義上講，構(gòu)造變形很可能已波及到了芳核結(jié)構(gòu)的層次上，并有可能從煤中分離納米材料級(jí)煤顆粒材料。粒狀結(jié)構(gòu)煤發(fā)現(xiàn)于一種構(gòu)造鱗片或構(gòu)造透鏡體內(nèi)。這種鱗片的厚度30～50μm，或100多微米不等，其長度約50μm或100多微米。原始的鱗片是四周封閉的光滑的剪切磨光鏡面，鏡面上布滿定向的平行的顯微擦痕，其起伏變化反映了其內(nèi)部顆粒的分布。這種鏡面類似于鞘褶皺中的某個(gè)理想褶層界面。

18（2）碎裂—粒狀結(jié)構(gòu)煤18粒狀結(jié)構(gòu)煤僅存在于強(qiáng)烈的剪切帶內(nèi)。這種剪切帶具有兩次構(gòu)造變形的歷史。第一次構(gòu)造變形形成了棱角狀顆粒，第二次變形發(fā)生在已形成的棱角狀構(gòu)造煤分層中。強(qiáng)烈的順層剪切作用使棱角狀顆粒流變，磨圓和重新定向。從棱角上構(gòu)造磨蝕下來的細(xì)粉或進(jìn)一步圓化，或研磨成粉成為填隙基質(zhì)。同時(shí)，沿其剪切面形成鏡面構(gòu)造及其鱗片。鱗片表面的擦痕和其內(nèi)部的橢圓形顆粒可以確定第二次構(gòu)造剪切方向。從形成過程及力學(xué)機(jī)制看，這種煤具有早期的脆性碎裂和二次韌性剪切流變特征。倘若在第二次構(gòu)造變形仍然是脆性流變機(jī)制，具有很多脆性的鏡質(zhì)體棱角狀顆粒將繼續(xù)發(fā)生脆性破裂，而不是棱角的磨蝕和圓化。所以第二次韌性流變必須具備很高的圍壓或者較高的溫度。19粒狀結(jié)構(gòu)煤僅存在于強(qiáng)烈的剪切帶內(nèi)。這（3）葉片狀結(jié)構(gòu)煤

葉片狀結(jié)構(gòu)煤是由一組平行的近于等距的剪裂隙切割而成的具板狀、片狀結(jié)構(gòu)的煤。板、片同向，大致等厚。厚度從幾十微米到毫米級(jí)，其長度為幾百微米到厘米級(jí)。板片的上、下界面是兩個(gè)構(gòu)造磨光的鏡面，具有清楚的定向顯微擦痕。據(jù)此，這種片狀結(jié)構(gòu)是剪裂而不是張裂的結(jié)果。板、片斷面具原生結(jié)構(gòu)的特征，呈均勻斷口。盡管一些剪裂隙延伸不遠(yuǎn)即中止于具原生結(jié)構(gòu)的均質(zhì)層內(nèi)，它們?nèi)跃哂忻黠@的磨光鏡面，顯示多多少少的位移痕跡。這種煤被李康和鐘大賚（1992）命名為微劈煤。葉片狀結(jié)構(gòu)煤在煤層中呈透鏡狀，似層狀沿煤層分布，一般規(guī)模較小。宏觀上光澤暗淡，葉片、鱗片發(fā)育，但葉片和鱗片個(gè)體的硬度較大，手試時(shí)有強(qiáng)烈的刺疼感，說明葉片個(gè)體呈原生結(jié)構(gòu)，沒有遭受強(qiáng)烈的揉皺和粉碎過程。葉片狀結(jié)構(gòu)煤有時(shí)呈斜穿煤層的帶狀。與產(chǎn)狀近似的高一級(jí)優(yōu)勢構(gòu)造節(jié)理相伴出現(xiàn)。葉片狀煤的形成與簡單剪切有關(guān)。20（3）葉片狀結(jié)構(gòu)煤20（4）透鏡狀結(jié)構(gòu)煤

構(gòu)造煤的顆粒主要由不同級(jí)別的透鏡體所組成。透鏡體顆粒的大小有兩個(gè)級(jí)別，一是小于1個(gè)微米或幾微米大小，一種則大到幾百至上千個(gè)微米。顆粒由兩組近于平行的剪切滑移鏡面包圍而成，一組平行煤層的原始層理，另一組與之呈30°夾角斜交。打開表部的滑移鏡面，顆粒的內(nèi)斷面顯示出均質(zhì)的鏡質(zhì)體組分。更重要的是，其內(nèi)部存在次一級(jí)的剪節(jié)理，它們把高一級(jí)的顆粒切割成更小的透鏡體，顆粒內(nèi)部發(fā)育一組平行于左側(cè)外邊界的節(jié)理，它形成次級(jí)透鏡體表面的滑移鏡面。從顆粒內(nèi)部剪節(jié)理的擴(kuò)展方式看，它們還沒有穿過高級(jí)顆粒的表部界面，同時(shí)，平行層理方向的一組剪節(jié)理的發(fā)育還不完善，僅在底部有一條這樣的節(jié)理，而且在還沒有穿越高級(jí)顆粒的外表面已趨中止。從高級(jí)顆粒及其內(nèi)部次級(jí)節(jié)理的截割關(guān)系看，透鏡狀顆粒的形成是由高級(jí)（大粒徑顆粒）向低級(jí)（小粒徑顆粒）逐級(jí)發(fā)展的，這一發(fā)展過程是通過高級(jí)顆粒內(nèi)部兩組剪節(jié)理的發(fā)生與擴(kuò)展而實(shí)現(xiàn)的。隨著這一過程的發(fā)展，透鏡體狀顆粒逐級(jí)變小。因此，大顆粒和小顆粒是在同一應(yīng)力狀態(tài)下但不同階段的產(chǎn)物。顆粒越細(xì)小，其破壞程度越高，破壞歷程也越長。當(dāng)這一過程發(fā)展到一定階段時(shí)，形成了所謂第二種透鏡——糜棱狀結(jié)構(gòu)煤。21（4）透鏡狀結(jié)構(gòu)煤21透鏡體狀結(jié)構(gòu)煤很可能是在純剪條件下形成的，引起純剪作用的最大主壓應(yīng)力方向很可能是平行層理的。顆粒是否有過韌性變形或者壓扁/拉長，目前還沒有足夠的證據(jù)，但至少這一過程是在一種脆—韌性過渡環(huán)境中發(fā)生的。這也是為什么把那種具有微米級(jí)顆粒的透鏡體狀煤稱之為透鏡——糜棱狀煤的原因之所在。