采煤概论1-煤矿地质知识副本

第一章煤矿地质知识1

第一章煤矿地质基础知识§1-1岩石的概念和岩石的分类§1-2煤层的赋存条件§1-3地质构造§1-4矿图的基本知识23

第一章煤矿地质知识§1-1岩石的概念和岩石的分类

应该明确的两个问题：

地壳是煤及各种矿产资源形成的地方，矿产资源的形成与地壳的物质运动及演变有密切关系。

地球表面生物的生长、发育及死亡的整个过程不断地改变着地球表面各种元素和矿物的分布，使某些元素离散或集中形成有价值的矿产。（生物遗体变为煤和石油等）这两个方面都是地壳物质在地质作用下运动和演变的结果，因此，研究地壳的物质组成以及在地质作用下的地壳物质运动，是掌握矿床形成和埋藏规律的基础。4一、地质作用—是指引起地壳物质组成、内部构造和地表形态变化与发展的自然作用。内力地质作用

外力地质作用

地壳运动

岩浆活动变质作用地震作用风化和剥蚀

搬运和沉积固结成岩§1-1岩石的概念和岩石的分类(按能源及作用场所分）地质作用5二、地壳的物质组成地壳是由岩石组成的，岩石则是由一些细小的矿物颗粒组成的。1、矿物—由一种或多种元素在地质作用下形成的，具有比较固定的化学成分和物理性质的自然产物。

自然界中矿物的种类繁多，目前已知的有2000多种。像自然金(Au)自然银(Ag)石墨（C）等由一种元素组成。石英（SiO2）黄铁矿（FeS2）磁铁矿（Fe3O4）由两种元素化合而成。方解石（CaCO3）高岭石（AL2O3、2SiO2、2H2O）由多种元素组成。

组成岩石的常见矿物，称为造岩矿物，主要的有20多种，像石英、长石、云母、方解石、赤铁矿、黄铁矿等。

2、岩石——矿物的集合体§1-1岩石的概念和岩石的分类6岩浆岩—是地球内部的高温熔融状态的岩浆，沿地壳薄弱地带侵入地壳或喷出地壳逐渐冷却、凝固而成的岩石。（花岗岩、玄武岩、闪长岩、辉绿岩等）根据SiO2含量的多少，岩浆岩又分为酸性、中性、基性和超基性四种岩类，岩浆岩造岩矿物主要有：石英、正长石、斜长石、白云母、黑云母等。岩石按生成原因分为三类变质岩—原有的岩石在地壳中受到高温、高压及化学性质活泼的气体影响，岩石的物理和化学性质发生变化，变成一种新的岩石。常见的变质岩有：由石灰岩、白云岩变成的大理石；由石英砂岩变质而成的石英岩；以及由其他岩石变质而成的片麻岩、片岩、千枚岩等

沉积岩

—是暴露于地表的原有岩浆岩、沉积岩、变质岩，经受外力地质作用被风化、剥蚀成碎块或碎屑的物质和溶解物质，经搬运、沉积和固结成岩作用而形成的新的岩石。沉积岩分布最广，地表约75%的面积都覆盖有沉积岩，有许多重要的矿产如煤、油页岩、岩盐等本身就是沉积岩。8§1-1地质作用、地壳的物质组成及地史的概念各类岩浆岩的主要组成矿物及岩石颜色9

岩浆岩

橄榄岩玄武岩花岗岩闪长岩辉长岩安山岩10大理岩

黑色大理岩

石英片岩(具褶皺構造)

石英片岩片麻岩

花崗片麻岩

变质岩11黑色片岩

片岩(褶皺引起)板岩硬泥岩

矽質片岩

蛇紋岩

变质岩12沉积岩按物质成分和成因可分为:

碎屑岩类—角砾岩、砾岩、砂岩、粉砂岩（其中含有化石和结核）粘土岩类—泥岩、页岩化学和生物化学岩类—石灰岩：矿物成分主要是方解石，一般为白色或灰色沉积岩具有明显的成层现象。§1-1地质作用、地壳的物质组成及地史的概念鱼类化石鸟类化石

昆虫化石

琥珀13

成因沉积岩形成于地表或接近地表。岩石颗粒经过风、流水、冰川的搬运，然后沉积于陆地、河湖以及海洋环境如海滩、三角洲、海底等。

沉积层

沙滩上的卵石和砂粒

最终可能形成沉积岩

颗粒大小

尽管沉积岩颗粒的分类很复杂，但粗粒、中粒和细粒等术语仍经常使用颗粒的大小从巨砾到粘土的微粒，组成粗粒岩石的碎屑肉眼可见，如砾岩、角砾岩和砂岩，中粒岩的颗粒用便携式放大镜可辨，如粉砂岩，细粒岩石包括页岩、粘土岩和泥岩。

石英砾岩

页岩

粗粒中粒砂岩

细粒化石内容化石主要产于沉积岩，它们是保存在沉积岩中的动植物遗体。岩石中所含化石指示岩石的形成环境，如海生生物化石说明岩石是在海洋环境下形成的，石灰岩是富含化石的沉积岩。

贝壳石灰岩中的腕足类化石

石英砾岩14火星环形山斜坡上的沉积岩

恐龙蛋化石远古海底的沉积岩

15三、地史的概念地球形成已有四十五亿年以上的历史，在不同的历史时期和自然地理环境下形成的地层，其颜色、成分和结构等都有一定的特征；各个历史时期和特定的自然环境都繁殖有一定的古生物群，经石化后形成生物化石，成了地层的天然纪录。为了便于研究，通常根据地壳运动及古生物的发展，将地球的历史从古到划分为太古代、元古代、古生代、中生代和新生代五个大的时代，代以下又分为若干纪，纪以下又分为世。宙、代、纪、世、期、时是国际统一的地质时代单位。计算地球年龄以“百万年”为最小单位。在各个地质时代是形成的地层相应地称为宇、界、系、统、阶（组）、带，它是国际统一的地层单位，见表1-2。§1-1地质作用、地壳的物质组成及地史的概念16年代单位年代

符号距今年数

(百万年)主要现象新生代

(哺乳类动物时代)第四纪全新世Qh0.012

更新世Qp1.64冰川广布，黄土生成晚第三纪上新世N2523.3西部造山运动，东部低平，湖泊广布中新世N1早第三纪渐新世E337.5哺乳类分化始新世E238蔬果繁盛，哺乳类急速发展古新世E165（我国尚无古新世地层发现）17年代单位年代

符号距今年数

(百万年)主要现象中生代

(爬行动物时代)白垩纪K137造山作用强烈，火成岩活动矿产生成侏罗纪J205恐龙极盛，中国南山俱成，大陆煤田生成三叠纪T250中国南部最后一次海侵，恐龙哺乳类发育18年代单位年代

符号距今年数主要现象上古生代

(两栖动物与

造煤植物时代)二叠纪P295世界冰川广布，新南最大海侵，造山作用强烈石炭纪C354气候温热，煤田生成，爬行类昆虫发生，

地形低平，珊瑚礁发育中古生代

(鱼类时代)泥盆纪D410森林发育，腕足类鱼类极盛，两栖类发育志留纪S438珊瑚礁发育，气候局部干燥，造山运动强烈19年代单位年代

符号距今年数主要现象下古生代

(无脊椎动物时代)奥陶纪O490地热低平,海水广布,无脊椎动物极繁,末期华北升起寒武纪∈543浅海广布，生物开始大量发展隐生代上元古代震旦纪Sn680

地形不平，冰川广布，晚期海侵加广下元古代前震

旦纪滹沱

2300

沉积深厚造山变质强烈，火成岩活动矿产生成五台

2500

早期基性喷发,继以造山作用,变质强烈,花岗岩侵入太古代泰山

约3350地壳局部变动

大陆开始形成

20一、煤的形成煤由植物遗体堆积埋藏后经成煤作用转变而成。据研究，几乎所有的植物遗体，只要具备了成煤的条件，都可以转化成煤。不过，低等植物遗体所形成的煤，分布范围小，厚度薄，很少被人利用。那些分布广、规模大、利用广泛的煤，都是高等植物的遗体（主要是古代的蕨类、松柏类以及一些被子植物的遗体）形成的。

成煤作用可划分为两大阶段：第一阶段是在地表常温、常压下，由堆积在停滞水体中的植物遗体经泥炭化作用或腐泥化作用，转变成泥炭或腐泥的过程，称泥炭化（或腐泥化）作用阶段。这一阶段以生物化学降解作用为主。

第二阶段是泥炭或腐泥被埋藏后，由于沉积盆地基底沉降至地下深部，经成岩作用转变成褐煤，当温度和压力再逐渐增高经变质作用转变成烟煤和无烟煤。由泥炭或腐泥转变成褐煤，以至无烟煤的全过程，称煤化作用。这一阶段以物理化学变化为主。§1-2煤的形成及煤系

21§1-2煤的形成及煤系

高等植物泥炭褐煤长焰煤不粘结煤弱粘结煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤成煤作用煤化作用变质作用泥炭化作用（腐泥化作用）成岩作用烟煤低等植物腐泥腐泥煤成煤过程划分示意图22

煤的岩石组成和成因类型取决于泥炭或腐泥形成时的成煤植物种类、堆积环境和堆积方式。煤的物理、化学和工艺性质却在很大程度上取决于煤化作用阶段的有机质热演化程度，即煤级。

古植物、古气候、古地理和古构造条件，是影响成煤作用发生和强度的重要因素。成煤植物群落不同，决定了煤的成因类型。石炭纪开始，富含木质纤维组织的陆生高等植物大量繁殖、堆积形成的煤大多为腐殖煤；富含蛋白质、脂肪的低等菌藻类为主形成的煤为腐泥煤；高等和低等植物混合形成的煤为腐殖腐泥煤。腐泥煤、腐殖腐泥煤在自然界分布量少，常呈薄层或透镜体夹于腐殖煤的煤层中。§1-2煤的形成及煤系

23泥炭历来被认为是温暖潮湿气候条件下的产物。根据近代研究表明，在气候条件中湿度所起的作用比温度更重要。因为现代无论在温暖的低纬度和寒冷的高纬度(50°～70°)，只要是降水量大于蒸发量的地区，都有较厚的泥炭层堆积，干旱条件显然不利于成煤。有利于成煤作用的地理环境是沼泽。沼泽分布在滨海平原、海湾泻湖、内陆大湖、三角洲平原、河流冲积平原和冲积扇前等环境。成煤作用有利的构造背景是古构造稳定期。地壳缓慢沉降，容易在地表形成积水洼地。造山运动和地壳上升阶段，均不利于泥炭的堆积和保存。

§1-2煤的形成及煤系

24芦苇河流树木湿地芦苇沼泽稻田湿地平原湿地湿地是富饶多产的生态体系。湿地的类型繁多，包括：沼泽地、河口三角湾、泥滩、泥沼、水塘、三角洲、珊瑚礁、季节性河流、泻湖、浅海、泥炭地、湖泊、泛滥平原等等。25

上述可见，要形成有开采价值的煤层，必须具备下列条件：

1、植物条件：我国的三大聚煤时期（晚古生代的石炭二迭纪、中生代的侏罗纪和新生代的第三纪），分别是植物界的孢子植物，裸子植物和被子植物繁殖的极盛时代。

2、气候条件：温暖潮湿。

3、地理环境：大面积沼泽化的自然地理条件。滨海平原、海湾泻湖、河漫滩、河口三角洲等。

4、地壳运动：泥炭层的积聚要求地壳缓慢下沉，下沉速度最好为与植物遗体堆积的速度大致平衡，这种状态持续的时间越久，形成的泥炭层越厚。泥炭层形成以后，地壳下降较快，有利于泥炭的保存和转变成煤。§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—是含有煤层的一组沉积岩层（也叫含煤地层）。

煤系一般是按其形成的时代来命名的，如华北的石炭二迭纪煤系，东北的侏罗纪煤系，华南的晚二迭纪煤系。

煤田—在地质历史发展过程中，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。27§1-3煤的性质及工业分类

由于成煤的原始物质,成煤环境及所受的变质作用不同,煤的种类很多,其物理性质和化学组成也有差别。性质不同的煤用途也不一样。

一、煤的性质

1、物理性质包括光泽、颜色、条痕、硬度、脆度、比重和容重、导电性等，见表1-3。

2、

化学组成煤是由有机物和无机物混合组成的。。煤的化学组成碳最主要的可燃物质，含碳量越高，发热量越大氢主要的可燃物质，随变质程度加深而降低氧不可燃物质，随变质程度加深而降低氮含氮量较少，近1~3%，不产生热量硫有害物质，燃烧时形成二氧化硫，炼焦煤中含硫量不超过1%磷有害物质，炼焦煤中含磷量不超过0.01%28§1-3煤的性质及工业分类二、煤的工业分类1、常用的煤质指标：水分（W）、灰分（A）、挥发分（V）、发热量（Q）、胶质层厚度（Y）、含矸率。水分和灰分：煤中的不可燃部分，含量越少煤质越好。灰分是指煤完全燃烧后所剩下的固体残渣，灰分超过40%的煤暂不利用。挥发分：指煤与空气隔绝后，加热到900℃左右时所排出的气体物质，主要成份为沼气、氢及其它化合物。固体碳：是除去水份、灰分和挥发份后的有机固体可燃物。其含量随煤的变质程度提高而增高。胶质层厚度：指粉煤与空气隔绝后加热到850±20℃时，煤中的有机质分解、熔融而产生具有粘结性胶体厚度，单位：mm。焦炭就是由粘结性好的煤，加热后由胶质层粘结形成的。29§1-3煤的性质及工业分类二、煤的工业分类发热量：指质量为1kg的煤完全燃烧时放出的热量，其单位是J/kg，或大卡/kg。硫和磷：煤中的有害杂质。含硫高的煤，炼钢性脆，质量下降。含矸率：指矿井采出的原煤中，大于50mm的矸石量占全部煤量的百分数。含矸率的高低将直接影响煤的质量和售价。30312、工业分类表1-4§1-3煤的性质及工业分类§1-4影响煤矿生产的地质因素

（煤层的埋藏特征）由于成煤时期的原始条件和受地壳运动的影响不同，埋藏在地下的煤层的赋存状态、顶底板岩性及含水性、煤层的含瓦斯性及自燃倾向、以及受地质构造影响的程度等都有明显的差别，而这些都与采矿工作密切相关，因此，有必要对其进行研究。32煤层的埋藏深度大小不一，最大垂深可达2000m。世界主要产煤国平均矿井开采深度：德国1100m（最大采深1700m）波兰700m英国650m俄罗斯600m美国、南非、印度、澳大利亚在100—250m我国开采深度已达到1000m以上。我国平均开采深度为450-500m，沈阳彩屯煤矿1199m（最深的矿井）开滦矿区赵各庄矿1160m山东新汶孙村矿1055m北票冠山1059m河南省平顶山矿区部分矿井开采深度接近和达到1000m。

33一、煤层赋存状态（位置、层数、厚度、倾角及稳定性）1、煤层厚度：厚煤层煤层厚度〉3.5m约占产量40%中厚煤层1.3-3.5m40%薄煤层〈1.3m20%极薄煤层0.5－0.9m特厚煤层≥8m34一、煤层赋存状态2、倾角：急倾斜煤层〉45°倾斜煤层25°～45°缓倾斜煤层〈25°近水平煤层≤8°大倾角煤层35°～50°3536§1-4影响煤矿生产的地质因素3、煤层的稳定性（根据煤层厚度变化情况及对开采的影响，将煤层分为四类）：

稳定性煤层：在井田范围内厚度均大于最低开采标准(0.7m)，厚度的变化也有一定规律。

较稳定煤层：厚度变化较大，但在井田范围内大多可开采，仅局部不可采。

不稳定煤层:厚度变化很大，常有增厚、变薄、分岔或尖灭现象，井田范围内经常出现不可采区。如图1-8所示。

极不稳定性煤层：煤层常呈鸡窝状，串珠状，断断续续分布，井田范围内仅局部可采。如图1-9所示。37§1-4影响煤矿生产的地质因素4、煤层结构：根据煤层中有无较稳定的夹石层，将煤层分为两类：简单结构煤层：没有比较稳定的层状出现的夹石层。复杂结构煤层：煤层中常含有较稳定的夹石层。简单结构复杂结构透镜状矿物质夹层38二、煤层顶底、板岩石39二、煤层顶底、板岩石顶板伪顶：多为炭质页岩或炭质泥岩，厚度一般为几厘米至几十厘米。它极易垮塌，常随采随落。直接顶：岩性多为粉砂岩或泥岩。采煤回柱后自行垮落。基本顶：岩性多为砂岩或石灰岩，一般厚度较大，强度也大。底板伪底：岩性以炭质泥岩为主，厚度不大，常为几十厘米。直接底：位于伪底之下的岩层。岩性多为粉砂岩或砂岩，厚度较大。40三、地质构造对煤层的影响

地质构造：在地壳运动的作用下，煤和岩层改变了原始埋藏状态所产生的变形或变位的形迹称为地质构造。

1、单斜构造：在一定的范围内，煤或岩层大致向一个方向倾斜的构造形态。

岩层的产状要素：走向、倾向、倾角走向：岩层层面与水平面交线的延伸方向。倾角：层面与水平面之间的二面角。倾角变化在0-90˚之间。倾向：岩层面上与走向线垂直向下的倾斜线的水平投影所指的方向。§1-4影响煤矿生产的地质因素41

2、褶皱构造

褶皱：岩层受水平力的作用被挤压成弯弯曲曲，但保持了岩层的连续性和完整性的构造形态。

背斜：岩层层面凸起的褶曲

向斜：岩层层面凹下的褶曲§1-4、影响煤矿生产的地质因素（煤层的埋藏特征）褶皱要素

42

3、断裂构造：岩层受力后遭到破坏，失去了连续性和完整性的构造形态。

裂隙：断裂面两侧的岩层没有发生明显位移。

断层：断裂面两侧的岩层发生了明显位移的断裂构造。

断层要素：断层面、断盘和断距。（1）断层面：岩层发生断裂位移时，相对滑动的断裂面。其空间位置可用产状要素来描述。

（2）断层线：断层面与地面（水平面）的交线。它反映了断层的延伸方向（断层的走向）。

（3）

断盘：断层面两侧的岩体。（上盘、下盘）（4）

断距：断层的两盘相对位移的距离。断距可分为：垂直断距（相对位移的垂直距离）（落差）（ab）

水平断距（相对位移的水平距离）（bc）§1-4、影响煤矿生产的地质因素43

根据断层两盘相对运动的方向,可分为:

正断层

逆断层

平推断层:断层两盘沿水平方相对移动。根据断层走向与岩层走向的相对关系，断层可分为：

走向断层：走向一致或近于一致。

倾向断层：走向与倾向一致或近于一致。

斜交断层：断层走向与岩层走向斜交。据落差：大断层、中断层、小断层

>50m，20~50m，<20m§1-4、影响煤矿生产的地质因素（煤层的埋藏特征）44

四、冲蚀、岩溶塌陷及岩浆侵入对煤层的影响出于古河流在泥炭层或含煤地层中流过而形成的煤层厚度发生变化或形成了无煤带为冲蚀当煤层下部分布有可溶性的石灰岩、白云岩，并且发生岩溶时，岩溶可引起上覆煤层和岩石跨落形成陷落，从而破坏了煤层的完整性。

岩浆侵入煤层时，使煤层的稳定性和连续性遭到破坏。

五、影响开采工作的其他因素

1、煤的自燃倾向。2、瓦斯含量。

3、矿井的充水程度。§1-4影响煤矿生产的地质因素45大石围天坑垂直高度为613米，平均深度为511米，南北走向420米，东西走向600米，平均面积16.66万平方米，天坑底部原始森林面积为9.62万平方米，容积6710万立方米。森林面积、植物种类及旅游观赏价值均居世界第一位，垂直高度及体积居世界第二位。4