搜索
煤矿生产技术潘三矿生产技术科胡伟第一章煤矿地质知识•第一节地质作用、地壳的物质组成及地史概念一、地球的圈层结构地球不是均质体，其物质组成的分布呈同心圈层结构。大致以地壳表层为界分为外圈和内圈。外圈包括：大气圈、水圈、生物圈。内圈包括：地壳、地幔、地核。具体结构见下表地球（以地表为界）外圈层（根据物质性质和状态的不同）大气圈水圈生物圈内圈层（根据地震波提供的信息）地壳硅铝层硅镁层地幔上地幔下地幔地核外核内核地球的圈层结构图二、地质作用•(一)地质作用的概念凡是由自然动力所引起的地壳物质成分、内部结构以及外部形态发生变化和发展的过程称为地质作用。•(二)地质作用的分类根据地质作用的能源不同，地质作用分为两大类：内力地质作用、外力地质作用。•(三)内力地质作用的概念和分类•1.内力地质作用由地球内部能量引起的地壳物质成分、内部构造、地表形态发生变化的地质作用，叫内力地质作用。•2.按作用的性质和方式，内力地质作用分为地壳运动、地震作用、岩浆作用、变质作用。(四)外力地质作用的概念和分类1.外力地质作用外力地质作用是指以地球外部的太阳辐射以及日月引力能为能源，并通过大气、水、生物因素所引起的风、雨、冰雪、冰川、河流、海浪等外力产生各种地质作用。2.外力地质作用分类外力地质作用包括：风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用、固结成岩作用等。三、地壳物质组成地壳由岩石组成，岩石是矿物的集合体，矿物由化学元素结合而成。•(一)矿物矿物是地壳中的一种或多种化学元素在各种地质作用下形成的天然单质或化合物。矿物是组成岩石和矿石的基本单位。到目前人们所认识的矿物已达2000多种。矿物的形态可以分为两类：单体的形态与集合体形态。1.矿物单体的形态2.矿物集合体的形态(二)岩石•岩石是构成地壳和上地幔固态部分的基本物质，它是天然产出的一种或多种矿物在各种地质作用下形成的、具有一定结构、构造的集合体。按成因分为三大类：岩浆岩（火成岩）、沉积岩、变质岩。1.岩浆岩：岩浆冷凝后形成的岩层，如花岗岩、玄武岩等。2.沉积岩：由先形成的三大类岩石经风化、剥蚀、搬运作用形成的岩石。其特点是成层状态。如砾石、砂岩、页岩、石灰岩、煤等。按照物质成分和成因可以分为碎屑岩类、粘土岩类、化学岩类和生物化学岩类四大类。煤矿生产中所遇到的岩石90％以上都是沉积岩。常见的沉积岩有：1、角砾岩。2、砾岩。3、砂岩。4、粉砂岩。5、泥岩及页岩。6、石灰岩。3.变质岩：受变质作用或高温高压作用已改变了成份和性质的岩石。如大理岩、石英岩、千枚岩、片岩和片麻岩等。由于地质作用的复杂性、多期性与漫长性，三大类岩石之间可以相互转化。三大岩石相互关系岩石循环转化示意四、地史的概念年代地层单位和地质年代单位•1.概念：•1)年代地层单位——地层单位，代表一定时间范围内形成的地层依据：生物演化的阶段性。顶底界面具有严格的等时性。•2)地质年代单位——时间单位，代表地史中一定时间范围。2.二者具有对应关系年代地层单位地质年代单位宇宙界代系纪统世阶期时带时我矿所采的煤层属于二迭系山西组、下石盒子组和上石盒子组。3.地质年代表第二节煤的形成及煤系一、煤的形成(一)煤形成的主要影响因素煤是由古代植物遗体演化而形成的。煤层的形成受以下因素的影响：•(1)古植物条件•(2)古气候条件•(3)古构造条件(二)成煤作用植物遗体堆积，到转变为煤的全部过程叫成煤作用。这个过程经历了复杂的生物化学作用和物理化学作用。成煤作用分为二个阶段：泥炭化（腐泥化）阶段煤化阶段（包括成岩作用和变质作用）。•煤是由地质历史上植物遗体演变而形成的。古代历史上：地球上生有大量的植物（高等植物和低等植物）在地质历史上成煤时期堆积在湖泊沼泽底部，随着地壳缓慢下沉逐渐被水覆盖与空气隔绝，在细菌参与及生物化学作用下进入泥炭化阶段随着时间的推移，地壳继续缓慢下沉，泥炭层被水携带来的泥砂等物质覆盖，并且覆盖层加厚。在压力和温度的作用下，泥炭层逐渐失去水分而变得致密，变成褐煤。随着地壳继续下沉，覆盖层不断加厚，褐煤在地下深处受到高温和高压的作用，含炭物质进一步富集，氧和水分的含量进一步地减少，密度增加，颜色变深，硬度增加，变成烟煤，随着变质程度的进一步增高，烟煤会变成无烟煤。个别情况下，无烟煤可能进一步变质成为一种不能燃烧的矿产－－石墨。•褐煤→烟煤→无烟煤(变质程度逐步增高)1.泥炭化（腐泥化）阶段植物繁殖、死亡、堆积，在微生物作用下不断分解、化合、聚积，高等植物形成泥炭，低等植物形成腐泥。1)腐泥化作用(1)概念——低等植物和浮游生物在湖泊、泻湖、海湾等还原环境中转变成腐泥的生物化学作用叫腐泥化作用。(2)腐泥——含大量水分的黑灰、黑褐色冻胶淤泥状物质。•2)泥炭化作用•(1)概念—高等植物遗体在泥炭沼泽中经复杂的生物化学、物理化学作用转变为泥炭的过程叫泥炭化作用。分为二个阶段：第一阶段：在沼泽浅部植物遗体受氧化、分解。第二阶段：随积水深度增加，氧化环境被还原环境代替，产生腐植酸和沥青质，形成泥炭。•(2)泥炭——黄褐、黑褐色，无光泽、质地疏松状物质，风干可作燃料，也可作化工原料和肥料。•2.煤化阶段泥炭或腐泥形成后，由于地壳下降而被其它沉积物覆盖，则进入了煤化作用阶段。此时生化作用停止，代之以物理化学作用。这个过程包括了二个连续过程：•1)成岩作用——泥炭(腐泥)在温度、压力作用下，经压实、脱水、固结转变成褐煤(腐泥煤)。•2)变质作用——褐煤继续在温度、压力、时间影响下转变为烟煤、无烟煤、天然焦或石墨。3.成煤过程•古植物成煤过程煤的形成•古代植物泥炭化阶段成煤阶段浸泡、厌氧细菌高温、高压成煤阶段无烟煤贫煤瘦煤焦煤肥煤气煤弱粘煤不粘煤长焰煤褐煤二、煤系的概念•(一)煤系的概念指在一定地质时间内，形成的具有成因联系且连续沉积的一套含煤岩系。•(二)煤系地层在煤的形成过程中，煤层上下同时形成许多岩层，这些夹有煤层的岩层是在同一个成煤时期形成的，称为煤系地层。第三节煤的性质及工业分类一、煤的性质1、煤的物理性质：光泽、颜色、条痕、硬度、脆度、比重和容重、导电性。2、煤的化学组成：有机质和无机质，主要元素有：碳、氢、氧、氮、硫、磷。煤的主要物理性质变化变质程度光泽颜色硬度脆度容重导电性褐煤无光泽暗淡沥青光泽褐色黑褐色2.0～2.5脆度较小有一定韧性1.05～1.2不良导体，导电性随变质程度增高而增加烟煤长焰煤沥青光泽褐黑色2.81.2～1.4气煤强沥青光泽弱玻璃光泽黑色黑灰色肥煤玻璃光泽2.6最大焦煤强玻璃光泽2.5瘦煤金属光泽2.6无烟煤似金属光泽灰黑色钢灰色3.5～4.0最小1.35～1.8良好二、煤的工业分类1．常用的煤质指标评价煤质的主要指标包括：水分W、灰分（ash）、挥发分（volatility）、胶质层厚度Y、发热量Q、硫S和磷P的含量以及含矸率等。2．煤的工业分类我国现行的工业分类，是以炼焦煤为主的分类方案，分类指标主要用挥发分和胶质层的最大厚度y(mm)为指标划分煤的种类，从无烟煤到褐煤分为十大煤种，即无烟煤、烟煤（贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、气煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤）、褐煤。第四节煤层的埋藏特征一、煤层赋存状态1.按煤层厚度分类煤层地下开采极薄煤层0.3-0.5m薄煤层0.5-1.3m中厚煤层1.3-3.5m厚煤层3.5-8.0m巨厚煤层8.0m2.按煤层稳定性分类煤层稳定性指煤层形态、厚度、结构和可采性的变化程度。按照矿区(或井田)的煤层变化程度(即稳定程度)划分为四类。①稳定煤层；②较稳定煤层③不稳定煤层；④极不稳定煤层3.按煤层的结构根据煤层中有无较稳定的夹石层，煤层可分为：1)简单结构2)复杂结构4.按煤层倾角分类煤层地下开采近水平煤层8°缓倾斜煤层(又称缓斜煤层)8－25°倾斜煤层(又称中倾斜煤层)25－45°急倾斜煤层(又称急斜煤层)45°二、煤层顶底板岩层•煤层顶底板岩层是指煤系中位于煤层上下一定距离内的岩层。顶板(赋存在煤层之上的邻近岩层)伪顶直接顶老顶底板(赋存在煤层之下的邻近岩层)直接底老底三、煤层的构造形态地质构造：发生构造变动的岩层所呈现的各种空间形态称为地质构造。地质构造分为：单斜构造、褶皱构造、断裂构造和其他构造。煤层地质构造•单斜构造•背斜•褶皱构造向斜•原生裂隙•地质构造裂隙次生裂隙•断裂构造正断层•断层逆断层•岩溶陷落柱平移断层•其他构造冲刷带•岩浆侵入体单斜构造•煤层大致向同一个方向倾斜，这样的构造叫单斜构造。走向倾向倾角•断层：是指断裂面两侧岩层产生明显位移的构造变动。正断层走向断层•按移动方向逆断层按走向倾向断层•平移断层斜交断层•断层上盘下盘上盘下盘正断层逆断层其他构造•岩溶陷落柱•冲刷带冲刷冲刷包裹体岩浆侵入体•顶板煤层岩浆岩底板褶皱构造、断裂构造实例•(一)煤岩层产状•1.煤岩层产状概念岩层产状是指岩层的空间位置。用于描述岩层的空间展布特征。•2、产状要素一般煤岩层的产状用走向、倾向、倾角表示。走向、倾向、倾角称为煤岩层产状的三要素。•3.煤层产状走向线—煤层层面与水平面相交的直线叫走向线。走向—走向线延伸的方向。倾向—煤层层面上，与走向线垂直，向下的倾斜线在水平面上的投影所指的方向。倾角—煤层层面与水平面之间的两面角。=0～90。•(二)褶皱构造•1.褶皱构造的概念•1)褶皱——岩层在地壳运动的长期作用下，原始产状改变，形成各种弯曲，但仍保持连续性，称为褶皱构造，简称为褶皱。•2)褶曲——褶皱构造的一个弯曲叫褶曲，是褶皱的基本单位。单斜构造断褶曲构造断裂构造层断层•2.褶曲的基本类型•褶曲包括向斜和背斜两种基本类型：•1)背斜——在形态上为一个弧顶向上的弯曲，中心部分为老地层，两侧地层依次变新。•2)向斜——在形态上为一个弧顶向下的弯曲，中心部分为新地层，两侧地层依次变老。3.褶曲要素•1)核部和翼部：褶曲的中心部位称核部；核部两侧称翼部。•2)转折端：两翼岩层汇合转折的部位。•3)枢纽点和枢纽线：同一褶曲横剖面上同一岩层面的最大弯曲点叫枢纽点；同一褶曲横剖面上同一岩层面的最大弯曲点的连线叫枢纽线，即枢纽。•4)轴面和轴迹：同一褶曲各岩层面上枢纽线构成的面叫轴面。轴面与水平面的交线称轴迹。•5)顶角和翼角：两翼同一岩层之间的夹角叫顶角。两翼岩层与水平面夹角叫翼角。(三)断裂构造•1.断裂构造的概念当长期作用在岩层上的构造应力达到或超过岩石的强度极限时将发生变形造成破裂和错动，使岩层的连续完整性受到破坏，它们的产物总称为断裂构造。断裂构造分为节理和断层两类。•2.节理•1)节理的概念断裂两侧的岩层或岩体沿破裂面断开，但没有发生明显的相对位移的断裂构造称节理，又称为裂隙。其破裂面称为节理面。•2)节理的分类•(1)节理的力学性质分类节理按力学性质可分为张节理和剪节理。张节理：是在张应力作用下形成的节理。剪节理：是在剪应力作用下形成的节理。•(2)节理的产状分类根据节理产状与岩层产状的关系，分为四种：①走向节理：节理走向大致与岩层走向平行。②倾向节理：节理走向大致与岩层走向垂直，与岩层倾向大致平行。③斜向节理：节理走向与岩层走向斜交。④顺层节理：节理面与岩层面大致平行。1－走向节理；2－倾向节理3、4－斜向节理；•(2)节理的成因分类根据成因分两大类：原生和次生节理。①原生节理：在沉积作用、岩浆作用及成岩过程中形成的。例如玄武岩柱状节理、煤的内生裂隙等。②次生节理：岩层形成后生成的裂隙。•2.断层•1)断层的概念断裂两侧的岩层或岩体沿破裂面断开，并且发生明显的相对位移的断裂构造称断层。上盘下盘断层面单斜构造断褶曲构造断裂构造层断层2)断层要素为方便讲解，我们先看下面示意图•(1)断层面：指断层的破裂滑动面。•(2)断层线：断层面与地面的交线。•(3)断盘：断层面两侧的岩体。位于断层面上方的称为上盘；位于断层面下方的称为下盘。•(4)断层交面线：断层面与岩层底面的交线。•(5)断层的断距(断层面上同一点的位移)、落差•3)断层分类•(1)根据断层两盘相对位移方向分类