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第二节矿井地质 一、矿物与岩石 组成地壳的物质主要是岩石，岩石是由一些矿物颗粒组成。矿物是一种或多种元素在地质作用下自然形成的产物（以固体化合物为主），各种矿物均有不同的化学成分和物理性质，不同的地质作用形成了不同的矿物与岩石，而且所构成的岩石成分和物理性质也是不均匀的，同一类岩石的化学成分和物理性质可能有很大的差别。 岩石按其生成的方式可以分为岩浆岩、沉积岩和变质岩3大类。 1岩浆岩。岩浆岩又称火成岩，它是由高温高压融化的岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝形成的岩石。常见的岩浆岩是花岗岩和玄武岩等。 2沉积岩。地表原有岩石经风化、剥蚀成碎屑，并经流水的搬运，在湖泊、沼泽地带沉积下来，这些沉积物经过地质作用的压紧、胶结等形成沉积岩。常见的沉积岩有砂岩、页岩和石灰岩等。 煤是沉积岩一种。在煤矿中遇到的岩石几乎都是沉积岩，很少遇到岩浆岩和变质岩。 3变质岩。变质岩是已经形成的各种岩石（如岩浆岩、沉积岩）受物理和化学条件变化的影响，改变了原来的成分和性质而形成的岩石。如石灰岩变质成大理岩。 二、煤、煤层 （一）煤的形成 煤是古代植物遗体的堆积层埋在地下后，经过长期的地质作用而形成的。据研究，几乎所有的植物遗体，只要具备了成煤条件，都可以转化成煤。由植物遗体转变为煤的过程，统称为成煤作用，一般要经过两个阶段 1泥炭化阶段。古生植物遗体被搬运到地表较低的沼泽环境中沉积。由于被水淹没、浸泡而减少了与空气中氧气的接触，在厌氧细菌的分解活动下逐渐形成泥炭。 2煤化阶段。当泥炭形成以后，由于地壳继续发生沉降，泥炭层很快被其他沉积物所掩埋。随着地壳的进一步沉降，它上面覆盖的沉积物越来越厚。在压力和地温的共同作用下发生了脱水、胶结、聚合，体积大大缩小，形成了最初的煤-褐煤。褐煤在地壳继续下沉的环境下，经高温高压的作用，进一步变化，最终形成各种不同类型的煤。 煤的形成条件可分为以下4个方面 1植物条件。植物是煤的物质原料，没有植物的生长和大量繁殖就不可能有煤的形成。 2气候条件。只有在潮湿、温暖的气候条件下植物才能大量繁殖生长。 3地理环境。要形成分布面积较广的煤层，还必须有适于发生大面积沼泽化的自然地理环境。这样的自然地理环境有利于古生物遗体的沉积。 4地壳运动。地壳的下沉是成煤的重要条件，只有地壳的沉降才有利于泥炭的堆积和掩埋，同时才能产生高压及高温使泥炭进一步转化为煤。 （二）煤层的形态与结构 煤层的形态是指煤层在空间上的分布状态及变化走势。像其他沉积岩一样，煤层在地下也是呈层状埋藏的。层状的煤层其层位有明显的连续性，厚度变化也有一定的规律。但也有似层状和非层状煤层，似层状煤层形状像藕节、串珠或瓜藤等，层位有一定的连续性，厚度变化较大。非层状煤层形状像鸡窝或扁豆等，层位连续性不明显，常有尖灭。 煤层的结构是指煤层中夹矸的数量和分布特征。根据煤层中有无较稳定的夹矸，将煤层分为两类。 1简单结构煤层。煤层中不含夹矸或夹矸很少的煤层。通常厚度较小的煤层往往是简单结构煤层。 2复杂结构煤层。煤层中含有夹矸较多的煤层，且夹矸层的层数、层位、厚度和岩性变化大。通常厚度较大的煤层往往是复杂结构煤层。 （三）煤层厚度及分类 煤层的厚度是指煤层顶底板之间的垂直距离。由于成煤条件各不相同，煤层的厚度差异也很大，薄的可能是几厘米的煤线，厚的可达数十米，甚至上百米。根据煤层的产状、煤质、开采方法以及当地对煤的需求情况，综合当时煤炭开采技术和经济条件，确定出可开采的最小煤层厚度叫最小可采厚度，低于最小可采厚度的煤层一般不开采。 煤层的厚度是确定采煤方法的主要因素之一，我国根据开采技术条件，按厚度将煤层分为4类 1薄煤层从最小可采厚度到1.3m的煤层。 2中厚煤层厚度在1.33.5m的煤层。 3厚煤层厚度在3.56m的煤层。 4特厚煤层厚度大于6m的煤层。 按倾角将煤层分为4类 1近水平煤层地下开采时，倾角在8以下的煤层，或露天开采时倾角在5以下的煤层。 2缓倾斜煤层地下开采时的倾角在825的煤层，或露天开采时倾角在510的煤层。 3倾斜（中斜）煤层地下开采时倾角在2545的煤层，或露天开采时倾角在1045煤层。 4急倾斜煤层地下或露天开采时倾角在45以上的煤层。 按稳定性将煤层分为4类 1稳定煤层煤层厚度变化小，变化规律明显，煤层结构简单或较简单，全区可采或基本全区可采的煤层。 2较稳定煤层煤层厚度有一定变化，但规律性较明显，结构简单至复杂，全区可采或大部分可采，可采范围内厚度变化不大的煤层。 3不稳定煤层煤层厚度变化较大，无明显规律，煤层结构复杂至极复杂的煤层。 4极不稳定煤层煤层厚度变化极大，呈透镜状、鸡窝状，一般不连续，很难找出规律，可采块段分布零星的煤层。 （四）煤层的产状要素 煤层形成时，层位都是水平或近似水平的，后期受到地壳运动等地质变化的影响，破坏了原来的层位，由水平状态可能变成了倾斜或弯曲的形态。为了说明变化后层位的形态，就需要用煤层产状要素来描述其层面在空间的方位及其与水平面的关系。所谓煤层的产状是指其在地壳中的产出状态，包括它们的形态和所在的空间位置。倾斜煤层的空间位置，用产状要素表示，即走向、倾向和倾角，简称煤层产状三要素，如图2-5所示。 ab-走向线；cd-倾向线；ce-倾斜线；α-煤层倾角 图2-5煤层的产状要素 1走向。在倾斜方向上任意一条水平线称为走向线，走向线两端所指的方向就叫走向。走向表示倾斜煤层沿水平线伸展的方向。 2倾向。在倾斜层面上与走向线垂直的向下延伸的直线叫倾斜线，倾斜线的水平投影所指的方向称为倾向。 3倾角。倾斜层面与水平面之间的夹角叫做倾角。倾角大小反映煤层的倾斜程度。煤层倾角对开采工作影响较大，往往倾角越大，开采难度就越大。 （五）煤层的层理与节理 1.煤层的层理 层理是最常见的一种原生构造，是由煤层成分、结构和颜色在剖面上突变或渐变所显现出来的一种成层构造。 层理按其形态可分为3种基本类型平行层理、波状层理、斜层理。 层理可通过以下4个方面来识别一是成分变化，是由成分差异而显示出来的层理；二是结构变化，是指粒度和形状的变化显示出来；三是颜色变化，由于颜色的不同显示出来的层理；四是原生层面构造，包括波痕、泥裂、雨痕、生物遗迹及其印模等。 2.煤层的节理 节理是指煤层破裂后无显著位移的裂隙。它在空间上表现为面状。由于煤层受力的情况不同，节理面有的平直、光滑，有的弯曲、粗糙，有的裂隙张开，有的闭合，而且深浅大小也不一样。它可以是明显可见的张开或闭合的裂缝、裂隙，也可以是肉眼不易察觉的隐蔽裂纹。 节理按成因可分构造节理与非构造节理两类。前者是由构造作用产生的，与褶曲和断层有一定的成因组合关系。后者是由外力作用产生的，如风化、重力等形成的裂隙。山丘上常见的破裂石块、石缝、“一线天”等都与节理构造有关。 （六）煤层的顶、底板 煤层的顶（底）板是指煤层中位于煤层上（下）一定距离内的岩层，按照沉积的先后顺序，在正常情况下，赋存在煤层之上、在煤层之后形成的岩层叫顶板。赋存在煤层之下、先于煤层生成的邻近岩层叫底板。当采煤工作面的煤炭采落以后，煤层的顶、底板就暴露出来，顶板悬空在工作面的上方，底板在工作面的下方。由于沉积物质和沉积环境的差异，顶、底板岩层性质和厚度各不相同，在开采过程中破碎、冒落的情况也就不同。通常从采煤工作的角度出发，考虑顶、底板岩层相对于煤层的位置、移动特点和强度等特征的不同，由煤层依次向上，把煤层的顶板划分为伪顶、直接顶和基本顶（老顶）3个部分；由煤层向下，把煤层的底板分为伪底、直接底和基本底（老底）3个部分。但是，并不是所有煤层的顶、底板都是由这3个部分组成。可能在煤系沉积过程中，受沉积环境变化的影响，会出现有的煤层的顶、底板发育不全，有的煤层可能缺失某一个或几个顶、底板。 1.顶板 1伪顶。伪顶是直接覆盖在煤层之上，极易随煤炭的采出而同时垮落，厚度不大，一般在0.6m以下，岩性多为炭质泥岩。 2直接顶。直接顶是直接位于伪顶或煤层（如无伪顶）之上，具有一定的稳定性，常随着采煤工作面移架或回柱工序的完成而自行垮落的岩层。厚度一般可达几米，岩性多为较易垮落的泥岩、页岩、粉砂岩等。 3基本顶（老顶）。基本顶是位于直接顶之上或直接位于煤层之上（此时无直接顶和伪顶）的厚而坚硬的岩层。一般长时间不易自行垮落，在采空区上方悬露一段时间，当达到一定悬露面积之后才垮落，通常由砂岩、砾岩、石灰岩等坚硬岩石组成。 2.底板 1伪底。伪底是直接位于煤层之下的薄而软弱的岩层，岩性多为炭质页岩或泥岩，厚度不大，多为0.20.3m。 2直接底。直接底是位于煤层之下与煤层直接接触的硬度较低的岩层，一般无明显的层理，直接底的厚度一般不大，常见的几十厘米，通常为泥岩、页岩或黏土岩。若直接底为黏土岩，遇水后则会发生膨胀，造成巷道底板隆起现象，轻者影响巷道运输与支护，重者可使巷道遭受严重破坏。 3基本底。基本底是位于直接底之下的比较坚硬的岩层，常为粉砂岩、砂岩和石灰岩等。 三、地质构造及分类 煤层生成的初期，一般都是以水平或近水平状态赋存的，在一定的范围内也是连续完整。由于地壳升降或水平方向的挤压运动，煤和岩层改变原始的埋藏状态，所产生的变形或变位称为地质构造。地质构造的形态多种多样，有简单的，有复杂的，但概括起来可分为褶皱构造、单斜构造和断裂构造3种基本类型。 较为常见的地质构造有褶曲、单斜、断裂、冲蚀、岩溶、塌陷和岩浆侵入等。 （一）褶皱构造 褶皱是岩层或煤层由于地壳升降或受水平挤压后弯曲，但仍保持连续性和完整性的构造形态，褶皱构造中的每一个弯曲叫褶曲。 1.褶曲的基本形态 褶曲的基本形态有背斜和向斜两种。在剖面图上，岩层层面凸起的褶曲叫背斜，岩层层面凹下的褶曲叫向斜。在自然地层中，背斜和向斜往往是彼此相连的。当一个向斜（或背斜）构造的范围较大时，它的一翼又可叫做单斜构造，不少矿井常开采单斜部分的煤层，如图2-6所示。 2.褶曲的构成要素 褶曲构成要素包括核部、翼部、轴面、轴线、枢纽、弧尖、高点等，如图2-7所示。 图2-6向斜和背斜示意图 g-弧尖；ge-枢纽；fe-轴线；efhi-轴面；ab、cd-翼部；j-核部 图2-7褶曲的构成要素 3.褶曲的分类 1按褶曲的轴面产状分类 按褶曲的轴面产状可分为直立褶曲、倾斜褶曲、倒转褶曲、平卧褶曲。如图2-8所示。 图2-8 根据轴面产状划分的褶曲形态类型 1直立褶曲。轴面直立，两翼向不同方向倾斜，两翼岩层的倾角基本相同，在横剖面上两翼对称，如图2-8a所示。 2倾斜褶曲。轴面倾斜，两翼向不同方向倾斜，但两翼岩层的倾角不等，在横剖面上两翼不对称，如图2-8b所示。 3倒转褶曲。轴面倾斜程度更大，两翼岩层大致向同一方向倾斜，一翼层位正常，另一翼老岩层覆盖于新岩层之上，层位发生倒转，如图2-8c所示。 4平卧褶曲。轴面水平或近于水平，两翼岩层也近于水平，一翼层位正常，另一翼发生倒转，如图2-8d所示。 在褶曲构造中，褶曲的轴面产状和两翼岩层的倾斜程度，常和岩层的受力性质及褶皱的强烈程度有关。在褶皱不太强烈和受力性质比较简单的地区，一般多形成两翼岩层倾角舒缓的直立褶曲或倾斜褶曲；在褶皱强烈和受力性质比较复杂的地区，一般两翼岩层的倾角较大，褶曲紧闭，常形成倒转或平卧褶曲。 2按褶曲的枢纽产状分类 按褶曲的枢纽产状可分为倾伏褶曲、水平褶曲，如图2-9所示。 图2-9根据枢纽产状划分的褶曲形态类型 1倾伏褶曲。褶曲的枢纽向一端倾伏，两翼岩层在转折端闭合。当褶曲的枢纽倾伏时，在平面上会看到，褶曲的一翼逐渐转向另一翼，形成一条圆滑的曲线，如图2-9a所示。 2水平褶曲。褶曲的枢纽水平展布，两翼岩层平行延伸，如图2-9b所示。 在平面上，褶曲从一翼弯向另一翼的曲线部分，称为褶曲的转折端，在倾伏背斜的转折端，岩层向褶曲的外方倾斜（外倾转折）。在倾伏向斜的转折端，岩层向褶曲的内方倾斜（内倾转折）。在平面上倾伏褶曲的两翼岩层在转折端闭合，是区别于水平褶曲的一个显著标志。 3按褶曲的平面形态分类 按褶曲的平面形态可分为线形褶曲、短轴褶曲、穹隆与构造盆地。 1线形褶曲褶曲的长度和宽度的比例大于101,延伸长度大而分布宽度小，如图2-10a所示。 2短轴褶曲褶曲向两端倾伏，长宽比介于31101之间，呈长圆形；如为背斜则称为短背斜；如为向斜则称为短向斜，如图2-10b右侧所示。 3穹隆与构造盆地褶曲长宽比小于31的圆形背斜为穹隆、向斜为构造盆地；两者均为构造形态，不能与地形上的隆起和盆地相混淆，如图2-10b左侧所示。 图2-10根据褶曲平面形态划分的褶曲形态类型 4.褶曲构造对煤层的影响 煤矿向斜轴部是煤矿瓦斯突出的危险区域，当采煤工作面运输巷沿向斜轴掘进时，即可便利运输又可减少煤炭损失，若未能掌握褶曲的方向就可能造成多掘进巷道、多丢煤。小型褶曲还往往引起煤厚发生变化，使生产条件复杂化。 （二）单斜构造 由于受地壳运动的影响，地壳表层中的岩层绝大部分是倾斜的，极少数是水平的或接近水平的。在一定范围内岩层或煤层大致向一个方向倾斜，这样的构造形态称为单斜构造。单斜构造往往是其他构造的一部分，如较大褶曲的一翼，或断层的一盘。 单斜构造用岩层的产状来描述，在空间的分布状态如图2-11所示。 图2-11单斜构造岩层产状要素 单斜构造岩层产状要素如下 1走向。岩层层面与水平面的相交线称为走向线，走向线的方向称为走向。走向表示倾斜岩层在平面上的延伸方向。 2倾向。岩层层面上与走向线垂直向下的直线称为倾斜线，倾斜线在水平面上的投影称为倾向线，倾向线的方向称为倾向，倾向表示倾斜岩层向地下深处延伸的方向。 3倾角。岩层层面与水平面之间所夹的最大锐角，称为岩层的倾角。 由于受地质构造的影响，在任何一个煤田内，不同地点的同一煤层的走向、倾向和倾角都是变化的。 （三）断裂构造 当煤岩层受力后遭到破坏，发生断裂，失去了连续性和完整性的构造形态称为断裂构造。断裂后，断裂面两侧岩层或矿体若没有发生明显的位移，称为裂隙或节理；断裂面两侧岩层或矿体发生明显位移的叫断层。 1.断层 煤岩层被断裂后，两侧的煤岩层发生明显的位移叫断层。这时煤岩层的完整性和连续性遭到破坏，这是一种常见的重要地质构造现象。 1断层要素 为了描述断层的性质、位置和空间形态，给断层的各个部位以一定的名称，这些断层的基本组成部分称为断层要素，如图2-12所示。 1-下盘2-上盘；3-断层线；4-断层面 图2-12 断层要素 1断层面和断层线、交面线。断层面指岩层发生断裂位移时，相对滑动的断裂面。断层面与水平面的交线称断层线。交面线是指断层面与矿体或煤层的交线。 2断盘。断层面两侧的岩体称为断盘。如果断层面倾斜时，通常将断层面以上的岩体（又称为断盘）叫上盘，断层面以下的断盘叫下盘。如果断层面竖立时，就无上、下盘之分，可按两盘相对上升或下降分上升盘或下降盘。 3断距与落差。指断层的两盘相对位移的距离。断距可分为垂直断距（两盘相对位移垂直距离）和水平断距（两盘相对位移水平距离），如图2-13所示。垂直断距又称断层落差，水平断距又称平错。 ab-真断距；bc-水平断距；ac-垂直断距 图2-13 断距示意图 断层的其他参数还包括断层面的走向、倾向和倾角。 2断层的分类 根据断层上下盘相对移动的方向，分类如下 1正断层上盘相对下降，下盘相对上升，如图2-14a所示。 2逆断层上盘相对上升，下盘相对下降，如图2-14b所示。 3平推断层断层两盘沿水平方向相对移动，如图2-14c所示。 图2-14 断层的相对位移分类 根据断层走向与岩层走向关系，分类如下 1走向断层断层走向与岩层走向平行。 2倾向断层断层走向与岩层走向垂直。 3斜交断层断层走向与岩层走向斜交。 根据落差大小，分类如下 1一般将落差大于50m的称为大型断层。 2落差在2050m之间的称为中型断层。 3落差小于20m的称为小型断层。 2.裂隙 裂隙是断裂面两侧煤岩层只发生断裂而使煤岩体失去连续性和完整性，但没有发生明显位移的断裂构造。许多有规则裂隙组合将煤岩分割成一定几何形状的岩块，这种裂隙的总体被称为节理。 根据形成的原因，一般将裂隙分为原生裂隙、构造裂隙和压力裂隙3类。 3.断裂构造对煤层的影响 1煤层受断层的影响时，煤层破碎，压力增大，容易造成冒顶、片帮，应加强顶板管理。 2断层使煤层失去了连续性、完整性，而使煤层断失。 3断层破碎带和向、背斜结构能聚积大量瓦斯，裂隙则是释放瓦斯的通道。特别是在高瓦斯突出矿井，由于破碎带的强度低，在瓦斯压力和地压的共同作用下，可能发生瓦斯突出事故，应采取防突措施。 （四）冲蚀 由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，称为冲蚀。按冲蚀的时间可分为同生冲蚀和后生冲蚀两种。 （五）岩溶塌陷 当煤层下部分布有可溶性的石灰岩、白云岩，并且有发育的岩溶时，岩溶可能发生塌陷而引起岩层垮落，从而破坏了煤层的完整性，称为岩溶塌陷，通常称为陷落柱。 （六）岩浆侵入 由于地质作用，使岩浆侵入煤层，俗称火成岩侵入，不但降低煤质，同时给生产带来困难。