煤矿地质知识

煤矿地质知识1、煤的形成和分类1、煤的形成我国的主要成煤时期为石炭纪、二叠纪、侏罗纪和第三纪。煤是由古代植物的遗体变化而成的，需要经过漫长的极其复杂的生物化学、物理化学作用。植物分为低等植物和高等植物。由低等植物形成的煤称为腐泥煤，在我国俗称“石煤”（因其灰分即矿物质含量高，外观似黑色岩石而得名）；由高等植物形成的煤称为腐植煤，因其含有大量的腐植酸而得名。在自然界，腐植煤占绝大多数，目前开采的也主要是腐植煤。从植物遗体堆积到转变为煤的一系列演变过程称为成煤作用，大致分为三个阶段，即泥炭化阶段、煤化阶段和变质阶段，如图3-1所示。在泥炭化阶段，低等植物及浮游生物遗体经腐泥化作用形成腐泥，高等植物遗体经泥炭化作用形成泥炭；在煤化阶段，腐泥转变为腐泥煤，泥炭经煤成岩作用转变为褐煤，褐煤经煤变质作用转变为烟煤和无烟煤等。褐煤、烟煤、无烟煤均属腐植煤类。

（2）煤的分类衡量煤炭质量的指标主要是煤中的水分、灰分、挥发分、固定碳、胶质厚度、发热童及含岩率等。我国煤炭主要分类方法根据不同标准有不同分法，以煤的挥发分、黏结性指数、胶质层厚度为依据，把煤分为14个大类29个小类。1）无烟煤，是煤化程度最高的一类煤。挥发分低，含碳量最高、光泽强、硬度高、密度大、燃点高、无黏结性、燃烧时无烟。这类煤还按其挥发分产率及用途分为3个小类别：挥发分产率在3.5%以下的无烟煤一号，作碳素材料等高碳材料较好;挥发分产率为3.5%〜6.5%的无烟煤二号，是生产合成煤气的主要原料；挥发分产率大于6.5%的无烟煤三号，可作为高炉喷嘴燃料。这三类无烟煤都是较好的民用燃料。2）贫煤，是烟煤中煤化程度较高、挥发分最低而接近无烟煤的一类煤，国外也称之为半无烟煤。这种煤燃烧时火焰短，但热值较高，无黏结性，加热后不产生胶质体，不结焦，多作动力或民用燃烧使用。3）贫瘦煤，在烟煤中煤化程度较高、挥发分较低的煤，受热后只产生少量胶质体，黏结性较差，其性质介于贫煤和瘦煤间，大部分作为动力或民用燃料，少量用于制造煤气燃料。4）瘦煤，是烟煤中煤化程度较高、挥发分较低的一种，受热后能产生一定数量胶质体；单种煤炼焦时能炼成熔融不好、耐磨强度差、块度较大的焦炭，可作为炼焦配煤的原料，也可作为民用和动力燃料。5）焦煤，烟煤中煤化程度中等或偏高的一类煤，受热后能产生热稳定性较好的胶质体，具有中等或较高的黏结性；单种煤炼焦时可炼成熔融好、块度大、裂纹少、强度高而耐磨性又好的焦炭，是一种优质的炼焦用煤。6）肥煤，是煤化程度中等的烟煤，在受热到一定温度时能产生较多的胶质体，有较强的黏结性，可黏结煤中一些惰性物质；用肥煤单独炼焦时，能产生熔融良好的焦炭，但焦炭有较多的横裂纹，焦根部分有蜂焦，因而其强度和耐磨性比焦煤稍差，是炼焦配煤中的重要部分，但不宜单独使用。7）气煤，是煤化程度较低、挥发分较高的烟煤，受热后能产生一定量的胶质体，黏结性从弱到中等均有；单种煤炼焦时产生出的焦炭细长、易碎，并有较多的纵裂纹，焦炭强度和耐磨性均较差。在炼焦中能产生较多的煤气、焦油和其他化学产品，多作为配煤炼焦使用，也是生产干馏煤气的好原料。8）1/3焦煤，煤化程度属中等，其性质介于焦煤、肥煤与气煤之间，含中等或较高挥发分的强黏结性煤，用其单独炼焦时能生成强度较高的焦炭，是炼焦配煤的好原料。9）气肥煤，是煤化程度与气煤相近的一种挥发分高、黏结性强的烟煤，单煤炼焦时能产生大量的煤气和胶质体，但因其气体析出过多，不能生成强度高的焦炭，可用作炼焦配煤或生产干馏煤气的原料。10）1/2中黏煤，煤化程度较低，挥发分范围较宽，受热后形成的胶质体较少，是黏结性介于气煤与弱黏煤之间的一种过渡性煤类，其中黏结性稍好的可作为炼焦配煤原料，黏结性差的可作为气化原料或燃料。在中国这类煤资源很少。11）弱黏煤，煤化程度较低，挥发分范围较宽，受热后形成的胶质体很少，只有微弱黏结性，煤岩显微组分中有较多的丝质组和半丝质组，主要作气化原料和燃料。12）不黏煤，这类煤是在成煤初期受一定氧化作用后生成的以丝质组为主的煤，煤化程度较低，无黏结性，可用作气化原料和燃料。13）长焰煤，是烟煤中煤化程度较低，挥发分最高的一类煤，受热后一般不结焦。燃烧时火焰长，是较好的气化原料和锅炉原料。14）褐煤，煤化程度最低的一种煤，外观呈褐色到黑色,光泽暗淡或呈沥青光泽，块状或土状的都有，含有较高的内在水分和不同数量的腐植酸，在空气中易氧化，发热量低。根据其透光率PM的不同还分为两小类：透光率小于或等于30%的褐煤一号及透光率为30%〜50%的褐煤二号。褐煤一般只能作燃料使用，也可作为造气原料。按照工业用途，煤又可以分为：①动力煤，主要是通过煤直接燃烧来利用其热量；②化工用煤，多是对煤进行气化和回收炼焦时的副产品，从中就可以提取几十种化工原料，如医药、糖精、汽油、塑料、橡胶等，煤也是生产化肥的主要原料；③炼焦煤，主要是把煤炼成焦炭用来冶炼钢铁。2.煤层埋藏特征1）煤田和储量①煤田，在同一地史发展过程中，由炭质物的沉积并连续发育而成的大面积含煤地带，称为煤田。②煤的储量，煤的储量是指地下埋藏着具有工业开采价值的煤炭资源的数量，可用分级和分类来表示其价值。根据煤田内不同块段的勘探程度，将储量分为A、B、C、D四级。A、B级称为高级储量;C、D级称为低级储量。级别越高，表示地质情况勘查得越详细，煤炭的数量和质量了解得越可靠，如图3-2所示。

第一，地质储量。由地质勘探在一定范围和计算深度内，所获得的总储量，称为地质储量（一个矿井范围内的地质储量，习惯上称矿井总储量）。第二，平衡表外储量。指由于煤炭灰分高、厚度小、水文地质条件复杂等，在目前技术条件下暂时不能开采的储量，也称尚难利用储量。第三，平衡表内储量。指符合当前开采技术经济条件，可以开采和利用的储量，也称能利用储量。第四，工业储量。指平衡表内比较清楚的A、B、C三级储量的总和，是矿井设计和投资的依据。第五，远景储量。指平衡表内的D级储量。由于勘探程度不高，有待进一步勘探，提高储量级别后，才能直接利用。它是矿井远景规划的依据。第六，可采储量。指工业储量中可以采出的那一部分储量。第七，设计损失量。指为了煤矿生产安全和技术上的需要，按设计规定遗留在井下的那一部分储量，例如井筒保护煤柱，断层、河流、边界（井田和采区边界）、巷道等的保护煤柱。（2）煤层的形态与结构煤层的形态是指煤层赋存的空间几何形态。煤是古代植物遗体经过一系列的演变形成的一种层状可燃矿产，煤层是沉积岩的重要组成部分，一般呈层状，有的煤层形状发生变化，最主要是由沉积条件和地壳运动等引起。根据其成层的连续程度以及可采面积与不可采面积比例的大小，煤层形态一般可分为以下三种类型：①层状煤层，其层位有显著的连续性、稳定性，厚度变化有一定的规律或厚度基本稳定；②似层状煤层，其形状像藕节、串珠或瓜藤等，层位有一定的连续性，厚度变化较大；③非层状煤层，形状像鸡窝、豆荚、透镜等，层位极不稳定、连续性差，厚度变化很大，无规律。煤层的结构是指煤层中是否含有夹石层，分为以下两类：①简单结构煤层，煤层中不含稳定的呈层状的岩石夹层,但含有呈透镜体或结核分布的矿物质，如图3-3所示。一般厚度较小的煤层往往结构简单，说明煤层形成时沼泽中植物遗体堆积是连续的。

②复杂结构煤层，煤层中常夹有稳定的呈层状的岩石夹层,少则1〜2层，多则十几层，如图3-3所示。岩石夹层的岩性最常见的有炭质泥岩、炭质粉砂岩。岩石夹层的厚度一般从几厘米到数十厘米不等。煤层中如有较多的或较厚的岩石夹层，往往不利于机组采煤，同时也影响煤质，增加煤的含矸率。但有的岩石夹层是优质的陶瓷原料或耐火材料等，其经济价值甚至高于煤层本身。（3）煤层的产状煤层在地壳中赋存的空间状态，称为煤层的产状。煤层产状通常是用煤层的走向、倾向和倾角三要素来表示的，能表示出煤层在空间的位置，如图3-4所示。

1）走向。岩层走向是表示岩层在空间的水平延展方向。岩层面与任一个水平面的交线称为走向线（图3-4中AOB)。可见，走向线是岩层面上任一标高的水平线，亦即同一岩层面上同标高点的连线。因此，一个基本平直倾斜的岩层面上可以有无数条近乎平行的走向线。当岩层面是平面时，其走向线为一组水平的直线；当岩层面是曲面时，其走向线就成为水平的曲线。走向线两端的延伸方向称为走向，在一个测点上测得的岩层走向可以有两个方位、两者相差180°。当走向线为直线时，说明岩层面上各点的走向不变；当走向线为曲线时，说明岩层面上各点的走向发生了改变。2）倾向。岩层倾向表示岩层向地下倾斜延伸的方向。在岩层面上过某一点（图3-4中O;图3-5中A)沿岩层倾斜面向下（或向上）所引的直线（图3-4中ON;图3-5中AC和AD)称为倾斜线，倾斜线在水平面上的投影线（图3-4中ON`;图3-5中OC和OD)称为倾向线。倾向线所指的岩层向地下侧倾的一方称为该点岩层的倾向。水平岩层自然无走向和倾向可言;倾斜岩层和直立岩层的倾向指向较新岩层一方；倒转岩层的倾向则指向较老的岩层一方。

当倾斜线与岩层的走向线垂直时，称该倾斜线（图3-4中ON；图3-5中AD）为真倾斜线，相应的倾向线（图3-4中ON';图3-5中OD）称为真倾向线，相应的倾向也称为真倾向(简称倾向）。当倾斜线与岩层的走向线斜交时，称倾斜线(图3-5中AC)为视（假）倾斜线，相应的倾向线（图3-5中OC)称为视（假）倾向线，相应的倾向称为视（假）倾向。可见，一点上岩层的真倾向是唯一的，而视（假）倾向则可以有无数个，如图3-5所示。3）倾角。岩层的倾角表示岩层的倾斜程度。它是指岩层层面与假想水平面的锐夹角。亦即倾斜线与其相应的倾向线的锐夹角。真倾斜线与真倾向线的锐夹角（图3-4中α;图3-5中α)称为真倾角。视倾斜线与其相应的视倾向线的锐夹角（图3-5中β）称为视（假或伪）倾角。上岩层的真倾角是指该点岩层的最大倾角，其大小值是一定的，也是唯一的；而视倾角的值则随视倾向的改变而发生变化，它可以有无数多个，都恒小于真倾角。真倾角和视倾角存在如下关系：tanβ

=tanα

•cosωtanβ=tanα

•sinу式中β——视倾角；α——真倾角；ω——视倾向与真倾向之间的夹角；у——视倾向与岩层走向的夹角。（4）煤层分类按不同的要素，煤层有不同的分类方法。1）按煤层厚度分类。煤层的顶板与底板之间的垂直距离叫煤层厚度。从勘探和开采角度把煤层厚度分为：①煤层总厚度，指包括夹石层在内的煤层全部厚度；②煤层纯煤厚度，指所有煤分层厚度的总和；③煤层可采厚度，指在现代经济技术条件下适于开采的煤分层的总厚度也称有益厚度，如图3-6所示。按照国家有关技术政策，根据煤种、产状、开采方式和地区煤炭资源供需情况以及地理条件规定的可采厚度下限，称最低可采厚度。达到可采厚度的煤层称可采煤层。

根据我国有关部门的规定，一般地区煤层地下开采的最低可采厚度标准，见表3-1;露天开采最低可采厚度为0.5m;缺煤地区的地下开采最低可采厚度分别比相应标准降低0.1m即可。

煤层厚度差別很大，薄者仅几厘米（一般称为煤线），厚者可达到200m以上。根据开采技术条件的特点，煤层可分以下三类，见表3-2。

在生产过程中，有时称厚度大于8m的煤层为特厚煤层。厚煤层和中厚煤层在我国煤矿中所占比例较大，以产量论厚煤层和中厚煤层大约各占40%，薄煤层仅占20%。2）按煤层倾角分类。煤层倾角变化在0°〜90°之间，倾角越大，开采难度越大。根据倾角大小分为以下四类，见表3-3。3）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，即稳定、较稳定、不稳定和极不稳定煤层，见表3-4。

（5）煤层的层数及层间距各煤田中的煤层数目不同，少的只有一层或几层，多的可达十几层到几十层。相邻两煤层之间的距离称为煤层的层间距，可由几十厘米到数百米。（6）煤层埋藏深度煤层埋藏的深度大小不一，最大埋藏深度可达2km。随着开采深度的增加，矿山压力、井下温度、涌水量与瓦斯涌出世等都将增大，安全开采将会带来新的问题。（7）煤层的顶、底板1）顶板。根据顶板岩层相对于煤层的位置及开采过程中岩层变形、垮落的难易程度，顶板可分为伪顶、直接顶和基本顶3种类型。伪顶位于煤层之上随采随落的极不稳定岩层，其厚度一般在0.5m以下，多为炭质页岩和泥质页岩等。直接顶位于伪顶或直接位于煤层（无伪顶时）之上，具有一定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层，多由砂质岩等组成。基本顶又称“老顶”，位于直接顶或煤层之上，其厚度及岩石强度较大，是坚硬又难以垮落的岩层。通常由粗砂岩、烁岩、石灰石等组成。在采煤过程中，直接顶是顶板控制的主要对象。2）底板。底板指位于煤层下方一定距离的岩层。底板分为直接底和老底两种。直接底指煤层之下与煤层直接接触的岩层。岩性以炭质泥岩最为常见，厚度不大，常为几十厘米。老底指位于直接底之下的岩层。其岩性多为粉砂料或砂岩，厚度较大。有的煤矿往往将一些永久性巷道布置在老底中，这样有利于巷道的维护。3.煤层地质构造煤层形成初期，一般都是水平或近水平的，并在一定范围内连续分布。但是，后来受到地壳运动的影响，使煤岩层的形态和产状发生了变化，这些由地壳运动而造成的煤岩层空间形态的变化，称为地质构造。矿井地质构造的形态是多种多样的，概括起来，可以归纳为三种类型，即单斜构造、褶皱构造、断裂构造，如图3-7所示。（1）单斜构造在一个较小的范围内，煤岩层受地质作用力的影响大致向同一方向倾斜，这样的构造形态称为单斜构造。在较大的区域范围内，单斜构造往往是其他构造形态的一部分，或是褶曲的一翼，或是断层的一盘，如图3-8所示。在实际工作中，描述单斜构造在地壳内的位置和状态，最常用的方法是煤岩层的产状要素，即走向、倾向和倾角。

（2）褶皱构造由于地壳运动等地质作用的影响，使岩层发生塑性变形而形成一系列波状弯曲但仍保持着岩层的连续完整性的构造形态，称为褶皱构造，简称为褶皱，如图3-9所示。岩层褶皱构造中的每一个弯曲为一基本单位，称褶曲。褶曲的基本形式可分为背斜和向斜两种。背斜是指核心部位岩层较老，向两侧依次对称出现较新岩层的形态一般向上弯曲的褶曲；向斜是指核心部位岩层较新，向两侧依次对称出现较老岩层的形态一般向下弯曲的褶曲。在自然界中，背斜和向斜在位置上往往是彼此相连的。

（3）断裂构造组成地壳的岩层或岩体受力后不仅会发生塑性变形形成褶皱构造，而且也可在所受应力达到或超过岩石的强度极限时发生脆性破坏形成大小不一的破裂和错动，使岩石的连续完整性遭到破坏，这种岩石脆性变形的产物总称为断裂构造。断裂构造可分为节理和断层两类。节理是断裂面两侧岩石没有发生明显位移的断裂。它可以是明显可见的张开或闭合的裂缝、裂隙，也可以是肉眼不易觉察到的隐蔽的裂纹，当岩石风化或受打击后，岩石才会沿这些裂纹裂开。节理的延伸长度有大有小，短者几厘米，长者几十米甚至更长。节理发育的密集程度差异也很大，相邻两节理的距离可从数厘米到数米。节理的断裂面称为节理面。节理在煤矿的实际生产中，对钻眼爆破、采出率、顶板控制、地下水等方面都有直接的影响。断层是破裂面两侧的岩石有明显相对位移的一种断裂构造。其规模变化很大，小的断层延伸仅有几米，相对位移不过几厘米，大的断层可延伸数百公里至数千公里，相对位移可达几十公里，有的大断层甚至跨越洲际，切穿地壳硅铝层。断层的分布虽不及节理广泛，但它仍是地壳中极为常见的，也是最重要的地质构造。它往往构成区域地质格架，控制区域地质结构及其演化，控制或影响区域成矿作用，影响矿产资源的开发和矿井生产。其断层要素如图

3-10所示。

①断层面。岩层发生断裂位移时，相对滑动的断裂面②断盘。断层面两侧的岩体称为断盘，如果断层面为倾斜时，通常将断层面以上的断盘称为上盘，断层面以下的断盘称为下盘。如果断后面直立时，就无上、下盘之分，可按两盘相对上升或下降的位置分上升盘或下降盘。③断距。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3-11所示。

根据断层两盘相对运动的方向，断层可分为以下三种类型。①正断层。上盘相对下降，下盘相对上升，如图3-12a所示。②逆断层。上盘相对上升，下盘相对下降，如图3-12b所示。③平推断层。断层两盘沿水平方向相对移动，如图3-12c所示。

据断层走向与岩层走向的关系分为：走向断层——断层走向与岩层走向平行；倾向断层——断层走向与岩层走向垂直；斜交断层——断层走向与岩层走向斜交。断层的组合形式不同，分别可以构成地堑、地垒、阶梯构造等断层组。断层在各矿区分布很广，其形态、类型繁多，规模大小不一。一般将落差大于50m的称为大型断层；落差在20〜50m之间的称为中型断层；落差小于20m的称为小型断层。4.煤矿生产及作业特点煤矿作业的特点，决定了安全管理和煤炭工业主管部门的特殊属性。大多数煤矿的开采方式是采用凿岩爆破、采装运输的方法进行。有露天开采也有地下开采。地下采矿和露天采矿虽在工艺方面有所差别，但其主要采矿工艺相对安全生产来说，有许多相同之处，如凿岩爆破、采装运输、排水供电等。不同之处在于所用设备型号不同，还有地下的通风条件、可见度等条件较露天开采更差，地下作业环境较为恶劣。以下着重以井工煤矿为主，分析井工煤矿生产和作业特点。5.生产特点井工煤矿属于采掘工业，主要的生产开采过程和环节都是在地下完成的，因此受多方面的因素制约，有以下几个特点。（1）煤矿开采受各种复杂地质条件的制约根据不同的地质条件和煤层贮存条件，往往需要采用不同的开采技术。许多自然灾害，比如矿山压力造成的冲击地压，冒顶片帮，透水和井下瓦斯煤尘爆炸以及火灾等，均与常见的顶板、瓦斯、煤尘、火、水等自然灾害因素和开采技术条件有关，从而形成煤矿特有的不安全因素。（2）矿井开采的流动性和移动性在生产过程中，需要开掘很多断面、长短不同的井巷、硐室等构成生产系统和作业场所。由于生产作业场所经常移动，人员流动也较频繁，所以难免出现险情和隐患，发生安全事故。（3）煤矿生产和建设同步性要保证矿井持续生产，必须保持采掘平衡，不断进行巷道开拓，保证生产接替，在开拓新水平、新采区、新工作面，安装新设备的同时，还要对采空区进行处理。这些生产环节的交替，增加了生产、安全、组织管理和技术管理的复杂性。（4）煤矿安全事故多发性煤矿不仅受其特有的自然灾害因素的威胁，而且存在着其他工业所共有的事故因素。矿井生产是一个复杂的生产过程，必须综合运用地质、开拓、掘进、爆破、支护、运输、提升、通风、排水、供电、供应、机械化、选煤、安全生产和组织管理等多方面的科学技术，同时还要配备检修、劳动保护、安全培训等项工作。这些因素共同作用，稍有疏漏即造成事故，危及煤矿生产的人身安全。（5