采煤概论ppt课件

1 第一章煤矿地质基本知识 第一节地壳的组成与地质作用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 2 第一节地壳的组成与地质作用 一 地壳的组成与岩石地壳是地球的固体外壳 其全球地壳平均厚度为16km 大陆地壳平均约33km 大洋地壳较薄 平均约7km 岩石是一些矿物颗粒的集合体 矿物是地壳中的一种或多种元素在各种地质作用下形成的自然产物 常见矿物 石英 正长石 白云母 橄榄石 蒙脱石 方解石 白云石 褐铁矿 石膏 滑石 石墨等 岩石的分类 1 岩浆岩岩浆岩是三大类岩石的主体 占地壳岩石体积的64 7 岩浆是来自地壳深部或地幔中的具有高温 高压的硅酸盐熔融体 岩浆沿岩石裂缝或薄弱带上升 侵入到地壳表层或喷出地表 便冷凝固结成坚硬的岩浆岩 如花岗岩 玄武岩等 2 沉积岩沉积岩是在地壳表层环境中形成的岩石 主要是由暴露于地表的岩石 经受外力地质作用 即先经风化和剥蚀 搬运 沉积 再经受紧压 脱水 胶结 变成坚硬的岩石 如页岩 砂岩 石灰岩等 沉积岩分布最广 它覆盖的面积约占地表总面积的75 3 变质岩变质岩是由各种不同的原有岩石 受到温度 压力及化学活性流体的作用 使原岩改变其成分 结构和构造而变成新的岩石 如石灰岩变质成大理岩等 煤是一种沉积岩 在煤矿生产中遇到的也几乎全是沉积岩 3 二 地质作用 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 第一节地壳的组成与地质作用 按能源及作用场所分 地质作用 4 第一节地壳的组成与地质作用 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 地表形态变化的地质作用 1 地壳运动 即地球内部动力引起的地壳变形和变位 地壳运动对煤矿床的形成及赋存条件有着重要影响 地壳沿地球半径方向运动时 表现为地壳的缓慢上升或下降 海陆变迁 称为升降运动 地球物质沿地球切线方向运动时 呈水平运动 表现为激烈的造山运动 2 岩浆活动 是地下的岩浆沿地壳的裂缝上升 侵入地壳或喷出地表 在上升过程与围岩相互作用 不断改变自身的成分和状态直至冷凝的全部过程 岩浆喷出地表 火山作用岩浆未达地表 岩浆侵入活动 珠穆朗玛峰 位于中国和尼泊尔两国边界 海拔 米 是喜马拉雅山主峰 也是世界第一高峰 珠穆朗玛在藏族神话中被认为是五位仙女中的第三女神 她是万山之尊 地球之巅 秦岭 5 夏威夷冒纳咯火山 意大利埃特纳火山 6 中国西昆仑山阿什库勒火山 夏威夷普乌哈鲁鲁喷发形成的岩浆河 火山口底部 可以见到红色的岩浆 裂隙式火山 7 3 变质作用 地壳深部的岩石在高温高压和化学性质活泼的流体作用下 岩石的结构 构造及化学成分产生变化 形成新的岩石的作用 4 地震作用 地震是地壳的快速颤动 是岩石能量积累突然释放的结果 在上述地质作用中 最活跃的 起主导作用的是地壳运动 第一节地壳的组成与地质作用 8 神戶大地震破壞 高速公路倒塌 美國加州聖安德烈斯斷層 9 2 外力地质作用 主要是由地球以外的太阳辐射能 日月引力能等引起的地质作用 它能使地表形态发生变化和地壳表层化学元素产生迁移 分散和富集 按作用方式分为 1 风化和剥蚀 第一节地壳的组成与地质作用 风化和剥蚀往往是彼此促进的 岩石遭受风化变得松软就易于剥蚀 剥蚀后暴露上来新鲜的岩石重新又受到风化 10 风化作用的类型机械风化作用岩石和矿物发生机械破碎而不改变其化学成分的风化作用 称为机械风化作用 它是由于温度变化及岩石空隙中水和盐分的物态变化引起的 作用方式主要有 1 岩石的热胀冷缩2 岩石空隙中水和盐分的物态的变化 第一节地壳的组成与地质作用 11 第一节地壳的组成与地质作用 化学风化作用空气中的氧和水溶液不仅使岩石和矿物化學成分发生变化 而且使一部分被溶液帶走 或使稳定的矿物变为不稳定的矿物 这种对岩石的破坏作用称为化学风化作用 1 氧化作用氧气与各种矿物混合 产生新的矿物 黄铁矿FeS2 氧化成褐铁矿Fe2O3 H2O 3 由铜黄色变为褐红色 颜色变深 结构变疏松 在地表称铁帽 地下连着矿床 2 溶解作用任何矿物都溶于水 只是溶解度有大有小 CaCO3 CO2 H2O Ca HCO3 2方解石 重碳酸钙 3 水解作用水和矿物相结合的一种化学反应 正长石 H2O 高岭石 4 水合作用有些矿物吸引一定数量的水 石膏 H2O 硬石膏 12 生物风化作用生物的生命活动过程和尸体腐烂分解过程对岩石的破坏作用有机械和化学两种方式 1 生物的机械风化作用植物根对岩石的破坏 蚯蚓等钻洞 人类活动如挖洞 采矿等对岩石进行破碎 2 生物的化学风化作用生物死亡后 腐烂分解形成一种腐植质 胶状的物质 是一种有机酸 对岩石起腐蚀作用 地壳表层岩石经机械破碎 化学风化后形成的松散物 再经过生物的化学风化作用 增加了有机物质 腐殖质 这种具有腐殖质 矿物质 水和空气的松散物质叫做土壤 第一节地壳的组成与地质作用 13 叶状剥落 果洲群島 块状崩解 石澳 蜂窝状风化 長洲人頭石 蜂窝风化 長洲 块状崩解 石澳 蜂窝状风化 長洲 第一节地壳的组成与地质作用 14 2 搬运和沉积最主要的沉积区是内陆胡泊 沼泽和海洋 3 固结成岩 指松散的沉积物逐步变成坚硬的沉积岩的过程从上可见 破坏岩石改变地貌生成新岩石是外力地质作用的整个过程 第一节地壳的组成与地质作用 15 3 关系 内力与外力地质作用 外力地质作用在很大程度上受地壳运动的制约 风化剥蚀过程主要在地壳上升隆起的地区进行 而其进行的强度也与地壳上升隆起的幅度速度有关 沉积 固结成岩过程主要在地壳下降沉陷地区形成 沉积物的物质成分 厚度和分布范围等 都受着地壳沉降的幅度和速度的限制 第一节地壳的组成与地质作用 16 地质构造 在地壳运动中 煤和岩层改变了原始埋藏状态所产生的变形或变位的产物称为地质构造 一 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 煤层按倾角分为三类 缓倾斜煤层 25 产量占70 全国 倾斜煤层25 45 急倾斜煤层 45 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 第二节地质构造 17 二 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 也可以定义为 岩石中面状构造 层理 劈理 断层面等 的弯曲 又称褶曲 背斜 岩层层面凸起的褶曲向斜 岩层层面凹下的褶曲 第二节地质构造 褶皱要素 18 三 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 演示水平断距 相对位移的水平距离 bc 第二节地质构造 19 根据断层两盘相对运动的方向 可分为 正断层 断层形成后 上盘相对下降 下盘相对上升的断层逆断层 上盘上升 下盘相对下降的断层平推断层 断层两盘沿水平方向相对移动 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 第二节地质构造 20 四 岩溶塌陷及岩浆侵入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 第二节地质构造 21 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 第三节煤的形成与煤层特征 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 第三节煤的形成与煤层特征 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 第三节煤的形成与煤层特征 24 芦苇河流树木湿地 芦苇沼泽 稻田湿地 25 第三节煤的形成与煤层特征 成煤过程划分示意图 26 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 第三节煤的形成与煤层特征 27 第三节煤的形成与煤层特征 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 28 三 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 第三节煤的形成与煤层特征 29 第三节煤的形成与煤层特征 30 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 2 工业分类表1 4 第三节煤的形成与煤层特征 31 四 煤层特征 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 一 煤层赋存状态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 第三节煤的形成与煤层特征 32 2 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 井田范围内厚度均大于最低开采标准 厚度的变化也有一定标准 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 第三节煤的形成与煤层特征 33 3 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 没有层状出现的比较稳定的夹石层 复杂结构煤层 煤层中常含有较稳定的夹石层 第三节煤的形成与煤层特征 34 二 煤层顶板与底板 第三节煤的形成与煤层特征 35 1 顶板顶板是指位于煤层上方一定距离内的岩层 根据顶板岩层岩性 厚度和位置 采煤时顶板变形特征和跨落难易程度 将顶板分为伪顶 直接顶 老顶三种 伪顶 伪顶指直接覆盖在煤层之上的薄层岩层 岩性多为炭质页岩或炭质泥岩 厚度一般为几厘米至几十厘米 直接顶 直接顶位于伪顶之上或直接位于煤层之上的岩层 岩性多为粉砂岩或泥岩 厚度为1 2m左右 老顶 老顶位于直接顶之上或直接位于煤层之上的岩层 岩性多为砂岩或石灰岩 一般厚度较大 强度也大 第三节煤的形成与煤层特征 36 2 底板底板是指位于煤层下方一定距离内的岩层 对生产影响最大的煤层底板一般为伪底和直接底 伪底 指煤层之下与煤层直接接触的岩层 它往往是当初沼泽中生长植物的土壤 富含根须化石 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 第三节煤的形成与煤层特征 37 一 煤田地质勘探的目的与任务煤田地质勘探是运用地质科学和技术方法来分析 研究 探测煤层 查明地层 地质构造 煤层及开采技术条件等因素 正确评价矿床的经济意义 划分出各种不同类型的资源量和储量 其目的是为矿山设计 建设和生产提供可靠的地质资料 保证煤层资源经济 合理 安全开发 第四节煤田地质勘探与矿井储量 38 二 煤田地质勘探阶段一般对客观地质规律的认识都是逐步深入的 由低级到高级 由点到面 而且矿山基本建设也是分阶段的 因此 地质勘查也是分阶段的 1 普查阶段普查阶段指在选定的普查区内采用露头检查 地质填图 较少的探矿工程及物探方法 大致查明煤层资源的勘查工作 2 详查阶段详查 矿区详查 阶段指在普查圈出的详查范围内 通过大比例尺地质填图及各种勘查方法和手段 采用比普查阶段更密的探矿工程 基本查明煤层资源的勘查工作 3 精查阶段勘探 井田精查 阶段指在已知具有工业价值矿床或矿区总体规划划定的勘查 精查 区 通过加密各种勘查工程 详细查明煤层资源的勘查工作 第四节煤田地质勘探与矿井储量 39 三 煤田地质勘探方法1 遥感地质调查主要是通过探测目标物的电磁辐射来获取目标物的信息 有摄影遥感等遥感技术手段 2 地质填图把煤系地层 煤层产状和构造等测绘在地形图上 绘制成地质图 3 坑探工程在覆盖层较薄的地区 用人工方法为地质测量揭露岩层 煤层 矿体及地质构造等地质现象 或为了采集矿样所设计的一些坑探 钻探工程 主要有探槽 探井和探巷 硐 等 4 钻探工程利用钻机向地下钻孔 利用空心钻头和钻杆来获取岩 煤芯 以取得必要的资料 钻探工程是最重要最常用的地质勘探技术手段 5 地球物理勘探技术地球