03郭繁第三章煤矿地质与安全.ppt

第三章煤矿地质与安全,数控教研室郭繁,教学内容,第一节地史的基本知识第二节煤与含煤岩系第三节地质构造及其对煤矿生产的影响第四节水文地质及其对煤矿生产的影响,教学要求,1、地质构造及其对煤矿生产的影响2、水文地质及其对煤矿生产的影响,重点与难点,了解地史的基本知识和含煤岩系；掌握地质构造的类型及其对煤矿生产的影响；掌握水文地质对煤矿生产的影响,第一节地史的基本知识,地史主要是研究地壳在时间上和空间上发生发展的历史。地球自诞生以来已46亿年的时间，在这漫长的时间里，地球经历了一个极其复杂而连续地向前发展的过程。研究地壳物质的改变，生物的演化发展，对地质历史时期的地壳运动、古气候条件、古地理环境和生物演化特点，以及矿产的形成和分布规律的了解都有十分重要的意义，有利于矿产资源的寻找、勘探与开发。,一、岩层中的地史信息（一）古生物及古生物信息1、古生物与化石古生物是指生存于地质历史时期，至今绝大部分已绝灭的生物。古生物的分类基本是根据现今生物分类单位进行。界是生物最大的分类单位，生物分动物界和植物界。界以下的分类单位依次为门、纲、目、科、属、种，种是生物分类的基本单位。,地球上的生物界在演化发展过程中，不断进化，新的属种不断出现，旧的属种不断淘汰，大多数属种只存在于地史上的一定时间内，形成生物发展的阶段性。一般来说，生物演化的总趋势是由简单到复杂、由低级到高级，呈现阶段性、上升进步性及不可逆性，给地层划分对比提供了依据。,一、岩层中的地史信息（一）古生物及古生物信息,化石是指保存在地层中的古生物遗体和遗迹，遗体指生物体的本身部分，如植物的根、茎、叶和动物的骨骼、甲壳等，由遗体形成的化石称遗体化石；遗迹是被保存下来的生物生活活动的痕迹，如足迹、爬痕、粪便等，由遗迹形成的化石称遗迹化石。,一、岩层中的地史信息（一）古生物及古生物信息,地质历史中的化石种类繁多，但能够保存下来成为化石的只是很少一部分，绝大部分生物遗体都被各种地质作用和生物作用所破坏。能够保存下来成为化石的必要条件是：)生物体有难以损坏的硬体(如动物的外壳、骨骼、牙齿、角、鳞等)，或有较难以溶解的有机质(如植物的纤维等)；)生物死亡后遗体要迅速被沉积物所掩埋，以免遭受各种地质作用和生物的破坏。,一、岩层中的地史信息（一）古生物及古生物信息,2、古生物信息由于古生物呈现阶段性、上升进步性及不可逆性的特点，以及古生物的存在与其特定的环境相适应，不同环境下古生物的自身结构也各不想同的性质，运用古生物化石对地层进行划分与对比。,一、岩层中的地史信息（一）古生物及古生物信息,（二）地层信息地层是在地壳发展演化过程中，按时间先后逐层形成的，因此先形成的老地层位于下部，后形成的新地层位于上部。这种老地层在下，新地层在上的自然排列规律，称为地层层序律。在地层比较稳定和地质构造比较简单的地区，地层层序是符合地层层序律的，称为正常层序；在地壳运动剧烈和地质构造复杂的地区，一部分地层层序发生了上下倒置，称为非正常层序，也称为倒转层序。,一、岩层中的地史信息,（三）构造信息地层之间的接触关系和侵入体的穿插关系也是岩层信息的重要方面。一次大的地壳运动前后，在自然地理、生物面貌以及沉积物物质上均有显著差异，我们可以利用地层之间的接触关系和侵入体的穿插关系来确定地层之间形成的先后顺序。由于地壳运动，使地表隆起的地区发生剥蚀作用，后又变成拗陷地区，进行沉积作用，形成新的岩层。新老岩层之间的接触关系，如整合、假整合、不整合接触，反映了地壳运动的性质和特点。,一、岩层中的地史信息,(1)整合接触当某个地区在某一地质时期内，地壳处于连续下沉，或者虽然是在上升，但没有超过水下侵蚀基准面，致使这个地区的地壳升、降运动与沉积作用处于相对平衡状态，沉积连续进行。形成的上下两套新老地层在岩性和古生物演化上基本上是连续而逐渐过渡的，在岩层产状和构造形态上，基本上是一致的。这种新、老两套地层之间的接触关系，称为整合接触。,一、岩层中的地史信息,一、岩层中的地史信息（三）构造信息,(2)假整合接触假整合接触又称为平行不整合接触。当某各地区，地壳下沉并接受一段时间的沉积后，地壳又平缓上升，已沉积的地层遭到较长时间的剥蚀，出现了明显的沉积间断，但并没有发生明显的倾斜、褶皱和断裂变动，后来，地壳又重新下沉，接受新的沉积。这种新老两套地层之间的接触关系，称为假整合接触。在地层柱状图上用断线表示，在地质图和地质剖面图上都是用实线表示。,一、岩层中的地史信息（三）构造信息,(3)不整合接触不整合接触又称为角度不整合或斜交不整合接触。当某个地区，在下伏较老地层形成之后，地壳并非平缓上升，而是发生较为强烈的倾斜、褶皱、断裂变动，甚至伴随有岩浆活动和变质作用，致使地壳隆起，遭受剥蚀，造成沉积间断；而后，地壳又下沉，接受沉积，形成一套新的地层覆盖在下伏不同时代的较老地层之上。这种新老两套地层之间的接触关系，称为不整合接触。在地层柱状图上用曲折线表示；在地质图和地质剖面图上用实线(或在实线的新地层一侧加上虚线)表示。,一、岩层中的地史信息（三）构造信息,（四）岩石信息岩石信息是以岩石的颜色、成分、结构、构造等特征为基础，来了解和推测古地质环境。在一定的地区内，同一地质时期沉积的岩层是在相似的自然地理环境中形成的，因而这些岩层具有相似的岩性特征；而不同地质历史时期沉积的岩层，由于地壳运动、沉积环境发生变化，是岩石的岩性特征上也有变化，因此，在沉积环境比较稳定的井田范围内，可以根据明显的岩性特征来划分对比地层，并说明当时的古地理环境。,一、岩层中的地史信息,二、地层的划分与对比及地质年代表（一）地层划分与对比的概念1、地层划分地层的划分是地层学的一项基础任务，也是地质工作的基础。其目的在于确定区域地层层序和建立相应的地质年代系统。我们把一个地区的岩层，按其形成的先后顺序、岩性、化石等特征归纳成不同级别的地层单位，建立区域地层层序，了解该区域地层在时间上的变化规律，称为地层划分。,2、地层对比在地层划分的基础上，将不同地区(或剖面)的地层进行比较，论证其地质时代、地层特征和地层层位的对应关系，即为地层对比。在实际工作中，由于特征和依据不同，有不同种类的对比。例如：岩石地层对比是论证岩性特征和岩石地层位置是否相当；年代层对比是要论证地层的地质年龄和年代地层单位的位置是否相当；生物地层对比是要说明含化石层的化石内容和生物地层位置是否相当。地层划分与对比两者在原则和依据上是同一的，在方法上是有密切联系的。,二、地层的划分与对比及地质年代表（一）地层划分与对比的概念,（二）地层划分与对比的方法1、岩石地层学方法凡是以地层的岩性特征为主要研究内容，以岩性界面变化为准，划分地层，是建立区域地层层序的主要方法统称为岩石地层学方法。岩石特征主要指岩性、岩石组合、岩相、岩层的横向展布和岩石的变质程度等。根据岩石特征的相似程度，对地层进行划分，并建立岩石地层系统。,二、地层的划分与对比及地质年代表,标志层是地层中厚度不大、岩性稳定、特征明显、容易识别的岩层或矿层。如含煤地层中常见的灰岩、砂砾岩、砾岩、凝灰岩及厚煤层等。用标志层来划分对比地层，是一种有效的工作手段。,二、地层的划分与对比及地质年代表（二）地层划分与对比的方法,2、生物地层学方法生物地层学以地层所含生物化石为主要研究内容，以生物群的交递变化为准划分地层。由于生物演化具有全球的同时性和一致性，所以生物地层研究是确立地质时代表的重要手段。生物演化的前进性、不可逆性、阶段性和空间上的同一性均属生物演化的基本规律，也是利用古生物化石划分地层单位、确定地层相对年代和进行远距离对比的理论依据。,二、地层的划分与对比及地质年代表（二）地层划分与对比的方法,在地史时期，生物界的各门类生物中，那些演化迅速、地质历程短、地理分布广、数量丰富、易于鉴别的古生物化石称为标准化石，如笔石、菊石、牙形石等。利用这些标准化石有效地划分地层，进行广泛的区域地层对比的方法，即为标准化石法。标准化石法的优点是简便、易行、经济，是生物地层划分最常用的方法。,二、地层的划分与对比及地质年代表（二）地层划分与对比的方法,3、接触关系分析法当某地质时期某地的地壳连续发生沉降，该区连续接受沉积，形成一套很厚的连续沉积的地层；当某地质时期某地地壳发生上升运动，于是该区遭受剥蚀，发生长时期沉积中断，因而缺失这一地质时期的地层；当某一地区发生强烈地质运动时，使原来大致呈水平状态的地层，变得倾斜、直立、甚至倒转。正因为存在上述几种情况，因此不同时代形成的地层间接触关系也分为三种：整合、假整合、不整合。,二、地层的划分与对比及地质年代表（二）地层划分与对比的方法,4、古地磁学方法岩石在形成过程中因磁场的影响获得磁性，并顺着当时的地磁场磁力线方向磁化，岩石的磁化即时经过长期的变化也不会消失，这种与现代地磁场无关的岩石磁性称为剩余磁性。它反映了地质历史时期的地磁场情况。通过对比不同时期的古地磁个位置，可以了地壳不同部分相对位移的情况，以及根据古地磁场反转周期来确定岩石形成时代。,二、地层的划分与对比及地质年代表（二）地层划分与对比的方法,5、放射性同位素地质年龄测定法在生物出现以前无法利用古生物学等方法来研究地层的时代；此外，岩浆岩和变质岩中不含古生物化石，且大多数不象沉积岩一样成层状，无法直接确定它们的形成时代。同位素年龄法弥补了这方面的缺陷，它是利用岩石中放射性同位素衰变产物的含量，来计算各种岩石、矿物形成的实际年龄。,二、地层的划分与对比及地质年代表（二）地层划分与对比的方法,1、岩石地层单位在划分地壳岩层层序时，根据岩石所具有的特征或属性的差异，把单独一个地层，或若干个有关地层划分出来，看作是一个地层体，这就是一个地层单位。以地层的岩石的岩性、岩相和变质程度均一的岩石构成的三度空间岩层体作为划分依据的地层单位，称为岩石地层单位。它一般是适用于地区性的地层单位。岩石地层单位包括群、组、段、层四个级别。,二、地层的划分与对比及地质年代表（三）地层单位的分类,2、生物地层单位生物地层单位是根据地层中所含的相同生物化石内容和分布特征，并与相邻化石有别的三度空间岩层体而划分出来的地层单位。对一个地区的地层划分来说，生物地层单位并不是普遍建立的，那些缺少化石的地层，无法建立生物地层单位，因而各生物地层单位之间也不一定是相互连接的。生物地层单位不再分级，统称生物带。,二、地层的划分与对比及地质年代表（三）地层单位的分类,3、年代地层单位年代地层单位以地层的地质年代归属为主要研究内容，以时间界面为准划分地层，与地质年代表一致是建立地层系统的基本要求。按地史中生物演化的阶段可建立六个级别的年代地层单位，它们分别是：宇、界、系、统、阶、时间带。相对应的地质年代单位是宙、代、纪、世、期、时。,二、地层的划分与对比及地质年代表（三）地层单位的分类,年代地层表是由岩石的不同特征或属性将岩层层序划分为各类单位(宇、界、系、统、阶、时间带)组成的地层表。而地质年代表则是以地质时间单位(宙、代、纪、世、期、时)组成时间表；但它们之间具有严格的对应关系。把全世界的年代地层与地质年代结合起来，形成一个表，称为地质年代表。,二、地层的划分与对比及地质年代表（四）年代地层表与地质年代表,三、地壳演化简史,地球形成至今已有45亿年。距今4538.5亿年冥古代（宙），无岩石记录。（一）太古宙（Ar）：38.5亿年25亿年。由于经历了多次强烈的地壳运动和岩浆活动，这个时代的地层（太古宇）均已强烈褶皱，形成厚度较大、变质程度较深的一套变质岩系：片麻岩、结晶片岩。在太古宇，世界各地均发现有主要的铁矿，我国鞍山式铁矿产于此地层中。地壳运动：中期鞍山运动；末期阜平运动太古宇已发现原始细菌化石。,（二）元古宙（Pt）255.7亿年元古宙分三个代：古元古代、中元古代、新元古代。对应的地层分别为古元古界、中元古界和新元古界。在新元古代中、晚期，发生了蓟县运动，华北地区地块抬升，缺失震旦系沉积。气候为温暖（早期）-寒冷（末期），末期为历史上第一个冰期。生物界的特征是：植物界高级藻类的进一步繁育，出现了石煤（藻类形成）。,三、地壳演化简史,（三）古生代从距今6亿年-2.3亿年，历时3.7亿年。古生代包括六个纪：既、O、SD、C、P早古生代晚古生代1、寒武纪早古生代第一个纪，主要特征是生物界的显著繁盛和化石的大量保存，以三叶虫纲化石为重要。2、奥陶纪：O地史上大陆地区广泛遭受海侵的时代，海生无脊椎动物达到繁盛时期，动物：珊瑚、三叶虫、腕足类；植物：藻类。,三、地壳演化简史,3、志留纪和泥盆纪志留纪：S早古生代最后一个纪。泥盆纪：D晚古生代第一个纪。S、D期华北为风化剥蚀，没有相应的地层。4、石炭纪和二叠纪石炭、二迭纪海生无脊椎动物仍占重要地位，筳类是这个时期最重要的标准化石，两栖类也有很大发展。植物方面：陆生孢子植物极为繁盛，为成煤提供了丰富的原始物质，所以C、P是地质历史上第一个重要的聚煤期。,三、地壳演化简史,（四）中生代（Mz）时间2.3亿年0.65亿年，历时1亿7千万年，分三叠纪（T）、侏罗纪（J）、白垩纪（K）。由于植物的繁盛，为煤层的聚集提供了丰富的原料，至此中生代成为地球发展历史中第二个重要的聚煤期。,三、地壳演化简史,（五）新生代地球演化历史上最新的一个阶段，从0.65亿年今。全新统Qh第四系（Q）更新统Qp新生界（Kz）上第三系N未固结成岩第三系（R）下第三系E固结成岩大规模的地壳运动发生在新生代中、晚期，喜马拉雅山是最著名的代表，因此，又叫喜马拉雅运动。生物演化方面：哺乳动物和被子植物。成为地质历史上第三个重要的成煤期。人类的出现。,三、地壳演化简史,在煤矿中遇到的岩石几乎都是沉积岩，煤就是一种沉积岩，它不仅是一种主要的能源，而且也是冶金、化学等工业极其重要的原料。那么煤是怎样形成的呢？,第二节煤与含煤岩系,成煤的物质古代植物遗体成煤的过程：第一阶段泥炭化阶段（植物遗体泥炭层）第二阶段煤化阶段（泥炭层褐煤烟煤无烟煤）,一、成煤作用,成煤的物质条件：植物条件大量植物的繁殖气候条件温暖和潮湿的气候地理环境大面积沼泽地带地壳运动地壳的缓慢沉降（沉降速度与植物遗体堆积速度相平衡）,煤层形成以后,在一定深度以一定的层数、厚度、结构及形态保存下来，这就是煤层的埋藏特征。,二、煤层埋藏特征1）煤层埋藏深度：2）煤层层数：3）煤层形态：,0-2000多米,一层-几十层,层状似层状(藕节状、串珠状）非层状（鸡窝状、扁豆状、马尾状）,4）煤层顶底板（1）顶板：伪顶直接顶老顶（2）底板：直接底老底,5）煤层的结构简单结构煤层复杂结构煤层,6）煤层的厚度（1）总厚度（2）有益厚度（3）可采厚度,可采厚度是指在现代经济技术条件下,可以开采的煤层或煤分层厚度的总和。另外，按照国家目前有关政策，根据煤种、产状、开采方法和不同地区的资源情况等，所规定的可采厚度的下限标准，称为最低可采厚度。,根据煤层厚度对开采的影响，在地下开采时，将煤层分为三类：,薄煤层中厚煤层厚煤层,1.3m至3.5m,小于1.3m,大于3.5m,7）煤层产状由产状要素来描述：有走向、倾向和倾角。,煤层按倾角的分类：近水平煤层8缓倾斜煤层825倾斜煤层2545急倾斜煤层45,煤的物理性质与成煤的原始物质、聚积环境及煤的变质程度、煤岩成分等有关。因此，研究煤的物理性质，有助于了解煤的成因、变质程度等。煤的物理性质主要包括颜色、条痕、光泽、硬度、脆度、密度、裂隙及导电性等,三、煤的物理性质,1颜色颜色是指煤新鲜表面的自然色彩。煤的颜色与成煤的原始物质、变质程度等有关。腐植煤的颜色，随煤的变质程度增高而变化，如褐煤为褐色、深褐色、黑褐色；烟煤为黑色；无烟煤为灰黑色，常带古铜色或钢灰色彩。腐泥煤颜色较浅，一般为褐色、褐黑色或灰色。,三、煤的物理性质,2条痕条痕是煤研成粉末的颜色，也称为粉色。煤的条痕略浅于颜色，但变化又较颜色固定。腐植煤的条痕，随煤的变质程度增高而加深，如褐煤为棕色；烟煤为棕色到黑色；无烟煤为灰黑色。,三、煤的物理性质,3光泽光泽是指常光下煤新鲜表面的反光能力。煤的光泽与成煤的原始物质、煤岩成分及变质程度等有关。腐植煤随变质程度的增高光泽增强，如褐煤无光泽或暗沥青光泽；烟煤为沥青光泽、玻璃光泽到金刚光泽；无烟煤为似金属光泽。腐泥煤光泽暗淡。,三、煤的物理性质,4硬度硬度是指煤抵抗外来机械作用的能力。外加机械作用力不同，煤的硬度表现也不一样，刻划硬度（用矿物中的摩氏硬度计刻划煤）介于14之间。,三、煤的物理性质,5脆度脆度是指煤受外力作用而破碎的性质。腐植煤的脆度，随煤变质程度的不同而变化，一般中变质的肥煤、焦煤、瘦煤的脆度最大；无烟煤的脆度最小；长焰煤和气煤的脆度较小。,三、煤的物理性质,6、密度密度是指单位体积煤的质量。单位为g/3。其可分为真密度和视密度两种。真密度体积不包括煤内部的孔隙，而视密度体积则包括煤内部的孔隙。煤的视密度（容重）是煤层储量计算的重要参数。一般褐煤的视密度为1.051.20；烟煤的视密度为1.201.40；无烟煤的视密度为1.351.80。,三、煤的物理性质,7裂隙：煤中裂隙按成因可分为内生裂隙和外生裂隙两种。8导电性：导电性是指煤传导电流的能力。通常用电阻率表示。煤的导电性与煤的变质程度有关。一般褐煤的电阻率小；烟煤的电阻率较大，为不良的导体；无烟煤的电阻很小，为良好的导体。,三、煤的物理性质,（一）含煤岩系1、含煤岩系的概念含煤岩系是指一套含有煤层并具有成因联系的沉积岩系。简称煤系。其同义词为含煤建造、含煤地层。,四、含煤岩系与煤田,2、含煤岩系的特征含煤岩系是温暖、潮湿气候条件下的产物。所以，它一般是由灰色、灰绿色、灰黑色及黑色的沉积岩组成。其主要是各种粒度的砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩和煤层，也有石灰岩和砾岩，有时还可见到铝质岩、油页岩、硅质岩和火山碎屑岩等。,四、含煤岩系与煤田,在不同的古地理环境中形成的含煤岩系,其特征往往是不同的。因此,根据其形成时的沉积环境,将含煤岩系大体上分为两大类型,即近海型和内陆型含煤岩系。,四、含煤岩系与煤田,（二）、煤田1、煤田的概念煤田是指在同一地史发展过程中形成的含煤岩系，经后期改造所保留下来的比较连续分布的广大地区。煤田内由于后期构造而分割的一些单独部分，或面积和储量均很小的煤盆地，称为煤产地（或煤矿区）。为了开采方便，煤田或煤产地又可划分为若干井田。,四、含煤岩系与煤田,2、中国煤田地质概述我国幅员辽阔，到处蕴藏着煤炭资源，而且这些煤炭资源的分布具有一定的规律。我国分为六大聚煤区，即华北石炭二叠纪聚煤区，华南二叠纪聚煤区，西北侏罗纪聚煤区，东北侏罗白垩纪聚煤区，西藏、滇西中生代及第三纪聚煤区，台湾第三纪聚煤区。,四、含煤岩系与煤田,第三节地质构造及其对煤矿生产的影响,在地壳运动的作用下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，概括起来可分为：褶皱、单斜、断裂、冲蚀、岩溶塌陷和岩浆侵入等。,一、褶皱构造：在地壳运动影响下，岩层受水平方向挤压力的长期作用，发生塑性形变而形成波状弯曲，这种构造形态称为褶皱构造。褶皱构造中的一个弯曲称为褶曲，有向斜和背斜两种形态.,背斜,向斜,褶皱构造对煤矿生产的影响：1、褶曲对井筒位置的选择影响很大。2、由于褶皱使煤层起伏不平,使主要大巷的位置和部署发生困难,而且对采区的布置和采煤方法的选择也有很大影响。3、受强烈侧压力作用的褶曲，轴部和槽部煤层变厚,增加采掘困难;两翼变薄,甚至失去开采价值。4、背斜轴部往往是瓦斯突出危险区。,二、单斜构造：原来水平的岩层，在受到地壳运动的影响后，产状发生变动，岩层向同一个方向倾斜形成单斜构造。单斜构造往往是褶曲的一翼。,三、断裂构造：岩层受力后发生变形，当作用力达到或超过岩层的弹性限度时，岩层的连续性受到破坏，在岩层的一定部位和一定方向上产生断裂。若断裂面两侧岩层没有明显位移，称为裂隙（节理）；若有明显位移则称为断层，它们统称为断裂构造。,节理（裂隙）分类：A:根据力学性质可分为：张节理和剪节理B:根据节理产状与岩层产状可分为：走向节理、倾向节理、斜向节理和顺层节理C:根据成因可分为：1）原生节理和次生节理2）构造节理和非构造节理,节理（裂隙）对煤矿生产的影响：1.影响钻眼爆破效果2.影响开采效率3.影响顶板控制方法4.影响工作面布置5.对其它方面的影响节理发育的地段，是地下水和矿井瓦斯的良好通道。如果工作面采前要进行瓦斯抽放，一般应使回采准备巷道与主要节理组方向成一定角度。为保证回采的安全，应在采前查明节理的发育程度及其与水源的导通情况。,断层的几何要素：1.断层面：断层两盘沿着滑动的破裂面2.断层线：断层面与地面的交线3.断盘：断层面两侧沿断层面滑动的岩块上盘下盘上升盘下降盘4.断距：断层两盘沿断层面相对移动的距离。,上盘,B,A,下降盘,下盘,上升盘,断层分类：A:根据断层两盘相对运动的方向可分为：正断层：上盘相对下降，下盘相对上升。逆断层：上盘相对上升，下盘相对下降。平推断层：断层两盘沿水平方向相对移动。,B：根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。,在断层发育的地区,常可见到由多条断层排列成一定的组合形式,主要有阶梯状、叠瓦状、地堑和地垒。,断层对煤矿生产的影响：1.影响井田划分断层是井田划分的主要依据之一。在井田划分时，若井田内存在着大断层，必然会增加岩石巷道掘进量，并给掘进、运输、巷道维护、矿井水和矿井瓦斯防治等带来困难。2.影响井田开拓方式若井田内存在大型断层，煤层必然被截割成若干不连续的块段，断层附近煤层倾角加大，井田内煤层产状变化复杂，开拓方式的选择受到限制。,3.影响采区和工作面布置井田内不同类型中、小型断层的存在，会给回采、运输、顶板管理和正规作业循环等造成困难，使煤矿生产水平划分、采区划分和工作面布置受到不同程度的影响。4.影响安全生产由于断层带岩石破碎，岩石强度降低，容易聚集瓦斯、导通地表水和地下水，引发矿井突水、瓦斯突出和坍塌冒顶事故。,5.增加煤炭损失量断层两侧需留有一定宽度的断层煤柱，形成煤炭损失，断层越多，断层煤柱损失量越大。6.增加巷道掘进量在巷道掘进中遇断层，可能会引起生产设计方案调整和寻找断失煤层，导致巷道掘进量增加，甚至会形成大量废巷。7.影响煤矿综合经济效益煤层内断层的破坏程度与煤矿劳动生产率，吨煤成本、千吨掘进率、煤损失率和机械化开采水平等有着密切的关系，直接影响着煤矿生产的经济效益。,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。,五、岩溶塌陷（陷落柱）当煤层下部为可溶性的岩层(如石灰岩、白云岩等)，在地下水的化学溶蚀下,产生溶洞，随着溶洞的不断扩大,在上覆岩层的重力作用下煤层及其围岩发生坍塌而形成的环状陷落.,岩溶陷落柱对煤矿生产的影响：1破坏可采煤层，减少煤炭储量2影响正规开采,妨碍机组使用.3降低采掘效率,提高生产成本.4陷落柱可能是矿井水或矿井瓦斯的通道，影响煤矿生产的安全.,六、岩浆侵入地质作用使岩浆侵入煤层，俗称火成岩侵入。岩浆侵入不但降低煤质，同时也给生产带来困难。,岩浆侵入体给煤矿生产带来的影响：1减少煤炭储量，缩短矿井服务年限。2使煤质变差，降低了煤的工业价值。3破坏了煤层连续性，给采掘带来困难。,自然界中，水的存在形式有大气水、地表水和地下水。存在于大气圈的水，称为大气水；分布于地表上的海、河湖、冰川中的水称为地表水；埋藏于岩石空隙中的水称为地下水。,第四节水文地质及其对煤矿生产的影响,一、地下水的基本知识(一)地球上的水循环在自然条件下，地球上水的循环是从海洋蒸发开始，蒸发的水汽进入大气圈，并被气流输送至各地，一部分深入内陆，一部分留在海洋上空，在适当条件下，因凝结而形成降水。落在陆地表面的降水，除固体水分布区以外，一部分沿地形坡度从高处向低处流动，汇入河流，称为地表径流；另一部分渗入地下变为地下水，在透水层中由水头高处向水头低处运动，称为地下径流。地表径流和地下径流最后都汇入海洋。,实际上由于各种因素的影响，大部分水分从海洋蒸发、冷凝变成降水再回落到海洋，或者是从陆地地表水体、土壤、植被蒸发进入大气，然后再变成降水落到陆地。这种从海洋大气陆地海洋的循环称为大循环；从海洋大气海洋或者从陆地大气陆地的循环称为小循环。,一、地下水的基本知识,（二）水在岩石中的存在形式按物理性质和分布状态的不同，可将存在于岩石空隙(孔隙、裂隙、岩溶等)中的水分为气态水、液态水(吸着水、薄膜水、毛细水和重力水)和固态水等形式,一、地下水的基本知识,（三）地下水的基本类型地下水分类的方法很多。按起源不同，可将地下水分为渗入水、凝结水、初生水和埋藏水等；按矿化度的不同，可分为淡水、微咸水、咸水、盐水及卤水。,一、地下水的基本知识,按地下水的埋藏条件分：1、上层滞水从赋存条件看，上层滞水是埋藏在包气带中局部隔水层之上的重力水。由于它距地表近，直接受降水补给，补给区与分布区一致。季节性存在，雨季出现，干旱季节消失，其动态与气候、水文因素的变化密切相关。因其分布范围有限，水量少，对矿山的建设和生产几乎没有影响,一、地下水的基本知识,2、潜水潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。3、层间水：分为无压层间水和承压水。承压水是充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水。显然，凡是具备上述埋藏条件的孔隙水、裂隙水和岩溶水等，都可称为承压水.,一、地下水的基本知识,（四）煤矿地下水的化学特征1、地下水的物理性质在漫长的地质年代里，地下水与周围介质相互作用，溶解了介质中的可溶盐分及气体，从而获得各种物质成分；同时，地下水还要经受各种物理的和化学的作用，随时随地改变着原始成分，致使其化学成分复杂化。地下水的物理性质主要有温度、颜色、气味、口味等，它们在一定程度上反映了地下水的化学成分及其存在环境。,一、地下水的基本知识,2、地下水的化学成分及主要化学性质（1）地下水的酸碱性地下水的酸碱性，主要取决于水中的氢离子浓度，即pH值。根据地下水值的大小，将水分成五级：强酸性水（pH5）、弱酸性水（57）、中性水（=7）、弱碱性水（79）、强碱性水9（2）地下水的侵蚀性地下水的侵蚀性有三种类型，即碳酸侵蚀性、硫酸盐侵蚀性及镁化性侵蚀性。,一、地下水的基本知识,（3）水的总矿化度水中所含各种离子、分子及化合物的总量，称为水的总矿化度，以g/L表示。总矿化度表明水中含盐量的多少，即水的矿化程度。水的矿化度(含盐量)与水的化学成分之间有密切的关系。通常情况下，低矿化度的水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+为主要成分。一般来说，矿化度随着埋藏深度的增加而增大。,一、地下水的基本知识,（4）水的硬度及表示方法通常情况下，水的硬度主要是由地下水中钙、镁离子组成。但酸性矿井水还要计入铁、铝等金属离子形成的硬度。硬度通常分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。总硬度：指水中Ca2+、Mg2+的总含量，它是暂时硬度和永久硬度的总和。,一、地下水的基本知识,4）水的硬度及表示方法通常情况下，水的硬度主要是由地下水中钙、镁离子组成。但酸性矿井水还要计入铁、铝等金属离子形成的硬度。硬度通常分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。总硬度：指水中Ca2+、Mg2+的总含量，它是暂时硬度和永久硬度的总和。暂时硬度：将水加热煮沸后，形成碳酸盐沉淀的这部分Ca2+、Mg2+的含量，永久硬度：将水煮沸后，仍残留在水中的Ca2+、Mg2+的含量。,一、地下水的基本知识,二、矿井充水条件采矿过程中，一方面揭露破坏了含水层、隔水层和导水断层，另一方面引起围岩岩层移动和地表塌陷，从而产生地下水或地表水向井筒或巷道涌水的现象，称为矿井充水。水进入矿井的方式有：渗入、滴入、淋入、流入、涌入等，严重者称为溃入。矿井充水补给的来源，称为充水水源。水流入矿井的通路，称为充水通道。充水水源和充水通道构成了矿井的充水条件。,（一）充水水源大气降水、地表水、含水层(带)水和老窑水均可能成为煤矿充水水源。一些矿井，在疏降矿井水的过程中，可能引进新的水源，称为袭夺水源。矿井充水水源，分为直接和间接两种充水水源。,二、矿井充水条件,1、大气降水大气降水是矿井充水的经常性补给水源之一。在开采埋藏深度较小的煤层时，若煤矿区地形较低洼，大气降水往往是矿井水的主要来源。尤其是洪水季节，大气降水严重威胁矿井的安全。大气降水的渗人量，与煤矿区的气候、地形、岩石性质、地质构造等因素有关。,二、矿井充水条件,当大气降水成为矿井充水水源时，有以下规律：(1)矿井涌水程度与矿区降雨量的大小、强度、延续时间有密切关系，降雨量大或长时间降雨，矿井涌水量就大。(2)矿井涌水量具明显的季节性变化，但涌水量的高峰往往比雨季滞后。(3)随开采深度的增加，大气降水对矿井涌水量的影响减小。,二、矿井充水条件,大气降水可以通过含水层露头的各种裂隙补给含水层，然后再由含水层进入矿井；也可以通过地表塌陷坑的裂隙进入矿井；或者直接由井口流人矿井。,二、矿井充水条件,2、地表水开采位于河流、湖泊、沼泽和水库等水体影响范围内的煤层时，在适当条件下这些地表水便会进人坑道，成为矿井充水的水源。地表多数季节性河流，虽然旱季时地表断流，但冲积层中地下径流仍然存在，仍能起到补给地下水的作用。,二、矿井充水条件,地表水能否进入地下，主要取决于巷道距水体的远近、巷道与水体之间有无隔水层及其隔水性能、巷道与水体之间有无导水构造，其次取决于开采方法。地表水进入井下有多种途径。(1)地表水通过第四纪松散砂、砾层及基岩露头，先是渗入补给地下水，然后在一定条件下进入巷道。,二、矿井充水条件,(2)地表水通过构造破碎带或古井直接溃入地下。(3)洪水期，洪水通过地势低洼处的井口或冲破围堤直接灌入井下。(4)在水体下采煤时，煤层采动后，顶板岩层垮落并产生断裂，地表水可沿此导水断裂带进入井下.,二、矿井充水条件,二、矿井充水条件,在地表水体附近采煤时，要测准地表积水区的位置及大小，准确地掌握开采煤层与地表水体之间的位置关系，弄清开采煤层与水体间隔水层的性质，认真研究开采可能造成的破坏，事先采取有效措施，留设足够的防水煤柱，以保证安全生产。,二、矿井充水条件,案例：吉林省通化市宏远煤矿因河水淹没井口18人被困:8月10日0时29分，吉林省通化市宏远煤矿因受强降雨影响，大罗圈河河水暴涨，漫堤将井口淹没。初步核实，井下有18人被困。,二、矿井充水条件,3、含水层(带)水煤层本身通常不含水，但邻近的围岩往往含水。当含水围岩有通道与采掘空间相连时就会成为矿井充水水源。含水层水是矿井涌水最常见、最直接的水源。成为矿井充水水源的含水层水可以是孔隙水、裂隙水和喀斯特水。在开采松散沉积物下的煤层时，常遇到孔隙水，此时不但有水流入矿井，而且还往往伴有流沙溃入。,二、矿井充水条件,当采掘工作面揭露含裂隙水的围岩时，裂隙水就会流入工作面，虽然水量很小，但水压往往很大。裂隙水如果与其他水源无水力联系，多数情况下涌水量会越来越小，终至干涸；若与其他含水层发生水力联系，涌水量会越来越大，若不采取措施，将威胁煤矿安全。喀斯特水的特点是水压高，水量大，来势猛，涌水量稳定，不易疏干，一旦成为矿井充水水源，对矿井的危害性极大。,二、矿井充水条件,含水层水进入矿井常通过以下途径。(1)矿井建井时揭露潜水含水层，含水层中的水流入矿井。(2)当承压含水层位于煤层之上或虽位于煤层之下但承压水位高于煤层底板时，承压水冲破隔水层的薄弱带，形成突水。(3)断层的错动使煤层与含水层接近，为含水层水进入矿井提供了条件；而且导水断层不但本身储水，还可能沟通其他含水层，造成矿井突水。,二、矿井充水条件,二、矿井充水条件,(4)多数陷落柱是含水的，同时由于陷落柱陷落时波及多层地层，因此也能沟通各含水层。当工作面或巷道揭露陷落柱时可能引起矿井突水。(5)含水层水通过未封闭或封闭不好的钻孔进入矿井。,二、矿井充水条件,(6)煤层采动后，其围岩会发生变形、弯曲、断裂，进而垮落，形成弯曲带、断裂带和垮落带，构成导水断裂带。当此导水断裂带接近含水层时，含水层中的水就会进入矿井。,二、矿井充水条件,案例：2010年3月1日，神华集团乌海能源有限公司骆驼山矿煤层底板发生突水事故，死亡32人。事故直接原因是：该矿16号煤层回风大巷掘进工作面遇煤层下方隐伏陷落柱，在承压水和采动应力作用下，诱发该掘进工作面底板底鼓，承压水突破有限隔水带形成集中过水通道，导致奥陶系灰岩水从煤层底板涌出。,二、矿井充水条件,4、老窑水在有些矿区的煤层露头地带分布着不同年代废弃的小煤窑，称为老窑。当采掘工作面接近或触及这些废弃的老窑或旧巷道时，积水就会成为矿井的涌水水源。老窑积水区通常是煤矿下部开采的重要充水水源。,二、矿井充水条件,老窑水进入矿井的特点如下：(1)在极短的时间内有大量的水涌入矿井，来势凶猛，具有极大的破坏性。(2)常为酸性水，具有腐蚀性，易损坏井下设备。(3)老窑水与其他水源无水力联系时容易疏干，若与其他水源发生水力联系，则可造成量大而稳定的涌水，危害较大。,二、矿井充水条件,案例一：2010年1月15日，山西省晋中市灵石县灵石煤矿发生透水事故，死亡4人。事故直接原因是：该矿未按照安全技术规程对破碎离层的顶板先行加固，造成顶板冒落引发已关闭煤矿采空区积水突然倾泄，导致事故发生。,二、矿井充水条件,案例二：2010年3月28日，华晋焦煤公司王家岭矿发生透水事故，死亡38人。事故直接原因是：该矿未探明20101回风巷掘进工作面附近小煤窑老空区积水情况，发现透水征兆后未果断及时采取撤出井下作业人员等措施，掘进作业导通老空积水，造成+583.168m标高以下的巷道被淹和人员伤亡。,二、矿井充水条件,案例三：2010年6月3日，山西省晋城煤业集团天安公司东沟煤业郊南煤矿发生透水事故，死亡3人，下落不明2人。初步分析，事故直接原因是：该矿主要负责人私自非法组织工人下井作业，作业过程中，三采区回风巷掘进工作面与老窑采空区贯通，导致采空区积水灌入巷道。,二、矿井充水条件,矿井充水水源有多种。在具体的涌水事例中，常常是某一水源起主导作用，也可能是多种水源的共同作用。在分析矿井涌水水源时，要进行充分的调查研究，找出它们的主次关系。认真查清影响煤矿生产的水文条件，并采取积极有效的措施，是能够防止水害事故发生的。,二、矿井充水条件,（二）充水通道分析矿井充水通道决定着矿井涌水形势、涌水地点和涌水量的大小。依据充水通道的形式和对矿井涌水作用的大小，充水通道分为断裂构造带(包括岩溶发育带、天窗)、顶板和底板采动裂隙(带)、矿井地表塌陷、岩溶陷落柱、工程充水通道(井筒、小煤窑和钻孔)等,二、矿井充水条件,(一)自然因素1矿区地形矿区地形直接控制了含水层的出露部位和出露程度，控制着大气降水和地表水的汇集。在同一地质条件下，位于河谷、冲沟或低地等低标高地区的矿井涌水的可能性较大。这是因为地势低，雨季大量积水，地表排泄条件不好，地表水可以大量补给煤系地层中的含水层；反之，在地形较高较陡的情况下，降水大部分形成地表水流而流走，补给地下水量就少。,三、影响矿井充水的因素,2覆盖层的透水性及围岩出露条件地表水和大气降水能否渗入井下，渗入井下的数量多少，与煤层上覆岩层的透水性及围岩的出露条件有直接关系。上覆岩层的透水性好，则补给水量和井下涌水量也大。一般认为，矿区内分布有一定厚度(大于5m)的稳定弱透水或隔水岩层时，就可以有效地阻挡地表水和大气降水的渗入。如果煤层围岩是透水的，则其出露地表的面积越大，接受降水和地表水渗入补给量越大，井下涌水量也就越大。,三、影响矿井充水的因素,3地质构造形态进入矿井的水往往和区域地质构造形态有关。断层破碎带常是地下水的通道和聚积区，是造成突然大量涌水的重要条件。一般情况下，断层破碎带本身储存的水量并不很大，只有当它与地表水或含水层发生水力联系，且地下水压力又很大，足以突破断层破碎带和隔水底板时，才会引起突水。,三、影响矿井充水的因素,(二)人为因素除自然条件对矿井充水起作用外，还有些是人为造成的。例如，在资源勘查以及生产勘查各阶段中，矿区范围内都曾布置过很多钻孔，当钻孔未封闭或封孔质量不符合要求时，就可能成为沟通各含水层的通道。再如，井下采掘工程违反技术规定和安全要求，触及积水水源，就会使积水涌入矿井。如2005年11月19日，某小煤矿，未严格执行防探水规程，井下违章作业，使旧巷水溃入，造成14人遇难的特大事故。,三、影响矿井充水的因素,了解矿井充水的影响因素，分析矿井充水水源及通道，研究矿井涌水规律，最终目的是对矿井水进行治理，防患于未然。矿井防治水要从地表和井下两方面着手。(一)地表水的防治地表防水就是防止大气降水或地表水渗入或灌入矿井。地表水的防治有多种措施，可根据具体情况选择使用。,三、矿井防治水,1合理选择井口位置在矿井设计时，正确选择井口位置很重要。选择井口位置需要考虑地表及地下多种因素，必须保证井口和工业广场主要建筑的标高高出当地历年最高洪水位以上，使矿井不致在发生洪水时被淹没。若由于矿体或地形的限制，井口选在了较低处，则应采取补救措施，如在河流、沟谷附近修筑防洪堤坝、排水沟。,三、矿井水防治,2河流改道当河流流入矿区，对矿井充水有影响时，可以将河流改道，将河水引出矿区外围.3铺设假河床,三、矿井水防治,4挖排(截)水沟，筑拦洪坝山区降水后，常以地表水或潜水的形式流入矿区，或沿地表塌陷裂隙渗入井下，导致矿井涌水量增大。这种情况下，可在井田边缘或漏水区上方迎水流方向修排(截)洪沟，将水引到影响范围以外。5堵漏对地表的裂隙、洞穴及塌陷坑等漏水地带，用黏土填堵夯实，并稍高于地面，防止积水渗入。,三、矿井水防治,（二）井下防治水1.井下透水的预兆在巷道或采掘工作面出水之前往往出现一些异常现象，这些现象可能是出水的征兆。(1)巷道迎头及工作面发潮，温度下降，发生雾气，煤尘减少等，这些现象是被水浸湿的结果。(2)有臭鸡蛋味，即硫化氢臭味，说明有害气体增加，是接近老窑水的征兆。(3)煤层里有“嘶嘶”的水叫声。煤层本身一般是不含水的，但如果临近水压较高的水区时水就会被挤入煤、岩层的裂隙中而发出响声。,三、矿井水防治,(4)巷道或煤壁“挂汗”，是压力水渗过微小裂隙凝聚于煤层或岩层表面造成的；巷道或煤壁出现水锈“挂红”，是溶解了铁质的水渗进来的结果。(5)涌水量突然增大。(6)顶板淋水，底板鼓起，底板渗水或涌水。以上这些现象，在发生出水之前可能有不同程度的表现，有时可能只出现一种现象，有时则几种情况同时出现。在平时的采掘工作中，要随时注意观察，如果发现这些征兆，就要立即采取措施，进一步探查清楚。,三、矿井水防治,2.井下防治水的方法1)探水探水是指用超前勘探的方法查明采掘工作面前方顶底板、侧帮和前方的含水构造(包括陷落柱、含水层、积水老窑等水体)的具体位置、产状、范围等，以有效地防治矿井水害。探水的原则:探水要本着“有疑必探，先探后掘”的原则，凡遇到下列情况都必须停止掘进，进行探水。,三、矿井水防治,(1)接近水淹的井巷、采空区、老窑或小煤窑时；(2)接近含水层、导水断层、溶洞和陷落柱时，或通过它们之前；(3)接近各类防水煤柱或将打开隔离煤柱放水时；(4)接近可能与地表水相通的地质破碎带时；(5)接近未封闭或封闭不好的钻孔时；(6)接近水文地质复杂区及其他有可能出水的地区时；(7)采掘工作面有明显出水征兆时。,三、矿井水防治,2)放水放水是指在探明水源后，人为地、有计划地将水引出，消除隐患，为煤矿安全生产创造条件。(1)排除积水对于即将开采的区域，如果同一煤层的相邻采区或同一煤层浅部被小煤窑采空积水，可在积水区的适当地点安泵排水；或利用疏水巷道或钻孔将水排至矿井水仓或排水硐室，再排到地面。(2)疏放含水层水煤层的顶底板或靠近煤层顶底板的岩层为含水层时，含水层中的水就会沿着岩层裂隙进入巷道。因此在回采之前，要把含水层水放出。,三、矿井水防治,案例一：2010年1月22日，宁夏回族自治区吴忠市太阳山开发区隆能煤业有限公司发生透水事故，死亡7人。事故直接原因是：该矿在未查清老窑积水的情况下，未执行探放水有关规定，违法违规开采煤柱，放炮作业导致透水事故发生。,三、矿井水防治,案例二：2010年3月19日，贵州省黔西南州安龙县科兴煤矿发生透水事故，死亡6人。初步分析，事故直接原因是：该矿一平巷在未采取探放水措施的情况下掘进至老窑积水区下侧，停止掘进后煤壁经长期浸泡后失去承压能力，老窑积水压垮煤壁导致透水。,三、矿井水防治,3）留设防水煤柱在受水害威胁的地带，预留一定宽度和高度的煤层或岩层不采，使工作面与水体间保持一定的距离，以防地下水或其他水源溃入工作面，所留的煤层(或岩层)称做防水煤(岩)柱。受水害威胁的矿井，属下列情况之一的，应留设防水煤柱：(1)煤层露头直接为疏松含水层所覆盖。(2)煤层直接与富水含水层接触)或被富水含水层所掩盖。,三、矿井水防治,(3)因断层影响使煤层底板与承压含水层接近，且煤层采空后承压水有突破底板的危险。(4)煤层与充水断层接触。(5)煤层与充水陷落柱接触。(6)巷道或工作面接近被淹井巷和积水小窑老空区。防水煤柱的尺寸大小，应考虑到含水层的水压、煤层开采后顶板岩石塌陷情况，煤层所处的位置，煤层的机械强度，巷道的规格大小，以及围岩破坏程度等因素；总的原则是，既能抵抗水的压力，又要尽可能地减少煤炭损失。,三、矿井水防治,4）注浆堵水注浆堵水是将配制好的浆液由巷道或地表用注浆泵压入孔隙、裂隙中，并使其在地下逐渐扩散、凝固、硬化，形成地下“帷幕”，人为地造成隔水、阻水层，切断水源和通道，把水拦截在井田之外，起到堵截水源的作用。,三、矿井水防治,5）设置防水闸门或防水墙防水闸门和防水墙是井下防水的设施。它们是在可能受水害威胁的地段或巷道，为防止地下水突然涌入其他巷道而专门设置的截水闸门或截流墙。防水闸门一般设置在可能发生涌水，且需要堵截，而平时仍需运输和行人的巷道内，例如井底车场，井下水泵房和变电所的出入口，以及涌水互相影响的采区之间。一旦发生水患，立即关闭闸门，将水截住，把水患限制在局部地区，保证其他地区正常生产。,三、矿井水防治,防水闸门的门扇有单扇门和双扇门之分，门扇的形状有圆形和矩形两种。门与门框之间垫有橡胶或用焦油浸过的帆布及铅板，以保证接触严密。在井下需要永久截水，平时又无运输和行人的地点可修筑防水墙，来隔绝积水的老空或有透水危险的区域。防水墙一般用混凝土、钢筋混凝土及砖建造。防水墙的厚度不小于巷道宽度的一半。,三、矿井水防治,除上述防治水方法外，有时选择带压开采。带压开采是指在煤层底板或顶板具有承压含水层的情况下，当隔水层的厚度大于临界隔水层厚度，或水压值稍小于临界水压值时，不采取其他疏降措施即行开采，但选择带压开采一定要慎重，应在经过反复论证，确保不会发生水灾事故的前提下进行。,三、矿井水防治,3、水闸门和水闸墙为了预防采掘过程中发生事故，常需要在井下适当地点设置水闸门或水闸墙，以便在突水时隔离巷道或封闭采区，避免波及全矿井。,三、矿井水防治,小结：本章主要讲解了地史的基本知识、煤与含煤岩系、地质构造及其对煤矿生产的影响以及水文地质及其对煤矿生产的影响,一、判断题1.各