采矿学

金洪伟
安全科学与工程学院

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第1章煤矿地质

第1节地质作用、地壳的物质
组成及地史的概念

第1节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念

一、地质作用

二、地壳的物质组成

地表约75%的面积都覆盖有沉积岩，有许多重要的矿产如煤、油页岩、岩盐等本身就是沉积岩。

第1节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念

三、地史

把地球诞生到现在的大约45亿年缩小到1年来理解地史：

第2节煤的形成、性质和工业分类

一、煤的形成

煤是由古代植物遗体演化而形成的。

云南的褐煤标本，植物的木质纤维组织清晰可见。

一、煤的形成

1. 煤形成的四个条件

古植物条件：植物的大量繁殖。
- 石炭二叠纪 – 蕨类植物
- 侏罗纪 – 裸子植物
- 第三纪 – 被子植物
古气候条件：温暖潮湿。
古地理环境：存在大面积沼泽。
古构造条件：地壳的缓慢下沉速度与植物遗体的堆积速度大致平衡。

一、煤的形成

2.二个成煤阶段

泥炭化阶段：
- 在有氧环境下氧化分解，稳定组分保留下来。
- 在无氧环境下被厌氧细菌分解，产生腐植酸和沥青质，形成泥炭。
煤化阶段：
- 成岩：泥炭在在一定温度和压力作用下被压实和脱水，碳含量增多，氢氧含量减少，成为褐煤。
- 变质：褐煤在高温高压作用下，发生物理化学变化，碳含量进一步变大，氢氧含量进一步减少，密度增大，硬度增加，逐渐变成了烟煤、无烟煤甚至石墨。

一、煤的形成

3. 煤系的概念

煤系: 在一定地质时期内，形成的具有成因联系且连续沉积的一套含有煤层的沉积岩系，又称含煤岩系。

煤系一般按其形成的时代命名，如我国华北的石炭二叠纪煤系、东北的侏罗纪煤系、华南的晚二叠世煤系等。
也可采用煤系发育良好、研究较早的地区来命名，如华南的晚二叠世煤系，在江苏龙潭、江西乐平等地研究较早，所以被称为龙潭煤系或乐平煤系。

二、煤的性质

1. 物理性质

煤的物理性质包括光泽、颜色、条痕、硬度、脆度、密度、容重和导电性等。

二、煤的性质

2. 化学组成

煤的化学组成主要是由有机质和无机质两大类。有机质是煤的主要组成部分，包括碳、氢、氧、氮和有机硫，还有少量磷等；无机质包括无机矿物质和水分。绝大多数是煤中的有害成分，对加工利用不利。

第3节煤的形成、性质和工业分类

三、煤的工业分类

1. 常用的煤质指标

水分W
灰分A
挥发分V
胶质层厚度Y
发热量Q
硫S和磷P的含量
含矸率

2. 煤的工业分类

分类方法见下页图。

参见标准：GB/T 5751-2009 中国煤炭分类。

第3节煤层的埋藏特征

一、煤层赋存状态

1. 煤层的厚度

2. 煤层的倾角

一、煤层赋存状态

3. 煤层的稳定性

稳定煤层：在井田范围内厚度均大于最低可采标准，厚度变化也有一定规律。
较稳定煤层：厚度变化较大，但在井田范围内大多可采，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。（左图）
极不稳定煤层：常呈现鸡窝状、串珠状、断断续续分布，井田范围内仅局部可采。（右图）

一、煤层赋存状态

4. 煤层结构

简单结构：煤层中没有呈层状出现的比较稳定的夹石层，但仍可能夹一些矿物质透镜体或结核。
复杂结构：煤层中常含有较稳定的夹石层。

第3节煤层的埋藏特征

二、煤层顶底板岩石

煤层顶底板岩石是指煤系中位于煤层上下一定距离内的岩层。按照沉积的次序，在正常情况下，先于煤生成的岩石是煤层的底板，较煤后生成的岩层叫做顶板。

第2节煤层的埋藏特征

三、地质构造对煤层的影响

在地壳运动的作用下，煤和岩层改变了原始埋藏状态，所产生的变形或变位的形迹称为地质构造。包括单斜构造、褶皱构造和断裂构造。

1. 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称为单斜构造。单斜构造往往是其他构造形态的一部分。

三、地质构造对煤层的影响

1. 单斜构造

岩层的空间位置及特征通常用产状要素来描述。其要素有走向、倾向和倾角。

走向。煤层或岩层层面与水平面相交的线称为走向线。走向线的延伸方向称为走向。煤层或岩层的走向通常是用走向线的方位角来表示的。
倾向。煤层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。
倾角。煤层或岩层层面与水平面之间的两面角叫做煤或岩层的倾角。倾角变化在0°～90°。煤层倾角越大，开采越困难。

三、地质构造对煤层的影响

2. 褶皱构造

岩层受水平力的作用被挤压成弯弯曲曲，但保持的岩层的连续性和完整性的构造形态叫褶皱。岩层褶皱构造中的每一个弯曲叫褶曲。岩层层面凸起的褶曲叫背斜，岩层层面凹起的褶曲叫向斜。背斜和向斜往往相连。

三、地质构造对煤层的影响

3. 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叫断裂构造。断裂面两侧的岩层没有发生明显位移的叫裂隙，反之称为断层。断层各组成部分的名称叫断层要素，包括断层面、断盘和断距。

三、地质构造对煤层的影响

断层面。是指岩层发生断裂位移时，相对滑动的断裂面。断层面和裂隙面的空间位置和倾斜岩层一样，可用产状要素—走向、倾向、倾角来描述。
断层线。是指断层面与地面的交线，即断层面在地面的出露线，它反映了段层的延伸方向，它可以是直线也可以是曲线。断层面与水平面的交线亦称为断层线，在水平切面图上的断层线表示断层的走向。
断盘。是指断层面两侧的岩体。断层面如果是倾斜的，按照相对位置通常把位于断层面上面的断盘称为上盘，断层面下面的断盘称为下盘。
断距。是指断层的两盘相对位移的距离，分为垂直断距和水平断距。

第3节煤层的埋藏特征

四、岩溶塌陷及岩浆侵入对煤层的影响

第3节煤层的埋藏特征

五、影响开采工作的其他因素

1. 煤的自燃倾向性

煤的自燃性决定于煤的疏松程度及氧化过程的剧烈程度。煤愈松软，煤层愈厚或氧化愈快，其自燃危险就愈大。

2. 煤和岩层的含瓦斯性

瓦斯的涌出和积聚不但给矿井生产带来许多困难，还可能造成严重的灾害。因此，在开采含瓦斯较大的煤层时，应当在技术上采取特殊措施。

3. 矿井的充水程度

矿井开采时，由于巷道开掘和采空区塌陷，必然波及煤层上下的含水层以及地表下的水源，而造成矿井充水。严重时还可能威胁矿井安全。

第4节煤田地质勘探及矿井储量

一、煤田地质勘探的任务

煤田地质勘探的任务是了解矿井煤的储量、井田地质条件、煤层赋存条件、水文地质条件、开采技术条件、煤种煤质等矿井的资源条件。

第4节煤田地质勘探及矿井储量

二、煤田地质勘探工作的阶段划分

第4节煤田地质勘探及矿井储量

三、煤田地质勘探方法

地质测量法：对天然露头和人工露头进行测量和描述，并把煤系地层、煤层产状和构造线等测绘在地形图上，绘制成地质地形图。地质测量是勘探工作中最基础的工作，在煤田地质勘探的各个阶段都要进行。
探掘工程法：又称山地工程法，是对覆盖层较薄的地区，用人工方法揭露岩层、煤层和构造。常用的探掘工程有探槽、探井和探巷。

三、煤田地质勘探方法

钻探工程法：利用钻机钻进，通过采取岩、煤芯以获得必要资料。当煤系上覆地层较厚时使用，是矿区详查和井田精查的主要技术手段。
地球物理勘探法：又称物探，利用岩石、煤层等矿床所具有的不同物理性质（磁性、密度、电阻率、弹性波传播速度、放射性等）对地球物理所产生的异常来查找煤层、圈定含煤地区，推断地质构造，如地震法、电法和测井等。