01第一章煤矿地质知识

《采煤概论》一、课程性质、目的和任务《采煤概论》是一门系统地讲述矿山煤炭资源开采的基本理论与方法的课程。通过本课程的学习，为今后从事该行业工作打下基础。二、教学基本要求1.掌握矿井开拓及矿井开采设计的基本理论和主要方法。2.了解矿井巷道掘进与支护。3．掌握了解采煤方法、采煤工艺和回采巷道布置的基本理论和方法。4、了解矿井通风与安全。5、了解露天开采基本理论和主要方法。三、教学内容及要求本课程主要讲述煤矿开采的基本概念、开采理论、开采方法与技术。包括煤矿地质、井田开拓及矿井开采设计、井巷掘进与支护、准备方式与采煤方法及工艺、矿井通风与安全、矿井其他开采方法以及露天开采。第一篇煤矿地质第1章煤矿地质知识本章重点及难点分析•1、地质作用•2、岩石的形成与分类•3、年代地层（地质年代）表•4、煤的形成条件•5、煤的性质及工业分类•6、煤层赋存状态（厚度、结构、倾角及稳定性）•7、地质构造（向斜、背斜、断层、岩浆浸入）•8、煤的自燃、瓦斯和水对矿井开采的影响•9、矿井储量。本章主要内容•第一章煤矿地质知识–第一节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念–第二节煤的形成及煤系–第三节煤的性质及工业分类–第四节煤层的埋藏特征–第五节煤田地质勘探及矿井资源/储量第一节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念埋藏在地下的煤和其他矿产资源，都是地壳物质运动和各种地质作用的产物。一、地质作用在漫长的地质年代中，由于自然动力引起地壳物质组成、内部构造和地表形态变化和发展的作用。地质作用按照进行的场所和能源不同，可分为内力地质作用和外来地质作用。（一）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、地表形态发生变化的地质作用，它包括地壳运动、岩浆活动、变质作用和地震作用等。地球内部动力引起的地壳构造改变和地壳内部物质变位的运动称为地壳运动。第一节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念当地壳沿着地球半径方向运动时，表现为地壳的上升或下降，称为升降运动。当地壳物质沿地球切线方向运动时称为水平运动。升降运动常常表现为缓慢的海陆变迁，而水平运动常表现为剧烈的造山运动，引起岩层的变形和变位。在上述的内力地质作用中，最活跃的、其主导作用的是地壳运动。它可以在地壳中造成巨大裂隙，为岩浆活动创造条件，地壳板块间的挤压碰撞可以导致地震，强烈的地壳运动还会引起岩石变质。另外，它还控制着外力地质作用。第一节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念（二）外力地质作用它作用在地壳表层，主要是由地球以外的太阳辐射能、日月引力能等引起。按其作用方式可分为：风化和剥蚀、搬运和沉积、固结成岩。暴露在地表的岩石经受着风吹雨打、日晒夜露，以及生物活动的影响，岩石在原地遭到破坏，产生崩裂、破碎或分解、溶化的过程称为风化作用。以风和流水等流动物质为动力，对岩石进行破坏并把破坏产物剥离开的过程称为剥蚀作用。风化和剥蚀作用的产物，由风、流水等搬运到别的地方的过程称为搬运作用。第一节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念（二）外力地质作用松散的沉积物逐渐变成坚硬沉积岩的过程称为固结成岩，其变化过程主要有：沉积物在压力作用下颗粒紧密排列，挤出水分，体积缩小，称为紧压；把砾石、砂粒等屑碎物粘结起来的过程称为胶结；细小的沉积物颗粒集中合并而发育成较大的晶体的过程称为重结晶。内力地质作用和外力地质作用彼此间有着密切的关系，共同雕刻着地表形态，控制着地下岩层的赋存状态。第一节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念二、地壳的物质组成–组成地壳的岩石种类繁多，按照生成原因，可以将岩石划为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类别。–沉积岩是在地表或接近地表的常温，常压条件下，暴露于地表的先成的岩浆岩、沉积岩、变质岩，经受外力地质作用被风化、剥蚀成碎块或碎屑的物质或溶解物质，经搬运、沉积和固结成岩作用而形成的新岩石。–沉积岩分布最广，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。第一节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念二、地壳的物质组成–由于先后沉积的物质在成分、粒度、颜色、形状等方面的差异，沉积岩显示出有明显的成层现象，称为层状构造。岩石之间的界面称为层面。岩层上下层面间的垂直距离称为层厚。岩层两个层面之间更细微的成层现象称为层理。沉积岩层上面有时还保留有反映沉积时代环境的某些特征，如波痕、泥裂等称为层面构造。–沉积岩在沉积的过程中，往往有生活在当时的某些生物的遗体和遗迹被沉积物所掩埋，这些生物的遗体的有机物逐渐被矿物取代、填充，这在岩石中就保留了原来古生物的形体或痕迹，称为化石。在沉积岩中有时可见到团块状、椭球状或不规则形态物体，其物质成分与围岩石不同，称为结核。第一节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念二、地壳的物质组成–沉积岩的重要特征：有成层构造和层理；具有层面构造；含有古生物化石和结核。根据这些特征，可以推断岩石形成的地质时代和生成环境。–沉积岩按物质成分和成因可分为碎屑岩类、粘土类及化学和生物化学岩类。这些岩类在煤矿区都能见到。矿区常见的沉积岩类有以下几种（按岩块颗粒大小）：–角砾岩、砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩及页岩、石灰岩。第一节地质作用、地壳的物质组成及地史的概念三、地史的概念–地壳的发展历史简称地史。在45亿年以前形成的地球，在漫长的岁月里，其地壳在不停地运动，地球上的生物也在不断地发展演化。研究表明，地球上的任何一种矿物、岩石，任何地貌和构造形态以及任何一种动植物，都是地壳发展演化的产物。–通常根据地壳运动及古生物的发展，将地壳发展历史的主要阶段及其顺序，从古到今划分为太古代、元古代、古生代、中生代和新生代五个大的时期。其中早古生代的石炭纪和二叠纪、中生代的晚三叠世和早侏罗世、新生代的早第三纪等均有煤炭聚集。第二节煤的形成及煤系一、煤的形成实践证明，全球煤矿藏的分布是不均衡的。如早古代的石炭纪和二叠纪、中生代的晚三叠世和早侏罗世、新生代的早第三纪等均有煤炭聚集，而其它地质时期则缺少具经济价值的煤炭层。同一个地质时期，有些地区有煤炭聚集，有的地区则没有煤炭聚集；甚至于同一个聚集期内，不同聚煤地区常出现不同的聚煤范围和不同的煤层厚度。由此可以看出，煤层的形成是受某些条件控制的。这些条件常称为成煤的控制因素，如古植物、古气候、古地理及古构造等。当成煤的控制因素配合良好时，就会出现强盛的聚煤时期；否则，是成煤的衰退时期。第二节煤的形成及煤系成煤条件：古植物、古气候、古地理及古构造古植物条件植物是成煤的原始物质。没有大量的植物生长，就不可能形成煤炭。植物的大量生长繁殖是在地球形成数十亿年以后，因此煤炭的形成也是近几亿年植物大量繁殖后才开始的，这就是地球上自植物大量发展以来出现主要聚集期的理由。例如我国三大聚集期（即石炭二叠纪、三叠侏罗纪、第三纪等）分别与孢子植物、裸子植物及被子植物的繁盛时期相适应。第二节煤的形成及煤系古气候条件植物的大量生长繁殖必须有适宜的气候条件。所谓适宜的气候条件主要是指空气的温度和湿度。这是因为只有在潮湿和温暖的条件下，植物才能大量繁殖。其中，温度既影响植物繁殖的速度，又影响植物遗体的分解速度。如热带地区，植物繁殖的速度很快，为泥炭的生成提供了大量的原始质料，但高温又促使植物遗体快速分解，破坏了泥炭的大量堆积。如果植物遗体在稍有积水的沼泽地带，且遗体能够及时地被掩埋起来，避免氧化分解，即可逐渐聚积起来形成泥炭。因此，潮湿和温暖的气候是成煤的最有利条件。第二节煤的形成及煤系古地理环境古地理因素是指适宜于大面积沼泽化的自然地理环境。实践证明，符合沼泽化的自然地理环境，主要有滨海的广阔平原、内陆湖泊、广大河谷的河漫滩、河口三角洲、泻湖海湾及山间盆地等较广阔的平坦地带。由于地壳升降引起的海水进退，常常在上述古地形条件下形成大面积的沼泽，我国将含煤岩系划分为陆相含煤岩系及海陆交替相含煤岩系，这是与上述各地形相吻合的。第二节煤的形成及煤系古构造条件在地质历史时期中，含煤岩系形成必须具有一定的物质来源和一定的沉积场所。这些物质均来源于沉积场所周围隆起区内的碎屑物质及生长在沉积场所之内的大量植物遗体。形成含煤岩系的沉积场所，主要是分布在各个聚煤期内的低洼盆地。古构造条件对煤的形成影响是多方面的。泥炭层的积聚要求地壳发生缓慢下沉，而下很速度最好于植物遗体堆积的速度大致平衡，这种状态持续时间越久，形成的泥炭层越厚。泥炭层形成后，地壳出现较大幅度和较快的沉降，则有利于泥炭层的保存和转变成煤的过程。地壳在总的下降过程中，若发生多次升降和间歇性的下沉，则可能在同一地区形成多层煤。第二节煤的形成及煤系煤的形成过程煤是由植物遗体经过复杂的生物化学、物理化学作用转变形成的。植物从死亡、遗体堆积到转变为煤的一系列演变过程，称为成煤过程。成煤过程大致可分为两个阶段：一是泥炭和腐泥化作用阶段，二是煤化作用阶段。其中，第一阶段是植物在浅海或沼泽及湖泊中不断繁殖，其遗体在微生物作用下不断分解、化合、堆积的过程。当已形成的泥炭和腐泥被覆盖、掩埋时，进入煤化作用阶段，即第二阶段。也就是在以温度和压力为主的作用下变成煤的阶段。第二节煤的形成及煤系二、煤系的概念–在煤的形成过程中，煤层上下同时形成许多岩层，这些夹有煤层的岩层是在同一成煤时期形成的，通常称为某一地质时代的煤系地层。–煤系是指含有煤层的沉积岩系，它们彼此间大致连续沉积，并在成因上有密切联系。–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。也有采用煤系发育良好、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、江西乐平研究较早，所以被称为龙潭煤系或乐平煤系。煤系在温暖潮湿气候条件下形成。富含植物物质，煤系岩石颜色往往以灰色、灰黑色、灰绿色、黄绿色为主第三节煤的性质及工业分类一、煤的性质1．煤的物理性质：包括光泽、颜色、条痕、硬度、脆度、比重和容重、导电性等。煤的物理性质与煤中所含杂质有关，成分相同的煤的物理性质是随变质程度而改变的。变质程度光泽颜色硬度脆度容重导电性褐煤无光泽暗淡沥青光泽褐色黑褐色2.0～2.5脆度较小有一定韧性1.05～1.2不良导体，导电性随变质程度增高而增加烟煤长焰煤沥青光泽褐黑色2.81.2～1.4气煤强沥青光泽弱玻璃光泽2.6肥煤玻璃光泽2.6最大焦煤强玻璃光泽2.5瘦煤金刚光泽黑色黑灰色无烟煤似金属光泽灰黑色钢灰色3.5～4.0最小1.35～1.8良好第三节煤的性质及工业分类2．煤的化学组成煤的化学组成或化学成份主要是有机质和无机质两大类。有机质是煤的主要成份，包括碳、氢、氧和有机硫，少量的磷等，是有益成份，是加工利用的对象。无机质绝大多数是煤中的有害成份，不能利用，主要是无机质矿物和水份。碳。是煤中有机物质的主要成分，是最主要的可燃物质。每克碳燃烧能发出34080.5J的热。煤中碳的含量越高发热量越大。碳的含量随变质程度的增高而增加，从泥炭到无烟煤含碳量从50%增加到90%以上。氢。是煤中重要的可燃物质，燃烧时每克燃烧能发热量34080.5J。含量随变质程度的加深而降低。第三节煤的性质及工业分类2．煤的化学组成：氧。是煤中不可燃物质。含量随变质程度的加深而减少。氮。煤中含氮量较少，仅1%~3%。煤燃烧时氮呈游离态逸出，不产生热量。在炼焦过程中，氮能转化成氨及其他含氮化合物。硫和磷：煤中的有害杂质。含硫高的煤，炼钢性脆，质量下降。第三节煤的性质及工业分类二、煤的工业分类1．常用的煤质指标煤的炭化程度越高，其中的水份和挥发份越少，相反，含碳量越高，一般发热量也越高。也可以简单地说，煤的质量不同。这就是为什么有的煤100多元1吨，而有的煤近1000元一吨的原因。评价煤质的主要因素或主要指标：水份、灰分、挥发分、胶质层厚度、发热量、硫和磷的含量及含矸率等。水分和灰分：煤中的不可燃部分，含量越少煤质越好。灰分是指煤完全燃烧后所剩下的固体残渣，灰分超过40%的煤暂不利用。第三节煤的性质及工业分类二、煤的工业分类1．常用的煤质指标水分和灰分：煤中的不可燃部分，含量越少煤质越好。灰分是指煤完全燃