煤矿地质学

煤矿地质学西安科技大学樊怀仁一、地质学、煤矿地质学的研究对象和任务•地质学是研究地球的一门自然科学。当前主要是研究固体地球的外层——岩石圈，研究的内容包括：地球内部组成物质的成分及其形成、分布和演化规律；地球内部结构和构造；地表形态的发展过程及其发育规律；勘察地下资源的方法等。•煤矿地质学的研究对象主要是煤矿建设、生产过程中出现的各种地质问题，包括煤层赋存、地质构造、水文地质、工程地质、瓦斯地质、煤尘等方面的情况。•煤矿地质学运用地质学的基础理论，查明影响煤矿建设、生产的各种地质因素及其规律性，研究相应的处理方案和措施，保证煤炭资源的正常开采与合理利用。煤矿地质学的任务是研究从矿井基本建设开始直至开采结束为止全过程中的所有地质现象，找出其规律，解决煤矿建设、生产中出现的各种地质问题。二、地质作用•由自然动力促使地球物质组成、内部构造和外部形态发生变化与发展的过程称为地质作用。其中，作用于整个地壳或岩石圈，能源主要来自地球本身的称内力地质作用；作用于地壳表层，能源主要来自地球以外的称外力地质作用。•（一）内力地质作用•1、构造运动：由地球内动力引起地壳(或岩石圈)组成物质变形变位的机械运动过程。•2、地震作用：它是岩石圈内积聚的能量聚然释放而引起的大地颤抖。•3、岩浆作用：岩浆形成、活动直至冷凝成岩的过程称为岩浆作用。•4、变质作用：指地壳中原有的岩石受物理和化学条件变化的影响，使其结构、构造和矿物成分等发生变化而形成一种新的岩石的过程。•（二）外力地质作用•大气、水和生物在太阳辐射能、重力能和日月引力等影响下产生的动力对地壳表层进行的各种作用，统称外力地质作用。•1、风化作用•风化作用是指岩石在地表条件下，由于温度变化，水或水溶液以及生物活动等影响而发生的机械破裂和化学分解作用。•2、剥蚀作用•剥蚀作用是指地表水体、地下水、冰川和风等介质在运动状态下对地壳表层岩石进行破坏并将破坏产物搬走的过程。•3、搬运作用•风化、剥蚀作用的产物，被流水、海洋、风、冰川等运动介质以机械或化学的方式转移到他处的过程称为搬运作用。•4、沉积作用•搬运过程中的物质，由于搬运介质能量减弱或物理化学条件的改变以及生物作用等因素的影响，在适当的环境停顿堆积的过程称为沉积作用。•5、成岩作用•松散沉积物被覆盖与原介质隔绝逐渐固结成岩，直至遭受变质作用或风化作用之前的各种物理，化学、生物作用统称为沉积岩的成岩作用。三、矿物和岩石•一）矿物•1、概念：由一种或多种元素在各种地质作用下形成的自然产物。具有比较固定的化学成分和比较固定的外表形态。以固态为主，有少数液态和气态矿物。•2、矿物的主要特征•颜色、条痕、光泽、硬度、解理、断口•2、常见矿物简介•石英、长石、云母、方解石、白云石、高龄石、蒙脱石、伊利石等。二）岩浆岩•岩浆岩是由来自地球内部的熔融物质（岩浆），在不同地质条件下冷凝固结而成的岩石。当岩浆由火山通道喷溢出地表凝固形成的岩石，称喷出岩或称火山岩。常见的火山岩有玄武岩、安山岩和流纹岩等。当岩浆上升未达地表而在地下一定深度凝结而形成的岩石称侵入岩，按侵入部位不同又分为深成岩和浅成岩。花岗岩、辉长岩、闪长岩是典型的深成岩。花岗斑岩、辉长玢岩和闪长玢岩是常见的浅成岩。三）沉积岩•1、概念：在地表常温、常压条件下，由风化物质、火山碎屑、有机物等经搬运、沉积和成岩作用形成的层状岩石。组成沉积岩的物质来自陆地上已生成的各类岩石，它们称为沉积岩的母岩(或源岩)。除以上母岩外，火山喷出物、生物物质、水体中的化学沉淀物也是沉积岩的组成部分。•沉积岩在地表分布则甚广，约占陆地面积的75%，而海底几乎全部为沉积物所覆盖。•煤系全部为沉积岩。•2、分类：按成因沉积岩可分为碎屑岩、粘土岩和化学岩(包括生物化学岩)。•3、常见的沉积岩•碎屑岩：按粒度划分：砾岩、粗砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩•按成分划分：石英砂岩、长石砂岩、岩屑砂岩•按胶结物划分：硅质砂岩、泥质砂岩、铁质砂岩、钙质砂岩•粘土岩：泥岩、页岩•化学岩：石灰岩、白云岩•4、主要特征•层理构造、层面构造、生物化石四）变质岩•1、概念：地壳内早先形成的岩石(岩浆岩、沉积岩、变质岩)为适应新的温度和压力条件，在不断发生整体熔融的固态前提下，矿物成分和岩石结构发生不同程度的变化，称为变质作用。经过变质作用后形成的岩石称变质岩。•2、分类：根据变质作用类型的不同，可将变质岩分为5类：动力变质岩、接触变质岩、区域变质岩、混合岩和交代变质岩。•3、常见的变质岩：糜棱岩、碎裂岩、板岩、千枚岩、片岩、片麻岩、大理岩、石英岩。四、地层系统与地质年代•地层是指在某一地质年代因岩浆活动形成的岩体及沉积作用形成的地层的总称。所谓的地层是指在地壳发展过程中形成的各种成层和非成层岩石的总称。从岩性上讲，地层包括各种沉积岩、岩浆岩和变质岩；从时代上讲，地层有老有新，具有时间的概念。•地层系统按等级划分为宇、界、系、统、阶、亚阶等六个地层单位。•地质年代按等级划分为：宙、代、纪、世、期、亚期等六个地质年代单位。五、地质构造•地质构造是指组成地壳的岩石（岩体）在内、外动力地质作用下发生的变形与变位，而形成的各种（构造）现象，诸如褶皱、断裂、节理等。•（一）褶皱•岩层受到构造作用后，在保持连续性的情况下产生的弯曲变形称为褶皱构造。通常把褶皱构造中的一个单独的弯曲称为褶曲。•1、褶皱的基本形态•褶皱构造有背斜和向斜两种基本形态。•（1）背斜中部岩层向上拱起的弯曲，正常情况下，两侧岩层向外倾斜。在同一水平面上，中心部分岩层时代较老，两侧岩层依次变新，并且两边对称出现。•（2）向斜中部岩层向下凹陷的弯曲，正常情况下，两侧岩层向内倾斜。在同一水平面上，中心部分岩层时代较新，两侧岩层依次变老，并且两边对称出现。岩层产状（二）断裂构造•岩层受构造应力作用超过其强度时就会发生裂缝或错断，破坏了岩体的完整性而形成断裂构造。断裂构造主要分为节理和断层两大类。凡岩体沿破裂面没有明显位移或仅有微量位移称为节理；岩体沿破裂面两侧发生了明显的位移或较大错动称为断层。（1）断层要素•断层的基本组成部分叫断层要素，主要有断层面、断层线、断层带、断盘及断距等。•断层面指岩层发生位移的错动面。它可以是平面或曲面，断层面的产状可用走向、倾向及倾角来表示。•断层线指断层面与地面的交线。它反映断层在地表的延伸方向，可以是直线或曲线。•断层带较大的断层错动常形成一个带，包括断层破碎带与影响带。•断盘断层面两侧相对位移的岩块称为断盘。在断层面上部的岩块称为上盘，下部的岩块称为下盘。若断层面直立则无上下盘之分。•断距指断层两盘相对错开的距离。岩层原来相连的两点，沿断层面错开的距离称为总断距，总断距的水平分量称为水平断距，铅直分量称为铅直断距。2、断层分类•按断层的两盘相对位移情况，将断层分为正断层、逆断层和平移断层。•A、正断层•正断层的基本特征是上盘相对下移，下盘相对上移。它一般是受水平张应力或垂直作用是上盘向下滑动形成的。•在野外有时见到数条正断层排列组合在一起形成阶梯式断层、地垒和地堑等。•阶梯式断层：岩层沿多个平行的断层面同一方向依次下降形成。•地垒：两边岩层沿断层面下降，中间岩层相对上升形成。•地堑：两边岩层沿断层面上升，中间岩层相对下降形成。•B、逆断层•逆断层的基本特征是上盘相对上移，下盘相对下移。逆断层一般是受水平压力沿着、剪切破裂面形成的，所以常与褶皱同时伴生。•C、平移断层•平移断层是断层两盘相对水平位移的断层。六、煤及煤系•（一）成煤作用•1、成煤作用•煤是植物残骸经过复杂的生物化学、物理化学以及地球化学变化转变而来的，由植物死亡、堆积一直到转变为煤要经过一系列的演变过程，在这个转变过程中所经受的各种作用总称为成煤作用。•成煤作用大致可分为两个阶段。第一阶段主要发生于地表的泥炭沼泽、湖泊以及浅海滨岸地带，植物死亡后的遗体在各种微生物的参与下，不断地分解、化合、聚积，在这一阶段中起主要作用的是表生的生物地球化学作用，结果使低等植物转变为腐泥，高等植物则形成泥炭，因此成煤作用的第一阶段称为腐泥化阶段或泥炭化阶段；已形成的泥炭或腐泥，由于地壳沉降等原因被沉积物覆盖掩埋于地下深处，成煤作用就进入第二阶段，即煤化作用阶段。在成煤作用的第二阶段中，起主导作用的是使煤在温度、压力条件下进一步转化的物理化学作用，即煤的成岩作用和变质作用。泥炭转变为年青褐煤所经受的作用，称作成岩作用，从年青褐煤再转变为老褐煤、烟煤、无烟煤所经受的作用，称为变质作用。成煤作用2、成煤的必要条件•1、植物条件•——成煤的物质基础；•2、气候条件•——影响植物生长，同时影响植物的分解；•3、自然地理条件•——泥炭沼泽和能够形成泥炭沼泽的环境；•4、地壳运动条件•——提供成煤环境和形成厚煤层的条件。（二）煤的物质组成•煤的组成可分为有机质和无机质两大部分，有机质主要由C、H、0、N、S等元素组成，是复杂的高分子有机化合物，是煤的主要组成部分，不同的煤，元素组成是不同的。煤中的无机质包括矿物质和水分，它降低了煤的利用价值，不同的煤，无机质的数量和性质各不相同。•1、煤的水分（M）•煤都含有水分。水分来源有几个方面，一是成煤植物本身就含有水分，在泥炭沼泽堆积时又吸收了水，成煤过程中，水分逐渐减少，但不能完全除去。二是煤层形成后地下水进入煤的裂隙中。三是煤层在开采时人工喷水。洗选时煤泡在水中，运输、堆放过程中接触到雨雪，空气中的水气也能进入煤中。•2、煤的灰分(A)•煤的灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧，煤中矿物质在一定温度下产生分解、化合等复杂反应后剩下的残渣。煤的灰分来自煤中的矿物质，但其组成和质量与矿物质不同。所以煤灰不是煤中原有的成分，而是矿物质燃烧后形成的新产物。煤灰的质量通常低于矿物质的质量。煤的灰分是煤质的重要指标。•3、煤的挥发分(V)•称取粒度小于0.2mm的空气干燥煤样lg，在隔绝空气、900℃土10℃的高温下加热7min，煤样减轻的质量占原煤样质量的百分数，减去煤的内在水分（Mad），即为煤样的挥发分产率，用符号Vad表示。由于煤中的水分和矿物质的含量是变化的，而煤的挥发分只与有机质的性质有关，为了消除水分和矿物质对挥发分的影响，必须把空气干燥煤样基准(Vd,%)换算为干燥无灰基准(Vdah，%),才能反映有机质的特性。•4、煤的固定碳（FC）•煤的固定碳是指从煤中除去水分、灰分、挥发分后的残留物，其产率是通过测定煤的水分、灰分和挥发分后，用计算方法求出的。•5、煤的元素分析•煤的元素分析是指测定煤中有机质的主要元素含量的过程。煤的有机质主要由C、H、0、N、S等元素组成，还有少量的P和金属元素，其中C、H、0占95%以上。煤的元素分析就是测定这些元素的百分含量。（三）煤的化学工艺性质•煤的化学工艺性质是指煤在加工利用过程中表现出来的化学工艺特性，包括煤的发热量、煤的粘结性和结焦性、煤的可磨性、煤的热稳定性、煤对CO2的反应性、煤的灰熔点和结渣性、煤的着火点、煤的可选性等。影响煤化学工艺性质的因素是煤岩成分、煤级、煤的风氧化程度和还原程度，而煤的化学工艺性质则决定了煤的利用方向。•1、煤的发热量•煤的发热量是指单位质量的煤完全燃烧所产生的全部热量，以符号Q表示。•2、煤的粘结性和结焦性•煤的粘结性是指煤粒（直径小于0.2mm）在隔绝空气受热后能否粘结其本身或惰性物质形成焦块的能力；煤的结焦性是指煤粒隔绝空气受热后能否生成优质焦炭的性质。煤的粘结性是结焦的必要条件，结焦性好的煤，粘结性也好；粘结性差的煤，其结焦性一定很差。•3、煤的抗碎强度•指一定粒度的煤样自由落下后抗破碎的能力。抗碎强度与煤级、煤岩成分、矿物含量、煤的风氧化程度有关。（四）煤的分类煤种分带示意图（五）含煤岩系•含煤岩系：指一套在成因上有共生关系并含有煤层的沉积岩系。其同义词有含煤沉积、含煤地层、含煤建造、煤系等。含煤岩系的简称即“煤系”。含煤岩系是具有三维空间形态的沉积实体，是特指含有煤层的一套沉积岩系，是充填于含煤盆地的具有共生关系的沉积总体。含煤岩系的顶底界面不一定是等时性界面，即可以是等时的也可以不等时的。•