1、地质学(煤矿地质学),地质学基础,第七章 矿井地质,补 充 煤矿巷道知识第一节 地质工作概述第二节 主要矿井地质工作第三节 影响煤矿生产的地质因素,补煤矿巷道知识,主要巷道,垂直巷道,水平巷道,开采巷道,立井：主立井提升煤 付立井材料、人员,小井：3m，通风、行人等,暗井、溜井（溜煤眼）,平硐；石门；平巷：总运输巷，煤层运输巷 总回风巷，煤层回风巷,斜井：主斜井、付斜井；上山、下山，溜眼,总运输巷，总回风巷；采区运输巷，采区回风巷；,倾斜巷道,采区巷道,运输巷，回风巷；开切眼,巷道迎头，两帮，顶棚；探巷,掘进巷道,一、目的与任务 研究勘探、开拓的资料保证矿井生产的正常进行； 扩大储量、延长矿井
2、的寿命，保证煤炭资源的合理开采； 编制采面地质说明书； 研究回采过程中的地质问题； 对煤质和储量加强管理； 长期积累、研究矿井的地质资料、找出问题和处理方式；二、矿井原始地质编录 经常性和及时性； 准确性和全面性； 系统性和统一性； 突出重点性,第一节 地质工作概述,石门的编录,石门编录示意图,三、矿井生产中的“三量管理”,三量： 煤矿采掘生产的准备工作，包括水平开拓、采区准备和回采工作面的切割等三个阶段。根据上述三个阶段的井巷工程的性质和用途，定为开拓巷道、准备巷道和回采巷道；由三类巷道圈定的可采储量分别称为：开拓煤量、准备煤量和回采煤量，简称“三量”。,开拓煤量： 为开拓巷道所圈定的煤量。
3、指完成开采所必须的：主井、副井、风井、井底车场、主要石门、集中运输大巷或运输大巷、集中下山或采区下山、主要溜煤眼和必要的总回风巷等开拓、掘进工程所圈定的范围内、按设计要求应采出的煤量。可采期一般中型矿井为35年。,准备煤量： 为准备巷道所圈定的煤量。指在开拓煤量范围内完成开采所必须的采区运输巷道、采区回风巷道及采区上山等掘进工程所圈定的范围内、按设计要求应采出的煤量。可采期一般为1年。,回采煤量： 为在准备煤量的范围内，为采区上山、中间巷道和回采工作面切割眼，安装设备即可正式进行回采的煤量。可采期一般为46个月。,四、储量损失与回采率： 回采率计算： 回采率=（储量-损失量）/储量100%,采
4、区回采率,厚煤层 75%,中厚煤层 80%,薄煤层 85%,水力采煤 75%,回采工作面回采率,厚煤层 93%,中厚煤层 95%,薄煤层 97%,要加强储量管理、节约资源！,第二节 主要矿井地质工作,主要工作,新开拓区（水平延深）的地质工作；采区掘进的地质工作；工作面掘进的地质工作；工作面回采的地质工作；矿井收尾的地质工作；,矿井生产勘探工作,为直接解决生产的具体问题勘探工作：采掘施工超前放瓦斯和水，探岩体分布和对煤层的破坏范围；确定岩溶陷入柱位置；探煤厚变化、确定煤层的氧化和风化带；当巷道遇断层时，寻找断失煤层；圈定煤层的可采边界等。,矿井生产勘探工作,未开拓区地质构造及煤厚变化：了解未开拓
5、区的地质构造及煤厚变化；井田深部或两翼范围内低级储量升级；探明井田内设计中未包括的可采薄煤层、高灰分的煤层中圈出局部可采地段；进行专门的水文地质勘探工程，“解放”受水威胁的煤层。,第三节 影响煤矿生产的主要地质因素,普遍性地质因素：地质构造 煤层厚度变化 煤层顶底板条件 局部性地质因素：岩浆侵入体 喀斯特陷落柱 矿井水 矿井瓦斯 地压 地热,一 煤层厚度的变化,（一）煤层厚度变化的原因（二）煤层厚度变化对煤矿生产的影响（三）煤层厚度变化的观测与探测（四）评定煤层稳定性的主要参数（五）煤层厚度变化的处理,（一）煤层厚度变化的原因,1.原生变化 煤层形成以前，由于地壳运动、沉积环境变迁等地质因素影
6、响而引起煤层形态和厚度的变化。原生变化包括： 地壳不均衡沉降（P161 图6-1） 泥炭沼泽古地形影响（基底不平）（P161 图6-2） 河流同生冲蚀（P162 图6-3） 海水同生冲蚀（P162 图6-4）2.后生变化 煤层形成以后，因河流冲蚀、构造运动、岩浆侵入、喀斯特陷落等地质因素影响而引起煤层形态和厚度的变化。后生变化包括：河流冲蚀（P162 图6-5） 构造运动（P162 图6-6） 岩浆侵入（P162 图6-7） 喀斯特陷落（P162 图6-8）,（二）煤层厚度变化对煤矿生产的影响 1、影响采掘部署和计划生产 2、影响掘进率，使掘进率增高 3、降低回采率 4、瓦斯突出矿井，影响安全
7、生产,（三）煤层厚度变化的观测与探测,1、观测内容：在各见煤点观测煤厚、媒质结构、煤岩煤质、产状、 煤层含水性、煤层顶底板。2、观测方法 （1）观测点的布置： 结构简单稳定煤层，以50-100米点距控制 结构复杂多变煤层，以10-20米点距控制 （2）观测方法： A、煤层全厚观测及素描：产状、伪厚、真厚、断层、褶曲、分叉、尖灭及裂隙统计等 B、煤层连续剖面测制：以一定间距测绘煤层柱状、迎头素描、结构和构造形态、煤层产状、厚度、顶底板标高及裂隙统计等。 C、煤岩分层描述：划分煤岩类型及夹石层，作出柱状图。 D、制图：上述各种资料全部应在采掘工程平面图上进行填绘，还应编制煤层等厚线图等。,（三）煤
8、层厚度变化的观测与探测,3、煤层探测（1）煤厚探测 煤巷掘进：缓倾斜煤层：钻探+溜煤眼、 钻探+联络斜巷 急倾斜煤层：钻探+煤门 回采工作面 煤电钻探测（2）煤层分叉尖灭的探测 A、煤层呈多层次稳定分叉 沿主煤层掘进+井下钻探探分层 B、煤层呈稳定程度不同的分叉 主分叉布巷道+钻探+巷探（3）煤层底凸薄化的探测圈定不可采范围 A、井下轻便钻机探测 B、井道实际穿过的底凸部位 C、观测工作面的顶、底板情况 （编制顶底板标高等值线图）（4）古河流冲蚀变薄带 A、巷道观测素描，并在平面图上展布 B、井下巷探、钻探，并充分利用勘探期建井期资料 C、编制煤层等厚线图、顶板岩性分布图,（四）评定煤层稳定性
9、的主要参数,据矿井地质规程（1984年5月）指出，在定量评价煤厚稳定时： 薄煤层以可采掘指数为主要指标，煤厚变异系数为辅助指标； 中厚、厚煤层以煤厚变异系数为主要指标，可采性指数为辅助指标。 定量划分煤层稳定程度类型煤层可采性指数 Km Km= n/ n 其中：n 评定区内所有参加评定的见煤点数 n见煤点总数n 中煤厚大于或等于最低可采厚度的见煤点数。煤厚变异系数 （%） 其中：s煤厚变化标准差， ； mi见煤点厚度（米）； 评定区内平均煤厚（米）； n参加评定的见煤点数。,（五）煤层厚度变化的处理,1、掘进 出现分叉、尖灭现象，应确定稳定可采的分煤层，若为： 上分层靠顶板掘进 下分层靠底班掘
10、进 上山掘进 变薄带范围小，则挑顶式破底直接穿过去 运输大巷掘进 按原计划直接施工。2、回采 变薄带范围小，可直接推过去； 变薄带范围大，巷探摸清规律可分块开采。,二 矿井地质构造,（一）褶曲构造（二）断裂构造,（一）褶曲构造,1、褶曲对煤矿生产的影响 幅度在几十米以下，长 1km以下为中小型； 类型的划分：A、按褶曲规模分为大、中、小型； 其它为大型。 B、按煤矿生产要求则分为四类，主要以褶曲两翼夹角的大小 （两翼紧闭程度）划分类型： （1）大型褶曲 影响井田划分和矿井设计 （ 2）中型褶曲 影响采区和采区巷道的布置 （3）小型褶曲 影响煤巷及工作面的布置 （4）紧闭褶曲 影响工作面布置,（
11、一）褶曲构造,2、煤矿生产中褶曲的研究 1）褶曲的判断 岩层产状规则变化 岩层层序对称重复 煤层平巷出现弯曲 判断褶曲轴（上下煤层对比、区域构造线） 2）褶曲的观测 （1）巷道描述：褶曲轴位置、方向、产状，并绘 制平面图式剖面图。 （2）两翼产状：褶曲宽度和幅度、延展变化。 （3）褶曲于断层、节理、煤厚变化的关系。,（一）褶曲构造,3、褶曲的处理 1）大型褶曲 （1） 以轴线作为井田边界。 （2）井田内背斜轴可布置总回风巷，向斜轴作为运输大巷。 （3）向斜轴部煤层厚度大，顶板压力大，不宜布置井筒， 背斜轴部要注意瓦斯突出的预防。 2）中型褶曲 （1）轴线作为采区中心的上山或下山。 （2）褶曲轴
12、作为采区边界。 （3）宽缓褶曲，可单翼开采，直接推过轴部。 3）小型褶曲 （1）煤层变化大时，需重开切眼生产 （2）影响运输（60米内无大弯），需改造取直。,（二）断裂构造,1、节理对煤矿生产的影响 1）节理发育，容易卡钻，影响钻眼煤破效果。 2）影响开采效率（顺节理开采效率高）。 3）影响顶板控制方法（不能用顶柱，而要用 顶梁且与节理发育方向有一夹角）。 4）影响工作面布置（工作面与主节理方向要有一夹角）。 5）节理时瓦斯、地下水的良好通道。,（二）断裂构造,2、断层对煤矿生产的影响 1）影响井田划分和开拓方式。 2）影响采区和工作面布置。 3）影响安全生产（破碎带、瓦斯聚集、地下水通道）。
13、 4）增加煤炭损失量（断层煤柱）。 5）增加巷道掘进量 6）影响煤矿综合经济效益（见表6-3 p176）,（二）、断裂构造,3、煤矿生产中断层的研究 1）断层揭露前的征兆 （1）裂隙增加 （2）产状变化 （3）煤厚变化 （4） 煤层结构发生变化，粉末鳞片状现象增多 （5）大断层附近常见有小断层伴生出现 （6）瓦斯涌出量增大 （7）出现滴水、淋水、涌水现象,2）断层的观测 （1）确定断层位置，并绘在平面图、剖面图上 （2）观察断层面特征：产状、擦痕、破碎带、充填物等 （3）观察断层伴生构造：牵引现象、羽生节理等 （4）确定断层性质 （5）测量断层面产状 （6）确定断层断距、落差，可实测或推断 （
14、7）素描,3、煤矿生产中断层的研究,3） 寻找断失煤层 （1） 层位对比法（注意不同煤层被错接在一起） （2） 伴生派生构造判断法，推测断失煤层位置 （3） 规律类推法（正断层，还是逆断层） （4） 作图分析法，利用各种矿图进行分析对比 （5） 生产勘探法（钻探、巷探、物探）,3、煤矿生产中断层的研究,（二）断裂构造,4 4、 断层的处理 ）开拓设计阶段对断层的处理 （） 井田边界、采区边界的确定。 （） 井筒应尽可能避开断层。 （） 合理布置运输大巷。 （） 尽可能将断层作为回采边界、节约资源。 （） 井田开拓方式的选择，缓倾斜煤层被断层断开后要用立 井开采。 ）巷道掘进阶段对断层的处理 （
15、）平巷过断层改变巷道方向寻找断失煤层 应根据断层性质、煤层倾向确定掘进方向（破顶式或顺断 层面推进） （2）倾 斜巷道过断层，应根据断层具体情况而定,3）回采阶段对断层的处理 （） 当断层落差小，在以下情况下可强行通过 a、 普采、炮采工作面，落差小于煤厚； b、 综采工作面，断层两盘对接煤厚大于液压支架的最小支撑高度； c、 综采工作面，断层两盘对接煤厚小于液压支架的最小支撑高度 且底板岩性较软，采煤机能切割； （） 重开切眼 遇到倾向式斜交断层时，落差大于煤厚可重开切眼 （） 划小工作面 落差大于煤厚的走向断层，可根据具体情况采用合采或分采的办法,4、 断层的处理,三 岩浆侵入煤层,（一）
16、岩浆侵入对煤层生产的影响（二）岩浆侵入煤层的观测与研究（ 三）岩浆侵入体煤层的处理,（一）岩浆侵入对煤层生产的影响,1、对煤质的影响 （1）岩墙 影响两侧煤层 岩床 影响范围大 （2）侵入体大小 （3）基性侵入岩比酸性侵入岩影响大（辉绿岩、闪长岩、石英斑岩） （4）热力变质带（由近至远为天然焦、高变质煤、低变质煤、正常煤） 2、对生产的影响 （1）减少煤炭储量； （2）降低煤质：灰分增高、挥发分降低、粘结性破坏； （3）破坏煤层连续性，影响掘进、回采,（二）岩浆侵入煤层的观测与研究,1、对岩浆侵入体的观测 观测、素描的内容 （1）侵入体颜色、矿物成分、结构、构造、岩石类型； （2）侵入体产状；
17、 （3）侵入体与断裂关系； （4）煤层受影响情况：接触关系、天然焦宽度、煤变质程度等。 2、探测岩浆侵入体 （1）巷探、钻探 （2）编制侵入体平面图、剖面图 （3） 采取煤样，了解煤变质规律 （4）利用地震、钻探资料研究侵入体分布规律（山东物探测量队） 3、对岩浆侵入体资料的综合研究 综合各种资料，提出侵入体分布图、煤层煤质预测图,（三）岩浆侵入体煤层的处理,岩墙： 视岩墙规模大小而决定是否重开切眼还是分采岩床： 视岩床规模大小而决定是否直接推进还是注销,四 喀斯特陷落柱,（一）陷落柱成因（二）陷落柱的特征（三）陷落柱的观测和研究（四）陷落柱对生产的影响及处理,（一）陷落柱成因,1、喀斯特洞穴
18、发育的地质条件 （1）煤系或其下部存在可溶性岩层； （2）煤系中断裂构造发育； （3）地下水源丰富，且含酸根； （4）地下水动力条件好，排泄口流畅，水循环强烈；,2、喀斯特洞穴塌陷机理 1）重力塌陷上覆岩层重力所致 2）真空吸蚀塌陷 密封的溶洞因地下水排泄及局部地壳升降等原因，使其底部由承压 转为无压或负压，因此不断下降的水产生强烈的抽吸作用，使盖层陷落。 同时溶洞内外的压差效应，也使外部大气压对盖层产生冲压作用。 3） 物理化学综合作用 （1）岩层内出现物质重结晶作用； （2）地下水冲蚀和溶蚀作用 成煤过程中有机质分解产物（H2O,CO2,CH4）的化学作用。,一陷落柱成因,（二）陷落柱的特
19、征,1、基本形态 1）平面形态 以圆形、椭圆形、长条或不规则形 2）剖面形态 坚硬岩石的地层：柱体上小下大，夹角60 80。 松散或松软岩层：柱体上大下小，夹角40 50 。 3）陷落柱高度 根据地质条件不同，一般为几十米二百米，也有高 达数百米，直至地表。 4）陷落柱中心轴 柱体各平面中心点的连线中心轴线； 中心轴线多数不是直立的； 中心轴线可预测下部煤层中陷落柱的位置。,（二）陷落柱的特征,2、陷落柱出露特征 1）地表出露特征 （1）盆状凹陷：被第四系覆盖 （2）丘状凸起：上覆地层呈碎块状隆起堆积 （3）柱状破碎带：出露于沟谷、公路两侧 （4）特殊地貌上的形态（黄土覆盖区）： 蜂窝状圆形陷
20、坑、弧形裂缝、滑坡 2）陷落柱井下特征 （1）柱面特征 不规则状：坚硬岩石呈突出状；松软岩石呈凹陷状 （2）柱体特征：多为较新地层碎块或第四系松散沉积物充填；柱内 岩块岩性混杂，分选差、棱角分明，若被胶结，则 为地史时期陷落柱；若松散，则为现代所形成。 （3）陷落柱内沉淀物：红色铁质、白色钙质、高岭土沉淀物、泥质 沉积物等。,（二）陷落柱的特征,3、喀斯特陷落柱分布特点 平面分布上具有明显的分区性和分带性： 分区性矿区各井田水文地质条件不同所致。 分带性与构造断裂带密切相关。,（三）陷落柱的观测和研究,1、陷落柱出现预兆 1）产状变化：塌陷牵引作用所致。 2）裂隙增多：裂隙走向平行柱面切线方向
21、，裂隙面向陷落柱中心 倾斜。 3）小断层增多：多为向陷落柱中心倾斜的正断层。 4）煤质氧化：光泽变暗，水分增多，强度降低。 5）涌水量增大：陷落柱穿过含水层起了通道作用。,（三）陷落柱的观测和研究,2、井下陷落柱的观测 注意与断层带、冲刷带的区别。 1）煤岩层特征 倾角增大，煤质松软，光泽变暗，出现水锈，裂隙呈弧形。 2）柱面特征 高角度凹凸不平的倾斜面，面上有煤粉、水锈、岩屑、软泥， 柱面与巷底交线呈弧形。 3）柱体内特征 观测岩性、形状、大小、堆积方式。 4）利用已有资料，结合观测特征，判断陷落柱的形状、大小等。,（三）陷落柱的观测和研究,3、陷落柱的探测 1）、钻探（回采工作面内探测）
22、2）物探（无线电波透视法） 3）巷探（小断面巷探）,（四）陷落柱对生产的影响及处理,1、陷落柱对生产的影响 1）破坏可采煤层，减少煤层可采储量； 2）影响正规开采，使工作面无法布置； 3）增加巷道掘进率，降低回采率； 4）影响安全（矿井水、瓦斯的通道）。2、陷落柱的处理方法 1）设计时将陷落柱留在煤柱中。 2）主要巷道掘进时，在保证安全的前提下，直接穿过陷落柱，回风 巷则应绕行。 3）回采工作面遇上陷落柱，可视具体情况（陷落柱大小、位置等） 而定。,五 矿井瓦斯,（一）瓦斯的形成与分带 （二）煤层瓦斯含量的影响因素及预测 （三）矿井瓦斯涌出量及矿井瓦斯等级 （四）防治煤（岩）与瓦斯突出的地质工
23、作,（一）瓦斯的形成与分带,1、瓦斯在煤层内的赋存状态 1）游离状态 以自由气体分子状态在煤层空隙中运动。游离瓦斯的数量取决于 煤层、围岩孔隙率的大小、温度、压力、压缩系数。 2）吸附状态 约占煤中瓦斯的7095%，又分为两种： 1）吸着瓦斯：瓦斯分子被吸着在煤岩体的孔隙内表面，形成薄 膜。 2）吸收瓦斯：瓦斯气体分子进入气体内部，瓦斯分子与煤分子 结合成固溶体。 3）动态平衡 压力降低或温度升高，吸附瓦斯可变为游离瓦斯（解吸）； 压力增高或温度降低，部分游离瓦斯变成吸附状态（吸附）。,（一）瓦斯的形成与分带,2、瓦斯的形成 与成煤过程有关，三种形成方式： 1）生物化学作用形成 成煤第一阶段：
24、有机质缺氧，分解出甲烷、沥青煤等，但不易保存。 2）煤变质作用形成 泥炭在上覆岩层高压高温的影响下，炭含量增加，并生成甲烷，多保 存在煤层中。形成一吨煤可产出1000m3的甲烷、CO2等气体。 3）油型气来源 煤系中含有砂岩含油层，瓦斯从含油层进入煤系中。,（一）瓦斯的形成与分带,瓦斯风化带,3、瓦斯分带：自上而下分为四个带： 氮气二氧化碳带，CO220%； 氮气带，N280%、CH420%； 氮气甲烷带，CH4为2080%、N2为8020%； 甲烷带，CH480%、N220% 瓦斯风化带下界的确定： 煤体中所含瓦斯成分80%； 煤层瓦斯压力 0.150.2MPa； 相同条件（温度，压力）下，
25、与上述煤层瓦斯压力相当的瓦斯 含量为： 气煤：1.52.0m3/t； 粘结煤：2.02.5 m3/t； 瘦煤：2.53.0 m3/t； 贫煤：3.04.0 m3/t； 无烟煤：5.07.0 m3/t 矿井相对瓦斯涌出量大于2 m3/t。,（二）煤层瓦斯含量的影响因素及预测,1、影响瓦斯含量的地质因素 1）煤的变质程度：随着变质程度的升高，煤层吸附瓦斯能力加强。 2）围岩与煤层渗透性 在压力影响下，煤层瓦斯运移与排放与围岩和煤层的渗透性相关。 3）地质构造：断层、褶曲对瓦斯含量因其性质不同而产生不同影响。 4）地下水：地下水活动区瓦斯含量降低。 5）煤田暴露程度 暴露式煤田，瓦斯排放容易； 隐伏
26、式煤田，不利于瓦斯排放。 6）煤田埋藏深度：瓦斯含量随埋深增大而增加。 几个基本概念： 瓦斯梯度：矿井瓦斯相对涌出量每增加1 m3/t时所增加的深度。 瓦斯含量梯度：同一矿井瓦斯含量每增加1 m3/t时所增加的深度。 瓦斯压力梯度：矿井瓦斯压力每增加0.1MPa时所增加的深度。,（二）煤层瓦斯含量的影响因素及预测,2、煤层瓦斯含量的测定 1）直接测定 密闭式岩芯采取器或集气式岩芯采取器或半自动测井仪（钻进时用） 2）间接测定 采取未经氧化的新鲜煤样，送实验室测定瓦斯吸附数据，再根据井下 实测瓦斯压力计算而定室内容量法。3、瓦斯含量预测图 1）内容：瓦斯取样点、取样点煤层实际瓦斯含量、瓦斯风化带
27、界线、瓦 斯含量等值线等。 2）编图要求： 以煤层底板等高线图作为底图，并分不同煤层编制。 编图资料：化验资料（瓦斯成分及其百分比）、煤层瓦斯含量,（三）矿井瓦斯涌出量及矿井瓦斯等级,1、矿井瓦斯涌出现象 1）普通涌出：缓慢逸出 2）特殊涌出：突出、喷出2、矿井瓦斯涌出量 1）绝对瓦斯涌出量矿井在单位时间内涌出的瓦斯量（m3/d或 m3/min）. 2）相对瓦斯涌出量正常情况下，平均每生产1吨煤所涌出的瓦斯 量（m3/t）。3、瓦斯矿井等级 1）低瓦斯矿井：相对瓦斯涌出量在10 m3/t以下 2）高瓦斯矿井：相对瓦斯涌出量在10 m3/t以上 3）煤（岩）与瓦斯突出矿井：采掘过程中发生过煤（岩）与瓦斯突出 矿井,
