煤礦地質基礎學問一、煤礦埋藏特征1、煤層的厚度由于成煤環(huán)境和條件的不同以及地質的影響，煤層厚度差異很大，有的煤層只有幾厘米厚，有的可達幾十米或百余米。煤層的厚度，是確定開拓部署和選擇采煤方法的主要因素之一。我們我國依據開采技術的特點,將煤層按厚度不同分成：(1)薄煤層：小于1.3m的煤層；(2)中厚煤層：厚度在1.3?3.5m的煤層；(3)厚煤層：厚度大于3.5m的煤層。在生產工作中，習慣將厚度大于6m的煤層稱特厚煤層。從我們我國已探明的煤炭儲量和已開采的煤層看，近水平煤層及薄煤層較少，而中厚煤層和厚煤層較普遍。2、煤層的頂、底板煤層頂底板是指煤系地層中位于煤層上下肯定距離內的巖層。依據沉積挨次，先于煤生成的巖石是煤層底板，后生成的是煤層頂板。在正常狀況下，煤層頂板位于煤層之上，而煤層底板位于煤現為一組標高不等的平行直線，各等高線之間距離大致相等，等高線越疏表示煤層傾角越緩，等高線越密表示煤層傾角越陡。褶皺構造則表現為一組標高不等的平行曲線。斷層構造在煤層底板等高線和采掘工程平面上是用斷層交面線，即段層面與煤層面交線的投影來表示的，如圖4-12所示。圖上兩盤符號以點劃線表示上盤，叉劃線表示下盤。圖4-12a為被正斷層斷開的煤層，其底板等高線中斷，煤層底板等高線缺失的地方，即為無煤-4-H-中o圖4-12b,為被逆斷層錯斷的煤層。被逆斷層錯斷的煤層并不缺失，而是重復，使煤層底板等高線發(fā)生交叉重疊現象，重疊部分的上盤等高線為實線，下盤則因被上盤掩蓋而以虛線表示。4）采掘工程平面圖是直接依據地質、測量和采礦資料繪制的。該圖能全面反映煤層賦存和主要地質構造狀況，井下主要碉室、采掘巷道布置狀況，工程進展狀況和工作面相互關系，以及開拓系統和通風運輸系統等。它是礦圖中最基本、最主要的綜合性圖紙，如圖4-13所示。采掘工程平面圖反映的范圍可大可小，可反映全礦井范圍，也可反映某個采區(qū)或某個回采工作面。就煤層而言，它可集中反映單一煤層，也可反映煤層群中聯合布置的采掘工程。采掘工程平面圖是將礦井從井筒、石門、井底車場、運輸大巷、直至巷道進入煤層構成的采區(qū)運輸系統和通風系統，以及沿煤層掘進回采工作面的運輸巷、回風巷和開切眼所構成的回采工作面的運輸系統和通風系統等，用標高投影的方法，將各種巷道投影到同一水平投影面上繪制而成。采掘工程平面圖是一種綜合性圖件，它一方面反映了地質狀況，另一方面礦井開拓、開采狀況。地質內容包括煤層的賦存狀況、地質構造形態(tài)等，因此，在采掘工程平面圖上應繪出煤層底板等高線，各斷層的交面線，煤層的分化帶、氧化帶、變薄帶、沖蝕帶，火成巖吞蝕區(qū)，不行采區(qū)，無煤區(qū),井下火區(qū)，水淹區(qū)，采空區(qū)，見煤鉆孔和煤層厚度等。采掘方面的內容應繪出截至目前的全部采掘巷道，反映礦井的開拓方式、采區(qū)的劃分、采區(qū)巷道布置、工作面分布等，從而進一步反映出礦井的生產系統。詳細內容有：井筒位置(立井、斜井I井底車場、石門、運輸大巷、上下山、人行道、平巷、回風巷、工作面編號、工業(yè)廣場及巷道保安煤柱、已采區(qū)及未采區(qū)界限、回采工作面采掘動態(tài)等，因而在采掘工程平面圖上能一目了然地了解礦井掘進和回采狀況，指導平安生產。5)采掘工程圖的識讀看圖步驟如下：(1)看標題欄。首先看圖的名稱，了解這張圖是什么圖，用什么視圖(平面圖、剖面圖和立體圖)表示什么內容，看圖的比例尺，數一數坐標方格網數，可大致了解工程巷道的尺寸。(2)看圖例。通常在下角位有圖例和符號意義，熟識圖例，看圖時才能了解所表達的內容。(3)看煤層的走向和傾斜。判別巷道性質先看圖上指北針的方向，找到煤層等高線，煤層走向垂直等高線的方向就是煤層傾斜。(4)依據煤層等高線和地質構造符號，看煤層的產狀、構造。依據正、逆斷層在平面上的投影學問(前邊以敘述)判別正、逆斷層。(5)從井底車場開頭，找出主要石門、水平運輸大巷、主要上山、人行道、開拓方式、采煤方法、采區(qū)巷道布置、運輸和通風系統等。(6)對比平面圖和剖面圖。有些礦井巷道平面圖較簡單，縱橫交叉，上下重疊，不易看出巷道位置關系，這時可以看對應的剖面圖?？磮D時，先找出剖面線位置，然后對比相應的剖面圖，就很簡潔認清巷道的空間位置和關系等。層之下。當地質構造破壞較猛烈時，有可能發(fā)生倒轉。依據頂板巖層相對于煤層的位置及開采過程中巖層變形、跨落的難易程度，頂板可分為偽頂、直接頂和基本頂3種類型。(1)偽頂：位于煤層之上隨采隨落的極不穩(wěn)定巖層，其厚度一般在0.5m以下，多為炭質頁巖和泥質頁巖等。(2)直接頂：位于偽頂或直接位于煤層(無偽頂時)之上，具有肯定的穩(wěn)定性，移架或回柱后能自行跨落的巖層，多由砂質巖等組成。(3)基本頂：位于直接頂或煤層之上，其厚度及巖石強度較大，是堅硬又難以跨落的巖層。通常由粗砂巖、礫巖、石灰石等組成。在采煤過程中，基本頂是頂板管理的主要對象。煤層底板可分為直接底和基本底。直接底位于煤層之下，厚度數十厘米至數米，多為泥巖、頁巖或黏土巖。有的直接底遇水膨脹，簡潔發(fā)生底鼓現象，致使巷道遭到破壞?；镜资俏挥谥苯拥字碌妮^堅硬巖層，常為厚層狀砂巖、礫巖或石灰?guī)r。3、煤層的形態(tài)與結構煤層是沉積生成的，一般呈層狀，但由于受地殼運動的影響，有的煤層外形發(fā)生變化。一般可分為3種類型：(1)層狀煤層，其層位有顯著的連續(xù)性，厚度變化有肯定的規(guī)律或厚度基本穩(wěn)定；(2)似層狀煤層，其外形像藕節(jié)、串珠或瓜藤等，層位有肯定的連續(xù)性，厚度變化較大；(3)非層狀煤層，外形像雞窩或扁豆狀，層位連續(xù)性差，常有大范圍尖滅。我們我國西北、華北、東北等地區(qū)的主要礦區(qū)煤層多為層狀煤層。江南各小型礦區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)、個體所經營的小煤礦相當多的煤層是非層狀煤層。層狀煤層比較便利，而非層狀煤層常給開采帶來肯定難度。煤層除在形態(tài)上有所不同以外，在構造上也有很大差別，在有的煤層中，有時含有厚度較薄且很不穩(wěn)定的巖層，這類含在煤層內的巖層稱作夾石或夾石(砰)層。依據煤層中有無穩(wěn)定的夾石層,可將煤層分為兩類，即簡潔結構煤層和簡單結構煤層。簡潔結構煤層一般不含夾石層，簡單結構煤層含夾石層者1—2層，多者可達幾層或十幾層。由于夾石層的存在，不僅使煤的灰分增高，而且給開采帶來肯定的難度。4、煤層的產狀要素煤層原始生成時呈水平狀態(tài)，但由于地殼運動的影響，煤層及巖層由水平狀態(tài)變成為傾斜或彎曲狀態(tài)。描述煤層的儲存狀態(tài)和位置用產狀要素來表示。煤層產狀要素就是它的走向、傾向和傾角,如圖4-1所示。這3個要素就能表示出煤層在空間的位置。(1)走向。煤層層面與水平面的交線稱為走向線，走向線兩端所指的方向就是走向。(2)傾向。在煤層層面上與走向線垂直向下延長的直線叫做傾斜線，傾斜線的水平投影所指的方向稱為傾向。(3)傾角。煤層層面與水平面的夾角稱為傾角。傾角的大小反映煤層的傾斜程度，傾角變化在0。―90。之間。煤層傾角越大，開采難度越大。依據采煤技術特點，煤層傾角分為4類：8°—25°近水平煤層8°—25°緩傾斜煤層傾斜煤層傾斜煤層傾斜煤層25°—45°傾斜煤層急傾斜煤層>45。5、煤礦地質構造及其平安生產的影響巖（煤）形成初期，一般都是水平或近水平的，并在肯定范圍內是連續(xù)完整的，后來受到地殼運動的影響，使巖層的形態(tài)發(fā)生了變化，消失了傾斜、褶皺，有的還發(fā)生了斷裂或延斷裂面產生了位移，使巖層失去了完整性。這種有地殼運動造成的巖石的空間形態(tài)（如褶曲、斷層等）稱為地質構造。地質構造的形態(tài)多種多樣，大致可分為單斜構造、褶皺構造和斷裂構造。1）單斜構造巖（煤）層受地質作用力的影響，產生向一個方向傾斜的形態(tài)，這樣的構造形態(tài)稱為單斜構造。單斜構造往往是其他構造形態(tài)的一部分，或是褶曲的一翼，或是斷層的一盤。2）褶曲構造巖（煤）層在地殼運動中受水平方向擠壓力的作用，呈現波狀彎曲，但依舊保持其連續(xù)性和完整性，這種構造形態(tài)稱為褶曲構造。巖（煤）層褶曲構造中的每一個彎曲為一個基本單位，稱為褶曲，如圖4-2所示。褶曲的基本形態(tài)有背斜和向斜兩種：巖（煤）層向上彎拱的褶曲稱為背斜；巖（煤）層向下彎拱的褶曲稱為向斜。在自然界中，背斜和向斜在位置上往往是彼此相連的，褶曲是由于地殼運動所產生的水平擠壓形成的，因此，在褶曲兩翼必定存在一個壓應力，當地殼運動停止后，由于任何物體都有一個恢復原來狀態(tài)的趨勢，所以又產生了一個拉應力，如圖4-3所示。因此,在褶曲構造帶勢必儲存一個應力能，我們把它叫做構造應力。據測定，構造應力是原始應力的20倍，這就給頂板管理和平安生產帶來肯定的困難，尤其是在有沖擊地壓的煤層中困難就更大。3)斷裂構造巖層受地質作用力后遭到破壞，失去了連續(xù)性和完整性的構造形態(tài)稱為斷裂構造。斷裂面兩側的巖層沒有發(fā)生明顯位移的斷裂構造稱為裂隙或節(jié)理。斷裂面兩側的巖層發(fā)生了明顯位移的斷裂構造，稱為斷層。其斷層要素如圖4-4所示。(1)斷層面。巖層發(fā)生斷裂位移時，相對滑動的斷裂面。(2)斷盤。斷層面兩側產生相對位移的巖體稱為斷盤。假如斷層面為傾斜時，通常將斷層面以上的斷盤稱為上盤，斷層面以下的斷盤稱為下盤。(3)斷距。斷層的兩盤相對位移的距離。斷距可分為垂直斷距(兩盤相對位移垂直距離)和水平斷距(兩盤相對位移水平距離)，如圖4-5所示。依據斷層兩盤相對運動的方向，斷層可分為以下3種類型，如圖4-6所示。①正斷層：上盤相對下降，上盤相對提升；②逆斷層：上盤相對提升，下盤相對下降；③平移斷層：斷層兩盤巖塊沿斷層面做水平方向相對移動。依據斷層走向與巖層的關系，斷層又分為：①走向斷層：斷層走向與巖層走向平行或基本平行;②傾斜斷層：斷層走向與巖層走向垂直或基本垂直；③斜交斷層：斷層走向與巖層走向斜交。依據斷層的組合形式不同，又可以有地塹、地壘、階梯構造等斷層組。斷層對煤礦平安生產影響較大。在斷層帶四周巖（煤）破裂，頂板失去完整性，極易發(fā)生冒頂事故；斷層又是地下水的良好通道，可能使井下涌水量增加，甚至發(fā)生突水事故；此外斷層帶還可能積聚大量瓦斯，從而引發(fā)瓦斯事故。二、礦圖在礦井設計、施工和生產管理等工作中，需要測繪一系列的圖紙，這些圖稱為礦圖。1、礦圖的種類礦圖的種類很多，生產礦井必備的圖紙一般分為兩大類：一類是礦井測量圖，另一類是礦井地質圖。礦井測量圖是依據地面和井下實際測量的資料繪制的。隨采掘狀況不斷變化，逐步測量并填繪的。它主要反映礦井地面的地貌、地物狀況；井下采掘工作面及井上、下相對位置關系等狀況。礦井地質圖一般是在礦井測量圖的基礎上，將生產過程中收集的地質資料和原有勘探資料，經過分析推斷繪制而成的。它主要反映全礦煤層的產狀、地質構造、地形地質、水文地質、煤層空間分布等狀況。礦井的地質圖和測量圖有著親密的聯系，假如沒有礦井測量圖，礦井地質圖就難以繪制；反之,礦井測量圖假如不依據礦井地質圖填繪牢靠的地質資料，就說明不了煤層埋藏的真實狀況，從而降低礦井測量圖的實際效用。為滿意生產，保證平安，在礦井地質圖和礦井測量圖的基礎上，還需要繪制很多圖紙。因此,《規(guī)程》規(guī)定，一個礦井必備以下11種圖紙：(1)礦井地質和水文地質圖；(2)井上、下對比圖；(3)巷道布置圖；(4)采掘工程平面圖;(5)通風系統圖;(6)井下運輸系統圖;(7)平安監(jiān)測裝備布置圖；(8)排水、防塵、防水注漿、壓風、充填、抽放瓦斯等管路系統圖；(9)井下通訊系統圖；(10)井上、下配電系統圖和井下電氣設施布置圖；(11)井下避災路線圖。2、常用礦圖的識讀1)圖例和比例尺礦圖是礦井地面和井下實際存在的反映，是依據測量成果，按肯定比例尺和我國統一的礦圖圖例符號繪制成圖的。因此，無論繪制和應用礦圖，都必需熟識礦圖圖例和比例尺。(1)礦圖圖例。礦圖圖例如圖4-7所示。(2)比例尺。在繪制礦圖時，不準將實際物體大小描繪在圖紙上，必需按肯定倍數縮小后描繪在圖紙上，這種按縮小尺寸與實際物體尺寸的比例關系數作成的尺子叫比例尺。一般常用礦圖有統一規(guī)定的比例尺，如采掘工程平面圖是1：2000或1:1000,井下巷道斷面圖和施工圖是1:200或1:100,1:50等。知道了圖紙的比例尺后，就可依據圖紙上某一段的長度求出實際相應的水平長度，也可以將實際的水平長度換算成圖紙上相應的長度。例如在1:1000的圖上，量的兩點間的長度d為3.8cm,那么實地水平距離D應為38m,由于實地水平距離是圖紙上線段長度的1000倍，相反，圖紙上線段長度是實地水平距離的l/1000o2)確定直線方向和點的位置(1)確定直線方向。在礦圖中，直線的方向是用方位角來表示的。方位角是由標準方向線(指北線)北端，順時針量到該直線的夾角。為了計算便利，常用方位角換算象限角。方位角用a表示，一般為0°——360。。圖4-8是直線的方位角。用Ri,R2,R3,和FU表示4個象限角。(2)點的位置。表示地面一點的位置，常采納平面直角坐標系，它是由兩條相互垂直的直線構成的。南北方向為縱坐標軸OX,東西方向為橫坐標軸oy。兩軸的交點稱為坐標原點。在平面xoy上,一點的位置可以用該點相對于坐標軸的距離來表示，稱為該點的坐標。圖4-9中，一號井井口在ox軸方向的距離為1522m,用字母x表示，在oy軸方向上的距離為1635m,用字母y表示。這樣,一號井井口的坐標是：x=1522,y=1635o對于任何一個測量區(qū)，都可以自行選擇坐標原點的位置,或者采納我國規(guī)定統一坐標系。(3)標高。以選定某處海平面平均水位的水準面作為計算凹凸的標準，一點到這個水準面的垂直距離叫該點的標高。高于水準面的是正數，低于水準面的是負數。一號井井口高于水準面189m,標高是+189m,用字母z表示，如圖4-10所示。這樣，一號井的3個坐標