淮南职业技术学院：煤矿地质学：教案

煤 矿 地 质 学 教 案 李垚 熊晓英 2004年9月 目 录 第一章 地 球 3 第一节　地球概况 3 第二节 地球的圈层构造 7 第三节 地球的物理性质 12 第四节　地质作用概述 15 第二章 地壳的物质组成 19 第一节 地壳中的元素 19 第二节 矿 物 20 第三节 岩 石 31 第三章　地史的基本知识 49 第一节　岩层中的地史信息 49 第二节 地层的划分与对比及地质年代表 60 第三节　地壳演化简史 68 第四章 地质构造 75 第一节 岩层的产状 75 第二节 褶皱构造 79 第三节 断裂构造 85 第五章 煤与含煤岩系 93 第一节 成煤作用 94 第二节 煤的组成和性质 97 第三节 煤的分类和用途 105 第四节 含煤岩系和煤田 111 第六章 影响煤矿生产的主要地质因素 121 第一节 煤层厚度变化 121 第二节 矿井地质构造 129 第三节 岩浆侵入煤层 137 第四节 岩溶陷落柱 140 第五节 影响煤矿生产的其它地质因素 147 第七章 矿井水文地质及防治水 163 第一节 地下水的基本知识 163 第二节 矿井充水条件 179 第三节 矿井水防治 190 第八章 地质信息的获取技术 204 第一节 地质勘探技术手段 205 第二节 煤矿地质信息技术 210 第九章 地 质 编 录 218 第一节 原始地质编录 218 第二节 综合地质编录 233 第十章 地质报告及地质说明书 238 第一节 煤炭地质勘查阶段及地质报告 238 第二节 煤矿地质勘查分类及地质说明书 247 第十一章 煤炭储量与矿井储量管理 254 第一节 储量级别和储量分类 254 第二节 储量计算 260 第三节 矿井储量管理 267 第十二章 煤矿环境地质与环境保护 276 第一节 煤矿生产活动与环境地质 276 第二节 煤矿环境工程地质灾害 277 第三节 煤矿环境污染因素及特点 278 第四节 煤矿环境污染防治简介 281 第一章 地 球 矿产是人类赖以生存和发展的重要资源,各种矿产都存在于地壳之中,它们是地壳物质运动和演变的产物。这些运动和演变不是孤立地进行,而是与地球内外的物质运动,以及与其它星体特别是太阳有密切关系。因此,在学习煤矿地质有关内容以前,应了解有关地球的知识 。 第一节　地球概况 一、宇宙和地球 地球处于广袤无垠的宇宙之中，是太阳系的一个行星，而太阳系又是银河系的一个星系，宇宙则是由许许多多像银河系甚至更庞大的星系团组成。因此，了解地球之前应首先了解宇宙和天体。 (一)宇宙和天体 宇宙是无限发展的物质世界，在空间上是无边无际的，在时间上是无始无终的。宇宙 空间包罗万象，大至天体、星系、总星系、小至星际物质、分子、原子，凡一切客观存在 皆包涵于宇宙之中。 宇宙空间充满着形形色色的物质，它们处于不断运动和变化之中。随着科学技术的发展，人类对宇宙的认识范围不断扩大，目前我们所能观测到的宇宙范围称为总星系，半径约100亿光年。总星系内的星体并不是均匀分布的，一群群的恒星组成漩涡状、椭圆状、透镜状以及其它不规则形状，称为星系。总星系中约有十几亿个星系，一个星系中约有十几亿至上千亿颗恒星。太阳所在的星系叫银河系。 (二)银河系 银河系，俗称“天河”，是一个巨型旋涡状星系，正面呈旋涡形，侧面呈扁平形。银河系大约包含1500多亿颗恒星，除此以外，还有星云等星际物质和各种射线。银河系的直径约10万光年，是 太阳系直径的8000万倍，中心厚度约15000光年，边沿厚度约3000~6000光年。太阳距银河系中心约27700光年。 银河系的主要成员是恒星。恒星是由巨大质量的炽热气体组成的能自己发光发热的球状天体。维持恒星辐射的能来自氢的热核反应。夜空中所见的点点繁星绝大多数是恒星。 太阳在银河系中是一颗中等恒星。恒星的大小、质量、密度、发光强度、表面温度等有着很大的差异。银河系中有些恒星体积比月球还小，亮度只是太阳亮度的几十万分之一，密度却比太阳大几十万倍；有些恒星体积比太阳大100亿倍，亮度也比太阳大几十万倍，而密度却只有太阳的几亿分之一；有的恒星表面温度高达几万度，而有的恒星表面温度只有几千度。 银河系，除了恒星之外还有行星、卫星、流星、彗星和星云等天体。天体之间的广阔空间并非虚空无物，而是充满着星际物质。它是由星际尘埃(直径0.3-3μm)和星际气体(主要有Ca、Na、K、Ti、Fe、H等元素)组成，密度很小，只有地面大气的万亿亿分之一。星际物质能吸收可见光和X射线，但不吸收红外线和无线电波。 宇宙射线是来自宇宙的高能粒子，主要是质子(氢原子核)，占射线的87％；其次为α粒子(氦原子核)，占12％；还有少量其它原子核、电子和高能粒子(如X射线、γ射线等)。宇宙射线的能量一般小于1017eV。宇宙射线的带电粒子传播到地球时与大气层的原子相互碰撞使能量大大削弱，减至约1010eV，并使大气电离产生新的粒子。 (三)太阳系 太阳系是银河系的一个普通成员。太阳系有九大行星和已编表的1800多个小行星，分别围绕太阳公转，并绕轴自转。太阳是太阳系的中心天体，它的质量巨大，能发出强烈的光和热。围绕太阳旋转的是一个天体体系(图1-1)，除了行星外还有34个卫星，已观测过的约1000个彗星和数百个流星群，以及散布期间的星际物质。此外，还有许多小行星、彗星、 陨星等小天体。太阳系目前以冥王星轨道为边界，直径为11.8×109Km。在太阳系的九大行星中以木星最大，水星最小。
 图1-1 太阳系组成示意图 二、地球的形状和大小 关于地球的形状和大小，人们的认识经历了一个由圆球体到二轴椭球体，到三轴椭球体，又到梨状体的不断深化的过程。很长时间以来，地球一直被认为是球状体，当最早使用较精确的三角测量法对地球的形状进行研究时，发现通过极点的半径与赤道半径相差21km，认识到地球不是一个理想的球体，而是沿旋转轴被压扁。后来，牛顿从理论上证明，在引力作用下，地球沿旋转轴方向受挤压力作用，使其具有椭球或旋转球体的形状。牛顿的这一理论和计算，后来被世界各国完成的经线或纬线弧的测量所证实；同时这些测量还表明，地球不仅沿两极方向被压扁，而且沿赤道也有某种程度的被压扁，最大和最小赤道半径长度相差213m，也就是说，地球不是两轴的，而是三轴的椭球体。根据卫星轨道分析发现，地球也并非是标准的旋转椭球体，而是一个梨状体，北极凸出约10m，南极凹进约30m，中纬度在北半球凹进，在南半球凸出(图1-2)。 图1-2 大地水准面(实线)与旋转椭球面(虚线)的关系示意图 实际的地球表面崎岖不平，为了便于测算，以平均海面通过大陆延伸所形成的封闭曲面作为参考面，此参考面称为大地水准面。地球的形状和大小通常就是指大地水准面的形状和大小。大地水准面是一个等位面，其上的重力方向处处都与该表面垂直，这样就可以引入重力的概念，结合大地测量对地球的形状和大小进行研究。目前利用人造卫星轨道变化作校正，已经可以相当精确地求得地球的各种数据。 表1-1为1975年第十六届国际大地测量和地球物理学会(ＩＵGG)决议采用的根据人造卫星观测及卫星轨道变化推算的地球形状数据。 表1-1 地 球 形 状 参 数
三、地球的表面特征 地球的表面积大约为5.1亿km2，分为陆地和海洋两大部分。陆地面积约为1.49亿km2，约占地球表面积的29.２％；海洋面积约为3.62亿km2，约占地球表面积的70.8%。海陆面积之比约为2.5∶1，它们在地球表面分布极不均匀，65%以上的陆地分布在北半球，即使如此，陆地也近占该半球面积的39%；地球表面形态最明显的特征是高低起伏不平。大陆的平均海拔高度为875m，最高处为珠穆朗玛峰，海拔8848.13m，最低点为死海，达－397m；海洋底的平均深度为3729m(图1-3)，最深处为太平洋马里亚纳群岛东侧的马里亚纳海沟，深达11033m。以平均海平面为标准，地球表面上的高度统计有两组数值分布最广泛：一组在海拔0~1000m之间，占地球总面积的20.8%；一组在海平面以下，其中又以4000~5000m深的海盆面积最广，占地球总面积的22.6%。
 图1-3 海陆起伏曲线(表示不同高度地形所占百分比) a—频率分配；b—积累高深曲线 （一）陆地的表面形态 大陆按高程特征，可分为高山、丘陵、平原、高原、盆地和洼地等地形单元。其中，低于海拔1000m的平原、丘陵、盆地面积最大，占地球表面积的20.8％。大陆部分最主要的地形特征是有一系列呈弧形或线形展布的山系。其中，海拔在500~1000m的称为低山；1000~3500m的称为中山；大于3500m。的称为高山；一般呈线状分布称为山脉，如欧洲的阿尔卑斯山脉，亚洲的喜玛拉雅山脉等。 陆地上还有被山系所分隔、表面稍有起伏，内部相对高差一般不超过数十米的平原和高原，它们面积较广。世界上最大的平原是亚马逊平原，面积达560万km2。我国有华北平原、松辽平原、长江中下游平原等。海拔高程在600m以上，表面较为平坦或略有起伏的广阔地区称为高原。世界上著名的高原有伊朗高原、埃塞俄比亚高原、巴西高原及我国的蒙古高原、青藏高原等。其中，青藏高原是世界上最高的高原，海拔4000m以上；巴西高原是最大的高原，面积达500万km2以上。此外尚有四周为山系或高原限制的低地，因其外形似盆而称为盆地。介于山地和平原之间的高低不平、连绵不断的低矮浑圆的小山丘地形称为丘陵。一般高程在海拔500m以下，相对高差多在数十米，最大高差不超过200m。大陆上有这众多的河流组成的水系和湖泊，是地球表面的重要特征，它的运动也是促使地表形态发生变化的重要因素。河流的流动在一些山脉和高原上刻切形成纵横交错的沟壑和峡谷，在平原地区则形成网状的河系，并不断堆积泥沙，是大陆向海洋扩展。 （二）海底的表面形态 海洋地形和大陆地形一样复杂多样，而且在规模上更庞大，外貌上更为壮丽。既有比大陆更广泛、更干坦的平原，也有更险峻、更宏伟的山脉和深陡的峡谷。但因海底不象大陆那样长期经受着各种外力的破坏，而是受以沉积作用为主的改造，故总体上看仍比大陆表面简单些。 根据海底地形的基本特征，可将其分为大陆边缘、海岭、海沟、深海盆地等地形单元。 1．大陆边缘 大陆边缘是大陆与大洋盆地之间的连接地带，占陆地总面积的1/5左右。它包括大陆架、大陆坡和大陆基(图1-4)，但大陆基实际上是大陆坡和大洋盆地的过渡地带。大陆架是大陆边缘的主要地形单元。 图1-4 海地地形示意图 大陆架是紧靠大陆分布的浅海台地，是大陆在水下的自然延伸部分，其范围是由海岸线向外海延伸，直至海底坡度显著增大的转折处。大陆架部分的海底坡度平缓，一般小于0.3°，平均约为0.1°。大陆架的水深一般不超过200m，最深可达550m，平均水深130m， 平均宽度75km。欧亚大陆的北冰洋沿岸的大陆架最发育，宽达500km以上；印度洋沿岸的大陆架最不发育。我国的大陆架宽度从100km多到500km多不等，水深一般为50m左右，最大水深可达180m。 大陆坡是位于大陆架外缘到深海海底，地形明显变陡的地带。其水深一般不超过2000m，平均坡度为4.25°。大陆坡以斯里兰卡附近珊瑚礁岸外缘最陡，其坡度可达35°~ 45°，大 陆坡的宽度约为20 ~100km，平均为20 ~ 40km。坡脚的深度为1400 ~ 3000m左右。大陆坡在许多地方被通向深海底的深海“V”形峡谷所切割。这些深海峡谷深达数百米，两壁陡峭，可达45°以上。有的峡谷可能是被淹没的河谷。但是，大多数峡谷是由近海底含有大量悬浮碎屑物质，密度较一般海水大的浊流冲蚀而成。 大陆基也称为大陆裾，是大陆坡与大洋盆地之间的倾斜坡地。坡度通常5°~35°，多分布于水深2000 ～ 3000m的海底，主要由海底滑塌浊流和海流搬运的碎屑物堆积而成。海沟发育的太平洋地区没有这一地形单元，而在海沟不发育的印度洋、大西洋中大陆基则广为分布。 2．海岭 一般将海底山脉称为海岭。其中，位于大洋中间，常发生地震和地壳运动较强烈的海岭称为洋脊或洋中脊。洋脊或洋中脊为海底线状隆起地带，呈一系列鱼鳍状山脉，其中部最高，中央部位常有一条巨大的裂谷，称为中央裂谷，谷深可达l ~ 2km，谷宽可达13 ~ 48km。太平洋洋中脊因其裂谷不明显而称之为洋隆或洋中隆。洋中隆通常高出海底2～3km，宽度可达1500　~　2000km。洋中隆在各大洋中均有分布，且相互衔接，全长65000km，占地球表面积近1/4，是地球表面最大的“山系”。 3．海沟 平行于岛弧或沿着大陆边缘呈断续延伸的两壁较陡、狭长的水深大于6000m的深海槽称为海沟。海沟是地球表面最低洼的地区，其长一般在500-4500km，宽40-120km， 深度多在6000m以上。全球已知海沟近30条，多发育于太平洋和大西洋；印度洋的海沟不甚发育。海沟多位于大洋盆地的边缘，其两侧边坡中靠近大洋侧的边坡较缓，而靠近大陆侧则较陡。 海沟的一个重要特点是在其靠近大陆的一侧有一条与其平行的隆起地形。若海沟紧靠大陆时，隆起地形为海岸山脉，二者组成海沟一山弧系；若海沟靠近大陆一侧为海时，该隆起则是呈弧形排列的岛屿，弧顶朝向大洋一侧，称为岛弧，二者组成海沟一岛弧系。海沟一岛弧系是地球表面地震频繁发生的地带，并有火山分布。 通常将大陆边缘分为两类。一类由大陆架、大陆坡和大陆基组成，这类大陆边缘主要分布于大西洋，称为大西洋型大陆边缘；另一类大陆边缘是由大陆架、大陆坡及海沟组成，它主要分布于太平洋，称为太平洋型大陆边缘。 4．深海盆地(大洋盆地) 深海盆地是海洋中另一类大型地形单元，它是介于大陆边缘及洋中脊之间的平坦地带，是海底地形的主体，约占海洋面积的43％，平均深度在海平面以下4000~5000m，深海盆地中主要有三种地形。 （1）深海丘陵。由一些比较低缓的小山丘组成，这些小山丘底宽1000~10000km，高50~1000m，边坡较陡，顶部平缓，呈圆形或衡口形窜影丘，几乎全部由玄武岩组成。 （2）深海平原。是被来自大陆的沉积物覆盖的靠近大陆边缘的乎续地形。坡度很小，均小于1/1000，广布于大西洋底，是地球表面最平坦的地区。 （3）海山。海山是深海底部孤立或比较孤立的隆起地形，相对高度在1000m以上，隐没于水下或露出海面。其中有一类呈锥状者，称为海峰。太平洋上的夏威夷群岛即为一系列海峰，其高出海底5000m以上，其中冒纳开亚火山海拔4205m，高差在9000m以上。海峰大多由火山岩组成。有的海山 顶部平坦，称为平顶海山。 第二节 地球的圈层构造 地球的圈层构造是指依据地球的物质成分和物理状态的不同，把地球划分成几个连续的、同心圆状的物质结构。他反映了地球的组成物质在空间的分布和彼此之间的关系，表明它不是一个均质体。地球的圈层构造是在地球漫长的发展过程中逐步形成的。以地表为界可分为内圈层和外圈层，内圈层包括地壳、地幔和地核，外圈层包括大气圈、水圈和生物圈(图1-5)。每个圈层都有自己的物质组成、运动特点和性质，并对地质作用各有不同程度的、直接和间接的影响，因此了解每个圈层的划分和主要特征，有助于我们对地质作用的理解。
 图1-5 地球的圈层构造 一、地球内圈层的划分及其主要特征 (一)地球内圈的划分 地球内圈即地球内部的圈层。地球内圈直接的观测资料较少，目前，最深的钻孔也仅一万多米。对地球内部构造的研究主要是利用地球物理学和天体物理学的资料，得出较为确切的内部圈层构造模式(表1-2)。表1-2中各参数的得出依据是： 表1-2 地球内部圈层和物理数据 (1)根据地震波速的研究将地球内部划分为若干个圈层。 (2)根据重力资料结合地震波研究得出的纵波速度(Vp)、横波速度(Vs)和深度，可求出各圈的密度分布。 (3)根据横波的有无及波速的变化，推断出各圈层的物态(固态、塑性状态和液态)。 (4)由波速及介质的弹性参数可求出重力值及压力值。 (5)根据各圈层的密度、波速及其与岩石性质之间的关系，结合陨石和矿物岩石的高温高压实验等，推断各圈层的物质组成。 (6)根据各圈层的物态推断该处岩石的熔点，再结合已知的地热流数据和岩石导热性推算各圈层的温度。 根据地震波速度的变化特征，可以将地球内部划分出两个最明显，也是最重要的界面。第一个界面位于5～60Km深处，大陆平均深33Km，最深可达60Km以上；大洋区较浅，平均为１１～１２Km，有些地区小于5Km，最浅处位于洋底以下不足半公里处时，波速突然增大，Ｖp由6~7km/s左右突然增至8km/s。这一界面是南斯拉夫地球物理学家莫霍洛维奇于1909年首先发现的，是地壳与地慢的分界面，把它称为“莫霍洛维奇不连续面”，简称莫霍面(Moho)。另一界面位于2900km(精确值为2898±4km)，是地慢与地核的分界面，震波穿过此界面时波速突然降低，Vp由13.32km/s突然降至 8.1km/s，Vs则降为零，表明横波消失。因此可推断这一界面以下的地核部分为液态物质，是美国学者Ｂ．古登堡(B．Ｇutenberg)于1914年发现的，称为古登堡面。根据这两个界面，地球内部划分为地壳、地幔和地核三个一级圈层。除上述两个界面外，还有一些次一级的地震界面，它们还可以进一步划分二级或三级圈层。 (二)地球内圈的主要特征 1．地壳 地壳即A层，是地球最外的一个圈层，位于地表和莫霍面之间，地壳的厚度变化很大，大洋地壳较薄，平均厚6 km，一般厚度在5~8km之间；大陆地壳较厚，平均厚33km，一般厚度在20~80km之间，说明地壳下界是起伏不平的，厚的地方已陷入上地慢中。整个地壳平均厚度约16km，只有地球半径的1/400，所以说地壳仅仅是地球表面的一层薄壳。地壳按结构特点分为大陆地壳和大洋地壳两种主要类型，它们无论在结构、成分、以及演变历史上都有差别。 大陆地壳是指大陆部分的地壳，它具有双层部分的地壳结构，由康拉德不连续面把地壳分为上、下两层组成(图1-6)，上地壳(即A'层)叫硅铝层或花岗岩质层，因其与以硅、铝为主的花岗岩质岩石一致而得名。这一层只有大陆壳才有，大洋壳缺少此层，因此呈不连续分布。下地壳(即A"层)叫硅镁层或玄武岩质层，因其与由硅、镁、铁、铝组成的玄武岩相当而得名。大陆及大洋下面均有此层，呈连续分布，但陆壳硅镁层成分不如洋壳硅镁层 均匀，混合有大量变质程度很深的中酸性成分。硅铝层到硅镁层，密度是逐渐增加的，平均约增加0.1~0.5g/cm3。硅铝层的密度为2.6~2.7g/cm3,硅镁层的密度为3.3g/cm3。
 图1-6 地壳结构示意图 大洋地壳是洋盆部分的地壳，它在结构上与陆壳有很大差异。只有硅镁层，没有双层地壳结构。习惯上把海水以下部分分为三层：第一层为未固结的沉积物，厚度自0~2km不等；第二层为固结的沉积物和玄武岩，厚度也不均匀，自0.5~2km；第三层为硅镁层，厚度在4km以上。大洋地壳的平均厚度为11~12km，岛弧带厚度较大可以达10~30km。 2．地幔 地球内部位于地壳与地核之间的构造层为地幔，也叫中间层，即B、C、D层，介于其莫霍面和古屯堡面之间。厚2800km以上，体积约占整个地球的82.3％，质量占整个地球的67.8％，是地球的主体部分。根据地震波速度变化特征，将地幔在地下984km处分为上、下两层。 上地幔(B、C两层)的平均密度为3.58g/cm3。根据密度、波速以及地质和陨石等资料，上地幔的物质成分基本上相当于含铁、镁很高的超基性岩，称为地幔岩。上地幔中地震波速度变化较为复杂，表明其物质状态是多变的。深度在60-400km 围内，地震波速度下降，在400km以下速度又逐渐上升，其中在100～150km深处降至最低，形成低速带。低速带的边界不像其它圈层那样清晰，尤其是底界的深度不很确定。一般认为，低速带是由于该带内温度增高至接近岩石的熔点，但尚未熔融的物态引起的。低速带内有些区域横波不能穿过，表明该区域的温度已达到岩石熔点以上而形成液态区，可能是岩浆发源地。由于低速带塑性较大，为上部固态岩石的活动创造了有利的条件，因此，构造地质学中将低速带称为软流层，其上由固态岩石组成的地壳和上地慢的B'层合称岩石圈。 下地幔(D层)密度较高，达5.18g／cm3以上，深度从984～2900km，地震波速度增加较慢，可以认为是压力增加而成分均匀的缘故，其物质成分一般认为仍是以铁镁硅酸盐矿物为主，其化学成分与上地幔无明显差别。 3．地核 自古登堡面以下至地球的中心部分为地核。其厚度为3473km，占地球体积的16.3％，占总质量的l/3，一般认为其物质成分为铁镍核心。根据地震波速变化，可将地核分为外核、过渡层、内核三层： 外核(E层)，平均密度约10.58g/cm3，厚度1742km。由于纵波速度急剧降低，横波不能通过，证明外核是液态物质，温度超过了岩石的熔点。过渡层(F层)厚度只有515km，波速变化复杂．并测到速度不大的横波，可能是液态向固态过度的一个圈层。内核(G层)厚1216km，平均密度12.9g/cm3。测得纵波与横波，从地面接收到的横波是由纵波转换形成的，因此，肯定内核是固体。 二、地球外圈的划分及其主要特征 (一)地球外圈的划分 地球外圈层是指包围地球表层的地球组成部分。根据其物理性质和状态的差异可分为大气圈、水圈和生物圈，它们包围着地球，各自形成连续完整的外圈层。地球外圈的形成是地球长期演化的结果。大气圈和水圈的形成先于生物圈，而后才开始有生命的滋生和生物界的发展，而生物圈的形成又对大气、水及地球表层的演变产生巨大的影响。由于地壳的运动，给地球外圈层增添了许多来自地球内部的物质成分；而外圈又在太阳能的作用下对地球表层的面貌不断进行改造。许多重要矿产如煤、石油、岩盐、石膏和大部分的铁、铝等等的形成都这一过程密切相关。 (二)地球外圈的主要特征 1．大气圈 大气圈由包围在地球最外部的气体组成。厚达几万千米，总质量约为5.3×1018kg，约为地球总质量的百万分之一。由于受地心引力作用，地球表面大气最稠密，几乎全部大气集中在距地面100km以内的高度范围，并且其中3/4又集中在10km的高度范围内。因此，接近地面的大气密度最大，向外，大气密度逐渐稀薄，最后过渡为星际气体，因而大气圈的上界没有明显的界限。接近地表的大气压力也最大，随高度的增加大气压力减小。海平面平均气压约为1.013MPa，至20km高度，大气压力约为地面压力的l/10。大气温度随高度的增加而呈不规则的变化。在距地面约10km高度内，温度随高度增加而下降；在10～50km高度内，温度则随高度的增加而增高；在50～80km高度内，温度又随高度的增加而降低，最低可达－100℃，在80~500km高度内，温度又随高度增加而增高；500km高度以外为等温。大气的成分随高度的不同也发生变化。100km以下的大气即通常所谓的空气，主要有18种气体混合而成，主要成分为氮和氧。其中CO2、O3、H2O等次要成分对地质作用有较大意义。低层大气中除气体外，还含有数量不定的大气微粒，包括液体和固体粒子，其来源有陆地的岩石、矿物。土壤的尘粒，海洋的盐粒和生物的孢子、花粉等。它们虽然在含量百分比上没有多大意义，但大气中的水汽可借助它们凝结成雾、云、雨、雪，形成各种天气现象。因此，大气微粒对地表的气象变化起重要作用。 2．水圈 地球表面的3/4面积是被海洋所覆盖着，一些高山和极地上发育着冰川和冰盖，陆地上分布着大大小小的河流、湖泊和沼泽，近地表的岩石的孔隙和裂隙中还有地下水在环流，它们构成了围绕地球表面的连续水圈。地表上存在着水圈这一特点，是地球与太阳系其它行星的主要区别。据估计，水圈质量为1.5×1018吨(15亿km3)，仅占地球质量的 0.024%。97.5%的水集中在海洋，极地的冰盖和高山上的冰川占水量的1.9%，其余为分布在陆地上的各种水体一—河流、湖泊、沼泽及地下水量(表1-3)。 表1-3 地球上各类型水量估计 地表上的水体，从太阳辐射中获得能量，依靠其能量平衡而每时每刻在运动着。“水往低处流”地面流水(河流、溪沟等)、地下水、冰川都具有向低处流动的特点；地下水及冰川的融水不断补给河流及湖泊；河流和地下水最终要汇聚到海洋中去(只有少数在特殊条件下密封贮存的地下水，及部份内陆湖泊除外)。地表水及海洋因太阳辐射，水份不断蒸发而进入大气圈，大气圈中的水蒸汽，上升至一定高度后，气团遇冷空气而凝聚成云，并以雨、雪、雹的形式降落，不断补给地面水体及地下水，这就构成水圈的大循环。 3．生物圈 生物圈是指生物分布和生命活动的地带，它也构成连续的圈层。生物主要生活和分布在陆地的表面和水体的上层。但是，在地表以下的土壤和岩石的裂隙内，深层海水甚至深海底，以及大气层中部有生物生存，上至10kｍ的高空，下至地面以下3km的深度都有生物活动的痕迹。 自地球上出现生物以来，它们便不断改变着地壳的物质成分和结构状态。据估计，生物圈中的各种有机体的总量约为11.48万亿吨，为地球总质量的10万分之一。尽管生物在数量上并不多，但却在引起地壳发生演变的地质作用中起着不可忽视的作用。例如，生物在它的新陈代谢活动中，可以把一些分散的元素富集，甚至能沉积形成矿产(部分铁矿、磷矿的形成与此有关)；生物还可以积聚大气圈中的大量碳，堆积后便可形成煤、石油等可燃性矿产(也称为化石燃料)；生物还参加了地表岩石的破坏过程，也是塑造地表的各种动力之一。因此，研究地质作用过程中，生物也是推动地壳发展的有利因素之一。 第三节 地球的物理性质 地球的物理性质包括地球的密度、压力、重力、地磁、地热等。地球的物理性质从不同角度反映了地球内部的物质组成、状态和结构，了解地球的物理性质可以更好为寻找和开发矿产资源服务。 一、密度 地球的平均密度为5.52g／cm3，但实测地表岩石的平均密度为2.7~2.8g/cm3，地球表面的７１％分布着海水，其密度(４℃)为1.003g/cm3。说明地球内部物质应具有比地表更大的密度。根据地震波进度变化的结果也证实了这一点。地球内部密度变化的计算结果表明总趋势是随深度增加而增大，但呈不均匀的阶梯状。在大约400km、650km、900km、2900km和4640kｍ处均有明显的变化，其中2900km处变化最大，至地心密度达最大值13g/cm3。密度的这些变化反映了地球内部物质成分和状态的变化。 二、压力 地球内部压力是由上覆地球物质质量产生的静压力和地球运动产生的动压力共同组成。静压力大小与地球内部物质的密度及该处的重力有关，地球内部静压力的变化随深度增加而增大，大致为一圆滑曲线(图1-7)。地壳的平均密度约2.75g/cm3，深度每增加1000m，压力增加27.5MPa。深部随着岩石密度的加大，静压力增加得更快些，静压力在莫霍面附近约为1200MPa，在古屯堡面附近约为135200MPa，地心处可达361700MPa。动压力通常以水平力为主，具有方向性，并可以在一些地段特别集中。在煤矿生产中对地压的研究有助于解决巷道的维护、煤及瓦斯突出的预测等矿井开采过程中经常遇到的实际问题。
 图1-7 地球的物理性质变化曲线 三、重力 重力是垂直地球表面使物体向下的一种天然作用力，它是由地心引力和地球自转而产生的惯性离心力的合力(图1-8)。地心引力与距离成反比，因此，地表的地心引力以赤道最小，两极最大；离心力与地球自转的线速度成正比，故地表以赤道处的离心力最大，两 段最小。离心力相对地心引力来说是相当小的，以赤道来看，也不过只有该处地心引力的1/289，因此，重力方向仍大致指向地心。地球重力作用的空间称为地球重力场。地表上某一点的重力场强度相当于该点的重力加速度， 由于地心引力随纬度变化，故地表(以大地水准面为准)重力分布以赤道地区最小，为 9.78m/ｓ2；两极最大，为9.83m/s2；平均为9.80m/s2。两极比赤道地区重力增加0.53％。重力除与地理纬度有关外，还受地表地形起伏及地球内部物质的密度及其分布状态的影响。
 图1-8 重力与地心引力和离心力关系示意图 ZZ—地球自转轴；R—纬度圆半径；g—重力；P—离心力；F—地心引力 地表实际测定的重力值往往与理论值不符，这种现象称重力异常。实测值大于理论值的，称正异常；实测值小于理论值的，称负异常。造成重力异常的原因一方面是由于测点不一定都位于平均海平面的高度，这样测点与平均海平面高度之间的物质，以及周围物体的引力都会影响该点的重力值；另一方面，地壳不同部分物质的密度不同也影响重力值。在地下由密度较大物质如铁、铜、锌、铅等重金属矿物和基性岩等组成的地区，常显示正异常，而由密度较小的物质如石油、煤、盐类等组成的地区，常显示为负异常。 四、地磁 地磁周围空间存在着一个弱磁场，称地磁场。理论和实践证明，地磁场近似于磁偶极子的磁场。它有两个磁极，磁北极为磁偶极子的S极，磁南极为磁偶极子的N极。地磁场的南北两极与地理南北两极不重合(图1-9)，磁轴与地球自转轴的夹角为11°4'。磁极的位置随时间的变化而不断变化。1970年地磁北极位于加拿大北部帕里群岛(76°N，101°W)，地磁南极位于南极洲(66°S、140°E)。
 图1-9 现代地理极与地磁极的关系示意图 由于地磁极和地理极不一致，因此地磁子午线与地理子午线之间有一夹角，这个夹角称为磁偏角，偏在地理子午线东边的叫东偏角，符号为正；偏在地理子午线西边的叫西偏角，符号为负。另外还发现磁针只是在地磁赤道地区才保持水平，而在磁南极和磁北极地区则处于直立状态，在地磁的两磁 极与地磁赤道之间的地区则与水平面有一定的夹角，这个夹角称为磁倾角，以指北针为准，下倾者为正(北半球)；上倾者为负(南半球)。磁针的偏、倾程度实际上反映了磁针在磁场中所受磁力的大小。 地磁极与地理南北极不同，地磁极随时间的变化而变化。1922年至1972年间，磁北极在纬度上移动了2°，磁南极则移动了4°25'。随着磁极的移动，各地地磁要素也在发生变化，由于这个缘故，国际组织规定，每5年需重编世界地磁图。一般认为，地磁场的这种变化是由磁轴变化引起的，而磁轴的变化则是地球内深部物质运动引起的。地磁场的变化有短期变化和长期变化两种，短期变化是由地球外部原因引起的，有日变化、年变化和突然性变化。日变化的磁偏角变化幅度为几分；年变化可能与电离层及太阳活动的变化有关；突然性变化表现为几天或几小时的磁场强度大幅度变化，这种突然性变化称为磁暴，平均每年发生几次，强度可达几个安培每米。磁暴可导致无线电通讯中断，极光出现等，它与太阳黑子、空间电流等现象有关。长期性变化的原因尚无定论，可能是地核或地慢物质运动在速度上的差异引起的。 地磁要素长期变化，必须经常测量。通过设在各地的地磁台所测的地磁要素数据，经 校正并消除了地磁的短期和局部变化的影响所得到的磁场值叫正常值。如果在实际测定中 所测的地磁要素值与正常值偏离，称为地磁异常。地磁异常多为地下磁性物质存在局部变化的标志，可以据此勘测出地下的磁性岩体和矿体，如磁铁矿、镍矿、超基性岩等高磁性的矿物和岩石，其磁异常值大于正常值而表现为“正异常”；金矿、铜矿、盐矿、石油、花岗岩等属低磁性或反磁性的矿物和岩石，其异常值小于正常值而表现为“负异常”。 五、地热 地球内部存在着巨大的热能，从火山口喷出炽热的物质、温泉及深井、钻探孔中实测的数据等事实都可以证明。 地球内部的热来源有二：即太阳辐射能和地内热能。 地壳表层的热主要来自太阳的辐射，它是发生在地壳表层的各种自然现象的重要能源。到达地面的太阳辐射热大部分被辐射回空间，加上岩石的导热率底，仅有约5％的热量可以传导到地下不同的地方。纬度的不同太阳高度不同，是不同纬度地面上所获的太阳辐射的热能也不同；同一地点因昼夜和季节的变化，是地壳表层所获得的太阳的辐射热也随之变化，但这种变化的影响深度并不大，平均为15m。 地壳深部的热主要来自地内热能，地内热能是地球内部的放射性元素蜕变时所放出的热能。以传导、辐射、对流的方式由高温处向低温处传播，并且由地内流向地表。单位时间内通过单位面积的热量称为地表热流，单位为微卡/厘米3·秒(简记HFU)，1HFU＝41.86mW／m2。据目前全球实测的数据，发现地表热流的全球平均值为1.47±0.79HFU，乘以地球的表面积将是一个巨大的数字。但大陆或洋底内部不同地区热流值往往有较大差异。地球上的活动带，如大陆上的裂谷、年轻山脉、大洋中的洋中脊顶部，地表热流值可达1.76~l.9HFU，而且洋底热流值有随着远离大洋中脊而迅速递减的趋势。新生代火山活动带热流值更高，可达2.16HFU。 由地表向深部,地热的特征有所不同，可分为以下三个层： 1．变温层(外热层) 变温层位于地球表层，自地表向下约15~30m。其热量主要来自太阳的辐射热能，温度从地表向下降低，且随纬度高低、海陆分布状况、季节和昼夜的变化而不同。 2．恒温层(常温层) 恒温层是变温层的下部界面(即变温层与增温层的分界面),其温度常年保持不变，大致相当当地的年平均温度。 3．增温层(内热层) 增温层位于恒温层以下，其温度只受地球内部热能的影响，且随深度的增加而逐渐增高，但增高的速度，各地差别很大。地温随深度而增加的规律，可通过地温梯度和地温级反映出来。 地温梯度又称地热增温率，它是指深度每下降100m，温度升高的度数，以℃/100m表示。 地温级又称地热增温级，它是指温度每升高1℃时，所增加的深度值。以℃/100m表示。 第四节　地质作用概述 地球自形成到现在，已经经历了漫长而复杂的变化。地球内部的每一个圈层，以及地壳表面的形态、内部结构和物质成分都是在不断地变化着、运动着的。 地壳每时每刻都在变化着。无论地壳是缓慢的变化，或者是迅速地变化，都是地质作用引起的。地质学上把引起地壳物质组成、地表形态和地球内部构造发生改变的作用称为地质作用，而使地壳发生改变的力量称为地质营力。 根据产生地质作用力量的来源，把地质作用分为两大类：外力地质作用和内力地质作用。 外力地质作用主要是地球以外的能源，太阳能和宇宙空间能源引起的。太阳辐射能引起了大气圈、水圈、生物圈的物质循环运动，形成了风、流水、冰川等地质营力，并产生了各种地质作用。外力地质作用主要是在地壳表层进行的，它使地壳表层原有的矿物和岩石，不断遭受破环，同时又不断形成新的岩石，它是元素不断富集或分散，并形成可供工业开采的新矿产，同时也引起地表形态的不断变化。这样，外力地质作用的结果是重新塑造了地形和形成新的沉积物。 内力地质作用是由地球内部的能源，主要是放射性元素蜕变产生的热能、重力能以及由地球旋转速度变化而引起的旋转能所产生的。内力作用的结果使岩石圈的板块移动，分裂、碰撞以及下沉到地幔里面，以致产生地震作用、火山作用、造山运动、构造变动以及地表形态的变化等等。 一、外力地质作用 (一)外力地质作用的能量来源 引起外力地质作用的主要能源主要是太阳能，其他如日月的引力能、恒星及行星的辐射也起一定的作用。而地球上生物活动引起的作用对地壳变化的影响也越来越显得重要；太阳辐射的能量到达地表仅占其全部能量的22亿分之一。虽然如此，到达地球表面的太阳辐射能的功率每年约1032尔格(1017卡／秒)。其中部分被反射回到空间。由于纬度、海陆分布、地形高低以及季节、昼夜等的不同，地球表面各个地方，在不同时间内所获得的太阳辐射能是不同的。日照时间的长短和地表物质成分的性质也是地面获得太阳辐射能多少的重要因素。太阳辐射能为地表物质吸收并增温，同时也为大气层所吸收。低层大气吸收的热量又以辐射及对流等方式传递到大气层中，引起对流层发生大气环流，产生了地球上的风带。地球上的水在太阳能和重力能的作用下又以大气为媒介反复进行变换，形成了水的循环。水在循环过程中，不断形成降水，并形成了流水、冰川、地下水等，它们在流动过程中产生动能，不断地改造地表。 生物在其新陈代谢，生命活动的过程中，都会产生能量，成为发生在地球表面的生物化学作用和生物的机械作用。生物演化的能量都来自太阳的辐射能。植物的光合作用把地球获得太阳幅射能的千分之一暂时固定在有机体中。光合作用消耗了大气中的CO２，而有机质的分解、可燃矿产燃烧放出的CO２又补偿光合作用损失的CO２。动物的呼吸，以及火山爆发也补偿大气中的CO２，这样，使大气中的CO２保持—定的数量。显然，生物在CO２的平衡中起着重要的作用。如果大气中CO２含量增加或减少，将会导致地球表面大气温度的升高或降低。这样，外力地质作用的性质和强变就要随之发生变化。 此外，人类的活动，已成为对地壳改造的一种不可忽视的能量。 (二)外力地质作用的方式和类型 大陆和海洋组成地壳的两个基本地形单位，在这两个区域里的外力地质作用有很大的区别，因而可划分出大陆的外力地质作用及海洋的外力地质作用两大类。大陆的外力地质作用还可以按照地营力的不同划分为：风的地质作用、地面流水的地质作用、地下水流的地质作用，冰川的地质作用，湖泊的地质作用等。由于这些营力的运动方式有差异，因此引起地质作用也各有特点，所形成的产物也就不同。 按照作用的方式，外力地质作用又分为风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和固结成岩作用五个阶段。 1．风化作用 风化作用是由于大气温度的变化，水及生物的作用使地壳的岩石、矿物在原地崩裂，成为石块、细砂甚至泥土，同时也可由于水、空气、有机体的化学作用而使矿物分解，形成各种新的矿物。这种地质作用称为风化作用。 风化作用按其产生的原因或方式又可分为物理风化作用(机械破坏)、化学风化作用和生物风化作用。 物理风化作用是母岩的一种机械破坏作用，其影响因素主要是温度变化、水的作用和生物的机械破坏作用；化学风化作用是矿物、岩石在氧、二氧化碳、水及酸类的联合作用下发生化学分解而被破坏的作用；生物化学风化作用主要是指生物新陈代谢过程中排除大量的酸类，以及生物死亡后遗体腐烂而产生的腐植酸，它们腐蚀和破坏周围的岩石的作用。 2．剥蚀作用 剥蚀作用是由风、雨、流水、海浪及冰川等各种外营力对地表岩石风化后的产物从原地剥离开来的作用。剥蚀作用一方面将风化的产物剥脱离开母体，使新鲜的岩石裸露地表继续遭受风化；另一方面，它对岩石也进行着破坏作用。风化和剥蚀都是对岩石的一种破坏作用，它们彼此间是相互联系、相互依赖、相互影响。 3．搬运作用 搬运作用是与剥蚀作用和风化作用密切相关的作用。所有被各种破坏力所剥蚀下来的物质就由风、流水、冰川、海流、海浪等营力将物质从风化剥蚀区搬到另一个地方去，这种作用称为搬运作用。搬运作用的自然营力主要有风、流水、冰川等。搬运作用也有化学的和机械的两种方式。 4．沉积作用 沉积作用是被搬运的物质，经过一段路程运移，当搬运介质动能减小，或搬运介质的物理化学条件发生改变，以及在生物的作用下，在新的环境下堆积下来的作用。 地表到处都可以进行沉积作用，特别是在比较低洼的地方，沉积作用表现的特别明显。但是比较起来，海洋是最广阔和稳定的沉积场所。陆地除了少数地区外，大部分地区的堆积都是暂时的。因之大陆上主要以剥蚀作用为主。按照沉积作用进行的方式不同可分为三种：机械的方式，即被搬运的物质是以泥、沙、砾等是以碎屑状态堆积下来的；化学的方式，即堆积物质是从真溶液或胶体溶液中分析沉淀的；生物的方式，即堆积物是由于生物的生命活动、新陈代谢、死亡等原因堆积下来的。由沉积作用堆积下来的物质统称为沉积物。 5．固结成岩作用 固结成岩作用是堆积在新的介质环境中的疏松沉积物，随其所处的环境变化，沉积物本身之间、矿物和矿物之间、碎屑和胶结物之间、以及沉积物和生物、沉积介质之间的关系都会相互地发生变化。在失水、压紧等作用下表现为新矿物的生成，沉积物结构，构造的变化，而最后形成沉积岩。沉积岩形成以后，由于受到外界环境的改变，还会继续发生变化，这一切过程统称为成岩作用。成岩作用一方面取决于沉积物的原始成分，另一方面取决于沉积物形成以后外界环境的变化(温度、压力、水、生物等)。上述因素互相联系，并且是经常变动，在成岩作用的不同阶段中各种因素所起的作用也不同，但是沉积物的原始成分及结构是一切因素中的主要因素。成岩作用过程包括压紧作用、胶结作用和重结晶作用。 整个外力地质作用实质上是一个相当复杂的过程，它们是相互联系、相互影响。外力地质作用的序列也是交错进行的。例如在岩石遭受风化的同时，剥蚀作用就开始了；在剥蚀的同时，搬运作用也同时进行；沉积物堆积下来以后，也可能再度遭受剥蚀和搬运等。 外力地质作用对地壳表层的改造过程，还受着各种条件的控制，因而在地表不同地区具有不同特点，形成不同的产物。在这些条件中起主导作用的是气候及地形。外力作用的类型及组合首先与气候有关。潮湿气候带由于水量充足，化学风化及生物风化作用、河流地质作用、湖泊及地下水的地质作用十分发育。干旱气候带则以物理风化及风的地质作用为主。在冰冻气候带，占统治地位的是冰川地质作用。 各种外力地质作用，除风化作用外，对地壳表面的塑造过程都是遵循“风化—剥蚀一搬运一沉积一固结成岩”的顺序进行的。外力地质作用总是从破坏作用开始的，被破坏的岩石就成为搬运和沉积作用的物质来源。而在破坏作用中，风化作用具有十分重要的意义。首先风化作用使岩石松散而便于剥蚀作用进行。风化的产物(碎屑的、化学的)也是河流、湖泊、海洋、风、冰川等沉积物的原始来源。可以说风化作用拉开了外力地质作用的序幕。 二、内力地质作用 (一)内力地质作用的能量来源 内力地质作用是由地球内部的能量引起的，是有地球的重力能、热能、地球旋转能以及化学能、结晶能引起地球内部物质的运动、结构改变的地质作用。 地球内部热能的来源问题目前还处于假说阶段。目前认为聚集在上地慢中放射性元素蜕变而产生的热能是内力地质作用能量的基本来源，前面已经提到，自地球形成以来，由放射性元素蜕变产生的总能量为6×1037~20×1037尔格，而利用热传导定律计算得出从地球表面流出的总能量数值为1037~8×1037尔格。可见，地内产生的热能比流出地面的热能要大2~3倍。这些热能足以使上地慢和地壳局部熔融，引起软流层中物质的对流，成为全球性板块运动、岩浆作用、变质作用等根本原因。 近代地球起源的理论认为地球是由星际尘埃物质聚集而成。原始地球要比现今地球大得多，在本身重力作用下发生压缩，体积逐渐缩小，重力压缩能就要转变为热能。另外地球在形成初始，在许多星际物质聚集过程中，它们运动速度很快，具有动能的物质相互碰撞冲击，使动能变为热能，其中一部分仍保留在地球的内部。 重力能是地球的重力作用引起地球内部物质的分异，形成圈层构造的过程中产生的能量。此外地心引力给予地球表面物体的位能，也在外动力作用中的流水、冰川等运动过程中表现出来。 旋转能是地球在不停自转过程中产生的，不同纬度地区产生不同的离心力不同，赤道离心力最大，这样，高纬度的物质就会向赤道方向运移，由于地球自西向东的自转也引起物质东西方向的水平位移，在移动过程中产生能量。据估计，地球自转产生的旋转能有1×1036尔格。 结晶能和化学能是地壳及地幔内部化学成分的转变以及结晶过程中产生的化学能和结晶能。这些都可转化为热能，使局部地区温度升高甚至使物质熔化。 据实验资料，固态钠与气态氯结合成一克分子氯化钠时，要放出97.7大卡热量。硬石膏经水化作用后形成—克分子的石膏要释放5大卡热量等。这些作用产生的热都可引起局部地区地热异常。 (二)内力地质作用的类型 内力地质作用是由地球内部能量引起的整个地壳或岩石圈物质成分、内部构造以及地表形态的变化。包括地壳运动、岩浆作用、变质作用和地震作用等． 1．地壳运动 地壳运动是地球内部能量引起的组成地壳物质的机械运动。这种运动表现有两种形式，即水平运动和升降(垂直)运动。 水平运动是组成地壳的物质沿地球切线方向的运动。这种运动使地壳受到挤压、拉伸或者平移甚至旋转。水平运动主要引起地壳的拉张(大洋中脊的扩散)、挤压(板决的消减、碰撞)，从而使岩层弯曲和断裂，形成山脉和盆地。 升降(垂直)运动是组成地壳物质铅直方向长期的上升和下降交替运动，所以又称为振荡运动。升降运动波及的范围大小、位置、幅度以及速度可以随时间而变化。所以升降运动可以表现为波状运动的特点，它主要引起海洋、陆地的变化，地势高低的改变，岩体的垂直位移以及层状岩石中大型平缓褶曲的形成等。升降运动的速度在一定的时间内是人们难以察觉的。但它进行的时间很长，产生的后果十分巨大，因而会引起地形、气候以及各种外力地质作用发生根本性的变化；同时，升降(垂直)运动也控制着煤系地层的分布范围，影响着煤层的层数和厚度的变化。 水平运动和垂直运动，两者不能截然分割开来，无论在空间上和时间上都是相互联系又相互制约的，只是在不同地区，不同时间有主次的关系。 2．岩浆作用 岩浆作用是地内能使地球内部物质发生局部熔融形成以硅酸盐为主并含大量挥发分的熔融体，并且促使它向地表薄弱部分移动的作用。在岩浆移动过程中，对它周围的岩石产生两种作用，一是对围岩发生的机械冲击和挤压，另一是岩浆的化学成分、温度对围岩的化学作用。在岩浆运动过程中岩浆侵入到地壳岩层中的作用，称为侵入作用，岩浆在地壳中冷凝后就形成侵入岩。如果地下的岩浆喷出地表的地质作用，称为喷出作用，岩浆在地面冷凝后就形成喷出岩，岩浆由侵入围岩至喷出地表，以及与围岩所发生的机械的和化学的作用，统称为岩浆作用，所形成的岩石总称为岩浆岩。 3．变质作用 变质作用是在发生地壳运动时，原有的岩石，包括沉积岩、岩浆岩或者是变质岩，在温度、压力和外来物质的参与作用下，使岩石的原始特征发生改变，变成为新的岩石，这种在地球内部能源作用下使岩石产生变化的作用，称为变质作用。改变后的岩石叫做变质岩。引起原生岩石变质的因素主要是温度、压力及岩浆中某些化学性质活泼的气体和液体；变质作用的类型有区域变质、接触变质(接触热变质和接触交代变质)、动力变质三种。 4．地震作用 地震作用是地震在地壳局部的快速颤动过程中的孕震、发震和余震的全部作用过程，称为地震作用。当地内机械能在长期积累、达到一定的限度而突然释放时，地壳就会受到猛烈冲击，发生颤动，就是地震。地震强烈时对地面产生严重的破坏作用。按地震产生的原因可分为构造地震、火山地震、人工地震、陷落地震等。世界上每年发生的大小地震约有500万次，人们能感觉的地震只有5万次左右，破坏性地震每年只有20次左右。我国是世界上发生地震较多的国家，世界上的两大地震带(环太平洋地震带和阿尔卑斯—印尼地震带)都经过我国。 各种内力地质作用都是相互关联的，构造运动可以在地壳内形成断裂并引起地震的发生，并为岩浆活动创造了移动的通道，而地壳运动和岩浆运动，又都可引起变质作用。但是地壳运动在内力地质作用总是起主导的作用。 总之，内力地质作用和外力地质作用是相互联系的，内力地质作用形成了地表的高低起伏，决定了地壳表面的基本特征和内部构造，而外力地质作用则是破坏内力地质作用形成的地形和产物，总是削平凸起的地势，而在低凹的地区进行沉积，形成新的沉积物，同时又进—步塑造了地表形态。在地质历史中，内力和外力地质作用都在不停地进行着，某个地区在一个阶段中内力作用可表现得很强烈，但在另一时期，外力地质作用却相对占了重要的地位，或者在内、外力地质作用中，某些类型的作用比较强烈。内、外力地质作用相互矛盾、斗争、制约地发展着，使得地壳不断地演变，随着这些地质作用的进行，地表的形态、内部构造、矿产等也在不断地形成和改造。 第二章 地壳的物质组成 地壳是地球内部圈层最外的一个圈层，组成地壳的固体物质是岩石，而岩石是矿物的集合体，矿物又是由自然元素或化合物组成的。因此，组成地壳最基本的物质是化学元素。 第一节 地壳中的元素 目前已知的元素有108种，在地壳中存在的有92种。各种元素在地壳中的平均含量差别很大，元素在地壳中的平均含量称为该元素在地壳中丰度，矿物的形成与元素的丰度关系极为密切。 元素在地壳中的分布情况，可用它在地壳中的平均质量百分比，即克拉克值表示。地壳中主要元素的克拉克值见表2-1。 表2-1 地壳中主要元素的克拉克值(%) 氧 O 46.60 钾 K 2.59  硅 Si 27.72 镁 Mg 2.09  铝 Al 8.13 钛 Ti 0.44  铁 Fe 5.00 氢 H 0.14  钙 Ca 3.63 磷 P 0.10  钠 Na 2.83 锰 Mn 0.09   (据B. Mason , 1966) 从表2-1中可看出，表中的12 种元素约占地壳总质量的99%以上。其中氧最多，其次是硅，二者约占75%。由此可见，地壳中的化学元素分布是很不均匀的。 地壳中的化学元素，以单质形式单独存在的数量较少，如自然金、自然银等；绝大部分呈各种化合物出现，其中以含氧的化合物最为常见。地壳中的矿物主要是由O 、Si 、Al 、Fe 、Ca 、Na 、K和Mg等元素结合形成的含氧盐和氧化物，其中特别是硅酸盐，它占矿物种总数的24%，占地壳总质量75%，而氧化物占矿物种总数的14%，占地壳总质量17%。 第二节 矿 物 一、矿物的概念 矿物是天然产出的。它具有一定的化学成分和有序的原子排列，通常是无机作用所形成的均匀固体。如金刚石(C)、黄铁矿(FeS2)、方解石(CaCO3)、石英(SiO2)等。 某些人工合成的物体，如人造金刚石、人造水晶、人造红宝石等，其化学组成与物理性质虽然与自然矿物类似，但不是地质作用的产物，故称之为“人造矿物”或“合成矿物”，以区别于真正的矿物。 矿物的化学成分具有相对的稳定性，可以在一定的范围内变化。引起这种变化的主要原因，对于结晶质矿物来说，是由于类质同象置换的缘故，例如闪锌矿(ZnS)中的Zn 2+，可以部分地被Fe 2+ (不超过26 %)所替代。在矿物晶体形成的过程中，两种或两种以上性质相近的质点(离子或原子)占据晶格中的同类位置，随着这些占位质点间相对量的改变，只引起晶格常数及物理、化学性质的规律变化而不引起晶体结构发生质变的现象，在矿物学上称这种现象为类质同象，这些内部结构相同而化学成分有所差异的矿物称为类质同象混合物。对胶体矿物来说，则是因胶体吸附作用的影响，如天然的MnO2胶体，能够选择性的吸附Li +、K +、Ba 2+、Pb 2+、Zn 2+等离子。此外，在某些矿物的成分中，常常有着各种不同形式的水，它们对于这些矿物的许多性质，起着很大的影响。 二、矿物的主要性质 不同的矿物具有不同的特征与性质，在地质工作中可以根据其不同的特征与性质来识别和鉴定矿物。通常，对矿物进行肉眼鉴定的主要依据是矿物的形态、物理性质等。 (一)矿物的形态 矿物的形态主要受矿物本身的内部结构和形成时外部环境的制约。内部结构相同的同一种矿物，因矿物形成时的物理化学条件和空间情况不同，可以具有明显不同的外貌特征。在相同的生长条件下，一定成分的同种矿物，总是有着它自己特定的结晶形态。矿物晶体的这种性质，就称为该矿物的结晶习性。在自然界中，矿物多呈集合体出现。矿物的形态是指矿物单体的形态和集合体的形态。其中，单体的形态是研究的基础。 1.矿物单体的形态 根据晶体在三度空间发育的程度，单体的形态可以分为三种： (1)一向延长的。晶体沿一个方向特别发育，包括柱状、棒状、针状、纤维状等。如柱状石英、针状金红石、纤维状的石棉等。 (2)二向延展的。晶体沿二个方向特别发育，包括板状、片状、鳞片状等。如板状的石膏、片状的云母等。 (3)三向等长的。晶体沿三个方向发育程度大致相等，包括等轴状、粒状等。如立方体的黄铁矿、菱形十二面体形态的石榴子石。 2.矿物集合体的形态 对于结晶质矿物而言，集合体形态取决于个体的形态、大小和集合方式。非晶质矿物集合体形态取决于矿物的形成条件。 集合体中每个个体，大多数是在同一成矿作用以及大体相同的物理化学条件下成长的，因此可以具有相似的形态；相互聚集时个体与个体之间的排列关系也基本类同。整个集合体就具有某种特殊形态，而这种特殊形态就构成了某种矿物的鉴定特征。集合体的形态可用肉眼或放大镜分辨出各个矿物颗粒的界线。常见的集合体形态有： (1)柱状、针状、纤维状、放射状集合体。由一向延长的单体集合而成。柱状、针状、纤维状集合体中单体排列不规则，三种形态的区别在于单体直径大小不同。由一向延长的单体围绕中心呈放射状排列称为放射状集合体(图2-1)。 (2)板状、片状、鳞片状集合体。由二向延展的单体任意集合而成。三者的区别在于单体的厚薄大小不同。 (3)粒状集合体。由三向等长的单体任意集合而成。按单体颗粒粒径(d )的大小，可分为粗粒集合体(d >5mm)、中粒集合体(d 5～1mm)、细粒集合体(d <1mm)。 (4)晶簇。在岩石的空洞或裂隙中，以洞壁或裂隙壁作为共同基底而生长的单晶体群组成的集合体。它们一端固着在共同的基底之上，另一端向空间自由生长(图2-2)。常见的有石英晶簇、方解石晶簇、辉锑矿晶簇、电气石晶簇等。 (5)块状集合体。一些用肉眼或放大镜不能辨别矿物颗粒界线的集合体。根据其致密和疏松的程度还可区别为致密块状(如黄铜矿、石髓)和土状块状(如高岭石)；水胶凝体矿物则呈特征性的肉冻状块体(蛋白石)。 (6)其它形态。集合体除上述形态外，还有一些特殊的形态。常见的有： 鲕状、豆状集合体：由胶体溶液围绕某一核心逐渐沉淀形成的球体，具有明显的同心层构造。其中直径小于2mm、形状如鱼子者称为鲕状集合体(图2-3)；直径大于2mm、形状如豆粒者称为豆状集合体。 结核：不规则的球体、椭球体或瘤形的矿物集合体。大小变化很大，内部常具同心层状构造或放射状构造(图2-4 )。 钟乳状集合体：由真溶液或胶体溶液凝聚逐层堆积而成。外形呈柱状或圆锥状，内部常具同心层状、放射状、致密状、结晶粒状构造(图2-5a)。石灰岩溶洞中的钟乳石、石笋、石柱是最典型的钟乳状集合体。 晶腺：真溶液或胶体溶液从岩石的空洞洞壁开始向中心逐层渗透沉淀，逐渐形成的球状或不规则状集合体。内部常有环带构造，中心经常留有空腔，有时空腔中还长有晶簇。例如带状玛瑙(图2-5b)就是典型的例子。 一定的矿物除有一定的结晶习性外，还经常呈现一定的集合体形态。某些集合体形态还常与一定的成因相联系。例如鲕状集合体，都是在近岸的湖、海浅水中，并且海水或湖水经常有扰动的环境下沉积形成的。 (二)矿物的物理性质 有不少矿物被利用，正是由于它们具有特定物理性质的缘故。例如金刚石的高硬度、石英的压电性、白云母的绝缘性、石棉的隔热性和可织性等。在矿物鉴定工作中，利用矿物的物理性质也很重要。 矿物的物理性质涉及到物理学各个领域，包括矿物的光学、力学、磁学等方面的性质。本节内容将围绕肉眼鉴定矿物时，所利用的各项物理性质进行叙述。 1.矿物的光学性质 矿物的光学性质，是指矿物对自然光的吸收、发射、折射等所表现出的各种性质。主要有矿物的颜色、条痕、光泽、透明度等。 1)颜色 矿物的颜色是最明显、最直观的物理性质，在鉴定矿物方面，具有重要的实际意义。 矿物的颜色是矿物对可见光中不同波长的单色光波选择吸收的结果。 矿物的颜色可以分为自色、他色和假色三种，但具有鉴定意义的主要为自色。 (1)自色。即矿物自身固有的颜色。自色产生的原因，主要与矿物成分中某些离子的存在有关。如含有Fe 3+ 的矿物常呈褐色(如褐铁矿)和樱红色(如赤铁矿)；含有Fe 2+ 的矿物常呈暗绿色(普通角闪石、绿泥石)。自色一般较为固定，常可用作矿物的鉴定特征。 (2)他色。一般是由于外来的杂质包括机械混入物等所引起的颜色。它与矿物本身的内部结构和化学成分无关，颜色随包裹体、混入物不同而异，往往是不固定的，一般无鉴定意义。如石英常由于含不同颜色的机械混入物而使之呈紫色、玫瑰色、烟灰色和黑色等。 (3)假色。由于某些物理光学过程引起矿物呈色的现象，与矿物的化学成分与内部结构无关。例如在白云母、方解石等透明矿物的表面，因反射光的干涉作用呈现一种虹彩般的颜色称为晕色；黄铁矿、斑铜矿等不透明矿物的表面，因氧化薄膜所引起的锖色(蓝紫混杂的斑驳色彩)。 描述矿物颜色的方法有两种：即标准色谱法和实物对比法。描述时，应以新鲜干燥矿物为准。 标准色谱法：即利用标准色谱中的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫标准色或白、灰、黑来描述矿物的颜色。若矿物为标准色中的一种，则直接用其描述，如蓝铜矿为蓝色、辰砂为红色；当矿物的颜色与标准色有深浅、浓淡差异时，则在色别之前加以适当的形容词，如深红色、浅绿色、暗灰色等；当矿物的颜色呈现标准色谱中的过渡色时，则用两种颜色描述，并把主体颜色放在后面。 实物对比法：即把矿物的颜色与常见实物颜色相比进行描述。例如乳白色、肉红色、铜黄色、铅灰色、天蓝色等。 2)条痕 矿物的条痕是指矿物粉末的颜色，一般是指矿物在条痕板(白色无釉瓷板)上擦划后所留下的粉末的颜色。条痕色消除了假色干扰，减弱了他色影响，突出表现出矿物的自色，所以它是比较固定的。在鉴定过程中，常作为可靠的依据。例如赤铁矿的颜色，有铁黑、褐红等色，但是条痕都是樱红色；又如黄铜矿和黄铁矿颜色近似，但黄铜矿的条痕为带绿的黑色，黄铁矿的条痕为黑色，据此，可以准确地区别它们。 条痕色一般浅于从手标本上观察到的颜色。条痕对鉴定不透明矿物至关重要，但对透明矿物而言，无鉴定意义，因为它们的条痕均呈白色或无色。 3)光泽 光泽是指矿物表面对光的反射能力。反射力强，光泽就强；反之，则弱。根据反射光由强到弱的次序，可以分为以下四种： (1)金属光泽。矿物表面如同光亮的金属器皿表面的光泽，如黄铁矿、方铅矿的光泽。 (2)半金属光泽。弱于金属光泽，象未抛光的金属面那样光亮，如磁铁矿、辰砂的光泽。 (3)金刚光泽。具有金刚石那样耀眼的光泽，如金刚石、闪锌矿的规光泽。 (4)玻璃光泽。象普通玻璃那样的光泽，如石英、方解石的光泽。 由于矿物表面不平整或在某些集合体表面往往会呈现一些特殊的光泽。常见的有： 油脂光泽： 某些颜色浅、具玻璃光泽或金刚光泽的矿物，在它的不平坦断面上，可以见到这种光泽。如石英，晶面为玻璃光泽，贝状断口为油脂光泽。 松脂光泽：一些颜色黄—黄褐、具金刚光泽的矿物，如闪锌矿、雄黄等，在它们的不平坦面上，可以见到象松香表面那样的光泽。 丝绢光泽：某些纤维状集合体的矿物具有象蚕丝一样的光泽。如石棉、纤维石膏等。 珍珠光泽：解理发育的浅色透明矿物，在它们的解理面上，可以见到的那种象珍珠一样柔和而多彩的光泽。如白云母、滑石等。 土状光泽：某些粉末状或土状集合体的矿物光泽暗淡，就象泥土那样的光泽。如高岭石、褐铁矿等。 4)透明度 矿物的透明度是指矿物透过可见光能力的大小。它取决于矿物对光的吸收率和厚度。金属矿物吸收率高，一般都不透明；非金属矿物吸收率低，一般都透明，但透明程度却因矿物而异。 在观察矿物的透明度时，为了消除厚度的影响，一般是隔着矿物的破碎刃边或岩石薄片(厚度为0.03 mm)观察光源一侧的物体，根据所见物体的清晰程度，可将矿物的透明度划分为以下三类： (1)透明。矿物可以透过绝大部分可见光波，隔着矿物的薄片或破碎刃边可以清晰地看见另一侧的物体。如石英、方解石、萤石等。 (2)半透明。矿物可以透过部分可见光波，隔着矿物的薄片或破碎刃边可以看见另一侧的物体，但轮廓分辨不清。如闪锌矿、雄黄、锡石等。 (3)不透明。矿物基本上不能透过可见光波，隔着矿物的薄片或破碎刃边无法看见另一侧的物体。如自然金、石墨、黄铁矿等。 综上所述，矿物的颜色、条痕、光泽和透明度都是自然光作用于矿物时所表现的性质，它们之间的关系可见表2-2。 表2-2 矿物的颜色、条痕、光泽与透明度的相互关系 颜色 无色或白色 浅色 深色 金属色  条痕 白色 浅色 深色 金属色  光泽 玻璃——金刚——半金属——金属 透明——半透明——不透明  透明度    2．矿物的力学性质 矿物的力学性质，是指矿物在外力作用下表现出来的各种物理性质，主要有硬度、解理、断口等。 1）硬度 矿物的硬度是指矿物抵抗外力作用(如刻划、压入、研磨等)的能力。确定矿物的硬度一般采用两种计量标准：摩氏硬度和维氏硬度。肉眼鉴定矿物时，一般均采用摩氏硬度， 亦称相对硬度，它是一种刻划硬度，是以十种具有不同硬度的常见矿物作为标准，按大小顺序排列，构成所谓的摩氏硬度计，见表2-3。 表2-3 摩氏硬度计 硬度等级 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10  代表矿物 滑石 石膏 方解石 萤石 磷灰石 正长石 石英 黄玉 刚玉 金刚石   野外工作中，常采用指甲(硬度为2.5±)、铜针(硬度为3±)、小钢刀(硬度为5.5±)等即可约略估计出大多数低于7的矿物的硬度。当矿物的硬度介于某两个数值比如3和4之间时，则可用3.5表示之。在测定矿物的硬度时，必须选择新鲜面，并尽可能选择矿物的单体。刻划矿物时用力要缓而均匀，力戒刻掘。如有打滑感，表明被测矿物的硬度大于测具；如有阻涩感，则硬度小于测具。 2）解理 矿物的解理是矿物的重要鉴定特征之一。它是指矿物在外力打击之下，总是沿一定方向裂开成光滑平面的性质。裂成的光滑平面称为解理面。 根据解理方向数目多少，解理可分为：一向解理，如云母；二向解理，如长石；三向解理，如方解石；四向解理，如萤石。 根据解理产生的难易程度与解理面的光滑程度，可以把解理分为五级： (1)极完全解理。矿物在外力作用下极易裂成薄片，解理面大而光滑平坦(2-6a)。如云母、石墨等的解理。 (2)完全解理。矿物在外力作用下容易裂成平面(不成薄片)，解理面平滑(图2-6b)。如方解石、萤石、方铅矿的解理等。 (3)中等解理。矿物在外力作用下能沿解理方向裂成平面，解理面不太平滑。如普通辉石、普通角闪石的解理。 (4)不完全解理。矿物在外力作用下不易裂成平面，解理面不平整且小。如磷灰石的解理。 (5)极不完全解理。矿物在外力作用下极难裂成平面，实际无解理。如石英、石榴子石等。 3)断口 矿物的断口是指矿物受外力打击后，沿任意方向产生不平整断面的性质。断口无论在结晶质或非晶质矿物中都可能出现。具有良好解理的矿物受力时极易沿解理方向裂开，在解理面上难看到断口，所以断口与解理互为消长关系，即解理发育的矿物难于出现断口，易出现断口的矿物解理不发育。许多矿物断口的形状是固定的，所以断口可以作为鉴定矿物的辅助依据。 根据矿物断口的形状，可以分为： （1）贝壳状断口。呈近椭圆形的光滑曲面，曲面上有不规则的同心条纹，类似贝壳。例如石英的贝壳状断口。 （2）锯齿状断口呈尖锐的锯齿状。如自然铜的断口。 （3）参差状断口。呈参差不平状，多数矿物是此种断口，如黄铁矿、磷灰石的断口。 3.矿物的其它性质 （1）相对密度。矿物的相对密度是指纯净的单矿物在空气中的重量与4℃时同体积水的重量之比。矿物的相对密度与组成矿物元素的原子量大小和晶体结构紧密程度有关，它是矿物的重要数据之一,可作为鉴定依据。相对密度的测定，常采用手称法。 （2）磁性。矿物的磁性是指矿物在外磁场作用下被吸引或排斥的性质。矿物的磁性可以作为某些矿物的鉴定特征。强磁性矿物最常见的是磁铁矿、磁黄铁矿，还有自然铁等；无磁性如石英、方解石、萤石等；黑云母、普通角闪石等为弱磁性矿物。 （3）弹性。当矿物受外力作用后发生形变而不断裂，外力取消后可恢复其原来形状的性质，称为弹性。如云母。 （4）挠性。当矿物受外力作用能发生形变，但外力取消后，不能恢复其原来形状的性质，称为挠性。在矿物中某些层状结构的矿物，如石墨辉、钼矿、绿泥石、水镁石等具有这一性质。 此外，有些矿物的性质，对人的五官有特殊的感觉。如滑石、叶蜡石有滑腻感；硝石有冷感；含砷矿物有蒜臭；石盐有咸味等。矿物的这些特征，也都可用来鉴定矿物。 三、常见矿物 (一)矿物分类 自然界已知矿物有3000余种，最常见的不过200余种。组成岩石的常见矿物，称为造岩矿物，主要造岩矿物只有几十种。根据矿物的化学成分将所有矿物分为五个大类。 第—大类：自然元素矿物。如自然金、石墨等。 第二大类：硫化物及其类似化合物矿物。如方铅矿、闪锌矿、黄铁矿、黄铜矿等。 第三大类：氧化物及氢氧化物矿物。如石英、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿等。 第四大类：卤化物矿物。如石盐、萤石等。 第五大类：含氧盐矿物。如橄榄石、辉石、角闪石、云母、长石、方解石、石膏等。 各种矿物在自然界分布数量很不均衡。石英和含氧盐矿物(特别是其中的硅酸盐矿物)分布最广、数量最多，它们往往是构成各类岩石的重要造岩矿物。 (二)常见矿物特征 这里介绍几种常见矿物的一般特征。 (1)自然金(Au)。完好的晶形少见，常为不规则粒状或树枝状集合体。颜色和条痕均为金黄色，强金属光泽，不透明，无解理，摩氏硬度2.5～3，相对密度15.6～18.3，强延展性。 (2)石墨(C)。完好的晶形少见，常为鳞片状、土状、块状集合体。颜色和条痕均为黑色，易污手，金属光泽，不透明，有一组极完全解理，摩氏硬度1～2，相对密度2.09～2.23，有滑感。 (3)方铅矿(PbS)。晶形常呈立方体(图2-7)，集合体常呈致密块状或粒状。颜色铅灰，条痕灰黑色，金属光泽，不透明，有三组完全解理，沿解理面易破裂成立方体，摩氏硬度2.5，相对密度7.5。 (4)闪锌矿(ZnS)。晶形常呈四面体(图2-8)，集合体常呈致密块状或粒状。颜色随含铁量增加由浅黄至棕黑，条痕由白色至褐色，解理完全，摩氏硬度3.5～4，相对密度3.9～4.2。 (5)黄铜矿(CuFeS2)。完好的晶形少见，常呈致密块状或分散粒状集合体。颜色铜黄色，表面常有蓝、紫褐、暗黄斑状锖色，条痕绿黑色，金属光泽，不透明，有不完全解理，摩氏硬度3.5～4，相对密度4.1～4.3。 (6)黄铁矿(FeS2)。晶形常呈立方体、五角十二面体(图2-9)，集合体常呈致密块状、浸染状和结核状。颜色浅铜黄色，表面常有黄褐色锖色，条痕黑色，金属光泽，不透明，无解理，断口参差状，摩氏硬度6～6.5，相对密度5.0。 (7)石英(SiO2)。晶形常呈六方柱状，集合体常呈晶簇状、粒状、致密块状(图2-10)。五色透明者称水晶，常因含杂质出现各种不同色调，晶面玻璃光泽、断口油脂光泽，无解理，断口贝壳状，磨氏硬度7，相对密度2.65。 隐晶质的石英称为石髓。常呈钟乳状、结核状、 致密块状集合体。具有多色环状条带的石髓称为玛 瑙，敲击时产生火花的黑色石髓称为燧石。 (8)赤铁矿(Fe2O3)。完好晶形少见，常呈致密块状、 片状、鲕状、豆状、肾状集合体。结晶质赤铁矿为铁黑 至钢灰色，隐晶质赤铁矿为暗红色，条痕樱红色，半金 属至土状光泽，不透明，无解理，摩氏硬度5.5～6.5，相对密度4.9～5.3，无磁性。 (9)磁铁矿(Fe2+Fe3+O4)。晶形常呈八面体和菱形十二面体(图2-11)，集合体常呈粒状或致密块状。铁黑色，条痕黑色，半金属光泽。不透明，无解理，摩氏硬度5.5～6，相对密度5～5.2，具强磁性。 (10)褐铁矿(Fe2O3·nH2O)。为多矿物的混合物，主要包括纤铁矿(FeOOH)、水纤铁矿(FeOOH·nH2O)、针铁矿(HFeO2)，水针铁矿(HFeO2·nH2O)以及一些杂质。常呈结核状、肾状、钟乳状、土状、疏松多孔状。褐至褐黄色，条痕黄褐色。摩氏硬度、相对密度变化较大。 (11)萤石(CaF2)。晶形常呈立方体、八面体、菱形十二面体(图2-12)，集合体常呈粒状、块状。颜色多样，有无色、蓝色、绿色、紫色、黄色等。玻璃光泽。透明。有完全解理。摩氏硬度4。相对密度3.18。 (12)石盐(NaCl)。晶形常呈立方体，集合体常呈粒状或块状。无色或白色，但常因含杂质呈现各种色调。玻璃光泽。透明。有三组完全解理，摩氏硬度2～2.5，相对密度2.1～2.2，易溶于水，有咸味。 (13)橄榄石((Mg，Fe)2[SiO4])。完好晶形少见，常为粒状集合体。颜色随含铁量增加由淡黄绿色变为深绿色，玻璃光泽，透明，解理不完全，断口贝壳状，摩氏硬度6～7，相对密度随铁含量的增加而增大，为3.3～4.4。 (14)石榴子石(A3B2[SiO4]3)。化学式中的A代表二价阳离子Mg2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+等；B代表三价阳离子A13+、Fe3+、Cr3+等。晶形常呈等轴状，酷似石榴籽，集合体呈粒状、致密块状。颜色随成分而异，常见的为黄褐色、褐色、黑色。玻璃光泽，断口油脂光泽，无解理，断口贝壳状，摩氏硬度6.5～7.5，相对密度3.5—4.2。 (15)红柱石(A12 [SiO4]O)。晶形呈柱状，横断面近正方形(图2-13)，集合体常呈放射状，有“菊花石”之称。颜色为灰白、褐、肉红色。玻璃光泽，解理中等至不完全，摩氏硬度6.5～7.5，相对密度3.15～3.16。 (16)蓝晶石(A12[SiO4]O)。与红柱石同属A12SiO5的同质多象变体。晶形呈扁平长柱状(图2-14)。蓝灰色。玻璃光泽，解理面上呈珍珠光泽。具完全和中等两组解理。摩氏硬度因方向而异，平行长柱方向摩氏硬度为4.5，垂直长柱方向摩氏硬度为6，有二硬石之称。相对密度3.53～3.65。 (17)辉石(R2[Si2O6 ])。化学式中的 R 代表Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Na+ 等。因阳离子 不同包括若干种，如紫苏辉石、透辉石、普通辉石等。共同特征：晶形多呈断柱状，横断面为近正方形的八边形(图2-15)。随含铁量增加，颜色由绿、墨绿至褐黑色，玻璃光泽，沿柱面方向有两组中等解理，其交角87°，摩氏硬度5～7，相对密度3.2～3.6。 (18)角闪石(R7[Si4O11 ]2(OH)2)。化学式中的 R 代表Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Na+等。因阳离子不同包括若干种，如透闪石、阳起石、普通角闪石等。晶形多呈长柱状，集合体呈放射状、纤维状，横断面为近菱形的六边形(图2-16)。不含铁者白、灰白色，含铁者绿、绿黑色。玻璃光泽，沿柱面方向有两组完全解理，其交角56°，摩氏硬度5～6，相对密度3～3.5。 (19)白云母(Kal2[AlSi3O10](OH)2)。晶形呈假六方短柱状或板状，集合体呈鳞片状。无色透明，玻璃光泽，解理面具珍珠光泽，有一组极完全解理，容易撕成薄片，薄片有弹性，摩氏硬度3～4，相对密度2.76～3.1，绝缘性能极好。 (20)黑云母(K(Mg，Fe)3[AlSi3O10](OH，F)2)。晶形呈假六方板状或短柱状，集合体呈片状或鳞片状。常为黑色、深褐色，有时带浅红、绿色等。透明至不透明。玻璃光泽，解理面具珍珠光泽。有一组极完全解理，解理薄片具弹性。摩氏硬度2.5～3，相对密度2.8～3.2。 (21)绿泥石((Mg，Fe，A1)6[(Al，Si)4O10](OH)8)。完好晶形少见，常呈鳞片状集合体。一般呈绿色，随含铁量增加颜色加深。玻璃光泽，解理面具珍珠光泽。一组极完全解理，解理薄片有挠性，摩氏硬度2～3，相对密度2.6-3.4。 (22)高岭石(A14[Si4O10](OH)8)。晶体极细小，在电子显微镜下呈六方形鳞片状，常为疏松鳞片状、致密细粒状、土状集合体。质纯者白色，常因含杂质而带各种色调。土状光泽，摩氏硬度2～2.5，相对密度2.60～2.63，干燥时有吸水性(粘舌)，遇潮后有可塑性，其土状块体具粗糙感，易用手捏成粉末。 (23)蒙脱石(Nax(H2O)4{A12[AlxSi4-xO10](OH)2})。常呈隐晶质土状块体。白色、粉红、浅灰或其他浅色调。无光泽，摩氏硬度2～2.5，相对密度2～2.7，有滑感，吸水后体积急剧膨胀并成糊状。 (24)长石。分布最广的造岩矿物，约占地壳质量的50％。包括三个基本类型：钾长石(K[AlSi3O8])、 钠长石(Na[AISi3O8]) 、钙长石(Ca[Al2Si2O8])。钠长石与钙长石可以任何比例混溶，所形成的完全类质同象系列称为斜长石((Ca，Na)[(Al,Si)AlSi2O8])。斜长石晶形呈板状或板条状(图2-17)。颜色常为白色、灰白色。玻璃光泽。有两组近于垂直的完全解理。摩氏硬度6～6.5。相对密度2.6～2.76，随钙长石含量增高而变大。钾长石(K[AlSi3O8])中包括正长石、钾微斜长石、透长石等许多变种，其中最常见的是正长石。正长石晶形呈短柱状或板状(图2-18)。颜色常为肉红色、浅黄色。玻璃光泽。有两组相互垂直的完全解理。摩氏硬度6。相对密度2.5～2.6。 图2-17 图2-18 (25)方解石(Ca[CO]3)。晶形完好的常见，但晶形复杂，有柱状、板状、菱面体等(图2-19)，集合体常呈晶簇状、粒状、致密块状、鲕状、钟乳状等。通常为白色，常因含杂质而呈现不同颜色，无色透明者称为冰洲石。玻璃光泽，有三组完全解理，易沿解理方向裂开成菱面体，摩氏硬度3，相对密度2.6～2.9，遇冷稀盐酸剧烈冒泡。 (26)白云石(CaMg[CO3]2)。晶形为菱面体状，晶面常弯曲呈马鞍状(图2-20)；集合体常呈粒状、致密块状。一般为白色，含铁者为灰色、褐色，玻璃光泽，有三组完全解理，解理面常弯曲，摩氏硬度3.5～4，相对密度2.85～3.2，遇冷稀盐酸反应微弱。 (27)石膏(Ca[SO4]·2H2O)。晶体常为板状(图2-21)，集合体常呈块状、粒状、纤维状。纯者无色透明，含杂质时呈灰、黄等色。玻璃光泽，解理面呈针珠光泽。有一组完全解理，解理薄片有挠性。摩氏硬度2，相对密度3，闭管中加热可放出水分。 石膏中五色透明的称为透石膏；雪白色、半透明的细晶粒块状体称为雪花石膏；纤维状集合体称为纤维石膏。 (28)硬石膏(Ca[SO4])。完好晶形少见，常呈纤维状、粒状、块状集合体。纯者无色或白色，常因含杂质微带浅灰、浅蓝等色。玻璃光泽，解理面呈珍珠光泽。解理好，沿三个相互垂直的解理方向可裂为长方体解理块。摩氏硬度3～3.50，相对密度2.98，易水解转变成石膏。 第三节 岩 石 一、岩石的概念 岩石是指构成地壳和上地幔的固态物质。岩石是由矿物(一种或多种)的天然集合体(部分为火山玻璃物质、胶体物质、生物遗体)组成，是地球内力和外力地质作用的产物。 根据成因，可将岩石划分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。岩浆岩又称火成岩，主要是由高温熔融的岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝而形成。通常将岩浆岩分为侵入岩和喷出岩两大类，喷出岩又称火山岩。沉积岩主要是由母岩风化剥蚀的产物、火山碎屑物质、生物遗骸等原始沉积物质，经过搬运、沉积、成岩等一系列地质作用而形成的层状岩石。变质岩是由已形成的岩浆岩、沉积岩或变质岩经变质作用转化而成。岩浆岩与变质岩多数由结晶矿物组成，故又统称为结晶岩。岩浆岩、沉积岩、变质岩岩石因成因不同，特征也不同。 三类岩石在地壳中的分布情况各不相同。地壳的表面以沉积岩为主，约占陆壳面积的75%，洋底几乎全部为沉积物覆盖。但是，地壳较深处和上地幔的上部主要由岩浆岩和变质岩组成。据统计岩浆岩占整个地壳体积64.7%；变质岩占27.4%；沉积岩仅占7.9%。 岩石在其形成过程中，记载了地壳或上地幔形成演化历史的信息，它是地质学研究的重要对象。岩石与矿产有密切的关系，各种金属、非金属矿产以及煤炭、石油等绝大多数蕴藏于岩石之中。岩石还与各种工程设施、交通运输等建筑工程密切相关，很多重大工程建设几乎都离不开岩石，因此对岩石进行研究，具有重要的理论和实际意义。 二、岩浆岩 (一)岩浆岩的基本特征 1．岩浆岩的化学成分 地壳中的各种元素几乎都能在岩浆岩中找到，其中含量最多的是O、Si、A1、Fe、Mg、Ca、Na、K、Ti等，其总量约占岩浆岩总重量的98％以上，称之为主要造岩元素。在造岩元素中，氧的含量最高，占岩浆岩总重量的46％以上，因此岩浆岩的化学成分常用氧化物的百分数来表示。据统计，造岩氧化物的含量在不同的岩浆岩中变化很大，如表2-4、2-5所示。 表 2-4 岩浆岩的化学成分及含量变化 成 分 变化范围(质量％) 成 分 变化范围(质量％)  主要成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O  30—78 3—34 0—5 O—15 0—40 0—20 0—10 0—15 次要成分 H20 Ti02 P2O5 MnO C02 Cl F  0.2—3 0.1—3 0.1—1 0.01—0.3 0.0 —0.9 0.0—4 0.0—0.4   表2-5 中国各类岩浆岩的平均化学成分 (据黎彤等，1963) 酸性岩(318)① 中性岩(64) 基性岩(225) 超基性岩(14) 碱性岩(40)  SiO2 Ti02 A1203 Fe203 FeO MnO MgO CaO Na20 K20 H2O P205 CO2 70.40 0.31 14.48 1.38 1.77 0.08 0.94 1.93 3.77 3.99 O.65 0.18 0.32 58.05 0.79 17.41 3.23 3.57 0.15 3.24 5.77 3.57 2.36 0.85 0.44 0.57 48.25 2.08 14.90 4.17 7.61 0.21 6.93 8.27 3.30 1.72 1.47 0.56 0.53 43.67 0.90 4.53 4.22 7.77 0.25 25.34 8.79 0.90 0.41 2.84 0.11 0.27 64.30 0.52 16.21 2.44 2.57 0.16 0.63 1.71 5.00 5.5l O.32 O.12 O.51  总 计 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00  ①参加平均的样品分析数 从上述两表中可以看出，绝大多数岩浆岩以SiO2含量为最多，其次为Al2O3。它们的变化常反映了岩浆岩的化学性质并影响矿物成分。随着SiO2含量的增减，其它氧化物含量将出现规律性变化(图2-22)。 2．岩浆岩的矿物成分 组成岩浆岩的常见矿物有长石、石英、云母、角闪石、 辉石、橄榄石、似长石、磁铁矿、磷灰石等十余种。除了 纯橄榄岩之外，各类岩浆岩中长石分布最广，其次是石英。 因此，长石和石英就成了岩浆岩的鉴别和分类的重要依据 之一。 根据造岩矿物在岩浆岩中的含量及其在分类命名中所起的 作用，可以将其分为： (1)主要矿物。岩石中含量较多的矿物，一般都在10％ 以上。它们是划分岩石大类的依据。例如花岗岩类中的主要 矿物是石英和钾长石，没有它们就不能定名为花岗岩。 (2)次要矿物。岩石中含量不多的矿物，一般都在10％ 以下。它们对划分岩石大类不起作用，但是可以作为确定岩石种属的依据。例如角闪花岗岩和黑云母花岗岩中的角闪石、黑云母是次要矿物，它们是划分花岗岩类种属的依据。 (3)副矿物。岩石中含量很少的矿物，通常不到1%，偶而可达5%。它们在岩石的分类和命名中一般不起作用，但它们在研究岩浆岩的含矿性、生成条件、形成年代等方面有一定的意义。常见的副矿物有铬铁矿、磁铁矿、钛铁矿、磷灰石、锆石、榍石等。 根据造岩矿物的化学成分特点，还可以将其分为二类： （1）硅铝矿物。为富含硅铝组分、不含铁镁组分的硅酸盐矿物，包括石英类、长石类及似长石类等。这些矿物颜色较浅，故又称浅色矿物。 （2）铁镁矿物。为富含铁镁组分的硅酸盐矿物，包括橄榄石类、辉石类、角闪石类、黑云母类等。这些矿物颜色较深，通常呈黑、暗绿色，故又称暗色矿物。暗色矿物在岩石中的百分含量称为岩石的色率，又称颜色指数。它是肉眼鉴定岩石的重要指标，可大致判断岩石的类别和推知岩石的化学性质。 3．岩浆岩的矿物共生组合规律以及与化学成分的关系 岩浆岩的矿物共生组合规律以及和化学成分之间有很 密切的关系，化学成分不同的岩浆所形成的矿物成分也不 一样，两者之间的关系可以概述如下(如图2-23)。 （1）橄榄岩和辉石岩类。SiO2＜45%，富含MgO和 FeO，贫Na2O和K2O。铁镁矿物含量＞90%，主要是橄榄石 和辉石，长石含量很少或无。 （2）辉长岩类。SiO245～52%，随着SiO2含量增 多，MgO、FeO含量明显减少，CaO和Al2O3含量急剧增多。 出现辉石与含钙长石较高的斜长石共生，且二者含量相 近。 （3）闪长岩类。SiO252～66%，随着SiO2含量进一步 增多，Na2O、K2O也相应增多，MgO、FeO、CaO减少。出现普通 角闪石和中性斜长石共生，铁镁矿物含量降至30%左右。 （4）花岗岩类。SiO2>66%，SiO2含量最多，Na2O、K2O含量也最多，MgO、FeO、CaO大大减少。出现石英、钾长石、酸性斜长石、黑云母共生，铁镁矿物含量降至10%左右。 4．岩浆岩的结构和构造 成分相同的岩浆，在不同的物理化学条件下，可以形成结构、构造截然不同的岩浆岩。因此，研究岩浆岩的结构、构造，有助于了解岩浆岩的形成环境，同时也是岩石鉴定、分类和命名的重要依据。 1)岩浆岩的结构 岩浆岩的结构指是岩石的结晶程度、颗粒的大小、形状特征以及这些组分之间的相互关系所反映的特征。 岩浆岩的结构主要决定于岩石形成时的物理化学条件，诸如岩浆的温度、挥发组分、粘度、冷却速度等因素。岩浆在冷却的过程中，由于矿物熔点不同，晶出有一定的顺序，先结晶的矿物自形程度高，后结晶的矿物自形程度低。岩浆侵入地壳深处，岩浆冷却速度缓慢，压力大，挥发组分不易逸散，所以矿物结晶速度缓慢，生长时间长，颗粒比较粗大；反之岩浆喷出地表，岩浆冷却速度快，压力骤然下降，挥发组分大量逸散，就会结晶不全，或形成细小的晶体；甚至来不及结晶而形成玻璃质。 岩浆岩的结构主要有以下几种： （1）显晶质结构。矿物颗粒较粗，凭肉眼或借助放大镜能分辨出矿物颗粒的结构。根据主要矿物颗粒的平均直径大小，可以进一步分为粗粒结构(d ＞5 mm)、中粒结构(d 5～1mm)、细粒结构(d 1～0.1mm)、微粒结构(d＜0.1mm)。 （2）隐晶质结构。矿物颗粒很细，不能用肉眼或放大镜分辨出矿物颗粒,但在显微镜下可以看出矿物晶粒者。岩石外貌致密，有蜡状光泽，具瓷状断口。 （3）玻璃质结构。全部由玻璃物质所组成的一种岩石结构。有玻璃光泽，具贝壳状断口。这种结构常见于火山岩中，如黑曜岩。 （4）等粒结构和不等粒结构。等粒结构是指岩石中同种主要矿物颗粒大小大致相等的一种结构(图2-24A)，它常见于侵入岩中；不等粒结构是指岩石中同种主要矿物颗粒大小不等的一种结构(图2-24C)。 （5）斑状结构和似斑状结构。岩石的组成部分大小相差悬殊，分成截然不同的两组，大的称斑晶，小的称基质。如果基质为隐晶质或玻璃质，则为斑状结构(图2-24D)；如果基质为显晶质，则为似斑状结构(图2-24B)。 （6）自形晶结构、半自形晶结构和他形晶结构。自形晶结构的特点是矿物晶粒具有完整的晶面(图2-25A)。他形晶结构的特点是矿物晶粒无一完整的晶面(图2-25C)。半自形晶结构的特点介于二者之间(图2-25B)。 2)岩浆岩的构造 主要指岩石的组成部分在空间的分布、排列、充填的方式。岩浆岩的构造除与岩浆自身特点有关外，还受岩石形成时的地质因素(构造运动、岩浆的流动等)影响。 岩浆岩常见的构造主要有以下几种： （1）块状构造。岩石的各组成部分均匀无向分布的一种构造。它是岩浆岩最常见的一种构造。 （2）斑杂构造。是一种不均匀构造。岩石的不同部位在结构上和矿物成分上有明显差异。这是由岩浆分异作用或同化混染作用造成的。 （3）气孔构造和杏仁构造。岩石中有大量空洞，称为气孔构造。它是火山岩中常见的一种构造，是岩浆溢出地表时，其挥发组分从岩浆中逸散形成大量气泡而留下的空洞。如果孔洞被岩浆期后形成的矿物如石英、方解石等充填，则称为杏仁构造。 （4）枕状构造。在喷出岩层顶面有许多大小不同形似枕头的扁椭球体堆积在一起，每个岩枕下平上凸(图2-26)。是海底形成的喷出岩与海水接触迅速冷却、收缩而凝成的。水下溢出的基性喷出岩中枕状构造很常见。 （5）流纹构造。由不同颜色的条纹、拉长的气孔定向排列所显示的一种流动构造。它是熔岩流在流动过程中形成的，多见于酸性喷出岩中(图2-27)。 5．岩浆岩的产状 岩浆岩产状是指岩体的大小、形状、与围岩的接触关系，以及形成时所处的地质构造环境和距离当时地表的深度等。根据岩浆的活动方式不同，可将岩浆岩的产状分成两大类， 即侵入岩的产状和喷出岩的产状。 1)侵入岩的产状 （1）岩基。规模庞大的侵入岩 体，出露面积一般在lOOkm2以上，通常 由花岗岩类组成(图2-28)。 （2）岩株。规模较大的侵入岩 体，横剖面上近圆形，纵剖面上呈树干 状，与围岩较陡直接触(图2-28)。 （3）岩墙或岩脉。一种较小的侵 入体，往往呈墙状或脉状延伸，与围岩 层理或片理斜交。岩脉和岩墙在形态上 是相似的，近于直立的板状岩脉称为岩墙(图2-29)。 （4）岩床。是与层面呈整合接触的板状侵入体，厚度稳定(图2-30)，面积较大，多系基性岩浆顺层侵入而形成。 （5）岩盆。是一种层间整合接触的侵入体，呈中心下凹的盆状(图2-31)。 （6）岩盖。也是一种层间整合接触的侵入体，与岩盆不同的是底部平坦，顶部拱起，中央厚边缘薄(图2-32)。 2)喷出岩的产状 （1）火山锥。火山口附近由喷溢出来的熔岩流和火山碎屑物质堆积而成的锥状岩体。 （2）岩钟。火山口溢出的熔岩流粘度较大，不易流动而形成钟状、穹丘状岩体(图2-33)。 （3）熔岩流。粘度较小的熔岩流溢出地表，流入低洼狭长河谷地带，形成熔岩流。熔岩流遇到悬崖或陡坎，则形成熔岩瀑布(图2-34)。 （4）熔岩被。粘度较小的熔岩流溢出地表，沿地面流动，形成面积广大的熔岩被。 (二)岩浆岩的分类 为了便于肉眼鉴定，根据岩浆岩的化学成分、矿物成分、产状和结构的特征，岩浆岩的分类，可见表2-6。 表 2-6 岩浆岩分类简表 岩 类 超基性岩 基性岩 中性岩 酸性岩   橄榄岩—— 苦橄岩 辉长岩—— 玄武岩 闪长岩——安山岩 正长岩——粗面岩 花岗岩—— 流纹岩  SiO2含量(%) ＜45 45—52 52—66 ＞66  浅色 矿物 石英含量( % ) 0 0—微 0—20 20—60   长石含量( % ) 0—10 10—40 40—70 30—70   长石性质 无或少量 斜长石 斜长石为主 斜长石 为主 钾长石 为主 钾长石为主  暗色矿物种属 及含量(%) 橄榄石、辉石、角闪石为主，含量＞90 以辉石为主，可橄榄石、角闪石、黑云母等，含量＜90 以角闪石为主，辉石、黑云母次之，含量15—40 以黑云母为主，角闪石此之，含量＜15  深成岩 全晶质、粗粒或似斑状结构 橄榄岩 辉石 辉长岩 闪长岩 正长岩 花岗岩  浅成岩 斑状、细粒或隐晶质结构 苦橄玢岩 金伯利岩 辉绿岩 闪长玢岩 正长斑岩 花岗斑岩  喷出岩 隐晶质、斑状或玻璃质结构  苦橄岩 玄武岩 安山岩 粗面岩 流纹岩   (三)岩浆岩的主要类型 1．超基性岩类 橄榄岩：灰黑色至暗绿色。主要矿物是橄榄石(40％～90％)和辉石；次要矿物有角闪石、黑云母、基性斜长石；副矿物常为铬铁矿、磁铁矿。中——粗粒结构，块状构造。由于橄榄石、辉石易遭蚀变变为蛇纹石，使岩石变为蛇纹石化橄榄岩或蛇纹岩，所以新鲜的橄榄岩比较少见。 2．基性岩类 （1）辉长岩。灰黑至黑色。主要矿物是基性斜长石和辉石，二者近于1：1，均匀间杂分布；次要矿物有橄榄石、角闪石、黑云母；副矿物常为磁铁矿、钛铁矿、铬铁矿等。中一粗粒半自形粒状结构，一般为块状构造，也有条带状构造。 （2）玄武岩。一种化学成分上与辉长岩相似的基性喷出岩。灰黑至黑色。多具斑状结构或无斑隐晶质结构，也有玻璃质或半玻璃质结构，粒度较其它喷出岩粗。斑晶为基性斜长石、橄榄石和辉石，其中的橄榄石常蚀变为红色的伊丁石。基质多为隐晶质，甚至玻璃质，肉眼难以分辨矿物成分。普遍发育气孔构造与杏仁构造，厚层玄武岩中常见六边形柱状节理，海底喷出的玄武岩有特殊的枕状构造。 3．中性岩类 （1）闪长岩。灰白至灰绿色。主要矿物是中性斜长石和普通角闪石，二者近于2∶l；次要矿物为辉石、黑云母，也可有少量石英(一般少于5%)；副矿物常为磁铁矿、磷灰石、榍石、锆石等。中一细粒半自形粒状结构，块状构造。 （2）安山岩。一种化学成分上与闪长岩相似的中性喷出岩。颜色较玄武岩浅，常呈红褐色、浅褐色、浅红色、灰绿色等。具斑状结构或隐晶质结构。斑晶为中性斜长石、角闪石、辉石和黑云母，斜长石斑晶多呈宽板状自形晶。基质多由玻璃质和斜长石微晶等组成，肉眼难以分辨。以块状构造为主，有时具气孔构造。 （3）正长岩。一种中性深成岩。浅灰、浅肉红、浅灰红等色。主要矿物是钾长石和中性斜长石，钾长石占长石总量2／3以上；次要矿物为角闪石、黑云母、辉石，暗色矿物占总量20～30%；可有少量石英，最多不超过5%。中——粗粒半自形粒状结构，也有似斑状结构。以块状构造为主。 4．酸性岩类 （1）花岗岩。酸性深成岩。肉红、灰红、灰白等色。主要矿物是钾长石、酸性斜长石和石英，钾长石占长石总量2/3以上，石英含量在20%以上；次要矿物为黑云母、角闪石，有时可有少量辉石，暗色矿物含量一般在10%以下；副矿物常为磁铁矿、锆石、榍石、电气石、磷灰石等。中一粗粒半自形粒状结构或似斑状结构。以块状构造为主。 （2）流纹岩。一种化学成分上与花岗岩相似的酸性喷出岩。灰、灰白、灰红、浅紫等色。为斑状结构，也有无斑隐晶质结构和玻璃质结构。斑晶主要是石英和透长石(无色透明的钾长石)，往往遭熔蚀呈浑圆状。基质为肉眼难以分辨的隐晶质与玻璃质。常见流纹构造，也有气孔和杏仁构造。 三、沉积岩 (一)沉积岩的基本特征 1．沉积岩的化学成分 由于沉积岩的原始物质主要来自岩浆岩，故其平均化学成分与岩浆岩的总平均化学成分十分接近。但由于沉积物质在风化、搬运和沉积过程中发生了分异，故各类沉积岩间的化学成分相差很大，如碳酸盐岩以钙镁氧化物和CO2占优势；砂岩以SiO2为主。 由于沉积岩是在地表环境下形成的，故其Fe2O3＞FeO，富含H2O、O2、CO2及有机质；沉积岩碱金属含量比岩浆岩低，但K2O＞Na2O。 2．沉积岩的矿物成分 沉积岩中已发现的矿物有160余种，主要矿物约20种，如石英类、长石类、粘土矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物以及Fe、Mn、A1的氧化物和氢氧化物矿物。一般沉积岩仅含5～6种矿物，多数沉积岩仅含1～3种矿物。 沉积岩的矿物成分与岩浆岩相比有如下特点： ⑴在岩浆岩中大量出现的橄榄石、辉石、角闪石和黑云母等铁镁矿物，在沉积岩中则少见。 ⑵粘土矿物、氧化物矿物、氢氧化物矿物和碳酸盐矿物大量出现。 ⑶岩浆岩中长石多于石英，而沉积岩中石英多于长石，且长石中以钾长石为主、酸性斜长石次之，其它种类长石罕见。 3．沉积岩的结构 沉积岩的结构明显不同于岩浆岩的结构。岩浆岩多为晶粒结构，而沉积岩的结构则随岩石的类型和成因而变化，如陆源碎屑岩具碎屑结构；泥质岩具泥状结构；某些化学及生物化学岩又具晶粒结构。 根据沉积岩的成因，主要的结构类型有： 1)碎屑结构 指碎屑颗粒本身的特征(包括碎屑颗粒的粒度、圆度、球度及表面特征)、杂基和化学胶结物的特征、碎屑颗粒与填隙物(包括杂基和胶结物)之间的关系(即胶结类型)的总和。由母岩机械破碎产生的碎屑物经搬运、沉积及压实胶结等作用而形成的岩石都具有碎屑结构。碎屑物可以是岩石碎屑、矿物碎屑、石化的生物碎屑或火山碎屑物等，杂质是细粉砂或粘土，胶结物是化学沉淀物，其成分为钙质、硅质、铁质矿物等。 碎屑颗粒大小的均匀程度称为分选性。大小均匀者分选性很好；大小混杂者分选性差，介于二者之间分选性好或中等。碎屑物棱角被磨蚀而圆化的程度称为圆度。碎屑物棱角全部磨蚀消失者称圆状；大部分棱角磨蚀者称次圆状；棱角尖锐或只稍有磨蚀者称棱角状。 2)泥状结构 由粒度＜0.0039 mm 粘土矿物组成的岩石，常见泥状结构。具泥状结构的岩石，致密细腻，具贝壳状断口。 3)生物骨架结构 由原地生长的造礁生物形成的礁灰岩，具有生物骨架结构。 礁灰岩可分为： （1）骨架岩。由原地固着生长的群体生物构成骨架，之间被基质(灰泥)、胶结物及孔隙充填而形成的生态礁。 （2）障积岩。为原地茎状或树枝状生物(如珊瑚、海绵、海百合等)对灰泥起障碍和遮挡作用，从而使灰泥堆积下来，构成的生物丘或灰泥丘。 （3）粘结岩。为原地匍伏生长的板状或片状生物(如板状层孔虫、苔藓虫、藻类等)，粘结和包裹大量灰泥基质，构成的生物层。 4)晶粒结构 化学及生物化学沉淀的灰岩、白云岩，白云岩化灰岩，重结晶的灰岩、白云岩等均可具有晶粒结构。按晶粒的绝对大小可分为：巨晶＞2 mm、极粗晶2～1 mm、粗晶1～0.5 mm、中晶0.5～0.25 mm、细晶0.25～0.1 mm、极细晶0.1～0.0625 mm、粉晶0.0625～0.031 mm、微晶0.031～0.004 mm、泥晶或隐晶＜0.004 mm等。 4．沉积岩的构造 沉积岩的构造是指其各个组成部分的空间分布和排列方式。沉积岩最具特征的构造是层理构造，其次是层面构造，如波痕、泥裂、印模等。 (1)层理 层理是指岩石的成分、结构、颜色沿垂直方向变化而表现出来的层状构造。层理是沉积岩区别于岩浆岩和变质岩的最主要标志。根据沉积岩的层理特征，不仅可确定沉积介质的性质和能量，而且还可判断沉积环境。 描述层理的基本术语有：细层、层系、层系组、层或叫岩层。 细层是层理的最基本、最小的组成单位。 层系是由一组在成分、结构、厚度和产状上都相似的同类型的细层组成的。层系上下界面之间的垂直距离为层系厚度，按层系厚度把层理分为：小型层理(＜3cm)；中型层理(3~10 cm)；大型层理(10~100 cm)；巨型层理(＞100 cm)。 层系组是由若干个同类型的层系组成的，同一层系组中的各层系是在沉积环境和水动力状态基本相似的环境中形成的。 岩层是由成分基本均匀一致的岩石组成。一个岩层可包含一个或几个层系或层系组。按厚度把岩层分为：块状层(＞100 cm)；厚层(100~50 cm)；中厚层(50~10 cm)；薄层(10~1 cm)；页片层(1~0.1 cm)；显微层(＜0.1 cm)。 层理中各细层相互平行者称为水平层理(主要见于泥岩、细粉砂岩、泥晶灰岩中)或平行层理(主要见于砂岩中)；细层与层面或层系界面相交者称为交错层理(图2-35)。碎屑物的粒径从底到顶由粗向细或由细向粗逐渐变化显示的层理称为递变层理(图2-36)。 (2)波痕 波痕是由于介质(风、流水等)的运动，在沉积物顶面所形成的一种波状起伏的构造。波痕可产于湖、海的浅水带和陆上环境(如河流、沙漠等)。 波痕可根据其形态特征来确定它的形成环境。测量波痕形态特征的要素有：波长( L )、波高( H )、波痕指数( L/H )、对称指数( L1/L2 )以及陡坡的方向和倾角等(图2-37)。浪成波痕常成对称状，其波峰尖锐、波谷圆滑(图2-38a)流水波痕常成不对称状，其波峰、波谷均较圆滑(图2-38b)。对称波痕是来回规则运动的波浪形成的；不对称波痕是介质做单向运动形成的。 (3)泥裂 泥裂是未固结的沉积物露出水面，失水干固时，因收缩而形成与层面大致垂直的裂逢。 裂缝断面呈上宽下窄的V形，裂缝内往往充填与沉积层性质不同的其它物质(图2- 39)。泥裂断面的V形裂缝的尖端指向岩层的底面，即指向较老岩层。因此泥裂可以作为鉴别地层顶底的依据。 (4)印模 印模是一种底面构造。在沉积层底面有许多突起，或呈线状，或呈舌状，也可呈不规则瘤状。一向延长的线状、舌状突起平行排列，是泥质沉积物顶面受到流水冲刷、或被流水携带物体刻划形成沟槽，然后被上覆砂质沉积物充填铸模而成(图2- 40)。不规则瘤状突起是在固结过程中上覆砂质沉积物对下伏泥质沉积物不均匀压实所造成的。 5．颜色 颜色是沉积岩最醒目的特征，根据沉积岩的颜色可了解岩石的成分、结构和成因。在煤矿区常把颜色作为识别地层、对比地层的标志之一。研究沉积岩的颜色，有助于推断沉积岩形成的环境和沉积物质的来源。 按成因，沉积岩的颜色可分为原生色和次生色。原生色又可分为继承色和自生色。 (1)继承色。它取决于碎屑物质的颜色，常为碎屑岩所具有。如纯石英砂岩的白色，是由于无色透明的碎屑石英造成的。 (2)自生色。它取决于沉积和成岩阶段形成的自生矿物的颜色。为大多数粘土岩、化学岩和部分碎屑岩所具有的颜色。 (3)次生色。它是原生色发生次生变化而形成的。 原生色的特点是在同一层内常稳定不变；而次生色则呈斑点状，或沿裂隙孔洞分布，可切穿层理，在风化带发育。在自然界常见的是原生色和次生色都有的混合色。 岩石的颜色除与成分有关外，还与粒度、干湿情况有关：粒度愈细则相应的颜色要显得深一些；湿的标本比干的颜色要深些。 (二)沉积岩的分类 根据沉积岩的物质来源、成因和物质成分等特征，首先可将沉积岩划分为外源的和内源的两大类。本教材沉积岩分类，可见表2-7。 1．外源沉积岩类 外源沉积岩类是指沉积物质来源于沉积盆地之外，包括： （1）由母岩风化、剥蚀后形成的碎屑物质和粘土矿物，经过机械搬运、沉积、成岩作用而形成的岩石，即陆源碎屑岩类。 （2）由火山喷发形成的火山碎屑物质经过堆积、压实、胶结或熔结作用而形成的岩石，即火山碎屑岩类。 2．内源沉积岩类 是指沉积物质主要来自原地或沉积盆地之中，是由沉积盆地内的溶解物质通过化学或生物化学作用沉淀生成的。内源沉积岩类再根据其物质成分进一步划分出若干类型。 表2-7 沉积岩分类表 外源沉积岩类 内源沉积岩类  陆源碎屑岩类 火山碎屑岩类   砾岩 粒径＞2 mm 砂岩 粒径2～0.0625 mm 粉砂岩 粒径0.0625～0.0039 mm 泥岩(粘土岩) 粒径＜0.0039 mm 集块岩 粒径＞64 mm 火山角砾岩 粒径64～2 mm 凝灰岩 粒径＜2 mm 碳酸盐岩 硅质岩 石膏、硬石膏岩、岩盐 煤、油页岩等   (三)沉积岩的主要类型 1．砾岩与角砾岩 砾石(粒径＞2mm)含量＞50%的岩石。砾石以岩屑为主，其成分或单一，或复杂，主要取决于母岩的性质。砾间空隙由砂、泥或化学沉淀物充填，化学沉淀物可能为硅质、钙质、铁质等。如果砾石呈圆状或次圆状，称为砾岩；如果砾石呈棱角状，称为角砾岩。 2．砂岩 砂粒(粒径2～0.0625mm)含量＞50%的岩石。砂粒为矿屑或岩屑，矿屑成分主要是石英、长石、白云母等，岩屑成分取决于母岩的性质。砂岩中的填隙物除粘土杂质外，还常见硅质、钙质、铁质等胶结物。 砂岩按砂粒粒径大小可进一步分为巨粒砂岩(粒径2～1mm)、粗粒砂岩(粒径1～0.5mm)、中粒砂岩(粒径0.5～0.25mm)、细粒砂岩(粒径0.25～0.0625mm)；按砂粒成分可以分为石英砂岩(石英含量>90%)、长石砂岩(长石含量>25%)、岩屑砂岩(岩屑含量>25%)等。 3．粉砂岩 粉砂(粒径0.0625～0.0039mm)含量＞50%的岩石。粉砂成分以石英为主，其次为白云母，岩屑和长石较少见，常混入砂和粘土。填隙物以泥质最多，其次为钙质与铁质。我国西北和华北广泛分布的黄土，是一种半固结的泥质粉砂岩。 4．泥岩与页岩 泥质岩亦称粘土岩，主要由粒径小于0.0039 mm的细颗粒组成，其主要成分为粘土矿物，其次为石英、白云母及少量长石。常见的粘土矿物有高岭石、水云母、蒙脱石等。泥质岩中的层理均为水平层理。单层厚度＜1mm 者称页理。页理发育的泥质岩叫页岩，无页理或页理不发育者叫泥岩。 5．火山碎屑岩 由火山碎屑物质和胶结物两部分组成的岩石。火山碎屑物质包括岩屑、晶屑、玻屑。岩屑是火山基底的岩石和火山通道周围的岩石以及原有的熔岩和火山碎屑岩在火山爆发时形成的岩石碎块；晶屑是火山爆发时形成的矿物晶体碎片，常见的有石英、长石、角闪石、辉石、黑云母等；玻屑是火山爆发时形成的玻璃质碎片，形态多样，一般＜2mm。胶结物或为火山灰分解产物，或为化学沉淀物，或为熔岩。火山碎屑岩通常按火山碎屑颗粒大小分为集块岩(粒径＞64mm的火山碎屑占50%以上)、火山角砾岩(粒径64～2mm的火山碎屑占50％以上)、凝灰岩(粒径＜2mm的火山碎屑为主)。 6．石灰岩 主要成分是方解石。按其结构特征可划分为碎屑石灰岩类、晶粒石灰岩类与生物礁石灰岩类。碎屑石灰岩类按碎屑物的不同，又分为内碎屑石灰岩、生物屑石灰岩、鲕粒石灰岩、球粒石灰岩、团块石灰岩等类型。晶粒石灰岩类按晶体粒径又分为巨晶(粒径＞2mm)石灰岩、粗晶(粒径2～0.5mm)石灰岩、中晶(粒径0.5～0.25mm)石灰岩、细晶(粒径0.25～0.062)石灰岩、粉晶(粒径0.062～0.031)石灰岩、微晶(粒径0.031～0.004mm)石灰岩、泥晶(粒径＜0.004)石灰岩。生物礁石灰岩类具有原地生长的生物骨架结构，多为块状，无层理,厚度大于同期沉积物。按造礁生物不同，生物礁石灰岩类又分为珊瑚礁石灰岩、海绵礁石灰岩、层孔虫礁石灰岩等类型。石灰岩的颜色呈灰～灰黑色，硬度低于小刀，遇冷的稀盐酸剧烈冒泡。 7．白云岩 主要成分是白云石。原生的白云岩很少见，一般是因石灰岩中的方解石在成岩或后生过程中被白云石交代而形成。白云岩的颜色呈灰一浅棕色，遇冷的稀盐酸反映微弱。在石灰岩与白云岩之间存在一系列过渡类型，根据方解石和白云石的相对含量可细分为石灰岩、含白云质石灰岩、白云质石灰岩、灰质白云岩、含灰质白云岩、白云岩等。 8．硅质岩 是由化学作用、生物作用和某些火山作用所形成的富含SiO2的岩石，由机械的粘土矿物、碳酸盐矿物等。多为胶状结构、隐晶质结构。主要由硅藻遗体堆积形成的硅质岩称为硅藻土，疏松多孔，吸附性强。灰黑色、致密坚硬、击之起火星的硅质岩称为燧石岩，多呈结核状、透镜状或条带状产于碳酸盐岩或泥岩中。富含氧化铁、颜色较鲜艳的硅质岩称为碧玉岩，碧玉岩常与火山岩系共生。 9．可燃性有机岩 由含碳、氢、氧、氮的有机化合物组成的岩石，称为可燃性有机岩。主要有煤、油页岩、石油及天然气等。 四、变质岩 (一)变质岩的基本特征 1．变质岩的化学成分 变质岩的化学成分复杂多样，一方面与原有岩石的化学成分有密切的关系，另一方面又和变质作用的特点相关。在变质岩的形成过程中，如无交代作用，变质岩的化学成分基本上取决于原岩的化学成分；如有交代作用，其化学成分可以发生很大的变化，既决定于原岩的化学成分，也决定于交代作用的类型和强度。 变质岩的主要造岩氧化物仍是SiO2、A12O3、F2O3、FeO、MnO、CaO、MgO、K2O、Na20、H20、CO2及TiO2、P2O5等，但在不同的变质岩中其含量变化很大。一般而言，由岩浆岩变质形成的正变质岩其化学成分变化范围较小，由沉积岩变质形成的副变质岩其化学成分变化范围很大。 2．变质岩的矿物成分 变质岩的矿物成分一方面既决定于原岩的化学成分，也和形成时的物理化学条件密切相关。所以变质岩的矿物成分远比岩浆岩、沉积岩要复杂得多。变质岩中的矿物可分为两类：一类是在岩浆岩、沉积岩中经常出现的矿物，如长石、石英、云母等；另一类是在变质作用下新产生的矿物，如石榴子石、红柱石、蓝晶石、十字石、夕线石、滑石、刚玉等，这些矿物称为特征变质矿物，它们对指示原岩成分和变质作用性质、强度有特殊意义。因此，常把变质矿物的出现作为识别变质岩的重要标志。 3．变质岩的结构和构造 1)变质岩的结构 变质岩的结构是指岩石组分的形状、大小和相互关系，它着重于矿物个体的性质和特征。根据成因，变质岩的结构一般可分为四类：碎裂结构、变晶结构、变余结构、交代结构。 （1）碎裂结构。原岩在应力作用下，当应力超过岩石或矿物的弹性极限时，便发生弹性变形。如应力超过其强度极限时，则发生破裂和粒化作用，形成各种碎裂结构。 （2）变晶结构。岩石在固体状态下发生重结晶或变晶结晶所形成的结构称为变晶结构。这是变质岩中最常见的结构，与岩浆岩的结构相似。变晶结构按变晶矿物相对大小，可以划分为等粒、不等粒、斑状变晶结构(图2-41)；按变晶矿物粒径大小，可以划分为粗粒(>3mm)、中粒(3～1mm)、细粒(<1mm)变晶结构；按变晶矿物形态可以划分为粒状、鳞片状、纤状变晶结构(图2-42)等。变晶结构貌似岩浆岩的结晶结构，但变晶矿物是同时结晶的，不同于岩浆岩中的矿物从熔体中晶出时有先后顺序之分。 （3）变余结构。原岩在变质作用过程中，由于变质结晶和重结晶作用不彻底，原岩的结构特征被部分残留下来，这时就称为变余结构。如变余碎屑结构、变余斑状结构等。变余结构常见于变质程度较浅的变质岩中，是判断原岩性质的依据之一。 （4）交代结构。发生交代变质作用时，原岩中的矿物被取代、消失，与此同时形成新生矿物。这些作用既可以置换原有矿物，以保持原岩的结构方式进行(如交代假象结构)，也可以形成新矿物新结构的方式进行(如交代穿孔结构、交代蠕虫结构)(图2-43)。 2)变质岩的构造 变质岩的构造是岩石组分在空间上的排列和分布所反映的岩石构成方式，着重于矿物集合体的空间分布特征。它是识别变质岩的重要标志。根据成因，变质岩的构造可分为两类：变余构造与变成构造。 (1)变余构造。是指变质岩中仍不同程度保留了原岩的构造，例如变余气孔构造、变余流纹构造、变余层理构造、变余波痕构造等。变余构造常见于变质程度较浅的变质岩中，是判断原岩性质的依据之一。 (2)变成构造。是指由变质作用形成的构造。肉眼观察时，常见的构造有： ①板状构造。岩石在应力作用下，产生一组密集平行的破裂面，称板状构造，又称劈理构造。它伴有轻微的重结晶，但肉眼不能分辩出颗粒，因此劈理面常光滑平整(图2-44)。 ②千枚状构造。岩石中各组分基本已重结晶，并呈定向排列，岩石呈薄片状，矿物颗粒细，肉眼不易分辩，片理面上具丝绢光泽，称为千枚状构造(图2-45)。 ③片状构造。岩石主要由鳞片状、柱状变晶矿物组成，并作定向排列和分布，一般颗粒稍粗，肉眼能分辩颗粒(这是和千枚状构造的主要区别)，具有沿片理面劈开成不平整薄片状的特征(图2-46)。 ④片麻状构造。岩石中的粒状变晶矿物，鳞片状和柱状变晶矿物相间排列，形成浅色与深色相间的断续条带，称为片麻状构造(图2-47)。 ⑤条带状构造。岩石中不同的矿物成分经定向排列，形成浅色和暗色矿物交替相间的条带，称为条带状构造。 ⑥块状构造。岩石中的矿物成分和结构均匀分布，矿物无定向排列，称为块状构造。 (二)变质岩的分类 目前，变质岩主要根据变质作用的类型进行分类。一般分为5类：动力变质岩类、热接触变质岩类、区域变质岩类、混合岩类、交代变质岩类(表2-8)。 表2-8 变质岩分类简表 动力变质岩类 热接触变质岩类 区域变质岩类 混合岩类 交代变质岩类  碎裂岩 糜棱岩 千糜岩 角岩 大理岩 石英岩 板岩 千枚岩 片岩 片麻岩 变粒岩 角砾状混合岩 条带状混合岩 肠状混合岩 混合片麻岩 混合花岗岩 蛇纹岩 青磐岩 云英岩 次生石英岩 夕卡岩   (三)变质岩的主要类型 ①板岩。具板状构造，是由泥岩、粉砂岩等经轻微变质作用形成的。重结晶作用不明显，主要矿物是石英、绢云母、绿泥石等。隐晶质结构，常具有变余泥状结构和变余层理构造。 ②千枚岩。具千枚状构造，片理面有丝绢光泽。原岩与板岩相同，但变质程度较板岩高。重结晶程度较高，基本上已全部结晶，主要矿物是绢云母、绿泥石及石英等。隐晶质结构，在岩石的片理面或横断面常见微细皱纹。 ③片岩。具片状构造，原岩已全部重结晶，主要由片状、柱状及粒状矿物缉成。片状、柱状矿物主要是白云母、黑云母、绿泥石、滑石、角闪石、阳起石等，粒状矿物为石榴子石、十字石、石英等。常见鳞片变晶结构、纤状变晶结构、粒状变晶结构及斑状变晶结构。 ④片麻岩。具片麻状构造，结构较片岩粗，为中一粗粒变晶结构。主要矿物为长石、石英、黑云母、角闪石，其中长石和石英含量超过一半，且长石含量多于石英。片麻岩是泥岩、长石砂岩、中一酸性岩浆岩等经中～高级变质作用的产物。 ⑤糜棱岩。原岩经过强烈塑性变形作用形成的岩石。岩石由极细的破碎颗粒组成，致密坚硬。主要矿物是石英、长石，也常见呈定向排列的绿泥石、绢云母、滑石、蛇纹石等。糜棱岩往往分布在断裂带两侧。 ⑥石英岩。石英砂岩经热接触变质作用或区域变质作用形成的。主要矿物为石英，可出现极少量长石。具粒状变晶结构，块状构造。 ⑦大理岩。由碳酸盐类的岩石经过再结晶作用形成。具粒状变晶结构。块状或条带状构造。颜色有纯白、浅灰、浅红等色。大理岩分布广泛，云南大理点苍山以盛产美丽花纹的大理岩而闻名。 ⑧夕卡岩。是中、酸性岩浆岩侵入碳酸盐岩间发生交代作用形成的岩石。主要矿物是石榴子石、绿帘石、透闪石、透辉石、阳起石、硅灰石等。粒状或不等粒变晶结构，块状构造。夕卡岩是重要的含矿岩石，其中常见的有铁、铜、铅、锌、钨等矿产。 第三章　地史的基本知识 地史主要是研究地壳在时间上和空间上发生、发展的历史。地球自诞生以来已46亿年的时间，在这漫长的时间里，地球经历了一个极其复杂而连续地向前发展的过程。在这个过程中，地壳的物质组成、内部结构和地表形态不断地在发生着改变；地球上的生物自出现之日随着环境的变化在不断地发展和演化着。研究地壳物质的改变，生物的演化发展，对地质历史时期的地壳运动、古气候条件、古地理环境和生物演化特点，以及矿产的形成和分布规律的了解都有十分重要的意义，有利于矿产资源的寻找、勘探与开发。 煤同其它矿产一样，也是地壳发展一定阶段的产物，并且形成以后随着地壳演变而产生一系列的变化。了解古生物、地层层序、地质时代、构造的变化等，不仅有助于认识煤层在时间上、空间上分布规律，而且有助于阅读地质资料和有关图件，了解矿区的构造和顶底板岩层的特点，预见和处理煤矿生产过程中遇到的各种地质问题，正确进行开拓开采，更好的为煤矿生产服务。 第一节　岩层中的地史信息 一、古生物及古生物信息 (一)古生物与化石 古生物是指生存于地质历史时期，至今绝大部分已绝灭的生物。古生物的分类基本是根据现今生物分类单位进行。界是生物最大的分类单位，生物分动物界和植物界。界以下的分类单位依次为门、纲、目、科、属、种，种是生物分类的基本单位。 动物界分为原生动物门、海绵动物门、古杯动物门、腔肠动物门、蠕虫动物门、苔动物门、腕足动物门、软体动物门、节肢动物门、棘皮动物门和脊索动物门(含笔石)等。人们熟悉的脊椎动物是脊索动物门中的一个亚门。脊椎动物亚门又分为无颌纲、鱼纲、两栖纲、爬行纲、鸟纲和哺乳纲。 植物界分为低等植物菌藻类、苔藓植物门、蕨类植物门、裸子植物门和被子植物门。 地球上大量出现高等生物，特别是大量出现硬壳动物的出现始于距今约6亿年，在这以前的生物主要是海生菌藻类。地球上的生物界在演化发展过程中，不断进化，新的属种不断出现，旧的属种不断淘汰，大多数属种只存在于地史上的一定时间内，形成生物发展的阶段性。一般来说，生物演化的总趋势是由简单到复杂、由低级到高级，呈现阶段性、上升进步性及不可逆性，给地层划分对比提供了依据。 化石是指保存在地层中的古生物遗体和遗迹，遗体指生物体的本身部分，如植物的根、茎、叶和动物的骨骼、甲壳等，由遗体形成的化石称遗体化石；遗迹是被保存下来的生物生活活动的痕迹，如足迹、爬痕、粪便等，由遗迹形成的化石称遗迹化石。化石根据石化程度分为明显石化化石、部分石化化石和没有石化化石(例西伯利亚冻土层中发现的猛犸象化石)三类。 地质历史中的化石种类繁多，但能够保存下来成为化石的只是很少一部分，绝大部分生物遗体都被各种地质作用和生物作用所破坏。能够保存下来成为化石的必要条件是： (１)生物体有难以损坏的硬体(如动物的外壳、骨骼、牙齿、角、鳞等)，或有较难以溶解的有机质(如植物的纤维等)； (２)生物死亡后遗体要迅速被沉积物所掩埋，以免遭受各种地质作用和生物的破坏。 这样，随着沉积物的固结成岩，埋藏在其中的生物遗体和遗迹经过石化就形成了化石。化石不论其形体大小如何都能反映一定生物特征。应当注意的是，在地层中有一些岩石似乎有定形的无机结构表象特征，看上去似乎是化石，其实它们是假化石。 (二)常见的古动物和古植物 1．
类
类为原生动物门的一个目，称
目。一般个体不大；外形多呈中间粗、两端细的纺垂状，故又称纺锤虫。
生活在浅海底，化石在石灰岩中保存最多。
类最早出现在早石炭世后期，演化极快，至二叠纪末期完全灭绝。因此，其化石成为划分石炭统及二叠统地层的重要标准化石(图3-1)。 图3-1 几种
化石 a—纺垂虫外形；b—麦粒
(C3)；c—古
(P2)；d—纺垂
(C2) 2．珊瑚类 珊瑚类为腔肠动物门中的一个纲，称珊瑚纲。大多在温暖(水温不低于20oC)清澈的浅海地区。化石多保存于浅海形成的石灰岩和泥灰岩中，珊瑚动物的软体叫珊瑚虫，珊瑚虫分泌的钙质骨骼称为珊瑚体，珊瑚化石是有珊瑚体石化(图3-2)而成。珊瑚有单体和复体之分。复体珊瑚常大量发育成珊瑚礁。 图3-2 珊瑚的外形及化石 a—珊瑚的外形(单体与复体)；b—石柱珊瑚(C1)横切面与纵切面； c—卫根珊瑚(P)横切面与纵切面 3．腕足类 腕足类属腕足动物门。为温暖海地栖的单体动物，具有两瓣外壳，每瓣左右对称，两壳大小不等，大的为背，小的为腹，腕足类最早出现于寒武纪，在整个古生代都很繁盛，中生代开始衰退，现代海洋中仍有少数遗存(图3-3)。 图3-3 腕足动物化石 a—网格长身贝(C-P)；b—新石燕(C-P)；c—焦叶贝(P) 4．瓣鳃类 瓣鳃类属软体动物门中的一个纲，称瓣鳃纲，又称双壳纲。可生活在海水、半咸水和淡水中，多数在近岸浅水底栖生活。本类具有互为对称的两瓣外壳，但每瓣壳无对称面，这是与腕足类的主要区别之一。壳面光滑或具放射状、同心状、网状纹饰。腹部具有斧状足，可从两壳之间伸出用以爬行和掘泥沙，故又称斧足类，现代河蚌即属此类。瓣鳃类最早见于晚寒武世。中生代至现在为繁盛期(图3-4)。 图3-4 瓣鳃类动物化石 a—燕海扇(C-P)；b—克氏蛤(T1)；c-鱼鳞蛤(T) 5．头足类 头足类属软体动物门中发育最完善、最高级的一个纲，称为头足纲。现代章鱼、乌贼均属此类。全部为海生食肉动物。身体两侧对称，头在前方而显著，头部中央有口，两侧具发达的眼睛。口周围长有许多触手，用以捕食、游泳或在水底爬行。头足类化石最早见于寒武纪，以后有两次繁盛时期，第一次是奥陶纪，第二次是中生代(图3-5)。 图3-5 头足类化石 a—珠角石复原图(O2)；b—直角石(O2)；c—棱角菊石(C1)；d—菊面石(T2) 6．三叶虫类 三叶虫属节肢动物门中的一个纲，称三叶虫纲。这是一种完全灭绝了的海生动物。绝大多数在浅海底栖生活，少数能游泳。其身体扁平，腹面具柔软薄膜，背面有钙质的薄甲壳(称背甲)，故容易保存为化石。身长一般3~10cm，分为头部、胸部和尾部。背甲明显分为中(中叶)和左右两叶，故得名三叶虫。三叶虫始见于早寒武世，其化石在古生代海相地层中均有发现，寒武纪为极盛时期，志留纪以后衰退，二叠纪末全部灭绝。由于演化极快，故为寒武纪的重要化石(图3-6)。 图3-6 几种三叶虫化石 a—雷氏虫(∈1)；b—得氏虫(∈2)；c—蝙蝠虫(∈3) ７．菌类、藻类植物 菌、藻类为低等植物。两者区别在于，藻类具有叶绿素，能进行光合作用和制造自身所需料，属于自养植物；菌类不具叶绿素，不能制造养料，靠寄生或腐生生活,为异养植物。它们与石煤、石油、天然气和油页岩的形成有密切关系。菌、藻类化石最早见于32~35亿年前的太古代地层中(始细菌和古球藻)，在中、晚元古代的地层中大量出现。常见的叠层石是具有叠层状结构的藻类沉积物(图3-7)。 8．蕨类植物 蕨类植物是高等陆生孢子植物。主要包括裸蕨植物、石松植物、楔叶植物和真蕨植物。 （1）裸蕨植物 为最原始的陆生植物。没有真根(地下茎上长假根)；茎裸露无叶，具二叉式分枝。早、中泥盆世最繁盛，晚泥盆世末灭绝(图3-8)。 （2）松植物 大多数为高大乔木。茎为二叉式分枝，茎及枝上遍布呈螺旋状或直行段排列的小叶。叶脱落后，茎上留下的印痕，称为叶座。石松植物繁盛于晚古生代，以石炭纪最为繁盛，二叠纪后期开始衰退。其主要代表有鳞木和封印木(图3-9)。 图3-9 石松植物的生态及主要化石 a—鳞木复原图；b—封印木复原图；c—猫眼鳞木(C3—P)；d—封印木(C—P1) （3）楔叶植物又称节蕨植物 以高大乔木为主，其特点是茎分节，枝、叶轮生于节上，石炭纪、二叠纪最盛，中生代衰退为草本，现今只剩下木贼一个属(图3-10)。 图3-10 楔叶植物的生态及主要化石 a—芦木植物生态；b—纯肋芦木(C2—P1)；c—轮叶(C2—P) （4）真蕨植物过去又称羊齿植物 具有大型羽状复叶，叶脉呈羽状、网状及平行脉、弧形脉等。真蕨植物始现于中泥盆世，直至现今都有存在。其中，中、晚石炭世至二叠纪极发育，但大部分古生代的属在二叠纪末绝灭，中生代时又出现许多新种属，并进入另一个新的繁盛时期(图3-11)。 图3-11 真蕨植物化石 a—锥叶蕨(J1—K1)；b—网脉蕨(T3—J1)；c—支脉蕨(P—K) 9、裸子植物 裸子植物是种子植物中的一类。它以种子繁殖而别于蕨类植物，但与被子植物相比，较低级、原始，其种子无果实包被，呈裸露状态。裸子植物都是多年生木本植物，最早出现于泥盆世，石炭、二叠纪时，其原始类型曾一度繁盛；至中生代达到极度发育，在当时的植物界占统治地位，故称中生代为裸子植物时代。裸子植物有以下几类代表： （1）种子蕨植物 它是棵子植物中最原始的一类。为小乔木或灌木，分枝很少，具大型羽状复叶，种子生长在羽轴上或叶的尖端、边缘。始现于晚泥盆世，石炭纪至早二叠世极盛。少数延续到中生代。其化石代表有脉羊齿、织羊齿等(图3-12)。 （2）苛达树植物 多为高大乔木，高达20~30m，茎粗一般不超过1m。茎上部分枝，枝上长着螺旋状排列的单叶；叶大，长可达1m，呈带形至舌形，叶脉平行。始现于晚泥盆世；晚石炭世至早二叠世最繁盛，与鳞木、封印木并称晚古生代三大造煤植物；三叠纪以后绝灭。其代表有苛达等(图3-13)。 图3-12 种子蕨植物化石 a—脉羊齿(C—P1)；b—织羊齿(P1)复原图 图3-13 苛达(C—P) a—植物体复原图；b—带叶小枝复原图 （3）银杏植物 现代银杏为高大乔木，高度常在7~30m，茎径0.5~3m；叶呈扇形，基部有长柄，叶顶中央有一浅裂缺；叶脉二分叉式，平行延伸。地史时期的银杏植物其叶多数呈二分叉式分裂，有叶柄；有的无叶柄，呈线形或舌形单叶，簇生于短枝上(图3-14)。 （4）苏铁植物 一般为常绿的乔木，茎大多短粗，常不分枝；大型单羽状复叶，聚生于茎顶部；叶轴两边的裂片具平行叶脉。苏铁植物始现于晚石炭世，中、晚侏罗世至早白垩世最繁盛，晚白垩世开始衰退。其化石代表有蕉羽叶等(图3-15)。 （5）松柏植物 大多为乔木，常形成森林；主干极发达，具单叶；叶小，呈针状、鳞片状、披针状等。松柏植物出现于晚石炭世，繁盛于侏罗纪和白垩纪，现代仍有相当数量。其化石代表有苏铁杉等(图3-16)。 10．被子植物 被子植物是植物界中最高等的一个门类。有明显的花，以种子繁殖，且种子被果实包裹。被子植物出现于早白垩世，晚白垩世开始繁盛，在新生代植物界中占有绝对优势，故新生代称为被子植物时代。其化石形态与现代被子植物相似，保存最多的是一些宽阔的叶子，如亮叶桦(图3-17)。 (三)古生物信息 由于古生物呈现阶段性、上升进步性及不可逆性的特点，以及古生物的存在与其特定的环境相适应，不同环境下古生物的自身结构也各不想同的性质，运用古生物化石对地层进行划分与对比。生物地层学方法是地层学研究中最常用、最基本的方法之一。通俗地说，这种方法即“含有相同化石的地层，其时代相同；不同时代的地层，所含化石不同”，这就形成了化石层序律。运用化石层序律对比划分地层，使得对世界上不同地区的地层进行同时性对比变成可能，促进了大区域的、全球范围的地层对比，为建立地层系统和地质年代表奠定了基础。 保存在地层中的化石不仅可以用来鉴定地质时代，在环境以及古地理分析中也具有重要的意义。由于生物的生存依赖于环境，因此可以根据生物的类别、丰度(古生物化石个体的数量)、分异度(古生物化石属种的多少)、保存状况判别其生活环境，进而判别沉积环境和古地理类型。生物的类别是识别环境，包括水介质的盐度、水深、温度及能量等的重要标志。如珊瑚类、头足类、棘皮类等只能生存在正常盐度的海水中，而腹足类、双壳类、介形类等既可在海水中生活，也可在淡水湖泊中生活；造礁珊瑚、蓝藻、绿藻、红藻等主要生活在水深20m以内的浅水区，而头足类、放射虫、有孔虫则从浅水到深水均可生存。一些阔叶的巴植物主要生活在热带，而有的植物仅见于温带或温凉气候条件下，具有生长年轮，如松柏类。生物的丰度和分异度也可敏感地反映介质的物理化学条件。在温暖、浅水、动荡、富氧及水质清洁的海域，生物大量繁殖，因此生物丰度和分异度高；而在水体局限或滞流的深水、静水、贫氧、水质混浊的水体中，生物发育困难，因此生物丰度和分异度均较低。生物化石的保存状态可以反映介质的动力状态。在动荡浅水条件下，生物难以原地存，仅保存化石碎片；而在深水和静水地带，化石多呈原地甚至原位保存，化石保存完整，化石的定向排列可以推断水体的流动方向。除遗体化石外，遗迹化石也可以用于恢复沉积环境。根据遗迹化石及生物扰动强度以判别海水的相对深度，进而解释沉积环境。 古生物的发展演化也是地壳运动发展史的重要表现。在地质历史时期，地壳经历了几次大的地壳运动，这些地壳运动改变了环境，同时也使一大批生物绝灭，使一大批新的生物出现，没有绝灭的生物其内部结构或多或少的都发生了改变。特别是在距今6亿年内，生物界产生几次质和量的大飞跃，为古生物证明地壳运动发展起了重要作用；研究生物在纵向(时间)上的发展和在横向(空间)上的变化有助于分析地壳运动古地理的变迁。地壳存在有垂直方向的和水平方向的构造运动。大陆整体水平移动，即大陆漂移是大型水平运动的证据，而大陆发生分裂、漂移，都可以从古生物化石研究中得到证实。例如现代被大洋分隔的南美洲、非洲、印度、澳大利亚和南极洲在距今2亿年以前地层中保存有相同的动物化石，特别是丰富的爬行动物化石，这些陆栖四足动物是不可能越过大洋到另一个大陆上去的，唯一合理的解释是上述各大陆在当时曾经连结在一起。而在距今2亿年以来的地史发展过程中，大陆不断分裂、漂移，逐渐移动到现在位置的。 二、地层信息 地层是在地壳发展演化过程中，按时间先后逐层形成的，因此先形成的老地层位于下部，后形成的新地层位于上部。这种老地层在下，新地层在上的自然排列规律，称为地层层序律。利用地层层序律可以确定未受剧烈构造变动地区地层的先后形成顺序。在地层比较稳定和地质构造比较简单的地区，地层层序是符合地层层序律的，称为正常层序(图3-18)；在地壳运动剧烈和地质构造复杂的地区，一部分地层层序发生了上下倒置，称为非正常层序，也称为倒转层序(图3-19)。 另外，岩层的厚薄以及岩层在空间的形态，也可以反映古环境在地质历史时期持续的时间长短和古环境的变化。 三、构造信息 地层之间的接触关系和侵入体的穿插关系也是岩层信息的重要方面。一次大的地壳运动前后，在自然地理、生物面貌以及沉积物物质上均有显著差异，我们可以利用地层之间的接触关系和侵入体的穿插关系来确定地层之间形成的先后顺序。 不成层的块状或脉体岩浆岩体时代的确定，应从与相邻成层岩系的接触关系来决定。岩浆岩侵入体的形成时期晚于被它入侵的地层时代，而早于侵入体呈沉积接触的上覆地层时代。 由于地壳运动，使地表隆起的地区发生剥蚀作用，后又变成拗陷地区，进行沉积作用，形成新的岩层。新老岩层之间的接触关系，如整合、假整合、不整合接触，反映了地壳运动的性质和特点。 (一)整合接触 当某个地区在某一地质时期内，地壳处于连续下沉，或者虽然是在上升，但没有超过水下侵蚀基准面，致使这个地区的地壳升、降运动与沉积作用处于相对平衡状态，沉积连续进行。形成的上下两套新老地层在岩性和古生物演化上基本上是连续而逐渐过渡的，在岩层产状和构造形态上，基本上是一致的。这种新、老两套地层之间的接触关系，称为整合接触(图3-20)。 一般来说，成整合接触的新、老两套地层之间，没有明显的剥蚀面。即使有剥蚀面存在，但缺失的地层很少，可以忽略不计，仍可视为整合接触。整合接触关系在地层柱状图、地质图和地质剖面图上都是用实线表示。 (二)假整合接触 假整合接触又称为平行不整合接触。当某各地区，地壳下沉并接受一段时间的沉积后，地壳又平缓上升，已沉积的地层遭到较长时间的剥蚀，出现了明显的沉积间断，但并没有发生明显的倾斜、褶皱和断裂变动，后来，地壳又重新下沉，接受新的沉积。这种新老两套地层之间的接触关系，称为假整合接触(图3-21)。在地层柱状图上用断线表示，在地质图和地质剖面图上都是用实线表示。 假整合接触有以下特点： （1）在上下两套新老地层之间有明显的沉积间断，在岩性和古生物演化上具有一定的突变现象，缺失了某些时代的地层。 （2）在上下两套新老地层之间，存在一个区域较为广阔的剥蚀面，称为假整合面。在此面上，位于上覆地层的底部，常见又底砾岩；位于下伏地层的顶部，往往有古风化壳或古土壤层。底砾岩都是下伏较老的岩层和岩体被剥蚀、搬运、再沉积的产物。砾石的成分比较复杂，包含有下伏地层中较坚硬的岩石；砾石被搬运的距离较远，粒度分选性和磨圆度都比较好。 （3）假整合面及其上下两套地层的产状是一致的。 (三)不整合接触 不整合接触又称为角度不整合或斜交不整合接触。当某个地区，在下伏较老地层形成之后，地壳并非平缓上升，而是发生较为强烈的倾斜、褶皱、断裂变动，甚至伴随有岩浆活动和变质作用，致使地壳隆起，遭受剥蚀，造成沉积间断；而后，地壳又下沉，接受沉积，形成一套新的地层覆盖在下伏不同时代的较老地层之上。这种新老两套地层之间的接触关系，称为不整合接触(图3-22)。在地层柱状图上用曲折线表示；在地质图和地质剖面图上用实线(或在实线的新地层一侧加上虚线)表示。 不整合接触有以下特点： （1）与假整合接触相比，同样在上下两套新老地层之间有明显的沉积间断，存在一个区域较为广阔的剥蚀面，称为不整合面。但是，在不同地段，不整合面以下缺失的地层不完全相同，有的地方缺失得少，有的地方缺失得多。 （2）不整合面上下两套新老地层的产状是不一致的。位于不整合面之上的地层与不整合面平行一致；位于不整合面以下的地层被不整合面截割。 （3）在不整合面以上的地层中，不可能见到不整合面形成之前的岩浆岩体，它与围岩的接触面常被不整合面以上的最老地层覆盖和截割。 （4）有时，可以见到不整合面上下两套新老地层的变质程度差异很大。有可能出现位于不整合面以下的地层为深变质岩系，位于不整合面以上的地层却为浅变质岩系或者没有发生变质。 四、岩石信息 岩石信息是以岩石的颜色、成分、结构、构造等特征为基础，来了解和推测古地质环境。在一定的地区内，同一地质时期沉积的岩层是在相似的自然地理环境中形成的，因而这些岩层具有相似的岩性特征；而不同地质历史时期沉积的岩层，由于地壳运动、沉积环境发生变化，是岩石的岩性特征上也有变化，因此，在沉积环境比较稳定的井田范围内，可以根据明显的岩性特征来划分对比地层，并说明当时的古地理环境。 第二节 地层的划分与对比及地质年代表 一、地层划分与对比的概念 (一)地层划分 地层的划分是地层学的一项基础任务，也是地质工作的基础。其目的在于确定区域地层层序和建立相应的地质年代系统。我们把一个地区的岩层，按其形成的先后顺序、岩性、化石等特征归纳成不同级别的地层单位，建立区域地层层序，了解该区域地层在时间上的变化规律，称为地层划分。如果地层形成以后，一直保持其原始生成顺序，即老地层在下，新地层在上，属正常层序。但在地壳发生过强烈运动的地区，由于岩层遭受褶皱和断裂的影响，使原始地层产状发生变动，甚至倒转，使早期形成的岩层覆盖于晚期形成的岩层之上。因此地层划分首先要判定地层的正反顺序，建立正常层序。 地层的特征和属性是多种多样的，如岩层的几何形态、接触关系、岩性、岩石组合、化石特征、地球物理和地球化学性质等，其中任何一种特征都可以作为划分地层的依据。由于切分地层的依据和标准不同且具有多样性，因而可以划分出多种地层系统，不同种类的地层划分可以重叠在同一剖面上进行，这就是地层单位和地层划分的多重性。目前常用的有岩石地层单位、生物地层单位和年代地层单位三种。 (二)地层对比 在地层划分的基础上，将不同地区(或剖面)的地层进行比较，论证其地质时代、地层特征和地层层位的对应关系，即为地层对比。在实际工作中，由于特征和依据不同，有不同种类的对比。例如：岩石地层对比是论证岩性特征和岩石地层位置是否相当；年代层对比是要论证地层的地质年龄和年代地层单位的位置是否相当；生物地层对比是要说明含化石层的化石内容和生物地层位置是否相当。地层划分与对比两者在原则和依据上是同一的，在方法上是有密切联系的。 二、地层划分与对比的方法 (一)岩石地层学方法 凡是以地层的岩性特征为主要研究内容，以岩性界面变化为准，划分地层，是建立区域地层层序的主要方法统称为岩石地层学方法。岩石特征主要指岩性、岩石组合、岩相、岩层的横向展布和岩石的变质程度等。根据岩石特征的相似程度，对地层进行划分，并建立岩石地层系统。 1．岩性及岩石组合分析法 岩性包括组成地层各种岩石的颜色、矿物成分、结构、构造、化石特点等，它是岩石特征中最主要、最基本的内容。岩石组合指一个地质剖面中，自下而上岩性的变化，它反映沉积环境的演变，它可作为用岩石地层学法划分对比地层的基本依据。河北蓟县、昌平“青白口群”的岩石地层对比(图3-23)。剖面下部以页岩为主，夹薄层砂岩及泥灰岩；中部以粗碎屑岩为主，上部夹多层页岩；上部以泥灰岩为主，顶部夹少量页岩。剖面中岩性明显分为三部分，所以划分为三组。两个剖面虽然地层厚度不同，但岩性相近，地层层位相当，二者可以对比。 2．标志层法 标志层是地层中厚度不大、岩性稳定、特征明显、容易识别的岩层或矿层。如含煤地层中常见的灰岩、砂砾岩、砾岩、凝灰岩及厚煤层等。 3．旋回结构法 地层剖面中，特别是含煤地层常具有旋回结构特征。旋回结构是指在地层垂直剖面上一套岩性或岩相相多次有规律的交替。如果划分的地层是海相沉积，由下向上往往出现粒度由粗变细、又由细变粗的交替岩性变化，岩性由砾岩、砂岩、泥岩、灰岩组成。这种变化是由于地壳运动引起的海进和海退环境改变所致。由于地壳运动和沉积环境改变具有一定区域性，因此地层剖面中的旋回结构常可作为区域性地层划分对比的依据。例如华北石炭系太原组内砂岩一含煤页岩一灰岩沉积序列重复出现三次，构成由三个小旋回层组成的沉积旋回结构，成为华北石炭系地层划分对比的重要依据。 岩石地层学方法是地层划分对比中应用广泛、行之有效的方法，但它的使用范围仅限于同一沉积盆地，只能确定地层的相对新老关系而不能确地层时代 。 (二)生物地层学方法 生物地层学以地层所含生物化石为主要研究内容，以生物群的交递变化为准划分地层。由于生物演化具有全球的同时性和一致性，所以生物地层研究是确立地质时代表的重要手段。自从地球上出现生命以来，作为地质历史重要组成部分的生物界演化是极其丰富多彩．但是它们的千变万化绝非无序，而是始终遵循着某些特定规律发展的。例如，无论是生物界总体，或是某一个门类的演化，总是遵循从低级到高级、由简单到复杂、由不完善到趋于完善的规律。尽管其演变速度有快有慢，但总趋势是向前发展的或称其为上升进步性。生物在演化过程中，其形态和习性可能会有返祖现象，也可能出现构造简化现象，但绝不会出现真正的重复，表现出生物进化的不可逆性。生物发展演变的形式有渐变和突变，甚至经常发生由外因导致的灾变，而且每次巨大的灾变，都有大量生物绝灭和大批新的生物出现，形成明显的生物演化的阶段性。许多生物对环境的适应有较大的容忍度，并且有不同的迁移能力和多种迁移方式。从地史发展这一巨大时间尺度来看，这种生物迁移可视为在“瞬间”完成，因而导致在同一地史时期，生物界面貌在较大范围内(甚至在全球)有大体的同一性。上述生物演化的前进性、不可逆性、阶段性和空间上的同一性均属生物演化的基本规律，也是利用古生物化石划分地层单位、确定地层相对年代和进行远距离对比的理论依据(图3-24)。 1．标准化石法 在地史时期，生物界的各门类生物中，那些演化迅速、地质历程短、地理分布广、数量丰富、易于鉴别的古生物化石称为标准化石，如笔石、菊石、牙形石等。利用这些标准化石有效地划分地层，进行广泛的区域地层对比的方法，即为标准化石法。标准化石法的优点是简便、易行、经济，是生物地层划分最常用的方法；但标准化石并非到处都有，也未必每层都能发现，其标准性也是相对的，因此标准化石法的运用有时会受到限制。 2．生物组合法 在实际工作中常采用综合分析地层中所含生物群特征的方法，对地层进行划分对比，这称为生物组合分析法。具体作法是对地层中的生物化石进行全面采集，详细研究各门类化石出现情况并进行综合分析，根据生物群总体及其在地层中的变化，对地层进行研究和对比地层。 (三)接触关系分析法 地层记录了地质历史中地壳运动的表现形式。当某地质时期某地的地壳连续发生沉降，该区连续接受沉积，形成一套很厚的连续沉积的地层；当某地质时期某地地壳发生上升运动，于是该区遭受剥蚀，发生长时期沉积中断，因而缺失这一地质时期的地层；当某一地区发生强烈地质运动时，使原来大致呈水平状态的地层，变得倾斜、直立、甚至倒转。正因为存在上述几种情况，因此不同时代形成的地层间接触关系也分为三种：整合、假整合、不整合。这几种接触关系，在划分对比地层方面起着十分重要的作用。 (四)古地磁学方法 近年来，科学家们已经发现较古老的磁化方向与现在的地磁场的方向并不一致。岩石在形成过程中因磁场的影响获得磁性，并顺着当时的地磁场磁力线方向磁化，岩石的磁化即时经过长期的变化也不会消失，这种与现代地磁场无关的岩石磁性称为剩余磁性。它反映了地质历史时期的地磁场情况。因此，某些能基本保持剩余磁性的岩石，只要通过地质研究，消除后期的地壳运动等的影响，恢复其原始位置，同时通过消除后期叠加的剩余磁性的干扰，便可以求带当时的原始剩余磁性的方向，还可以依据磁倾角与纬度的关系，求得该地当时所出的磁纬度。如果经过同一时期各个地点研究的结果，便可求得该时期古地磁的位置和当时的古地磁特征。通过对比不同时期的古地磁个位置，可以了地壳不同部分相对位移的情况，以及根据古地磁场反转周期来确定岩石形成时代。 (五)放射性同位素地质年龄测定法 一般情况下，我们主要是依据古生物化石、岩性、地层等方面的资料来划分和对比底层，确定地层形成的相对地质年代。根据古生物化石、岩性、地层等方面的资料来划分地层，实际上只能说明岩层的新老关系或时间上的先后顺序，而得不到时间上的确切的定量概念；其次，在整个地壳发展的漫长历史进程中，生物的大量出现并以化石的形式而保存下来，且不超过10亿年，因而，在生物出现以前无法利用古生物学等方法来研究地层的时代；此外，岩浆岩和变质岩中不含古生物化石，且大多数不象沉积岩一样成层状，无法直接确定它们的形成时代。同位素年龄法弥补了这方面的缺陷，它是利用岩石中放射性同位素衰变产物的含量，来计算各种岩石、矿物形成的实际年龄。例如，若岩石中含有某一放射性元素，开始时有N0个原子，由于衰变，现只剩下N个原子，则产生出新的原子数D=N0-N。如果测出岩石中某一放射性元素的原子数N及其衰变产物——终极元素的原子数D, 则岩石形成的年龄t可按下式计算：
式中：t——岩石生成的地质年龄，Ma 年； λ——衰变常数，λ=0.6931/T，T为半衰期； D——产生的终极元素原子数； N——测得的放射性元素原子数； 岩石同位素地质年龄的测定，对地质时代的确定，特别是很少含化石或不含化石的古老变质岩系年代划分对比是十分有用的方法。 (六)地震地层学方法 使用地震波反射提供的地层界面信息，用于地下和海底地层界面的确定。层序地层学利用由间断面分开的、由沉积体系构成的地层层序划分和对比地层。间断面接近于等时面，层序接近于旋回层。层序地层学是地震地层学方法的深化和发展。 (七)化学地层学方法 依据地层中化学元素含量分布特征，进行区域地层的对比；也可利用不同时代化学元素含量的变化，推断地球化学环境演变的规律。 (八)生态地层学方法 主要从事古生物生态环境的研究，与沉积环境研究相结合，使生物地层学的研究有了明显的提高。 (九)定量地层学方法 是指利用计算技术对地层的各种信息数据进行处理(使用较多的是用化石群的统计分析)，以优化地层的划分和对比，提高生物地层学的研究精度。 (十)事件地层学方法 本方法的出现与地质事件概念和灾变概念的提出密切相关。事件地层学方法将突然发生的灾变事件形成的影响用于地层的对比，和用于地层界限的划分，取得了重要的成果。所谓突发的灾变事件主要指全球性事件，例如全球性地磁场的变化，全球性海平面的变化以及水圈气圈物化条件的阶段变化，以及由此引起的沉积作用和生物界的明显改变。 ?此外，还有地外事件，如陨星撞击等形成的灾变。事件地层学方法的重要性在于其全球同时性特征，以多学科综合研究为手段，用于地层对比与划分的研究，提高了准确性，也促进了地层学研究的全面发展。 三、地层单位的分类 (一)岩石地层单位 在划分地壳岩层层序时，根据岩石所具有的特征或属性的差异，把单独一个地层，或若干个有关地层划分出来，看作是一个地层体，这就是一个地层单位。以地层的岩石的岩性、岩相和变质程度均一的岩石构成的三度空间岩层体作为划分依据的地层单位，称为岩石地层单位。它一般是适用于地区性的地层单位。所有地层单位都是由岩石构成的，也被看作是物质单位。只有岩石地层单位才是根据实际岩石的岩性特征和岩石类别划分的，并一次区别于根据化石划分的生物地层单位和依据年龄划分的年代地层单位 。岩石地层单位包括群、组、段、层四个级别(表3-1)。 1．群 群是最大的岩石地层单位。群一般由两个或两个以上经常伴随在一起而又具有某些统一的岩石特征的组联合构成，或指一套厚度巨大、岩类复杂、又因受到构造扰动致使原始层序无法重建时，也可以视为一个特殊的群。群多用于前寒武纪或陆相地层的划分，群与群之间常为明显的沉积间断或不整合。群也以地名命名。如五台群命名于山西五台山一带，包括四个组，由中等变质程度的岩石组成，总厚大于15000m，与下伏地层龙泉关群和上覆地层滹沱群元古宙时期形成的地(岩)层称元古界。元古界为中变质到浅变质的巨厚岩层，与下伏太古界呈明显不整合。在元古代也发生多次大规模地壳运动，形成多个区域性的不整合接触。 表3-1 地层划分的种类和各种地层单位术语表 地层划分的种类 主要地层单位术语 相应的地质年代单位  岩石地层学 群 组 段 层   生物地层学 生物带 组合带 延限带 顶峰带 其他各种带   年代地层学 宇 界 系 统 阶 时间带 宙 代 纪 世 期 时  其他地层划分的依据 (矿物学、环境学、地震学、 地磁学等)     2．组 组是划分岩石地层的基本单位。组的重要含义在于具有岩性、岩相和变质程度的一致性。它完全根据岩性来划分，岩性上表现为有一定规律性和均一性，它可能是某类岩石，也可能是几类岩石的组合，还可能以复杂的岩石组合为一个组的特征，而与其它比较单纯的组相区别。组的顶底界线(岩性界线)清楚，有一定的厚度(一般几米到几百米)，岩性、岩相在空间上相对稳定。组具有一定的时间属性，但顶底界线不是严格的等时面。组一般以地名命名，其适用范围也是地区性的。 3．段 段是组次一级的岩石地层单位，段代表组的一部分，并以明显的岩石特征区别于组的其它部分，可以作为次一级单位。如华北石炭系太原组自下而上划分为晋祠段、毛儿沟段及东大窑段等。 4．层 层是最小的岩石地层单位。指组内或段内一个特殊的具有明显标志的岩层或矿层。 如隧石层、粘土层、笔石层、银杏树层等。 (二)生物地层单位 生物地层单位是根据地层中所含的相同生物化石内容和分布特征，并与相邻化石有别的三度空间岩层体而划分出来的地层单位。对一个地区的地层划分来说，生物地层单位并不是普遍建立的，那些缺少化石的地层，无法建立生物地层单位，因而各生物地层单位之间也不一定是相互连接的。生物地层单位不再分级，统称生物带，由于各种带的内容含义不同，所以要明确指出时那一种带。经常使用的生物带有三种：组合带、延限带、顶峰带。组合带是指所含化石内容在整体上构成与相邻地层不同自然组合的地层体；延限带是指任一生物分类单位在其整体延续范围之内所依据的地层体；顶峰带是指某些形成化古的物种、属或其它分类单位最繁盛的一段地层。它不包括前期出现数量不多时的地层，也不包括后期逐渐稀少时的地层。生物带不分等级，所以是平列的，可以是有重叠的。但是，在延限带中，用属名的带和以该属的某各种命名的带之间就有等级差别，前者大于后者。 (三)年代地层单位 年代地层单位是在特定的地质时间间隔内形成的岩石体。代表地史中一定时间范围内形成的全部地层，而且只代表这段时间内所形成的岩石。这类单位的顶、底界限都是以等时面为界。他们的大小将随岩石所需的时间长短，而不是依据岩石的绝对厚度来确定的。与年代地层单位相对应的是地质年代单位，它是一特定的地质时间间隔划分的时间单位，代表地史中一定时间范围。 年代地层单位以地层的地质年代归属为主要研究内容，以时间界面为准划分地层，与地质年代表一致是建立地层系统的基本要求。按地史中生物演化的阶段可建立六个级别的年代地层单位，它们分别是：宇、界、系、统、阶、时间带。相对应的地质年代单位是宙、代、纪、世、期、时。 1．宇 宇是最大的年代地层单位，是宙的期间内形成的地层。按地史中生物演化将年代地层分为：隐生宇和显生宇。 2．界 界是大于系，小于宇的年代地层单位．是在一个代的期间内形成的全部地层。例如按生物演化的重大阶段，把显生宇分为古生界，中生界和新生界。对应的地质年代单位为代。 3．系 系是大于统，小于界的年代地层单位，是在一个纪的期间内形成的全部地层。例如中生界可以划分为三个系，即三叠系、侏罗系及白垩系。是纪内形成的地层。 4．统 统是小于系的年代地层单位，是在一个世的期间内形成的全部地层。一个系可分为两个或两个以上的统。如寒武系分为三个统，即下寒武统、中寒武统及上寒武统，石炭系分为两个统，即下石炭统，上石炭统。 5．阶 阶是比统小一级，是统的再划分，阶是在一个期的时间内形成的全地层。阶一般适用于一个大区。例如我国华北地区上寒武统由下到上划分为崮山阶、长山阶和风山阶。阶又是世界标准年代地层单位中最小的单位，由于阶能满足于一个地区内年代地层划分的需要，所以它可以作为年代地层划分的基本单位。 6．时间带 时间带是年代地层单位中级别最低的一个正式单位，它是一个时的时间内形成全部地层。它是根据生物属种的延限带建立起来的地层单位。 四、年代地层表与地质年代表 1765年约翰·莱曼Johann · Lehmann提出将地层分类的建议，这是为了研究地质的需要，把沉积在地壳上的柱状剖面所表示的岩石所经历的时段，人为地赋予名称，提出了年代地层和地质年代两个概念，建立了年代地层表和地质年代表。年代地层表和地质年代表是两个不同的概念，年代地层表是由岩石的不同特征或属性将岩层层序划分为各类单位(宇、界、系、统、阶、时间带)组成的地层表。而地质年代表则是以地质时间单位(宙、代、纪、世、期、时)组成时间表；但它们之间具有严格的对应关系。由于地壳的差异升降以及风化作用的影响，任何一个地区的地层都不可能是完整的，因而我们把全世界的年代地层与地质年代结合起来，形成一个表，称为地质年代表(表3-2)，实际上，它是年代地层表和地质年代表的结合体。 表3-2 地 质 年 代 表 第三节　地壳演化简史 根据同位素年龄的测定，可以推算出地球的形成时间大约距今46亿年。迄今地球表面 上所发现的最古老岩石是南美圭亚那的角闪石，年龄为41.3±1.7亿年；此外，在澳大利亚西部发现几颗42亿年前左右的锆石晶体。然而，更多古老岩石年龄在38亿年前左右，特别是最古老的沉积岩也出现在38亿年前左右。因而估计大约在38亿年前，地球具有了真的地壳。此前的8亿年间，地球处于形成初期，极不稳定，所形成的岩石仅有零星分布，且变质程度极为强烈，故对该阶段的历史尚不完全清楚，称为前地质时期；自38亿年前起开始有了确切的岩石纪录，成为地质时期。 在长达几十亿年整个地史时期，人们依据生物的大量出现，特别是硬壳动物的大量出现为标志，将整个地球历史划分为两大时间段：隐生宙和显生宙。又依据地壳运动和生物界的纲或目的发育时期的特点，把隐生宙分为冥古代Hadean(地球初阶段的天文时期)，太古代Archaeozoic，元古代Proterozoic；显生宙分为古生代Palaeozoic，中生代Mesozoic，新生代Cainozoic。 一、冥古代(生命现象伊始的时期) 冥古代即前地质时期、或地球的天文时期、或前太古代。为地球形成的初期，一般认为这个时期地球的圈层还没有形成，地壳运动强烈，地球岩浆活动剧烈，火山爆发频繁，表面覆盖着熔化的岩浆海洋，后期，随着地球温度的缓慢下降和冷却，地球开始分异，出现了水和二氧化碳，变质岩也开始出现。 二、太古代(初始生物的时期) 太古代是地壳发展史中较古老的一个阶段，这一时期形成的地(岩)层称为太古界。在这一阶段地壳经历了多次强烈的运动，经受很深的变质作用和多次岩浆活动，形成厚度很大、强烈褶皱、变质很深的一套古老变质岩系，如片麻岩、结晶片岩等，地层间存在多个角度不整合面。我国太古界分布于华北的燕山、冀东、辽宁、吕梁山区、五台山区及豫西、淮南等地。其中冀东的岩石同位素年龄为38亿年。目前，对五台山、太行山地区的上太古界研究较详细，包括下部阜平群和上部龙泉关群，两者呈角度不整合接触，厚度大于10000m，为各种片麻岩夹角闪岩、大理岩及薄层磁铁石英岩，混合岩化、变质作用强烈。太古界末期(距今26—25亿年间)的阜平运动使上述地层褶皱、变质，与上覆地层角度不整合接触。 太古代是生物演化的初期阶段，出现了原始的细菌和藻类。由于这些生物是不具硬壳的单细胞原核生物，又受到岩浆活动和变质作用影响，致使太古代的地层中极少保存有生物化石。已发现的最古老生物化石是在南非的距今32亿年地层中的原始细菌化石。太古届中的矿产以铁矿最为重要，产于冀东迁西群和辽宁下鞍山群的变质含铁石英岩为主要含矿层位。 三、元古代(久远的原始生物的时期) 元古代时期形成的地(岩)层称为元古界。元古界为中变质到浅变质的巨厚岩层，与下伏太古界呈明显不整合。在元古界也发生多次大规模地壳运动，主要有吕梁晋宁运动，形成多个区域性的不整合接触接触。在生物界，海水里生命活动明显加强，生物界有原核细胞形式演变为真核细胞形式，藻类在生长过程中粘附海水中的沉积物颗粒形成层纹状结构物，称作叠层石，叠层石是地球上最早的生物礁，出现于太古代而在元古代达到顶盛。除了藻类生物外，元古代结束前，海洋里出现了一些如海绵等低等无脊椎动物。"元古代"的意思，就是原始时代。 我国元古代分为早、中、晚三个阶段，对应的地层分别为下、中、上。下元界下部主要分布在华北地区，以山西五台山区发育最好。早元古代早期形成五台群，为一套巨厚的中低变质岩系，岩层强烈变形，多期火山活动，期末的五台运动使五台群褶皱变质，与上覆地层形成不整合接触。早元古代晚期形成滹沱群，为一套浅变质的富含叠层石的富镁碳酸盐岩为主的岩系，夹少量火山岩，地壳活动性减弱。古元古代末发生强烈地壳运动——吕梁运动，从此华北地块进入一个相对稳定发展的新阶段。 中元古界在华北地区以河北蓟县剖面为代表，由未变质的海相碎屑岩、粘土岩和富镁碳酸盐岩组成，地层总厚近万米。根据沉积特征、接触关系、叠层石和古微生物组合特征及同位素年龄，共划分为二个系，即下部长城系、上部蓟县系。在新元古代，大约8亿年前，华北地块抬升，遭受长期风化剥蚀，这次抬升称为蓟县运动。我国南方以四川盆地为中心的部位存在下元古界，称为扬子古地块。在中、新元古代，上述地区以碳酸盐岩沉积为主，还有粗碎屑岩和火山岩等，这套地层厚度巨大，变质较浅。在扬子古地块周边及下扬子地区，包括黔东、桂北、湘西、赣北、皖南、浙西等地，普遍有中、新元古界分布。在中元古代末期(距今10亿年)至晚元古代中期(距今8亿年)发生晋宁运动，使以扬子古地块为主体的大陆地壳逐渐增生，形成由扬子古地块及其西侧和东南缘及下扬子地区构成的稳定的扬子大陆地块。 晚元古代后期(距今8~6亿年)，地史上专门划分出震旦纪这一地质年代单位。震旦系已具备典型盖层的沉积特征，生物演化方面出现丰富的裸露动物群和大量藻类，但化石的丰度和保存程度又远不如后期古生代的寒武系。我国震旦系在华南有广泛的分布，代表剖面是鄂西三峡。三峡震旦系总厚数百至千余米，为海相碎屑岩、冰碛层、浅海硅镁质碳酸盐岩等。而华北地块主体缺失震旦纪地层，新元古界青白口系直接与古生界寒武系平行不整合接触。仅在华北地块周边的胶东、辽南、豫西、淮南一带有震旦纪地层零星分布，多以石英砂岩及碳酸盐岩为主，辽南震旦系厚度超过3000m。震旦纪时，全球普遍经受了一次寒冷气候，其证据是震旦系中的冰碛层和杂砾岩。此次冰期以后，许多地方出现干热性气候，我国四川以南等地出现含石膏和岩盐的白云岩。震旦纪后期，气候转为温暖，广泛分布的浅海为软体裸露动物群的发展提供了很好的生态环境。 四、古生代(古代生物的时期) 古生代，即“古老生物”的时代，是地球上首次大量出现生物的时期，距今７.5亿年到2.3亿年，包括寒武纪Cambrian——取名于拉丁文Cambria，即威尔斯；奥陶纪Ordovician——名称来自大不列颠的古老部落 (奥陶部落)；志留纪Silurian——名称来自大不列颠的古老部落 (志留部落)；泥盆纪Devonian——名称来自英国德文郡 Devonshire；石炭纪Carboniferous——名称自来大不列颠群岛的含煤的岩石；二叠纪Permian——取名于俄罗斯的彼尔武省(Perm)。其中，前三个纪称为早古生代；后三个纪称为晚古生代。 （一）早古生代 早古生代始于6亿年前的寒武纪初到4亿年前的志留纪末，延续约两亿年左右。这个时期是一个海洋占优势的时代，特别是奥陶纪为地史上最大规模的海侵时期之一。华北地块在寒武纪至早奥陶世是地壳缓慢下降，接受沉积的时期，普遍发育滨、浅海相碳酸盐岩为主的地层。中晚奥陶世至志留纪地壳普遍上升，遭受剥蚀，缺失沉积。从震旦纪到志留纪，华北地块经历了上升(海退、遭受剥蚀)、下降(海侵、接受沉积)、再上升(海退、遭受剥蚀)三个阶段，反映了一个巨大的地壳升降和海侵旋回。华南的扬子地块在早古生代与华北地块不同，是长期遭受海侵，接受沉积的地区，主要沉积了正常浅海碳酸盐岩。在扬子地块东南的华南地区(包括皖南、浙西、湘中、桂东一线东南广大地区)，华北地块以北的天山一兴安地区和以南的昆仑一秦岭及祁连山区，滇西地区，均为地壳活动带。其中以祁连山最为典型，志留纪末期加里东运动使地层全部褶皱隆起，并有岩浆活动，使下古生界全部遭受变质，形成加里东褶皱带。 从早古生代开始，生物进入大发展的时期。在古生代海洋占主导地位，形成了稳定、广阔、连续的浅海环境，是海生无脊椎动物的繁盛时期，先后出现了许多门类：寒武纪被称为是“生命大爆发”时期，即多门类的后生动物化石首次出现于寒武系底部爆发式出现生命演化事件；这个时期是生命演化史上发生最为快速、规模最为宏大、影响最为深远的一次绝无仅有的演化改新事件。在我国的澄江和格陵兰岛三叶虫都最为发育，其次是腕足类和软体动物、蠕虫动物、古杯类；奥陶纪是早古生代海生无脊椎动物的鼎盛时期，以腕足类、笔石和头足类的直角石、珠角石为代表；志留纪，三叶虫大量减少，珊瑚大量繁殖，往往形成珊瑚礁；志留纪末期，笔石动物中的单笔石大量绝灭，腕足类中的五房贝成为志留纪的标准化石，开始出现了脊椎动物鱼类。植物方面，早古生代海生藻类非常繁盛，为石煤的形成提供了条件；末期出现了陆生裸蕨植物。 （二）晚古生代 晚古生代始于4亿年前的泥盆纪初期至2.3亿年前的二叠纪末期，延续约1.7亿年，是从海洋向陆地转化的重要发展阶段。早古生代末期的加里东运动，使陆地范围开始扩大；至晚古生代，特别是从石炭纪到二叠纪，经海西运动，陆地范围进一步扩大。 华北地块自奥陶纪中期海水退去以后，上升为陆，经过中晚奥陶世、志留纪、泥盆纪和早石炭世的长期风化剥蚀，至晚石炭世时，才重新下降接受沉积，上石炭统直接覆盖于中奥陶统侵蚀面之上(华北地块南部为中石炭统覆盖于中奥陶统侵蚀面之上)。华北地区由于经历了约1.4亿年的风化剥蚀，使地形平坦，趋于准平原化。晚石炭世整个华北地块地壳升降频繁，引起海水多次进退。当海水退出时，陆地沼泽广布，植物繁茂，成为有利的成煤环境；当地壳下降时，发生大面积海侵，形成海陆交互相的由石灰岩、砂页岩及煤层组成的煤系地层。石炭纪末期，华北地块逐渐上升为陆，华北地块的大部分从二叠纪开始接受陆相沉积。二叠纪初期，气候仍很潮湿，植物繁茂，为成煤提供了丰富的原始物质，故下二叠统下部山西组仍是重要的含煤地层。早二叠世晚期至晚二叠世末，由于气候变得干燥，在盆地中普遍沉积了红色砂页岩，一直继续到中生代。而当时的华北南部(豫淮盆地)邻近华南海滨，仍生长着茂密的森林，形成“南型北相”的含煤岩系。华北地块古生代成煤期主要是晚石炭世和早二叠世的早期，形成了包括上石炭统太原组和下二叠统下部山西组的含煤地层，南部地区还包括下二叠统上部下石盒子组和上二叠统上石盒子组。华北石炭二叠纪煤系是我国最重要的含煤地层。 华南地区晚古生代古地理面貌较为复杂。加里东运动导致扬子地块与东南地区连为一体，形成地史上的华南地块，并且大部露出海面。泥盆纪早期，仅在黔、桂、滇及粤北、湘中和湘南一带形成粗碎屑沉积，其它地方均遭受风化剥蚀。中泥盆世以后发生大规模海侵，沉积以碳酸盐岩为主的地层，超覆在不同时代的老地层之上，含极其丰富的腕足类、珊瑚等化石。这次海侵一直延续到早二叠世末期，在这一时期内，整个华南只有个别地区在某一短时期内上升为陆，并有含煤地层形成，如湘中的早石炭世测水组煤系、黔中早二叠世早期的梁山组煤系。早二叠世末期，发生强烈地壳运动(东吴运动)，使海水退出．并导致晚二叠世华南出现海防交互相的成煤环境。晚二叠世早期，华南到处是广阔的滨海沼泽，森林茂密，同时地壳小型振荡频繁，海水时进时退，沉积了上二叠统龙潭组煤系。二叠纪末期又出现海侵，一直持续到三叠纪。华南地块晚古生代成煤期包括早石炭世、早二叠世和晚二叠世三个时期，前两个时期只有个别地方有煤生成，煤层薄，煤质差，多为无烟煤；晚二叠世煤系几乎在华南各地均有分布，经济价值大，为开采的主要对象。早二叠世末期发生的地壳运动造成东部上、下二叠统之间的不整合，西部云、贵、川交界处有大片玄武岩流溢出，其厚达2500m。 晚古生代的生物，在动物方面，泥盆纪时期水生脊椎动物鱼类特别发育，成为鱼的时代，此类鱼属无额纲的甲胄鱼(图3-25)，在泥盆纪时期十分繁盛；石炭、二叠纪期间，海生无脊椎动物仍占重要地位，除珊瑚、晚足类外，
类、棱角菊石类和牙形刺也特别繁盛，同时一支向陆地发展的鱼类演化成两栖类并得到大发展；晚石炭世开始出现了有两栖泪演化成的爬行类动物。在植物方面，泥盆纪早、中期原始陆生裸蕨植物得到发展，并出现了真正的陆生孢子植物；晚石炭世又开始出现了裸子植物。石炭、二叠纪时期，陆生孢子植物如鳞木、芦木，以及裸子植物科达树等极度发育，形成了大规模的森林沼泽区，为聚煤提供了丰富的物质基础。因此，石炭纪、二叠纪是历史上最早的一次重要成煤期。 图3-25 甲胄鱼类中的翼甲鱼 五、中生代(中等进化生物的时期) 中生代由距今大约2.3亿年前开始，延至距今0.65亿年前，历时1.65亿年。它包括三叠纪(Triassic) ——来自拉丁文 “三” Trias；侏罗纪Jurassic——取名于法国与瑞士之间的汝拉山 Jura Mountain；白垩纪Cretaceous——取自拉丁文 Creta，意指白垩。相应的中生界地层包括三叠系、侏罗系、白垩系。由于该地史发展阶段生物界的演化过程介于古生代古老类型与新生代近代类型之间阶段，所以称为中生代。 中生代初期，我国华北早已成为陆地，而南方有余二叠纪末期的海侵，仍多为浅海环境。三叠纪末期的印支运动，使南方也大多成为陆地；在侏罗纪，除了西藏、新疆西南和滇、川西部，以及广东中部、湖南东南部、黑龙江东北部等边沿地区尚有海侵外，其他地区主要以陆相沉积为主。白垩纪时，后台湾、西藏以及昆仑山南部还有海相沉积。 在我国，中生代是一个地壳运动比较强烈的时期，特别是东部地区，侏罗纪、白垩纪曾多次发生强烈褶皱和岩浆活动。这个时期的地壳运动在华北燕山地区表现明显，所以称为燕山运动。由于强烈地壳运动，发生褶皱和断裂，使东亚地区形成了北北东向特殊的构造格局，并造成大陆边缘一系列断陷盆地和火山岩一深成岩带。我国东部的盆地群自西向东明显地分成三列：即鄂尔多斯一四川盆地、松辽一华北一江汉盆地、鄂霍次克海一日本海一南海盆地，地壳活动强度自西向东逐渐加强。盆地中成为煤、石油和油页岩生成的良好场所，火山和岩浆活动形成了重要的内生矿床。总的来说，中生代地层中含有许多矿产，其中以石油、煤、铁、含铜砂岩、盐类等和内生金属矿产最为重要。 在中生代，我国境内的气候大致经历了由干旱转为潮湿，再由潮湿转为干旱的变化。在中三叠世，四川中部曾是浅海和泻湖环境，受干旱气候带的影响，有丰富的岩盐和石膏等矿产的沉积，从晚三叠世开始，气候逐渐转为潮湿，有利于植物生长和煤的聚积。因此，晚三叠世和侏罗纪成为我国第二大聚煤期。我国中生代含煤地层时代西南及南方多为晚三叠世一早侏罗世，华北为中侏罗世，东北多属晚侏罗世一早白垩世，有较明显的由西南向东北逐渐变化的趋势。这反映了中生代的潮湿气候带最先分布在我国西南，然后随着时间的推移，逐渐向东北方向迁移；我国东北角的黑龙江有利于成煤的气候条件直到晚侏罗世才出现。当潮湿气候带逐渐向东北迁移的同时，干旱气候又逐渐控制了我国大陆。中、晚侏罗世，四川盆地气候已不适宜聚煤，形成的红色砂页岩是典型干旱气候条件下的产物；白垩纪，许多地区有红色岩系沉积，其中常发现岩盐、石膏等矿产。 生物界在古生代末期曾经历了—次巨大的变化。许多盛极一时的生物，如无脊椎动物中的三叶虫、笔石、四射珊瑚、
类等全部绝灭；有些则是绝大部分绝灭，如腕足类；而菊石类、箭石类大量发展，菊石类在中生代成为最重要的海洋生物，直至白垩纪末期全部绝灭。中生代有孔虫分布广泛，白垩纪再度繁盛，在造岩方面起重要作用。淡水生物腹足类大量发展。中生代脊椎动物中新兴的爬行类取代了两栖类，恐龙(图3-26)、龟鳖成为最繁盛的生物类群，那时，海、陆、空都有恐龙分布，我国发现恐龙化石很多，也比较完整，著名的有产于云南录丰上三叠统的录丰龙(图3-27)，产于四川合川侏罗纪的马门溪龙，以及发现于山东莱阳上白垩统的青岛龙。此外，原始鸟类开始出现，他有牙齿和爪，使爬行动物进化到鸟类的过渡产物，称为始祖鸟(图3-28)。在植物方面，中生代的特点是裸子植物的兴起和繁盛，它们取代了孢子植物而居于统治地位。主要代表是银杏、苏铁和松柏类。银杏类为高大的乔木，开始出现于石炭世，至侏罗纪中期鼎盛，遍布世界各地，白垩纪后期大多已绝灭．现只残留一种且分布仅限于东亚(主要在我国)。古代银杏的化石主要是其叶片，常见于中生代含煤地层中。苏铁在中生代是植物界的重要组成部分，在三叠纪和侏罗纪达到极盛，大部分在白垩纪后绝灭，其化石主要也是叶部化石，常见于中生代含煤地层中。松柏的祖先在晚石炭世已有，到晚侏罗世和早垩世达到极盛，晚白垩世开始衰退，但现在仍然是残留的裸子植物中最重要的代表。裸子植物在中生代极为繁盛，由于裸子植物比古生代的孢子植物更能适应内陆环境，所以中生代的含煤地层在远离海洋的内陆也有广泛的分布。 六、新生代(现代生物的时期) 新生代是地史发展的最新一个阶段，从大约0.65亿年前至今，包括第三纪Tertiary——第三个衍生物和第四纪Quaternary——第四个衍生物。其中第三纪包括老第三纪Early Tertiary和新第三纪Tertiary，老第三纪包括古新世 Palaeocene、始新世Eocene、渐新世 Oligocene，新第三纪包括中新世Miocene、上新世 Pliocene；第四纪包括更新世Pleistocene、全新世 Holocene，第四纪由0.02亿年前至今，新生代全球出现了新的格局，逐渐呈现目前的海陆分布轮廓。 在我国，新生代后期的海陆分布大致已与现代接近，仅在东部沿海边缘地区曾发生过海侵。在新生代时期，西藏喜马拉雅地区、东部沿海某些边缘地区及台湾等岛屿尚为海侵，这些地区有海相地层沉积，其余各地均为大陆，因此我国新生界以陆相地层为主。新生界的陆相地层，由于经历时间较短，受地壳运动的影响甚微，不少地区的地层尚保存着原始的近水平状态，或仅发生断裂而未遭到强烈褶皱。特别是第四纪的沉积物，大多仍呈松散状，尚未固结成岩。但在经历了强烈地壳运动的地区，如台湾岛及喜马拉雅地区，则是另一种情况，岩层受到褶皱和断裂，并伴有岩浆活动和变质作用。新生代大规模的地壳运动主要发生在第三纪中期和晚期，由于喜马拉雅山脉是这时形成的最典型地区，故这一时期的地壳运动称为喜马拉雅运动。在岩浆活动方面，主要是玄武岩流的溢出。我国东部地区的火山活动曾相当活跃，个别还一直延续到近代，如东北德都五大莲池的火山群在公元1702年还喷发过。 第四纪曾发生过多次冰期(寒冷)和间冰期(温暖或炎热)的交替气候变化，但是即使在寒冷的冰期，也并不是到处为冰层所覆盖，只是冰川分布的地区较广。我国东部一些山区和山麓平原已发现有第四纪冰川遗迹。在冰川期，生物界并没有全部毁灭，一些不能适应新环境的属种被淘汰，其余各种动植物经受了考验并进一步演化；而在间冰川期，生物界则又获得大量的发展。目前正处于间冰期的时代。 第三纪气候比较温暖潮湿，有利于植物大量繁殖，因此成为地史上又一大聚煤期。由于当时我国常受干旱气候影响，所以第三纪含煤地层在我国远不如前几个聚煤期重要。但这一时期的个别煤田仍有很大经济价值，其中常赋存厚度超过百米的特厚煤层，如辽宁抚顺和云南昭通是最著名的代表。 新生代的生物界，曾在中生代盛极一时的大型爬行动物恐龙类全部绝灭，脊椎动物中演化最高级的哺乳类动物继而兴起，哺乳动物是从爬行动物演化而来，从爬行动物到哺乳动物过渡阶段的代表是生活在澳洲的鸭嘴兽。这种小兽靠生蛋繁殖，却靠吃奶长大，是爬行类和哺乳类之间的过渡类型。古新世和始新世时，哺乳类，鸟类出现分化出现化族群；渐新世时现代哺乳类出现；中新世出现了人类祖先；上新世时，人属(Homo)出现。 新生代的矿产，除煤以外，还有铝土矿、盐类和砂矿，还有丰富的石油。我国辽阔的浅海区和邻近海域及台湾省，蕴藏着极其丰富的石油。我国西部和东部的一些内陆盆地的第三系也是重要的含油地层。 第四章 地质构造 地质构造是地壳运动的产物。原始沉积岩层在地壳运动引起的地应力作用下，发生变形或变位，形成褶皱和断裂等构造形迹，称为地质构造。地质构造是地壳中常见的地质现象，是影响煤矿生产的主要地质因素。 第一节 岩层的产状 一、岩层产状的概念 岩层在地壳中的空间位置和产出状态，称为岩层的产状。现在地表出露的岩层，绝大多数都是经历了构造变动之后所表现的形式。这些岩层最初沉积成岩时的产状称为岩层的原始产状。在比较广阔而平坦沉积盆地（如海洋、湖泊）中形成的岩层，其原始产状大都是水平或近于水平的。岩层形成之后，在地壳运动的影响下，其原始产状将程度不同地发生改变，有的近于水平，有的变成倾斜，甚至直立。在构造运动强烈地区，岩层还会倒转（图4-1）。 图4-1 不同产状的岩层示意图 （a）水平岩层；（b）倾斜岩层；（c）直立岩层；（d）倒转岩层 P、C、D、S—地层代号 二、岩层产状要素 岩层的产状要素就是确定岩层在地壳中的空间位置的几何要素。通常用岩层面的走向、倾向和倾角来表示。 1．走向 走向表示岩层在空间中的水平延伸方向。岩层面与水平面的交线称为走向线。（图4-2的AOB）走向线两端所指的方向，即走向线与地球子午线的夹角为岩层的走向。二者相差180°，通常以其NE或NW端的方位来表示。 2．倾向 倾向表示岩层的倾斜方向，倾斜平面上与走向线相垂直的直线称为倾斜线。（图4-2中的ON），倾斜线的水平投影线称为倾向线（图4-2中的ONˊ），倾向线与子午线的夹角为倾向。岩层倾向有真倾向和视倾向之分，垂直于走向线所引的层面倾斜线，其水平投影线所指岩层下倾方向为真倾向；不垂直于走向线所引的层面倾斜线，其水平投影线所指岩层下倾方向为视倾向。视倾向有无数个，而真倾向只有一个方向，且与走向垂直。 3．倾角 倾角表示岩层的倾斜程度，它是岩层层面与水平面的夹角（图4-2中的α角），由于倾向有真、视之分，因此，倾角亦有真倾角和视倾角。真倾角是指在真倾向方向上层面与水平面的夹角；视倾角则是指视倾向方向上层面与水平面的夹角。视倾角有无数个，真倾角只有一个，而且恒大于视倾角。 图4-2 岩层的产状要素 图4-3 真倾角与视倾角的关系 ABCD—水平面；EFGH—岩层层面 ABCD—岩层层面；OECD—水平面 AOB——走向线；ON——倾斜线； AD——真倾斜线；AC——视倾斜线； ON′——倾向线； α—真倾角；β—视倾角； ∠α——（真）倾角 ω—真倾向视倾向夹角； γ——走向线与视倾向间的夹角 真倾角与视倾角之间有如下的关系（图4-3）： tgβ=tgαcosω或tgβ=tgαsin r 从上述关系式可知：当∠ω=0°时，cosω=1,则tgα=tgβ, ∠α=∠β.表示剖面方向垂直岩层走向。当∠ω=90°时，cosω=0，则tgβ=0，∠β=0°，表示剖面的方向与岩层走向相一致。 在实际工作中，经常涉及真倾角和视倾角的换算问题。例如沿较陡煤层作伪斜上山时，要确定伪斜上山的起点位置和方向，即可根据煤层的真倾角和伪斜上山的设计坡度角计算出真倾向与伪斜上山之间的夹角。在斜交岩层走向的剖面图上，则应绘制相应剖面方向的视倾角。关于真倾角和视倾角的换算可直接查阅倾角换算表。 三、岩层产状的测定和表示方法 （一）地质罗盘 地质罗盘是地质工作者经常使用的一种轻便仪器。在野外或煤矿井下，常用地质罗盘测定方向和测量岩层及煤层的产状要素。地质罗盘的构造如图4-4所示。 图4-4 地质罗盘构造 1—底盘；2—磁针；3—圆盘校正螺丝；4—倾斜仪；5—圆盘； 6—磁针制动器及倾斜仪制动器7—水准气泡；8—方位角刻度；9—倾斜角刻度； 10—倾斜仪上水准气泡；11—折叠式瞄准器；12—玻璃镜；13—观测孔 地质罗盘的主要部件是磁针和倾斜仪。磁针静止时所指的方向为磁南和磁北，常与地理上的南、北方向不一致，它们之间有一个偏离角，称为磁偏角。各地区的磁偏角不同，需根据当地的磁偏角进行校正。如我国西部地区磁偏角偏东，校正时应加上磁偏角度数。底盘是一个平面，当水准气泡居中时，底盘处于水平位置，AB直线与一条水平线。AB水平线与磁北的的夹角，称为磁方位角，它可用磁北针在方位角刻度盘上所指的刻度值来表示。磁针可用来测定岩层的走向和倾向。方位角刻度盘装在底盘上，上面刻有度数，从北开始为0°，以逆时针方向一周为360°。在底盘上还刻有E（90°）、S（180°）、W（270°）、N（360°）。方位角的读法是以磁针所指的方向与罗盘北线所夹的角为方位角。倾斜仪是用来测量岩层倾角或巷道坡度角的。 （二）岩层产状要素的测定方法 1．直接测定法 （1）选择岩层面，测定岩层产状，首先要选择具有代表性的岩层面，即该层面能代表周围一定范围内的岩层产状。 （2）测定岩层走向，将罗盘的长边AB紧贴岩层面，并使罗盘上的水准气泡居中，这时磁北（或南）针所指该盘上的刻度，即为岩层的走向（图4-5a） （3）测定岩的倾向，将罗盘中垂直于直线AB的短边紧贴岩层面，并使罗盘北（N）端指向岩层倾斜方向，当罗盘水平且待静止后，磁北针所指的刻度即是岩层的倾向（图4-5b）。岩层走向与倾向相互垂直，两者的读数相差90°。 （4）测定岩层倾角，将罗盘长边AB顺倾斜线方向紧贴层面，直立罗盘，调节制动器，使倾斜仪水准气泡居中，倾斜仪指标所指的度数即是岩层的倾角（图4-5c） 2．间接测定法 煤矿井下找不到理想的层面时，可采用间接方法测定岩层产状要素。如图4-6所示，BD、CD为巷道中实见的同一岩层上层面，在该面上找出相同标高的两点EF，用测绳连接EF，再用罗盘测量出测绳的方向，即为岩层的走向。岩层的倾向是利用岩层的走向，并根据岩层实际的倾斜方向求出。倾角α可利用下式计算得出： tgβ2 tgα=———— cosω 式中β2——巷道碛头方向岩层的视倾角； ω——巷道碛头岩壁方向与岩层倾向之间的夹角； β2和ω均可用罗盘测得。 图4-5 地质罗盘测量产状示意图 图4-6 巷道中间接测定法示意图 （三）岩层产状的表示方法 1．方位角记录法 方位角记录法是以正北方向为0°，按顺时针方向将坐标方位分为360°，正东方向为90°，正南为180°，正西为270°，正北为360°与0°的重合（图4-7a）。此法只记倾向和倾角，如135°∠30°，前面是倾向方位角，后面是岩层倾角。倾向方位角加或减90°，均为走向，即表示岩层的走向为45°或225°，倾向为135°，倾角为30°。此种记录法是目前常用的方法。 2．象限角记录法 象限角记录法是地球子午线的南、北两端为0°，东、西记为90°（图4-7b），当岩层走向为北偏东或南偏西45°，向南东倾斜。倾角25°时，记录为N45°E∠25°SE或者S45°W∠25°SE。 图4-7 岩层产状要素的表示方法 a——方位角法 b——象限角法 第二节 褶皱构造 一、褶皱的基本概念 （一）褶皱的定义 岩层或岩体在地应力长期作用下形成的波状弯曲称为褶皱，褶皱在地壳中分布广泛，形态各异，规模大小相差悬殊，大者延伸几十至几百公里，小者可在手标本上见到，甚至表现为显微构造。褶皱岩层中的一个弯曲称为褶曲，它是褶皱构造的基本单位（图4-8）。 图4-8 褶皱与褶曲剖面示意图 （二）褶曲的基本形式 褶曲的基本形式可分为两种，即背斜和向斜。 1．背斜 背斜是岩层向上弯拱的褶曲，核部是老岩层，两侧是新岩层，且对称重复出现，两翼岩层一般相反倾斜（图4-9a）。 2．向斜 向斜是岩层向下弯拱的褶曲，核部是新岩层，两侧是老岩层，且对称重复出现，两翼岩层一般相对倾斜（图4-9b）。 图4-9 背斜、向斜立体示意图 图4-10 褶曲要素 a、背斜 b、向斜 （三）褶曲要素 为了描述褶曲在空间的形态和特征，将它的各个部位分别规定了一个名称。总起来称为褶曲要素。或者说褶曲要素是褶曲的基本组成部分及其相互关系的几何要素（图4-10）。 褶曲要素主要有下列几种： 1．核部 褶曲的中心部位为核部。背斜核部是老岩层，向斜核部为新岩层。 2．翼部 褶曲核部两侧的岩层为翼部。背斜两翼较核部岩层新；向斜两翼较核部岩层老。相邻背斜和向斜之间的一个翼为二者所共有。 3．翼角 褶曲两翼岩层与水平面的夹角，即翼部岩层的倾角。 4．转折端 褶曲从一翼过度到另一翼的转折部位称为转折端。 5．轴面 通过褶曲核部，平分褶曲两翼的假想面称为轴面，轴面可以是平面或曲面，也可以是直立的、倾斜的、甚至是水平的。 6．轴线和轴迹 褶曲轴面与水平面的交线，称为轴线。轴线的方向表示褶曲的延伸方向。轴线的长度表示褶曲的延伸长度。轴面与地表面的交线称为轴迹。只有在轴面直立和地面水平的情况下，轴迹和轴线重合为一条线。 7．枢纽 枢纽指褶曲中同一岩层面与轴面的交线。其产状可以是水平的、倾斜的，也可是波状起伏的，甚至是直立的，枢纽主要是用来表示褶曲在延伸方向上产状的变化。 8．高点及鞍部 背斜隆起的最高部位称为高点。有的背斜可以有几个高点，同一背斜相邻两高点之间的相对低洼部分称为鞍部（图4-11）。 二、褶曲的分类 褶曲构造的形态是多种多样的，为了真实地描述褶曲在自然界 的形态，常根据横剖面、纵剖面及平面上的形态进行分类。 （一）横剖面上的形态分类 1．直立褶曲 褶曲的轴面直立，两翼岩层倾向相反，翼角近于相等 （图4-12a）。 2．斜歪褶曲 褶曲的轴面倾斜，两翼岩层倾向相反，翼角不等（图4-12b）。 3．倒转褶曲 褶曲的轴面倾斜，两翼岩层倾向相同，翼角不一定相等，地层层序一翼正常，另一翼倒转（图4-12C）。 图4-12 褶曲在横剖面上的形态分类 a——直立褶曲 b——斜歪褶曲 c——倒转褶曲 （二）纵剖面上的形态分类 1．水平褶曲 褶曲枢纽水平或近于水平，统称为水平褶曲（图4-13a） 2．倾伏褶曲 褶曲枢纽倾斜，并向一端或两端倾伏，称为倾伏褶曲（图4-13b） 图4-13褶曲在纵剖面上的形态分类 a——水平褶曲 b——倾伏褶曲 （三）平面上的形态分类 1．线形褶曲 褶曲在平面上延伸很远，长与宽之比大于10:1。 2．短轴褶曲 褶曲向两端延伸不远即倾伏，长与宽之比为10:1—3:1，可分为短轴背斜和短轴向斜（图4-14）。 3．穹窿和构造盆地 褶曲的长与宽之比小于3:1，背斜称为穹窿；向斜称为构造盆地（图4-15）。 图4-14 短轴褶曲示意图 图4-15 穹窿与构造盆地示意图 a——短轴背斜 b——短轴向斜 a、穹窿 b、构造盆地 三、褶皱构造的观测与研究 褶皱构造的观测与研究包括查明褶皱的存在、褶皱的位置、延伸方向和褶皱的类型以及对煤矿生产的影响等。大型褶皱一般在勘探和建井过程中已经查明，中小型褶皱是煤矿井下观测和研究的重点。 （一）查明褶皱的存在，确定褶皱类型 在构造简单的矿井，主要根据岩层产状，岩层层位来确定褶皱的存在。如果同一岩层对称重复出现，相对倾斜为向斜，相反倾斜为背斜（图4-16）。在构造复杂的矿井，褶曲紧凑，岩层倾角较大，岩层容易倒转。观测的方法主要是依据岩层层序和岩层新老关系来确定，而岩层产状只能作参考。如图4-17所示，某矿巷道揭露的岩层产状为同一方向倾斜，沿倾斜方向同一层位重复出现，中间地层老，两翼新，为一倒转背斜。 图4-16 石门掘进中确定褶皱的存在（据刘志刚） 图4-17 根据石门巷道中岩层层序标志确定等斜褶曲 （二）确定褶皱的位置和方向 1．褶皱轴位置的确定 一般情况下根据巷道中所见岩层的产状和层间距，用作图法推断褶曲轴的位置。对于下部拟开采的煤层可用上部已揭露的资料用下延推断法确定褶皱轴的位置（图4-18）。 图4-18 下延推断法确定褶皱轴位置 图4-19煤巷掘进法确定褶曲轴 当煤矿生产需要准确的掌握褶曲轴的位置、标高等参数时，就需采用巷探和钻探方法。如沿煤层走向掘进的水平煤巷出现转弯而呈“U”型展布时，那么巷道的转弯部位即为倾状褶曲的轴部（图4-19）。 2．褶皱轴方向的确定 褶皱轴方向可采用实测法和作图法来确定。对于小型褶皱，当石门巷道两壁都有褶皱轴部出露时，在两壁褶皱轴相同标高位置拉测绳，用罗盘测量其方向，即为褶皱轴向。对于中型褶皱需在煤矿水平切面图上，根据不同巷道揭露的褶皱轴位置将它们连接起来，即可确定褶皱的延伸方向。 （三）褶曲内部小构造的研究 褶曲内部小构造是指褶皱岩层在受力变形过程中派生出来的次级构造。如层面擦痕、层间小褶皱、小断裂等。层面擦痕是岩层受力发生弯曲变形时，上、下岩层沿层面进行剪切滑动，在层面上留下的许多摩擦痕迹。在褶曲枢纽近于水平的部位，层面擦痕方向与枢纽近于垂直，在枢纽倾伏部位，层面擦痕方向与枢纽斜交。 层间小褶皱又称拖拉褶皱，它是一种不对称的小褶皱，多发育在两层坚硬岩层之间的软岩层中，这是由于主褶曲在形成过程中，相邻岩层中的上部岩层相对向上滑动，而下部岩层相对向下滑动所产生的力偶作用下形成的（图4-20）。这种褶皱主要发育在主褶曲的翼部；基轴线与主褶曲轴近于平行，轴面与岩层面斜交，二者的锐夹角尖端指向相邻岩层相对滑动方向。由此可见，新岩层向背斜转折端滑动，老岩层向向斜的轴部滑动。在正常情况下，小褶曲轴面倾角大于岩层倾角，在岩层倒转情况下，小褶曲轴面倾角小于岩层倾角。由此可以确定背斜和向斜的位置，恢复褶皱形态（图4-21）。 图4-20 层间小褶皱示意图 图4-21利用层间小褶皱确定 （图中箭头表示顺层滑动方向） 主褶曲形态示意图 （四）褶皱的形成作用 褶皱的形成是一个十分漫长而又复杂的过程，受到多种因素的影响，根据观察和模拟实验，褶皱的形成主要与力的作用方式、变形环境、岩石力学性质及岩层厚度等因素有关。一般根据力对岩层的作用方式，将褶皱的形成作用分为纵弯褶皱作用和横弯褶皱作用。 纵弯褶皱作用是作用力顺层面发生挤压，使岩层失稳弯曲而形成褶皱。按变形方式又可分为弯滑褶皱和弯流褶皱作用。弯滑褶皱作用是指岩层在水平挤压力作用下，通过层间滑动而发生的弯曲变形（图4-22）。弯流褶皱作用是指岩层发生弯曲变形时，不仅有层间滑动，而且还有显著的顺层物质流动。流动方向通常从挤压力较大的翼部流向挤压力小的转折端，塑性岩层在翼部变薄，在转折端加厚，容易形成顶厚褶皱（图4-23）。煤系地层在形成褶皱时，煤层容易产生塑性流动，往往从翼部挤向转折端，从而使煤层厚度发生变化。 图4-22 弯滑褶皱作用 图4-23 弯流褶皱作用 a—弯曲前；b弯曲后 横弯褶皱作用是岩层受到与层面垂直的作用力而发生褶皱。横弯褶皱是由地壳局部升降，基底断块的垂直运动，岩浆侵入顶托和岩盐的底辟作用引起岩层的弯曲（图4-24）。与纵弯褶皱作用相比较，这种褶皱作用是较为次要的。 图4-24 横弯褶皱的几种模式 a—地壳局部升降；b—基底断块的垂直运动； c—岩浆侵入顶托；d—岩盐底辟。 （五）褶皱形成时代的确定 褶皱是地壳运动的产物，因此褶皱形成时代与同期地壳运动是有成因联系的。一般通过区域性角度不整合来确定褶皱形成的时代。原始水平岩层在地壳运动引起的地应力作用下发生褶皱上升，褶皱岩层遭受风化剥蚀。若地壳重新下降，就会在风化剥蚀面上沉积新的水平岩层，从而形成了岩层的角度不整合。由此可见，褶皱的形成时代是在不整合面下伏最新褶皱岩层形成之后，上覆最老岩层形成之前。即用角度不整合的形成时代作为褶皱的形成时代。 此外，褶皱的形成时代还可根据与褶皱相接触的岩浆岩体的同位素年龄来测定。 第三节 断裂构造 岩层受力后产生变形，当应力达到或超过岩层的强度极限时，岩层的连续完整性遭到破坏，在岩层一定部位和一定方向上产生的破裂称为断裂构造。根据岩层破裂面两侧岩块有无明显位移，可将断裂构造分为节理和断层。 一、节理 岩层断裂后，两侧岩块未发生显著位移的断裂构造称为节理，又叫裂隙。节理的破裂面称为节理面。它的形态可以是平直的，也可以是弯曲的。节理面的产状有直立的、倾斜的或水平的。运用地质罗盘可以测定其走向、倾向和倾角。 节理在岩层中总是成群出现，表现为一定的组合规律。通常把同一时期形成的，具有同一力学性质的，且相互平行或大致平行的一组节理，称为节理组。把同时期具有成因联系的两个或两个以上的节理组称为节理系。节理的规模大小不等，小者数厘米，大者几十米，甚至更长。 （一）节理的分类 1．节理的成因分类 （1）原生节理 指沉积岩在形成过程中，沉积物脱水和压缩后所生成的节理，如泥裂及煤层中的内生裂隙等，它们的分布有一定的局限性。 （2）次生节理 指岩层形成后生成的节理。根据力的来源和作用性质不同，又可分为构造节理和非构造节理。 构造节理是由构造运动使岩层遭受地应力作用而形成的节理。这种节理的形成和分布有一定的规律性。它与褶曲和断层有密切的关系（图4-25、26） 非构造节理是外力地质作用或人为因素形成的节理。如风化作用、滑坡、爆破以及煤层被采空后地压造成的节理等。这种节理一般规模不大，分布也不规则。 2．节理的力学性质分类 （1）张节理 指构造运动产生的张应力作用而形成的节理。常分布在背斜的转折端，穹窿的顶部，褶曲枢纽的急剧倾伏部位，与褶曲有关的张节理常见的有两组，一组是与褶曲轴垂直的节理称为横张节理；另一组是与褶曲轴平行的节理称为纵张节理。（图4-26） （2）剪节理 指构造运动所产生的剪切应力作用形成的节理，剪节理分布广泛，不论是水平岩层，还是倾斜岩层，都较发育。 图4-25 断层旁侧的节理 图4-26褶皱产生的张节理示意图 1—纵张节理；2—横张节理 （二）节理的识别标志 1．张节理的识别标志 （1）节理面粗糙不平，常张开，易被矿脉充填呈楔状、扁豆状或其它不规则形状。 （2）产状不稳定，延伸不远，单条节理短而弯曲，绕砾石而过（图4-27）。 （3）组合形态常呈不规则的树枝状，有时呈雁行排列，有时追踪张节理发育而呈锯齿状（图4-28）。 （4）尾端变化呈杏仁状结环和树枝状多级分叉（图4-29） 图4-27 砾岩中的张节理和剪节理 1—张节理；2—剪节理 图4-28 追踪张节理 2．剪节理的识别标志 （1）节理面平直光滑，通常是闭合的，有时被矿脉充填。 （2）产状稳定，沿走向和倾向延伸较远，常切穿岩层中的砾石，岩脉或结核（图4-27） （3）组合形态常成组出现，往往等距排列，两组发育常组成X型共轭节理系（图4-30）。有时一条剪节理由许多相互靠近，首尾邻接的细微羽裂组成（图4-31）。 （4）尾端变化呈菱形结环、转折、分叉（图4-32）。 图4-29 张节理的尾端变化 图4-30 两组剪节理羽列现象 （a）树枝状分叉，（b）杏仁状结环 图4-31 湖北黄陵背斜南部 图4-32 剪节理的尾端变化 灰岩中剪节理羽列现象素描图 二、断层 岩层受地应力作用后发生破裂，在力的继续作用下，两侧岩块沿破裂面发生显著相对位移的断裂构造称为断层。断层的规模大小不一，其形态和类型繁多，分布较广，对煤矿设计和生产都有很大的影响。 （一）断层要素 为了描述断层的空间形态和性质，将断层的各个基本组成部分冠以一定的名称。这些断层的基本组成部分，称为断层要素。 1．断层面 断层的破裂面称为断层面（图4-33），断层面的形态有平直的，也有舒缓波状的，断层面的产状有直立的，也有倾斜的，可以用走向、倾向和倾角三要素来表示。 有的断层找不到一个完整的断层面，而是一个断层破碎带。破碎带的宽度一般为数十厘米至数十米。 2．断盘 断层面两侧相对位移的岩块称为断盘。相对上升的岩块称为上升盘；相对下降的岩块称为下降盘。当断层面倾斜时，位于断层面上方的岩块称为上盘；位于断层面下方的岩块称为下盘（图4-33）。当断层面直立时，则无上、下盘之分，可根据断盘所处的方位来命名，如断层走向南北，位于断层西侧的称为西盘，东侧的称为东盘。 3．断层线 断层面与地面的交线称为断层线。若地面平坦断层线的方向代表断层的走向。若地面起伏不平，断层在地表的出露线就不能反映断层的延伸方向。断层线有时呈直线，有时呈曲线，主要取决于断层面的形状及地形起伏情况。 断层面与煤层面的交线称为断煤交线，断层面与上盘煤层面的交线，称为上盘断煤交线，与下盘煤层面的交线称为下盘断煤交线（图4-34）。 图4-33 断层要素示意图 图4-34 断煤交线示意图 a—正断层 b—逆断层 1—上盘断煤交线；2—下盘断煤交线；3—煤层底板等高线 （二）断距 断层两盘同一岩层面相对位移的距离称为断距。断距可反映断层规模大小，它对煤矿生产影响极大。通常，断距是根据不同方向剖面上岩层或煤层被错开的相对位置来确定的。目前，断距的名称较多，这里只介绍常用的几个断距术语。 在垂直于岩层走向的剖面上可测得的断距有： 地层断距：指断层两盘上同一岩层面被错开的垂直距离（图4-35Ho） 水平地层断距：指断层两盘上同一岩层面被错开的水平距离（图4-35Hf） 铅直地层断距：指断层两盘上同一岩层面被错开的铅直距离（图4-35Hg）。 在矿山开采中，为设计竖井和平巷的长度，还常常采用落差和平错这类断距术语。 落差：指垂直于断层走向的剖面上断层两盘同一煤层或岩层面对应点的标高差（图4-36ab） 平错：指垂直于断层走向的剖面上断层两盘同一煤层或岩层面对应点的水平距离（图4-36bc）。需要指出，同一条断层的断距沿断层的走向和倾斜方向均可能发生变化，要尽可能地在断层的不同部位多测一些数据，以便弄清断距的变化情况。 图4-35 断距示意图 图4-36 落差、平错示意图 Ho--地层断距；Hf--水平地层断距；Hg--铅直地层断距 ab——落差；bc——平错 （三）断层分类 1．根据断层两盘相对位移方向分类 （1）正断层。上盘相对下降，下盘相对上升的断层称为正断层（图4-37a）。 （2）逆断层。上盘相对上升，下盘相对下降的断层称为逆断层（图4-37b）。 通常又将断层面的倾角大于45°的逆断层称为冲断层；断层面倾角在45°～25°之间的逆断层，称为逆掩断层；断层面倾角小于25°的逆断层称为辗掩断层。 （3）平移断层。两盘岩块沿断层面作水平方向相对移动的断层称为平移断层（图4-37c）。 2．根据断层走向与岩层走向关系分类 （1）走向断层。断层走向与岩层走向平行或基本平行称为走向断层（图4-38a）。 （2）倾向断层。断层走向与岩层走向垂直或基本垂直称为倾向断层（科4-38b）。 （3）斜交断层。断层走向与岩层走向斜交称为斜交断层（图4-38c）。 图4-37 断层位移分类 图4-38 断层几何关系分类 a—正断层 b—逆断层定 c—平移断层 a—走向断层 b—倾向断层 c—斜交断层 （四）断层的组合型式 断层可以单条发育，也可以成群出现，由多条断层排列成一定的组合型式。常见的组合型式如下： 1．地堑和地垒 地堑是指两条以上的走向大致平行，具有共同的下降盘的断层组合（图4-39a），地垒是指两条以上的走向大致平行的断层，具有共同的上升盘的组合型式（图4-39b）。地堑和地垒一般是由于正断层组成，但也可以由逆断层组成。 图4-39 地堑和地垒示意图 a—地堑 b—地垒 2．阶梯状构造 阶梯状构造是由数条产状大致相同的正断层组成。从剖面上看，各个断层的上盘向同一方向依次下降，使岩层或煤层成阶梯状（图4-40）。 图4-40 阶梯状构造示意图 图4-41 叠瓦状构造示意图 3．叠瓦状构造 叠瓦状构造是由数条产状大致相同的逆断层组成，其上盘均向同一方向依次逆冲形成（图4-41）。 （五）断层的成因及其特点 岩石受力超过其强度极限时，便开始发生破裂。在力的继续作用下，破裂面两侧的岩块产生相对滑动，从而形成断层。从应力状态分析，形成断层的三轴应力状态中的一个主应力轴趋于垂直水平面，断层面是一对剪切面，最大压应力轴或最小张应力轴δ1与两剪切面的锐角平分线一致，最小压应力轴或最大张应力轴δ3与两剪切面的钝角平分线一致，断层两盘垂直于中间主应力轴δ2方向滑动。不同断层类型的力学成因和特点是不相同的。 1．正断层的成因及其特点 正断层的特征反映出一定范围内的地壳受到水平引张作用。形成正断层的应力状态是δ1直立，δ2、δ3水平（图4-42a）。在此状态下，沿着与δ3垂直的张裂或剪裂发展而成正断层。沿张裂发育而成的正断层，一般断层面产状较陡，断面粗糙不平或呈锯齿状；沿剪裂发育而成的正断层，其断面较平直。在断层破碎带中，断层角砾岩大小混杂棱角显著，无定向排列。正断层规模差别很大，两盘岩块相对位移小的只有几十厘米或更小，大者可达上千米，甚至更大，在地面延伸由几米至几百米，甚至上千公里。在正断层发育地区，它们常呈一定的组合型式。在平面上，常见的组合型式有平行状、雁行状、环状及放射状。在剖面上，主要有阶梯状（图4-40）和地堑、地垒（图4-39）。 图4-42 形成断层的三种应力状态（据E·M·安德生） （a）—正断层；（b）—逆断层；（c）—平移断层。 2．逆断层的成因及其特点 逆断层的特征反映部分地壳受到水平挤压作用，它是地壳运动所产生的水平挤压应力所形成的断裂构造。形成逆断层的应力状态是δ3直立，δ2、δ1水平（图4-42b）。大多数逆断层与褶皱相伴生，常在背斜的轴部附近发育，其走向与轴向一致。断面常呈舒缓波状，断层破碎带中的构造透镜体常成斜列展布。逆断层规模有大有小，大者延展上千公里，小者在手标本上都可见到。在逆断层发育地区，常组合成一定型式，平面上呈平行状、雁行状；剖面上呈叠瓦状（图4-41）。 3．平移断层的成因及其特点 平移断层的特征反映地壳局部受到侧向水平挤压，顺平面X剪裂面发育而成平移断层，其应力状态是δ2直立、δ1、δ3水平（图4-42c）。根据两盘相对位移方向的不同，平移断层可分为左型和右型（图4-43）。左型或右型是指垂直断层走向观察断层时，对盘向左滑动称为左型平移断层，对盘向右滑动称为右型平移断层。平移断层的断面一般较平直而陡峻。其平面组合形态有平行状和雁行状。平移断层的规模大小不等，小者仅有数十厘米，大者可达数百公里甚至上千公里。 图4-43 左型和右型平移断层 （六）断层标志 断层标志是确定断层存在的依据。断层的标志很多，可分为直接标志和间接标志，归纳起来主要有以下几个方面： 1．煤、岩层不连续 在野外或井下发现煤、岩层突然中断或错开，并与其它岩层相接触，这是断层存在的直接标志。例如：在沿煤层掘进的巷道碛头，突然遇到了半煤岩或顶板岩层，说明有断层存在（图4-44）。 图4-44 巷道中断层的识别 图4-45 构造不连续 2．构造不连续 褶皱轴线或早期存在的断层等在延展方向上突然中断、错开，造成构造不连续现象，这是横断层或斜交断层存在的标志（图4-45）。 3．煤、岩层的重复与缺失 一般走向正断层或逆断层可造成煤、岩层的重复或缺失（图4-46）。由于断层位移类型不同，断层与岩层的倾向、倾角不同，会造成六种基本的重复和缺失情况（表4-1与图4-46中的a,b,c,d,e,f是相互对应的）。 表4-1 走向断层造成的岩层重复与缺失 断层位 移类型 断层倾向与岩层倾向的关系   二者倾向相反 二者倾向相同    断层倾角大于岩层倾角 断层倾角小于岩层倾角   地面上 上盘直孔剖面 地面上 上盘直孔剖面 地面上 上盘直孔剖面  正断层 重复（a） 缺失（a） 缺失（b） 缺失（b） 重复（c） 重复（c）  逆断层 缺失（d） 重复（d） 重复（e） 重复（e） 缺失（f） 缺失（f）   图4-46 走向断层造成的岩层重复与缺失 4．断层面的擦痕与阶步 擦痕是断层面两侧的岩块发生位移时相互摩擦而形成的痕迹（图4-47）。擦痕由粗而深的一端向细而浅的一端，摸之有光滑感觉。此方向反映对盘的滑动方向；反之有粗糙感，表示本盘的滑动方向。 阶步是发育在断层面上的一种小陡坎，其高度一般不超过数毫米，延伸方向大致与擦痕的延伸方向垂直（图4-47）。阶步是断层两盘滑动过程中一次停顿间歇或局部阻力差异而形成的，小陡坎指向断层对盘相对滑动方向。 5．断层角砾岩和断层泥 在断层破碎带中，由于岩石受到强大压力作用而破碎成大小不等的岩石碎块，经过碎屑基质胶结后，形成断层角砾岩（图4-48）。在泥质岩或煤层的断面上，常夹有被磨得很细的泥称为断层泥。断层角砾岩和断层泥都是岩层错动形成的产物，可作为确定断层存在的标志。 6．其它标志 由于断层的影响，使山脊突然错开，地貌上形成悬崖峭壁。有的断层破碎带有泉水涌出，泉点呈串珠状分布。在矿井巷道接近断层时，往往有滴水、淋水或涌水现象等等。 （七）断层形成时代的确定 断层是地壳运动的结果，它们的形成有先有后，各有不同的特点和发展过程，但是断层总是在被它们切割的地层形成之后产生的。如在断层切割的一套地层之上，被一套时代较新的地层以角度不整合关系所覆盖，断层并未切穿不整合面，则此断层的形成时代与不整合的形成时代一致。如图4-49所示，F1、F2的形成时代应与覆盖其上的不整合时代相同，即为P2C之后，T2之前的地壳运动形成的。F3切穿了T2及其下伏的不整合面，但未切穿T2与E之间的不整合面及其上覆地层，故F3的形成时代应与不整合时代相同，即为T2之后，E之前。 如果断层切割了岩浆岩体，则断层时代新于被其切割的岩体时代。如果岩浆侵入断层破碎带中形成岩体或岩体穿过断层，则断层时代早于岩浆岩体的时代。如图4-50所示，断层将花岗岩体切断，使花岗岩与两侧三叠系呈断层接触，沿断层大小不等的闪长岩侵入体，二长岩穿过断层则断层时代晚于花岗岩，早于闪长岩及二长岩的形成时代。 图4-49 构造剖面示意图 图4-50 断层与岩体相对时代关系 γ—花岗岩；δ—闪长岩；ν—二长岩 第五章 煤与含煤岩系 煤是一种沉积成因的可燃有机岩石。它是由大量有机物质和少量无机物质组成的。 煤不仅是一种主要的能源，而且也是冶金、化学等工业极其重要的原料。为合理地开发煤炭资源，有必要了解和掌握有关煤与含煤岩系的基本知识，如煤的成因、性质、特征及其赋存规律等。 第一节 成煤作用 一、成煤植物 虽然人们早已发现了煤是一种可以燃烧的“石头”，但有关煤是由什么物质转变而成的，并不很清楚。随着生产和科学技术的发展，人们逐渐认识了这个问题。首先在煤层及附近的岩石中，找到了保存良好的植物化石，如在煤层中曾发现了压扁的煤化树干；在煤层底板岩石中有时可见到直立的树根化石。另外，把煤磨成很薄的透明薄片，在显微镜下观察，可以看到煤中保留有大量的植物组织碎片，如木质细胞组织（图5-1）、角质层及孢子花粉等。所有这些都充分证实了煤是由植物遗体转变而来的。 由上可知，成煤的原始物质是植物。而植物可分为高等植物和低等植物两大类。低等植物的最大特点是没有根、茎、叶等器官的分化，如菌类、藻类。其多数生长在水中。高等植物最大特点是有根、茎、叶等器官的分化，主要包括苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物。这些植物除苔藓外，常能形成高大的乔木，具有粗壮的茎和根。无论是高等植物还是低等植物，它们都能转变成煤，但自然界大多数具有工业价值的煤层都是由高等植物转变而成的。我们把由高等植物转变成的煤叫腐植煤；由低等植物转变成的煤叫腐泥煤。 二、成煤的必要条件 虽然植物遗体可以转变成煤，但并不是有植物就可以形成煤，形成煤必须具备一定的条件。 实践表明，地史发展过程中形成的煤，在时间上的聚积和在空间上的分布并不是均衡的。不同地质时期，有的时代有煤的形成，而有的时代则没有煤的形成。即使同一地质时期，有的地区有煤的分布，而有的地区则没有煤的分布。由此可见，煤的形成并不是偶然的，它是受一定条件控制的，综合起来，煤的形成必须具备以下条件： （一）植物条件 植物是成煤的原始物质，没有植物的生长繁殖，就不可能有煤的形成。因此，植物的大量繁殖是形成煤的基本条件。 从地球上生物演化的历史来看，虽然震旦纪前就已经出现了生物，但是煤主要是在最近数亿年内植物大量繁殖之后形成的。植物的大量繁殖是从石炭纪开始，特别是石炭纪、二叠纪、侏罗纪、白垩纪及第三纪，植物生长繁茂，种类繁多，森林广布，对成煤十分有利。因此，伴随植物界的飞跃，出现了地史上重要的聚煤期，即石炭——二叠纪聚煤期，侏罗——白垩纪聚煤期及第三纪聚煤期。上述三大聚煤期在我国均有聚煤作用发生。 （二）气候条件 气候直接影响植物的生长和分解，只有在温暖、潮湿的气候条件下，植物才能大量生长繁殖。同时植物遗体也只有在积水的沼泽等地带，才能免遭完全氧化分解，逐渐堆积起来。而沼泽的发育也要求潮湿的气候。因此，温暖、潮湿的气候是形成煤的重要条件。 目前倾向于认为湿度是最重要的。只要有足够的湿度，无论在热带、亚热带或温带、寒带，都可以发育泥炭沼泽并形成泥炭层。但相比之下，温度、潮湿的气候最有利于煤的形成。 （三）自然地理条件 形成分布面积较广的煤层，必须要有适宜植物广泛分布和大量繁殖、又能使植物遗体得以保存的自然地理环境。自然界中，只有沼泽等具备这种条件。因此，形成煤必须有适于发育大面积沼泽化的自然地理环境。 沼泽是地表土壤充分湿润、季节性或长期性积水的洼地。一般滨海的广阔平原、内陆湖泊、泻湖海湾、山间或内陆盆地、宽广河谷的河漫滩、河口三角洲平原等，受地壳升降、海水进退的影响，容易发育成大片沼泽。图5-2为湖泊演变成沼泽示意图。
 图5-2湖沼的演变示意图 1-泥炭 2-腐泥质泥炭 3-腐植腐泥 4-腐泥 （四）地壳运动条件 形成具有工业价值的厚煤层，需要有很厚的泥炭层。而泥炭层的堆积和保存与地壳的升降运动有关。首先泥炭层的堆积，要求地壳不断缓慢地沉降，其沉降的速度最好与植物遗体堆积的速度大致平衡，这种平衡持续的时间越长，形成的泥炭层就越厚，否则就形不成泥炭层或形成的泥炭层较薄。其次，泥炭层的保存也需要地壳不断沉降。此外，为使一个地区能形成较多的煤层，又要求地壳在总的沉降过程中发生多次小型升降或间歇性沉降。因此，形成煤要求地壳运动总的趋势是不断地缓慢沉降。 在地壳缓慢沉降过程中，同一地区，如果其沉降的幅度不同，会造成煤层厚度的变化，出现分叉、变薄、尖灭现象。 总之，在地壳发展过程中，只要某个地区同时具备以上四个条件，而且彼此之间配合的较好，持续的时间也较长，就能形成具有工业价值的煤层。如果彼此之间的配合，只是短暂的，虽然也可能形成煤，但不可能形成具有工业价值的煤层。 三、成煤作用 煤是植物遗体经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的。从植物死亡、堆积到转变成煤，经过了一系列的演变过程，这个过程称为成煤作用。成煤作用根据时间、影响因素及结果，大致分为两个阶段，即第一阶段泥炭化或腐泥化作用阶段，第二阶段煤化作用阶段。其中第一阶段起主导作用的是生物化学作用，并形成泥炭或腐泥；第二阶 起主导作用的是物理化学作用，并形成各种煤。 （一）泥炭化或腐泥化作用阶段 高等植物或低等植物死亡之后，它们在沼泽或湖泊等环境中，由于微生物的作用，分别转变为泥炭或腐泥的过程称为泥炭化或腐泥化作用。 1．泥炭化作用 当生长在沼泽中的高等植物死亡之后，其遗体首先堆积在沼泽水体的浅部，由于大气中氧的影响，并在喜氧细菌的作用下，使植物有机组成（主要为木质素、纤维素等）中的一部分遭受一定程度的氧化分解和水解，部分被彻底破坏，变为气体和液体；部分转化为简单的化学性质活泼的化合物。随着沼泽覆水程度的增强及植物遗体的不断堆积加厚，使已部分遭受分解的植物遗体转入沼泽深部，逐渐与空气中的氧隔绝，在厌氧细菌的作用下，其植物遗体中的分解产物之间以及分解产物与未分解的物质相互合成和作用，形成了新的化合物（主要为腐植酸、沥青质等）。这些物质与少量泥砂等物质混合在一起，即形成了泥炭。这一过程为泥炭化作用。 2．腐泥化作用 当生活在湖泊、浅海等水体中的低等植物和低等动物死亡之后，在水体表层和下沉到水底的过程中，先遭受一定程度的氧化分解。沉向水底后，由于水层和随后沉积物的覆盖，转入缺氧的还原环境，在厌氧细菌的作用下，低等植物中的蛋白质、脂肪等遭到分解。然后经过化学合成作用，形成一种含水很多的棉絮状胶体物质（富含沥青质）。这些物质与泥砂混合后进一步变化，即形成了腐泥。这一过程为腐泥化作用。 （二）煤化作用阶段 泥炭或腐泥形成后，由于地壳下降，泥炭或腐泥被泥砂等沉积物覆盖掩埋，长期地在地热及上覆沉积物静压力的作用下，它们分别转变为腐植煤或腐泥煤的过程称为煤化作用。 煤化作用又可分为成岩作用和变质作用。 1．成岩作用 泥炭形成后，由于地壳运动的影响，使其沉降到地壳较深处，在上覆泥砂等沉积物的压力作用下，泥炭逐渐被压紧、脱水、固结，趋于致密。同时，泥炭中有机质的分子结构和化学成分也发生一定变化，其中碳含量增加、氢氧含量减少，腐植酸含量降低。泥炭转变为褐煤，这一过程为成岩作用。 腐泥形成后，经成岩作用，转变为腐泥煤。 2．变质作用 褐煤形成后，当地壳继续下降，使其沉降到地壳更深处，在温度和压力的作用下，褐煤内部的分子结构、物理性质、化学性质等发生变化，碳含量进一步增加，氢氧含量继续减少，光泽增强，密度增大，挥发分逐渐减少，腐植酸完全消失。褐煤转变为烟煤、无烟煤。这一过程为变质作用。 腐泥煤形成后，经变质作用，使煤的变质程度不断提高，形成高变质的腐泥煤。 应当指出，以上所述主要为泥炭在煤化作用过程中的变化情况。至于说腐泥在煤化作用过程中的变化，总的来说与腐植煤的规律相似，如碳含量增高，光泽增强等。由于自然界的腐泥煤分布不多，对它们的研究工作做得较少。所以，对腐泥在煤化作用过程中的变化特点，尚有待进一步探讨。 综上所述，成煤作用及各阶段的产物可归纳如下，见表5-1。 表5-1 成煤作用及各阶段产物 原始物质 第一阶段 第二阶段   泥炭化作用或腐泥化作用 煤化作用    成岩作用 变质作用  高等植物 泥炭 褐煤 烟煤（长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤） 无烟煤  低等植物 腐泥 腐泥煤 腐泥煤   第二节 煤的组成和性质 一、煤的岩石组成和物理性质 （一）煤的宏观煤岩组成 煤的岩石组成比较复杂，宏观（肉眼）观察时，腐植煤是由不同亮度的条带组成，这些条带构成了煤的宏观岩石组成，即宏观煤岩成分和宏观煤岩类型。现简单介绍如下： 1．宏观煤岩成分 宏观煤岩成分是指用肉眼可以区分的煤的基本组成成分，即不同亮度的条带或透境体。其包括丝炭、镜煤、亮煤及暗煤四种。现将其特征分述如下： （1）丝炭。颜色灰黑，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽，外观象木炭。丝炭疏松多孔，性脆易碎，能染指。其空腔中常被矿物质充填而成矿化丝炭，变得致密坚硬，密度增大。 在煤层中，丝炭一般数量不多，常呈扁平透镜体沿煤层的层理面分布，通常厚1～2mm至几毫米，有时也能形成不连续的薄层。 （2）镜煤。颜色深黑，光泽很强，为煤中颜色最深、光泽最强的成分。镜煤质地均一，性脆易碎，往往破碎成棱角状小块，具贝壳状断口，内生裂隙特别发育，裂隙中有时充填有方解石等薄膜。 在煤层中，镜煤常呈透境状或条带状，一般厚几毫米到1～2㎝，有时呈线理状夹在亮煤或暗煤中。 （3）亮煤。颜色黑，光泽较强，仅次于镜煤，较脆易碎，内生裂隙较发育，比重较小，有时也具贝壳状断口，均一程度较镜煤差，表面隐约可见微细的纹理。 在煤层中，亮煤常呈较厚的分层或呈透镜状出现。 （4）暗煤。颜色灰黑，光泽暗淡，致密坚硬，韧性较大，密度大，内生裂隙不发育，有时呈粒状结构。 在煤层中，暗煤常呈较厚的分层或单独成层。 2．宏观煤岩类型 宏观煤岩类型是指用肉眼观察时，根据煤的平均光泽、煤岩成分的数量比例和组合情况所划分出的岩石类型。所谓平均光泽是指同一剖面相同变质程度煤的相对光泽强弱。 宏观煤岩类型是观察煤层的单位。其包括光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤及暗淡型煤四种。现将其特征分述如下： （1）光亮型煤。光泽最强.主要由镜煤和亮煤组成,有时夹少量丝炭。由于其成分较均一，一般条带状结构不明显。内生裂隙发育，脆度较大，容易破碎，常具贝壳状断口。 （2）半亮型煤。光泽较强，仅次于光亮煤。主要以亮煤为主，有时由镜煤、亮煤和暗煤组成，也可能夹丝炭。最大的特点是条带状结构明显。内生裂隙较发育，较易破碎，常具阶梯状或棱角状断口。半亮煤是最常见的一种煤岩类型。 （3）半暗型煤。光泽较弱。由暗煤和亮煤组成，常以暗煤为主，有时夹有镜煤和丝炭的线理、细条带和透镜体，条带状结构较明显，内生裂隙不发育，比较坚硬，韧性较大，密度较大，常具参差状断口。 （4）暗淡型煤。光泽十分微弱。主要由暗煤组成，有时夹有少量镜煤、丝炭或矸石透境体。内生裂隙不发育，质地坚硬，韧性大，密度大，常具棱角状或参差状断口。 应当指出，上述煤岩类型是根据煤的平均光泽强弱划分的，所以只有变质程度相同的煤，才能比较和划分煤岩类型。因为不同变质程度的煤，其同一种煤岩类型的绝对光泽强度是不同的，如长焰煤中的光亮煤与无烟煤中的光亮煤，其光泽强度是不同的。因此，不能在不同变质程度的煤层之间比较和划分煤岩类型。实际工作中，一般是在各煤层中划分煤岩类型。 （二）煤的物理性质 煤的物理性质与成煤的原始物质、聚积环境及煤的变质程度、煤岩成分等有关。因此，研究煤的物理性质，有助于了解煤的成因、变质程度等。煤的物理性质主要包括颜色、条痕、光泽、硬度、脆度、密度、裂隙及导电性等，现简单介绍如下： 1．颜色 颜色是指煤新鲜表面的自然色彩。煤的颜色与成煤的原始物质、变质程度等有关。腐植煤的颜色，随煤的变质程度增高而变化，如褐煤为褐色、深褐色、黑褐色；烟煤为黑色；无烟煤为灰黑色，常带古铜色或钢灰色彩。腐泥煤颜色较浅，一般为褐色、褐黑色或灰色。 2．条痕 条痕是煤研成粉末的颜色，也称为粉色。煤的条痕略浅于颜色，但变化又较颜色固定。腐植煤的条痕，随煤的变质程度增高而加深，如褐煤为棕色；烟煤为棕色到黑色；无烟煤为灰黑色。 3．光泽 光泽是指常光下煤新鲜表面的反光能力。煤的光泽与成煤的原始物质、煤岩成分及变质程度等有关。腐植煤随变质程度的增高光泽增强，如褐煤无光泽或暗沥青光泽；烟煤为沥青光泽、玻璃光泽到金刚光泽；无烟煤为似金属光泽。腐泥煤光泽暗淡。 4．硬度 硬度是指煤抵抗外来机械作用的能力。外加机械作用力不同，煤的硬度表现也不一样，刻划硬度（用矿物中的摩氏硬度计刻划煤）介于1～4之间。腐植煤的（刻划）硬度，随煤的变质程度增高而变化，从长焰煤到焦煤硬度逐渐减小，而从焦煤到无烟煤硬度逐渐增大，褐煤和焦煤的硬度最小，为2～2.5；无烟煤的硬度最大，接近于4。 5．脆度 脆度是指煤受外力作用而破碎的性质。腐植煤的脆度，随煤变质程度的不同而变化，一般中变质的肥煤、焦煤、瘦煤的脆度最大；无烟煤的脆度最小；长焰煤和气煤的脆度较小。 6．密度 密度是指单位体积煤的质量。单位为g/㎝3。其可分为真密度和视密度两种。真密度体积不包括煤内部的孔隙，而视密度体积则包括煤内部的孔隙。 煤的真密度（曾称比重）与煤的变质程度及煤中所含矿物质的成分、数量有关。随煤的变质程度增高，密度增大，如褐煤的密度一般小于1.3；烟煤的密度为1.3～1.4；无烟煤的密度为1.4～1.9。此外，由于煤中含有矿物质，而矿物质的密度又大于有机质，如黄铁矿为5.0；菱铁矿为3.8；粘土矿物为2.4～2.6；石英为2.7；方解石为2.7等。因此，煤的真密度很大程度上也受到矿物质的影响，显然，煤的真密度随矿物质含量的增加而增大。 煤的视密度（曾称容重）是煤层储量计算的重要参数。一般褐煤的视密度为1.05～1.20；烟煤的视密度为1.20～1.40；无烟煤的视密度为1.35～1.80。 7．裂隙 煤中裂隙按成因可分为内生裂隙和外生裂隙两种。 （1） 内生裂隙。内生裂隙是在煤化作用过程中形成一种裂隙。特点：裂隙垂直或大致垂直于层理面；裂隙面较平坦光滑，往往呈眼球状；通常有大致垂直或斜交两组，其中一组较发育、为主要裂隙组，另一组较稀疏，为次要裂隙组。 内生裂隙的发育程度与煤的煤岩类型、煤岩成分、变质程度等有关。一般在光亮型煤中发育、特别是镜煤中最发育。在不同变质程度的煤中，中变质烟煤中最发育，而在褐煤和无烟煤中则不发育。 （2） 外生裂隙。外生裂隙是煤层形成后，受构造应力的作用而产生的一种裂隙。特点：裂隙以各种角度与煤层层面相交；裂隙面往往有波状、羽毛状的滑动痕迹，但也有较光滑的；裂隙内有时可见到次生矿物或煤屑的充填。 由于煤的外生裂隙组的方向与附近断层延展的方向一致，所以研究外生裂隙有助于确定断层的方向。此外，研究外生裂隙对提高回采率，预测煤及瓦斯突出，也具有实际意义。 表5-2 不同变质阶段光亮煤的主要鉴定标志 颜 色 条 痕 光 泽 内生裂隙  褐煤 褐色、深褐色、黑褐色 浅棕色、深棕色 无光泽或暗沥光泽 不发育    深棕色 沥青光泽   长焰煤 黑色带褐 棕黑色 强沥青光泽、弱玻璃光泽 不发育到较发育  气煤 黑 色 黑色带棕色 玻璃光泽 很发育  肥煤   强玻璃光泽   焦煤  黑色    瘦煤      贫煤 黑色、有时带灰色  金刚光泽 较发育  无烟煤 灰黑色，带古铜、钢灰色 灰黑色 似金属光泽 不发育   8．导电性 导电性是指煤传导电流的能力。通常用电阻率表示。 煤的导电性与煤的变质程度有关。一般褐煤的电阻率小；烟煤的电阻率较大，为不良的导体；无烟煤的电阻很小，为良好的导体。 此外，煤的导电性还与煤中灰分、水分、煤岩成分及孔隙度等有关，如烟煤中灰分增高，电阻率减小；而无烟煤中灰分增高，电阻率增大。褐煤中由于有大量的水分，所以电阻率较小。 以上所述煤的物理性质中，其中颜色、条痕（粉色）、光泽及内生裂隙，随煤变质程度的增高，其变化特征明显，利用它们在宏观上可以大致确定煤的变质程度。它们在不同变质阶段的特征可见表5-2。 二、煤的化学组成和工艺性质 （一）煤的元素组成 煤是由有机物质和无机物质混合组成的，有机物质是煤的主要成分，它们是由多种元素组成，主要是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、还有少量硫（S）、磷（P）及其它一些元素。现简单介绍如下： 1．碳（C） 碳是煤中有机物质的主要成分，也是煤中最主要的可燃物质。燃烧时每千克碳能发出34.11MJ的热量。因此，一般煤中碳含量越高，煤的发热量就越大。煤中碳含量随煤的变质程度增高而增加。如褐煤中碳含量一般为60～77%，烟煤中碳含量一般为75～92%，而无烟煤中碳含量高达89～98%。 2．氢（H） 氢是煤中有机物质的重要成分，也是煤中重要的可燃物质。燃烧时每千克氢能发出143.25MJ的热量，大约相当于碳发热量的4.2倍。煤中氢含量一般随煤的变质程度增高而减少。此外，煤中氢含量还与成煤的原始植物有关，一般由低等植物（如菌、藻类）形成的煤，氢含量较高，一般均大于6%，有时高达11%；而由高等植物形成的煤，氢含量较低，一般均小于6%，最低为1%左右。 3．氧（O） 氧是煤中的不可燃成分。一般氧的含量也是随煤的变质程度增高而减少。如褐煤中氧含量为15～30%，烟煤中氧含量为2～15%，而无烟煤中氧含量为1～3%左右。 4．氮（N） 氮也是煤中的不可燃成分。燃烧时氮常呈游离状态逸出，并不产生热量。但在炼焦过程中，氮能转化成氨及其它含氮化合物，回收后可作化肥、硝酸等。煤中氮的含量随煤的变质程度增高而略趋减少，但规律性不明显。煤中氮含量很少，一般只有1～3%左右。 以上四种元素，在不同煤种中的含量变化情况可见表5～3。 Cdaf（%） Hdaf（%） Odaf（%） Ndaf（%）  褐 煤 60～77 6～5 30～15 2.5～1  烟 煤 75～92 5～4 15～2 2.2～0.7  无烟煤 89～98 4～1 3～1 1.5～0.3  表5-3 煤中碳、氢、氧、氮四种元素组成的百分含量 5．硫（S） 硫是煤中的有害成分。其包括有机硫和无机硫两种。有机硫是煤中有机质所含的硫。一般认为它们是来自成煤植物本身或成煤过程中硫酸盐类与植物分解产物作用而成。有机硫在煤中分布均匀，难以分离。无机硫是煤中矿物质所含的硫，主要是硫化物硫，如黄铁矿FeS2等，有时也有些硫酸盐硫，如石膏CaSO4·2H2O等。无机硫分离的难易程度与矿物质的颗粒大小及分布状态有关，如颗粒大而分布集中的易于分离，颗粒小而分布均匀的难以分离。 煤中硫含量变化很大，有的小于0.2%，有的则高达15%，一般在0.5～3%之间。煤中硫含量的高低与成煤时的沉积环境有关，一般形成近海环境中的煤层，含硫量较高；而形成于内陆环境中的煤层，含硫量则较低。 硫分对煤的加工利用非常有害。当煤中含硫较高时，其燃烧过程中能形成大量的二氧化碳，它能腐蚀设备，污染空气，影响人身健康；炼焦时，煤中硫分能部分转入焦炭中，然后又转入生铁，从而降低了焦炭及钢铁的质量。生产中焦炭的含硫量每增加1%，不仅使焦炭的消耗量增加18～24%，熔剂（石灰岩）的消耗量增加20%，而且还降低高炉的生产率20%，因此，煤中全硫（有机硫和无机硫）含量是评价煤质的重要指标。我国现阶段规定：工业用煤全硫不超过3%。 根据煤的干燥基全硫含量，将煤分为6级（GB/T15224.2-94）见表5-4。 表5-4 根据煤中干燥基全硫含量煤的分级 级别名称 代号 硫分(St,d)范围，%  特低硫煤 SLS ≤0.50  低硫分煤 LS 0.51～1.00  低中硫煤 LMS 1.01～1.50  中硫分煤 MS 1.51～2.00  中高硫煤 MHS 2.01～3.00  高硫分煤 HS ＞3.00   6．磷（P） 磷也是煤中的有害成分。其包括有机磷和无机磷两种。主要是无机磷，如磷灰石Ca3(PO4)·CaF2,只有微量有机磷。 煤中磷含量不多，不超过1%，一般为0.001～0.1%。 磷也是煤中的有害杂质。虽然煤中含量很少，但危害却很大。炼焦时，煤中的磷可以全部转入焦炭中，炼铁时焦炭中的磷又进入生铁，使钢铁发脆，降低质量。生产中不仅增加焦炭和熔剂的消耗量，而且还降低高炉的生产率，因此，煤中磷含量也是评价煤质的重要指标。 根据煤的干燥基磷含量，将煤分为4级（MT/T562-1996） 见表5-5 表5-5 根据煤中干燥基磷含量煤的分级 级别名称 代 号 磷分（Pd）范围，%  特低磷煤 SLP ≤0.010  低磷分煤 LP ＞0.010～0.050  中磷分煤 MP ＞0.050～0.100  高磷分煤 HP ＞0.100   7．其它元素 煤中除上述元素外，还含有锗（Ge）、镓（Ga）、钒（V）、铀（U）、锂（Li）铍（Be）等稀散元素及放射性元素。虽然这些元素煤中含量不高，但由于提取方便，目前已成为世界各国大力研究的新动向，有些国家现已开始从煤中提取这些元素。 （二）煤的主要工业指标 为合理地开发和利用煤炭资源，对煤的质量必须进行工业评价。首先在地质勘查中对煤进行煤质分析，标定煤的类型和质量优劣，确定煤的工业用途。而在煤矿生产中，也要随时检验煤质。对于生产矿井来说，煤质指标不仅是检验企业生产管理和产品质量的标志，而且也是煤炭计量和计价的依据。现就煤的主要工业指标介绍如下： 1.煤的工业分析 （1）水分（M） 煤中都含有水分，它们以各种形式存在。其可分为外在水分（Mf）和内在水分（Minh）两种。 外在水分是在煤的开采、运输、储存及洗选过程中，附着在煤表面的水。它的含量与煤所处的外界条件有关，如煤矿地下水越多，煤的外在水分就越大。 内在水分是吸附或凝聚在煤内部毛细孔隙中的水。它的含量与煤质有关，一般煤的变质程度越高，内在水分就越少。其一般含量变化情况详见表5-6 表5-6 不同煤种内在水分百分含量 煤 种 褐 煤 烟 煤 无烟煤  水分Minh（%） 30～10 8～1 2～1   水分是煤中的一种有害物质。储存时，水分过多则会加速煤的风化、破碎甚至自燃；运输时，会增加运输负载和费用；燃烧时，会降低煤的发热量。因此，煤中水分越少越好。煤的全水分（外在水分和内在水分的总和）是煤炭产品的计价指标之一。 （2）灰分（A） 灰分是煤完全燃烧后所剩的残渣。这些残渣几乎全部来自煤中的矿物质。 煤中矿物质按来源可分为内在矿物质和外来矿物质两种。内在矿物质是成煤过程中，植物本身含有的矿物质及由于河流等带进的矿物质参与成煤形成的。这些矿物质很难洗选。外来矿物质是采煤过程中，混入到煤中的顶板、底板及夹石层等岩石碎块。这些矿物质容易除去。 灰分在煤的燃烧和加工利用上，都带来不良的影响。动力用煤，将降低煤的发热量；炼焦用煤，将影响到焦炭的质量，用灰分高的焦炭炼铁，增加焦炭和溶剂的消耗量（灰分增加1%，焦炭和溶剂要多增加2%和4%）。因此，我国现阶段规定：一般地区用煤灰分不超过40%，但对于缺煤地区或特殊用煤，灰分可根据当地实际情况适当放宽。 根据煤的灰分产率的高低，将煤分为6级（GB/T15224·1-94） 见表5-7 表5-7 根据煤灰分产率的高低煤的分级 级别名称 代 号 灰分（Ad）范围，%  特低灰煤 SLA ≤5.00  低灰分煤 LA 5.01～10.00  低中灰煤 LMA 10.01～20.00  中灰分煤 MA 20.01～30.00  中高灰煤 MHA 30.01～40.00  高灰分煤 HA 40.01～50.00   （3）挥发分（V） 挥发分是煤在隔绝空气的条件下，在900℃±10℃的温度下加热7分钟,从煤中分解出来的液体(蒸汽状态)和气体产物。 煤中挥发分随煤化程度的增高而有规律地变化，煤的变质越高，挥发分产率越少。其一般变化情况详见表5-8。 由于挥发分产率随煤的变质程度增高而有规律地降低，所以，它是我国煤炭分类的主要指标之一。 煤种 褐煤 烟煤 无烟煤  挥发分Vdaf(%) ＞40 40～10 ＜10  煤 种 褐 煤 烟 煤 无烟煤  发热量(MJ/kg) 25.10～30.50 30.50～37.20 32.20～36.10  表5-8 不同煤种挥发分百分含量 表5-9 不同煤种的发热量 4）固定炭（Fc） 在测定挥发分时，残留在坩埚中的固态产物称为焦渣。焦渣减去灰分即为固定碳。固定碳不是煤中固有的成分，而是有机质热分解的残余物。 焦渣的形状和特征能初步鉴定煤的粘结性。因此，焦渣也可作为评价煤质的依据。如褐煤和无烟煤的焦渣不粘结，呈粉末状，说明不适于炼焦。而大部分烟煤，特别是肥煤、焦煤，焦渣粘结且膨胀，呈块状，说明适于炼焦。 2．煤的工艺性质 1)发热量（Q） 发热量是指单位重量的煤，完全燃烧时所产生的热量。常用兆焦耳/千克（MJ/kg）表示。 煤的发热量大小主要与煤的变质程度有关，但也受其它因素的影响，如水分和灰分的增加均可降低煤的发热量。一般煤的发热量从褐煤到焦煤随变质程度的增高而增大；而从 焦煤到无烟煤随变质程度的增高而略有减少。这是因为煤的发热量不仅与碳含量有关，而且还受氢含量的影响。煤的发热量大致变化范围详见表5-9。 发热量是评价煤质的重要标志。特别是动力用煤，其发热量越大越好。 根据煤的发热量大小，将煤分为6级（GB/T15224.3-94）见表5-10。 级别名称 代 号 发热量（Qnet,ar）范围，MJ/kg  低热值煤 LQ 8.50～12.50  中低热值煤 MLQ 12.51～17.00  中热值煤 MQ 17.01～21.00  中高热值煤 MHQ 21.01～24.00  高热值煤 HQ 24.01～27.00  特高热值煤 SHQ ＞27.00   表5-10 根据煤的发热量煤的分级 2）粘结性 粘结性是粉碎的煤粒（一般＜0.2mm），在隔绝空气加热后，煤粒相互粘结成焦块的性质。 煤的粘结性是煤加工利用的评价指标之一。其测定方法较多，现简述三种方法： ⑴ 粘结性指数（G） 粘结性指数是将1克煤样与5克标准无烟煤混合均匀，在850±10℃温度下，加热15分钟，所得焦块在特制的转鼓中转磨，测定焦块的耐磨强度，焦块对外界破坏的抗力大小。即为煤的粘结性指数。 粘结性指数能反映出煤的粘结性强弱。其数值越大，粘结性越强。因此，它是我国煤炭分类的重要指标之一。 ⑵ 胶质层厚度（Y） 胶质层厚度是指煤样在密闭的条件下,加热到350℃,煤中有机质开始分解、软化,形成胶质体，继续加热到510℃，使其重新固结成焦炭为止。在这一过程中，所连续测得的胶质体最大厚度，称为胶质层厚度。 胶质层厚度能反映出煤的粘结性强弱，煤的粘结性越强，其胶质层厚度就越大。所以，它也是我国煤炭工业分类的指标之一。 （3）奥亚膨胀度（b） 奥亚膨胀度是按规定的方法制成一定规格的煤笔，放在一根标准口径的钢管（膨胀管）内，其上放一根连有记录笔的钢杆（膨胀杆）。将钢管放入已预热至330℃的电炉内，以不低于3℃/min的升温速度进行加热，加热至500～550℃为止。这一过程中，记录膨胀杆的位移曲线，位移曲线的最大距离占煤笔总长度的百分数，即为奥亚膨胀度。 奥亚膨胀度也能反映煤的粘结性强弱。因此，它也是我国煤炭分类的指标之一。 第三节 煤的分类和用途 一、煤的工业类型 我国煤炭资源丰富，煤种齐全。各工业部门对煤质均有特定的要求，为了正确地区分煤的工业用途，使煤得到充分合理地利用，就必须对煤进行工业分类。1956年我国拟定出了以炼焦用煤为主的全国统一方案（中国煤分类方案），从1958年开始执行以来，至1986年，经过二十多年的实践，该分类对于我国各工业部门合理使用煤炭资源，起了积极的作用，但也存在不少问题。1974年煤炭、冶金等有关单位开始着手拟定我国煤炭新的分类，1985年1月国家标准局召开中国煤炭分类国家标准审查会，会议通过了这一新的分类方案（中国煤炭分类国家标准），详细分类见表5-11。该分类从1986年10月开始试行。1989年10月1日起实施。 中国煤炭分类国家标准，所采用的分类指标，主要有干燥无灰基挥发分（Vdaf）、粘结性指数（GR·I）、此外还有胶质层最大厚度（Y）、奥亚膨胀度（b）、透光率（PM）、干燥无灰基氢含量（Hdaf）及恒湿无灰基高位发热量（Qgr,maf）。 表5-11 中国煤炭分类国家标准（GB5751-86） 类 别 符 号 数码 分 类 指 标     Vdaf GR·I Y(mm) b(%) PM(%) Hdaf（%） Ogr,maf(MJ/kg)  无 烟 煤 一号 二号三号 WY1 WY2 WY3 01 02 03 ≤3.5 ＞3.5～6.5 ＞6.5～10.0     ≤2.0 ＞2.0～3.0 ＞3.0   贫煤 PM 11 ＞10.0～20.0 ≤5       贫瘦煤 PS 12 ＞10.0～20.0 ＞5～20       瘦煤 SM 13 14 ＞10.0～20.0 ＞10.0～20.0 ＞20～50 ＞50～65       焦煤 JM 15 24 25 ＞10.0～20.0 ＞20.0～28.0 ＞20.0～28.0 ＞65 ＞50～65 ＞65 ≤25 ≤25 (≤150) (≤150)     1/3焦煤 1/3JM 35 ＞28.0～37.0 ＞65 ≤25 (≤220)     肥煤 FM 16 26 36 ＞10.0～20.0 ＞20.0～28.0 ＞28.0～37.0 (＞85) (＞85) (＞85) ＞25 ＞25 ＞25 (＞150) (＞150) (＞220)     气肥煤 QF 46 ＞37.0 (＞85) ＞25 (＞220)     气煤 QM 34 43 44 45 ＞28.0～37.0 ＞37.0 ＞37.0 ＞37.0 ＞50～65 ＞35～50 ＞50～65 ＞65  ≤25  (≤220)     1/2中粘煤 1/2ZN 23 33 ＞20.0～28.0 ＞28.0～37.0 ＞30～50 ＞30～50       弱粘煤 RN 22 32 ＞20.0～28.0 ＞28.0～37.0 ＞5～30 ＞5～30       不粘煤 BN 21 31 ＞20.0～28.0 ＞28.0～37.0 ≤5 ≤5       长焰煤 CY 41 42 ＞37.0 ＞37.0 ≤5 ＞5～35  ＞50     褐煤 一号二号 HM1 HM2 51 52 ＞37.0 ＞37.0   ≤30 ＞30～50    ≤24  注:①当烟煤的GR·I＞85时,再用Y值(或b值)以及Vdaf值来区分肥煤、气肥煤与其它煤类的界线；当Y＞25.0㎜时,如Vdaf≤37.0%,则划分为肥煤；如Y值≤25.0㎜，则根据其Vdaf的大小而划分为相应的其它煤类。当用b值来划分肥煤、气肥煤与其它煤类的界线时，如Vdaf≤28.0%,暂定b值＞150%的为肥煤,如Vdaf＞28.0%,暂定b值＞220%的为肥煤或气肥煤(Vdaf＞37%时).当按b值划分的类别与Y值划分的类别有矛盾时，以Y值划分的为准。 ②用Vdaf和Hdaf划分的无烟煤小类有矛盾时，则以Hdaf划分的小类为准。在已确定了无烟煤小类的生产厂、矿的日常检测中，可以只按Vdaf来分类；在煤田地质勘探中，对新区确定小类或生产厂、矿需要重新核定小类时，应同时测定Vdaf和Hdaf值，按规定确定出小类。 ③对Vdaf＞37.0%，GR·I≤5的煤，再以PM来确定其为长焰煤或褐煤。如PM＞30～50%，再测Qgr,maf ，如其值＞24MJ/kg，则应划分为长焰煤。（地质勘探煤样，对Vdaf＞37.0%，且在不压饼的条件下所测定的焦渣特征为1～2号的煤，再用PM来区分烟煤和褐煤）。 说明：分类用煤样，除Ad≤10.0%的采用原煤样外，凡A d＞10.0%的各种煤样应采用ZnCl2重液选后的浮煤（对易泥化的低煤化度褐煤，可采用灰分尽可能低的原煤样）。详见GB474-83煤样的制备方法。 上述分类方案将煤分成十四个大类、十七个小类，现就十四大类煤种的特征和用途简单介绍如下： 1．无烟煤（WY） 属最高变质的煤。因燃烧时无烟，因此称为无烟煤。一般呈灰黑色，常带有古铜色或钢灰色色彩，条痕为灰黑色，似金属光泽，碳含量最高，密度最大，无粘结性。无烟煤常作为动力或民用燃料，也可作为制造合成氨、电石、电极等工业的原料。 2．贫煤（PM） 属高变质的烟煤。加热时不产生胶质体，因此称为贫煤。一般为灰黑色，条痕为黑色，金刚光泽，无粘结性或微弱粘结。贫煤一般作为动力或民用燃料。 3．贫瘦煤（PS） 属高变质的烟煤。介于贫煤、瘦煤之间的过渡煤，粘结性较弱，结焦性比典型瘦煤差。贫瘦煤一般作为动力或民用燃料。也可作为炼焦配煤。 4．瘦煤（SM） 属中变质的烟煤。加热时仅能产生少量的胶质体，因此称为瘦煤。一般呈黑色，条痕为黑色，强玻璃光泽，粘结性中等。单独炼焦时，能得到块度大、裂纹少、抗碎强度较高的焦炭，但耐磨性较差。瘦煤可作为炼焦用煤（配煤）。 5．焦煤（JM） 属中变质的烟煤。加热时能产生热稳定性很高的胶质体。炼焦时能得到优质焦炭，因此称为焦煤。一般呈黑色，条痕为棕黑色，强玻璃光泽，粘结性很强。单独炼焦时能得到块度大、裂纹少、抗碎强度高的焦炭，耐磨强度也高，但推焦困难。焦煤常作为炼焦用煤（配煤）。 6．1/3焦煤（1/3JM） 属中变质的烟煤。介于焦煤、肥煤和气煤之间的过渡煤，单独炼焦时能得到熔融性良好、强度较高的焦炭。1/3焦煤常作为煤焦用煤（基础煤）。 7．肥煤（FM） 属中变质的烟煤。加热时能产生大量的胶质体，因此称为肥煤，一般呈黑色，条痕为棕黑色，玻璃光泽，粘结性很强。单独炼焦时能得到熔融性好、强度高的焦炭、耐磨强度高。肥煤常作为炼焦用煤（基础煤）。 8．气肥煤（QF） 属中变质的烟煤。介于肥煤、气煤之间的过渡煤。单独炼焦时能产生大量的气体和液体化学产品。粘结性强。气肥煤可作为煤焦用煤（配煤）或气化用煤。 9．气煤（QM） 属低变质的烟煤。加热时能产生大量的气体和较多的焦油，因此称为气煤。一般呈黑色，条痕为棕黑色，强沥青或弱玻璃光泽，粘结性较强。单独炼焦时所得到的焦炭呈细长条，纵裂纹较多，抗碎强度和耐磨强度均比其它炼焦煤差。气煤可作为炼焦配煤或气化用煤。 10．1/2中粘煤（1/2ZN） 属低变质到中变质的烟煤。粘结性中等。单独炼焦时所得到的焦炭，部分有一定的强度，部分强度差。1/2中粘煤一般作为气化用煤或动力用煤，也可作为炼焦配煤。 11．弱粘煤（RN） 属低变质到中变质的烟煤。加热时仅产生少量胶质体。粘结性很弱，因此称为弱粘煤。弱粘煤一般作为气化原料或动力燃料。 12．不粘煤（BN） 属低变质到中变质的烟煤。加热时基本不产生胶质体。无粘结性，因此称为不粘煤。不粘煤一般作为气化原料或动力和民用燃料。 13．长焰煤（CY） 属最低变质的烟煤。燃烧时能发出较长的火焰，因此称为长焰煤。常呈褐黑色，条痕为深棕色，沥青光泽，粘结性差。长焰煤通常作为气化原料或动力和民用燃料。 14．褐煤(HM) 属未变质的煤。一般呈褐色，因此称为褐煤。条痕为棕色，无光泽或暗沥青光泽。水分含量高，在空气中易于风化。碳含量低，故发热量也较低。密度最小，无粘结性。褐煤一般作为动力或民用燃料，也可作为化工及气化原料。 二、煤的综合利用 煤不仅是最常用的燃料，而且也是很宝贵的原料。目前，煤除作为机车、发电等方面的动力燃料外，更主要的是作为炼焦、气化等冶金和化学工业的重要原料。随着近代工业和科学技术的发展，对煤的利用日趋广泛。因此，探索煤的综合利用途径，有着广阔的前景。 煤的综合利用途径主要有燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化等。通过对煤的这些方面利用，不但可以获得热能，而且还可以获得很多冶金、化工、医药等工业的原料。 1．炼焦 炼焦是煤在1000℃的高温下进行干馏的热加工过程。以获得优质冶金焦炭，以及煤气、煤焦油等一系列化学产品。 炼焦用煤主要包括：贫瘦煤、瘦煤、焦煤、1/3焦煤、肥煤、气肥煤、气煤、1/2中粘煤。 2．气化 气化是煤在高温并有氧、水蒸气、二氧化碳等发生作用的情况下，转变为可燃气体的过程。煤的气化产物（煤气）可作为工业及民用燃料。 气化用煤主要包括：无烟煤、贫煤、贫瘦煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、1/2中粘煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤、褐煤。 3．低温干馏 低温干馏是煤在500-600℃温度下进行干馏的过程。以制取低温焦油以及半焦炭和低温焦炉煤气。 低温干馏用煤包括：气煤、长焰煤、烟煤。 4．加氢液化 加氢液化是煤在高温高压和催化剂的作用下，使煤中有机质与氢作用转变成低分子液态和气态产物的过程。以获得液体燃料。 加氢液化用煤主要包括：气肥煤、气煤、长焰煤、褐煤。 5．燃烧 燃烧是煤作为工业或民用燃料。工业上主要用于发电及各种锅炉。 燃烧用煤的煤种一般都使用较劣质煤和不宜炼焦、气化等工业用的煤，如：贫煤、褐煤等。 综上所述，煤的用途很为广泛，因此，开展煤的综合利用，大有可为，煤的综合理用情况可见表5-12。 表5-12 煤的综合利用简表 第四节 含煤岩系和煤田 一、含煤岩系 （一）含煤岩系的概念 含煤岩系是指一套含有煤层并具有成因联系的沉积岩系。简称煤系。其同义词为含煤建造、含煤地层。 不同地区含煤岩系中所含煤层的层数、厚度往往不相同，为反映含煤岩系中含煤的程度，通常用含煤系数来表示。含煤系数又可分为总含煤系数和可采含煤系数。 总含煤系数是煤系中所有煤层的总厚度与含煤岩系总厚度的百分比。用下式表示： K=m/M×100% 式中：K—总含煤系数，% ； m—煤层总厚度，m ； M—含煤岩系总厚度，m 。 可采含煤系数是煤系中所有可采煤层的总厚度与含煤岩系总厚度的百分比。用下式表示： Kk=mk/M×100% 式中：Kk —可采含煤系数，%； mk —可采煤层总厚度，m ； M —含煤岩系总厚度，m 。 （二）、含煤岩系的特征 1．含煤岩系的岩石特征 含煤岩系是温暖、潮湿气候条件下的产物。所以，它一般是由灰色、灰绿色、灰黑色及黑色的沉积岩组成。其主要是各种粒度的砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩和煤层，也有石灰岩和砾岩，有时还可见到铝质岩、油页岩、硅质岩和火山碎屑岩等。 此外，组成含煤岩系沉积岩的层理比较发育，常含有丰富的植物化石，有时含有动物化石。另外，还常含有菱铁矿结核及泥质、粉砂质等包体。 含煤岩系中除煤层外，还常伴生有其它沉积矿产，如铝土矿、耐火粘土、油页岩、菱铁矿、赤铁矿、褐铁矿、锰矿及磷矿等。 2．含煤岩系的煤层特征 1）煤层的顶底板 含煤岩系中位于煤层上下一定距离内的岩层，称为煤层的顶底板。煤层顶底板的岩石特征、性质及厚度等，对采掘工作有着直接的影响。研究它们有助于确定顶板管理和巷道支护的方法。 （1）顶板 直接覆于煤层上部一定距离内的岩层称为顶板。从采煤工作的角度，根据顶板岩层变形和垮落的难易程度，顶板可分为伪顶、直接顶及基本顶三种。如图5-3所示
 图5-3煤层顶底板示意图 图5-4底板隆起使巷道破坏示意图 ① 伪顶 直接位于煤层之上，为一层极易跨落的薄层岩石，常随采随落。厚度不大，仅几厘米到数十厘米，岩性多为炭质泥岩、泥岩或页岩等。 ② 直接顶 通常位于伪顶之上，有的则直接位于煤层之上，由较易垮落的一层或几层岩石组成，经常是煤采出后不久便自行跨落。厚度一般为数米，岩性常为砂岩、泥岩及石灰岩等。 ③ 基本顶 基本顶俗称“老顶”。一般位于直接顶之上，有时也直接位于煤层之上，为不易垮落的坚硬岩层，通常在煤采出后较长时间内不垮落，往往只是发生大面积的缓慢沉降。厚度较大，岩性多为砂岩，也有石灰岩、砂砾岩等。 应当指出，并不是所有煤层的顶板都可以分为伪顶、直接顶和老顶，有的煤层没有伪顶，只有直接顶和老顶；有的煤层甚至没有伪顶、直接顶，只有老顶。因此，实际工作中要注意这些情况。 （2）底板 直接位于煤层下部一定距离内的岩层称为底板。底板可分为直接底、基本底两种。如图5-3所示。 ① 直接底 直接位于煤层之下,通常是当初沼泽地生长植物的土壤,其中往往含有植物根部化石,所以又称为根土岩。厚度一般不大，仅数十厘米，岩性以富含炭质的粘土岩最常见，还有泥岩等。 值得指出，如果直接底的岩性是遇水膨胀的粘土岩，则容易引起底板的隆起，轻者影响运输，重者使巷道遭到破坏。如图5-4所示。
② 基本底 基本底俗称“老底”。通常位于直接底之下。厚度较大，岩性常为砂岩、粉砂岩等。 2）煤层的结构 根据煤层中有无较稳定的夹石层，可将煤层分为简单结构和复杂结构两种。 （1）简单结构煤层 煤层中没有呈层状出现的较稳定的夹石层，但可以夹有不少较小的矿物质透境体。如图5-5所示。 简单结构的煤层反映当初成煤时，沼泽中植物遗体的堆积基本上是连续的。通常厚度较小的煤层往往是简单结构。 （2）复杂结构煤层 煤层中含有较稳定的夹石层，少者一到两层，多者几层甚至十余层。如图5-6所示。 复杂结构煤层反映当初成煤时，沼泽中植物遗体堆积曾发生一次或多次间歇。通常厚煤层或巨厚煤层往往是复杂结构煤层。
 图5-6 复杂结构煤层 1—顶板 2— 2、4、6、8、10—煤分层 图5-5 简单结构煤层 3、5、7、9—夹石层 1-顶板 2-矸石透镜体 3-煤层 4-底板 11—底板 煤层中夹石的岩性可以是多种多样的。最常见的是炭质泥岩、粘土岩及粉砂岩，也有油页岩、石灰岩及细砂岩等。夹石的厚度不一，从几厘米到几十厘米。呈薄层状、似层状或透镜状。 应当指出，同一煤层的结构并不是固定不变的，不仅在不同的井田内，煤层的结构可能有变化，甚至在同一井田内，煤层的结构也可能有变化，夹石层数有增有减，夹石层厚度和岩性也可能发生变化。因此，应当注意这一点。 3）煤层的厚度 煤层厚度是指煤层顶底板之间的垂直距离。根据结构，其可分为总厚度，有益厚度及可采厚度，如图5-7所示。 图5—7 煤层厚度示意图 1—煤分层 2—夹石层 3—顶底板 （1）总厚度 它是指煤层顶底板之间各煤分层和夹石层厚度的总和 （2）有益厚度 它是指煤层顶底板之间各煤分层厚度的总和. （3）可采厚度 它是指在现代经济技术条件下,可以开采的煤层或煤分层厚度的总和。 另外，按照国家目前有关政策，根据煤种、产状、开采方法和不同地区的资源情况等，所规定的可采厚度的下限标准，称为最低可采厚度。这个标准在各个国家往往是不同的，甚至同一国家在不同时期也可根据技术的发展和国民经济对煤的需要情况而有所变动。 目前，我国国土资源部规定的一般地区煤层的最低可采厚度标准（井下开采）详见表5-13。 表5-13 一般地区煤层最低可采厚度标准（地下开采） 煤 类 倾 角   ＜25° 25°～45° ＞45°  炼焦用煤 0.70m 0.60m 0.50m  非炼焦用 0.80m 0.70m 0.60m  褐煤 1.50m 1.40m 1.30m   上述所列最低可采厚度，适用于一般地区，对于缺煤省区，可根据当地需要另行规定。如我国南方各省，煤层一般较薄，且较为缺乏，为了充分利用煤炭资源，最低可采厚度可适当降低。国外一些缺煤国家，如日本，最低可采厚度规定为0.18m。 此外，在采煤工作中，考虑开采方法，煤层厚度又可分为不同的级别，即： 极薄煤层 0.3 ～0.5m 薄煤层 0.5～1.3 m 中厚煤层 1.3～3.5 m 厚煤层 3.5～8.0 m 特厚煤层 ＞8.0 m (三)含煤岩系的类型 在不同的古地理环境中形成的含煤岩系,其特征往往是不同的。因此,根据其形成时的沉积环境,将含煤岩系大体上分为两大类型,即近海型和内陆型含煤岩系。 1．近海型含煤岩系 这种煤系形成于近海地区，其沉积区一般为滨海平原、滨海三角洲平原、泻湖、海湾及浅海等。这些地区比较广阔，地形较为平坦，距侵蚀区较远，受海水进退影响很大。随着地壳的升降运动，时而被海水淹没，成为浅海；时而又成为陆地，发育着大片沼泽。因此，煤系中既有海相沉积物，又有陆相沉积物。所以，近海型含煤岩系又称为海陆交替相含煤岩系。 近海型含煤岩系的特点： （1）煤系由陆相、过渡相及海相岩层组成。岩层中常含有动、植物化石。 （2）煤系中沉积物的分选性和磨园度较好，粒度通常较细，成分比较简单。 （3）煤系分布面积较广，厚度较小，岩性、岩相比较稳定，标志层较多，煤岩层容易对比。 （4）煤系中煤层层数较多，厚度不大，多为薄煤层或中厚煤层。煤层较稳定，厚度变化不大，煤层结构较简单，所含夹石层数不多。煤中含硫量较高。 （5）煤系中旋迴结构很明显，即不同特征的岩性、岩相有规律地交替出现。岩性自下而上由粗变细，岩相则是由陆相到海相。 我国晚古生代煤系，一般为近海型含煤岩系，如华北石炭二叠纪含煤岩系及华南晚二迭世含煤岩系等，均为近海型含煤岩系。 2．内陆型含煤岩系 这种煤系形成于大陆地区，其沉积区一般为内陆盆地、内陆山间盆地等。这些地区面积较小，地形起伏较大，距侵蚀区较近。在煤系沉积过程中，没有发生过海水侵入。因此，煤系全部由陆相沉积物组成，看不到海相及过渡相沉积物。所以，内陆型含煤岩系又称为陆相含煤岩系。 内陆型含煤岩系的特点： （1）煤系由陆相岩层组成。岩层中常含有植物化石。 （2）煤系中沉积物的分选性和磨园度较差，粒度通常较粗，成分比较复杂。 （3）煤系分布面积较小，厚度较大。岩性、岩相变化较大，煤岩层不易对比。 （4）煤系中煤层层数较多，厚度较大，多为中厚煤层，有时为巨厚煤层。煤层不稳定，厚度变化较大，分叉尖灭现象相当普遍。煤层结构较复杂，夹石层数较多。煤中含硫量较低。 （5）煤系中旋迴结构不明显。 我国中生代煤系，一般为内陆型含煤岩系，如华北大同、北京及东北北票等地的早中侏罗世含煤岩系等，属于内陆型含煤岩系。 二、煤田 （一）煤田的概念 煤田是指在同一地史发展过程中形成的含煤岩系，经后期改造所保留下来的比较连续分布的广大地区。煤田的面积可由数十平方公里至数千平方公里，储量可由数千万吨至数百亿吨。 煤田内由于后期构造而分割的一些单独部分，或面积和储量均很小的煤盆地，称为煤产地（或煤矿区）。煤产地（煤矿区）的面积仅数平方公里至数十平方公里，储量数十万吨至数亿吨。 为了开采方便，煤田或煤产地又可划分为若干井田。 大多数煤田只含有一个聚煤期的含煤岩系，这种煤田称为单纪煤田，如山西沁水煤田（含石炭二叠纪含煤岩系）。少数煤田则含有两个以上聚煤期的含煤岩系，这种煤田称为双纪煤田，如山西大同煤田（含石炭二叠纪及侏罗纪含煤岩系）。 （二）中国煤田地质概述 我国幅员辽阔，到处蕴藏着煤炭资源，而且这些煤炭资源的分布具有一定的规律。根据我国大地构造的特点，结合各地区的地质情况、地理位置，将我国分为六大聚煤区，即华北石炭二叠纪聚煤区，华南二叠纪聚煤区，西北侏罗纪聚煤区，东北侏罗白垩纪聚煤区，西藏、滇西中生代及第三纪聚煤区，台湾第三纪聚煤区。 现就各区的简要特征分述如下： 1．华北石炭二叠纪聚煤区 它是我国最大的聚煤区，其北界为阴山、燕山及长白山东段；南界为秦岭、伏牛山、大别山及张八内岭；西界为贺兰山、六盘山；东临黄海、渤海。包括北京、天津、山西、河北、山东、河南的全部；辽宁、吉林、内蒙的南部；甘肃、宁夏的东部；陕西、江苏、安徽的北部。 华北聚煤区主要是石炭二叠纪含煤岩系，其次为晚三叠世及早中侏罗世含煤岩系，第三纪含煤岩系仅有零星分布。以下重点介绍石炭二叠纪含煤岩系： 1）沉积特征 华北广大地区中奥陶世末开始隆起，经历了长期的风化剥蚀，至中石炭世初期，该区再度沉降，又接受新的沉积，沉积了本区最重要的石炭二叠纪含煤岩系，即中石炭统本溪组，上石炭统太原组，下二叠统山西组和下石盒子组。其沉积区见图5-8所示。 图5—8 华北石炭二迭纪含煤岩系沉积区示意图 1—隆起区 2—沉积区 由于地壳运动、古地理环境等方面的差异性，使全区各地的同一含煤地层的厚度、岩性、含煤性等方面发生有规律的变化。 在北部（包括内蒙西南部、山西北部、河北北部、辽宁南部等地）含煤地层主要为中石炭统本溪组（C2b）、上石炭统太原组（C3t）及下二叠统的山西组（P1s）；在中部（包括山西东南部、河北南部、河南北部、山东西南部等地）含煤地层除了上述各地层外，下二叠统的下石盒子组（P1x）也常含薄煤层或煤线；在南部（包括江苏徐州地区、安徽北部、河南中部等地）含煤地层则主要为下二叠统的下石盒子组（P1x），甚至上二叠统的上石盒子组（P2S）也含有煤层。现就这含些煤地层的特征简述如下： （1）中石炭统本溪组（C2b） 本溪组主要限于北部、中部地区，南缘的平顶山、淮南一般缺失。 该组厚度一般为20～50米。总的变化趋势是北厚南薄，东西部厚，中部薄。岩性主要为粘土岩、石灰岩、铁质岩、铝质岩、砂质岩及煤层，最底部为“山西式铁矿”。从含煤情况来看，本组不是该区的主要含煤地层，除个别地区外，煤层一般较薄，且不稳定，仅局部可采。 （2）上石炭统太原组（C3t） 太原组遍及全区，为本煤系中分布最广、最稳定的部分。 该组厚度一般为70～100米。总的变化趋势是以山西为中心，向南向北变薄，向东向西增厚。岩性为砂质岩、泥质岩、石灰岩及煤层。一般越靠近北方古陆粗碎屑岩比例越大；越往南则石灰岩、粘土岩越占优势。从含煤情况来看，本组为该区的主要含煤地层。在北部（如大同、京西、兴隆等矿区），煤层厚度大、层数少，常出现厚达10～30米的特厚煤层；在中部和南部，煤层厚度变薄，层数增多，可达10层左右，但分布稳定。 （3）下二叠统下部山西组（P1S） 山西组全区发育，与太原组的分布范围大体一致。 该组厚度一般为60～90米。总的变化趋势是北厚南薄，东西厚，中部薄。岩性为砂质岩、泥质岩和煤层。北部边缘常见砾岩，中部以砂岩占优势，南部以粉砂岩、泥质岩为主。从含煤情况来看，本组为该区的重要含煤地层。在北部大多数地区只含有少数薄煤层；在中部（如太原西山、沁水盆地、大行山东麓南段、山东西南部等矿区）含煤数层至十余层、厚度较大，可达6～10米，而且很稳定；在南部煤层厚度变薄，常为中厚煤层，比较稳定。 （4）下二叠统上部下石盒子组（P1x） 下石盒子组全区普遍发育。 该组厚度一般为180～260米。总的变化趋势是南北厚，中部薄。岩性为粗碎屑岩、粉砂岩、泥岩和煤层。北部和中部的大部分地区以粗砂岩为主；南部主要为粉砂岩、泥岩。从含煤情况来看，本组为该区南部的主要含煤地层，含煤20余层。可采或局部可采达10～16层，以中厚煤层为主。 由上所述，我们可以看到华北石炭二叠纪含煤岩系中主要含煤层位，在时间上和空间上有明显的迁移现象，即在北部（带），主要煤层位于煤系下部的太原组（C3t）;在中部（带），主要煤层位于含煤岩系中部的山西组（P1s）：在南部（带），主要煤层位于煤系上部的下石盒子组（P1x），如图5-9所示。 5-9 华北石炭二叠纪含煤岩系 主要含煤层位在时间上和空间上的迁移 2）煤质特征 该区石炭二叠纪含煤岩系以太行山中南段两侧、沁水盆地、豫中以及渭北的无烟煤和高变质烟煤带为中心，向四周煤的变质程度逐渐降低。东至冀东、鲁西，南至淮南、平顶山，北至晋北、内蒙，均出现低变质烟煤或中、低变质烟煤。晋西到贺兰山则为中高变质烟煤。 2．华南二叠纪聚煤区 本区北起秦岭、大别山；南至东海诸岛；西至横断山；东至东海。包括湖北、湖南、江西、浙江、福建、广东、广西、贵州的全部地区；四川、云南、江苏的大部分地区；陕西、安徽的南部地区。 华南聚煤区最主要是晚二叠世含煤岩系，还有早石炭世含煤岩系、早二叠世含煤岩系、晚三叠世含煤岩系、早中侏罗世含煤岩系及第三纪含煤岩系。以下重点介绍晚二叠世含煤岩系： 1）沉积特征 华南广大地区自早二叠世广泛海侵之后，进入晚二叠世以来，由于地壳运动的影响，陆地面积显著扩大，浅海海域明显缩小。伴随这个广泛的成陆过程，加之当时气候温暖潮湿，出现了聚煤的极盛时期。在古陆之间的广大地区沉积了本区最重要的含煤地层，即上二叠统龙潭组和长兴组，其沉积情况如图5-10所示。
 图5—10 华南晚二叠世含煤岩系沉积区及含煤性示意图 1—古陆 2—煤层可采总厚＞10m 3—煤层可采总厚10-5m 4—煤层可采总厚5-3m 5—煤层可采总厚3-1m 由于海陆分布的格局，使上述含煤地层在厚度、岩性、含煤性等方面，全区各地有所不同。上二叠统下部龙潭组（P2l）为全区主要的含煤地层，上二叠统上部长兴组（P2c）仅局部地区含煤。现就这些含煤地层的特征简述如下： （1）上二叠统下部龙潭组（P2l） 龙潭组沉积几乎遍及全区，为本煤系中分布最广、最主要的部分。 该组厚度一般为100～500米。总的变化趋势是由西向东、由北向南增厚，中部部分地区厚度较大。岩性为砂岩、粉砂岩、泥质岩、硅质岩、石灰岩和煤层。东部以泥质岩、硅质岩为主；西部则以石灰岩占优势。从含煤情况来看，在西部（川、滇、黔、桂等地区），一般含煤1～10余层，局部达数十层，多为薄到中厚煤层。以四川重庆、贵州盘县、云南师宗一带含煤性最好，一般含煤10～50余层，总厚3～52米；在东部（湘、赣、粤、闽等地区），一般含煤5～30余层，局部达70层，多为薄煤层。以江西乐平和丰城、湖南耒阳、广东韶关一带含煤性最好，一般含煤4～27层，总厚3～22米；在东北部（苏、浙、皖、鄂等地区），一般含煤1～9层，多为薄煤层，也有中厚煤层。以江苏常州和宜兴、浙江长兴、安徽广德和贵池等地含煤性较好。 （2）上二叠统上部长兴组（P2C） 长兴组沉积只限于西南等局部地区。 该组厚度为0～100余米，变化较大。岩性主要由砂岩、粉砂岩、泥质岩和煤层组成，局部有石灰岩。从含煤情况来看，以四川筠连、贵州水城、云南师宗一带含煤性较好，含煤10余层，为薄至中厚煤层。其它地区含煤性较差，有时仅含薄煤层。 2)煤质特征 该区晚二叠世含煤岩系有三个高变质烟煤和无烟煤带，一是北起川南和滇东北，经黔西转东南的桂西、桂中；二是西起川东北，向东经鄂西北到鄂东南转到皖南；三是位于东南部的闽、赣南和湘东南一带。围绕上述三个高变质带及其间地区则以中变质烟煤为主。 3．西北侏罗纪聚煤 本区东为贺兰山、六盘山，与华北聚煤区毗连；南为昆仑山、可可西里山，与西藏、滇西聚煤区毗连。包括新疆全部地区；青海中部和北部；甘肃中部和西部地区；宁夏西部地区。 西北聚煤区最主要的是早中侏罗世含煤岩系，其次为石炭纪含煤岩系，还有二叠纪含煤岩系、三叠白垩纪含煤岩系及第三纪含煤岩系等。以下重点简述早中侏罗世含煤岩系： 1）沉积特征 西北地区中生代以来，由于地壳运动的影响，形成了一系列大小不等的孤立盆地。早中侏罗世的含煤岩系，沉积于这些盆地之中，其中以新疆的煤盆地规模最大，青海、甘肃的煤盆地规模较小。 含煤地层主要有下中侏罗统的水西沟群、木里群及窑街组等。现就这些含煤地层的特征简述如下： （1）下中侏罗统水西沟群 水西沟群分布于新疆北部（准噶尔盆地）、东部（吐鲁番盆地）及西部（伊宁盆地）等地。 该群可分为三个组，即下部的八道湾组、中部的三工河组及上部的西山窑组。岩性主要为砂岩、砾岩、粉砂岩、泥岩和煤层。含煤情况，在新疆北部（准噶尔盆地）含可采煤层10余层，总厚达数十米以至数百米，多为中厚煤层，并有巨厚煤层发育；东部（吐鲁番盆地）含可采煤层20～30余层，总厚数十米以至百余米，多为厚煤层或巨厚煤层；西部（伊宁盆地）含可采煤层10余层，总厚数十米。 （2）下中侏罗统木里群 木里群分布于青海东北部（大通河煤盆地）等地。 该群可分为两个组，即下部的娘姆吞组、上部的江仓组。岩性主要为砂岩、砂砾岩、粉砂岩、泥岩和煤层。含煤情况，一般数层至20余层。以江仓、木里一带发育最好，可采煤层总厚一般数十米。向东在外力哈达、热水一带，可采煤层总厚变薄为十余米。 （3）下中侏罗统窑街组 窑街组分布于甘肃东部（靖远、会宁煤盆地）等地。 该组岩性为砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层。含煤情况，一般为2～4层，为薄煤层、中厚煤层及厚煤层。 2）煤质特征 该区早侏罗世含煤岩系，在新疆、准噶尔盆地北缘的和布克赛尔县、福海县一带为褐煤；准噶尔盆地南缘的精河、乌鲁木齐一线，塔里木盆地北缘的轮台、吐鲁番、哈密一线及南缘的叶城、和田一线为低度变质烟煤；塔里木盆地北缘的温宿、拜城、库车一线等地为中变质烟煤。在甘肃和青海，民勒、鼎新一线，大通、窑街、阿干镇等一线及柴达木盆地边缘的冷湖、鱼卡、绿草山、大煤沟等地为低变质烟煤；青海的木里、兴海等地为中变质烟煤；高变质烟煤较少，仅分布在青海江仓、热水一带；青海大柴旦及甘肃九条岭等地产无烟煤。 4．东北侏罗白垩纪聚煤区 本区南以北票、沈阳一线与华北聚煤区相邻。包括黑龙江、吉林全部地区；辽宁北部及内蒙东部、东北部地区。 东北聚煤区主要为晚侏罗——早白垩世含煤岩系，其次为第三纪含煤岩系，还有早中侏罗世含煤岩系。以下重点简述晚侏罗——早白垩世含煤岩系： 1）沉积特征 东北地区中生代以来，由于燕山运动的影响，形成了一系列的巨型沉降带和隆起带，在这些沉降带和隆起带内的次级坳陷和断陷盆地中，沉积了本区最主要的晚侏罗世——早白垩世含煤岩系。 含煤地层主要有上侏罗——下白垩统的阜新组、巴彦花群、霍林河组、札赉诺尔群及鸡西群等。现就这些含煤地层的特征简述如下： （1）下白垩统阜新组 阜新组主要分布于内蒙东部和辽宁中部地区（赤峰——铁岭煤盆地群）。 该组岩性主要为粗砂岩、砂砾岩、细砂岩和煤层。含煤情况，在辽宁中部（阜新煤盆地），含5个煤层群，即高德、太平、中间、孙家湾及小泉煤层群，其底部高德煤层群煤层薄而稳定，分布较少，从太平煤层群向上开始出现巨厚煤层（20～30m），再往上厚度逐渐减小，横向上分叉变薄尖灭现象明显，到顶部小泉煤层群只含不稳定的薄煤十余层。发育最好、分布最广的厚煤层主要位于下部的太平煤层群。在内蒙东部（赤峰元宝山煤盆地），含12个煤层组，下部四、五、六煤层组皆含巨厚煤层，但横向变化大，在盆地中部合并成巨厚煤层，向东南和西北两侧厚煤层开始分叉变薄，甚至尖灭。 （2）上侏罗——下白垩统巴彦花群 巴彦花群主要分布于内蒙东部（巴彦和硕煤盆地群及多伦煤盆地群）。 该群岩性主要为砂砾岩、粉砂岩、泥岩和煤层。含煤情况，在内蒙东部（巴彦和硕煤盆地群中部的胜利煤盆地），含8个煤组，盆地中部煤层合并成巨厚煤层（239m），向东南和西北两侧煤层逐渐分叉变薄。 （3）上侏罗——下白垩统霍林河组 霍林河组主要分布于内蒙东部（巴彦和硕煤盆地群的东端）。 该组岩性主要为砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层。含煤情况，在内蒙东部（巴彦和硕煤盆地群东端的霍林河盆地），含煤数层到20余层，薄到厚煤层，并有巨厚煤层发育。盆地中部厚度最大，向西北煤层分叉变薄，向东煤层有合并现象。 （4）上侏罗——下白垩统札赉诺尔群 札赉诺尔群主要分布于内蒙东北部（海拉尔煤盆地群）。 该群岩性为粗、细碎屑岩、粉砂岩、泥岩和煤层。含煤情况，在内蒙东北部（伊敏、札赉诺尔等煤盆地），含厚煤层数层，有巨厚煤层发育（厚度＞50m）。 （5）上侏罗——下白垩统鸡西群 鸡西群主要分布于黑龙江东部。 该群岩性为火山岩、火山碎屑岩、砾岩、砂岩、泥岩和煤层。含煤情况，一般含煤10～110余层，可采煤层4～40层。以西部鸡西、勃利、双鸭山含煤性较好。 2）煤质特征 该区晚侏罗——早白垩世含煤岩系，在札赉诺尔、伊敏、霍林河、元宝山等地为褐煤；而大兴安岭东部的札赉特旗、白城子及札鲁特旗则为中、高变质烟煤和无烟煤；辽宁阜新、北票一带为低、中变质烟煤；黑龙江鹤岗、双鸭山、勃利、鸡西等地以低中变质烟煤为主，也有高变质烟煤；吉林营城、蛟河、辽源等地以低变质烟煤为主。 5．西藏滇西中生代及第三纪聚煤区 本区南为喜马拉雅山；北为昆仑山、与西北聚煤区相邻；东为横断山，与华南聚煤区相邻；西为喀喇昆仑山、喜马拉雅山。包括西藏全部地区；青海南部及云南西部地区。 西藏滇西聚煤区主要为三叠纪、侏罗纪、白垩纪及第三纪的含煤岩系，还有石炭纪、二叠纪的含煤岩系。 含煤地层有上三叠统土门格拉组和巴贡组；中侏罗统普那组；下白垩统拉萨群、多泥组和川坝组；上白垩统秋乌群；第三系渐新统芒乡组；下石炭统马查拉组；上二叠统妥坝组和乌丽群等。 煤质方面，晚古生代为高变质烟煤和无烟煤；中生代以中、高变质烟煤为主，也有无烟煤；第三纪以低变质烟煤为主，还有褐煤。 6．台湾第三纪聚煤区 本区包括台湾岛、澎湖列岛及七十多个大小岛屿。 台湾聚煤区主要是晚第三纪含煤岩系。含煤地层为中新统野柳群、瑞芳群及三峡群，其中的三套含煤层位分别为木山组、石底组和南庄组，以石底组含煤性最好。 煤质方面，主要为低变质烟煤和褐煤。 第六章 影响煤矿生产的主要地质因素 随着煤炭开采机械化程度的提高，对影响煤矿生产的主要地质因素的分析研究日益显得重要。在煤炭开发的过程中，影响煤矿生产有诸多地质因素。其中有些地质因素其影响具有普遍性，如地质构造、煤层厚度变化、煤层顶底板条件等；有些地质因素其影响对某些矿井具有特殊性，如岩浆侵入煤层、岩溶陷落、矿井水及煤层自燃等。随着开采深度的不断增加，瓦斯、地热、地压对煤矿生产的影响越来越严重，并成为目前深部开采的重要影响因素。 第一节 煤层厚度变化 煤层厚度变化是影响煤矿生产的主要地质因素之一。煤层发生分叉、变薄、尖灭等厚度变化，直接影响煤矿正常生产。 一、煤层厚度变化的原因及变化特征 煤层厚度变化是多种多样的，但就其成因来说，可分为原生变化和后生变化两大类。 （一）煤层厚度的原生变化 煤层厚度的原生变化是指泥岩层堆积过程中，在形成煤层顶板岩层的沉积物覆盖以前，由于地壳活动，沉积环境变迁等各种地质因素的影响而引起的煤层形态和厚度变化。原生变化主要包括地壳不均衡沉降引起的煤层分叉、变薄、尖灭（图6—1）、泥炭沼泽古地形对煤层形态和煤厚的影响（图6—2）、河流同生冲蚀（图6—3）、海水同生冲蚀（图6—4）等四种原因。以上四种原因造成煤层变化特征参阅表6—1。 图6—1 地壳不均衡沉降造成煤厚变化示意图 I-厚煤带 II-煤层分叉带 III-煤层尖灭带 图6—2 泥炭沼泽基底不平造成煤厚变化示意图 图6—3 河流同生冲蚀造成煤厚变化示意图 图6—4 海水同生冲蚀造成煤厚变化示意图 （二）煤层厚度的后生变化 煤层厚度的后生变化是指煤层被沉积物覆盖以后，或煤系形成以后，由于河流剥蚀（图6—5）、构造变动（图6—6）、岩浆侵入（图6—7）、岩溶陷落（图6—8）等各种地质因素的影响而引起煤层形态和厚度变化。 以上原因造成煤层变化特征参阅表6—1。 图6—5 河流冲蚀造成煤厚后生变化示意图 （a）煤系内的后生冲蚀；(b)煤系形成后的后生冲蚀 图6—6 构造变动引起煤厚变化示意图 (a)褶皱引起煤厚变化；(b)断层引起煤厚变化 图6—7 岩浆侵入煤层引起煤厚变化示意图 图6—8 岩溶陷落引起煤厚变化示意图 二、煤层厚度变化对煤矿生产的影响 煤层厚度变化对煤矿生产的影响主要表现在以下几个方面： 1．影响采掘部署 煤层厚度变化直接影响到煤矿开采设计和采掘部署。例如原为一次采全厚的煤层，由于煤层增厚必须改为分层开采。又如在已开拓区内，由于局部地段煤层出现底凸变薄或河流剥蚀使部分区段不可采，需要重新设计采区和工作面。 2．影响采煤工艺 我国的采煤工艺，按机械化水平的高低依次为综采、高档普采、普采、炮采，不正规开采等五类。煤层厚度的变化直接影响采煤工艺、采煤方法的选择。 特别是综采对煤层厚度的稳定程度要求更高。如果煤层变薄甚至小于液压支架的最小高度时，需要增加破顶或破底工序，影响生产效率，甚至会因煤层变薄使工作面中断生产。 3．影响计划生产 采煤生产是多工序按计划连续作业，如果回采工作面内煤层厚度变薄，会打乱原来的工作计划，使工作面提前结束造成采掘失调，工作面接续紧张。 4．掘进率增高 为探明煤层厚度变化，需多开巷道进行专门探测，使掘进率相应增高。 5．采出率降低 煤层厚度变化大，常造成回采工作中的面积损失和厚度损失，从而降低了采出率。 三、煤层厚度变化的研究和处理 （一）煤层厚度变化的观测和探测 1．煤层的观测 1）煤层的观测内容 （1）煤层结构。要查明煤层的各个分层和夹石层，观测夹石层的层数、厚度、岩性及其与煤层的接触关系。对于煤层的结核、包裹体也要注意观测。 （2）煤层厚度。要实测煤层的总厚度和各分层厚度，要注意观测煤层厚度变化及其地质特征。 （3）煤层顶底板。要观测煤层顶底板的岩石性质、厚度及其与煤层的接触关系，顶底板裂隙的发育程度，以及岩石的稳固性、可塑性及膨胀性等。 （4）煤岩煤质。一般只观测煤的颜色、光泽、裂隙、硬度及脆度等物理性质，煤的结构与构造等特征。根据需要也可进行宏观煤岩组分描述和鉴定煤岩类型。 （5）煤层含水性。煤层的含水性一般分为干燥（无水）、潮（滴水）、湿（淋水）、含水（涌水）等四种情况。 （6）煤层产状。要测定煤层的走向、倾向、倾角，以及测定其他构造变动所显示的形迹。 2）煤层的观测方法 通常，井下煤层观测工作是结合井巷及钻探的地质编录一起进行的。其常用的观测方法简述如下： （1）用井巷观测基线测制煤层剖面，或以一定间距的煤层柱状、迎头素描及顶（底）板标高来控制煤层的结构及其构造形态，并测出各个变化点的煤层产状（图6—9）。 （2）利用井巷和钻探揭露来测量煤层厚度。一般要测出煤层的真厚度，只有在受到观测条件限制时，才可测量煤层假厚度，然后再换算成真厚度。对于煤层增厚、变薄、分叉、尖灭、断失、褶皱等厚度变化的位置及影响范围，应在井下现场绘制平面草图，必要时要绘制反映变化特征的细部素描图。 （3）煤层观测点的布置，应按煤层的稳定程度和实际情况确定（可参照表6—2）。 表6—2 煤层观测点间距 煤层稳定性 稳定煤层 较稳定煤层 不稳定煤层 急不稳定煤层  观测点间距m ＞50～≤100 ＞25～≤50 ＞10～≤25 ≤10   （4）一般应以沉积岩石学方法来鉴定煤层顶底板。根据井巷支护及现场管理的需要，有时要进行顶底板岩石物理力学性质的试验和顶板裂隙的测量统计。 （5）煤岩分层描述的观测点，应力求是一个新鲜的连续剖面。对于层位稳定、厚度大于2cm的夹石层，必须单独分出。有特殊意义的标志层或煤岩类型也要单独分层进行观测。 （6）在上述特征观测基础上，将井下收集的各种煤层资料，均需填绘在采掘工程平面图上。填绘的资料包括：煤层观测点、有顶底板岩性的煤层小柱状图、附有煤质化验简表，以及其他说明煤层和顶、底板变化的资料。此外，根据需要还可编制煤层等厚线图及煤质等值线图。 图6—9 利用基线观测煤层结构与构造形态示意图 砂岩；2—泥质岩；3—砂质泥岩；4—页岩；5—煤层；6—观测点号 2．煤层的探测 1）煤层厚度的探测 （1）煤巷掘进中的探煤厚工作。根据煤层厚度的不同情况，采用不同的手段来探测煤厚。在能够揭露煤层全部厚度的薄煤层的巷道中，可用皮尺垂直煤层顶、底板的层面直接测量煤层真厚度。在只能揭露一部分煤层厚度的厚煤层及部分中厚煤层的巷道中，必须用钻探或巷探来探测煤层的全部厚度。 （2）回采工作面的探煤厚工作。在缓倾斜或倾斜的厚煤层分层开采的工作面中，为了正确控制各个分层的回采厚度，仅根据回采巷道中的煤厚点是不够的，一般还要在上分层的开采过程中，既测量实际采高又随着工作面的推进按一定的探煤厚间距探测下分层煤厚。根据探煤厚资料，绘制煤分层等厚线图，确定分层开采的厚度。 2）煤层分叉尖灭的探测 根据煤层分叉的稳定情况大致可分为两种：一种是煤层分叉后分层的分布比较稳定；另一种是煤层分叉后只有一层保持稳定（即为主分叉层），其它各层延续不远很快尖灭。 （1）煤层呈多层次的、且比较稳定的分叉，可采用沿主要稳定煤层掘煤巷，然后利用井下钻探探测各分叉煤层。 （2）煤层呈短距离的不稳定分叉，一般在主分叉层布置巷道，对其它达到可采厚度的次要分叉层,采用钻探、巷探等手段探明可采范围，并按自上而下的顺序回采。由于此种分叉各煤分层的特征不甚明显，因而在掘进过程中，容易出现掘进主分层巷道误入次要分层的叉尖，从而造成无效进尺；或掘进后误采沿底的分叉层，从而破坏主采层；或沿主采层掘进、回采，从而丢失了沿顶分叉的可采煤层。所以，沿煤巷道掘进时，要紧挨煤层顶板，才能防止误入分叉的“尖子煤”而造成废巷。 （3）分叉煤层的分、合区界线的圈定。对分叉煤层的合理分层、分区布置巷道和选择采煤方法，必须根据要求，圈出分、合区界线。一般以煤分层之间夹石层厚度等于0.5m的等值线为分、合区界线。确定分、合区界线的手段，是根据井下钻孔及巷道控制的剖面、反眼和平巷实见分合点联结而成。 3）煤层底凸薄化的探测 煤层底凸薄化是指煤层底板凸起造成煤层变薄尖灭的现象。对于这种变化，常用的探测方法如下： （1）钻探控制巷道掘进方向的底凸位置。 （2）利用巷道穿越底凸部位，直接圈定煤层底板凸起的位置及薄化范围。 （3）利用工作面上分层边采边探的煤层观测资料，编制煤层顶、底板标高等值线图，研究泥炭沼泽的基底地形，圈定煤层底凸薄化的位置和范围。 4）煤层河流冲蚀变薄带的探测 首先应在巷道中仔细观察和素描冲蚀带的宽度、厚度、岩石成分、层理、砾石分布、煤层顶板冲蚀情况、冲蚀面特征、冲蚀处煤质变化等。将各巷道所见的冲蚀现象投绘在平面图上，进行对比分析，确定古河床的分布范围及对煤层破坏的情况，圈出古河床冲蚀带范围。 （二）定量评定煤层厚度的稳定性 煤层厚度及其稳定性，是选择综采场地，影响综机采煤的最基本的地质条件。煤层厚度稳定性包括煤层厚度变化程度和可采程度。《矿井地质规程》（煤炭工业出版社，1984年5月）指出，在定量评定煤层厚度稳定性时，薄煤层以煤层可采性指数为主要指标 ，煤厚变异系数为辅助指标；中厚及厚煤层以煤厚变异系数为主要指标，煤层可采性指数为辅助指标。据此，定量划分煤层稳定程度类型。 表6—3　 评定煤层稳定类型的主、辅指标 煤层类型 稳定煤层 较稳定煤层 不稳定煤层 极不稳定煤层   主要指标 辅助指标 主要指标 辅助指标 主要指标 辅助指标 主要指标 辅助指标  薄煤层 Km≥0.95 γ≤25% 0.95≥Km≥0.80 25%＜γ ≤35% 0.8＞Km≥0.60 35%＜γ ≤55% Km＜0.60 γ＞55%  中厚和厚煤层 γ≤25% Km≥0.95 25%＜γ ≤40% 0.95＞Km≥0.80 40%＜γ ≤65% 0.8＞Km ≥0.65 γ＞65% Km＜0.65  特厚煤层 γ≤30% Km≥0.95 30%＜γ ≤50% 0.95＞Km≥0.85 50%＜γ ≤75% 0.85＞Km≥0.70 γ＞75% Km＜0.70   表6—3中，煤层可采性指数Km是表示评定区可采煤层所占比例的参数，由下式计算；
式中 Km ——煤层可采性指数； 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标准的见煤点数。 表6—3中，煤厚变异系数γ是反映评定区内煤层厚度变化偏离平均厚度程度的参数，由下式计算：

式中γ——煤厚变异系数，% S —— 煤厚变化标准差，
Mi —— 每个见煤点的实测煤厚，m；
—— 评定区内的平均煤厚，m； n —— 参加评定的见煤点数。 统计上述两项参数时，应注意两点，一是参加评定的煤厚点力求均匀，二是参加评定的煤厚点资料务必准确可靠，对不可靠的煤厚点或因构造等原因造成的煤厚异常点应予以剔除。 通过全矿井、分水平、分采区的煤厚稳定性定量计算，结合定性分析，参照表6—3拟订的Km和r值界限，确定煤层的稳定程度。不稳定的煤层不能布置综采；较稳定煤层能否布置综采应持慎重态度；稳定煤层适宜布置综采。此外，还应综合考虑其它地质条件的影响。 （三）煤层厚度变化的处理 1．掘进中的处理办法 （1）在煤巷掘进中遇到煤层分叉、尖灭现象，要根据具体情况确定掘进方案，如已知上分层稳定可采，而下分层常变薄尖灭，则巷道应紧靠煤层顶板掘进。如果是下分层稳定可采，上分层不稳定，则应紧靠煤层底板掘进。如果分叉后煤层全部可采，应先采上分层，再采下分层。 （2）在采区上山掘进中，如遇煤层变薄带，应按变薄带的范围大小来决定巷道是直接穿过，还是停止掘进，或从其它地方另开巷道。若变薄带范围不大，并且确知工作面有煤可采时，掘进巷道采取挑顶或破底办法直接穿过变薄带。 （3）主要运输巷遇到局部煤层变薄或尖灭时，巷道可按原计划施工，穿过变薄尖灭带。 2．回采工作中的处理方法 回采工作面遇到变薄带或无煤区时，可采用直接推过或绕过的办法。若变薄带或不可采区范围较小，则可采用直接推过的办法；若变薄带范围较大，可考虑采用绕过的办法；大面积的不可采区，应布置探巷，探清不可采范围，将工作面分为几块回采（如图6—10），先采①、②两块，然后合成一个工作面③进行回采。 如果在采区和回采工作面布置之前，已经了解某些地方有煤层变薄或尖灭带存在，最好把这些煤层变薄或尖灭带作为采区或工作面的边界来处理。 图6—10 工作面分块回采示意 表6—1 各种成因的煤层变化地质特征简表 地质特征 地壳不均衡沉降 沉积环境和古地形 河流同生冲蚀 海水同生冲蚀 河流后生冲蚀 地质构造变动 岩浆侵入活动 岩溶陷落破坏  煤层形态 呈多层状分叉、变薄、尖灭、单屋状楔形变化，双层状棱形分叉、合并 呈现层状，似层状、透镜状、串珠状及不规则的“煤包”状 平上上呈现为宽度不大的弯曲条形薄化带 煤层层面上出现大小不一的凹坑、槽沟，或在广阔范围内冲蚀成“残丘”、“煤岛” 平面呈现较宽阔的条带状，或分枝状的冲蚀薄化带 煤层增厚与变薄，呈带状相同，延展方向与构造线方向一致 煤层被岩浆侵入后残存煤体形态极其复杂，呈层状、似层状或不规则状 煤层在平面上出现大小不一的环形无煤区  煤层厚度 由上百米、几十米到尖灭，其变化有一定方向性和分带性 煤层增厚、变薄尖灭、变化幅度大，间距不定，分布不规则 仅在出现透镜状冲蚀带岩体的部位，煤层相对变薄 煤层薄化程度不一，规模大，范围大 薄化规模较大，常有定向分布的薄化区或无煤带 一般是褶皱轴部增厚，翼部变薄，断层逆扒增厚，引张变薄 厚度变化显著，变化程度随侵入体大小、形态和侵入部位而异 煤厚仅在垂直方向上呈柱状陷落破坏  煤层结构 厚煤层结构复杂，夹石层数与厚度具有方向性变化 煤层增厚部分结构一般比较复杂 局部夹石层增多，夹石为砂质、粉砂质岩 煤层上部各煤分层和各夹石层呈对称性间断 煤分层和夹石层被冲蚀岩体拦截破坏 结构受挤压错动，煤层理不清，出现层间揉皱和滑动镜面 煤层原始结构被侵入岩体破坏，或薄层状侵入体使结构复杂，夹石增多 沿陷落柱边缘张裂破碎  煤层顶底板 顶板的岩性、岩相变化比较明显 底板或基底岩层不规则凹凸起伏，局部产状与顶板不一致 煤层内的冲蚀岩体与煤层有共同的顶板 冲蚀顶板常为灰岩或海相砂岩 煤层正常顶板被冲蚀破坏为河床相砂砾岩所替代 顶底板常呈协调或不协调褶皱、脆性或弹塑性断裂，产状变化大 顶底板被侵入岩穿插破坏，也有顺层侵入而成为煤层顶底板的 陷落柱周围顶底板产状异常，向塌陷中心倾伏，小断层增多，张裂隙发育  煤岩层接触关系 一般呈现为沉积过渡的正常接触 煤层下部各煤分层、夹石层被底板栏截，并向底板凸起方向超复尖灭 冲蚀带岩体与煤层接触处镶嵌咬合 冲蚀岩性常为直接顶板，形似冲蚀坑外模，复合于煤层上 冲蚀面凹凸不平，犬牙交错，冲蚀带边缘小断层比较发育 煤层常挤压贯入顶底板，或顶底板错断压入煤层 随侵入体而异常呈似层状、条带状、透镜状、串珠状、指掌状等侵入接触 陷落柱与煤层接触面为环形弯曲面，陷落体与煤层破裂面呈不规整接触  煤质 在区域性范围内有不同变质程度的带状分布现象 无影响 煤层灰分略有提高 煤光泽变暗，灰分、硫分也有增加 冲蚀部分煤质疏松，光泽变暗，灰分增高 煤呈破碎的粒状、鳞片状、粉末状，光泽变暗，灰分增高 遭受接触变质，具有分带现象，变质程度由低到高，直至开然天然焦 陷落柱边缘煤被氧化，光泽变暗，硬度降低，灰分增加  第二节 矿井地质构造 地质构造是影响煤矿建设和生产的各种地质因素中最重要的因素之一。地质构造包括褶皱、节理和断层。褶皱虽然影响煤（岩）层的产状和形态，但没有破坏岩层和煤层的延续性，在井巷中比较容易追索和控制；节理（裂隙）由于尚未独立构成对煤矿生产的直接影响，仅是其它开采地质条件的影响因素和组成部分；而断层则破坏了煤层的延续性和完整性，在井巷中较难查明和控制，给采掘生产带来很大影响。因此，断层是矿井地质构造的研究重点。 矿井地质构造按其规模大小和对生产的影响程度，可分为大、中、小三种类型。大型构造是指决定井田边界的大型褶曲与断层，这类构造在勘探阶段已基本查明。中型构造是指分布在井田范围内，影响水平、采区划分和巷道布置的次一级构造，它们对煤矿生产影响极大，是矿井地质工作的重点。小型构造是指那些在巷道或工作面中比较容易查明全貌的更次一级的褶曲与断层。大、中、小三种类型地质构造之间存在着密切联系，大型构造控制中、小型构造，小型构造反映大、中型构造。因此，在工作中应把大、中、小型构造的研究有机地结合起来。 一、褶曲构造对煤矿生产的影响与研究 （一）褶曲构造对煤矿生产的影响 1．大型褶曲 大型褶曲在勘查段已经查明，它的规模、方向和位置影响到井田的划分和矿井开拓方式及开拓系统的部署，是矿井设计考虑的主要问题。 2．中型褶曲 中型褶曲对整个矿井的开拓部署影响不大，但对采区的布置关系密切，影响到采区的大小和采区巷道的布置。 3．小型褶曲 小型褶曲是在回采工作面准备过程中，在巷道中揭露的幅度仅几米到几十米，长度为几米到几十米的褶曲。它影响煤层平巷的掘进方向，从而影响工作面长度，给机械化回采、顶板管理带来一定困难。小型褶曲还往往引起煤层厚度发生变化，使生产条件复杂化。小型褶曲特别发育时，甚至会使煤层变为不可采。 （二）煤矿生产中褶曲构造的研究 1．褶曲的判断 判断井下褶曲的存在，主要是根据煤、岩层产状的规则变化和岩层层序的对称重复出现这两大标志。如在石门巷道中岩层倾向相背或相倾，或是在煤层平巷中由于煤层走向的急剧变化而使平巷弯曲（图6—11），表明有褶曲（背斜或向斜）存在。 在构造简单，岩层标志比较明显的地区，根据褶曲核部和两翼的岩层层序，不难判断背斜或向斜的存在。但在褶曲形态复杂的地区，要特别注意层位的对比及岩层顶底板面的鉴定，不要把倒转褶曲、等斜褶曲及平卧褶曲等褶曲误认为单斜构造，而出现判断失误。 图6—11 煤层平巷掘进中确定褶曲存在示意图 图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ为煤层底板标高点 在褶曲发育地区，褶曲轴的位置与采区的划分和采区巷道布置关系密切。一般经常把回采运输巷布置在向斜轴部，而把通风巷布置在背斜轴部。因此，判断和查明褶曲轴的位置，延展方向，轴的长度，轴的倾斜和起伏情况，标高值等是矿井地质工作的一项重要任务。判断褶曲轴的方法有两点： （1）根据上部资料推断。对于下部新开拓的煤层，可用上部已揭露查明的资料下延推测褶曲轴的位置和方向。但在不对称褶曲中，不同煤层的褶曲轴在平面上的投影位置是不同的，必须在查明轴面产状的基础上再结合煤层的层间距推断轴的位置。在不协调褶曲中上下不同煤层的褶曲形态可能有相当差别，这时必须结合各煤层顶底板的岩石力学性质及褶曲各部位的应力状态，分析上下褶曲的不协调变化，然后再根据这种变化规律推断下部煤层褶曲轴的位置。 （2）根据区域构造线方向推断。在新区资料较少的情况下，根据个别点上的褶曲轴的资料，结合区域构造轴的方向来推断褶曲轴的延展方向。 2．褶曲的观测 （1）对在巷道中能看到全貌的小褶曲，应系统观测褶曲轴的位置、方向、产状。对中型褶曲，在一条巷道中不能观测到全貌时，应准确鉴定观测点处的煤层，岩层层位及其顶底面顺序，岩层产状、煤厚变化，以及与其伴生的次一级小构造等，然后将所观测到的资料投绘到平面图和剖面图上，在图上综合分析，确定褶曲轴的位置延展方向。 （2）观测描述褶曲两翼的岩层产状，褶曲宽度和幅度，褶曲的延展变化及向深部的延伸趋势。 3．褶曲的探测 根据已有资料判断褶曲轴的位置、方向和展布，常带有推断性。这种推断，常不能作为指导生产的依据，因此有必要进行探测。对褶曲的探测，应尽可能地利用已揭露的各种资料，通过作图分析，初步判断其类型和分布范围。当有些部位的构造形态不清楚时，最好采用将来能用于生产的探巷加以查明。对复杂构造，控制很少的褶曲，则应在井下邻近巷道用钻探查明。 （三）褶曲的处理 通过对褶曲的判断、观测、探测，已基本查明它的位置、方向及产状变化。在此基础上可对褶曲采取如下措施进行处理。 1．大型褶曲 （1）褶曲轴线作为井田边界。有些大型向斜，由于轴部埋藏较深，开采困难，多作为井田边界，其两翼分别由两个或几个井田开采。有些大型宽缓背斜，两翼煤层距离较远，井下难以形成统一的生产系统，可以褶曲轴为界，两翼分别有两个井田开采。 （2）大型褶曲在井田开拓部署中的处理方法。不是所有的大型褶曲轴都必须作为井田边界，在有的井田内也可以有大型褶曲存在。若在井田内有大型背斜构造，开拓系统中常把总回风道布置在背斜轴附近，两翼煤层均可利用。有些位于向斜构造的矿井，常把运输巷道布置在向斜轴部附近，用一条运输巷解决向斜两翼的运输问题。 如果利用立井或斜井开拓，井筒位置最好不要布置在向斜轴部附近，因为这种井筒布置须留较大的保护井筒煤柱，损失煤炭资源。大型向斜轴部的煤层顶板压力常有增大现象，必须加强支护，否则极易发生垮塌事故。在高瓦斯矿井中，若岩层透气性差，背斜轴部常是瓦斯突出危险区，应引起足够重视。 2．中型褶曲 （1）以褶曲轴线作为采区中心布置采区上山或下山。对开阔的平缓褶曲，以向斜轴作为采区中心，向两翼布置回采工作面，采区走向长可达1000m以上（图6—12）。 图6—12 以中型向斜轴作为采区中心布置采区上山示意图 （2）以褶曲轴作为采区边界。在较紧闭的褶曲轴部，次一级构造往往发育，因此常以褶曲轴作为采区边界（图6—13）。 图6—13 以中型较紧闭褶曲轴作为采区边界示意图 1---煤层等高线；2—背斜轴线 （3）工作面直接推过褶曲轴。当褶曲较宽缓，而规模不太大时，可布置单翼采区，工作面直接推过褶曲轴部。 3．小型褶曲 （1）采面重开切眼生产。在小型褶曲发育地区，常见到煤层突然增厚或变薄，甚至不可采，使工作面无法通过，需要重新开掘切眼进行生产。 （2）采面运输巷改造取直。煤矿要求运输巷在60m内不能有大的弯曲，弯曲过多无法使用。由于小褶曲存在，使煤层平巷弯弯曲曲，为满足生产要求，巷道需要改造取直。 二、断裂构造对煤矿生产的影响与研究 （一）节理（裂隙）对煤矿生产的影响及处理 1．影响钻眼爆破效果 当岩石中节理发育时，炮眼方向如与主要节理组平行，不仅容易卡钎子（尤其是用“一”字型钻头），而且在爆破时沿裂隙面漏气，爆破效果大大降低。所以，炮眼方向应尽量垂直主要节理面布置。 2．影响开采效率 在回采高变质和低变质煤层时， 根据节理面的方向和发育程度，合理布置回采工作面，可以提高生产效率。如图6-14所示，煤层中发育两组节理，一组倾向西，倾角50°～55°，较发育；另一组与之垂直，不太发育。若工作面由东向西推进，煤块容易顺发育的节理面采落，生产效率高，工作面推进快。相反则生产效率低，进度慢。 图6-14采煤方向与主要节理组关系示意图 3. 影响顶板控制方法 煤层顶板岩石节理发育时, 工作面顶板支护一般不能用顶柱, 而要采用顶梁, 并且顶梁不能平行主要裂隙组方向，应与主要裂隙组有一定交角, 以防止顶板沿裂隙面冒落。 当煤层倾角小、顶板裂隙发育时, 防顶距离要小, 而且回柱放顶方向应根据顶板主要裂隙组方向确定(图6-15)。 图6-15工作面回柱放顶方向与主要节理组关系示意图 1-1′、2-2′、3-3′为正确的放顶方向；4-顶板岩层主要节理组方向； 5-新支架； 6-老支架 4．影响工作面布置 当煤层顶板节理发育时， 回采工作面布置要考虑节理的方向， 以利于顶板支护。 如果工作面平行主要裂隙组方向， 容易发生冒顶事故。 因此工作面布置最好与主要节理组方向有一定交角或接近垂直 。 5．对其它方面的影响 节理发育的地段，是地下水和矿井瓦斯的良好通道。如果工作面采前要进行瓦斯抽放，一般应使回采准备巷道与主要节理组方向成一定角度。为保证回采的安全，应在采前查明节理的发育程度及其与水源的导通情况。 （二）断层对煤矿生产的影响 断层破坏了煤层的连续性和完整性，对煤矿生产造成了很大影响。断层规模不同，对生产的影响程度不同。目前对断层规模等级的划分标准尚不统一。根据煤矿工作实践，建议采用下列划分标准：落差大于50m为特大型断层，落差50～20m为大型断层，落差20～5m为中型断层，落差小于5m为小型断层。 断层对煤矿生产的影响主要表现在以下七个方面： 1.影响井田划分 断层是井田划分的主要依据之一。在井田划分时，若井田内存在着大断层，必然会增加岩石巷道掘进量，并给掘进、运输、巷道维护、矿井水和矿井瓦斯防治等带来困难。 2.影响井田开拓方式 若井田内存在大型断层，煤层必然被截割成若干不连续的块段，断层附近煤层倾角加大，井田内煤层产状变化复杂，开拓方式的选择受到限制。 3.影响采区和工作面布置 井田内不同类型中、小型断层的存在，会给回采、运输、顶板管理和正规作业循环等造成困难，使煤矿生产水平划分、采区划分和工作面布置受到不同程度的影响。 4.影响安全生产 由于断层带岩石破碎，岩石强度降低，容易聚集瓦斯、导通地表水和地下水，引发矿井突水、瓦斯突出和坍塌冒顶事故。 5.增加煤炭损失量 断层两侧需留有一定宽度的断层煤柱，形成煤炭损失，断层越多，断层煤柱损失量越大。 6.增加巷道掘进量 在巷道掘进中遇断层，可能会引起生产设计方案调整和寻找断失煤层，导致巷道掘进量增加，甚至会形成大量废巷。 7.影响煤矿综合经济效益 煤层内断层的破坏程度与煤矿劳动生产率，吨煤成本、千吨掘进率、煤损失率和机械化开采水平等有着密切的关系，直接影响着煤矿生产的经济效益。 （三）煤矿生产中断层的研究 1.断层的判断 断层的出现不是孤立的，常在断层附近的煤、岩层中伴生一些与正常情况不同的地质现象，这些现象预示者前方可能有断层存在，应作好过断层的准备工作。在断层出现前，可能遇到的征兆，主要有以下几种现象： （1）煤层、岩层的产状发生显著的变化时，可能有断层存在。 （2）煤层厚度发生变化，煤层顶底板出现不平行现象时，可能有断层存在。 （3）掘进巷道中经常出现明显的小褶曲（如开滦唐山煤矿），或煤层常发生强烈揉皱，滑面增多或变为鳞片状碎煤（如淄博龙泉矿）等现象时，可能有断层存在。 （4）煤层和顶、底板中的裂隙显著增加，并有一定的规律性时，可能有断层存在。 （5）在大断层附近常伴生一系列小断层，这些小断层是判断大断层的重要标志。 （6）在高瓦斯的矿井，在巷道中瓦斯涌出量常有明显变化地段，可能有断层存在。如焦作矿务局焦西矿掘进巷道时，遇断层前后瓦期涌出量出驼峰现象（图6-16）。利用这一规律，也可预见掘进前方有断层存在。 图6-16断层附近瓦斯涌出量增大（焦西矿） a-煤层剖面图；b-瓦斯涌出量与断层距离间关系图 （7）充水性强的矿井，巷道接近断层时，常出现滴水、淋水以至涌水的现象，可能有断层存在。 在实际工作中，应根据上述各种征兆，再结合矿井的具体地质条件和已采掘地段断层资料，进行综合分析，使判断更符合实际。 2. 断层的观测 （1）确定断层位置。在井下从已知测点用皮尺丈量距离,以确定断层的位置。对于落差较大的断层，往往出现数个断裂面，要找出主要断裂面的确切位置并把测量结果绘在巷道平面图或剖面图上(图6-17). 图6-17 在巷道平面图和剖面图上加注数字记录断层示意图 （a）平面图；（b）剖面图 （2）观察断层面特征。观察断层面的产状(是平坦的、粗糙不平的、还是舒缓波状的)；断层面擦痕特征；断层破碎带的宽度及其变化；破碎带充填物特征(是断层角砾岩、糜棱岩还是断层泥)；充填物的成分﹑大小﹑排列及胶结情况。 （3）观察断层的伴生派生构造。对断层上、下两盘的煤岩层产状、厚度变化、牵引现象、羽状节理、帚状构造等进行观察,为确定断层性质和寻找断失煤层取得依据。 （4）确定断层性质及断层力学性质。在上述观察基础上，结合矿井构造规律，确定断层性质，同时还应确定断层面的力学性质（是压性面、张性面或是扭裂面等）。 （5）测量断层面产状。可在断层面上用罗盘直接测量，还可从巷道两帮断层面同标高两点拉皮尺，用罗盘测皮尺方位，得到断层面走向。断层面倾角可以直接测量真倾角，也可测量断层在巷道方向上的伪倾角，然后换算出真倾角。 （6）确定断层的落差。落差系指断层两盘同一层面断失点之间的标高差。除测量落差之外，还要测量地层断距。当断距较大时，根据断层两盘煤岩层层位对比并结合地层柱状图，可推算出地层断距（图6-18）。 图6-18 利用标志层判断断层性质和落差示意图 a——断层剖面图；b——局部柱状图； 石灰岩；2—砂岩；3—煤层；4—砂、页岩互层；5—粉砂岩；6—泥岩；7—断层错动方向 3．断层的探测（断失煤层的寻找） 在掘进过程中遇到落差较大的断层时，常不能看到另一盘的煤层，由此需寻找断失煤层。因此，确定断层性质和断距已成为正确决定巷道掘进方向的重要问题。目前，煤矿中判断断层性质和确定断距的方法主要有以下五种： （1）层位对比法。根据巷道揭露的断层两盘煤岩层层位，寻找断失煤层位置。例如图6-34所示的河北井陉三矿4号煤层，掘煤巷时遇一断层，断层对盘揭露一层白色细砂岩，其层位是位于4号煤顶部12m的标志层。根据层位对比，确定该断层为上盘下降之正断层，地层断距12.9m，断失煤层在巷道下方。 在开采多煤层的矿井，由于断层常把不同煤层错接在一起，掘煤巷时断层不易识别，容易漏掉断层。此时要特别注意掌握各煤层的煤岩特征和顶底板岩性，准确鉴定巷道的掘进层位。 （2）伴生派生构造判断法。断层附近常伴生派生一些小型或微型构造，在成因上与断层有联系，在分布上与断层相伴随。它们既可作为断层存在的标志，又可作为判断断层性质、推测断失煤层位置的依据。主要伴生派生构造有：牵引褶曲、断层擦痕、伴生小断层、断层面上的煤线（导脉）、羽状裂隙和帚状构造等。 （3）规律类推法。随着矿井地质资料的积累，对矿区出现的断层得到某些规律性认识，并据此指导断失煤层的寻找。例如在河南焦作矿区、内蒙扎赉诺尔矿区，从开采至今没有发现过逆断层，所揭露的断层均为正断层。据此规律，只要查明断层面的倾向，就可指明断失煤层的寻找方向。又例如河北峰峰矿区，绝大多数为正断层，只有NE30°方向才出现过倾角较缓的逆断层。因此，只要查明断层走向，就可以确定断层性质和断失煤层的方向。 （4）作图分析法。充分利用各种矿图（包括矿井地质剖面图、水平地质切面图、煤层底板等高线图等），将新揭露的断层位置点投绘在图上，根据断层产状进行上下左右对比连接，如与已查明的某条断层产状近似一致、特征相同，并能自然连接，就认为新断层是已知断层的延续，由此推断新断层的性质和规模。 （5）生产勘探法。生产勘探的手段主要有钻探和巷探，此外还有物探手段。一般在断层性质已经确定，生产上又需要掘进过断层的巷道时，可采用巷探。当断层性质及断距均不明确，生产上又需要先查明断层再确定掘进方向时，采用钻探。钻探原则上采用井下钻探，可以选用水平、倾斜、铅直和扇形群孔等方式达到勘探目的。 （四） 断层的处理 1．开拓设计阶段对断层的处理 （1）井田边界和采区边界的确定。凡是井田内遇到落差大于50m的特大型断层时,应以该大型断层作为井田边界。如河北峰峰矿区井田划分（图6-19）多以大断层为界。 图6-19 峰峰矿区的构造形态及井田划分示意图 划分采区时，也应以断层作为采区边界，但采区的走向长度应尽量与正常采区走向长度近似。一般当两条断层之间的煤层走向长度大于800～1000m时，可以这两条断层为界划为一个采区，用双翼上山方案进行开采（图6-20a）；当断层落差大于20m，断层之间走向长度在400～500m时，以断层为界划分采区，用单翼上山方案开采（图6-20b）。 图6-20 断层区上山开采方案示意图 双翼上山开采方案； （b）单翼上山开采方案 （2）井筒位置的选择。一般立井井筒要布置在倾角较大的大断层下盘，距断层30～50m以外的位置（图6-21）。 图6-21 根据断层特点选择井筒位置 断层与煤层倾向相反，倾角大于60°，立井距断层30m 断层与煤层倾向相同，倾角大于60°，副井距断层50m 断层；2—煤层 对于倾角小的断层，立井井筒无法避开断层时，只能在井筒施工过程中采取必要的保安措施，选择煤层层数少的地点穿过断层，且井底车场的位置要避开断层带。斜井井筒也要以同样的原则处理。 （3）运输大巷的布置。运输大巷是需布置在较坚硬的岩层中，且尽量少改变方向。但在断层错动处，断层上、下盘的煤岩层位移较大，甚至与另一盘的含水层相遇，因此必须考虑巷道的改道问题。如图6-22所示，AB组运输大巷北翼与中央石门接近时，有一条F13断层落差较大，其下盘为太原组石灰岩含水层。为防止水患，在距灰岩30m处向北改变巷道方向，穿过断层后，再沿原来位置掘进，与石门连通。这样不但解决了巷道的改向问题，也缩短了中央石门的长度。同样，BC组运输大巷遇断层F15后也需要改变方向，以避开煤层，使大巷布置在坚硬的岩层之中。 图6-22 运输大巷遇断层的转弯情况 （4）采区内块段划分。被断层切割破坏的地区，要综合考虑断层的位置、落差、被切割块段的大小和形态，以及已有的生产系统等因素来划分开采块段，要尽可能地将较大断层留在各块段之间的煤柱当中。 （5）井田开拓方式的确定。选择井田开拓方式时，要考虑各种地质因素的影响，其中断层占重要地位。在缓倾斜煤层中，用斜井开拓较好（图6-23a），但是如果煤层遭到断层破坏，产状发生变化，就应采用立井结合主要石门的开拓方式（图6-23b）。 图6-23 井田开拓方式示意图 斜井开拓；（b）立井开拓 2．巷道掘进阶段对断层的处理 （1）平巷过断层。平巷过断层分为穿过煤层顶板（或底板）和顺断层面掘进两种方式。 当煤层平巷遇断层后，要求不改变巷道坡度而可改变巷道的方向过断层，其中有破顶板掘进和破底板掘进两种情况。前者是煤层平巷过断层在断层上盘改向破顶板进入下盘煤层（图6-24a），后者是煤层平巷过断层在断层下盘改向破底板进入煤层（图6-24b）。至于是选择前者还是后者，应根据岩性有利施工、距离短和少丢煤等因素综合考虑。 图6-24 平巷穿过顶板或底板过断层示意图 煤层平巷破顶板过断层；（b）煤层平巷破底板过断层 当煤层平巷遇斜交正断层，如果断层带的压力不大并没有瓦斯及水的威胁时，可沿断层带掘进并进入另一盘煤层（图6-25a）；如果断层带岩石破碎、压力大、又有瓦斯和水的威胁时，则不能紧靠断层面开掘巷道，而应使巷道穿过断层后，距断层面一定距离，平行断层走向开掘石门进入另一盘煤层（图6-25b）。 图6-25 顺断层面过断层示意图 顺断层面过断层；（b）平行断层面掘石门进入另一盘煤层 （2）倾斜巷道过断层。上山、下山等倾斜巷道遇断层后，可以根据生产的要求采取多种形式通过断层。 当断层落差较小时，根据断失盘是上升还是下降盘分别采用挑顶、挖底或挑顶挖底相结合的方式通过断层。无论选择什么方式，都必须使改变后的巷道坡度变化不大，有利于运输。当断层落差较大时，为防止丢煤和少掘巷道，可根据巷道用途（运输巷或回风巷）、断层面和煤层面产状（同向或反向）、断层性质等采用改变巷道坡度或掘石门的办法通过断层（图6-26） 图6-26 在倾斜巷道中用改变巷道坡度或掘石门方法过断层示意图 反向正断层；（b）同向逆断层； 同向正断层；（d）反向逆断层 3．回采阶段对断层的处理 （1）采用强行通过的方法。当断层落差较小，并满足下列情况之一者，可以采用强行通过断层的方法。 ①在普采及炮采工作面内，断层落差小于煤厚时； ②在综采工作面内，当断层两盘对接部分的煤厚大于液压支架的最小支撑高度时； ③在综采工作面内，当断层两盘对接部分的煤厚小于液压支架最小支撑高度，但煤层顶底板岩性较软，采煤机能切割时。 （2）采用重开切眼的方法。当断层落差大于煤厚时，对于倾向断层或斜交断层可采用重开切眼的方法，即提前在断层另一盘重新开掘切眼，待工作面推进到断层处，停止回采，工作面搬家到新切眼内继续开采。 （3）采用划小工作面的方法。当断层落差大于煤厚时，对于走向断层，可在断层两侧补掘中间平巷，把原来一个采面划分为两个采面分别回采。对于落差一端大、一端小的斜交断层，可采用合采与分采相结合的方法，把断层上、下盘煤层结合起来开采。 第三节 岩浆侵入煤层 在地质历史中，我国境内岩浆活动颇为频繁。许多矿区，如阜新、井陉、峰峰、兴隆、淄博、莱芜、陶庄等，都不同程度地受到岩浆侵入活动的影响，使部分煤层遭到破坏，减少了煤炭的可采储量并使煤质变劣，降低了煤的工业价值。同时，侵入岩体硬度大，妨碍采掘工作顺利进行，给煤矿生产带来很大影响。 一、岩浆侵入煤层的观测与研究 （一）岩浆侵入体的一般特征 1.岩浆侵入体的产状 生产矿井中发现的岩浆侵入体主要有以下两种产状： （1）岩墙。岩墙是切穿煤层及其顶底板岩层的墙状侵入体（图6-27）。岩墙在平面上呈带状分布，宽度由几十厘米至几米，有时达几十米，长度不一。岩墙往往成组出现，彼此方向大致相同，并与主断裂线的走向一致。 图6-27 山东淄博奎山矿7042顺槽岩墙素描图 1—辉绿岩；2—微晶辉绿岩；3—天然焦；4—煤层；5—细砂岩 （2）岩床。岩床是沿煤层层面方向侵入的层状侵入体。岩床既可沿煤层的顶板或底板侵入，也可沿煤层中间侵入或吞蚀整个煤层。岩床的整个形态多种多样，大致可分为层状、似层状、树枝状、串珠状和扁豆状。 2．岩浆侵入体岩性 根据我国辽宁、河北、山东、安徽等省的一些煤矿区的侵入体岩性资料表明，煤系中的岩浆侵入体多系浅成岩或脉岩，其岩性主要为基性岩类和中性岩类，也有少量的酸性和碱性岩类。常见的有辉绿岩、辉绿玢岩、煌斑岩、微晶闪长岩、闪长玢岩、花岗斑岩、石英斑岩、细晶岩、正长斑岩等。例如，安徽岱河、山东陶庄、坊子煤矿、淄博洪山煤矿、奎山煤矿、辽宁阜新平安竖井等，岩浆侵入体为辉绿岩；山东山家林煤矿等为煌斑岩；北京安家滩煤矿等为细晶岩；河北井陉、兴隆、和安徽、山东一些煤矿为微晶闪长岩、闪长玢岩、正长斑岩等中性岩组成。 （二）对岩浆侵入体的观测 对在井下一切揭露岩浆侵入体的地点，都应进行详细的观测和素描。观测的内容有以下四个方面： 1．岩浆侵入体的颜色、矿物成分、结构、构造特征及名称。 2．岩浆侵入体的产状、延展范围。 3．岩浆侵入体与断裂构造的关系。 4．煤层被破坏情况，包括岩浆侵入体与煤层的接触关系、天然焦宽度、煤层的变质程度等。 （三）对岩浆侵入体的探测 由于侵入体形状变化多端，为指导采掘工作的顺利进行，在岩浆侵入体分布区要专门布置一些探巷和钻孔来探明侵入体的分布范围。 当岩浆侵入厚煤层时，在掘进巷道的同时，每隔一定距离应探测一次侵入体和煤层的厚度变化，得到从顶板到底板完整的煤岩柱状，最后编制剖面图，反映煤层、岩体的分布情况。 为了查明侵入体附近的煤变质情况，应加强取样化验工作。一般根据岩浆侵入体的形态特征和煤的变质情况布置取样点。同时，还可以根据煤变质的规律变化预测侵入体的分布。 （四）岩浆侵入体资料的综合研究 对揭露岩浆侵入体的钻孔、巷道及取样化验资料，加以系统整理和综合分析，编制反映岩浆侵入体分布和煤层变质情况的综合图件，如侵入体分布图、煤质等值线图、相应的剖面图、素描图等，然后提出侵入体分布及煤层煤质预测图。利用这些图件，结合必要的文字说明，就能够为合理的采掘工程布置提供依据，为巷道掘进和找煤指出方向。 二、岩浆侵入体对煤矿生产的影响 （一）岩浆侵入体对煤质的影响 一般而论，岩浆侵入煤层的变质作用有以下一些规律： 1．岩墙切穿煤层，对煤层的影响较小，只是使岩墙两侧数米内的煤发生变质。 2．岩床沿煤层侵入，对煤层的影响范围较大，有的甚至把煤层全部吞蚀。岩浆侵入煤层的不同位置，其影响也不相同。一般在侵入体上部的煤层变质带较宽，侵入体下部的煤层变质带较窄，这是由于岩浆中的气体和热力向上扩散的缘故。岩浆侵入在煤层中间，其上下的煤层均发生变质，对煤层的影响最大。 3．侵入体的大小、厚度直接影响煤变质程度。侵入体愈大，则热量高，煤层变质愈深，影响范围愈大；反之则小。 4．侵入体岩性对煤质的影响，一般认为辉绿岩影响最大，闪长岩次之，石英斑岩影响最小。这是因为辉绿岩属基性岩，粘度小，易流动，熔化温度高，对煤层破坏严重，因此对煤质影响较大，石英斑岩属酸性岩，粘度高，不易流动，熔化温度低，对煤层破坏有限，故对煤质影响小。 5．岩浆侵入煤层，形成一个热力变质带。距侵入体近者变质深，远者变质浅。可按煤种划分出若干带，由近而远为天然焦、高变质煤、低变质煤，逐渐转为正常煤。从一个煤层看，不仅有水平分带，而且有垂直分带（图6-28） 图6-28 安徽淮北张大庄矿三采区轨道上山煤种沿倾向分带素描图 1—辉绿岩；2—二级天然焦；3—一级天然焦；4—无烟煤；5—贫煤；6—瘦煤；7—焦煤；8—焦肥煤；9—夹矸；10—采样点 （二）岩浆侵入体对煤矿生产的影响 岩浆侵入体给煤矿生产带来的影响主要表现在以下三个方面： 1．减少煤炭储量，缩短矿井服务年限。例如，阜新平安矿某区面积为25万m2，原有储量应为152万t，由于岩浆侵入破坏，只剩下200t，其余的已被岩浆吞蚀或变成天然焦。 2．使煤质变差，降低了煤的工业价值。例如，河北井陉一矿原产很好的主焦煤，但在岩浆侵入附近采出的煤，灰分增高，挥发度显著降低，粘结性遭到破坏，使优质的工业用煤，降为一般民用煤，甚至不能使用。 3．破坏了煤层连续性，给采掘带来困难。岩浆侵入体把煤层分割成若干块段，并在煤层中分布着许多零星岩体，给巷道掘进，回采工作，采面布置带来困难。特别是未搞清岩浆侵入体的分布时，常出现废巷。 三、岩浆侵入煤层的处理 有岩浆侵入的矿井，首先应查明岩浆侵入体的产状，是岩墙还是岩床，然后再根据具体情况决定采掘工作布署。在掘进过程中，遇到岩墙时，可按原计划直接穿过。在回采过程中，遇 到岩墙时，可根据岩墙的大小与分布情况，决定是重开切眼还是分两个工作面回采。如果岩墙沿倾向或斜交方向分布，回采至岩墙时，重 开切眼，继续回采(图6-29)。如果岩墙沿走向分布时，可将工作面分成上下两个小采面回采（图6-30）。 图6-29 重开切眼示意图 图6-30 工作面分成两个小面回采示意图 对于岩床，则要求先用探巷或钻孔圈定范围，然后决定回采方案。对串珠状侵入体，如对煤层破坏不严重，工作面可以直接推过，但要增加采面处理侵入体的工序。若侵入体分布区大，煤层遭受严重破坏，可作为不可采区处理。 第四节 岩溶陷落柱 岩溶陷落柱是指煤层下伏碳酸盐岩等可溶岩层，经地下水溶蚀形成的岩溶洞穴，在上覆岩层重力作用下产生塌陷，形成筒状或似锥状柱体。简称陷落柱，俗称“矸子窝”或“无炭柱”。 陷落柱在我国华北石炭二迭纪聚煤区中普遍分布，其中以山西、河北最为发育。其它在山东新汶、枣庄及陶庄，河北开滦，江苏徐州，安徽淮北，河南鹤壁，陕西铜川等均有发现。从山西省各大煤田来看，阳泉矿区分布最广，在开采的99km2的面积内，共发现陷落柱450多个。晋城矿区较少，在对新老矿区调查表明，老矿区共发现陷落柱27个，新矿区目前为止地面未发现，仅在成庄矿施工大巷中发现一个。 一、陷落柱的成因 （一）岩溶发育的地质条件 岩溶发育的地质条件有以下四个： 1．含煤岩系或下伏地层中含有可溶性岩层，特别是含有石膏层。 2．含煤区域内发育有断裂构造等良好的地下水通道。 3．地下水源丰富且具有溶蚀强的各种酸根，如二氧化碳等。 4．有强径流和流畅的排泄区，具有良好的地下水动力条件。 （二）溶洞塌陷机理 岩溶洞穴是形成陷落柱的先决条件。但并不是所有的岩溶洞穴都会陷落成陷落柱。导致陷落柱塌陷机理有： 1．重力塌陷 岩溶洞穴由于受到上覆岩层的重力作用产生破裂和塌陷。由于地下水持续活动，溶洞逐步扩大，使上覆岩层不断垮落，最后形成几米、几十米，甚至上百米的陷落柱。 2．真空吸蚀塌陷 因水沿含水层裂隙、通道急速流动，产生“水锤”作用，并在含水层和通道内产生“负压”现象，犹如巨大的吸盘，强有力的抽吸着上面盖层向下陷落加剧了含水层和通道的破坏扩大。形成岩溶洞穴。相对密闭的岩溶洞穴（岩溶洞穴处在真空环境中）在地下水强迳流的作用下反复进行，同时由于岩溶洞穴内外的压差效应，使岩溶洞穴外大气压力对盖层产生冲压作用，降低岩层强度，加速盖层破坏。导致岩溶洞穴塌陷，形成陷落柱。 二、陷落柱的特征 （一）陷落柱的形态特征 陷落柱的形态特征是指陷落柱的三度空间形状。现从以下四方面来描述陷落柱的形态特征。 1．陷落柱的平面形态 陷落柱的平面形态是指陷落柱与地面、水平切面或煤层面的交面形态。一般呈椭圆形，也可呈圆形、长条形和不规则形等。如图6-31所示，为阳泉三矿揭露的几种陷落柱的平面形态。描述陷落柱的平面形态常用长轴长度、短轴长度的比值，长轴方向。 图6-31 阳泉三矿在3号、12号、15号煤层中揭露陷落柱的平面形态及大小对照示意图 1—3号煤层实见陷落柱；2—12号煤层实见陷落柱；3—15号煤层实见陷落柱 2．陷落柱的剖面形态 陷落柱的剖面形态是指沿陷落柱中心轴切剖的陷落柱形态。如果陷落柱穿过松软岩层（如第四纪冲积层）则呈现上大下小的漏斗状，柱面与水平面夹角为40～50°（图6-32a）如果陷落柱穿过岩性均一的坚硬岩层（如砂岩、砂砾岩、石灰岩等）则呈现上小下大的锥形，锥面与水平面夹角为60～80°（图6-32b）。如果陷落柱穿过软硬相间不均一的岩层，则呈不规则形态，但总体上呈一锥形柱状（图6-32c）。 图6-32 陷落柱剖面形状示意图 松软岩层中的漏斗状；（b）坚硬岩层中的锥状；（c）复杂地层中的陷落柱 3．陷落柱的高度 陷落柱的高度是指从溶洞底到塌陷顶的垂直距离。陷落柱的高度与溶洞的大小，地下水排泄条件，岩层的物理力学性质，以及裂隙的发育程度有关，一般可由几十米到一二百米，但也有高达数百米的巨型陷落柱和仅几米的小型坍塌。 4.陷落柱的中心轴 陷落柱的中心轴是指陷落柱各平面中心点的连线（图6-33），通常中心轴垂直于所穿过的岩层层面。由于陷落柱穿过的各岩层的产状，岩石性质和裂隙发育程度常有变化，因此，中心轴大多不是直立的，而是歪斜的。掌握中心轴的倾伏向，倾伏角及变化规律，对于准确预测下部煤层，下部水平陷落柱的平面位置非常重要。 图6-33 陷落柱中心轴变化示意图 （二）陷落柱的地表出露特征 陷落柱出露地表时，被塌陷的岩体与周围正常岩层的岩性、层位、产状都不相同，同时该处在地貌上呈现各种奇异现象。 陷落柱在地表可呈现以下几种形态特征： 1．盆状塌陷 陷落柱出露地表后，常呈现盆状凹陷。凹陷内的岩层层序遭到破坏，大小岩体杂乱堆积。凹陷外的岩层层序正常，裂隙比较发育，岩层产状稍有变化，均向凹陷中心倾斜。盆状塌陷区常被黄土覆盖。 2．丘状凸起 陷落柱出露地表后，地貌上呈现丘形凸起，甚至为高山顶。岩层出露明显，岩性为砂岩，陷落柱中心乱石堆积，柱中倒着坚硬的砂岩块，沿其周围，地层倾角向中心倾斜，在正常地层接触面上，具有滑面及擦痕，磨碎的粉末状岩粉，遇水成为软泥。这种特征在山西晋城、阳泉矿区常见。如晋城矿区凤凰山矿2303工作面，三采区大巷、1110巷、东煤层大巷揭露的陷落柱地表特征为丘状凸起，地貌上为高山顶。这是由于陷落柱形成后地壳上升地层出露，煤层上覆地层石盒子组和石千峰组砂岩碎块，坚硬、耐风化而造成的。 3．柱状破碎带 在沟谷两侧或道路两旁的天然或人工剖面上，常可见到一些柱状破碎带，此即是陷落柱在地表的出露。如在山西西山矿区，汾西矿区常见到陷落柱柱状破碎带。 4．特殊地貌形态 在黄土覆盖区，陷落柱常使表层黄土出现圆形陷坑或弧形阶梯状裂缝，裂缝窄的仅几厘米，宽的可达几米。陷落柱还可引起地表黄土层产生滑坡现象。 （三）陷落柱的井下特征 1．陷落柱的柱面特征 陷落柱的柱面是指陷落柱与周围正常岩层的接触面。它受岩层的岩石性质和结构构造的控制。岩性均一的坚硬岩层，柱面多呈直立的平面；松软岩层与坚硬岩层互层，柱面多呈凹凸不平的锯齿状曲面，软岩层凹入，硬岩层凸出（图6-34a）；上部岩层松软多水，裂隙发育，下部岩层坚硬完整，柱面也可呈滑坡状曲面（图6-34b） 图6-34 陷落柱柱面特征 a—锯齿状柱面；b—滑坡状柱面 柱面与巷道顶面或底面的交线常为一弧线，根据弧线的曲率和方向变化可判断陷落柱的形状、大小和相遇部位。如果弧线的曲率大，则陷落柱小，曲率小则陷落柱大；如果巷道沿陷落柱长轴穿过，则两侧弧线强烈内凹，沿短轴穿过则两侧弧线较平直；如果巷道穿过陷落柱边部，则两侧交线一长一短，长的一帮指向陷落柱中心，沿陷落柱中部穿过则两侧交线近似相等。根据上述情况，结合长轴方向和长短轴比值，就可推测出陷落柱的平面形态（图6-35）。 图6-35 根据巷道与陷落柱面交线确定柱体形状大小和相遇部位 2．陷落柱的柱体组成特征 陷落柱由塌落岩块堆积组合而成。与周围正常岩层相比，塌落岩块层位较新，并具有大小悬殊、棱角明显、形状各异、混杂堆积、常为松软岩屑、煤屑和粉粒充填粘结等特点。陷落柱中塌落岩块胶结的好坏，与陷落柱形成的早晚，地下水的活动情况，以及塌落岩层的岩石性质有关。早期陷落柱一般均已胶结，晚期的则混杂粘合，胶结较差，比较松散；有地下水长期活动的陷落柱，塌落岩块表面及其间隙常有铁质、碳酸钙质或高岭土等矿物质沉淀，连同煤粉和岩屑组成的软泥，把岩块粘结起来。 （四）陷落柱的分布特征 陷落柱的平面分布不均一，具有明显的分区性和分带性。 陷落柱的形成与岩溶地下水活动的强烈程度有关，矿区内的各个井田的水文地质条件存在差异，因此陷落柱的形成在时间和空间上均有差别，其数量和规模都表现出明显的分区性。由图6-36可看出，阳泉矿区南部的马郡头井田和五矿陷落柱最发育；北部的三矿和四矿较发育；最北的固庄矿、荫营矿和中部的二矿和大阳泉矿不发育。 图6-36 阳泉矿区陷落柱平面分布图 构造裂隙是地下水的良好通道，为形成岩溶洞穴的重要条件。因此岩溶陷落柱常沿构造断裂带、褶曲轴，特别是断层交汇处呈串珠状密集分布，表现出明显的分带性。例如徐州大黄山矿陷落柱沿主向斜轴呈带状分布，晋城矿区的陷落柱靠近晋获断裂带附近沿北北东方向呈串珠状展布（图6-37），均与该区地下水集中径流带关系密切。 图6-37 晋城矿区陷落柱平面分布图 三、陷落柱的观测与研究 位于陷落柱发育的矿区，在采掘工程设计和施工过程中，必须注重观察陷落柱出现前的预兆，加强对陷落柱的观测与探测。 （一）陷落柱出现前的预兆 当采掘工程接近陷落柱时，在煤层及其顶底板岩层中，经常出现一些异常地质现象，预示着采掘前方可能有陷落柱。其预兆主要有以下几个方面： 1．煤、岩层产状发生变化 在陷落柱塌陷过程中，由于牵引作用使煤、岩层产状向陷落中心倾斜，倾角变化一般在4～6°之间，个别可达10°以上，影响范围一般为15～20m之内，个别可达30m以上。 2．裂隙和小断层增多 在陷落柱塌陷过程中，由于重力或真空吸蚀作用的影响，在陷落柱的周围煤岩层中产生大量的张性裂隙和小型正断层（图6-38）。 图6-38 陷落柱周围小断层示意图 这些断裂面走向平行柱面的切线方向，倾角较陡，倾向陷落柱中心，断层落差很小，均在0.5m以内，走向延展不长10～20m，多呈顶断底不断的形式。在裂隙中，常见粘土，碳酸钙和氧化铁等充填物。断裂在脆性岩层内比较发育，在柔性岩石中裂隙较少。 3．煤出现风氧化现象 陷落柱附近的煤层由于地下水的作用，易发生风氧化。风氧化煤光泽暗淡，灰分增高，强度降低，严重者呈粉末状。煤的风氧化程度和影响范围与陷落柱大小，裂隙发育程度、距地面的深度和地下水的活动情况有关。 4．涌水量增大 陷落柱既可积聚地下水，又是连接含水层的良好通道。在陷落柱发育的矿井内，采掘前方出现淋水水量增大，往往是临近充水陷落柱的先兆，要引起特别重视。不同地区陷落柱的充水特征差异很大，有的干燥无水；有的储水而不导水；有的既储水又导水。 （二）陷落柱的观测 无论在地表或井下遇见陷落柱，都应进行详细的观测。根据生产矿井对陷落柱观测和判断的基本要求，可归结为五查、五看和五定的工作方法。 五查包括：查陷落柱周围煤、岩层中裂隙的发育情况和充填物性质；查陷落柱周围煤质的变化范围和风氧化程度；查临近陷落柱处水和瓦斯的变化情况；查陷落柱周围小型断层的发育情况和产状特征；查矿区内陷落柱的发育和分布规律。 五看包括：看陷落柱与煤、岩层接触面的形态；看陷落柱与煤、岩层接触带的充填物性质和特征；看陷落柱内岩块的性质、形状、大小、排列方式和层位时代；看陷落柱周围煤、岩层的产状变化；看陷落柱面与巷顶或巷底交线的弯曲方向和曲率。 五定包括：定巷道遇陷落柱的部位；定陷落柱的形状；定陷落柱的大小和高度；定巷道穿透陷落柱的距离；定处理陷落柱的措施。 应该指出，观测陷落柱的重点，应该是它的形态特征、导水性能和对煤层的破坏情况。 （三）陷落柱的预测 陷落柱的预测可分为以下两类。 1．陷落柱分布规律预测 又称陷落柱成因预测。由于断裂构造是地下水的良好通道，是形成岩溶的重要条件之一，因此区内陷落柱的分布多与岩溶化断裂带相一致。陷落柱长轴具有一定的方向性，呈串珠状分布（参见图6-37）。由于矿区不同地段地质和水文地质条件不同，岩溶发育条件存在着差异，因此陷落柱在数量、形态和大小方面都表现出明显的分区性（参见图6-36）。陷落柱集中分布在地下水强径流带内；在断裂构造交汇处，地下水排泄口附近，陷落柱数量多，个体大。 2．已知陷落柱推延预测 根据上部揭露的陷落柱资料，预测下部水平和煤层中的陷落柱位置，形状和大小；或者根据矿井内部揭露的资料，预测整个陷落柱的形状和大小。（参见图6-33, 图6-35） （四）陷落柱的探测 为了准确圈定陷落柱的位置、大小、形状和面积，在观测基础上必须使用探测予以查明。目前，探测陷落柱的主要技术手段有以下几种： 1．探钻 钻探使用的范围较广。在地表可用钻探验证异常区是否有陷落柱存在；在井下可用钻探探测巷道前方或有巷道圈定的回采工作面内有无陷落柱存在（图6-39） 图6-39 钻孔圈定陷落柱示意图 2．物探 由于煤层与陷落柱的电性不同，对电磁波具有不同的吸收作用，所以可用无线电波透视法探测工作面内的陷落柱（详见第八章第二节）。 3．巷探 对设有突水危险的陷落柱，可采用巷探。为查明陷落柱的确切位置、大小、形状及对煤层的破坏程度，巷探能直接进行观察和测定，可靠程度高，但工作量大，费用高。安排巷探尽可能考虑一巷多用，或采取小断面掘进。 四、陷落柱对煤矿生产的影响及处理 （一）陷落柱对煤矿生产的影响 陷落柱是影响煤矿生产的特殊地质条件之一。在陷落柱发育的矿区，成为影响生产的主要地质因素。主要表现在以下几个方面： 1．破坏可采煤层，减少煤炭储量 由于陷落柱本身及其周围不能开采的煤层，使煤炭储量减少。例如汾西富家滩西矿由于陷落柱造成的煤炭损失占全矿总储量的53%。 2．影响正规开采 由于陷落柱破坏，无法布置正常回采工作面，限制采掘机械的有效使用。 3．影响采掘施工 由于存在陷落柱，必然增加巷道掘进率，增加岩巷工作量，增加支护难度。陷落柱使开采条件复杂化，降低回采率，特别是对机械化采煤不利。例如山西太原西山杜儿平矿一个回采工作面由于遇到一个直径30m的陷落柱，工作面搬家49天，无效进尺1027m，经济损失294万元。 4．影响安全 陷落柱可能是矿井水或矿井瓦斯的通道，影响煤矿生产的安全。例如1996年3月4日皖北煤电公司任楼煤矿试产面7222工作面由于陷落柱导水，造成特大水灾，涌水量最大达到34570m3/h 。使矿井全部被淹，造成经济损失3亿多元。 （二）陷落柱的处理 1．在采掘设计时，应根据陷落柱的发育状况和分布规律，选择合理的巷道布置和采煤方法，尽量把陷落柱留设在煤柱中，既减少煤炭损失，又保证生产安全。 2．掘进遇陷落柱时，如为矿井主要巷道（开拓巷道、采区和采面运输巷道），应按原设计施工，直接穿过陷落柱，同时注意安全生产，特别是防止矿井水或瓦斯的涌出。如果是回风巷，可采取饶过的方法，同时起到探明陷落柱的作用。 3．回采工作面中遇到陷落柱，一般应先探明其形状、大小、位置，然后决定处理方法。如图6-40所示，在回采工作面不同位置上有三个陷落柱，其长轴方向与煤层倾向一致。图中左下角的陷落柱位于运输巷和开切眼交会处，采用开斜切眼，回采时摆尾式开采，将工作面调整到正常位置。对工作面中部的陷落柱，如果面积不大，采用强行硬割的办法通过陷落柱；如果面积较大，则需要预先开掘新切眼，当工作面推进到陷落柱左侧时，倒面搬家，跳过陷落柱继续回采。当陷落柱位于风巷和上山交会处时，采用缩短工作面长度或者用减小溜尾进尺的办法避开陷落柱。 图6-40 回采工作面处理陷落柱示意图 4．综合治理 在生产矿井中遇到陷落柱采用钻探、巷探和物探等综合勘查手段，以查明陷落柱的平面范围、发育高度和导水可能性等特征，根据探测结果，通过地面、井下打钻注浆加固等综合治理手段的处理，消除治理地段安全隐患。 例如，淮北桃园煤矿于2000.9.29在开采第10煤层1041轨道巷（标高-382m）掘进中，当施工到10号测点前7m时，迎头顶帮淋水，水量1m3/h，煤层突然消失，出现以大块为主，块度大小不一，杂乱无章，棱角明显的10煤层上部岩石堆积物，其中所含铝质煤岩、紫色煤岩为10煤层上50～60m层位的岩石，岩块已强烈风化，堆积物中含大量黄铁矿，在与煤层接触处形成黄铁矿脉。周围煤岩层向堆积物方向有3°～5°倾斜，边缘的煤层走向平行于柱面切线方向的张性裂隙。当时，初步确定为陷落柱。 （1）井下钻探。用岩石电钻在巷道迎头施工了3个探查孔。探查表明，陷落柱的范围较大，在轨道巷前方陷落柱不含水。 （2）巷探。井下钻探后，发现轨道巷前方不含水，故轨道巷向前继续掘进。巷道上帮施工10m，下帮施工15m穿过陷落柱，见正常煤层。根据两帮揭露陷落柱的长度分析，陷落柱中心应在轨道巷下帮侧。 （3）井下物探。轨道巷穿过陷落柱后，采用高分辨率DZ-ⅡA型防爆数字直流电法仪对其进行探测。通过电法探测进一步查明：该陷落柱直径约50～70m，呈不规则圆形；从剖面上看，深部水有沿陷落柱边缘向上导升的趋势。由于桃园矿与96年3月4日发生特大导水陷落柱突水淹井重大事故的任楼矿相邻，必须引起高度重视。 （4）地面钻探。为确定陷落柱发育高度及对上覆8煤层的影响以及防止深部奥灰水向上导入，在陷落柱中心施工地面探查注浆孔一个。通过地面钻探查明陷落柱没有达到第四含水层（第四含水层位于该区巨厚松散层最下部，直接覆盖在煤系基岩之上），排除了陷落柱直接导通四含水的可能性及对8煤层开采的影响。 （5）地面钻孔注浆。利用地面探查孔，对陷落柱进行边钻边注。经过地面钻孔注浆，基本封堵了深部水通过陷落柱向上导升的通道，为矿井开采加大了安全系数。 （6）井下注浆。为确保工作面安全回采，防止水沿巷道薄弱地带或沿裂隙导入工作面，结合工作面底板电法探测资料，在轨道巷、机巷对底板和陷落柱采用75和150型钻机打钻，注水泥单液浆进行加固。 通过地面，井下打钻注浆等综合处理，消除了桃园矿1041工作面安全隐患，保证了煤矿安全生产。 第五节 影响煤矿生产的其它地质因素 一、矿井瓦斯 （一）概述 矿井瓦斯是指煤矿生产过程中，以从煤岩层内涌出的甲烷为主的各种有害气体的总称。一般情况下甲烷占绝大多数（可达80%-90%），其次为氮气（占0.5%-3%）和二氧化碳（占0.3%-2%），其它成分很少。 可见甲烷是矿井瓦斯的主要成分。本节所描述的瓦斯性质均是针对甲烷而言。 瓦斯的化学名称叫甲烷（俗称沼气），化学式CH4,为无色、无味、无毒的气体。甲烷分子的直径为0.3758×10-9m，可以在微小的煤体孔隙和裂隙里流动。瓦斯在适当的浓度能燃烧和爆炸。二氧化碳CO2为无色、无嗅、略带酸味，易溶于水，有一定毒性的气体。对空气的相对密度为1.52，比空气重，停积在巷道的下部，不助燃，但大量二氧化碳可使人窒息。 矿井瓦斯和煤层气是由采矿和地质两个学科分别提出的术语，其含义大致相同。稍有不同的是矿井瓦斯泛指涌入井巷中的各种有害气体，成分较复杂；煤层气是专指储存在煤层及其顶底板围岩，成分以甲烷为主（90%以上）的一种非常规天然气。煤层气是重要的矿物资源之一，是一种优质洁净的气体能源。井下抽放系统回收的煤层气中甲烷浓度平均为30%--50%，可直接作为居民用气；地面井回收的煤层气甲烷浓度在90%以上可通过管道供给给城市民用、电厂发电或作为化工原料。 煤层气如不开发利用危害极大。煤层气是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳的20—24倍，甲烷对全球气侯变暖的影响占到15%，仅次于二氧化碳。据2000年估算，我国每年因采煤向大气排放的甲烷气体总量竟200亿m3，并随着煤炭产量的增加而增加约占世界采煤排放总量的1/3。近年来，我国为减少排放瓦斯对大气环境污染改善能源结构，充分利用矿井瓦斯这一洁净能源，在十几个矿区进行了瓦斯抽放和开发利用工作。目前，我国煤层气利用主要以民用为主。据不完全统计，到1999年9月止，我国在主要含煤盆地共实施155口煤层气探井，取得了丰富的数据，为今后煤层气开发利用奠定了基础。我国煤矿高瓦斯矿井比例大，在煤矿生产中瓦斯事故多，危害性大，采煤之前先采气，可以防止煤矿瓦斯事故，改善煤矿安全生产条件。同时，还可以减少矿井建设和生产通风费用，从而提高煤矿的经济效益。 （二）瓦斯的形成与分带 1．瓦斯的形成 煤层瓦斯是腐植质有机物（植物）在成煤过程中生成的。成气过程可分为两个阶段。第一阶段为生物化学成气阶段，在植物沉积的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过65℃的条件下，被厌氧微生物分解为甲烷、二氧化碳和水。由于这一过程发生于地表附近，上覆盖层不厚且透气性较好，因而生成的气体大部分散失于古大气中。随泥炭层的逐渐下沉和地层沉积厚度的增加，压力和温度也随之增加，生物化学作用逐渐减弱并最终停止。第二阶段为煤化变质作用阶段，随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤并进入变质作用阶段，有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为甲烷和二氧化碳。这个阶段中，瓦斯生成量随着煤的变质程度增高而增多。 2．瓦斯在煤层中的赋存状态 瓦斯在煤体及围岩中的赋存有自由及吸附两种状态，其情况如图6—41所示。 （1）自由状态（或称游离状态） 瓦斯以自由气体状态存在于煤层或围岩的裂隙及孔洞之中。这种状态的瓦斯分子可自由运动，并呈现出压力。 （2）吸附状态 吸附状态的瓦斯按其结合的形式不同，又分为吸着状态和吸收状态。吸着状态是瓦斯被吸着在煤体或岩体微孔表面上，并形成一层瓦斯薄膜；吸收状态是瓦斯被溶解于煤体微粒内部，类似于气体被溶解于液体中的现象。 煤体中瓦斯存在的状态不是固定不变的，当外界条件发生变化时，自由状态的瓦斯与吸附状态的瓦斯可以互相转化。例如，当外界的压力升高或温度降低时，一部分自由瓦斯可以转化为吸附瓦斯，称之为吸附现象；反之，当外界的压力降低或温度升高时，则一部分吸附瓦斯转化为自由瓦斯，称之为解吸现象。在开采煤层时，受采动影响的自由瓦斯首先放散出来，随之一部分吸附瓦斯解吸为自由瓦斯也放散出来，使解吸现象不断地进行，形成煤矿瓦斯不断涌出。 图6—41 煤体中瓦斯的赋存状态示意图 1—自由瓦斯；2—吸着瓦斯；3—吸收瓦斯；4—煤体；5—孔隙 3．煤层瓦斯垂直分带 当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。一般将煤层由露头自上向下分为四个带：二氧化碳---氮气带、氮气带、氮气---瓦斯带、瓦斯带（表6-- 4）前三个带总称为瓦斯风化带。在瓦斯风化带以下，瓦斯带内煤层的瓦斯含量和涌出量随深度增加而有规律地增大，所以确定瓦斯风化带深度，有重要的现实意义。 表6--4 煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分 名 称 气带成因 瓦斯成分%    N2 CO2 CH4  CO2—N2带 N2带 N2—CH4带 CH4带 生物化学—空气 空气 空气---变质 变质 20～80 ﹥80 20～80 ﹤20 20～80 ﹤10～20 ﹤10～20 ﹤10 ﹤10 ﹤20 20～80 ﹥80   瓦斯风化带下界深度可以根据下列指标中的任何一项确定。 （1）矿井的相对瓦斯涌出量大于2m3/t处 ； （2）煤层内的瓦斯组分中甲烷浓度达到80% ； （3）煤层内的瓦斯压力为0.1～0.15Mpa ； （4）煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤1.0～1.5m3/t ,气煤1.5～2.0m3/t ,肥煤与焦煤2.0～2.5m3/t ，瘦煤2.5～3.0m3/t ，贫煤3.0～4.0m3/t ，无烟煤5.0～7.0m3/t 。 （三）煤层瓦斯含量的影响因素及其预测 瓦斯含量是指单位重量或体积的煤在自然状态下所含的瓦斯含量，为自由状态的瓦斯与吸附状态的瓦斯之和，单位为m3/t，或m3/m3。 1．影响瓦斯含量的地质因素 煤体在从植物遗体到无烟煤的变化过程中，每吨煤至少可以生成100m3以上的瓦斯。但是在目前的煤层中，最大的瓦斯含量不超过50m3/t。煤体中生成的瓦斯量与储存的瓦斯量差别很大。煤层瓦斯含量的多少主要取决于保存瓦斯的条件。影响煤层瓦斯含量的主要因素有以下七个方面： （1）煤的变质程度。煤对瓦斯的吸附能力，决定于煤质和煤的孔隙，不同的煤质对瓦斯的吸附能力不同，无烟煤的吸附能力最强其瓦斯含量最大，可达50～60m3/t。 （2）围岩透气性。煤系地层岩性组合和煤层围岩性质对煤层瓦斯含量影响很大。如果围岩为致密完整的低透气性岩性岩层，如泥岩，完整的石灰岩，煤层中的瓦斯就易于保存下来。反之，围岩由厚层中粗砂岩、砾岩或裂隙溶洞发育的石灰岩组成，则煤层瓦斯含量小。 （3）煤层出露程度。煤层如果有或曾经有过出露地表长时间与大气相通，瓦斯含量就不会很大，反之，如果煤层没有出露地表，瓦斯难以逸散，它的含量就较大。 （4）煤层埋藏深度。瓦斯含量随深度增大而增加。在瓦斯风化带以下，瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯涌出量与深度的增加都呈一定正比例关系。 （5）煤层倾角。埋藏深度相同时，煤层倾角越小，瓦斯含量越大。因为瓦斯沿水平方向流动比垂直方向流动容易。 （6）地质构造。地质构造是影响煤层瓦斯含量的最重要因素之一。在围岩属低透气性的条件下，封闭型地质构造有利于瓦斯的储存，而开放型地质构造有利于瓦斯的排放。 同一矿区不同地点瓦斯含量的差别，往往是地质构造因素造成的结果。 （7）水文地质条件。虽然瓦斯在水中的溶解度很小，但是如果煤层中有较大的含水裂隙或流动的地下水通过时，经过漫长的地质年代，也能从煤层中带走大量瓦斯，降低煤层的瓦斯含量。而且，地下水还会溶蚀并带走围岩中的可溶性矿物质，从而增加了煤系地层的透气性，有利于煤层瓦斯的流失。 总之，影响煤层瓦斯含量的因素是多种多样的。在矿井瓦斯管理工作中，必须结合本井田或本矿具体情况，作全面的调查和深入细致的分析研究，找出影响本煤田、本矿井瓦斯含量的主要因素，作为预测瓦斯含量和瓦斯涌出量的参考。 2．煤层瓦斯含量的测定 煤层瓦斯含量是矿井设计资料的重要组成部分，是确定开拓系统、采煤方法、通风系统、主要风巷断面大小等主要依据。煤层瓦斯含量的测定方法有两： （1）直接测定法。使用密闭式岩心采取器或集气式岩心采取器，直接采集全层瓦斯煤样，送化验室测定单位煤量中含有的瓦斯量及瓦斯成分。还可以用半自动测井仪在钻进的同时测定煤层瓦斯含量。 （2）间接测定法即室内容量法。把未经氧化的新鲜煤样，装入容器，盖紧密封。送进实验室。根据实验室作出的吸附数据和井下煤层的实测瓦斯压力，用各种影响系数校正后，计算得出煤层瓦斯含量。 3．瓦斯含量预测图的编制 瓦斯含量预测图的主要内容包括：瓦斯取样点、各取样点煤层的实际瓦斯含量、瓦斯风化带界线及瓦斯含量等值线等。编制瓦斯含量预测图应按下列规定进行： （1）编图的底图。瓦斯含量预测图常以煤层底板等高线图作为底图，分煤层编制。 （2）编图资料。有定性和定量的取样成果资料，前者是指从煤心中抽取的并经过化验确定的瓦斯成分及各种成分所占的百分数，后着是指自然状态下煤层的瓦斯含量。 （3）编图步骤。首先填绘取样点，并着色，在各取样点（钻孔）旁边注明瓦斯含量、煤层底板标高、离地表深度，然后作瓦斯含量等值线，并标明瓦斯风化带，根据实见地段的规律，结合地质条件进行等值线外推（图6—42）。 图6—42 晋城矿区西区3#煤层瓦斯含量等值线图 1—瓦斯含量等值线；2—推测瓦斯含量等值线；3—3#煤层盖层厚度等值线； 4—3#煤层露头线；5—向斜；6—背斜；7—正断层 （四）矿井瓦斯涌出量及矿井瓦斯等级 1．矿井瓦斯涌出现象 煤矿开采过程中，由受采动影响的煤层、岩层，以及由采落的煤、矸石向井下空间放出瓦斯的现象成为瓦斯涌出。按瓦斯放出的形式不同，分为普通涌出和特殊涌出。 （1）普通涌出。瓦斯从煤岩层的孔隙和裂隙中长期缓慢逸出的现象称为普通涌出。首先涌出的是游离瓦斯，然后是解吸成游离瓦斯的吸附瓦斯。普通涌出是矿井瓦斯涌出的基本形式。 （2）特殊涌出。分为瓦斯喷出和煤（岩）与瓦斯突出两大类。瓦斯喷出是指大量承压瓦斯从煤体或岩体裂隙中大量异常涌出的现象。煤（岩）与瓦斯突出是指在采掘过程中，在地应力和瓦斯的共同作用下，在极短的时间内（几秒到几分钟），从煤（岩）层内以极快的速度向采掘空间内喷出煤（岩）和瓦斯的现象，简称突出。 2．矿井瓦斯涌出量 矿井瓦斯涌出量是指矿井在开采过程中涌入巷道内或管道中的瓦斯量。其表示方法有两种：绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。 （1）绝对瓦斯涌出量 绝对瓦斯涌出量是指生产矿井在一定时间内所涌出的瓦斯量(Q绝)，单位为m3/d或m3/min 。 其计算式为： Q绝＝Q×C%×60×24 式中 Q绝 —— 矿井的绝对瓦斯涌出量，m3/d; Q —— 矿井总回风道风量,m3/d; C% —— 回风流中的平均瓦斯浓度。 在相同条件下的煤层中，绝对瓦斯涌出量随矿井生产规模的扩大和产量的增加而增加，但它们之间不一定是正比关系。绝对瓦斯涌出量只能表明涌出瓦斯的多少，难以判定矿井瓦斯涌出的严重程度。如：两个产量不同矿井的绝对瓦斯涌出量相等，表面看来瓦斯涌出情况似乎一样，其实不然，其中产量小的矿井瓦斯涌出情况必然较为严重。为弥补绝对瓦斯涌出量不足以判定矿井瓦斯涌出的严重程度，故将瓦斯涌出量与矿井的产量联系起来，引出相对瓦斯涌出量的概念。 （2）相对瓦斯涌出量 相对瓦斯涌出量是指矿井在正常生产情况下平均生产一吨煤的瓦斯涌出量（q相），单位为m3/t。 其计算公式为： q相＝Q绝×n/T 式中 Q绝 —— 矿井的绝对瓦斯涌出量,m3/d; n —— 矿井瓦斯鉴定月的工作天数d/月 T —— 矿井瓦斯鉴定月的产量,t/月 相对瓦斯涌出量是以矿井产量为基础的，因此，它可以作为判定矿井瓦斯涌出严重程度的标准，矿井的瓦斯涌出等级是以相对瓦斯涌出量来划分的。 3．矿井瓦斯等级 根据《规程》规定，矿井瓦斯等级划分为三级：即低瓦斯矿井，相对瓦斯涌出量10 m3/t以下；高瓦斯矿井，相对瓦斯涌出量10 m3/t以上；煤与瓦斯突出矿井。 在一个矿井中，只要有一个煤、岩层中发现过一次瓦斯。该矿井即定为瓦斯矿井并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理。 矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤（岩）与瓦斯（或二氧化碳）突出，该矿井即定为煤（岩）与瓦斯（或二氧化碳）突出矿井。 （五）防治煤（岩）与瓦斯突出的地质工作 煤（岩）与瓦斯突出是煤矿危害最严重的自然灾害之一。截止1995年，我国已有282个突出矿井，共发生了16000多次突出。最大的一次突出发生在1975年四川天府矿务局三汇坝一矿的+280m水平主平硐因震动性放炮揭穿6#煤层引发突出煤岩12780吨，瓦斯140万立方米。 1．影响煤（岩）与瓦斯突出的地质因素 由于在煤矿采掘过程中地应力遭到破坏，煤层及其围岩产生大量的裂隙，加上煤层瓦斯含量多（10m3/t以上）压力大（7～10个大气压以上），煤中的吸附瓦斯迅速解吸产生大量游离瓦斯，瞬时产生高压释放，破碎煤体和岩石涌入矿井，造成突出。由此可见，影响煤（岩）与瓦斯突出是多种因素综合作用的结果。这些因素多与地质条件有关，现将影响突出的地质因素简要概述如下： （1）煤层结构。复杂结构煤层由于煤层中夹有稳定的层状岩石层，。煤层软硬相间，当软煤分层厚度增加时易发生突出； （2）煤岩类型。煤是孔隙体，其中含有大量的表面积，煤在自然状态下大量的瓦斯以吸附状态存在于煤体中，如在煤层中丝炭成分含量多，且呈连续层状分布，由于丝炭疏松多孔，性脆易碎，当条件适当时，极易发生突出。 （3）煤变质程度。煤的孔隙率与煤的变质程度有关，煤变质程度高其孔隙率大，至无烟煤阶段达到最大值。所以，高变质煤的瓦斯含量和瓦斯压力都大于低变质煤，高变质煤发生突出的可能性比低变质煤要大。 （4）煤层的埋藏深度。突出发生在一定的采掘深度以后。每个煤层开始发生突出的深度差别很大，最浅的矿井是湖南白沙矿务局里王庙煤矿仅50m，始突深度最大的是抚顺矿务局老虎台煤矿，达640m，自此以下，突出的次数增多，强度增大。 （5）地质构造和地应力。许多矿井的瓦斯突出主要集中在某些地质构造带内，呈条带状分布，突出点发生的位置多与某些地质构造部位有关。如强烈挤压的褶皱带、扭折带、倾角变化的转折点、断层附近等，这些地质构造部位应力比较集中，由于采掘工程破坏了原有平衡，导致地质构造残余应力的突然释放，引起煤与瓦斯突出。由于煤层遭到地质构造严重破坏，形成“构造煤”，这种颗粒很细的“构造煤”在形变过程中极易在构造作用下发生流动，造成煤层厚度和形态的复杂变化。在条件适当时，“构造煤”极易发生突出。 （6）围岩的物理力学性质。瓦斯的突出与围岩的厚度和坚硬性有一定关系。煤层顶底板厚度大，硬度高时，突出危险性增大。 2．煤（岩）与瓦斯突出前的预兆 大多数突出都有预兆。它主要表现在三个方面，即地压显现、瓦斯涌出及煤层结构的变化等。 地压显现预兆：煤炮声、支架声响、岩煤开裂、掉喳、底鼓、岩煤自行剥落、煤壁颤动、钻孔变形、垮孔、顶钻、夹钻杆、钻机过负荷等； 瓦斯涌出预兆：瓦斯涌出异常、瓦斯浓度忽大忽小、煤尘增大、气温异常、气味异常、打钻喷瓦斯、喷煤粉、哨声、峰鸣声等； 煤层结构及构造预兆：煤层层理紊乱、煤层强度松软或不均质、煤暗无光泽、煤厚增大（特别是软分层增大）、煤层倾角变陡|挤压褶曲、波状隆起、煤体干燥、顶底板阶梯突起、断层等。 3．煤与瓦斯突出预测 煤与瓦斯突出预测是瓦斯地质工作的重点。根据预测范围的大小和精度要求不同，突出预测可分为以下三类： （1）区域预测。它是根据地质和瓦斯资料，在分析突出发生规律的基础上，预测矿井不同煤层和不同区域的突出危险程度，为合理制定瓦斯突出分区管理方案提供依据。 （2）局部预测它是在区域预测的基础上，根据钻探、采掘和专门测试资料，进一步预测矿井或采区内局部地带或地点的突出危险程度。作为制定防御措施，检验措施效果的依据。 （3）突出报警。它是在预测的基础上，根据突出前的预兆及仪表信息指示而发生的危险报警。 突出预测、预报的准备程度，取决于地质、瓦斯资料的可靠程度和对突出规律的认识程度。由于突出受多种因素的控制，因此在进行突出预测、预报时，应全面地而不是片面地、关联的而不是孤立的、发展的而不是静止的研究这些因素，才能作出切合实际的判断，把突出预测、预报工作做好。 4．防治煤（岩）与瓦斯突出的地质工作 （1）作好突出点的地质编录。突出发生后，应对突出地点进行观测，并作文字记录和素描。记录内容包括：突出时间、地点、突出点标高、突出温度、距地表垂深、突出强度、巷道类别、突出前作业方式及所采取的措施、突出类型及突出前的预兆等。地质描述包括：突出点和突出空洞所在煤层或煤分层位置、煤质及煤层结构、煤层顶底板岩性、煤层厚度及其变化、突出点附近的构造特征、岩层产状及其变化、与岩浆侵入体的关系等。文字说明与素描图相配合，并建立突出点记录卡片。 （2）编制突出点分布图。瓦斯突出点应及时填绘到采掘工程平面图或其他地质图上，作为分析突出点分布规律的基础图件。突出点分布图上应反映突出强度、瓦斯含量和瓦斯压力等数据，并对突出强度进行分级。 （3）收集瓦斯地质预报资料。有关瓦斯地质预报的资料包括：煤厚变化特征及变化带具体位置；褶曲轴位置、煤层倾角变化点、断层交汇点和断层尖灭点；煤层结构、各煤分层的煤岩物理性质特征及其变化；岩浆侵入体的具体位置等。 （4）分析瓦斯突出与地质条件的关系。通过对突出点分布图及瓦斯地质预报资料的分析，寻找突出规律，找出突出与地质条件的关系。这方面工作包括：鉴别突出危险增大的标志，如煤层厚度及产状急剧变化、煤体结构变化等；查明突出前的预兆，如响煤炮、工作面压力增大、煤壁外鼓、瓦斯含量增大或忽大忽小等。 （5）编制瓦斯突出预测图。在以上工作基础上，对矿区或煤层突出危险程度进行分类，可划分为四类：①无突出危险区，即未发生或不可能发生突出的区域；②疑突出危险区，即怀疑有突出危险，需观察待定突出危险程度的区域；③突出危险区，指突出次数不多，强度属小型，平均采1000t煤突出量在1t以下的区域；④严重突出危险区，指突出频繁，曾发生过中型以上突出，一次突出强度在100t以上，平均采1000t煤突出量在1t以上的区域。在预测图上圈出不同突出危险程度的区域，并尽可能预测发生突出的地点和突出强度。 二、煤层顶底板 （一）煤层及顶底板对煤矿生产的影响 1．影响回采工作面的连续推进 当回采工作面遇断层后，一般采用挑顶挖底的方式通过断层，如果断层使得煤层与坚硬的砂岩或砂砾岩顶板或底板接触，不仅采煤机组很难通过，甚至连炮采工作面也不得不终止推进而另开切眼。 2．顶底板的破坏可导致突水事故 如果煤层顶底板含有石灰岩等富水含水层，当煤层开采后，其顶底板会遭破坏变形（如顶板破碎垮落、断裂、弯曲及底板隆起等），可能导致地下水分布变化，诱发突水事故。 3．影响支护密度、支护形式及支护性能 顶板的类型直接影响其支护密度和支护形式，而底板岩石的刚度则直接影响到支架的支护性能。如单体支柱的底面积仅100cm2，在底板比较松软的情况下，支柱很容易插入底板（俗称插针），从而失去对顶板的支撑作用。若底板为泥岩时，则会遇水变软，甚至呈泥状，使开采、运输机械下沉，使支架失去对顶板的控制，从而影响生产。 （二）煤层顶底板条件的研究 1．煤层顶底板的研究方法 根据钻孔、井巷和采场揭露的顶底板资料，分析煤层顶底板的岩石性质、分层厚度、组合特征、层理和裂隙发育程度及其横向变化情况，编制煤层顶板岩性分布图，分区建立顶板岩性组合柱状图，为煤层顶板条件预测评价提供资料。 分析研究井田地质构造展布规律及其对顶板条件的影响。小褶皱、小型断层、节理裂隙、层间滑动及层面擦痕等都会使顶板条件恶化，应将这些由于构造因素而使顶板条件恶化的范围圈定出来。 由于机械化采煤要求地质研究定量化，因此应尽量分区分类采集顶底板岩石样品，进行物理力学性质测试和微观鉴定，以了解岩石的坚固性、可塑性和吸水膨涨性。 收集开采过程中各类顶板的矿压显现及稳定状况的资料，通过相似对比，对未采区的顶板类型和稳定性做出预测评价。 2．煤层顶底板分类 为了指导回采工作面的顶板管理，使设计人员选择合适的液压支架型式、单体支架型式和支护方法；为了确定液压支架的支护强度和单体支柱的支护密度，以提高工作面的安全程度、减少顶板事故，研究煤层顶底板的分类方法是非常重要的。 原煤炭工业部于1981年首次颁发了“缓倾斜煤层工作面顶板分类方案”，该方案将直接顶分为1～4类，将基本顶（老顶）分为Ⅰ～Ⅳ级。1996年对“缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类”作了新的调整划分，作为部颁标准从1997年2月1日实施。 (1）直接顶分类 原煤炭工业部于1996年按直接顶在开采过程中的稳定程度，即依据直接顶初次跨落平均步距
，参考顶板岩性和节理（裂隙）发育情况、分层厚度及岩石单向抗压强度等，将直接顶板划分为四类（表6--5）。 表6-5 直接顶分类指标及参考要素表 类别 1类 2类 3类 4类   不稳定 中等稳定 稳定 非常稳定   1a 1b     基本指标 
≤4 4＜
≤8 8＜
≤18 18＜
≤28 28＜
≤50  岩性和结构特征 泥岩、泥页岩、 节理裂隙发育 泥岩、炭质泥岩、节理裂隙较发育 致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、节理裂隙不发育 砂岩、石灰岩、 节理裂隙很少 致密泥岩、石灰岩、节理裂隙极少  单项抗压强度MPa σc=27.94±10.75 σc=36±25.75 σc=46.3±20 σc=65.3±33.7 σc=89.4±32.6   表中
为直接顶初次跨落距，是指跨落高度超过0.5m，沿工作面方向跨落长度超过工作面总长度1/2时，工作面煤壁到切眼煤壁之间的距离。若已采多个工作面，则求其算术平均值
。 （2）基本顶（老顶）分类 原煤炭工业部于1996年按基本顶来压显现强度将基本顶分为Ⅰ～Ⅳ级（表6--6）。 表6-6 基本顶分极指标及名称表 级 别 Ⅰ 级 Ⅱ 级 Ⅲ 级 Ⅳ 级      Ⅳa Ⅳb  名 称 不明显 明显 强烈 非常强烈  分极指标 
≤895 895＜
≤975 975＜
≤1075 1075＜
≤1145 
＞1145   表中分级指标
是基本顶初次来压平均当量，初次来压当量Pe可由下式确定： Pe=241.3ln（Lf）—15.5 N + 52.6 hm 式中Pe —— 基本顶初次来压当量，kN/m2 Lf —— 基本顶初次来压步距，m； N —— 直接顶充填系数； hm —— 煤层采高，m； ln —— 自然对数。 当基本顶初次来压步距Lf不超过工作面长度的1/2时采用实侧值，若超过工作面长度的1/2时则需作一定的修正。如已知基本顶周期来压步距Lf，可用Lf=2.45Lp推算初次来压步距值。直接顶充填系数亦可用N = hl/ hm（hl为直接顶厚度）进行计算。当直接顶厚度小于6倍采高时，采用实侧值计算；当直接顶厚度大于6倍采高时，取hl = 6 hm。然后计算出初次来压当量，并以其平均值对照表6--6判定该煤层基本顶级别。 3.煤层底板分类 原煤炭工业部1996年根据采煤工作面底板的压入特性将底板划分为Ⅰ～Ⅴ类（表6-7）。 表6—7 缓倾斜工作面底板分类表 底板类别及代号 极软Ⅰ 松软Ⅱ 较软Ⅲ 中硬Ⅳ 坚硬Ⅴ     Ⅲa Ⅲb    一般岩性 充填砂、泥岩、软煤 泥页岩、煤 中硬煤、薄层状页岩 硬煤、致密页岩 致密页岩、砂质页岩 厚层砂质页岩、粉砂岩、砂岩   三、矿井地热的危害 矿井地热危害是指由于井下空气温度升高，湿度增大而造成的一种危害。在煤矿生产中，随着开采深度的不断增加，井下气温亦不断增加，矿井地热危害已成为影响煤矿生产的一个不可忽视的因素。我国不少煤矿的井下气温已超过《煤矿安全规程》所规定的26℃的许可范围，成为不同程度遭受热害的高温矿井。 矿井空气增温的热源受多种因素影响，如矿井进风的温度和含湿量；空气沿垂直或倾斜巷道升降时的自然压缩或减压；地热的影响；机电设备的生热量；煤、矸石及支护材料氧化及其它化学反应热；人体散热等。其中地热是矿井空气增温的主要热源，是矿井地热危害的根源。 （一）影响煤矿地热异常的主要因素 1．矿区所处大地构位置 在地壳强烈活动区，如中、新生代造山带，由于这些地带地震、岩浆喷发和侵入活动强烈，高温热泉广布，因此带内地热状况是热流值大，地温高，地热梯度大，而且变化剧烈。在地壳相对稳定区，如古老地盾和地台区，地热状况正好相反，热流值小，地热低，地热梯度小，而且较为均一。 2．岩石的导热性 地球内部的热能是通过岩石向外传导的，不同岩石具有不同的导热能力。如岩浆岩、石灰岩、砂岩等导热性强，传热快，在这些岩石分布的地区表现出温度的低异常；而泥岩、页岩、煤等导热性差，传热慢，在这些岩石分布的地区表现出地温的高异常。含煤地层上覆的松散沉积物导热性差，对下伏含煤地层的地热起隔热保温作用。在煤系被较厚松散层覆盖的矿区，地温和地温梯度相对较高。 3．矿区基底起伏与褶皱构造 地热测量资料表明，在一定深度范围内，基底隆起区比相邻坳陷区，背斜部位比相邻向斜部位的地热高，地热梯度大。这主要与岩石的热导率及其各向异性有关。众所周知，基底隆起区的古老岩系较相邻坳陷区的沉积盖层岩性致密，热导率高，热流向热阻较小的隆起区集中，致使来自深部的均匀热流出现再分配现象，所以在隆起区内热流值、地热和地热梯度要比凹陷区高。在褶皱地区，由于沉积岩的热导率顺层方向比垂直层面方向的高。自下而上传导的热流，由向斜部位向背斜部位汇集，致使背斜区的热流、地热和地热梯度较相邻向斜高。根据上述地热分布规律可预测深部隐伏构造（图6-43）。 图6-43 地热场与褶皱的关系 (箭头表示热流方向) 4．矿区邻近深大断裂 一般认为，深大断裂通达上地幔，是深部炽热物质——热载体上升的通道。因此，邻近深大断裂两侧的含煤盆地，往往热流值偏大，地热偏高，出现大量温泉。 5．矿区地下水活动 地下水对地热场的影响，受地下水活动方式的控制，可分为三种类型： （1）地下水活动引起围岩温度降低型。一些中小型盆地及某些大型盆地的边缘部位，从补给区进入的温度较低的地下水，在快速流动过程中，不断把围岩热量带走，从而降低了地热。如处于燕山南麓，太行山东麓，泰山北麓的矿区，于煤系之下有较厚的奥陶系石灰岩层，灰岩中裂隙岩溶水交替强烈，岩温与水温之间未达平衡，地下水对围岩起着冷却作用。煤系温度梯度小（小于2℃/100m）、温度低（800m深度处的温度不超过30℃）。又如开滦唐山矿的地热普遍较低，1000m深处的温度不超过30℃。 （2）地下水与围岩温度平衡型。地下水长期停滞，循环交替较弱，地下水与围岩热交换已平衡，水温等于岩温，形成地温和地温梯度均为中常的地区。地温梯度一般为2～3℃/100m。如兖州煤田为2.3～2.5℃/100m，淮北煤田为2.1～2.6℃/100m。 （3）深循环地下水上升引起局部地热增温异常型。地表或浅层地下水渗流至地下深处，与高温围岩进行热交换获取热量，成为热容量很大的热载体——承压高温热水。在合适的地质构造条件下，如遇高角度断裂带、急倾斜透水层，高温热水就会沿通道上升到浅部或地表。由于水温高于浅部岩温，因此在热水上升通道的周围形成局部的高温异常带。若矿井开采遇到这股热水，由于其散热增温能力强，就会造成井下热害。 6．局部热源影响 （1）岩浆侵入体的余热。岩浆余热是否对现代地热场仍有影响，主要决定于岩浆侵入的时间。一般认为，年龄超过50万年的浅成侵入体，可不考虑它对现代地热场的影响。在分析近期岩浆侵入体余热对地热场的影响时，还需注意侵入体的大小、形状、初始温度和围岩的热物理性质等。 （2）硫化矿床的氧化热。近地表的硫化矿床，因氧化生热是一个不可忽视的局部热源。据测定，1克分子黄铁矿充分氧化可产生5400KJ的热量。但是，这类矿床只要过了氧化带再向深部，地热又可恢复正常。 7．人为因素影响 矿区通风、排水和井下大功率机电设备运转生热，钻探过程中泥浆循环和钻头摩擦生热等人为因素，对地热和测量数据都有一定影响。其中，以通风和排水的影响比较严重。在矿区长期通风的过程中，由于空气与岩石产生热交换而使原始地热降低，在矿区长期强烈排水的情况下，在地下水降落漏斗范围内，岩温因地下水流动而改变。 （二）我国矿区地热基本类型 1．基底抬高型 一般位于稳定台块的隆起区，或基底断裂显著，沉积盖层发生褶皱断裂的地区，该区500m深温度达30～36℃，1000m深处温度可达45～50℃，普遍具有热害。例如平顶山矿区。 2．基底沉陷型 位于稳定台块的大、中型沉降区，结晶基底较深，其上形成的古生界、中生界、新生界沉积盆地。地下水交替不强烈，水温等于岩温。热流值正常或略底，热流自沉陷中心向外散发，在盆地内部平均地热梯度为2.1～3℃/100m。深度小于500～600的矿井，一般不会出现热害。以新汶、兖州矿区为代表，淮南、淮北矿区也属这种地热类型。 3．深大断裂型 稳定台块或台块内部的断块结合带上，岩浆活动频繁，构造变形剧烈，多为中、新生代地堑式断陷盆地。该区热流值较高、地热高、地热梯度大，矿井岩温高，可能有热水涌出。以山东沭沂矿区为代表，抚顺矿也属这种地热类型。 4．地下水活动强烈型 以岩溶裂隙发育的下古生界奥陶系石灰岩为基底的矿区，由于地下水的补给，径流和排泄条件良好、水交替强烈，水温小于岩温，对围岩及其上地层起着冷却作用。地热低、地热梯度小于2℃/100m，在千米以内矿井一般无热害，开滦、京西、、峰峰、鹤壁、焦作、淄博等矿区均属这种地热类型。 5．深循环热水型 岩浆活动、断裂活动发育的地区，地下水沿裂隙-一断裂系统渗入地下深部，逐步为岩温加热，在有利于地质条件下涌至浅部或出露于地表。上涌途中，水温大于岩温。特点是出现局部热异常，一般面积不大，呈脉状水或裂隙脉状水，局部会有35～50℃的高温热水涌出。例如平顶山八矿。 6．硫化物氧化型 造成局部热异常，有时温度极高。例如铜山矿、潭山硫铁矿等。 一个矿区可能同时兼有几种类型的特征，如深大断裂就不能排除有深循环热水在井下涌出的可能，基底抬高型和基底沉陷中也可能存在热水自流盆地。 （三）矿井地热预测图件 对有热害和可能有热害的矿井，需编制一系列地热图件，进行地热预测。地热图件种类繁多，有钻孔测温曲线图、地热剖面图、水平切面等温线图、等深面等温线图，地热梯度等直线图及其它有关图件。对煤矿来说最主要的预测成果用煤层底板等温线图来表示。 煤层底板等温线图（图6-44）是以煤层底板等高线图为底图，加注煤层测温点的校正温度，进行对比、连接，绘出等温线，等温线可以反映该煤层地热分布状况和变化规律。 图6—44 平顶山八矿已煤底板等温线 矿井；2—测温钻孔；3—井田边界；4—已煤风化带；5—已煤底板等温线；6—已没底板温度 四、矿山压力 （一）矿山压力及其成因 地下的煤层和岩层，在未采动之前，处于应力平衡状态，采掘工程使其应力重新分布，在采掘空间周围岩体内形成一种促使围岩向已采掘空间运动的力，这种力就称为矿山压力，简称矿压，也称地压。矿山压力来源于上覆岩层的重力作用和地质构造的残余应力。上覆岩层的重力作用取决于岩石的组成和厚度。如果地壳浅部岩石的平均密度为2.5t/m3，则自地表向下每深一米，巷道承受的压力就增加25Pa，在垂深400m处，其静压力达0.1Mpa。地质构造是地质应力作用的结果，其残余应力主要表现为水平压应力。大量实测实例表明，在地质构造较复杂的地区或断层、褶皱、节理发育部位，构造残余应力对矿压的影响明显增大。 （二）影响矿山压力的地质因素 1．煤、岩层的物理力学性质 煤、岩层的力学性质是影响矿压活动最直接的因素。对煤层顶底板、含水层、坚脆砂岩层、松软泥岩层，要逐渐分析它们沿走向和倾向的变化，受构造破坏的情况。在垂直方向上要系统研究各煤、岩层的层序及组合情况，统计顶底板的裂隙特征、含水层组的结构、有矿山压力潜在危险的层组的岩石力学性质指标，以及它们和煤层之间的间距。最后在反映工程地质特征的采掘工程平面图上圈出有矿山压力潜在危险的区域，在剖面图和柱状图上标出有矿山压力潜在危险的层段，并附有关危险性鉴定指标。 2．地质构造 矿山压力的形成及其显现特征均于地质构造密切相关。断裂交叉点附近、帚状构造收敛部位、断层的两端、平面上断层转弯部位、雁行式断层首尾相接部位、同一条断层倾向转折点附近、断层两端差异运动较剧烈的部位、褶曲轴部和翼部的交界附近及逆冲断层或逆掩断层的上盘、两次构造叠加的部位等均是构造应力集中甚至是高度集中地段，也是矿山压力显现的地段，应引起高度重视。 3．水文地质条件 矿井水的浸润渗透改变了岩石的力学性质，降低了岩石强度，从而引起围岩的变形和破坏。吸水性强的岩石，容易软化、液化或产生膨胀作用，使井巷围岩失稳，采场顶板松散，底板泥化。特别是在采动影响下，原有岩体的水文地质结构被破坏，引起地下水运动状态的改变，使巷道和工作面局部的应力集中，发生地下水压力的冲溃现象。应观测地下水的水位、水压、水理性质，研究含水层分布、与煤层的间距、隔水层性质及其间组合关系等，特别要注意出现与煤矿压力伴生的突水现象。 4．瓦斯 煤（岩）与瓦斯突出是冲击地压的一种表现形式。煤（岩）与瓦斯突出与煤层埋藏深度、煤层厚度、煤层结构、煤质变化、煤层顶底板岩性、构造和地下水活动等有关。 五、煤层自燃与煤尘 （一）煤层自燃 煤层自燃是指残留在采空区的碎煤和煤柱，以及接近露头的煤层，由于与空气接触而氧化生热，在散热条件不畅的情况下，氧化生成的热量大于向四周散发的热量，致使煤的温度逐渐升高，一旦达到煤的燃点时，产生煤的自燃现象。 煤的自燃现象是我国煤矿中一个比较普遍的问题，尤其是侏罗纪煤田更为严重。据统计，我国曾发生过煤自燃的矿井达47%左右。煤自燃是引起井下火灾的主要原因。井下火灾不仅造成煤炭资源的巨大损失，而且污染井下工作环境，甚至引起瓦斯和煤尘爆炸。 1．影响煤层自燃的主要因素 1）煤层自燃性能 （1）煤的分子结构。研究表明，煤的氧化能力主要取决于含氧官能团多少和分子结构的疏密程度。随煤化程度增高，煤中含氧官能团减少，孔隙度减小，分子结构变得紧密。煤的自燃倾向性降低。 （2）煤化程度。煤化程度是影响煤炭自燃倾向性的决定性因素。煤的自燃倾向性随煤化程度增高而降低，即自燃倾向性从褐煤、长焰煤、烟煤、焦煤至无烟煤逐渐减小。 （3）煤岩成分。煤岩成分对煤的自燃倾向性表现出一定的影响，但不是决定性的因素。各种单一的煤岩成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按镜煤＞亮煤＞暗煤＞丝煤的顺序递减。 （4）水分。煤的外在和内在水分以及空气中的水蒸气对褐煤和烟煤在低温氧化阶段起一定的影响，既有氧化的一面，也有阻滞氧化的因素。煤在自燃过程中，只有水分降低到一定值后，氧化速度才会加快，煤温才会急剧升高 。 （5）煤中硫和其它矿物质。煤中含有的硫和其它催化剂，则会加速煤的氧化过程。统计资料表明，含硫大于3%的煤层均为自燃发火的煤层，其中包括无烟煤。如六枝、芙蓉、萍乡、杨梅山等矿均属于自然发火较严重的矿井。 （6）煤层的地质条件。煤层越厚，倾角越大，开采时难以隔绝采空区，且易使围岩及煤柱的稳定性遭到破坏，形成大量碎煤和裂隙，易引起自燃。在断层、褶曲、地质破坏和岩浆侵入带、煤层松软易碎，增加了空隙度，因而也易于自燃.。 因此，《规程》要求生产矿井要将煤样送到有关单位进行煤的自燃倾向性鉴定，依据鉴定分类拟订正确的开采方法和经济有效的防火措施。 我国确定煤炭自燃倾向性的方法大多数是建立在测定煤的氧化性能的基础上。1992年版的《煤矿安全规程》执行说明规定采用吸氧量法。即“双色路气相色谱仪吸氧鉴定法”，鉴定结果按表6--8分类（方案）确定自燃倾向性等级。 表6--8 煤的自燃倾向性等级（方案） 自燃 等级 自燃倾向性 30℃常压条件下煤吸氧量/cm3·g-1(干燥) 备注    褐煤、烟煤类 高硫煤、无烟煤类   Ⅰ Ⅱ Ⅲ 容易自燃 自燃 不易自燃 ≥0.8 0.41～0.79 ≤0.40 ≥1.00 ≤1.00 ≥0.80 全硫（sf,%）﹥2.00 全硫（sf,%）﹥2.00 全硫（sf,%）﹤2.00    2）开采技术因素 影响煤炭自燃的开采技术因素是指：开拓方式、开采方式、通风方式及采空区管理等。 （1）开拓方式。很多自然发火矿井的经验说明，开采有自然发火危险煤层时，开拓巷道布置十分重要。巷道系统应力求简单，防止漏风；同时为采空区消防火创造条件。有的矿井采用联合布置方式，将集中运输巷道和回风巷道及集中上山等开拓在岩石中，取消采区集中上山煤柱等。对消除发火隐患起了积极作用。 （2）开采方法。开采方法对发火的影响主要是指回采时间的长短和回采率的高低，它与自然发火关系十分密切。四川一矿区有两个相邻的矿井，条件基本相似，一个矿井回采推进速度快，回采时间短，没有自然发火；另一个矿推进速度慢，回采时间长，采区出现自然发火。因此，选择合理的采煤方法对防灭火也是十分重要的。 （3）通风制度。井下风流使煤炭氧化，同时又将氧化生成的热量带走。因此，煤炭氧化生成的热量及其热量的集聚同风速有直接关系。当风速过小时，供氧不足，氧化生成热量很少，易散失掉；当风速过大时，氧化生成热被风流带走，同样不能形成热聚集，都不会发生自燃。只有当有风流流动而且风速又不大的情况下，煤才可能自燃。在顶板冒落的采空区，煤巷冒高处，垮帮处及煤柱裂隙等地点有漏风，往往具备自然发火的条件。 （4）采空区管理。及时封闭采空区和保证密闭的质量，减少采空区漏风，是防止发生煤自燃的重要措施。 通过以上分析，影响煤层在常温下发生自燃的内在和外在因素很多。概括起来，煤层发生自燃必然同时具备以下四个条件：煤层本身具有自燃倾向性；煤层以破碎状态存在；有连续的供氧条件；氧化生成热容易聚集。因此，利用这一规律，不使四项条件同时具备，可以预防煤层自燃发火。 2．煤层自燃的防止措施 预防为主，消防并举是防止井下火灾及煤层自燃的基本原则。井下煤层自燃的防治措施有以下两大类： （1）预防措施。通过对自燃因素和自燃机理的研究，以及对井下自燃时空分布特点的统计分析，发现不同矿区、同一矿区不同煤层、同一煤层不同分层或不同地段，煤的自燃倾向性强弱存在差别。因此在采取预防措施之前，应对煤的自燃倾向性强弱进行区域性预测，划分出自燃倾向性强弱不同的煤层、煤分层和块段。并根据自燃发火期的长短，有针对性的制定预防措施。预防措施主要是避免井下大量丢煤，防止向采空区漏风，采用适应于自燃煤层的采煤方法。 （2）灭火措施。由煤层自燃引起的井下火灾，一般起源于采空区、邻接采空区的煤柱和冒顶处的碎煤堆。 在火灾即将发生之前，可通过测定空气成分和岩石温度，观察外表征兆来获取信息，以便及早采取措施，将火灾消灭在萌发状态。这些征兆是巷道中出现雾气、巷壁挂水珠，可嗅到煤油或松香气味，人有头痛、闷热和窒息等不舒适的感觉，井内水温和煤壁内温升高等。 在火灾发生之后，应围绕切断风火接触这一核心，制定综合的灭火措施。这些措施包括：填充地表漏风的塌陷裂隙；采用灌浆灭火；阻化剂灭火；加强通风管理，合理确定风量，防止风流短路，调节供风温度，抑制因高差和温差造成的向火区漏风的局部自然风压，施行均压灭火、惰气灭火、倒风灭火等措施。 （二）煤尘 煤尘是在煤矿生产过程中，煤破碎后形成的粉末状尘埃。煤尘除引起矽肺病，影响人的健康外，其主要危害在于悬浮于空气的煤尘，在一定条件下可引起燃烧或爆炸，造成巨大的井下事故。因此，研究影响煤尘爆炸性的因素，评定煤尘爆炸性的强弱，对于制定矿井防爆、隔爆措施具有重要意义。 1．影响煤尘爆炸的因素 （1）煤的挥发分。煤尘的爆炸性与它的可燃基挥发分含量有很大关系。当Vdaf＜10%时煤尘不具爆炸性；当Vdaf为10～15%时，煤尘具有微弱的爆炸性；当Vdaf＝15～35%时，煤尘的爆炸性迅速增加，具有强烈爆炸性；当Vdaf＝35～40%时，煤尘的爆炸性逐渐减弱。因此，煤的挥发分数量和质量是影响煤尘爆炸的最主要因素。 （2）煤的灰分和水分。煤的灰分是不燃性物质，能吸收能量，降低煤尘的爆炸性，煤的灰分对爆炸性的影响还与挥发分的含量多少有关，挥发份小于15%的煤尘，灰分的影响比较显著，大于15%时，灰分对煤尘的爆炸几乎没有影响。水分能降低煤尘的爆炸性，因为水的吸热能力大，能促使细微尘埃聚结为较大的颗粒，减少尘埃的总表面积，同时还能降低落尘的飞扬能力。煤中的灰分和水分都很低，降低煤尘爆炸性的作用不显著，只有人为地掺入灰分（撒岩粉）或水分（撒水）才能防止煤尘的爆炸。 （3）煤尘粒度。粒度对爆炸性的影响极大。煤尘愈细则愈易长期悬浮空中，因而爆炸性能愈强。 （4）井下空气中悬浮煤尘浓度与瓦斯浓度。井下空气中只有悬浮的煤尘达到一定浓度才能引起爆炸。煤尘爆炸的下限浓度为30～50g/m3，上限浓度为1000～2000g/m3。其中爆炸力最强的浓度范围为300～500g/m3。当井下空气中含有瓦斯并随着瓦斯浓度的增高，煤尘爆炸浓度下限急剧下降（表6—9）。这一点在有瓦斯煤尘爆炸危险的矿井应引起高度重视。一方面，煤尘爆炸往往是由瓦斯爆炸引起的；另一方面，有煤尘参与时，小规模的瓦斯爆炸可能演变为大规模的煤尘瓦斯爆炸事故，造成严重后果。 表6--9 瓦斯含量与煤尘爆炸下限浓度的关系 瓦斯含量，% 0 0.5 1.4 2.5 3.5 4.5  煤尘爆炸下限浓度，g/m3 45 35 26 16 6 6  注：此表据〈煤田地质普查勘查手册〉 （5）空气中氧的含量。空气中氧的含量高时，点燃煤尘的温度可以降低；氧的含量低时，不易点燃煤尘，当氧含量低于17%时，煤尘就不再爆炸。煤尘的爆炸压力也随空气中含氧的多少而不同。含氧高，爆炸压力高；含氧低，爆炸压力低。 （6）引爆火源。煤尘的引燃温度变化范围较大，它随着煤尘性质、浓度及试验条件不同而变化。我国煤尘爆炸的引燃温度在610～1050℃之间，一般为700～800℃。这样的温度条件，几乎一切火源均可达到，如爆破火焰、电气火花、机械摩擦火花、瓦斯燃烧或爆炸、井下火灾等。据统计，由于放炮和机电火花引起的煤尘爆炸事故分别占总数的45%和35%。 （7）开采深度。通常，随着开采深度的增加，煤尘的爆炸性逐渐增加。这可能与深部瓦斯含量较大，深部通风不畅，空气中煤尘浓度较高有关。 2．评定煤尘爆炸性的方法 煤尘爆炸性的鉴定方法有两种：一种是在大型煤尘爆炸试验巷道中进行，这种方法比较准确可靠，但工作繁重复杂，所以一般作为标准鉴定用；另一种是在实验室内使用大管状煤尘爆炸性鉴定仪进行，方法简便，目前多采用这种方法。 矿井中只要有一个煤层的煤尘有爆炸性危险，该矿井就应定为有煤尘爆炸危险的矿井。根据煤尘爆炸性试验，我国有80%左右的煤矿属于开采有煤尘爆炸危险煤层的矿井。 3．预防煤尘和煤尘爆炸的措施 预防煤尘和煤尘爆炸的措施主要有以下三种： （1）减、降尘措施。在煤矿井下生产过程中，通过减少煤尘产生量或降低空气中悬浮煤尘含量以达到从根本上杜绝煤尘爆炸的可能性。为达到这一目的，煤矿上采取了以煤层注水为主的多种防尘手段。所谓煤层注水是指在回采之前预先在煤层中打若干钻孔，通过钻孔注入压力水，使其渗入煤体内部，增加煤的水分，从而减少煤层开采过程煤尘的产尘量。 （2）防止煤尘引燃的措施。防止煤尘引燃的措施与防止瓦斯引燃的措施大致相同。 （3）隔绝煤尘爆炸的措施。防止煤尘爆炸危害，除采取防尘措施外，还应采取降低爆炸威力、隔绝爆炸范围的措施。主要措施有：定期清除落尘；定期撒布惰性岩粉；设置水棚；设置岩粉棚；设置自动隔爆棚。 第七章 矿井水文地质及防治水 自然界中，水的存在形式有大气水、地表水和地下水。存在于大气圈的水，称为大气水，储存量约0.13×1014m3；分布于地表上的海、河湖、冰川中的水称为地表水，其中海洋中水量为13700×1014m3，河流中为0.0125×1014m3，淡水湖水量约1.25×1014m3，冰雪、冰川水量约292×1014m3；埋藏于岩石空隙中的水称为地下水，赋存水量为83.5×1014m3。 煤层周围岩层(围岩)中蕴藏的地下水是复杂的自然系统，它的形成条件、赋存规律、物理性质、化学成分和水动力特征等，都与含水介质(岩石)和环境介质(大气系统、地表水系统和人类工程系统)既统一又互相制约。 第一节 地下水的基本知识 一、地下水的来源 各种起源的水，进入地壳岩石空隙中，并在其中储存、运动和变化，则形成地下水。地下水是地球上水循环的重要组成部分。 (一)地球上的水循环 自然界中的水(大气水、地表水和地下水)在太阳辐射与地心引力的作用下，不断地运动循环，往复交替着。 海洋是地球上水分的主要源地，在自然条件下，地球上水的循环是从海洋蒸发开始，蒸发的水汽进入大气圈，并被气流输送至各地，一部分深入内陆，一部分留在海洋上空，在适当条件下，因凝结而形成降水。落在陆地表面的降水，除固体水分布区以外，一部分沿地形坡度从高处向低处流动，汇入 河流，称为地表径流；另一部分渗入地下变为地下水，在透水层中由水头高处向水头低处运动，称为地下径流。地表径流和地下径流最后都汇入海洋。这种从海洋出发最后又回到海洋，周而复始的水分运动称为水分循环(图7-1)。 实际上由于各种因素的影响，大部分水分从海洋蒸发、冷凝变成降水再回落到海洋，或者是从陆地地表水体、土壤、植被蒸发进入大气，然后再变成降水落到陆地。这种从海洋→大气→陆地→海洋的循环称为大循环；从海洋→大气→海洋或者从陆地→大气→陆地的循环称为小循环。 (二)地下水的起源 关于地下水的起源有多种学说，如渗入说(渗入水)、凝结说(凝结水)、初生说(初生水)、埋藏说(埋藏水)和脱出说(脱出水)等。通常认为，煤矿床地下水的起源主要是渗入水；分布于沙漠、石漠和山区的矿井水，部分是凝结形成的地下水。 1．渗入水 地表水和降雨融雪渗入地下形成地下水，是普遍接受的观点。十六世纪前、后，我国明代学者徐光启提出：“井与江河地脉贯通，其水浅深，尺度必等，凿井应深几何？宜度天时旱涝”，他明确的提出了地下水与地表水、大气降水之间的密切关系。这一观点与后来罗马建筑学家鲍利提出的地下水和泉皆是降雨融雪渗入地下形成的观点，一起构成了地下水起源的渗入说。这一学说，在第26届国际地质大会上得到了进一步的发展，提出了“地下水和地表水是统一体”的观点。 2．凝结水 十八世纪，德国水力学家福利盖尔认为含水汽的空气进入地下以后与较冷的岩石颗粒接触，即凝结于表面而成凝结水，由凝结水不断地积聚而形成地下水。后来，俄国农学家列别捷夫发展了这一学说。他认为水汽本身可由水汽压力大的地方向水汽压力小的地方运动。当水汽压力相等时，水汽又可以由温度高地方向温度低的地方运动。在运动过程中，水汽遇到冷的岩石颗粒表面时，便形成地下水。 二、水在岩石中的存在形式 按物理性质和分布状态的不同，可将存在于岩石空隙(孔隙、 裂隙、岩溶等)中的水分为气态水、液态水(吸着水、薄膜水、毛 细水和重力水)和固态水等形式(图7—2)。 (一)气态水 气态水和空气一起分布于岩石的空隙中，其活动性很大(尤 其是靠近地表的部分)，但不能被植物吸收。即使在空气不移动 的情况下，气态水本身也可以从绝对湿度大的地方向绝对湿度 小的地方迁移，从而造成水在岩石中的重新分配。例如在夏季， 白天气温高于表层岩石的温度，于是水蒸汽将由大气向地表以 下的岩石中运动和积聚，当岩石中的水蒸汽达到饱和状态时， 就会凝结而形成凝结水。 (二)液态水 液态水包括结合水、薄膜水、毛细水和重力水。其中 结合水有强、弱结合水之分。 1．强结合水 (也称吸着水) 岩石的颗粒表面带有电荷，水分子是偶极体。在静电引力或分子引力的作用下，岩石颗粒表面往往可以吸附水的分子，并形成一层极薄的水层，这一部分水称为强结合水。岩石颗粒表面和强结合水之间的结合力往往可达1.01325×10 9Pa压力。因此，强结合水具有一系列不同于一般液态水的特征：即它不受重力影响；密度大于1；在-78℃以下不冻结，且不溶解盐类；无导电性。这部分水无法被利用，也不能被植物根部吸收，只有当把它加热到105~110℃，使其变为气态水时，才可以改变它的某些特征。 2．弱结合水 (也称薄膜水) 在强结合水的外围继续吸附水分子，并形成一定厚度的水膜，称为弱结合水。其水膜厚度可达几百个水分子直径，但它仍然受分子引力的控制，故不受重力影响。由于岩石颗粒表面对水分子的静电引力或分子引力是向外逐渐减弱的，随着水膜的加厚，分子引力的作用向外层逐渐减弱。因而，弱结合水的密度与普通水一样，只是粘滞性较大，溶解盐类的能力较低。它一般无法利用，但最外层的水分子可被植物根部所吸收。 强、弱结合水都是受水分子力的作用而吸附在岩石颗粒表面上的，其含量多少是取决于岩石的比表面积。岩石的比表面积，是指1cm3岩石中所有颗粒表面积的总和。因此，岩石的颗粒愈小，比表面积就愈大，吸附的水量也愈多；反之，则吸附的水量也愈少。 3．毛细水 含水介质中通常含有毛细空隙(直径小于1mm的孔隙和宽度小于0.25mm的裂隙)，由毛细力支持而充满于毛细空隙中的水，称为毛细水。毛细水不仅受毛细力的作用，同时又受重力的作用。因此，毛细水可以从天然的地下水面起沿毛细空隙上升到某一高度，当毛细力和重力达到平衡时毛细水即停止上升，这一高度称为最大毛细上升高度。岩石的空隙愈小，最大毛细上升高度值愈大。通常，最大毛细上升高度HK，与毛细空隙的直径d成反比，即：
(7—1) 式中：a为毛细常数，在数值上等于半径为1mm的管子中水上升高度。 通常在细粒介质中，毛细上升高度大；在粗粒介质中，毛细上升高度小(表7-1)。此外，最大毛细上升高度还与水的矿化度及温度有关。毛细水可以传递静水压力，亦可以被植物根所吸收。 表7—1 各种疏散岩石的最大毛细上升高度 岩 石 名 称 最大毛细上升高度(cm)  粗粒砂(d=1～2mm) 2～4  中粒砂(d=0.5～1.0mm) 12～35  细粒砂(d=0.25～0.5mm) 35～120  亚砂土 120～250  亚粘土 300～350  粘土 500～600   4．重力水 弱结合水的水膜厚度增大至分子引力所不能控制时，在重力作用下，部分弱结合水将脱离岩石颗粒的控制，在岩石空隙中自由运动的这部分水称为重力水。平常从泉眼、水井、钻孔及矿井巷道中流出的地下水，都是重力水，它们不仅可以自由运动，也可以传递静水压力。重力水是煤田水文地质学研究的主要对象。 (三)固态水 岩石中的水在温度低于0℃时，则变成固态水。有些地方(如我国东北及青藏高原等地高寒地区)冬季土壤冻结，这是由于其中的液态水变成固态水的缘故。 上述各种形式的水，在地壳表层分布有一定的规律性。 例如，在疏松岩石层中打井时，一开始似乎土石很干燥， 其实在这些土的空隙中和粒表面上已有气态水、强结合水 存在；继续向下挖时，土色变暗、潮湿度会增大，这是毛 细水出现的标志；再继续向下挖，井中会出现流动的液态 水，并逐渐汇集成一个稳定的地下水面，这些水即为重力 水。由此可见，在地下水面以上岩石的空隙中是没有重力 水的，只有气态水、结合水(强、弱)和毛细水的分布，这 一范围称为包气带，即为岩石空隙未被水充满的地带。 在地下水面以下，岩石空间被重力水全部充满的部分， 称为饱和带(图7—3)。 三、地下水的基本类型及特征 自然界中，地下水的形成条件和储水空间是较为复杂 的，反映在水质、水量上的特征都有很大差别。为了深入 地研究地下水的特征和变化规律，有必要从中找出共同的 特征，合理地对地下水进行分类。 (一)地下水的分类 地下水分类的方法很多。按起源不同，可将地下水分为渗入水、凝结水、初生水和埋藏水等；按矿化度的不同，可分为淡水、微咸水、咸水、盐水及卤水。此外，还可按地下水的温度、气体成分、运动性质及其动态特征进行分类。这些分类的优点是简单、明确，便于从某一角度去认识和研究地下水，其缺点是对于矿床开采过程中的防治水工作不太适用。根据煤矿建设和生产的实际需要，对地下水分类是按地下水的埋藏条件和含水岩体空隙性质进行综合分类的(表7—2)。 表7—2 地下水埋藏条件和岩体空隙性质的综合分类 按含水岩体空隙性质 按埋藏条件 孔 隙 水 (疏松岩石孔隙中的水) 裂 隙 水 (坚硬基岩裂隙中的水) 岩 溶 水 (岩溶化岩石中的水)  上层滞水 包气带中局部隔水层上的水，主要是季节性存在 坚硬基岩风化壳中季节性存在的水 垂直渗入带中的季节性及经常性存在的水  潜 水 坡积、冲积、洪积、湖积、冰积沉积物中的水；当经常出露或十分接近地表时，成为沼泽水；沙漠及滨海砂丘中的水 坚硬基岩风化壳或中上部层状裂隙中的水 裸露岩溶化岩层中的水  承 压 水 松散沉积物构成的向斜盆地中的水；松散沉积物构成的单斜和山前平原中的水 构造盆地或向斜中基岩的层状裂隙水；单斜岩层中层状裂隙水；构造断裂带中的深层水 构造盆地或向斜盆地中岩溶化岩层中的水；单斜中岩溶化岩层中的水  (二)上层滞水 从赋存条件看，上层滞水是埋藏在包气带中局部隔水层之上的重力水。由于它距地表近，直接受降水补给，补给区与分布区一致。季节性存在，雨季出现，干旱季节消失，其动态与气候、水文因素的变化密切相关。因其分布范围有限，水量少，对矿山的建设和生产几乎没有影响(图7—4)。 (三)潜水 1．潜水的特征 如图7—5，潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。在自然界中, 潜水一般赋存于第四纪松散沉积物的空隙及坚硬岩层的风化裂隙，溶洞内。 潜水的特征受其埋深条件的影响，主要表现在以下几个方面： （1）潜水无隔水顶板，而有一个自由水面(称为潜水面)。潜水面上任意一点均受大气压力作用，因此它不承受静水压力(除局部地段有隔水顶板存在而产生承压现象外)。大气降水和地表水可以通 过包气带直接渗入补给潜水，所以潜水的补给区与分布区经常是一致的。 （2）在图7—5中，潜水面至隔水层之间充满重力水的部分，称为潜水含水层。潜水面至隔水层的距离，称为潜水含水层厚度H。从潜水面向上至地表之间的距离，称为潜水的埋深深度H1。 （3）潜水在重力作用下，由高水位向低水位方向运动。潜水的水量、水位、水质等变化与气象、水文因素的变化密切，因此潜水的动态有明显的季节性特征。 2．潜水面的形状及其表示 潜水面是一个自由表面，其形状可以是一个平面，也可以是一个呈缓斜抛物线，其倾斜方向指向潜水流的方向。平面状的潜水面在自然界中是少见的，常见的倾斜或缓倾斜潜水面。潜水面的起伏通常与地形一致，但潜水面的坡度一般小于地形坡度。排泄条件好的，潜水面坡降大；反之则小。潜水面的变化与含水层的透水性（图7—6）和厚度变化有一定的关系。当含水层的透水性由弱增强或厚度由小增大时，潜水面的坡度由陡变缓；反之，则由缓变陡（图7—6a、b、c）。雨季由于降水的渗入，潜水面升高；干旱季节因缺乏补给来源，潜水面则下降。洪水期间由于河流水位猛涨，当河流水位高于潜水位时，即产生河水补给潜水的现象。人工浇灌、排水，对潜水面变化的影响也很明显。 总之，潜水面是一个随时间变化而不断变化的自由水面。 为了反应潜水面的形状及特征，通常用水文地质剖面图和等水位线图来表示。水文地质剖面图是在一般地质剖面图的基础上绘出表示出水位、含水层和隔水层的岩性、厚度及其变化等地质和水文地质要素（图7—7）。等水位线图则是潜水面等高线图，具体编制方法与地形等高线图相似（图7—8）。由于潜水面随时间而变化，所以编制潜水等水位线图时，必须利用同一时期的水位资料。 ( （四）承压水 1．承压水的特征 承压水是充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水。显然，凡是具备上述埋藏条件的孔隙水、裂隙水和岩溶水等，都可称为承压水(图7—9)，其基本特征为： （1）由于承压水受上、下隔水层限制并充满于含水层之，因而承受静水压力。当所承受的静水压力较大，且地形条件也适合时，即可喷出地表而自流。 （2）由于承压水有隔水的顶板存在，因此大气降水和地表水只能通过承压水的补给区进行补给，造成补给区与分布区不一致。 （3）由于承压水受到隔水层的限制，它与大气圈、地表水圈的联系较弱，因此，气象、水文因素的变化对承压水的影响较小，常表现出较稳定的动态。 2．承压水的形成与地质构造条件的关系 从赋存条件看，承压水的形成主要取决于地质构造。最适合形成承压水的地质构造为向斜构造和单斜构造。前者称为承压水盆地(自流盆地)；后者称为承压水斜地(自流斜地)。 （1）承压水盆地 按照水文地质特征，承压水盆地由补给区、承压区和排泄区三个部分组成(图7-9)。在盆地四周位置较高处，含水层出露的范围称为补给区，它直接接受大气降水或地表水的补给，迳流条件好，不承受静水压力，为无压区。承压含水层之上，具有不透水层的地区称为承压区，该区范围内的地下水均承受静水压力。因此，在承压区，当有钻孔或水井揭穿承压水含水层的顶板后，承压水便涌入孔内，并继续上升到一定的高度后稳定下来，此时的水位，称为静止水位或测压水位。从静止水位到隔水顶板底面的垂直距离，称为承压水头。隔水顶、底板之间的垂直距离，称为含水层厚度。承压水头的大小各处不同，取决于含水层各处的隔水顶板底面与静止水位之间的距离。当测压水位高于该点地形高程时，钻孔打穿隔水顶板后，水即涌出地表，这种压力水头称为正水头(H)；如果测压水位低于该点地形标高，钻孔内的水不能喷出地表，这种压力水头称为负水头(H1)。盆地的低洼处通常是排泄区的分布范围，通常在该区范围内，承压水通过泉或其它方式由此排出。承压水有两种排泄有方式：一种是承压水沿隔水顶板被切割的导水断层排泄，该承压水盆地属于开放型自流盆地（图7—10）；另一种是在含水层完全封闭的情况下，承压水只能通过上覆弱透水的隔水层或天窗以越流方式进行缓慢排泄，该盆地属于封闭型自流盆地（图7—11）。 在向斜构造的承压水盆地中，往往存在多个承压含 水层，每个含水层又有各自的补给区、承压区和排泄区。 承压水盆地有顺地形与反地形的两种类型。前者， 地形与构造一致(图7—12a)；后者，地形与构造不一致 (图7—12b)。不论何种类型，测压水位高的含水层都会 同过越流或钻孔、断裂带补给测压水位低的含水层。 （2）承压水斜地 通常有两种类型，一种是断块构造形成的承压水斜地，其含水层的上部出露地表，成为补给区，下部为断层所切（图7—13）。若断层不导水，当补给水量超过含水层所能容纳的水量时，地下水就要通过补给区的较低部位进行排泄，造成补给区与排泄区一致或相邻近的情形；若断层导水，则地下水可以通过断层排泄。另一种是由含水层岩性发生相变或受各种侵入体阻挡而形成的承压水斜地（图7—14），含水层上部出露地表，下部尖灭或突变，地下水只能通过补给区进行排泄。 3．承压水测压水位面的表示 反映承压水测压水位面特征的基本图件是等水压线图，也称承压水测压水位等高线图(图7—15)，它是根据承压水面上测压水位标高相同点的联线绘制而成。根据等水压线图，可以解决以下实际问题： （1）确定承压水的流向、水头梯度。承压水的运动方向垂直等水压线，由高水位向低水位方向运动(图7—15中箭头所示)。等水压线越密，水头梯度越大。 （2）判断含水层岩性和厚度的变化。承压水测压水位面的变化与岩性及含水层厚度变化有关(图7—16)。 （3）确定测压水位的埋深和承压水头值。将等水压线、地形等高线及隔水顶板等高线绘于同一张图上，根据它们之间的相对关系，便可确定不同地段的测压水位埋藏深度和承压水头的大小。 （4）确定潜水与承压水的水力联系。将等水 压线与潜水等水位线绘在同一张图上，根据它们 之间的相互关系，可以判断潜水与承压水之间是 否有水力联系。如在潜水含水层厚度与透水性变 化不大的地段出现等水位线隆起或凹陷的现象时， 可说明承压水与潜水有可能通过天窗或断裂带产 生水力联系(图7—17)。 (五)孔隙水 第四纪和部分第三纪沉积物及坚硬基岩的风化壳，通常较为疏松，赋存于这些疏松岩层孔隙中的地下水，称为孔隙水。因其埋藏条件不同，则有上层滞水、潜水和承压水之分，分别称为孔隙—上层滞水、孔隙—潜水和孔隙—承压水。孔隙水的存在条件和特征，取决于岩层的孔隙情况。由于孔隙水的分布及其形成规律直接与疏松岩层的形成条件有关，因此不同成因的疏松岩层，其中的孔隙水往往具有不同的分布规律和形成特征。这里着重介绍矿区最常见的两种孔隙水。 1．洪积物中的孔隙水 顾名思义，山洪形成的沉积物称为洪积物，多分布于山前平原和山间盆地，呈扇形，故又称洪积扇。显然，其地面的坡度由山前向平原方向逐渐减小，沉积物逐渐变细，顶部主要为砾石和砂，尾部为亚砂土、亚粘土。因此，岩石的透水性由顶部到尾部逐渐减弱，地下水的埋藏深度也逐渐变浅，这种变化规律决定了顶部迳流带(溶滤带)、中部溢流带(弱矿化带)和尾部垂交替带(盐化带)的水文地质分带性(图7—18)。 2．冲积物中的孔隙水 河流冲积作用形成的冲积物，通常由粘土、亚粘土、亚砂土及砂砾组成，岩性无论在水平或垂直方向上均有很大的变化。在河流的不同地段，冲积物的分布不一样，其水文地质特征各有不同。 在河流上游以冲刷为主，冲积物一般不发育，河谷深切且常常成为排泄地下水的通道。中游地段，河流两岸发育着阶地，岩性上细下粗，上部为亚粘土、亚砂土；下部为砂砾层，透水性好，富水性强，局部具有承压性质(图7—19)。 河流下游以沉积为主，冲积物多形成宽广的平原或三角洲，其岩性在垂直河谷方向上呈有规律的带状分布。距离河谷近处为细砂、粉砂，距离河谷远处，依次为砂土、亚砂土、亚粘土及粘土。在垂直方向上，不同岩性的沉积物成透镜体互相交错，组成统一的含水层（图7—20）。地下水面坡度平缓，迳流条件差，埋藏深度浅。 地下水在垂直河谷方向上的变化规律是地下水面坡度自分水岭向河谷变缓，迳流变弱，埋藏深度变浅，蒸发作用加强，水的矿化度增大。 (六)裂隙水 赋存于基岩裂隙中的地下水，称为裂隙水。显然裂隙水受裂隙的成因和发育程度的制约。根据裂隙的成因，可将裂隙水划分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三种类型；按含水裂隙的产状，又可分为层状裂隙水和脉状裂隙水；此外，按其埋藏条件，还可分为裂隙潜水和裂隙承压水。 1．风化裂隙水 风化裂隙水是赋存于裸露基岩表层风化带(壳)中的地下水水，大都为潜水。只有在基岩风化带的上部为新的沉积物所覆盖时，才可能出现承压水。风化裂隙水属层状水(图7-21)，一般具有统一的水动力系统和统一的水面。由于风化裂隙的发育随深度的增加而减弱，所以含水层的厚度通常是以下部新鲜基岩为其下限。 2．成岩裂隙水 成岩裂隙水是赋存于喷发岩的裂隙中，并呈层状分布的地下水。当其出露地表接受大气降水补给时，多形成潜水。其特点与风化裂隙中的潜水相似。虽分布有限，但富水性往往较强，裂隙不随深度减弱。其隔水底板一般为其它不 透水的岩层（图7—22）。浸入岩中的成岩裂隙，主要发育在与 围岩接触的地方，分布于其中的地下水多为脉状水。在沉 积岩地区，成岩裂隙水主要分布于性质较为脆硬的砂岩和 砾岩层中，水量大小相差悬殊。 3．构造裂隙水 构造裂隙水通常赋存于坚脆的岩石和变质很深的岩石、 背斜挠曲的轴部、大断裂带和横断层附近等构造裂隙发育处。其发育程度很大程度上受岩性、变质程度及所处的构造部位等因素的控制。在同一地区的不同地点，裂隙水的水量、水位可有很大差别。 4．层状裂隙水 层状裂隙水是赋存于层状岩石的风化裂隙、成岩裂隙和区域构造裂隙中的地下水，呈层状分布。含水层的分布与一定层位裂隙发育的岩层相一致，且常与裂隙不发育的隔水岩层互层。 5．脉状裂隙水 脉状裂隙水是赋存于构造断裂带（图7—23）、侵入岩体与围岩接触带（图7—24）中的地下水，沿断裂带呈带状或脉状分布，长度和深度远比宽度大，且具有一定的方向性。既可以形成潜水，也可以形成承压水。含水层的形态不受岩层界面的限制，可以穿越不同层位和不同性质的岩层或岩体。 (七) 岩溶水 储存和运动于可溶岩中的溶蚀裂隙、溶洞和溶蚀通道中的地下水，称为岩溶水。岩溶水在运动过程中，不断地与可溶性岩石(碳酸盐、硫酸盐及卤化物l类岩石)发生溶蚀和冲蚀作用，从而不断地改变着自己的赋存和运动条件。因而，岩溶水不仅是一种具有独特性质的地下水，同时也是一种地质营力。岩石的可溶性及其透水性、水的侵蚀性及其流动性是岩溶形成的基本条件。Д．C．索科洛夫根据水动力条件的变化规律，提出了岩溶水的水动力分带 （图7—25）。 1．包气带 位于最高地下水位以上，渗入水主要沿垂直方向的裂隙向下渗透。因此，在此带中垂直方向的互相不甚连通的溶洞、漏斗和溶蚀裂隙较为发育。 该带通常赋存季节性的上层滞水。 2．水位季节变动带 位于最高水位与最低水位之间，厚度一般由数米 至数十米不等。在高水位期，与包气带(Ⅰ带)相吻合， 地下水作水平运动；低水位期，与饱水带(Ⅲ带)一致， 地下水作垂直方向运动。该带的岩溶形态既有垂直方 向的，也有水平方向的，且一般都比较发育。分布于 其中的地下水，有时为上层滞水，有时为岩溶潜水。 3．饱水带 经常处在地下水面以下，地下水的运动主要以水 平方向为主。经常在河流附近发育着连通较好的且延 伸方向指向河流的水平方向。在此带的岩溶较为发育，分布于带中的地下水主要为替水，但由于河流冲积物的影响而使局部具有承压性质，水量一般不大。 4．深部循环带 位于当地侵蚀基准面以下，地下水的运动已不受当地侵蚀基准面的控制，而是受区域构造和区域地貌的控制。此带的岩溶不发育，常常出现蜂窝状的小溶孔，越向深部岩溶发育越差，乃至消失。分布于其中的地下水，主要是岩溶承压水，一般水量不大。 四、煤矿地下水的化学特征 (一)地下水的物理性质 在漫长的地质年代里，地下水与周围介质相互作用，溶解了介质中的可溶盐分及气体，从而获得各种物质成分；同时，地下水还要经受各种物理的和化学的作用，随时随地改变着原始成分，致使其化学成分复杂化。因此，分析和研究地下水的物理性质和化学成分，对于阐明地下水的来源和流向，以及利用地下水、防止地下水的危害、指导水化学找矿、查明地下水污染、为地下水管理提供科学依据等方面，都具有重要意义。地下水的物理性质主要有温度、颜色、气味、口味等，它们在一定程度上反映了地下水的化学成分及其存在环境。 (二)地下水的化学成分及主要化学性质 地下水的复杂成因造成了地下水化学成分的复杂性。地下水中含有各种各样的离子、气体、胶体、有机质和细菌等见表7—3所示。这些化学成分有的大量存在于水中，有的含量微弱，这主要是与各种元素在水中的溶解度及其在地壳中的含量有关。从而使地下水表现出不同的化学性质。 1．地下水的酸碱性 地下水的酸碱性，主要取决于水中的氢离子浓度，即pH值。根据地下水pH值的大小，将水分成五级（表7—4）。 表7-3 地下水的化学成分 元素及成因 成 分 水中元素富集条件 化 学 元 素  气 体 火成活动 生物成因 空气成因 化学成因 放射性成因 HCl、HF、H2S、S、SO3等 CH4、CO2、重碳氢化合物、N2、H2S、O2 N2、O2、CO2、惰性气体Ar、Ne、He、Kr、Xe、O3、N2O CO2、H2S、H2、CH4、CO、N2、HCl、HF、NH3、B(OH)3、SO2、SO3、Cl等 He、Rn、Th、Ar、Xe等  主要离子和分子微量元素 (含量＜10-3%即10mg/L ) 各种成因 Cl-、SO4=、HCO3-、CO3=、NO3-、Na+、K+、Ca2+ Mg2+、H+、NH4+、H3SiO4、Fe2+、Fe3+、 AI3+及有机物等   各种成因：在黄铁矿、砷矿及其它矿床氧化带中随PH值降低而发生的金属元素的富集；在油、气田和其它有机物聚集的地区中富集碘铵，富集金属元素；结晶岩地区地下水发生Li 、F 、Br、硅酸及其它微量元素富集作用 Li、Be、B、F、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、I、Ba、W Au、Hg、Pb、Bi、Tb、U、Ra等  胶体(细菌) 正胶体 Fe(OH)3、AI(OH)3、Cd(OH)2、Cr(OH)2 Ti(OH)4、Zr(OH)4、Ce(OH)3   负胶体 粘性胶体、腐植质、SiO2、MnO2、SnO2、V2O3、Sb2S2、PbS、As2S3等硫化物胶体  有 机 质 生命代谢产物，生命死亡分解腐植酸和雷酸细菌等 高分子有机化合物、腐植质(雷酸C：44%；H：53%；O：40%；N：15%)、藻类介质、细菌、腐质物质、地沥青、酚、酞、脂肪酸、环烷酸  注：此表引自沈照理主编的《水文地质学》 表7-4 地下水按卫生条件和酸碱度的分类 卫生条件 菌度mI 酸碱度 PH值  卫生的水 ＞300 强酸性水 ＜5  相当卫生的水 100 弱酸性水 5~7  不可靠的水 10 中性水 7  不卫生的水 1.0 弱碱性水 7~9  极不卫生的水 0.1 强碱性水 ＞9   2．地下水的侵蚀性 地下水的侵蚀性有三种类型，即碳酸侵蚀性、硫酸盐侵蚀性及镁化性侵蚀性。 （1）碳酸侵蚀性。地下水与碳酸盐类岩石接触时，便可溶解它而生成HCO3-，反应为： CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3- 可见，当水中含有一定数量的HCO3-时，就必须有一定数量的游离CO2与之相平衡，平衡所需的CO2称为平衡CO2。水中的游离CO2与HCO3-达到平衡后，若又有一部分CO2进入水中，那么反应式要向右进行，使水中HCO3-增加，从而达到新的反应平衡。因此，当水中含有超过平衡所需的游离CO2时，就能使碳酸盐溶解于水而生成HCO3-，其中有一部分用于平衡新增加的HCO3-，另一部分则消耗于对碳酸盐的溶解。被消耗的CO2，称为侵蚀性CO2。因此，超过平衡所需的游离CO2，只有一部分是侵蚀性CO2，而另一部分则为平衡CO2。 （2）硫酸盐侵蚀性。含有一定量SO4=的地下水水渗入碳酸盐岩石中时，SO4=与碳酸盐物质中的一些组分产生化学作用形成结晶的硫酸盐，这种新的化合物在形成过程中，体积膨胀，从而使硫酸盐类物质破坏，便产生所谓的硫酸盐侵蚀性。试验证明，当水中SO4=＞250mg/L或侵蚀性CO2＞3~8.3mg/L时，则水具有侵蚀性。 （3）镁化性侵蚀性。含有大量镁盐(特别是MgCl2)的地下水，与混凝土中结晶的Ca(OH)2起交替反应，形成结晶的Mg(OH)2和易溶于水的CaCl2，从而使混凝土破坏，即所谓的镁化性侵蚀性。 3．水的总矿化度 水中所含各种离子、分子及化合物的总量，称为水的总矿化度，以g/L表示。总矿化度表明水中含盐量的多少，即水的矿化程度。总矿化度的计算方法有两种：一种是按化学分析所得的全部离子、分子及化合物总量相加求得；另一种是将水样在105~110℃温度下蒸干后所得的干涸残余物的重量来表示。后者，干涸残余物的重量常作为核对阴阳离子总和的一个指标。由于水样经过蒸干烘烤后，有近一半的HCO3-分解生成CO2及H2O。因此，这两种方法所得的总矿化度常常是不相等的。故利用分析结果求和得出总矿化度时，重碳酸离子含量只能取一半。按总矿化度的大小，可将地下水分为五类(表7-5)。 水的矿化度(含盐量)与水的化学成分之间有密切的关系。通常情况下，低矿化度的水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+为主要成分。一般来说，矿化度随着埋藏深度的增加而增大。 4．水的硬度及表示方法 通常情况下，水的硬度主要是由地下水中钙、镁离子组成。但酸性矿井水还要计入铁、铝等金属离子形成的硬度。硬度通常分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。总硬度：指水中Ca2+、Mg2+的总含量，它是暂时硬度和永久硬度的总和。 表7—5 地下水按矿化度的分类 名 称 矿化度(g/L)  淡 水 ＜1  微 咸 水 1~3  咸 水 3~10  盐 水 10~50  卤 水 ＞50   暂时硬度：将水加热煮沸后，形成碳酸盐沉淀的这部分Ca2+、Mg2+的含量，反应式为：

由于暂时硬度主要是钙、镁的重碳酸盐组成，所以有时又称它为碳酸盐硬度。由于加热煮沸后，水中的HCO3-不可能完全同Ca2+、Mg2+发生作用生成碳酸盐沉淀，其中有部分因受热分解生成CO2气体逸出。因而，暂时硬度通常小于碳酸盐硬度。 永久硬度：将水煮沸后，仍残留在水中的Ca2+、Mg2+的含量。 硬度的表示方法有以下三种： ①德国度—— 相当于一升水中含有10mgCaO或7.2mgMgO，即一个德国度相当于一升水中含有7.1mg/L的Ca2+或4.3mg/L的Mg 2+。 ②meq/L—— 每一升水中含有Ca2+、Mg2+毫克当量的总数，即相当于20.04mg/LCa2+的含量或12.16mg/LMg2+的含量。1meq/L等于2.8德国度。 ③mol/L—— 每一升水中含Ca2+、Mg2+摩尔的总数，即相当于40.08mg/LCa2+或20.32mg/LMg2+的含量。1mol/L等于5.6×103德国度。 根据水中硬度的大小，可将其分为五类（表7—6）。 表7-6 水按硬度的分类 硬 度 水的类型 德国度 meq/L mol/L  极软水 ＜4.2 ＜1.5 ＜7.5×10-4  软 水 4.2~8.4 1.5~3.0 7.5×10-4~1.5×103  微硬水 8.4~16.8 3.0~6.0 1.5×10-3~3×10-3  硬 水 16.8~25.2 6.0~9.0 3×10-3~4.5×10-3  极硬水 ＞25.2 ＞9.0 ＞4.5×10-3   在石灰岩地区的岩溶水，水的硬度一般在10~25德国度之间；煤矿地区的老窑水和深层的地下水，一般有较高的硬度；酸性岩浆岩和砂岩地区的水，硬度一般较低。 第二节 矿井充水条件 采矿过程中，一方面揭露破坏了含水层、隔水层和导水断层，另一方面引起围岩岩层移动和地表塌陷，从而产生地下水或地表水向井筒或巷道涌水的现象，称为矿井充水。矿井充水补给的来源，称为充水水源。水流入矿井的通路，称为充水通道。充水水源和充水通道构成了矿井的充水条件。 在影响矿井充水条件的一系列因素中，开采方式、回采方法等在一定程度上起着控制作用。 一、回采对矿井充水条件的影响 井巷工程系统形成和回采工作面布置后，采煤方法和顶板管理方法，对矿井充水影响很大。采用不同的顶板管理方法(如陷落法和充填法)，对围岩破坏程度是很不相同的。 (一)采动引起的围岩破坏特征 采掘活动会造成围岩变形、破坏，并导致一系列矿山压力现象的发生。由于工作面的不断推进，煤层顶底板处于持续不断的移动变形和破坏之中。通常，顶板下沉开始于工作面前方40m左右，底板开始移动是始于工 作面前方35m左右，因此在工作面前后围 岩中形成两个典型的矿山压力破坏的移变带 （图7—26）。 回采工作面前方为增压区(支承压力带)， 回采工作面后方采空区为减压区(卸荷带)。 通常在增压区造成围岩挤压变形和破坏。工 作面推过以后，支承压力带逐步转化为采空 区，围岩所受的应力比回采前要小得多，由 强烈的挤压破坏状态变为卸荷释放状态，产 生卸荷裂隙和构造应力释放裂隙。当工作面 推过约12~27m范围时，顶板岩层急剧下沉，在上覆岩层中产生了破坏程度不同的三个区 域，即所谓的“三带”——冒落带、裂隙带和弯曲带（图7—27）。 (1)冒落带 靠近采空区的岩层破坏带，破碎的岩块杂乱无章地堆积，岩块间空隙多而大，为散体块状结构，透水性强。 (2)裂隙带 冒落带上方的岩层破裂带，断裂既可垂直层面产生，也可顺层裂开，呈排列整齐的岩块，为层体块状结构。裂隙连通性好，导水性强。 (3)弯曲带 裂隙带上方的岩层整体弯曲下沉带，该带裂隙不发育，在地表形成塌陷盆地，塌陷盆地的坡缘往往产生锲形张开裂隙，一般深度3~10m。 除顶板“三带”出现外，支承压力变化对底板岩层也有破坏作用。煤层开采后，工作面前后支承压力引起的底板岩层内的等值应力分布情况见图7-28。图中，原始应力状态为100%，超过者为增压部分，小于者为采空卸荷导致的减压部分。在增压区，当作用力超过岩层的强度时，岩层产生变形破坏，阻隔地下水能力降低。采空区底板岩层原岩应力得到释放，引起岩体膨胀，当其发展超过弹性限 度时，便会发生破裂。采空区底板的这种破 裂，称为卸荷裂隙。从形式上看，底板破坏 也应出现类似于顶板“三带”的现象。李白 英等提出了底板破坏的“下三带”概念，即 在采动情况下，出现底板破坏带、完整岩层 带和原始导高带，为煤矿底板突水防治奠定了 理论基础。 (二)回采引起的矿井水文地质条件的变化 ①开采情况下，围岩产生冒落、裂隙和弯曲下沉。冒落带和裂隙带内岩层强度低，阻隔水性能大大减弱，透水性强。一旦连通周围水体，将会造成矿井水害。岩层因弯曲下沉而形成塌陷盆地，发育于盆地边缘的一系列裂隙，大气降水和地表水与矿井充水动态的关系更为密切。 ②开采引起的围岩变形与破坏，必然造成井田水文地质结构和条件的变化，增强了岩层的透水性，引进了新水源。因而，开采活动会使矿井充水水源和充水通道增多增强。 ③采动引起的底板破坏，而造成的底板含水层向矿井充水，称为底板涌水，大者称为“底板突水”。随开拓采掘的延深，矿井底板突水的威胁日趋严重。 ④采掘引起的矿井涌水规律，通常是初期涌水量由小变大，经过一定时间后，涌水量由大变小。若涌水主要来源于静储量，补给水源不足时，涌水便逐渐消失；若涌水主要来源于补给量，补给水源充足时，则逐渐趋于一个稳定涌水量。 二、充水水源及其影响因素 大气降水、地表水、含水层(带)水和老窑水均可能成为煤矿充水水源。一些矿井，在疏降矿井水的过程中，可能引进新的水源，称为袭夺水源。矿井充水水源，分为直接和间接两种充水水源。 顾名思义，在采掘过程中，充水水源的水直接向矿井充水的水源称为直接充水水源，它的富水性和导水性对矿井涌水量大小起主导作用。间接充水水源则是需要经过一定渗透途径才能与矿井或直接充水含水层发生密切的水力联系，这种途径包括构造裂隙带、隔水层变薄或缺失(天窗)的地段、采动导水裂隙带等。通常情况下，间接充水水源与矿井之间有一定厚度的隔水层。间接充水水源富水性、导水性、补给条件对矿井涌水的持续时间和涌水量变化幅度有重要影响。 (一)大气降水 对于地下开采的矿井，大气降水是通过补给充水含水层，构成矿井的间接充水水源。而对于露天煤矿，大气降水则是直接充水水源。大气降水对矿井的充水强度取决于年降水量、降水性质和矿区地形、煤层埋藏深度及上覆岩层的透水性等因素。 1．年降水量大小与矿井涌水量的季节性变化 我国南方潮湿多雨，大气降水是矿井充水的主要因素或决定因素，雨季矿井涌水量占全年涌水量的50%以上。根据图7—29，矿井涌水量年变化幅度为856~2106m3/h，雨季水量为旱季时水量的2~3倍，水位年变化幅度为19.28~95.71 m。 年降水量的季节性变化，使得矿井涌水量也有相应的干、雨季规律变化。根据多年涌水量观测结果，可求出矿井涌水量季节变化系数(η)，即：
(7—2) 季节变化系数反映了矿井涌水量的变化程度。影响季节变化系数值的因素，除降水量大小和降水强度外，还有煤层埋藏深度、顶板岩层充水含水层露头程度、覆盖层厚度、岩石透水性，以及开采方法等因素。 2．降水性质及矿井地形对矿井涌水量的影响 一般情况下，降水性质对地表渗入量影响较大。暴雨不利于大气降水的渗入补给。但对于座落于裸露岩溶山区的煤矿，地表岩溶十分发育，吸收降水量达70~100%，暴雨往往对矿井涌水量产生极大影响，造成最大威胁。 矿区地形直接决定矿井水的汇集条件和排泄条件。分布于山区分水岭或斜坡地带的矿井，由于所处位置高于当地最低排水基准面，充水水源只有降水渗入补给，深切陡峻的地形有利于自然排水，因此对矿井涌水量影响一般不大；位于山前平原和山间盆地中的矿井，降水容易汇集，又由于可采煤层埋藏在当地最低排泄基准面以下，在一定条件下，降水对矿井涌水量影响很大。 3．煤层埋深及上覆岩层透水性对矿井涌水量的影响 由于作为渗流通道的岩层裂隙或岩溶的发育程度是随埋藏深度的增加而减小，岩层的透水性随深度而减弱，且越往深处地下水渗透途径越长，降水的影响越小。因此，煤层埋藏较浅的比埋藏较深的受大气降水影响较大。 在有些平原地区的煤矿，由于存在分布稳定的弱透水或隔水的松散覆盖层(5m以上)，一般认为，大气降水基本对矿井水无多大影响。 (二)地表水 分布于井田范围或附近的地表水，可能成为矿井的充水水源 (图7—30)。当其以溃入形式进入矿井时，水砂俱下，导致井巷淹没。地表水对矿井充水强度和涌水量的影响，决定于地表水的性质、地表水体与矿井间的水力联系、 地表水与矿井开采深度、相对位置及煤层间岩石 的透水性等因素。一般常年性水流以定水头渗入 矿井中，将会形成大而稳定的矿井涌水量。季节 性的小河，可能在雨季时可能对矿井有一定威胁。 1．地表水体与矿井间的水力联系 通常地表水体是通过断裂、直接充水含水层及 采动裂隙等与矿井发生水力联系，这种联系是随矿 井开采方式、采煤方法以及开采规模的不同而变化。 2．地表水体与矿井位置 在垂直方向上，只有当地表水体所处的高程高 于矿井开采系统高程时，地表水才有可能进入矿井 中；在水平方向，当地表水体位于矿井疏降排水形 成的降落漏斗范围内时，才有可能成为矿井充水水 源。如图7—31，甲河处于矿井疏降排水形成的降落 漏斗范围内，引起河水定水头补给，矿井涌水量剧 增，因而甲河为充水水源；乙河距矿井较甲河近， 由于页岩隔水，其位于降落漏斗范围之外，则乙河 不是矿井充水水源。若地表水体与矿井之间有稳定 的隔水层存在，同时采空区顶板产生的导水裂隙不能切穿矿井与地表水间的隔水层，虽二者距离很近，则地表水亦不能进入矿井中。 (三)含水层(带)水 采场围岩中含水层(带)水，通常是矿井最重要的充水水源。一般地，开采第三纪和埋藏浅的侏罗纪及石炭二叠纪煤层的露天矿，矿坑主要充水水源为松散砂层、砂砾石层和半胶结砂砾岩孔隙含水层；开采侏罗纪煤层的矿井，主要充水含水层为基岩裂隙带(水)；开采石炭二叠纪煤层的矿井，主要充水水源除煤层顶底板砂岩含水层外，更重要的是岩溶含水层，如我国南方许多矿区顶板长兴灰岩和底板茅口灰岩、北方的许多矿区的底部石炭、奥陶系灰岩岩溶含水层。 (四)老窑水 在有些矿区的煤层露头地带分布着不同年代废弃的小煤窑，称为老窑。老窑积水区通常是煤矿下部开采的重要充水水源。老窑水突水时，瞬时涌水量很大，来势凶猛，具有很大的破坏性。老窑水若与其它水源无联系，则易于疏干；若与地表水有水力联系，则会造成矿井稳定的充水水源，危害较大。 (五)袭夺水源 开采过程中，矿井因长期疏降排水，水位不断下降，降落漏斗逐渐向外扩张，将有可能袭夺地下水迳流带下游的排泄量。当漏斗中心低于当地排泄基准面时，原为排泄地下水的泉、井干涸，排泄区变成矿井水补给区，使地表水补给矿井；在两眦邻的水文地质单元为透水边界条件下，矿井疏降漏斗进一步扩展，将地下水分水岭向外推移，从而袭夺临近水文地质单元的水源。 上述各种矿井充水水源，对具体的矿井应结合矿区自然地理、地质和矿井开采技术等条件作具体分析。通常，矿井涌水是以某种或几种水源为主。随着生产的发展，矿井充水水源会发生一定的变化。这种变化的决定因素，是充水通道的增或减。 三、充水通道分析 矿井充水通道决定着矿井涌水形势、涌水地点和涌水量的大小。依据充水通道的形式和对矿井涌水作用的大小，充水通道分为断裂构造带(包括岩溶发育带、天窗)、顶板和底板采动裂隙(带)、矿井地表塌陷、岩溶陷落柱、工程充水通道(井筒、小煤窑和钻孔)等，这里重点对断裂构造带、顶板和底板采动裂隙(带)充水通道特征及其对煤矿充水的影响进行介绍。 (一)断裂构造带 煤矿生产中遇到的各种断裂构造，其规模大小及水文地质性质不尽相同，对煤矿的充水影响各有差异。国内、外煤矿有90%以上的突水是断层和裂隙引起的。根据它们与矿井充水水源的关系，以及断裂构造对采矿的影响，可将断裂构造分为含水的、导水的、隔水的等三类（表7—7）。 表7—7 断裂构造水文地质性质分类 断裂规模 断裂性质 与充水水源有水力联系 与充水水源无水力联系  含水的 (断裂为张性、张扭性) 储存水量与补给水量均较丰富，称为富水断裂；在水平或垂直方向与充水水源密切联系，水量大且稳定，不易疏降 为孤立的含水断裂带；它分布于粉砂岩、细砂岩中；只有储存量；充水特点开始水量较大，后逐渐减少，称为储水断裂  导水的 (张扭性、压扭性断裂，在断裂面的某一侧，次一级张性断裂发育) 断裂导水，以补给量为主，称为导水断裂；其本身含水量少，与矿井充水水源有密切联系 在断裂中可能含有一些无源的脉状水  隔水的 (压性、压扭性断裂，少数为张性和张扭性，后期被充填和胶结) 局部有风化裂隙水，称为隔水断层，具有阻隔地下水流的作用 断裂切断含水层的水力联系，具有隔水、阻水作用  注：根据不连续面两侧岩层有无明显错动，断裂构造分为断层和裂隙。裂隙与节理在概念上是有区别的； 裂隙泛指岩层中的裂缝；节理是岩层中成组发育有规律分布的缝隙。 不同水文地质类型的构造断裂，对矿井充水有以下影响： ①由于断层的错动，使开采煤层与含水层接近或直接接触(图7-32)，特别是将强含水层(底部奥陶系灰岩)抬起，会成为矿井最易突水的危险地段； ②断裂构造破坏了地层的完整性，降低其力学强度，通常会形成地下水突破的软弱带。在可溶岩地区，断裂构造控制岩溶的发育。因而，采掘工程揭露导(富)水断裂或在导(富)水断裂附近施工采掘工程时，富水断裂可成为矿井直接充水水源，导水断裂可成为矿井充水通道。它们可以将与之相联系的地下水、地表水、老窑水等导入井下，增大矿井涌水量。 ③开采引起的不导(含)水断裂的活化，是煤矿安全 生产的潜在隐患。在天然条件下一些不导水及不含水的 断层，因采掘深度增大或矿井长期排水，疏降漏斗不断 地向外扩展等影响，在矿山压力和承压含水层静水压力 共同作用下，可转化为导水断裂。 由此可见，断裂构造的存在是矿井突水的重要因素。 因此，煤矿生产中要详细研究断裂带的产状要素、规模、 延伸方向、发育密度、充填情况、胶结程度及其两侧的 岩性和伴生裂隙等。 对于矿井充水通道来说，研究得最多的是导(含)断裂。 但除此以外也不可忽视富水含水层本身亦是矿井充水的通 道。如图7—33所示，峰峰矿区一井田中部有两条相邻的 向南东倾斜的正断层F2、F2，落差分别为108 m和100 m，并切断了东西两盘灰岩的水力联系。由于两断层中一个由南西向北东尖灭，另一个由北东向南西尖灭，在两断层尖灭地段之间灰岩层没有被破坏。根据矿井排水连通试验证明，该地段即是灰岩水由西向东的迳流通道。 (二)顶板采动裂隙 回采工作面上方岩层因其强度及其距离采空区距离的不同，通常在采动条件下表现出不同的变形破坏特征。煤矿生产中，把位于回采工作面之上的一层或几层岩层称为直接顶，它是由页岩或砂页组成，具有一定的稳定性，易随回柱而跨落；有时在煤层与直接顶之间有一层小于0.3~0.5m的极易跨落的(随开采随冒落)较松软 岩层，称为伪顶；位于直接顶之上，有时直接位于煤 层之上的坚硬岩层称为老顶，它通常是由砂岩、石灰 岩及砂砾岩等组成。开采煤层时，在回采工作面推进 到一定距离后顶板急剧下沉，老顶及上覆岩层折断， 引起第一次来压叫老顶初次来压。 随回采工作面的不断推进，在老顶跨落的同时， 煤层上覆岩层的移动变形和破坏也开始了，而这种 破坏是直接顶板冒落、老顶裂开，一直向上发展为 弯曲、下沉，直至地表（图7—34）。在煤矿水文地质 学上，将采动破坏的顶板冒落带、裂隙带统称为导 水裂隙带。 1．导水裂隙带高度的确定 为了防止采掘工作工程免受上方水体(指地表水、含水层或与其它水体相连通的导水断裂构造等)的水害威胁，通常在上方水体与采掘工作面之间留设一定高度的煤层不采。这段煤层称为防水煤柱，其下限标高称为开采上限。在煤矿水文地质学中，防水煤柱高度是自开采上限至上方水体底界之间的垂直高度，这段高度内除了煤层以外，还有岩石，因而更确切地应称之为防水煤(岩)柱（图7—35）。 防水煤(岩)柱高度的确定方法是采动后顶板岩层破坏的最大高度(即导水裂隙高度)加上一定高度(或厚度)的保护层。导水裂隙带发育高度与采厚、分层数、顶板岩性及其不同岩性岩层的组合、煤层倾角、顶板管理方法等因素有关。一般导水裂隙带高度是随采厚的增大而增大，随分层开采数目的增加而减小。顶板管理的垮落法对覆岩破坏最严重，充填法破坏性小，支撑法位于二者之间。 煤层顶板岩层结构为致密坚硬的岩石组成，或是为多孔软弱岩石组成，其破坏程度不同，覆岩破坏高度与岩性有着密切关系。一般来说，煤层直接顶板至老顶全由多层结构的坚硬岩层(如砂岩、石灰岩)组成时，一旦被破坏，导水裂隙带发展得相对较大；若为多层结构的软弱岩层组成时，则导水裂隙带不发育。 当覆岩为坚硬岩层、煤层产状水平且初次开采的情况下，假设采出的煤层厚度为M，开采空间达到相当大后，不规则的冒落带最大高度为H冒，冒落的岩块碎胀系数为K，当冒落的岩块体积等于开采空间和冒落岩体体积之和时，不规则冒落过程方能停止。即
(7-3) 若煤层倾角为α，则：
(7-4) 式中：K值不易实测，往往采用经验数值，一般取1.2~1.5左右。 裂隙带的高度(H裂)一般为冒落带高度(Hc)的1.5~2.0倍。 导水裂隙带的高度(Hf)为：
(7-5) 生产经验表明，开采缓倾斜煤层，覆岩导水裂隙带的高度约为开采厚度的10~16倍；开采急倾斜煤层，覆岩导水裂隙带的高度约为开采厚度的6~13倍。 目前，在生产实践中采用实测法（参照图7—27）找出不同条件下冒落带、裂隙带发育规律，并总结出经验公式列于表7—8。 表7-8 冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式表 煤层倾角(°) 岩石抗压强度( N/cm2) 岩石名称 顶板管理方法 冒落带最大高(m) 导水裂隙带(包括冒落带最大高度)  0~54 3920~5880 辉绿岩、石灰岩、硅质石英岩、砾岩、砂砾岩、砂质页岩等 全部陷落 HC=(4~5)M    1960~3920 砂质页岩、泥质砂岩、页岩等 全部陷落 HC =(3~4)M    ＜1960 风化岩石、页岩、泥质砂岩、粘土岩、第四系和第三系松散层等 全部陷落 HC=(1~2)M   55~85 3920~5880 辉绿岩、石灰岩、硅质石英岩、砾岩、砂砾岩、砂质页岩等 全部陷落     ＜3920 砂质页岩、泥质砂岩、页岩粘土岩、风化岩石、第三系和第四系松散层等 全部陷落 HC=0.5M   注：1．M—累积采厚(m)；m—煤层厚度(m)；n—煤分层层数；h—采煤工作面小阶段垂高(m)； 2．缓倾斜和倾斜煤层的冒落带、导水裂隙带最大高度，系指从煤层顶面算起的法向高度；对于急倾斜煤层，系指从开采上限算起的垂向高度。 2．采动覆岩破坏对矿井涌水量的影响 采动引起的覆岩破坏，若所形成的导水裂隙带波及 上覆水体(或富含水层)时，则会引起矿井涌水量急剧增 加（图7—36）。有的情况下，导水裂隙带虽未波及到水体， 但由于破坏了煤层上覆隔水层，使导水裂隙与透水层沟 通，同样会增加矿井涌水量。 当然，导水裂隙带所波及到的水体为弱含水层，由 于补给来源不大，涌水量有限，对矿井无大的影响。如 山东柴里矿，由于导水裂隙伸入弱含水层中，补给有限， 使矿井总涌水量增加不多（图7—37）。 此外，开采煤层与上覆水体之间若分布有一定厚度 (一般认为粘土岩层大于5m)，且分布稳定的隔水层，既 能抑制导水裂隙带的发育高度，又有阻隔上覆水体中的 水涌入矿井。 总之，对煤层顶板进水问题，不仅要详细研究天然 条件下煤层上覆岩层主要含水层和充水通道，还必须分 析开采活动的影响。顶板管理的充填法，可以减轻围岩 的破坏，因而对矿井涌水量影响较小；陷落法，由于采 后不充填，造成围岩破坏，形成人工裂隙，使矿井涌水 量随开采面积的增大而相应增加。因此，根据矿井岩层 水文地质特征，制订合理的采煤方法和顶板管理方法， 将充水水源控制在导水裂隙带以外。 (三)底板采动裂隙 采掘活动同样破坏了岩层底板岩层的天然受力状态， 造成煤层底板破坏，从而造成煤层与下伏含水层之间有 效隔水层厚度减小。采动底板破坏深度与开采强度、底 板岩性及构造等因素有关。而且煤层底板以下含水层中的地下水是具有一定压力水头的承压水。一定条件下底板水在水压和矿山压力作用下突破底板进入矿井，通常称之为矿井底板突水。 1．矿井底板突水因素 煤矿生产实践证明，矿井底板突水是矿井水文地质条件与矿山压力综合作用的结果，其决定因素是底板充水含水层静水压(р)的大小、煤层与底板充水含水层之间的有效隔水层厚度及强度、采掘活动及矿山压力对底板隔水层的破坏程度等。 （1）静水压力作用 我国多数煤矿中煤层底板充水含水层静水压力很大，是矿井底板突水的决定性因素。底板充水含水层底板任一点的静水压力为： P=Pa+γH (7-6) 式中：P——煤层底板任一点的静水压力，N/cm2； Pa——大气压力，N/cm2； γ——地下水容重，N/cm3； H——某点含水层水头，m。 当静水压力大于底板隔水层抗压强度时，底板则突水。 （2）有效隔水层的厚度及强度 煤层底板中，在煤层与底板含水层之间的隔水层厚度，减去因开采引起的底板破坏深度，即为有效隔水层厚度。煤层的底板为多层结构岩体，每一岩层的岩石力学性质、厚度和裂隙发育程度及水文地质性质各有特征，并严格受构造部位的控制。如从褶曲翼部到核部，岩石裂隙由不发育到发育；在断层两侧地段石灰岩溶洞发育，其它地段则不发育。同时，不同层位岩层岩石力学强度有所差异。因此，煤层底板岩层的阻隔水能力则有差异，有效隔水层厚度各处也是不同的，底板突水的可能性各处差别较大。 （3）矿山压力作用 前面已经讲到，在回采工作面推进过程中，煤层底板岩层中出现支承压力带和卸荷带。支承压力带增压和采空区减压，使两区垂直压力差异很大，故对底板产生强大的剪切应力。当回采工作面推进到第一次老顶来压的瞬时，剪切力最大，因此对底板破坏最甚。井田中构造应力在时间、空间上分布的不均匀性，导致了不同构造部位的煤层底板岩层破坏情况差异较大。岩石破坏强烈的地段承载能力小。因而在相同条件下，矿山压力对其破坏愈容易被高压地下水突破。 采掘过程中的其它震动(如放炮、放顶等)底板突水的案例也时有发生，持续的冲击力和气浪作用于底板岩石，也会使底板岩石强度降低，引发底板突水。有的矿井，在采掘过程中，一炮引起突水事故的例子，可证明这一点。当各种载荷对底板作用时，动能作功，底板岩石以破裂而消耗其能量；同时给高压水一个冲击力，使煤层底板相对隔水层受到锲开式的破坏，形成裂隙。采动产生的裂隙又与地质时期构造运动形成的原有构造裂隙互相交织穿叉，互相促进发育，在一定条件下，形成穿层性的裂隙系统，为高压水的突破打开了水路，这就是煤矿不可避免的发生突水事故的客观原因。 2．煤层底板突水分类 根据突水的主导因素，可将底板突水分为两种类型，即静水压力型和矿山压力型。 （1）静水压力型突水。它主要是在采掘卸荷和承压水静水压力作用下，底板隔水层或断层破坏带的完整性和稳定性遭受破坏发生的。该类突水，多发生在巷道开拓掘进过程中，承压含水层的静水压力是起主导作用，隔水结构层岩性、组合形式、厚度和断裂发育程度是控制突水的重要因素，而矿山压力是次要因素。 （2）矿山压力型突水。其突水条件是矿山压力和静水压力共同破坏底板隔水结构层造成的。该类突水主要发生在采煤工作面或采空区，矿山压力是控制突水的主导因素，隔水结构层厚度和静水压力是重要因素。 3．底板突水的突水系数法评价 为了预测突水，必须对底板隔水层的阻隔水作用作出定量评价。评价时除分析研究底板隔水层的厚度分布、构造裂隙发育情况外，还要应用一定的指标进行定量化的分析。突水系数法是评价底板突水时应用最早，方法最简便的一种方法，在很多矿区应用得比较广泛。突水系数是反映底板隔水层阻隔水性能的一个综合指标。 根据国内资料，矿井水文地质条件越复杂，越要重视底板隔水层的阻隔水作用。图7-38所示的是匈牙利外多脑矿区二十多年研究得出的有关资料，表明了单位隔水层度(γ)对突水次数、突水强度所起的作用。近于γ=0.2(m.cm2)/N时，为曲线的转折点，即大于此值时，单位面积上的突水次数和突水平均水量急剧减少，当小于此值时则迅速增加。因此，根据单位隔水层厚度的大小进行矿井水情分区。当γ＜0.2(m.cm2)/N为危险区；γ=0.20~0.6(m.cm2)/N为较安全区；γ＞0.6(m.cm2)/N为安全区。单位隔水层厚度不仅用作底板防水指标，并在留设防水煤柱时也可作为防治水指标。 我国采矿历史悠久，有丰富的防治底板突水的经验。早在上世纪二十年代就注意到矿山压力对底板突水的作用，在不断总结经验和教训的基础上，积极探索底板含水层水压、底板隔水层和矿山压力与突水的关系，并依据山东淄博、河南焦作、河北井陉和峰峰等大水矿区的大量突水资料，提出突水系数的经验公式，即：
(7-7) 式中：TS——突水系数，N/(m.cm2) ； P——隔水结构层承受的水压，N/ cm2； M——隔水结构层总厚度，m； CP——采矿对底板隔水结构层的破坏厚度，m。 按式（7—7）计算几个矿区的突水临界值列于表7-9中。 表7-9 四个大水矿区突水系数表 矿 区 淄 博 焦 作 井 陉 峰 峰  TS N/(m.cm2) 5.88~13.72 6.47* 5.88~9.80 6.47* 5.88~14.7 6.47~7.45 7.06*  *上述数据是由整个矿区统计得出。如淄博矿区大于6.47N/(m.cm2)的占86%，小于的占14%，故取6.47N/(m.cm2)。 根据全国实际资料，按式（7—7）计算，矿井煤层底板受构造破坏地段的突水系数一般不大于5.88N/(m.cm2)；正常地段不大于14.7N/(m.cm2)。根据突水系数的临界值，绘出井田水情危险区范围。在突水危险区，突水系数都大于临界值。因此，采掘前必须采取防治水措施。 第三节 矿井水防治 在煤矿建设和生产过程中，为防止水害事故发生，保证煤矿建设和生产的安全，减少矿坑(井)正常涌水量和降低生产成本，充分合理地回收煤炭资源，都需要进行矿井水的防治工作。为了有效地开展煤矿防治水工作，必须在充分了解矿区(井)的地质和水文条件，分析研究矿井水的形成条件及其充水条件分析的基础上，对不同的充水来源和水量大小，分别采取不同的防治措施。矿井涌水具有两重性。对于煤矿安全生产来说它是水害，但又是资源，经过适当处理后便可予以利用。因此，现阶段煤矿防治水工作，既要进行水害治理，也要重视和加强水资源的保护和废水综合利用。 煤矿防治水的原则是，以防为主，防、排、疏、堵相结合，在确保安全的前提下，要做到经济合理，技术可行，效果最佳，资源效益最好。实际工作中，煤矿防治水工作还应坚持先易后难、先近后远，先地面后井下、先重点后一般、地面与井下相结合、重点与一般相兼顾。目前常用的矿井水防治方法有地面防水、井下防水、疏干降压、矿坑(井)排水和堵水防渗等。 一、地面防水 对于露天矿、采深浅的矿井或主要充水来源为大气降水及地表水的矿井，应加强地面防水工作。地面防水是指在地表修筑防排水工程或采取其它措施，以限制大气降水和地表水补给含水层或直接渗入井下。我国《煤矿安全规程》将煤矿地面防治水列为经常性工作之一，要求雨季前都要建立地面防水机构、制订计划、落实措施、监视水情和组织抢险， 露天矿则要对地面防排水工程进行专门的设计。通常，地 面防排水工程包括：挖沟排洪、河流改道、整铺河床、堵 塞通道等措施。 (一)挖沟排(截)洪 位于山麓或山前平原的矿区(井)，为了防止雨季山洪或 潜流侵袭或淹没矿坑、井口和工业广场，一般应在矿区(井) 上方，垂直来水方向开挖大致沿地形等高线布置的排(截)洪 沟（图7—39），拦截洪水和浅部地下水，并利用自然坡度 将水引出矿区(井)。 (二)河流改道及整铺河床 对于有通过矿区(井)范围内的河流(或渠道、冲沟等)， 可采取河流改道或整铺河床的办法，避免河水对矿区(井)的 威胁。在河流流入矿区(井)的上游地段筑坝，拦截河水，同 时修筑人工河床将水引出矿井（图7—40）。若河流规模不大， 河水只是沿河床或沟底的裂缝有渗入矿井的倾向，则可在漏 失地段用粘土、石料或水泥铺砌不透水的人工河床，以制止 或减少河水漏失（图7—41）。 (三)堵塞通道 大气降水及地表水直接或间接地渗入矿井的通道有多种，如采煤塌陷坑及其周围发育的裂缝、基岩(如煤层及充水岩层)露头区的裂隙、溶洞及岩溶塌陷坑、废弃钻孔及老窿等。在地面水防治工作中，要经查明上述通道与矿井涌水量之间的水力联系程度。若存在水力联系，可用粘土、块石、水泥、钢筋混凝土等将其堵填。大的塌陷坑和裂缝使其略高于地表（图7—42）。分层夯实，并对地下仍有空洞的塌，在下部充以砾石，上部覆以粘土，陷区，填堵时安装排气孔(管)，以防地下水位下降时形成真空负压，而再次产生塌陷。 二、井下防水 若地面防水是保证煤矿安全生产、免受水害 威胁的第一道防线的话，那么，井下防水则是重 要的第二道防线。井下防水措施包括：探放水、 留设防水煤(岩)柱、设置水闸门和水闸墙等。 (一)探放水 当采掘工作面接触或接近充水的小窑老空、充水断层及强含水层等水体时，就有发生突水的可能。为了消除隐患，需要遵循“有疑必探，先探后掘”的原则，首先探明这些水体的具体位置，而后采取相应的措施将水放出，这项工作称为探放水或超前探放水。 在下列情况下需要进行超前探水：巷道掘进接近老空；巷道接近或需通过充水断层及强含水层(带)；煤层受顶底板含水层威胁，其隔水层厚度小于或接近计算安全厚度(t安)；采掘工作面发现煤层变潮和光泽变暗、煤层发汗及煤壁变冷、工作面气温降低和出现雾气、煤壁挂红或掌子面有水叫声、巷道顶板淋水或底板鼓起等。实际防治水工作中，需要首先对被探放水体对象的水量、水头压力进行计算(在资料缺乏的情况下只能估算)，为探放水方案的制定，探放起点、探放水钻孔数量、布置方式及安全技术措施的确定提供依据。 1．探水起点的确定 这里以探放老窑水为例，说明探放水起点 的确定方法。充水断层和强含水层探放水起点 的确定也可参照该方法。 为安全起见，通常按老窑的最深下山划定 一条积水线，由该线外推60~150m作为探水线 （图7—43）。由探水线再平行外推50~150m作为 警戒线，巷道进入此线后就应警惕积水的威胁。 探水线和警戒线的外推数值，取决于积水区的水头压力、积水量大小、煤层厚度及其抗张强度等因素。 （1）老窑积水量及应放水量按下式估算：
(7-8)
(7-9) 式中：M——煤层厚度(厚煤层按实际采高)，m； h——老空内水头高度，m； L——采空区走向长度，m； α——煤层倾角，度(°)； K——老空充水系数(一般取0.3~0.5)； q——应放水量，m3/min； t——允许放水期限(依据矿井实际排水能力和生产衔接的需要确定)，min； q1——老空的经常涌水量(若无补给量时，此值为零)，m3/min。 （2）放水孔数及单孔理论放水量的计算：
(7-10)
(7-11) 式中： N——放水孔数； q钻——预计放水孔的理论水量，m 3/s； C——流量系数(常用0.6~0.62)； A——钻孔的有效断面，m2； g——重力加速度，为9.8m/s2； h——老空内的水柱高度(由于h随积水放出而不断降低，钻孔水量也有所减少，h值通常取实际水头高度的40~50%，以求得整个放水过程中的平均流量)，m。 2．超前距、帮距 在探水工作中，需要探水—掘进— 探水循环进行，即探水孔为巷道掘进 探明一段安全距离，巷道再进行掘进 ，而后再探再掘，每次探明的安全距 离称为超前距（图7—44），其计算公 式（图7—45）为：
(7-12) 式中：L——防水煤柱宽度(超前距)，m； M——巷道跨度(高或宽，应取大者)，m； P——含水层中地下水作用在煤柱上的静水压力，Pa； KP——煤柱抗张强度，Pa； K——安全系数(一般取2~5，它可以视煤层抗张强度值的可靠性、煤层受破坏情况和产状、煤厚及承受水压的变化情况而定)。 探水孔一般不少于三组，每组1~3个孔，一组为中心眼，另两组为斜眼，与中心眼成一定角度的扇形或半扇形布置。其目的是对巷道前方的中心及其上下左右都能控制。中心眼终点与外斜眼终点之间的距离，称帮距。实际工作中，超前距一般采用20m(薄煤层不小于8m)。帮距一般与超前距一致，可略小1~2m。现将淄博矿区多年来探水所采用的经验数据列于表7—10中，以供参考。 表7—10 淄博矿区超前距的经验值 煤层厚度 (m) 水头压力 (Pa) 最小超前距 (m)  1.6~2.2 ＞2.9×106 9.8×105~2.9×106 ＜9.8×105 20 16 14  1.2~1.6 ＞2.9×106 9.8×105~2.9×106 ＜9.8×105 20 14 10  0.7~1.2 ＞2.9×106 9.8×105~2.9×106 ＜9.8×105 18 12 10  ＜0.7 ＞2.9×106 9.8×105~2.9×106 ＜9.8×105 16 10 8  3．探水钻孔的布置原则 探水钻孔布置的一般原则是：保持孔与孔之间的终孔距离尽量小；原则上是薄煤层孔少，厚煤层孔多；应使巷道前进方向上的煤层空间均有钻孔控制。 （1）煤层中平巷的探水孔应布置在上帮，并呈半扇形（图7—46），钻孔组数及夹角视具体情况而定。 ②薄煤层中上山巷道的探水孔于巷道前进方向呈扇形布置(7-47)。 （3）煤厚大于2m的倾斜煤层中探水孔的布置，可与薄煤层相同。但由于煤厚增大，每组钻孔的孔数应相应增多，并应包括有见底和见顶的钻孔。 4．探水与掘进配合 为了取得良好的防治水效果，探水必须与掘进施工管 理相结合。 （1）双巷掘进、交叉探水 上山巷道掘进时，由于积水区上方，巷道三面受水威胁， 在这种情况下一般采用双巷掘进、交叉探水（图7—48）。 双巷掘进、交叉探水的顺序：甲巷掘进，乙巷同时探水；乙 巷掘进，甲巷同时探水。最后直至探水终止。 （2）双巷掘进、单巷超前探水 平巷掘进时，应保证靠近老空的平巷(称副巷)要超前于下面平巷(称正巷)一段距离（如20m），此时可只在副巷探水，正巷随后掘进（图7—49）。在煤层埋藏较浅、地层倾角大的地区，这种方法不适用，应改为双巷交叉探水掘进。 （3）单巷探水、双巷掘进 在靠近老窑一侧的巷道中，当探水孔能控制另一巷道的掘进范围时，下面巷道可不探水，两条巷道同时掘进（图7—50）。 （4）平巷和上山互相配合探水 在同一煤层内，上方施工平巷，下方向上掘进上山时，应先探水掘进平巷，而后再施工上山（图7—51），从而减少上山掘进时的探水工作量。 5．探水作业安全注意事项 在探放水量和水压很大的积水或强含水层时，要制定 好安全技术措施，对探水工作面的支护；排水系统和排水 沟的疏通、增加防排水设施(临时水仓、水闸门等)和排水 能力方案拟定、通风和瓦斯检查、有有毒害气体的预防、 避灾路线和联络信号的确定等方面，都要提出明确的要求， 同时要求拟订好钻探安全技术保障措施，经有关部门审查 通过后予以实施。安装好放水孔孔口管，是安全有效地疏放 水量大、高水压充水水体的重要技术措施。 通常情况下，孔口管的安装必须固定在岩石坚硬完整的地段。安装前首先用大口径钻头开孔至一定深度(视水压大小而定)后再放入孔口管，在套管与孔壁间的空间灌注水泥浆，而后采用较小尺寸的钻头在孔内钻进，直至钻透老孔或含水层为止，最后推出钻具，在孔口外露部分装上压力表、水阀门和导水孔（图7—52）。 为保证孔口管安装的质量，一般都需要进行注浆检查。在孔口管放入钻孔后，于孔口用较稠的水泥浆将套管封死，并在套管上留一个小管，待水泥凝固后由孔口管向孔内注浆，使水泥浆进入套管与孔壁之间的空隙和岩石裂隙缝中（图7—53）。 开始时，空气和水由上面的小管跑出，随后跑出水泥浆，待稠的水泥浆从小管跑出后，即停止注浆，关闭套管的阀门；待水泥浆凝固后再打开阀门，用较小直径的钻头在管内扫孔，然后向孔内压水。当压力超过6.86×105Pa而不漏水时，即可认为效果良好。如有跑水现象，则需再次进行注浆加固，直至合乎要求为止。 (二) 留设防隔水煤(岩)柱 在矿井可能受到水威胁的地段，留设一定宽度(或高度)的煤(岩)柱，进行防隔水。这种煤(岩)柱，称为防隔水煤(岩)柱。根据《矿井水文地质规程》(1984年)规定，凡属下列八项之一者，必须留设防隔水煤(岩)柱，即：煤层露头风化带；含水及导水断层，或与富含水层相接触的断层；煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时；煤层位于含水层上方，且断层又导水；在矿井水淹区或老窑积水区下采掘时；受保护的地表水体；受保护的通水钻孔；井田技术边界(如人为边界或断层为界)。 防隔水煤(岩)柱的留设需要考虑被隔水源的水压和水量、煤层厚度、巷道尺寸、围岩被破坏的程度，以及采空后顶板的冒落情况等因素。现仅介绍《矿井水文地质规程》附录中推荐的各类防隔水煤(岩)柱留设的方法，以供参考。 1．煤层露头防隔水煤(岩)柱的留设 (1)煤层露头无覆盖或被粘土类微透水松散层覆盖时，按下式留设： H防=H冒+H保 (7-13) (2)煤层露头被松散富含水层覆盖时（图7—54），按下式留设： H防=H裂+H保 (7-14) 根据式（7—13）、式（7—14）计算的值，不得小于20m。 式中：H防——防水煤(岩)柱高度，m； H冒——采后冒落带高度（计算时按表7—8取值），m； H裂——采后导水裂隙带高度（计算时按表7—8取值），m； H保——保护层厚度，m。 2．含水或导水断层防隔水煤柱的留设 含水或导水断层防隔水煤柱的留设（图7—55），可参照式（7—12）计算。 3．煤层与强含水层或导水断层接触并局部被覆盖时防水煤柱的留设 (1)当含水层顶面高于最高导水裂隙带上限时，防隔水煤柱可按图7-56a，b留设。 (2)最高导水裂隙上限高于断层上盘含水层时，防隔水煤柱按图7-56c留设，计算公式为： L=L1+L2+L3=H安(sinγ-cosγctgθ)+(H安cos γ+M)(ctgθ+ctgγ) (7-15) 式中：L——防隔水煤柱宽度，m； L1、L2、L3——煤柱分段宽度，m θ——断层倾角，度(°)； γ——岩层塌陷角，度(°)； M——断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度， m； H裂——最大导水裂隙带高度，m； H安——导水裂隙带至含水层间防隔水岩柱的厚度，m。 H安值应根据矿井实际观测资料来确定，即通过总结本矿区在断层附近开采时发生突水和安全开采的地质、水文地质资料，计算其水压P与防隔水煤岩柱厚度M的比值TS=P/Ts，并将各点之值标到以TS= P/Ts为横轴、以埋藏深度H0为纵轴的坐标纸上，绘出TS值的安全临界线（图7—57）。 H安值可按下式计算：
(7-16) 式中：P——防水煤柱所承受的静水压力，Pa； TS——突水系数； H保——保护层厚度（一般取10m），m。 矿区如无实际突水系数，可根据隔水层岩性、物理力学性质、巷道跨度或工作面空顶距、采煤方法和顶板管理方法等因素参考其它矿区资料（表7—11）。 表7-11 某些矿区的临界突水系数值 矿区名称 临界突水系数(Pa /m)  峰峰 0.66~0.76  焦作 0.60~1.00  淄博 0.60~1.40  井陉 0.60~1.50  4．煤层位于含水层上方且断层又导水的情况下防隔水煤柱的留设 当位于含水层上方，且断层又导水的情况下（图7—58），主要煤层底板隔水层能否抗住下部含水层的压力和断层水在顺煤层方向上的压力。 当考虑底部压力时，应使煤层底板至断层面之间的最小距离(垂距)大于安全煤柱(H安)的计算值且不得小于20m，其计算公式为：
(7-17) 式中：α——断层倾角，度(°)，其余符号同前。 当考虑断层水在顺煤层方向上的压力时，应按式(7-12)计算煤柱宽度。根据此种方法计算结果，取用较大的数值，但最小不得少于20m。 如果断层不导水，留设防隔水煤柱时，应使含水层顶面与断层面交点至煤层底板间的最小距离(在垂直于断层走向的剖面上)，要大于安全煤柱的高度H安即可（图7—58），但最小不应少于20m。 5．在水淹区或老窑积水区下采掘时防隔水煤(岩)柱的留设 （1）巷道在水淹区下或老窑积水区下掘进 时，巷道与水体之间的最小距离不得小于巷道高 度的10倍。 （2）在水淹区下或老窑积水区下同一煤层 中进行开采时，若水淹区或老窑积水区的界线已 经查明，防隔水煤(岩)柱的尺寸应按式7—12留设。 （3）在水淹区下或老窑积水区下的煤层中进 行回采时，防隔水煤(岩)柱的尺寸不得小于导水裂隙带最大高度和保护带高度之和。 6．其它防隔水煤(岩)柱的留设 （1）保护地表水体防隔水煤(岩)柱的留设，可参照有关“三下”开采的规程执行。 （2）保护通水钻孔防水煤柱的留设，要根据钻孔测斜资料换算钻孔见煤点坐标，按式7—12的方法留设。如无测斜资料，必须考虑钻孔可能偏斜的误差。 （3）相邻矿(井)人为边界防隔水煤(岩)柱的留设，要考虑矿井水文地质复杂程度等因素，具体可参照煤矿设计的有关规程或规定。 （4）井田以断层为边界防隔水煤柱的留设，必须考虑井田另一侧煤层的情况，以不破坏另一侧所留设煤(岩)柱为原则。除参照断层煤柱的留设外，尚可参考图7—60。 (三)水闸门和水闸墙 为了预防采掘过程中发生事故，常需要在井下适当地点 设置水闸门或水闸墙，以便在突水时隔离巷道或封闭采区， 避免波及全矿井。 1．水闸门 一般设置在可能发生涌水需要堵截的巷道内，如井底车 场、水泵房和变电所的出入口处，以及有突水危险地区与相 邻地区的巷道内。水闸门类型有混凝土墙、门框和门扇等组 成（图7—61），可根据水压大小用钢板或铁板制成。通常，门 的形状是平面状；当水压超过2.5×106~3×106Pa时，则采 用球面状。其细微构造可参照有关手册和参考矿上的实际经 验。门框的尺寸应能满足运输的需要，在无运输任务而又不经常行人的巷道内，可设置自动水闸门（图7—62），利用涌水的压力使门自动关闭。 2．水闸墙 一般水闸墙是设置在需要永久或长期阻挡水的地方。它分临时性的和永久性的两类。前者，一般用木料和砖砌筑；后者用混凝土或钢筋混凝土制成。 水闸墙的形状有平面、园柱面和球面等三种。不论哪种水闸墙均应有足够的强度，不发生变形，不透水和不位移。因此，修筑水闸墙的地点应选择在岩石坚硬及没有裂隙的地点，且应在墙的四周掏槽砌筑（图7-63中的ABB，、DCC，部分）。 三、疏干降压 疏干降压是借助于专门的工程(如疏干巷道、抽水钻孔、放水 钻孔、吸水钻孔等)及相应的排水设备，并积极地、有计划有步骤 地使影响采掘安全的含水层降低水位(水压)或造成不同规模的降 落漏斗，使之局部疏干的一种矿井防治水手段。通常在下述条件 下应考虑疏干降压：矿层及其顶底板含水层的涌水，对矿井生产 有着严重的影响，不进行疏干降压无法保证采掘工作安全和正常 进行；矿床赋存于隔水或弱含水层中，但矿层顶底板岩层中存在 有含水丰富或水头很高的含水层，或虽含水不丰富但属流砂层， 采掘过程中有突然涌水、涌砂的危险；露天开采时，由于地下水 的作用，降低了土石的物理力学强度，导致边坡滑落。 按疏干时间阶段划分，疏干降压可分为预先疏干和平行疏干。若按疏干主体工程所在的地点，疏干降压又分为地面疏干、地下疏干和联合疏干。预先疏干是在井巷掘进开始前进行，待地下水位(水压)全部或部分降低后再开始采掘工作；平行疏干则与采掘工作同时进行，直至全部采完为止。无论何种类型，在实施前都要根据矿区水文地质和工程地质条件、矿床开采方法等，通过综合的技术经济比较后，制定疏干降压方案。 需要指出，疏干降压并非是预防地下水对矿井危害的唯一措施，当隔水层厚度大于或稍小于临界(安全)水头值时，也可不采取疏干降压而进行带压开采。 (一)地表疏降 从地面施工大口径钻孔，安装深井泵或深井潜水泵，对需要疏降的地段进行抽水，降低地下水位或使含水层完全疏干的一种方法。疏干钻孔的布置方式有：单直线型布置(地下水为一侧补给时采用)、单环行布置(地下水呈圆形补给时采用)、任意排列布置(疏降地段的平面几何形状比较复杂时采用)。 (二)井下疏降 井下疏干是直接利用巷道或在巷道中通过各种类型的疏水钻孔，来降低地下水位的一种疏降方法，故又称巷道疏降。 疏干巷道，按其在含水层中的相对位置有以下三种形式： 1．在基岩含水层中，疏干巷道布置在含水层中，进行直接疏降。如湖南煤炭坝煤矿将运输大巷直接布置到茅口灰岩中（图7—64）。 2．疏干巷道嵌入在含水层与隔水层之间。当煤层直接 顶板为含水层时，也可预先布置采准巷道疏干顶板含水层， 然后再进行回采工作（图7—65）。 3．巷道布置在隔水层或煤层中，通过放水钻孔、直接 式过滤器等疏降含水层，疏放出的水汇集于巷道内，再排 出地表。 (三)联合疏降 联合疏降是指两种及两种以上以上疏降方法的联合使 用。在水文地质、工程地质条件复杂的矿区，通常需要同 时采用或在不同阶段接替使用多种方法联合疏降充水水体 的水位。 四、矿井及露天矿排水 (一)矿井排水 矿井排水是利用排水设备，将流入水仓的水直接排至 地表的防治水方法，是煤矿生产中的基本环节。一些山区用平硐开采当地侵蚀基准面以上的煤层，可借助平硐内的排水沟或专门开掘的泄水平硐自流排水。 1．排水方式 （1）直接排水。由各水平的水仓直接将水排至地表（图7—66）。 （2）分段排水。由下部水平依次排至上一水平，最后由最上部水平集中排至地表（图7—67a）。如果上部水平的涌水量很小或下部水平的排水能力负荷不足，也可将上水平水排至下水平，再集中排至地表（图7—67b）。 （3）混合排水。当某一水平为具腐蚀性的酸性水时，可将该水平的水直接排至地表，而其它水平的水仍可以分段接力方式排至地表。 2．排水系统 排水系统主要由排水沟、水仓、泵房和排水管路构成。 （1）在涌水量不大的矿井内，一般在运输巷道一侧挖排水沟排水。排水沟的断面取决于涌水量的大小；排水沟的坡度通常与运输巷道的坡度相同(当水中含沉淀物质较多时坡度应略大)。对于涌水量特大的矿井，需要设计专门的排水巷道。 （2）水经排水沟流入水仓。水仓的容量视涌水量大小而定，一般能容纳6h的正常涌水量。水仓要经常清理。当矿井水含砂量较大时，应在水仓前面设置沉淀池。 （3）泵房是将水仓水排至地表、保证矿井安全生产的心脏，一般要求设置三套排水设备(一套运转，一套检修，一套备用)。 （4）排水管路是将水由井下排至地表的咽喉，应注意管道的防腐和渗漏。 (二)露天矿排水 露天矿排水方案的分类、使用条件及其主要优缺点，可见表7—12。具体选择时，除应根据自然地理、地质水文条件(如汇水面积及水量大小等)进行经济技术比较外，还应考虑不同排水方式对采矿各工艺过程(如穿爆、采装等)效率的影响。 表7—12 不同排水方案的使用条件和优缺点 排 水 方 案 使 用 条 件 优 点 缺 点  自流排水方式 山坡型露天矿有自流排水条件，部分利用排水平硐将水导出 安全可靠，基建投资少，排水经营费低，管理简单 受地形限制  露天采场底部集中排水方式 (1)半固定式泵站 (2)移动式泵站 汇水面积小、水量小的中、小型露天矿；开采深度浅，下降速度慢或干旱地区的大型露天矿 基建工程小，投资少，移动式泵站不受淹没高度限制，施工较简单 泵站移动频繁，坑底作业条件差、开拓延深工程受影响；排水经营费高，半固定式泵站受淹没高度限制  露天采场分段截流永久泵站排水方式 汇水面积大，水量大的露天矿，开采深度大，下降速度快的露天矿 露天坑底积水较少，开采作业和开拓延深工程条件较好，排水经营费低 泵站多，分散，最低工作水平仍需有临时泵站配合，需开挖大容积储水池及水沟等工程，基建工程量大  井巷排水方式 地下水量大的露天矿；深部有巷道可利用；需预先疏干的露天矿，深部用地下开采，排水巷道后期可供开采利用 采场经常处于无水状态，开采作业条件好，为穿爆、采、装、运等工艺作业高效率创造良好的条件，不受淹没高度限制，泵站固定 井巷工程量多，基建投资多，基建时间长，前期排水经营费高   五、堵水防渗 堵水防渗是包括注浆堵水和构筑防渗墙。前者，系指将各种材料(粘土、水泥、水玻璃及化学材料等)制成的浆液压入地下预定地点(如突水点、含水层储水空间等)，使之扩散、凝固和硬化，从而起到堵塞水源，增大岩石强度或隔水性能的作用；后者，是利用专门的施工机具在含水层中开挖沟槽，将防水材料浇灌到沟槽中，形成一道连续墙，以达到截流防渗的目的。 (一)堵水防渗在煤矿防治水工作中的应用 1．井筒注浆堵水 井筒注浆堵水是特殊凿井法的一种。当井筒涌水量大于一台泵的排水能力时，应采用注浆法施工。井筒注浆堵水的有以下三种类型。 （1）井筒地面预注浆。井筒开凿前，从地面施工钻孔，对含水层进行预先注浆，把水或流砂隔离在井筒开凿范围及其影响带之外，使井筒开凿时无水或少水，从而保证井筒安全顺利地穿过含水层或流砂层。 （2）井筒工作面预注浆。当井筒工作面接近含水层时，应停止掘进，从工作面向含水层施工注浆钻孔，进行预先注浆。 （3）井筒壁后注浆。井筒建成后，井壁后面有出水存在而造成井壁漏水、漏砂时，应在井筒内向壁后施工注浆钻井，进行壁后砌碹时，在出水点预埋导水管，供井壁建成后进行壁后注浆之用。 2．巷道注浆堵水 在涌水量大的坚硬岩层中掘进巷道时，可采用注浆法辅助掘进，将注浆材料压入岩层裂隙或溶洞中，以封闭透水通道。 3．注浆恢复被淹没矿井或采区 当矿井或采区突水被淹没后，注浆封闭突水点常是处理这类问题的最好措施之一。封闭突水点的钻孔数量，视具体情况而定。当突水点位置已知且范围不大及附近岩层完整时，可采用单孔注浆，直接封闭出水口。当突水点的位置不清，水量、水压较大，且突水点附近岩层破碎时，可围绕突水点布置一组钻孔（图7—68）进行帷幕注浆。 在动水中注浆时困难较多，为了增加水的流动阻力，减缓水的流速，一般需要先在钻孔中投入骨料(砂、砾石等)，然后注入速凝浆液，以免浆液被流动的水冲跑。 4．注浆帷幕截流 注浆帷幕截流是针对具有充沛补给水源的大水矿区，为减少矿井涌水量，而采取的一种连续拦截补给水源的防治水方法。实施中，通常在矿区主要进水边界或浅部垂直补给带施工一定间距的钻孔排，向孔内注浆，形成连续的隔水帷幕，阻截或减少地下水对矿区的影响，提高露天边坡的稳定性，防止因疏降排水引起的地面变形、开裂、塌陷等不良工程地质现象，保护地下水源。根据理论，注浆帷幕在任何情况下都能采用，但要进行技术经济计算与分析。 5．防渗墙堵水 防渗墙堵水技术是用特殊的施工机具，沿工程线边挖掘沟槽，边在沟槽内填入防渗材料，逐段形成连续的防渗墙。按墙体结构可分为桩柱式防渗墙、槽板式防渗墙、板桩灌注式防渗墙、泥浆槽防渗墙、装配式预制板防渗墙、旋喷法防渗墙等六种。 (二)注浆材料及注浆效果检验 1．注浆材料简介 注浆材料是直接影响注浆经济指标的重要因素。选择注浆材料时，应考虑堵水加固地段水文地质条件、岩层的裂隙、岩溶发育程度、地下水的流速及化学成分等因素。一般要求所制成的浆液可注性和稳定性好(析水少、颗粒沉降慢)、凝结时间易于调节、固化过程最好是突变的、固结后具备所需要的力学强度、抗渗性和抗侵蚀性好、材料来源广和廉价、储运方便、配制和注入工艺简单、不污染环境。常用的注浆材料有粘土浆液、水泥浆液、水泥-水玻璃浆液和化学浆液等，这些浆液的大体适用范围见图7—69。 2．注浆效果检验 地层注浆后能否达到设计要求和预想目标，应通过各种方法加以检查、鉴定。要在注浆施工情况及技术资料分析的基础上，投入一定的工程量对注浆进行检查和评价。 （1）以抽水或压水试验检查注浆效果。当第一组孔注浆结束后，于第二组孔或其中的1~2个孔进行抽水试验，以检查第一组孔的注浆效果。以后，待第二组孔注浆结束后，从第三组孔或其中的1~2个钻孔中抽水。或者在注完浆后，于注浆地段内水流上方或注浆效果较差的钻孔附近，布置1~2个检查孔进行抽水(或压水)检查。当质量不合要求时，可将检查孔当注浆孔使用，继续注浆，以确保注浆效果。 （2）对于先期施工钻孔的注浆效果，可利用后期施工钻孔取芯，检查注浆效果。对取芯和裂隙中浆液充填情况的分析，找出注浆地段的薄弱环节，从而通过后期施工的钻孔加以弥补。少数情况下也可在注浆结束后，在注浆地段专门布置钻孔取芯，以了解注浆效果和浆液扩散范围。 （3）井巷掘进通过注浆地段时，可对注浆效果进行最有效的实地观察，除可了解浆液充填情况和结石情况外，并可为以后的注浆施工提供宝贵的经验和资料。 最近几年，有些矿区(井)也在探索用物探方法检查和评价注浆效果。 第八章 地质信息的获取技术 煤矿设计、建设和生产需要可靠的地质信息资料，才能保证矿产资源的合理、安全、高效开发利用。要获取各种有用的地质信息资料，需要应用地质科学理论，借助相应的技术手段和方法，探测、分析、研究煤矿床赋存区域的地质构造，查明地层、煤层、煤质、储量及开采技术条件等的地质信息数据和其他资料，正确评价煤矿床及其与含煤岩系共生和伴生的其它有益矿产。 第一节 地质勘探技术手段 地质信息获取的技术手段主要有：遥感地质调查、地质填图、坑探工程、钻探工程、巷探工程、地球物理勘探技术等。 一、遥感地质调查 遥感是借助各种探测仪器设备，从远距离探查、测量或侦察地球上、大气中及其它星球上的目标物。这种不与目标物直接接触而获取有关目标信息的技术方法称遥感。遥感的基本原理主要是利用各种物体反射或发射电磁波的性能，由飞机、卫星、宇宙飞船等航空、航天运载工具上的传感器，从遥远距离接收或探测目标物的电磁波信息。由于这种方法，受地面障碍限制小，覆盖面积大，获取信息速度快，广泛应用与自然资源调查，环境动态检测，气象及军事等领域。 遥感技术根据电磁波来源，分为主动遥感和被动遥感。主动遥感(又称有源遥感)是采用人工电磁辐射源，向目标物发射一定能量的电磁波(微波或激光)，再由传感器接收和记录从目标物反射回来的电磁波，通过分析反射波的特征来识别目标物(图8-1)，其特点是可昼夜工作。如普通雷达、激光雷达。被动遥感(又称无源遥感)，是由传感器接收和记录从远距离目标物所反射的太阳辐射电磁波及物体自身发射的电磁波(主要是红外辐射)。如多光谱遥感、摄影遥感等。 图8-1 遥感技术系统工作原理示意图 遥感技术的出现，为地质、水文等勘测提供了新的手段，为找矿、找油、找水、找天然气和调查地热资源等创造了宏观研究的有利条件。遥感技术在资源地质调查过程中的具体应用就是对含有丰富图象信息和数字信息的航空像片或卫星像片的判读，是进行地质填图、地质构造解释，找矿标志判别及动态分析的有效技术手段。 利用遥感图象找矿，主要是根据矿床成因类型，结合地球物理特征，寻找成矿线索或缩小找矿范围。由于内生金属矿物的聚集一般是沿着某些特定地质构造(如断层、裂隙)以及它们的交切带分布的；地表的矿物沉积也会使紧邻的地表发生色调、地热、地磁的异常，因此，利用遥感技术可以把上述地质特征的大多数识别出来，这是通常的地质调查所无法做到的。利用某些矿物的热异常，如煤含碳量高，其热辐射大，在遥感图象上表现为白色调的明显热异常将其发现。在遥感图象上根据雾状异常发现油田。另外，利用遥感技术寻找地下水资源，也是非常有效的方法。大多数隐伏在地下的水源与周围环境在遥感图象上的色调具明显的差异，并且具有一定的形状。如河北蔚县矿区为解决矿区开发建设的缺水问题，采用美国宇航局；LANDSAT—5号卫星遥感图象，成功地确定了两处孔隙水水源地和一处喀斯特水水源地，从而缓解了该地区水资源紧张的矛盾。 遥感图象的地质解译就是运用地质学原理对遥感图象上所记录的地质信息进行分析研究，从而识别各种地质体和地质现象。在解译过程中，首先要找出和确定可作为判别地质现象的影像特征的标志，这种标志称为地质解译标志。 遥感图象的地质解译主要包括岩石和构造两方面。 岩石解译是地质解译的基础，利用遥感图象鉴别岩石的种类，是基于不同岩石的反射和发射波谱，在遥感图象上表现为影象的色调和密度的差异。如酸性火成岩色调较浅，而基性火成岩的色调较深等。在一般情况下，不同岩石往往具特有的地貌，软弱岩石形成负地形，坚硬岩石形成正地形，形态极易辨认。此外，按岩石的分布、相互关系、颜色、坚硬度、可溶性、透水性、层理、节理，以及它们在地貌形态、土壤、植被等方面的特征也能进行解译。岩性解译的主要内容包括圈定岩石界线，确定其名称、产状和时代，以及岩石的相变接触关系等等。岩石解译的方法首先是把解译地区的松散沉积物圈出来，然后粗略地把三大类岩类界线划出来，最后再进行局部地区岩石的详细解译。从三大岩类的解译效果来看，沉积岩的解译效果较好，火成岩次之，变质岩最差。 遥感图象的地质构造信息极为丰富，用遥感图象进行构造解译效果较好。在露头良好的条件下，可以从遥感图象上研究个别构造的细节；倾斜岩层的产状一般可以从沉积岩所特有的条带影象特征来确定，倾斜岩层在地形上常形成单面山或猪背岭。褶皱构造在遥感图象上往往相当明显直观，褶皱形态清晰，地层依层序对称重复出现或单面山系地貌对称重复出现是判译褶皱构造的重要间接标志。褶曲转折端岩层的产状是判断背斜、向斜的最重要的依据。断裂构造在遥感图象上有清楚的反映，在遥感图象的地质解译中效果最好。断层线、断裂带、节理密集带或节理等断裂构造，在遥感图象上表现为直线或略有弯曲的线形要素，但并不是所有的线形信息都是断裂构造，应根据综合景观标志来识别与分析。如断裂构造可能造成泉的线状分布、地下水浅埋带的线状分布、直而窄的植物异常带、土壤色调异常等，这些皆可作为解译断层的综合景观标志。至于断层性质的解译，不同断层的两盘相对位移的解译难易不同。一般来说，断层的水平位移较容易解译，垂直位移解译较难；新断层解译较容易，老断层解译较难。 遥感地质的发展，使地质调查和地质研究发生了深刻的变化，这种变化本身又促进了遥感地质的高速发展。 二、地质填图 地质填图又称地质测量，是地质勘探的基础工作，也是最基本的技术手段。它是应用地质学的理论和方法，有目的地在含煤地区进行全面的地表地质调查研究，即对天然露头(没有被浮土掩盖的岩层、煤层、断层等)和人工露头(用人工揭露出来的岩层、煤层、断层等)等地质点进行测量和描述，并把获得的所有地质点信息填绘在相应比例尺的地形图上，编制成地形地质图、地质剖面图，地层综合柱状图等图件，作为今后地质工作的重要依据。 填图时地质点由地质专业技术人员在野外实地观察确定。地质点的测定方法包括：平板仪极坐标法、经纬仪测绘法、经纬仪配合小平板仪测绘法、图解法等。上述常规方法是借助测量仪器人工完成的，既费时又费力。近年来发展的全球卫星定位技术(GPS)，为地质填图提供了精确、快捷、省时、省力的新技术。 全球定位系统(GPS)空间卫星星座，由24颗卫星组成，卫星分布在6个轨道面内，每个轨道上分布有4颗卫星，轨道高度为20200km，卫星的运行周期为11小时58分。与传统测量技术相比GPS定位技术的主要特点是：测站点之间无需通视，大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活；定位精度高；观测时间短；提供三维坐标，在精确得到站点平面位置的同时，可以测定观测点的大地高程；操作简便，在测量过程中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、采集环境等气象数据，其他观测工作均由仪器自动完成；全天候作业，可以在任何地点、任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。 用GPS定位系统测定地质点，一般由地质人员与测量人员共同完成，采用快速定位方法，至少需要2台GPS接收机。野外数据采集时，GPS接收机置于基点(控制点)上，另一台由地质人员选择地质点，依次在每个地质点上竖立GPS接收机3～5分钟即可完成地质点的测定，如图8-2所示。经计算机数据处理，得到地质点的平面坐标和高程，然后将地质点展绘到地形图上，绘出地质界线并进行必要的注记，完成填图。 图8-2a GPS全球定位卫星星座 图8-2b GPS测定地质点示意图 地质填图在煤田地质勘探的各个阶段中都要进行，但各阶段的任务要求、研究程度及地质条件不同，相应地质填图的比例尺也有差异。一般精度要求越高，研究程度越深，其图件的比例尺越大。 三、坑探工程 坑探工程是在表土覆盖层较薄的地区，用人工方法揭露岩层、煤层及地质构造等地质现象，或为了采集煤样、岩样所设计的一些专门地表工程。 (一)探井 当表土厚度大于3m、小于20m时，不适合挖掘槽沟，就采用从地面垂直挖掘探井的方法，来揭露一般地层倾角比较平缓地区的岩层、煤层及其它地质现象(图8-3)。探井工程比探槽难度大，应尽量少布置，一般沿岩层走向布置，配合探槽和地质填图使用。 图8-3 各种坑探工程示意图 1—探井；2—探槽；3—探巷(斜井)；4—探巷(平峒) (二)探槽 在表土较薄(一般小于3m)，岩层倾角较陡或较平缓，地形切割比较强烈，表土稳定坚实且含水不多的地段，垂直岩层走向或构造线方向挖掘的一条槽沟，称为探槽。对槽沟所揭露的地质现象进行直接测量和描述，据此绘制出剖面图及其它图件。探槽是坑探工程中使用最普遍的技术手段，它常配合地质填图使用。 (三)探巷(硐) 有时为了揭露煤系，了解煤层厚度和结构，确定煤层风氧化带的深度，并在风氧化带下采集煤样，直接从地面挖掘井硐，称为探巷(硐)。探巷根据需要可垂直或平行煤层走向掘进，可为斜井、平峒或石门。 四、钻探工程 当用探掘工程达不到上述目的时，需采用钻探工程。钻探工程是通过钻探机械向地下钻进直径小而深度大的圆孔，并从孔内取得岩、煤芯地质资料，获得全钻孔岩性柱状(图8-4), 从而揭露掩盖地区和深部的整个煤系地层，取得地层、岩性、矿产、构造及水文地质等多方面资料。钻探是详查和精查勘探工作中主要采用的技术手段。根据地质目的的不同，钻孔分为探煤孔、构造孔、水文孔、水源孔、取样孔、井筒检查孔、验证孔等。 图8-4 钻孔及钻孔柱状示意图 钻探工程布置是根据煤田地质勘探规范的要求，由地表向下钻进一定深度的相距一定距离的一系列钻孔。钻孔在地表都是呈网络布置的，称勘探网，若干钻孔联成的线称为勘探线。达到对地质构造及煤层等赋存规律及变化的由点到线再到面的控制。见(图8-5)。 图8-5 钻探网络布置示意图 用从钻孔取出的岩芯编绘钻孔柱状图，用勘探线上的若干钻孔柱状绘制勘探线剖面图，然后据此编制煤层底板等高线图等其它地质图件，以了解和掌握煤层在地下的赋存状态。 钻探工程是最重要最常用的技术手段。它能适用于任何地区，尤其是在表土覆盖很厚的地区，成为探测深部岩层、煤层的主要手段。钻探工程不仅在煤田勘探各个阶段都使用，而且在矿井建设和生产时期也常使用。钻探工程有时也可布置在井下巷道中采用井下小型钻机探查煤层顶板、底板、煤厚或水平钻进探测地质构造。 五、巷探工程 利用矿井中的掘进巷道来探测地质构造等的变化，称为巷探。当井下不具备钻探条件或钻探难以达到探测效果，但生产实际又需要查明地质情况时，采用布置专门巷道或延长巷道的办法探测前方地质构造。巷探工程的优点是能直接观测地质现象，获得地质数据，采集相关样品，又可一巷多用。专门探巷一般都采取小断面简易支护方式，以降低生产成本。如图8-6所示，延长运输巷并布置几个短探巷，探查断层产状变化，为沿断煤交线开切眼提供依据。具体使用该手段的条件如下： 图8-6 布置专门巷道进行探测 ①为查明中、小型断层密集块段煤层的可采性，查明岩浆侵入体和河床冲刷带及岩溶陷落柱对煤层的影响范围，以及圈定不稳定煤层和处于临界可采厚度煤层及高灰分煤层的可采界限等，由于单纯采用钻探不能达到预期的地质目的，需要布置巷探予以查明。 ②为控制水平、采区和回采工作面的边界断层，确定煤层走向变化地段运输巷道的方位和层位，进行残采区的找煤和复采等，由于生产巷道已经进入或者生产需要提前掘进巷道，这时只要合理安排巷道施工顺序或适当延长巷道，则先期掘进的生产巷道即可起到探巷的作用。 ③地质构造复杂、煤层极不稳定、勘探程度又低的地区，小型煤矿和勘探生产井只能采用边掘、边探、边采的方法进行生产，这时巷探就成为矿井地质最主要的勘探技术手段。 探巷一般要结合采掘生产的需要，尽量做到一巷两用，既探明地质情况又为生产准备了辅助巷道。在采用双巷掘进的地区，为了保证主巷设计要求，一般采用副巷超前掘进的办法，查明前方的地质变化，以指导主巷掘进。在地质构造复杂、煤层变化强烈的地段，垂直主要构造线方向布置探巷，做到查清一线、控制一片。 六、地球物理勘探技术 地球物理勘探简称物探。是利用岩石具有的不同的物理性质(如密度、磁性、导电性、弹性及放射性等)借助物探仪器，测出地下各种岩石对地球物理场所产生的异常而得到的物理数据，并利用测得的数据来圈定含煤地层分布范围，确定被掩盖区深处煤层的位置，控制地质构造及解决其它地质问题的技术手段。 地球物理勘探分为地面物探和地下物探两种。其中，地面物探包括电法、磁法和重力法及地震法；地下物探(即地球物理测井)在我国常用的有电测井法和放射性测井法。物探与其它勘探手段相比，具有成本低、效果好、速度快。适用于煤田地质勘探各个阶段。 (一)电法勘探 电法勘探是根据岩石的导电性等电性差异来寻找矿产资源和研究地质构造的地球物理勘探方法。它是通过仪器观测人工的、天然的电磁场的变化来分析解释这些场的特点和规律，达到找矿勘探的目的。常用电测深法来探明含煤地层的构造轮廓，了解埋藏深度，圈定老窑、岩溶陷落柱、岩浆岩体的分布范围。如图8-7所示。 图8-7 电法勘探示意图 (二)磁法勘探 自然界的岩石和矿石具有不同的磁性，可以产生各不相同的磁场，这些磁场可使地球磁场在局部地区发生变化，出现地磁异常。借助仪器发现和研究磁异常，寻找矿体和研究地质构造的方法。 (三)重力勘探 是利用组成地壳的各种矿体的密度差异所引起的重力变化，借助精密的重力测量仪器找出重力异常区，寻找和圈定如油气、煤炭等低密度或高密度矿产资源的勘探方法。 (四)地震勘探 地震勘探是利用人工爆破产生的地震波(地质界面的反射波和折射波)在不同岩层中传播速度的差异，来探明含煤地层的埋藏深度、控制大断层，判断地质构造的勘探方法。地震勘探见图8-8示意。 图8-8 地震勘探示意图 近年来，随着计算机数据处理技术的广泛应用，利用地震波在岩层内传播时，弹性波速度主要与岩石性质和岩层内部的地应力相关的特性，测出岩层内各点的波速异常区，绘出不同水平切面的波速异常图象，称为弹性波层析成像，即弹性波CT技术。用于圈定某一水平切面的断裂带、冲刷带、陷落柱及构造变化等。 (五)测井 用仪器在钻孔中直接测量不同岩层、煤层的多种物理特征(如导电性、电化学活动性、放射性等)的勘探方法。我国常用的有电法测井和放射性测井。在煤田地质勘探中，1：200比例尺的测井曲线作岩层定性和深度解释，1：50比例尺的测井曲线作定厚和煤层结构解释，从而达到查明岩性、厚度、深度、煤层、煤质及含水层深度和厚度等。若钻探打丢、打薄煤层时，地球物理测井资料就更为重要。 第二节 煤矿地质信息技术 在煤矿地质工作中，传统的地质工作由于其技术的局限性，难以查出对生产具有潜在威胁的隐状的小型地质构造、煤厚变化等影响煤矿生产的各种地质因素。矿井物探信息技术应用于煤矿的超前地质工作，丰富了解决煤矿地质问题的技术手段，提高了煤矿地质预测预报的精度和可靠性，为煤矿安全生产提供了保障。随着信息技术的不断发展与仪器的完善，矿井物探信息技术必将在煤矿生产中发挥更大的作用。 一、矿井物探 目前采用的矿井物探方法主要有坑道无线电波透视法、槽波法地震勘探、地质雷达法等。 (一)坑道无线电波透视法 坑道无线电波透视法(简称坑透法)是煤矿生产中使用较早的矿井物探方法，也是众多矿井物探方法中应用较为广泛、效果较好的一种方法。 1．方法原理 坑道无线电波透视法，是将高频发射机置于矿井坑道中，仪器发射的高频电磁波在地下岩层中传播时，由于煤、岩层的电性(电阻率ρ、介电常数ε等)不同，它们对电磁波能量的吸收作用有一定差异，电阻率低的岩层对电磁波能量吸收作用大；相反，则吸收作用小。另外，断层界面、岩石断裂面，能够对电磁波产生折射、反射和散射等作用，也会造成电磁能量的损耗。导水断裂带还能强烈吸收电磁波。根据上述物理前提，用一个固定频率的电磁波发射器向被探测地质体发射无线电波，在该地质体的另一端接收透过被测地质体的电磁波信号，就能凭借该信号能量的衰减情况，推断地质异常是否存在。因此，如果发射机与接收机之间电磁波穿越煤层途中，若存在与煤层电性不同的地质体，如陷落柱、断层或其它地质构造，电磁波能量就会被其吸收或完全屏蔽，信号显著减弱甚至接收不到，形成透视异常(称“阴影区”)。见图8-9。通过变换发射机与接收机的位置，测得同一异常的“阴影区”，这些“阴影区”交会的地方，就是“异常”的位置。研究煤层、各种岩石以及地质构造对电磁波传播的影响(包括吸收、反射、二次辐射等作用)所造成的各种异常，进行地质推断解释，判定是否存在地质异常。 图8-9 坑道无线电波透视法示意图 1—电磁波能量未受到衰减的射线； 2—电磁波能量受到衰减屏蔽的射线地质异常“阴影区”；1、16、2 为发射点；1～23为接收点 2．坑道无线电波透视法的应用 应用坑道无线电波透视法能够圈定出正常区和异常区，能够发现和探明引起变化的多种地质构造，尤其是高、中电阻率煤层中的地质异常体。具体包括：较准确圈定工作面中陷落柱的位置、形状和大小；圈定工作面中断层的分布范围及尖灭点的位置；探测工作面内煤层厚度变化范围及其火成岩体等。其中，探测陷落柱的准确率达90%，探测断层和煤层变薄带的准确率达80%以上。 坑道无线电波透视法的资料解释是根据透视综合曲线图并结合被测工作面的已有地质资料进行的。透视综合曲线由理论场强(H0)、实测场强(H)和衰减系数(η)三条曲线构成。其中，理论场强H0是在假定所测煤层为均匀一致的前提下由理论公式计算所得；实测场强H 是实际观测所得；衰减系数η是实测场强与理论场强的比值。在正常煤层中η接近1，而遇到地质异常时η值即远离1，因此，可根据η值的大小结合地质条件来分析异常的性质。图8-10 是根据透视综合曲线和平面交会法解释圈定的陷落柱成果图。推广使用的国产坑透仪有WKT—Ⅲ型、WKT—F3型。 图8-10 坑道无线电波透视法探测陷落柱解释成果图 1—理论场曲线；2—实测场强曲线；3—衰减系数曲线 (二)槽波地震法 1．方法原理 一般情况下，煤层的密度多小于围岩的密度，地震波在煤层中传播速度低，因此，煤与围岩相比是一个明显的低速槽。基于这一特征，可以认为煤层是一个波导，在煤层中激发的地震波将有一部分在顶底板界面上不断出现全反射，由于煤层顶底界面多是平行的，这种全反射过程就全在煤层顶底板界面间多次反复地进行，从而形成一个沿煤层(二维方向)向远方传播的特殊波，即槽波。槽波是只在煤层中传播的地震波，也叫煤层波或导波。 在煤层中传播的槽波，遇到两种不同介质的分界面时将发生波的反射及透射，探测槽波的这种变化，即可确定分界面的位置及规模的大小，这就是槽波地震法勘探的基本原理。 2．槽波地震法分类 槽波地震法根据其射线传播路径的不同，可分为透射波法和反射波法两类。 （1）透射波法 透射波法是在同一煤层的两条巷道中(包括钻孔、工作面等)分别激发和接收槽波，根据槽波的有无、强弱及速度的变化确定两巷道间有无构造异常存在。如图8-11，在A点激发，B段接收。第1、2、3道可以接收到正常槽波，第4、5、6道未接收到槽波，说明第4道以前煤层正常，其后的煤层不连续，可能有断距大于煤层厚度的断层存在或有其它地质异常。透射波法是槽波地震法中最基本、最常用、最重要的方法，可以较为有效地确定两条巷道间的地质构造，准确率达83%，透射距离可达1000m左右。同时，透射波法还能为槽波数据处理提供滤波参数和速度参数，并且对探测区的槽波技术应用前景作出评价。 （2）反射波法 在同一工作面或同一巷道中布置激发点和接收点，当槽波沿煤层传播，遇到两种不同岩性的分界面时将产生反射，根据接收到的槽波反射信号的速度和时间，即可确定反射界面的位置。见图8-12。 图8-11 槽波透射波法示意图 图8-12槽波反射波法示意图 反射波法的最大特点在于同一巷道中能超前探测煤层中不连续体的位置。与透射波法相比，探测距较短，一般探测距离仅达400m左右，效果稍差一些，准确率可达63%以上。通常透波法和反射波法结合使用，提高探测效果。 3．槽波地震法的应用 槽波勘探技术目前已发展成为一种成功率很高的煤矿井下探测技术。我国在众多煤矿开展试验研究，取得了良好的效果。实践证明，我国的大多数煤矿的煤层和顶底板岩石的物性条件均能形成良好的波导层，适于应用槽波地震法勘探技术，在探测断层、冲刷带、陷落柱等地质小构造方面，成功率在86%以上。在条件适宜地区，其成功率更高。 目前，煤矿常用的国产槽波地震仪有TYKC—9、DYSD型，德国产SEAMEX—85型等。 (三)地质雷达法 矿井地质雷达是在煤矿井下利用电磁波的传播时间来确定反射体(断层、陷落柱、溶洞等)的距离的一种矿井物探方法。它是煤矿井下用于超前探测的有效手段。 1．方法原理 雷达天线定向发射的高频电磁波在介质中传播，若在传播路径上遇到两种不同介质的分界面时将发生反射，雷达的接受天线可将反射波接收。根据反射波的到达时间及介质中的电磁波传播速度，即可确定地质体的位置。再根据反射波的特性，进行目标识别。图8-13为矿井地质雷达探测原理示意图。 图8-13 矿井地质雷达探测原理示意图 2．矿井地质雷达法的应用 地质雷达仪适宜在高阻层状介质中使用。石灰岩和中等变质程度的煤层中应用此方法效果尤为理想。地质雷达法在煤矿井下可用于探测断层、陷落柱、老窑、断裂带、火成岩侵入体等。图8-14、图8-15所示为探测断层和裂隙带的实例，其中，裂隙带位置的探测误差不到1m，精度较高。煤矿井下应用地质雷达法有以下两方面的显著特点：1)巷道掘进中超前探测的有效工具，探测距离在30~40m左右；2)施工占地面积小，既可进行垂直方向的探测，又可进行水平方向的探测，探测的精度也较高，目标分辨率大于0.5m。 图8-14 地质雷达探测工作面内小断层 图8-15 地质雷达探测前方充水断裂 目前，我国的矿井地质雷达KDL系列产品不仅用于煤矿井下生产探测，而且可用于公路隧道、市政建设等方面。 (四)其它方法简介 1．瑞利波探测法 瑞利波探测法是地震勘探的一个分支，它是80年代发展起来的一种新的浅层勘探手段。其实质是根据不同振动频率的瑞利波沿深度方向衰减的差异，通过测量各频率成分(反映不同深度)瑞利波的传播速度来探测不同深度煤、岩层及其中的断层、老窑、喀斯特洞穴等地质异常体。它的物理前提是基于煤层、煤层的顶、底板岩层以及其它地质异常体的密度和弹性模量等物理参数的不同而导致瑞利波传播速度的差异，特别是喀斯特、断裂和空洞等，因其不具备瑞利波传播的条件，当瑞利波传播到这些位置时会突然消失，因而可以比较容易地识别这些地质异常。 瑞利波探测技术的优点在于： ①它是一种从地面至地下几十米深范围内或煤矿井下从探测面往前几十米深的浅层弹性波无损探测方法，既可用于分层探测，又可用于构造探测； ②施工面积小，移动方便，适于在煤矿井下(包括独头巷道)探测使用； ③既可进行垂直方向的探测，又可进行水平方向的探测(如工作面前方的超前探测)；④抗干扰能力强，不受井下各种交流电的干扰； ⑤探测精度较高，瑞利波探测的深度误差一般在5%以内。其不足之处是：对瑞利波探测技术的理论研究尚不够深入；对复杂多变的地质现象解释经验尚显不足。因此，应进一步深入开展瑞利波探测的理论研究和应用试验，以促进这种方法的发展。 2．磁偶源电磁频率测探法 磁偶源电磁频率测探法是电磁频率测探方法中的一种，属于交流电法勘探。它是以岩、矿石的电导率、磁导率和介电常数的差异为物理基础，利用电磁感应的趋肤效应，即高频电磁场穿透浅、低频电磁场穿透深的规律，通过改变电磁场频率进行测探，而不是像直流电法勘探那样通过改变供电极距来改变探测深度。其工作原理是由发射机供给不接地磁偶极(发射环)不同频率的交变电流，用以激发电磁场，在距发射源一定距离的接受机通过它的不接地磁偶极(球形天线)观测电磁场的空间分布规律，从而探查地下矿体的各种地质构造。 磁偶源频率测探法主要用于解释冲积层和煤系地层的分层定厚、奥陶系灰岩埋深、断裂构造等地质及水文地质问题。 该方法的主要优点是： ①适于探测高阻屏蔽层下伏的地质构造； ②对地层的分辨能力比较强，其垂向分辨能力约为探测深度的5%，水平分辨能力可与反射地震方法相比拟； ③场源采用不接地回路，便于在沙漠、冻土、山地等接地困难的地区施工，对低阻层位反映灵敏，探测效果好。 除上述两种方法以外，尚有高分辨率地震勘探、浅层地震勘探、钻孔弹性波CT、测氡技术等多种矿井物探方法，这些方法各有所长，目前还处于试验、研究阶段。 二、数学地质 矿井地质工作的重要内容是为煤矿安全生产提供可靠的地质资料。为达此目的，对借助各种手段获取的众多地质信息进行数据处理、计算、分析，即从量的方面来研究和解决地质学中的实际问题，主要是对矿体的数学特征、几何特征、空间特征、结构特征等进行数学统计，定量预测地质构造及其变化规律，判别各种地质信息参数之间的相互关系。应用统计学原理，借助计算机进行数据处理，从量的方面研究地质学问题的数学方法，称为数学地质。在煤矿地质中常用多元统计分析法，研究大量地质的随机变量，判别有无地质异常变化等，进行量化预测。 地质信息一般是复杂多变的不规则信息，选用合适的地质参数和合适的数据处理方法是地质量化预测的成败关键。当地质信息难以用数字表达清楚时，采用形象直观的图解法，用于某具体参数的趋势预测，或用于一类参数的预测和各类参数间关系的判别预测等。数学地质工作方法要求进行大量的数据收集、处理、计算、分析，电子计算机的广泛应用，使这一方法变为快捷可能。 数据处理的步骤是：首先把收集到的地质数据根据工作目的的要求进行分析整理，选择合适的数学模型，编制计算机程序(已有应用软件供选用)，输入数据进行计算机处理，对处理结果进行整理。最后进行地质解释，确定某些地质参数的总体规律和分布趋势，以及各种地质因素间的相互关系等。下面就常用的数学地质方法作一简单介绍： 1．回归分析 影响煤矿生产的地质因素是千变万化的，各地可利用的地质参数不尽相同，选择的数学方法也有异。如预测煤的密度与灰分含量的关系，寻找隐伏在随机变量后面的规律性，建立变量之间的数学表达方式：y = a +bx (a、b为常量)，即一元线性回归分析方程。一元线性回归分析的特点在于变量单一，运算方便，但未考虑多种因素，因而预测精度较差。研究一个变量与多个变量的相关关系，称为多元回归分析。如煤的发热量与其自身的碳、氨、氧等元素含量均有关。多元回归分析综合了多种地质因素，预测精度较高。但在诸多变量中，考虑到众多变量对y的密切程度，采用逐步选入回归方程，把作用不显著的变量剔除掉，称逐步回归分析。回归分析在煤质预测等方面应用较多。 2．趋势面分析 趋势面分析是应用数理统计学中多元回归分析的原理，将地质变量区分为区域性变化分量和局部性变化分量，进而研究地质变量的空间分布和变化规律。如以Z表示煤层底板标高，把二维空间x、y地理坐标作为自变量，则Z在二维空间的变化是一个面。趋势面方程：Z =a0+a1x+a2y 趋势面分析就是根据地质变量Z的数值，用一定的数学方法找一个数学面(称为趋势面)，去拟合该地质变量客观存在的区域性变化，从而发现区域性变化规律。或去掉地质变量的区域性分量，突出局部性分量，更清晰地发现和表达局部异常。 趋势面分析根据自变量个数的不同，分为一维、二维、三维趋势面分析；根据多项式最高阶数分为一次、二次、三次等。趋势面分析多用于区域地质构造分析。 3．聚类分析 聚类分析是根据变量之间的相似性将其逐一归类成组，得到一个反映变量间亲疏程度的自然谱系图。基本思想与步骤如下；假定在一个二维空间内(即测定了两个变量)有6个标本，以其坐标值(x1 、x2)分别点出6个标本的空间位置(图8-16)。以距离作为标本的相似性统计量，则2点与3点、4点与5点的距离最近，先各自聚为一类；然后2点、3点与1点，4点、5点、与6点再聚合为A、B两类。最后A、B再聚为一类，其分类结果以二维谱系图直观表示出来(图8-17)。谱系图不仅直观形象地反映了标本之间的亲疏关系而还定量地表明标本间的亲疏程度(谱系图的横坐标为聚类的距离水平)，方便了地质解释。 图8-16 聚类分析示意图 图8-17 谱系图 聚类分析的方法与步骤是： ①根据地质研究的需要，取样并进行分析化验，获得聚类分析的原始数据； ②对原始数据进行规格化处理，消除不同数据量级和量纲的影响，变成相对一致的数据； ③根据研究分类的对象，选择并计算相似性统计量，获得初始相似系数距阵； ④由初始相似性距阵出发，归并点并绘制谱系图； ⑤选择相似水平，确定研究对象的类型划分。聚类分析多用于古生物学或岩矿化学成分分类等。也称簇分析、点群分析。 4．判别分析 在地质工作中，经常遇到对研究对象进行分类的问题，如确定一块岩石标本属于哪一类，一套地层应属于哪一个时代，某一煤层应属哪一个层位，一个古生物属于哪个种属等等，判别分析就是解决这类问题的数学分类方法。其基本思想是：将研究对象(某一个体)的各种地质特征同它可能归属的各个类型的地质特征进行对比，以决定其应该归入哪一类。具体做法是，在已知类型(如A、B、C三类)中抽取样本，根据每个样本的多个化验指标(变量)经过数学运算处理，建立每一类的判别函数(区分标准)，然后将未知样品相同的化验指标与已知类型相比较，即将其代入判别函数中，看其与哪一类最接近，就将其归属于哪一类。概括起来说，判别分析就是借助于已知类型的若干变量，建立起一个或多个判别函数，从而决定未知对象归属问题的一种多元统计分析方法。 图8-18为两个母体双变量判别分析的图解。从图中可以看出，两类总体在其中的某一变量上都存在一定的重叠部分，不能明显地加以区分。若将两个变量线性组合，构成一个合适的综合判别指标： 图8-18 双变量判别分析图解 y = c1x1+c2x2 最大限度地缩小不易判别的重叠部分，提高正确判别的概率，则称此综合指标为判别函数(图中直线Ⅰ)。可见，判别函数实质上可以将总体的多个变量转换为一个判别计量，即总体在直线Ⅰ上的投影位置。直线Ⅱ与直线Ⅰ的交点y0则代表两类总体的判别值，它将一维空间划分为两个区域，分别为A类B类总体的分布范围。因此，也可以将判别分析看作是估计每一总体在区分两类或多类总体的最佳直线上的位置的一种方法。 判别分析分为两类判别分析和多类判别分析；判别函数分为线性判别函数和非线性判别函数。判别分析多用于根据化学成分分析等参数，判别未知岩矿的分类归属等。 数学地质方法借助计算机，在分析评价煤矿开采地质条件，分析判别地质构造，自动处理矿井地质编录资料，综合处理各种物探资料等众多方面，已取得一定成效。“矿井地质专家系统”在煤矿生产中的推广应用，将以其快速度、高精度、高可靠性、强逻辑判别能力等优点为煤矿地质工作提供强力工具。 三、其它矿井地质工作新方法简介 先进的产煤国家充分利用遥感、地面物探、钻探等手段，应用多种数学地质方法，通过计算机处理所获得地质资料和数据，并详细分析各种地质因素及其变化规律来评价预测开采地质条件，最大限度地减少开采工作部署的盲目性，指导矿井设计、生产施工，为保证安全、高效、正常生产奠定矿井地质工作的基础。 (一)沿煤层定向钻进及测井技术 钻探方法是探测矿井地质异常的重要和有效手段。世界各主要产煤国十分重视井下钻探工艺的研究，并形成了沿煤层长距离定向钻进技术。近年来，英、德、美、瑞典和澳大利亚等国在这项技术的研究上取得了很大进展，在钻进工艺及配套技术上获得可喜的成果。如稳定组合钻具、绳索取芯钻具、柔性钻杆、螺杆钻具、分枝孔造斜技术、防爆测井技术等，在实际应用中效果良好。根据报道，德国鲁尔煤矿区水平钻孔的最大深度已达1770m；美国的沿煤层定向钻进长度达600m。 与井下沿煤层定向钻进相配套的防爆测井技术，国外在70年代就开始研究。匈牙利采矿研究所研究的MINIKA系统，可测量伽马伽马、自然伽马两种参数。原西德WBK物探研究所推出的GBM-77系统，测深可达800m。英国煤炭局(NCB)与SEI公司研制的MIDAS系统，用于测量自然伽马和井斜。 (二)孔间地震技术 孔间地震是一种地震勘探的新方法。它是通过孔内放炮，在另一孔中接收、孔内放炮地面接收或地面放炮孔中接收地震波的方式，探测地质异常。由于放炮点和接收点至少有一头处于地下基岩中，故记录到的地震波分辩精度高于地面地震法，因此对井下小构造的探测效果较好。 美国和澳大利亚开展这项技术起步较早，水平也好。在孔间地震工作中，经常利用已开拓的巷道进行放炮或接收，把由一个或多个检波器或接收到的振动波形记录在磁带上，经专门程序进行计算机处理后，可绘出许多能在横向上连续追踪的地下剖面图；并通过地质解译作出一定面积内不同地层的分层构造图，查找出可能影响采区布置或巷道开拓的构造异常。这种方法称为VSP，即垂直剖面法。根据探测任务的需要和施工条件，除VSP法外，还可以采用孔间地震反射法，孔间或钻孔-巷道槽波地震透射法，孔间或钻孔-巷道弹性波CT法等，作出需要的地质剖面图等。 (三)钻孔无线电成像技术 无线电成像，也称为电磁波层析成像。由于煤层与顶底板岩石的传导率有很大差异，形成了一个天然波导。当电磁波从发射点沿射线路径传播时，波导与煤层和顶底板岩石间相互作用，使信号在传播过程中失去部分能量。通过位于另一侧的接受机测量出信号强度的衰减，用计算机程序分析衰减信号的特征，计算出信号衰减率，建立格状衰减率模型，绘出衰减率等直线图，以图示形式来辨认煤层厚度变化、顶底板岩层变动的性质与位置以及其它地质异常的形状与大小。美国矿业局自1984年以来，用这种方法在南俄亥俄州的一些煤矿进行了大约5000次钻孔间或钻孔-煤巷间的探测。后来，几乎所有成像区都得到了开采验证。这种探测成果对编制产量规划有重要的参考作用。 (四)矿井地质摄影编录 随着煤矿采掘机械化程度的提高，传统的井巷编录方法难以适应快速掘进的需求。矿井地质摄影(像)编录是建立在近景立体摄影测量基础上的，与传统井巷编录方法相比有如下优点： ①快速简便。摄影编录设备易于携带，可灵活地应用在井巷工程中；采用本方法可在较短时间获取被编录巷道的地质信息，减少了井下作业时间和劳动强度。 ②真实可靠。摄影编录方法能够真实直观地记录地质影像，减少了地质判断的失误。 ③便于资料处理。地质摄像便于长期保存和室内分析研究，而且存储量大，能够与计算机制图和地质信息库配套使用。 ④用途广泛。矿井地质摄影测量方法还可以在节理观测统计、构造预测、顶板管理、岩体结构分析等方面得以应用。 矿井地质摄影测量应用立体摄影方法，即用两部相距300～400mm同型号像机，同时对目标进行摄影，获得由左右像片构成的像片对。见图8-19。摄影所得像对，在立体镜下可获得直观的立体地质构造图像，岩石性质和煤岩界面从像片上可直接辨别。通过计算机图象处理系统直接绘出井巷剖面图和局部素描图。 图8-19水平正直立体摄影示意图 矿井地质摄影测量是很有发展前途的井巷地质编录方法，随着数码摄影及电子计算机技术在矿井地质工作中的普及应用和数字化仪、绘图仪、解析测图仪等设备的完善配套，矿井地质摄影测量方法能够取代传统的井巷地质编录方法。 第九章 地 质 编 录 地质编录是煤炭资源地质勘探与矿井生产地质勘探中极为重要的基础工作，也是地质研究成果的体现。编录资料的正确与否，不仅直接影响地质勘探工作的质量和地质研究程度，而且还直接影响到矿井建设与生产。 地质编录是指将直接观察到的地质现象或采用其它手段(钻探、物探、测试及化验等)所获的地质资料，用文字和图表等形式正确地记录或系统地表示出来的方法与过程。地质编录可分为原始地质编录和综合地质编录两类。 第一节 原始地质编录 原始地质编录是指全面收集和系统整理原始地质资料的工作。它是煤炭资源地质勘探与矿井生产地质勘探所获得的第一手地质资料，是认识总体地质情况的基础，是进一步研究工作区地质条件、成煤规律和评价煤炭资源的依据。由于在地质勘探的过程中，采用的技术方法与手段的不同，原始地质编录的种类也就存在很多种。本节着重介绍钻探工程的原始地质编录和井巷工程的原始地质编录。 一、原始地质编录的内容及要求 (一)原始地质编录的内容 原始地质编录的内容可概括为以下三个方面： 1.文字资料 包括坑探工程、井巷工程中地质现象的记录，钻孔、井巷煤、岩芯(层)的描述，岩石薄片和煤薄片、光片及化石鉴定的文字报告，野外及其它所有第一性地质资料和数据的描述记录。 2.图表资料 原始地质编录图件主要包括各种素描图，如天然露头和各种坑探工程、井巷工程的地质素描图、实测地质剖面图、钻孔柱状图以及其它照片、素描材料等。原始地质编录表格主要包括各种坑探工程原始记录表、钻探工程原始记录表、岩芯鉴定表、采样登记表、样品测试分析化验成果表及其它记录原始地质资料和原始地质数据的表格、卡片等。 3.实物资料 包括岩石、矿物、煤、化石的标本和样品，以及对研究地质规律有重要意义的其它标本和样品等。 (二)原始地质编录的要求 为了保证原始地质编录的质量，各种勘探工程的原始编录必须满足以下基本要求： 1.编录及时 一般地质勘探工程都是连续不断地施工，因而原始地质编录也要随着工程的进展及时地进行。如不及时进行编录，有些岩石就会潮解、失水或风化，特别是井下丰富而珍贵的原始地质资料就会被密集的支架或砌璇所掩盖，或被掘进、回采工程的推进及井下随时可能发生片帮、冒顶等情况所毁坏，而失去收集资料的机会。资料收集后，还应及时地加以整理和清绘。 2.准确全面 不符合实际和不完整的地质资料，不仅不能指导生产，而且还会造成错误的认识和判断，给工作带来损失。对原始地质编录的文字、图表等资料，必须做到内容真实，数据可靠，要求全面、准确地反映客观事实。 3.系统统一 是原始地质编录的重要原则。对各种地质现象、地层划分、岩石命名与描述原则和内容、图例、比例尺、图表格式、工程名称及编号、编录方法等均要有统一的要求。因为地质编录的各种图件是地质工作的“语言”，如果原始地质编录没有统一的标准、格式和规定，而是因地、因队、因人，或因矿、因井而异，这样的编录成果使用起来十分困难，有时甚至无法进行对比而报废，失去编录的意义。 4.重点突出 为了更好地完成原始地质编录任务，应该突出原始地质编录工作的重点。如对影响矿井建设的主要地质问题，有地质变化异常的地段和重要巷道等，必须重点详细观测描述；对于地质条件简单、变化不大的地段，可进行一般的观测编录。 二、钻探工程地质编录 钻探工程的地质编录是根据钻孔中取出的岩、煤芯或岩、煤粉等实物资料和各种测量数据、测井资料，以及对钻孔中各种地质现象的观测而进行的。钻探工程地质编录是钻探施工过程中地质管理工作最重要部分。钻探有各种不同类型，下面主要介绍岩芯钻探的地质编录。 (一)岩(煤)芯的分层、鉴定和描述 在钻进过程中，当不同回次取出的岩芯或者同一回次取出的岩芯有不同的岩石接触时，就需要根据岩石分层原则和岩性变化的特点，对所取岩芯进行分层。从钻孔开始钻进到提出岩芯，称为一个回次。每个回次提出的岩芯，应按岩芯自上而下，由左向右的顺序放入岩芯箱内。对分层后的不同岩性的岩芯，分别测量其在本回次中的长度，再除以本回次岩芯采取率，即得到不同岩性的岩层在本次提钻中的伪厚度。 由于岩石的硬度各异，在钻进过程中磨损情况不同，如煤层、泥质岩等易磨损，而砂岩、石灰岩等难磨损，故各岩层所确定的伪厚仅是初步的，真正确定岩(煤)芯的分层，还应参照钻探判层记录和测井解释成果。 对岩芯分层后，应逐层详细鉴定和描述岩石的成因标志和构造特征，如岩溶或裂隙发育程度、断层面及其破碎带等；对于煤芯应详细描述其物理性质、结构构造特征及宏观煤岩组分与类型。 (二)换层深度的计算 换层深度即岩(煤)分层界面在钻孔中的深度。在岩(煤)芯分层后，可根据岩(煤)芯采取率，回次钻探深度及岩(煤)芯磨损与回次残留岩芯情况等，经过计算而获得换层深度。 岩层的换层界面有时正好在回次终点换层，但多数情况是在回次进尺中间换层，并且在一个回次中常常有一个或几个换层界面。在钻进过程中，由于不同岩性的岩芯磨损存在很大差异，使得回次岩芯不能代表回次进尺的孔段长度，再加上取芯技术的原因，造成残留岩芯的影响，使换层深度的计算更为复杂。现简要介绍换层深度计算的一般方法及步骤： 第一步，先求出岩芯采取率(图9-1)。 岩芯采取率分为回次岩芯采取率和分层岩芯采取率两种： ①回次岩芯采取率。每回次所取岩芯长度与本回次实际进尺的百分比。即：
(9-1) 当有残留岩芯进尺时，则用：
(9-2) 式中：X——回次岩芯采取率，％； ∑L——回次岩芯采长，m； LA ——回次实际进尺，m； LB ——本回次残留岩芯长度，m； LC——上回次残留岩芯长度，m。 ②分层岩芯采取率。某一岩层的岩芯累计长度与其相应的实际钻探进尺的百分比。 第二步，计算不同岩性岩芯孔段长度。 其计算公式为：
(9-3) 式中：S——各岩层岩芯孔段长度，m； h——对应岩层岩芯采长，m； X——回次岩芯采取率，％。 需要指出的是，上述计算公式中，都是把同一回次中不同岩性的岩芯采取率视为相同。由于岩石在钻探过程中的磨损情况差别很大，其岩芯采取率的差别亦很大，松软岩层的岩芯采取率低，坚硬岩层的岩芯采取率高。若用回次岩芯采取率，计算岩芯孔段长度，将会与实际情况相差甚远，因此在计算不同岩性岩芯孔段长度时，必须用岩层岩芯采取率。不同岩性的岩层岩芯采取率，通常可通过大量资料统计分析获取其经验数据。 第三步，计算换层深度(HW)。 当求出岩芯采取率和回次中各岩层的岩芯孔段长度后，便可计算各岩层的换层深度。换层有两种情况： 1)回次进尺终点换层。即岩层换层位置恰好位于回次进尺的终点，这种情况下比较简单，其换层深度即为回次累计孔深。 2)回次进尺中间换层。即岩(煤)层的换层界面位于回次钻进所采取的岩芯之间。这种情况可根据岩层在本回次中的孔段长度和有无残留岩芯分别计算换层深度。 ⑴当回次进尺无残留岩芯时，则：
或
(9-4) 式中：H n——本回次累计孔深； ∑S 1 ——本回次中换层上部各岩层岩芯孔段累计长度； H N-1 ——上回次累计孔深； ∑S 2 ——本回次中换层下部各岩层岩芯孔段累计长度。 ⑵当回次进尺有残留岩芯时，则
或
(9-5) (三)岩层倾角的确定 岩层倾角是岩层的倾斜线及其在水平面上的投影线之间的夹角(α)，又叫真倾角。它是换算岩(煤)层真厚度和判断地质构造的重要依据。在钻孔钻进过程中，凡能测量到的岩层倾角都应系统地收集，尤其是在煤层顶底板、标志层、构造点附近和岩层分界面等位置都要加密测点，以利于构造的分析判断和岩(煤)层厚度的准确计算。 钻孔岩层倾角是通过测量岩芯倾角，并经换算而确定的。 1．岩芯倾角的测量 岩芯倾角是指岩层层面与岩芯横断面之间的夹角。通常利用岩层分界面、水平层理面等进行测量，切不可把斜层理、交错层理及节理面误认为层面。岩芯倾角可利用量角器或地质罗盘直接测量(图9-2、图9-3)。 2．钻孔岩层倾角的确定 1)垂直钻孔的岩层倾角 在垂直钻孔中可直接在岩芯上测得岩层倾角，因为岩芯倾角(θ)就是岩层的真倾角(α)。 当钻孔发生歪斜时，则应根据钻孔歪斜实际情况，对测得的岩芯倾角进行换算，才能得出岩层倾角的值(图9-4)。 2)垂直岩层走向斜孔的岩层倾角 垂直岩层走向斜孔可分为孔斜方向与岩层倾向一致和孔斜方向与岩层倾向相反两种情况。孔斜方向与岩层倾向一致时(图12-4d)，岩层真倾角为： ⑴孔斜方向与岩层倾向一致时(图9-4a)，岩层真倾角为：
(9-6) 式中：α——岩层真倾角； θ——岩芯倾角； γ——孔段天顶角，即垂线与钻孔轴线的夹角。 ⑵孔斜方向与岩层倾向相反时， 当γ≤θ时(图9-4b)，岩层真倾角为：
(9-7) 当γ>θ时(图9-4c)，岩层真倾角为：
(9-8) ⑶任意孔斜时 在钻探施工过程中，任意方向孔斜是最常见的。求任意方向孔斜岩层真倾角的方法为：首先按照垂直岩层走向斜孔求岩层倾角的方法，求出一个角度，该角度为任意斜孔岩层的伪倾角，再把它代入公式(9-9)中，换算即可求出任意孔斜时岩层真倾角(图9-5)。
(9-9) 式中：α——岩层真倾角； β——岩层的伪倾角； ω——斜孔方位和岩层倾向方位 的夹角。 (四)岩(煤)层真厚度计算 岩(煤)层真厚度的计算通式为：
(9-10) 式中：M —— 岩(煤)层真厚度，m； L ——岩(煤)层钻探伪厚度，m； θ ——岩芯倾角。 垂直钻孔中岩(煤)层真厚度的计算，θ =α，见图9-6所示。对于垂直于岩层走向斜孔中岩(煤)层真厚度的计算，孔斜与岩层倾向方位一致时：岩芯倾角θ =α＋γ，见图9-7所示；孔斜与岩层倾向方向相反时：α>γ，θ＝α-γ；α＜γ，θ＝γ-α，见图9-8所示。


(五)孔斜的计算与投影 在钻孔施工过程中，由于受地质条件、钻探技术和钻探操作等因素的影响，钻孔常常发生偏斜或弯曲，即钻孔的孔斜度和方位角不断发生变化，这种现象称为孔斜。如果对孔斜不进行测量和校正，将直接影响到地质资料的可靠程度。因此在勘探过程中，都要对钻孔进行孔斜测定，将钻孔中各测斜点、煤层点及构造点等采用适宜的方法进行计算并投影到剖面图和煤层底板等高线图上。 孔斜计算与投影方法很多，如图解法、计算法、校正网法和查表法等，其投影方式均可分为垂向投影法和走向投影法两种。图解法虽然精度较差，但它是掌握孔斜投影原理和作图方法的基础；计算法精度较高，并可运用计算机计算，故在实际工作中得到普遍采用。 孔斜的计算与投影是在钻孔歪斜未超过钻探质量标准规定的限额基础上进行的，而超过限额的钻孔为废孔，其资料不能利用。 (六)简易水文地质观测及终孔工作 简易水文地质观测是在钻孔施工过程中，利用钻孔收集有关水文地质资料的工作。简易水文地质观测的内容和项目大致包括：观测钻孔水位、冲洗液消耗量、钻孔涌水情况和水温，以及钻进中钻具骤然下落的原因和深度等。钻孔水位是指冲洗液在钻孔内液面(又称水面)与孔口某一固定位置的距离。观测水位的目的是了解含水层的深度、地下水的压力和地下水的动态。 当钻进到达设计终孔层位后，要下达终孔通知书，丈量钻具全长和测斜，进行水文观测，绘制简易钻孔柱状图，终孔验收及封孔。封孔要按地质设计要求和钻探规程的规定进行，在封孔过程中，应特别重视封孔质量，以免以后地表水或地下水经过钻孔涌人井巷而造成危害。 三、井巷工程地质编录 井巷工程地质编录是矿井地质日常工作的主要内容之一。从井筒开工破土起，即开始了这项工作。由于煤矿生产的需要，在煤层及其围岩中开掘了一系列的井巷，这为观测收集井下原始地质资料创造了有利条件，人们可以通过井巷工程，直接观测井下地质情况，并用文字和图表把它真实、全面、系统地记录和描绘下来。通常把记录和描绘井下原始地质资料的工作，称为井巷工程地质编录。 (一)穿层井巷的地质编录 穿层井巷通常有竖井、暗井、穿层斜井及石门等。这些井巷工程无论是铅直、倾斜或水平的，均为穿层掘凿，是揭露煤系地层的主要井巷。对这类井巷工程进行地质编录时，应注意观测所穿过岩层的层序、岩性、厚度以及岩层相互之间的接触关系等。 1.竖井的地质编录 竖井一般开凿在井田中央，是最先用大断面揭露煤系地层的井巷工程。它所提供的有关煤系地层、地质构造、水文地质及工程地质的资料，对于认识矿井地质特征、指导下一步井巷施工都有重要作用。 根据地质条件的复杂程度，竖井井筒编录一般有：展开图式编录、柱状剖面图式编录和水平切面图式编录三种方式。 (1)井筒展开图式编录。 适用于地质条件复杂的地区。对于圆形井筒，将其视为方形井筒(图9-9)来编录。其优点是便于确定井筒素描方位，同时也可以利用作图的方法求出岩(煤)层的产状要素。编录具体方法是：首先在圆形井口周围选定四个基准点，使它们与井筒中心的连线方位分别为N 45°E、N 45°W、S 45°E、S 45°W。在四个基准点上设置四条井筒垂线，即内接正方柱的四条棱线，用来测定地质界面深度。在各条线上读出同一界面的深度，并记录下来，同时进行岩性描述、采集标本，依次到井底并绘出草图(图9-10)。
在编录的过程中，对岩(煤)层、断层的产状要素要进行测量。如果不能用地质罗盘测量，可在井筒展开图上，用作图的方法求得。其方法如下： 在井筒展开图上，首先找出其中黑色粉砂岩底界面的最高点 A，并找出该界面上标高相同的另外两点 C 和 D ；由于井筒相邻的西壁和北壁相互垂直，因此CA 线与AD 线在空间上是垂直的，把 C、A、D 三点投影在平面图上，投影点为 C，、A，、D，，联接C，D， ，即为该岩层的走向；垂直于C，D， 线的A，E 线即为该岩层的倾向，A，E 的长度为从 A 点沿倾斜方向作 CD 线垂线的平面投影长度，AB 的长度是 A 点与 CD 线之间的高差值，也是倾斜线的立面投影长度。因此，当一条倾斜线的平面投影和立面投影长度为已知时，则可用作图法求出倾角。即设
(AB 从展开图上量出)，∠FA，E 就是岩层倾角。 (2)井筒柱状剖面图式编录。适用于地质条件简单或中等、岩层倾角平缓的地区。它是在垂直地层走向的井简直径两端，设置基准点和井筒边垂线，以此丈量地质界面深度，绘制井筒柱状剖面图(图9-11)。 (3)井筒水平切面图式编录。适用于地质条件简单岩层倾角较陡的地区。此种方式是当井筒每掘一定深度编录一水平切面图，并根据各水平切面图编绘井筒柱状剖面图(图9-12)。为了便于各水平切面图相互对应，在各个水平切面图上要准确标注指北线和井筒柱状剖图的剖面线位置。

2.石门的地质编录 石门是垂直或接近垂直地层走向且水平或近于水平的穿层巷道。一般位于井田或采区中央，其编录资料是分析构造、对比煤层的主要依据，同时也是采区设计和巷道布置及其施工不可缺少的资料。因此，所有石门都要细致地进行地质编录。 石门编录的基本方式是只作一壁剖面图，即测绘一壁的地质素描图。但当个别地段条件特别复杂、一壁编录难于反映真实地质现象时，则以一壁剖面图为主，辅以局部展开图。 编录的一般步骤和方法如下(其它巷道编录步骤类同)： 1)熟悉巷道预想地质剖面和邻近勘探线剖面。下井编录前，要熟悉编录巷道的预想地质剖面、邻近巷道的分布及其地质情况，以便在编录时心中有数。 2)确定编录壁及编录高度。在编录石门剖面时，编录的那一壁应该与勘探线剖面图一致，即统一了看图方向，以便利用巷道编录资料修改、补充勘探线剖面图。其它巷道应编录紧靠它所服务的对象(水平、采区、回采工作面)的一壁。 巷道编录高度一般是上到棚牙口，下至轨道面。对于拱形或大断面巷道的编录高度，可视具体情况而确定，以不丢失有价值资料为原则。 3)对编录巷道进行全面概略观察。到达编录巷道后，不要急于绘图和描述，应先对编录巷道的两壁及巷顶全面巡视一遍，了解测量点位置，查明巷道所揭露的地质现象，确定需要定地质观测点的位置。利用井下测量点或已知巷道标定编录起点位置，丈量、记录编录起点距测量点或已知巷道距离和方向。每条巷道每次编录的终点均要注上记号，写上日期，以便下次接着进行。 4)在编录壁上挂观测基线。观测基线是编录过程中挂在巷壁上的一条基准线。用它来控制距离和巷道的起伏，实测地质界线的位置及编录壁形态，是编录巷道剖面图的基础，一般用皮尺。为减少挂基线的误差，其起点与终点应与测量点取得联系，最好以测量点作为基线的起点与终点，以便校核基线的距离和高程。基线的各种数据(方向、坡角及距巷顶、底距离等)应记录清楚，并绘出草图。 观测基线的挂法有四种情况。 (1)固定标高观测基线 适用于水平或坡度较小的巷道 为了便于绘图，观测基线的标高最好取一整数。当基线与巷顶(底)接近时，可将基线垂直提高或降低一定的高度(图9-13)。 (2)平行巷顶(底)观测基线 适用于坡角较大、且坡度不一致的巷道。观测基线一般与巷道腰线一致，或者以巷道轨面为准，向上量取一定距离平行巷底布置；或者以巷顶的测量点为准，向下量取一定距离平行巷顶布置(图9-14)。
(3)既不水平也不平行巷顶(底)观测基线 它适用于起伏比较频繁的巷道(图9-15)。 (4)不连续观测基线 它适用于短距离内坡度起伏变化很大的巷道。这类巷道坡度变化不仅频繁，而且急剧，所以测量点较密，故可充分利用测量点资料，量一距离和与测点的高差即可绘图(图9-16)。

5)观测、记录和描绘巷壁地质现象 观测、记录和描绘巷壁地质现象是井巷地质编录的关键步骤，它们是同时进行的，具体包括以下方面： (1)地质观测点的选定与描述 地质观测点应选在地质特征清楚和地质变化显著的地点，对具有代表性和典型性的地质特征点必须重点观测描述。各种地质观测点的观测与描述内容，可见表9-1。 (2)实测地质界线 地质界线一般用地质观测点及附加点来控制。具体方法可概括为三种： ①实测地质界面控制点法 对于每个地质界面应实测两个及其以上的控制点，且每一控制点均需测出至基线起点的距离和到基线的垂距。控制点应选择在地质界面与巷顶、巷底和基线的交点位置；背、向斜的轴部；断煤交线与巷壁的交点位置。以控制点为基础，按实际情况即可连接地质界线(图9-17)。此法适用于岩石层面起伏较大的井巷编录。 ②实测地质界面控制点与视倾角相结合的的方法 当岩层产状与厚度稳定时，每一地质界面可以只测一个控制点，即地质界面与基线的交点，并用罗盘或测角仪量出地质界面的视倾角，即可绘出该地质界线(图9-18)。
③实测小柱状控制地质界面法 即每隔适当距离作一小柱状图来控制地质界面(图9-19)。此法适用于岩层产状稳定、倾角平缓，并且层次较多的井巷编录。
(3)绘制巷道剖面实测草图及细部素描图 在进行井巷原始编录时，不但要观测记录数据和文字描述，而且要在现场绘制巷道剖面实测草图和典型地质现象细部素描图。草图要简明清楚，不仅编录人自己能看懂，而且要其他人也能看懂。细部素描图要标定其位置(图9-20)。 表9-1 各种地质观测点的观测描述内容 地质观测 点名称 观 测 描 述 内 容  煤层观 测点 1．煤层厚度：薄煤层直接测其厚度，厚煤层测出沿巷道方向上的伪厚度 2．煤层结构及煤岩特征：夹石层的层数、厚度、岩性及与煤层的接触关系，煤分层中煤的物理性质、结构构造、煤岩类型及各煤分层的厚度 3．煤层中的结核及包体 4．煤层顶底板：顶底板的岩石名称、岩性特征、厚度、产状及与煤层的接触关系，顶底板的坚固性、裂隙性、有无伪顶、伪底，底板有无膨胀与滑动现象 5．煤层的分叉、尖灭、增厚变薄、煤层冲蚀、煤层中的构造变动、岩浆岩侵人体、喀斯特陷落柱、煤层的含水性等 6．采取煤样及标本  断层观 测点 1．断层位置 2．断层面的形态特征，断层面上擦痕及滑动方向 3．断层带的宽度，断层带中充填物的成分、大小、分布和胶结情况，有无岩脉充填 4．断层两盘岩层的层位及产状 5．断层两盘伴生与派生地质现象，如牵引褶曲、羽状节理、入字型分支构造、帚状构造等 6．断层带含水、含瓦斯情况 7．断层性质及其力学性质的鉴定 8．断层产状要素及断煤交线的测量 9．断距的测量 10．煤层受断层的影响情况 11．采集断层两盘煤岩层标本和反映其构造特征的定向标本  褶曲观 测点 1．褶曲枢纽的位置、方向及倾状情况 2．褶曲两翼煤、岩层的层位和产状 3．褶曲的宽度和幅度 4．褶曲附近伴生的小构造特点，褶曲与断层、节理的关系 5．煤层受褶曲影响的情况  岩浆岩侵 入体观 测点 1．岩浆岩的颜色、矿物成分、结构构造 2．岩浆岩侵人体的产状、形态、厚度 3．岩浆岩侵人体在煤层中的位置、分布范围，煤的变质程度，以及对煤层可采性的影响情况 4．岩浆岩侵入与断裂构造的关系 5．采集煤样及岩体标本  喀斯特陷 落柱观 测点 1．陷落柱与围岩接触面的形态特征，周围岩层的产状变化 2．陷落柱内充填岩块的大小、成分、排列情况和地层时代 3．陷落柱的形状、大小，中心轴的倾向、倾角，陷落柱与煤层的交面线，巷道揭露陷落柱的部位等  煤系观 测点 1．逐层鉴定岩石名称，描述岩性特征、结构构造、生物化石、结核包体、接触关系，特别要注意煤顶底板和标志层的层位和特征 2．测量岩层厚度与产状要素 3．逐层采集标本，并编号登录  
值得注意的是，在井下进行观测编录时，一是要切实注意安全；二是每条巷道每次编录后，在离开之前，要认真检查记录，核对各种数据。一条巷道编录完毕，还必须全面检查一遍，看资料是否收集齐全，如有遗漏和错误，要及时补充和纠正。 石门编录完毕后，需根据实地调查的资料，整理绘制出比例尺1：200的石门剖面图，煤层及构造应附加放大的素描图及小柱状图，其格式如图9-21所示。
(二)顺层井巷的地质编录 顺层井巷是指沿着同一岩(煤)层位开凿的井筒或巷道，如顺层平硐、顺层斜井、运输大巷、总回风巷、采区上、下山等。顺层井巷地质编录的方法和步骤与石门编录相似。 现以煤层平巷为例，说明其编录方法。通过煤层平巷地质编录，能够取得煤层厚度、结构、顶、底板岩性及其变化情况的宝贵资料，查明地质构造的发育情况，预示回采工作面可能出现的地质现象。煤层平巷编录方法决定于煤层厚度和倾角的大小。 1.巷道能够揭露煤层全厚的薄煤层及部分中厚煤层 如果煤层倾角较缓且赋存稳定时，可以简便其编录。一般只要隔适当距离观测一次煤层全厚，或者实测一个煤层小柱状(包括煤厚、产状、结构及顶、底板情况)，并将煤厚数据或小柱状图标在平面图上。当煤层厚度、结构变化较大时，则需加密观测点，并作连续测绘，编录巷道一壁剖面图，编录方法与石门编录相同。可采用实测层面控制点或实测小柱状的方法，测绘煤层及其它地质现象。在连续观测的基础上，根据实测小柱状和控制点按实际情况联接煤层及其它地质界线，即可绘成巷道一壁剖面图(图9-22)。对于煤巷中出现的重要地质现象，要细致观测，用巷道断面图、局部素描图和展开图，把它们真实地记录下来。
如果煤层倾角较陡，在巷道壁上难以观测到煤层的全部，这时采用每隔适当距离，观测巷道迎头断面，绘制巷道梯形断面图，并在巷道平面图或剖面图上标注各梯形断面的位置及编号。梯形断面图上注明各种数据(煤厚、结构、顶、底板岩性、产状、断层情况等)，如图9-23所示。 2.对于巷道不能揭露煤层全厚的厚煤层及部分中厚煤层 在进行地质编录时，首先要设法探查煤层全厚，然后，再根据巷道中实测和探测的各种数据进行编录。当煤层倾角较缓，则编制沿巷道方向的垂直剖面图(图9-24)。为使编制的垂直剖面图准确，必须注意使探煤厚的探眼距巷壁的距离保持一致。当煤层倾角较陡，则编绘巷道所在标高的水平切面图(图9-25)。


(三)回采工作面地质编录 回采工作面地质编录的基本任务是查明采面内的地质变化及其发展趋势，指导回采工作的正常进行；测量煤厚，丈量采高，计算工作面损失率，监督煤炭资源的充分回收；探测厚煤层的剩余厚度，为厚煤层的合理分层开采提供依据。 随着工作面的逐步推移，要不断地观测工作面出现的地质构造、煤层厚度、结构及其变化，顶板岩性、结构、产状及裂隙情况，以及其它影响回采的地质因素等。 如果回采工作面地质条件简单，煤层厚度较为稳定，一般只要隔一段时间或每推进一定的距离，在工作面内均匀布置几个观测点，测量煤厚、采高、浮煤及底丢煤厚和产状，并将其观测结果展绘在回采工作面平面图上；如果工作面地质条件复杂，除增加检查观测次数外，还应沿工作面煤壁作实测剖面图(图9-26)，以反映地质变化情况。
对于煤厚较大，且有一定变化的分层回采工作面，观测时还必须系统地进行探煤厚工作，并及时编绘出勘探线剖面图和剩余煤厚等值线图。 第二节 综合地质编录 综合地质编录是指编制各种综合地质资料的工作，包括编制反映地质条件总体情况相互关系和变化规律的各种综合地质图件、各类地质报告、地质总结、地质说明书及地质研究的成果。煤炭资源地质勘探综合地质编录的最终成果就是勘探区的精(详)查地质报告，它是煤矿设计、建设和生产的依据。矿井生产勘探综合地质编录的最终成果是矿井的地质报告，它是制定矿井生产计划、指导采掘工程布置及矿产储量管理等的主要依据。 在综合地质编录工作中，编制各种综合性地质图件是极其重要的工作内容。除了编制反映总体地质特征的基础性图件外，有时为了了解某一项地质问题的情况及变化规律，还需要编制某些专门性地质图件。 本节着重介绍煤矿生产的基础地质图件：井田地形地质图、综合柱状图、煤岩层对比图、勘探线剖面图、水平切面图、煤层底板等高线及储量计算图。综合地质编录的各类地质报告及地质说明书等将在其它章节中介绍。 一、井田地形地质图 地形地质图是反映井田范围内地形、地物、地层、煤层、标志层、地质构造、岩浆岩和其它有益矿产的分布，以及勘探工程的布置情况等为主要内容的图件。 地形地质图是以地形图为底图，经过地质调查及勘探后而编制成的。一般地形地质图采用的比例尺为1：10000或1：5000，在地质构造复杂的小型矿井可采用1：2000的比例尺。图中应反映的内容包括：地形等高线、地面建筑物、河流、公路、铁路、桥梁、车站，三角点、高压线、经纬线、指北线等；钻孔、探槽、探井、探峒、小窑等及其编号和标高，地层分界线(系、统、组)、地层产状、断层线、褶曲轴、岩浆岩分布范围等，煤层、标志层及其它有益矿产的露头线；井田边界线、勘探线及其编号，井田内如有生产矿井，应标明井口位置、标高、井田边界及生产矿井的采掘范围；滑坡范围；图名、图签及图例。 地形地质图是编制勘探线剖面图与煤层底板等高线及储量计算图的基础，也是进行矿井设计和煤矿建设生产的基本图件之一。如设计部门用来选择运输干线及供电线路，确定井口、工业广场、建筑物、建筑石料场等位置，考虑保护农田、寻找水源等不可缺少的图纸，生产部门用来编制井上、下对照图，注意地下开采对地表的影响，防止建筑物布置在煤层的上部造成压煤现象等。要参照结合这两种图，才能作出较正确的结论。 二、地层综合柱状图 地层综合柱状图是在地层详细划分与对比的基础上，经过大量原始资料的统计和综合编制而成。综合柱状图一般采用的比例尺为1：500或1：200，反映的内容包括有：地质时代、地层厚度、各地质时期岩性及其变化、地层接触关系、煤层、标志层和有益矿层层位、煤层厚度和层间距、含化石层位、含水层及岩浆活动等(图9-27)。 地层综合柱状图编制：首先确定图的比例尺，然后按一定格式画好图头，从下到上，由老至新，将地层单位，岩性柱状，地层厚度，岩性描述等项逐一填入有关栏内，其中岩性柱状用规定的图例表示。 如有不整合或假整合要在岩性柱状中表示出来。综合柱状的厚度，一段采用平均值，为了了解厚度的变化情况，可将它的两极值(最大及最小)写在厚度栏内，岩性描述尽可能详细，但要重点突出，并将标准化石或常见化石列出。 三、岩、煤层对比图 岩、煤层对比图主要是根据各勘探工程揭露的岩、煤层资料绘制成的真厚度柱状，并选择煤层(或标志层)为对比基线，按一定顺序(沿地层倾向或走向)排列起来，通过分析对比，将同一地层界线、各煤层及标志层用线条联结起来，即成岩、煤层对比图(图9-28)。 岩煤层对比图可以反映井田内岩、煤层沿走向和倾向方向，相互之间的关系及其空间变化的规律。它是编制剖面图的基础资料。
四、勘探线剖面图 勘探线剖面图，是根据勘探线上各勘探工程和生产巷道所揭露的地质资料编制而成的。它表示沿勘探线方向地质构造和煤层赋存情况。勘探线剖面图是编制煤层底板等高线图的基础，有时它也可直接利用来进行储量计算。 勘探线剖面图的内容包括有：勘探线切割的地形、地物、经纬线、水平标高线；地层界线、褶皱、断层及其要素、岩浆岩侵入体；煤层、标志层及其名称和编号；勘探工程、生产巷道及采空区、井田边界线；勘探线方向、比例尺、图例和图签等(图9-29)。
五、水平切面图 水平切面图是沿某一开采水平进行编制的，它是一种反映该水平全部地质情况和井巷工程的重要图件。水平切面图是进行该水平开拓布置、巷道设计和掘进施工的主要依据，尤其是在煤层层数多、层间距小、倾斜、急倾斜煤层矿井。 水平切面图一般选用的比例尺为1：5000～1：1000。其包括的内容有：位于该水平的井底车场、运输大巷、石门及煤巷等所有的巷道；穿过该水平的全部钻孔；该水平切过的所有煤层、主要标志层、含水层、地层分界线和岩浆侵入体的位置等；煤层厚度和产状，断层位置和产状；经纬线、指北线、地质勘探线、井田边界线等(图9-30)。
六、煤层底板等高线及储量计算图 煤层底板等高线图是反映煤层空间形态特征的图件，是煤矿中最重要的地质图件。它是利用煤层底界面与若干等间距的水平面相交的一组交线投影到水平面上，用此等高线表示煤层在空间起伏及断裂情况(图9-31)。当煤层倾角小于60°时，可以此图为基础，根据勘探工程的密度和工作程度，划分储量级别进行储量计算，所以又称储量计算图；当煤层倾角大于60°时，则应采用立面(垂直)投影法编制煤层底板等高线图。 煤层底板等高线及储量计算图在煤炭资源勘探及矿井设计与生产阶段具有重要的指导意义。在资源勘探阶段，常用于勘探工程的布置和进行储量计算；在矿井设计与生产阶段，是井巷设计、水平与采区划分，采面布置和指导掘进的主要地质图件。随着采掘工程的进展，要经常根据新揭露的资料，不断的修改和提供与生产阶段相适应的煤层底板等高线及储量计算图。
煤层底板等高线图一般采用的比例尺为1：10000或1：5000。构造复杂的井田、井型；较小的矿井及反映一个采区或采面的煤层底板等高线图，一般采用1：2000的比例尺。 煤层底板等高线及储量计算图包括的内容有：地面河流、铁路、主要地物(如工业广场、居民点、高压线路)及地形等高线；煤层露头线、煤层风氧化带界线、岩浆岩侵入界线、陷落柱界线、古河床冲刷煤层的界线、煤层底板等高线、断层与煤层的交线及断层的编号、倾角和落差、褶曲枢纽线；穿过编图煤层的全部钻孔、勘探线及编号、生产矿井的巷道、老窑及采空区范围、井筒(主、副、风井)的位置、井下回采工作面范围及编号、回采进度界线及探煤点煤厚；经纬线、井田边界线、见煤钻孔小柱状、煤质主要指标小表(A‘ V’ Ymm Sr)储量分级线、块段界线及编号、储量计算块段表等。 第十章 地质报告及地质说明书 第一节 煤炭地质勘查阶段及地质报告 一、煤炭地质勘查阶段 《煤、泥炭地质勘查规范》（2003-03-01实施）规定，煤炭地质勘查工作，可划分为预查、普查、详查和勘探（精查）四个阶段。 1．预查阶段 所谓预查，应在煤田预测或区域地质调查的基础上进行，其主要任务是寻找煤炭资源，最后对工作区所发现的煤炭资源有无进一步工作的价值做出评价。这一阶段的工作，主要为普查提供必要的地质资料，也可能是以无煤或无进一步工作的价值而告终。所以，在这一阶段，工程地质工作可不予开展。 2．普查阶段 普查是在预查阶段的基础上，或已知有煤炭赋存的地区进行。经过对地层、构造、煤层、煤质、岩浆活动、水文地质条件、开采技术条件、工程地质条件等方面的研究，对工作区煤炭资源的经济意义和开发建设可能性做出评价。为煤矿建设远景规划提供依据。 3．详查阶段 详查是在普查的基础上进行的。详查的主要任务是为矿区总体发展规划提供地质依据。对影响矿区开发的水文地质条件和开采技术条件做出评价。凡需要划分井田和编制矿区总体发展规划的地区，应进行详查。 4．勘探阶段 勘探的任务是为矿井建设可行性研究和初步设计提供地质资料。勘探一般以井田为单位进行。勘探的重点地段是矿井的先期开采地段和初期采区。勘探成果要满足确定井筒、水平运输大巷、总回风巷的位置，划分初期采区，确定开采工艺的需要；要保证井田境界和矿井设计能力不因地质情况而发生重大变化，保证不致因地质资料影响煤的洗选加工和既定的工业用途。 二、地质报告类型 地质报告是全面反映相应阶段地质工作成果的重要技术文件。它是在指定任务全部完成或告一段落后，根据各种资料的系统整理和综合分析研究编制的。一般由报告正文及各种图件、表格、附件等组成。 按地质工作的目的，地质报告可分为区域地质调查报告、矿产地质报告、水文地质或工程地质报告、物化探报告等。煤炭地质勘查报告属矿产地质报告范畴。煤炭地质勘查中按勘查阶段有预查地质报告、普查地质报告、详查地质报告和精查地质报告。 矿井建设竣工移交生产时，要提交矿建地质报告。经一定时期的采掘生产，需根据勘查、建井和生产中累积的地质资料，编制矿井地质报告。矿井收尾时，要提交矿井收尾阶段地质总结。 三、井田精查地质报告的主要内容及其使用 井田精查地质报告是在勘查阶段结束后，为反映井田地质和煤炭资源状况而提交的地质报告。它是矿井初步设计、建井和矿井生产的重要地质依据。提交精查地质报告后，上级有关部门还要组织地质勘查、矿井设计和生产部门的工程技术人员对报告进行全面的审阅、评议，并对报告是否获准通过做出决议。评审通过的精查地质报告才能提供矿井设计、建设和生产部门使用。 （一）井田精查地质报告的主要内容 精查地质报告应包括报告正文、各种图件、表格、以及对有关地质问题的专题研究报告和原始资料、岩心等。 1．报告正文 报告正文分八章，每章再按需要分节。 第一章 概况 说明勘查工作的目的、任务；勘查区位置与交通概况，简要说明经过或邻近勘查区的现有或拟建的铁路、公路、水路等；勘查区自然地理，包括地形地貌、地表水体、气象和地震资料等；勘查区及其附近生产或已停闭矿井和小窑的情况；以往地质工作及其评价。 第二章 勘查区地质 扼要叙述区域地层、构造、岩浆岩及其特点。 详细叙述勘查区内地层时代、层序和化石；叙述含煤地层厚度、岩性、岩相、标志层特征及其沿走向、倾向的变化。 分别叙述区内重要褶曲、断层的分布和控制程度。综合叙述区内地质构造的规律性。 叙述岩浆岩体的名称、产状、侵入时代、分布范围及对煤层、煤质的影响。 第三章 煤层、煤质及其它有益矿产 综合叙述煤层总层数、总厚度和可采煤层层数、总厚度。自上而下的详细叙述各可采煤层的层位、间距、厚度、结构及变化规律。 煤中有害组分（灰分、硫、磷等）及其变化规律。煤的可选性及工艺特征（炼焦、化工等），煤的合理利用方向。 确定煤层风、氧化带的方法及依据。 对勘查区内其它有益矿产，如铁矿、油页岩、铝土矿、耐火粘土等的勘查程度、分布、规模、质量、储量以及煤中稀散、放射性元素的赋存情况及含量（若达到工业品位，则另编资料），进行综合评价。 第四章 勘查区水文地质 扼要叙述区域水文地质特征。 叙述各含水层及隔水层的岩性、厚度、埋藏深度、分布范围及其变化，裂隙与溶洞发育程度及其规律，地下水的埋藏类型及水力性质，含水层的富水性（钻孔单位涌水量、渗透系数）、水位标高、水质、水温及地下水动态资料，含水层间及与地表水的水力联系，隔水层隔水条件的评价。 叙述勘查区与邻近生产矿井水文地质条件对比情况。现有生产矿井的能力、井型、开采最深水平，各水平和整个矿井的月涌水量、水质、水温，充水的主要来源及地下水出露情况，巷道突水的原因。 供水水源。勘查区现有供水情况，可能供水水源的水质、水量评价。 第五章 开采技术条件 勘查区内或邻近矿区的生产矿井（包括生产小窑）有关开采技术条件方面的资料。已封闭或停采的矿井及其原因。 详细叙述区内松散覆盖层及各可采煤层顶底板岩性及其变化规律，并叙述其物理力学性质、特征。露天开采时，还应评述上覆岩层的工程地质特征。 瓦斯含量、煤尘和煤的自燃倾向性，实验性分析结果及邻近生产矿井的有关资料及评价，矿井瓦斯等级确定的依据。 第六章 地质勘查工作 地形测量工作方法及质量评述。勘查工程的测量方法及其质量。 地质测量工作方法、工作量及成果的质量评述。 物探（包括地面物探及测井）的工作方法、工作量及其质量评述。物探与钻探相结合的综合方法及其效果评述。 钻探工程量及其质量（岩、煤心采取率，孔斜，封孔等）评述。 水文地质工作及其质量评述。 各种样品采取地点、方法、数量及其确定的依据，采样工作质量及化验质量的评述。 勘查类型及其确定的依据，勘查方法、勘查程度及勘查工作的经济效果。 第七章 储量计算 储量计算边界及工业指标确定的依据。 储量计算的方法和计算参数选定的依据。 划分各级储量的条件，与一般划分原则不同的特殊块段的处理方法。 勘查区内各级储量及总储量的计算结果。储量计算的检查方法和准确程度的评价。 有关储量计算其它方面的说明。 结论。 对勘查成果总的评价（主要是对勘查程度、地质报告资料的完备程度及其质量做出结论）。 简要总结勘查工作的主要经验与教训。勘查区远景评价及对今后工作的意见和建议。 2．图件 交通位置图； 区域地质图（附地层综合柱状及地质剖面图），1：50000～1：200000； 井田地形地质图（隐伏区为基岩地质图）1：5000～1：10000（露天开采用1：2000～1：5000）； 井田地层综合柱状图，1：500～1：1000； 钻孔柱状图，1：200～1：500。附简易水文地质观测曲线、测井曲线及解释成果； 岩煤层对比图，1：200～1：1000； 勘探线剖面图（含走向剖面图），1：2000～1：5000； 水平切面图； 各可采煤层底板等高线及储量计算图，比例尺与井田地形地质图相同。当煤层倾角大于60°时，应附煤层立面投影图或立面展开图； 井田水文地质图，比例尺同井田地形地质图； 水文地质剖面图，比例尺同勘查线剖面图（第四系剖面图的比例尺可适当放大； 其它图件。区域水文地质图、抽水实验综合成果图、地震时间剖面图等。 3．表格、附件资料 测量成果表（包括控制测量及工程测量）；煤层综合成果汇总表；煤质分析成果汇总表；煤的可选性实验及工艺性能试验成果汇总表；储量计算表及汇总表；地表及地下水水质分析报告表；各含水层抽水试验综合表；土壤、岩石及煤的物理机械性质试验报告表；老窖或生产矿井调查材料等。 根据勘查区的地质情况和工作需要而进行的专题研究报告。 4．不可复制的原始资料 槽（井）探展开图、钻孔的原始记录、长期水文动态原始记录、物探的实际资料、钻孔的封孔、止水报告等，以及主导勘查线上钻孔、水文孔、井筒检查孔、基准孔等特殊钻孔的全部岩心和一般钻孔的部分代表性岩心。 （二）对精查地质报告的审核及评价 精查地质报告资料的可靠程度直接关系到矿井建设与采掘生产能否安全高效地进行。因此，矿井工程技术人员应具备审核及评价地质资料的能力。在审核及评价地质报告时，可从两方面入手：一是注意资料是否齐全，核准原始资料的可靠程度；二是评价报告的勘查程度，主要地质问题的控制和查明程度是否满足矿井设计、建设和生产的要求。 井田精查地质报告的使用贯穿于矿井设计、建井和采掘生产的全过程。其中，使用最为广泛的是各种图件， 地质报告的图件很多，按用途可分为三类。 第一类：反映区域概貌的图件 包括交通位置图、区域地形地质图（附综合地层柱状图及地质剖面图）。这类图件的比例尺小，反映的面积大。其作用主要是介绍井田所在区域的概况，如井田的地理位置、交通、地形、区域地质等情况。可作为供电、供（排）水、铁路、公路运输等设计方案的参考图件。 第二类：矿井设计、生产中常用的主要图件 包括井田地形地质图、勘查线剖面图、水平切面图、煤层顶底板等高线及储量计算图。这四种图件是井筒、硐口及地面建筑物和井下巷道布署的设计底图。同时，它们又是指导矿井采掘布署和生产的重要图件，并需在使用过程中不断修正和补充，消除地质误差，以便正确指导下一步的巷道设计和采掘生产。 第三类：矿井设计、生产的参考图件 包括钻孔柱状图、井田综合柱状图、煤（岩）层对比图、井田水文地质图、水文地质剖面图及其它图件。巷道系统设计和采、掘施工中，除侧重考虑地质构造、煤层厚度变化和储量等因素外，还要考虑岩石性质、地下水及其它开采技术条件等因素的影响，这就需要参考此类文件。且钻孔柱状图属原始资料，它是综合性、分析性图件的基础资料，所以它又是审核这些图件的依据。 在审核、使用各种图件的同时，还应参阅报告文字中相关章节的论述，以加深对一些主要地质问题的认识。 四、矿建地质报告的主要内容 矿建地质报告是对从煤矿基本建设准备开始，到建成投产过程中全部地质工作的总结。它侧重说明对井田精查（或最终）地质报告的验证情况和对地质体认识的进展和新发现。因此，它是精查地质报告的必要补充和部分修正，起着承上启下的作用。 在煤炭资源地质勘查阶段，主要是运用地表钻探和物探等手段获取地质资料。在煤系对比勘查工程（或线）间地质构造、煤层赋存状态时，不可避免地会出现一定的地质误差，若一些勘查工程质量不高，还可能会导致构造、煤层的误判或遗漏。在矿建阶段不仅可通过少量钻孔解决或验证一些专门地质问题，以弥补勘查工作的不足，而且可随井巷掘进，系统地收集和整理井下揭露的地质现象，不断提高对客观地质体变化规律的认识。 矿建地质报告的范围，主要是矿建阶段实际开拓的地段，并要求文字、图、表精练。凡对新获得的资料必须综合分析；凡与原报告的观点、结论有差异及对今后矿井生产或补充勘查有重要关系的地方，则必须交代清楚。 报告可分为文字说明和附图、附表等三部分组成。 1．文字说明 文字说明一般分六章。 第一章 概论 说明矿井交通位置、范围及四邻关系；井田地质勘查简史、地质报告（或补充勘查报告）提交审批的情况；建井期间补充地质工作（包括钻探、物探、巷探）的情况；矿井设计能力，服务年限，开拓方式，水平及采区划分，以及其他有关设计参数等；矿井基建施工单位，开、竣工日期，实际完成的井巷工程量，以及采区和工作面的准备情况等。 第二章 井田地质构造特征 井田总的构造特征；开拓区内各主要断层、褶皱（褶曲）、煤层的产状及变化，各主要构造的控制程度及其对煤（岩）层的破坏情况；井田内已控制构造的可靠程度；井田内中、小型构造的特征、规律及其对煤层开采的影响程度；岩浆岩侵入体的分布、产状，对煤层的影响情况；岩溶陷落柱的分布及其对煤层的影响。 第三章 煤系、煤层及煤质特征 含煤地层时代、厚度、岩性，可采层数，煤层总厚度以及煤系变化情况。 分层叙述煤层的最小、最大厚度和一般厚度，层间距，结构，顶（底）板岩性及稳定性。 简述煤质特征及瓦斯等情况。 第四章 井田水文地质特征 井田水文地质条件及各含水层（组）分布规律和特征；井巷实见涌（突）水点位置、涌（突）水量及处理情况；井巷涌水量与巷道长度的关系；矿井充水因素，涌水量，变化趋势及防治水措施。 第五章 储量与三量计算 储量计算或核算的依据和方法；矿井储量和开采储量（未经修改的块段，按原储量统计）；储量增减情况及其原因。 第六章 结论 对建井过程中某些地质问题的结论。 对原地质报告的评价。 尚存在的主要问题和对今后矿井地质工作的建议。 如果在建井过程中进行过正式补充勘查或补做地质工作量较大时，应单列章节，较详细地加以叙述和评价。 水文地质条件复杂的矿井，可视具体情况增加必要的水文地质资料和补充评述。 2．附图 井田地形地质图；回风水平地质切面图；运输水平地质切面图；通过首采区的勘查线地质剖面图（经修改的）；井筒（主井、副井、斜井、平峒）地质素描图；采区上、（下）山地质剖面图；首采区煤层底板等高线及储量计算图（急倾斜煤层编绘立面图）；以及水文地质综合性图件。 3．附表 重新计算储量的基础表和汇总表；煤质、水质化验成果表；建井期间施工的钻孔成果表。 矿建地质报告是在新井移交前半年，由建井施工单位和接受单位共同组成专门小组负责编制的。报告完成后应报上级地质部门审查，并由新井投产验收委员会批准，移交生产矿井使用。 五、矿井地质报告的主要内容 矿井经过一定时期的开拓、生产和补充勘查，积累了大量原始资料和综合分析资料。对井田地质构造、煤层稳定程度、水文地质及开采技术、经济条件等主要地质问题的认识更切合客观实际。全面、系统的修正和补充原地质报告的基本图、表和文字，对井田地质做出重新评价，对于提高矿井生产的地质保障能力，指导矿井深部和邻区勘查均具重要意义。因此，《矿井地质规程》规定：矿井地质报告一般每8～10a修编一次，并报省（区）煤炭厅（局）批准，提供设计生产部门使用。 矿井地质报告是以井田精查地质报告或原有矿井地质报告为基础，通过对全部勘查和矿井地质资料的系统整理和综合分析研究而成的。它在侧重说明已采区构造特征，尤其是小构造发育规律、煤层稳定性及其它影响采掘生产的主要地质问题及其变化规律的基础上，预测未采区构造、煤层及水文地质、开采技术条件的变化，确定矿井的地质、水文地质条件类型；通过探采对比，说明储量计算的准确程度，分析矿井各种储量损失和资源回收情况，评述矿井的服务年限。 报告由文字、附图、附表等三部分组成。 1．报告文字 报告文字一般分八章。 第一章 绪论 修编地质报告的依据、目的和任务。 主要阐明井田的地理位置、井口坐标、井田边界和面积，与邻井关系。扼要说明经过本井田邻近的铁路、主要公路和水路等。 叙述井田的地形、地貌特征、水文、气象等自然地理情况。 阐明矿井建设和投产时间、设计能力、核定能力、开拓方式、采煤方法，开拓延深及改扩建历史、服务年限、开采煤层，现生产水平、开拓延深水平和开采范围等生产建设情况。 简述原报告提供和这次修编地质报告时各类储量情况等。 第二章 矿井地质工作 简述本井田以往地质勘查工作情况及评价。 简述矿井中小井的开采情况，除按精查地质报告内容编制外，还要叙述需要采取的措施。 叙述自上次报告以来所采用的矿井地质与矿井水文地质工作方法，各种主要手段的使用情况、主要工作量以及质量评述。 对原地质报告的评价。 说明原地质报告的提出单位、时间，报告审批单位、时间和审批意见。对勘查方法、勘查类型、工作质量、地质构造、煤层、煤质、水文地质和开采技术条件及储量计算等做出评价。 第三章 井田地质 简述井田内地层层序、时代、厚度、岩性及其变化、古生物组合等，叙述地层对比的方法、依据及可靠程度（或对原报告地层对比的评价）。 详述井田内含煤地层的厚度、岩性、岩相、标志层特征及沿走向、倾向的变化情况等。 简述区域地质构造基本特征及井田所处的构造位置。 详述井田的基本构造形态、地层产状及其变化、主要褶曲和断层的分布情况。逐个描述井田内主要构造的揭露地点、断层落差或轴向、产状要素、延展方向、生成顺序，断层与褶曲的相互关系，各种工程对构造的控制和研究程度。 井田内小构造的发育规律，与主要构造的关系；评价井田地质构造的复杂程度，构造对煤层、煤质、水文地质及开采技术条件的影响，以及对采掘的影响程度。 叙述井田内火成岩侵入时代、名称、产状和分布范围，它与井田构造的关系以及对煤层、煤质的影响，对原勘查资料的评价及掌握的基本规律。 第四章 煤层、煤质及其它有益矿产 综述含煤地层中煤层的分布特征及组合，煤层的总层数和总厚度、可采煤层层数和总厚度，含煤系数、煤层间距及其变化等。 自上而下详述各可采煤层的层位、间距、厚度、结构，煤层可采范围及其变化规律等；详述各可采煤层的控制研究程度和稳定性（列表说明）。 叙述各煤层顶底板岩性、厚度及变化特点。 叙述可采煤层的物理性质、煤质、煤岩特征及其沿走向、倾向的变化规律，说明各煤层工业牌号和利用情况，特别是煤质的变化规律及变化界限确定的可靠性。对于复煤层还应叙述其分层对比依据。 煤的有害组分含量及煤的可选性。 简述各煤层风、氧化带的煤质特征、确定依据、现状，评述其利用的可能性。 综述井田内各种共生、伴生有益矿产的赋存情况，评述其利用的可能性。 第五章 矿井水文地质 简述区域水文地质特征和井田在区域地质分区中的位置。 简要说明井田内地表水系流经范围、流量、最高洪水位，与煤层、含水层露头走向的交叉关系。 详细叙述井田内各含水层、隔水层的岩性、厚度、埋藏深度、分布范围及其变化；裂隙、岩溶的发育程度及其规律；各含水层的富水性、埋藏类型、水位、水量、水质和水温等及各含水层间的水力联系；评价隔水层的隔水条件。区域地下水补给、径流、排泄对本井田的影响。 叙述断层或断层破碎带的性质、富水性和导水性，以及对矿井充水的影响。 简要说明井田内小煤矿和老窖分布和开采情况，说明老窖积水和小煤矿的涌水情况，分析其对矿井充水的影响。 详述矿井涌水量的观测地点、观测方法、水量及构成分析，阐述矿井涌水量的变化规律及其与开采面积、深度、产量和降水量的关系等。 说明矿井涌水量预计方法、依据及结果。 叙述矿井开采以来受水害影响情况，主要突水实例（包括突水时间、性质、水源、水量及对生产影响程度），主要水害类型及对采掘的影响程度。 叙述矿井防治主要水害的原则、方案设计、工程量、技术经济效果以及存在问题，评价防治水工作的难易程度和建议。 说明供水水源、水位、水量、水质、供水范围、水泵型号及管路等情况。 第六章 开采技术条件 简述各可采煤层的开采方法、工程地质特征、煤岩层结构及其它对开采有影响的地质因素。 叙述各可采煤层顶底板岩性、厚度、节理裂隙发育情况、物理力学性质及变化规律，说明顶板类型和相应的顶板管理方法。 叙述历年来矿井“三下”开采中，垮落带和导水断裂带高度以及地表移动和变形情况等。 主要阐明瓦斯含量、煤尘爆炸性指数和煤的自然发火倾向，同时说明延深水平瓦斯等级确定的依据。 简述矿井地热和地压情况、变化规律、与有关地质因素的关系以及防治措施等。 第七章 储量计算 主要阐明本次储量计算边界、范围、工业指标以及确定依据。 叙述储量级别的划分依据，说明与一般原则不同的特殊情况的处理办法。 主要说明储量计算方法和有关参数确定的方法和依据。 叙述储量计算的结果、各级储量的数字及其比例关系等。 将历年来探明的实际地质储量与历年实际采出量、损失量及各种煤柱煤量进行对比分析，核实储量计算的准确程度；分析矿井资源的回收情况，计算储量的可靠系数、有效利用系数、矿井回采率和地质、水文地质损失率，据此评述矿井服务年限。 第八章 结论 对矿井地质构造规律、煤层赋存条件和水文地质条件等做出评价，阐明地质、水文地质条件分类的综合评定结果。 对储量的可靠程度和利用的技术经济合理性做出评价。 根据地质、水文地质特征，对今后开采技术条件作出评价。 本次矿井地质报告修编中存在问题和建议。 2．附图 矿井地形地质图，1：2000～1：5000； 矿井含煤地层综合柱状图，1：200～1：1000； 矿井地质剖面图，1：1000～1：2000； 矿井煤岩层对比图，1：200～1：500； 矿井水平地质切面图（适用于煤层倾角﹥25°的多煤层矿井），1：2000～1：5000； 钻孔柱状图，1：200～1：500； 各生产水平主要石门剖面图，1：200～1：500； 各生产水平主要巷道地质剖面图，1：200～1：500； 井筒柱状图（或剖面图），1：200～1：500； 矿井综合水文地质图，1：2000～1：10000； 矿井水文地质剖面图，1：1000～1：2000； 矿井综合水文地质柱状图，1：200～1：1000； 矿井充水性图，1：2000～1：5000； 矿井涌水量与各种相关因素历时曲线图； 矿井可开采煤层底板等高线及储量计算图，1：2000～1：5000； 矿井可开采煤层损失量计算图，1：2000； 井上下对照图，1：2000～1：5000。 此外，根据矿井具体情况，可按需要编制的图件：矿区地质构造纲要图；矿井火成岩分布图；煤层等厚线图；矿井直接充水含水层水文地质图；矿井含水层等水位线图；矿井防治水工程布置图；抽放水试验综合成果图；煤质主要指标等值线图；煤层瓦斯含量等值线图；地热等值线图；老窑和小煤矿分布图；矿井物探资料图；急倾斜煤层部分附立面投影图或展开图；其它有关图件。 3．附表 煤层综合成果表；钻孔见煤综合台帐；地质构造综合成果表；煤质化验成果表；矿井历年涌水量统计表；含水层突水点及处理统计表；水质分析综合成果表；各含水层抽（放）水试验综合成果表；封孔不良钻孔统计表；老窑和小煤矿调查表；地表水；地下水动态观测成果表；储量计算基础表和汇总表；矿井历年储量动态和损失量统计表；矿井历年瓦斯鉴定情况表；钻孔坐标成果表；其它有关表格。 矿井地质报告由矿井地质部门负责或外聘合作修编。报告完成并经一定程序评审通过后，作为矿井安排采掘生产计划、制定发展规划、进行改扩建和技术改造的地质依据。 第二节 煤矿地质勘查分类及地质说明书 一、煤矿地质勘查分类 煤矿地质勘查又称矿井地质勘查，是继煤炭地质勘查阶段之后，从煤矿建设开始到煤矿生产及开采结束期间所进行的一切地质勘查工作。 随着矿井建设和生产的进行，煤炭地质勘查提供的资料常常与实际情况存在着差异，矿井生产若干年后，井田中央和上部水平的高级储量将不断减少；随着采掘工程不断进行，可采煤层的面积不断减少，矿井服务年限不断地缩短。这就要求在生产期间除进行经常性的矿井地质工作，还要进行必要的地质勘查工作，以便解决上述问题。煤矿地质勘查的目的在于获得可靠的地质资料，查明影响采掘生产的地质因素，提高储量级别，增加可采储量，以满足矿井各种设计的需要，保证生产正常接续和安全生产。 按照勘查的目的不同，将煤矿地质勘查划分为建井地质勘查、煤矿资源勘查、煤矿补充勘查、煤矿生产勘查和煤矿工程勘查等五类。 （一）建井地质勘查 井地质勘查是指在矿井井筒开凿之前，为满足井筒、井底车场、硐室和主要运输大巷设计与施工需要而采用特殊技术钻孔的勘查。建井地质勘查主要进行井筒检查钻孔和层位控制钻孔的施工。前者获得的资料是建井设计与施工的依据，后者所获得的资料是井底车场、峒室和主要运输大巷等主要开拓工程设计与施工的依据。竣工后要提交矿建地质报告及相应的附图附表等。 （二）煤矿资源勘查 煤矿资源勘查是指为解决生产矿井煤炭资源问题而进行的地质勘查。煤矿资源勘查其主要任务是查明延深水平和新开拓区煤炭储量；查明因煤田地质资源勘查程度不足而发生的矿井煤炭储量变化、地质构造形态等重大地质问题；查明扩大区域的煤炭储量。煤矿资源勘查是煤田地质资源勘查的后续工程。 （三）煤矿补充勘查 煤矿补充勘查又称矿井补充勘查，是生产矿井为提高设计区的勘查程度和高级储量比例，在资源勘查基础上进行的具有补充性质的勘查工作。《矿井地质规程》规定，在生产矿井内，凡属下列情况之一者，即为煤矿补充勘查：①延深水平高级储量比例达不到规定要求；②矿井改、扩建工程或开拓、延深工程设计需要；③重新评定新发现或勘查程度不足的可采或局部可采煤层。补充勘查竣工后应提出相应的补充勘查地质报告。 （四）煤矿生产勘查 煤矿生产勘查是指为查明生产矿井采区内部影响正常生产的各种地质条件而进行的地质勘查。它贯穿于煤矿开采的整个过程，是矿井地质一项经常性的任务。 采区准备期间的生产勘查，主要是搞清采区地质构造形态、煤层赋存状况，使采区布置合理，施工安全顺利。巷道掘进期间的生产勘查，主要是圈定不稳定煤层的可采范围，查清断层情况，寻找断失煤层。为巷道掘进指明正确方向。回采期间的生产勘查，包括分层回采工作面的探煤厚，查明不稳定煤层的薄化带和影响工作面连续推进的各种中小型地质构造，以保证回采工作的顺利进行和煤炭资源的充分回收。 （五）煤矿工程勘查 煤矿工程勘查又称矿井工程勘查，是生产建设中根据专项工程的要求而进行的勘查。其勘查任务、原则和施工要求均依专项工程要求而定。 二、地质说明书的类型与基本要求 地质说明书是矿井地质部门为各项工程采掘设计、施工和管理提供的地质预测资料。它是在了解采掘工程设计意图和施工要求的基础上，通过对设计、施工地段及其周围勘查和采掘揭露的地质资料系统整理和综合分析研究编制而成的。编制适合矿井建设、生产所需的各种地质说明书是矿井地质工作的重要组成部分。 （一）地质说明书的类型 根据矿井建设、生产的不同阶段和使用要求，地质说明书可分为矿建（或基建工程）地质说明书、开拓区域（或水平延深）地质说明书、采区地质说明书、掘进地质说明书和回采地质说明书。 （二）编制地质说明书的基本要求 1．目的明确 地质说明书是矿井建井、开拓、掘进和回采设计、施工和管理的地质依据。因此在编制前，地质人员要通过设计人员详细了解设计意图，明确编制相应地质说明书的目的，以便有针对性地提供地质资料，阐明影响设计、施工的主要地质问题，使编制的地质说明书满足设计、生产的要求。 2．资料清楚、准确 地质说明书反映的情况和数据要求达到： 十个清楚。地质构造清楚；煤厚、煤质变化清楚；顶底板岩性清楚；岩浆岩侵入体部位清楚；陷落柱分布范围清楚；井下水、火、瓦斯情况清楚；周围情况清楚；井上下关系清楚；地质研究程度清楚；井下开发历史清楚。 十个准确。断层位置准确；煤层产状准确；底板标高准确；剖面层位准确；探煤厚度准确；储量计算准确；预计涌水量准确；预计瓦斯量准确；钻孔分布位置及封孔情况准确；井上下位置准确。 其中，应特别注意分析对各种地质情况的控制和研究程度是否满足设计要求，如发现问题，应及时解决。 3．形式简捷、重点突出、使用方便 地质说明书文字表述要言简意赅，尽可能采用统一印制的表格形式，重点突出，有的放矢，对影响采掘工程的地质问题要交代清楚。所附图件要清晰、准确、适用。文图结构要紧凑，最好能装订成册，以方便使用。 4．用后总结 工程结束后，地质人员要会同设计、采掘技术人员逐一分析地质预测与实际揭露情况的差异，进一步总结地质特征和规律，以不断提高地质说明书的编制质量。 三、各类地质说明书的主要内容 （一）矿建（或基建工程）地质说明书 建井施工前，地质人员应按井筒、井底车场、峒室、大巷等工程设计和施工的要求，根据井田精查（或最终）地质报告、井筒检查孔及补充勘查等相关资料，编制出建井（或基建工程）地质说明书，作为建井设计、施工部门选择施工方案、编制井筒、井底车场等施工设计及作业规程，指导井巷施工的地质依据。说明书的重点是反映施工区段的地质构造、岩（土）层组合特征、水文地质及工程地质特征、煤系、煤层赋存情况和影响施工的其它地质因素等。说明书由文字和图件两部分组成。 1．文字 施工位置。简述施工地点、工程编号、井筒开拓位置、方向、起止点及其标高和井底车场等开拓工程的具体规定。 地质情况。阐明施工区段的地质、水文地质情况，如井筒穿过的主要岩（土）层的厚度、岩性、物理力学性质；裂隙发育情况基岩风化带的特征；可采煤层的层位、厚度、结构及其顶底板岩性、煤层的层间距、井筒及井底附近的断层、裂隙、破碎带及褶曲情况；井筒穿过的含水层，预计涌水量、水位、水温、水质及地表水体的联系，供水水源、工程地质特征及其它影响施工的地质因素（瓦斯、地热、地压及火成岩侵入体）等。 注意事项与建议。根据施工区段的地质情况和施工要求，指出设计、施工中应注意的事项，对支护、排水措施等方面提出建议。 2．图件 工程位置平面图，1：500或1：1000； 井田地层综合柱状图，1：500或1：1000； 立井井筒预想柱状图，1：200或1：500； 斜井或平峒预想地质剖面图，1：200或1：500； 主要大巷、峒室预想地质剖面图，1：200或1：500； 切过井筒的水文地质剖面图，1：500～1：2000； 井底车场范围预想水平切面图，1：500或1：1000。 （二）开拓区域（或水平延深）地质说明书 开拓区域或新水平延深设计前，按设计、施工需要，根据井田地质勘查、建井、生产勘查和邻近已开拓区、上部水平的地质资料，编制出开拓区域（或水平延深）地质说明书，作为矿井开拓设计、施工的地质依据。说明书的重点是开拓区地质构造、煤系和煤层的赋存情况、水文地质及工程地质情况等。说明书由文字和图件两部分组成。 1．文字 概况。新开拓区或水平的位置、范围，上、下水平标高及距地表的深度；与相邻已开采区的关系；与地表主要建筑物和水体的关系；冲积层厚度及岩性特征；含（隔）水层厚度及分布等。 地质构造。开拓区构造总体展布特征；区内断层、褶曲的位置及特征；地层产状及其变化；构造对煤层的影响程度，以及对这些构造的控制程度。 煤层及其顶底板。煤系岩性特点；可采煤层名称、层数、厚度、结构、层间距及其变化；各可采煤层的煤质及其变化；煤层顶底板岩性组合特征、厚度、裂隙发育情况和物理力学性质，含水性与膨胀性等。 煤层风、氧化带范围及深度； 水文地质。有无老窖采空区积水；含水层、隔水层的岩性、厚度及其变化；含水层水位、水量及与地表水体的水力联系；开拓区内钻孔的分布及封孔质量；区内预计最大涌水量；各种防、排水措施和意见等。 其它地质情况。岩浆岩侵入体、岩溶陷落柱、河流冲刷等的地质特征及其对煤层的破坏；瓦斯含量及预计涌出量，有无瓦斯突出危险煤层；煤尘爆炸性指数、自然发火倾向以及地热情况等。 储量计算。储量计算范围及参数的确定；各可采煤层的工业储量和可采储量；暂不能利用储量及其原因；结合采区划分，按煤层、采区和阶段分别计算和统计各级储量。 存在问题与建议。评述说明书所采用资料的可靠程度；阐明开拓区存在的主要地质问题和进行补充勘查的意见，并对开拓设计、施工提出建议，指出需注意的事项。 2．图件 井上下对照图（1：2000或1：5000）； 地层综合柱状图（1：200或1：500）； 井筒延深部分预想柱状图（1：200）； 有关的地质剖面图（1：1000或1：2000）； 水平切面图（1：1000～1：5000），急倾斜或倾斜多煤层矿井应附此图。 各可采煤层底板等高线及其储量计算图（1：1000～1：5000），煤层倾角大于60°时应附立面投影图。 （三）采区地质说明书 采区巷道开掘前，按采区设计及掘进施工的要求，根据补充修正后的开拓区域（或延深水平）地质说明书，结合已开拓巷道、临近采区揭露和生产勘查的地质资料，编制出采区地质说明书，作为采区设计和制定施工作业规程的地质依据。说明书的重点是反映采区内地质构造、煤层厚度、结构及其变化，水文地质情况及其它开采技术条件等。说明书由文字和图件两部分组成。 1．文字 概况。采区位置、范围、标高、与邻近采区关系及井上、下对照关系，已有勘查钻孔情况。相邻采区实见地质、水文地质情况概述。 地质构造。采区内煤（岩）层产状变化情况，断层与褶曲的特征、分布范围和现有控制程度，及其对采区开拓、开采的影响。 煤层 采区内各可采煤层的厚度、结构及其可采范围，特别是对最上部可采薄煤层可采性的预测。 煤层顶、底板及各煤层的层间距。分层叙述各煤层顶、底板岩性、厚度、含水性及物理力学性质。重点说明各煤层群（组）间的间距和岩性变化情况，以便设计时考虑分组或联合开采的可能性和选择较理想的岩巷开拓层位。 预测区内可能存在的岩浆岩侵入体、古河床冲刷等情况。 水文地质。阐明采区的水文地质条件、有无突水危险性，对防水煤柱和探防水措施等的要求，并预测采区的最大涌水量和正常涌水量。 储量计算。 地质、水文地质、地热、岩溶陷落柱等方面尚存在的问题和对采区施工，提出注意事项和建议。 2．图件 采区煤层底板等高线及储量预算图，1；1000或1：2000； 采区回风和运输水平的水平地质切面图，1：1000或1：2000； 采区地质剖面图，1：1000或1：2000； 采区煤岩层综合柱状图，1：200。 在开拓和采区准备过程中，对地质构造较复杂、煤岩层层位不易掌握、要求较高的主要巷道，在施工前，地质人员应根据勘查和采掘揭露的地质资料，编制出巷道（岩巷）掘进地质说明书，为主要巷道设计、施工提供较可靠的地质资料。说明书也由文字说明和附图组成。重点是说明煤岩层层位、性质、厚度、产状，地质构造和水文等方面的情况，并对掘进施工提出具体建议；附图有掘进巷道平面图（1：1000或1：2000），施工区段煤岩层综合柱状图（1：200或1：500），掘进巷道预想地质剖面图（1：500或1：1000）。 由于各矿地质情况、开采方法不同，所以掘进地质说明书的具体内容、繁简程度也不同。一般文字说明部分用表格形式表述，连同必要的附图构成掘进地质说明书（表10—1） (图10-1)。 图10-1 韩桥煤矿-270m北翼大巷预想剖面图 a—-270m水平北翼大巷平面图；b—-270m水平北翼大巷预想剖面图；c—综合柱状图 表10--1 韩桥煤矿-270m北翼大巷掘进地质说明书 位置 本矿北翼-180m延深下山皮带机道以北 地面标高 +30～32.0m  邻区情况 本区上部夏桥系、小湖系煤组已采完，太原群煤组为新开拓区  地面情况 有五号井家属宿舍、旧西排洪道，均无影响  工程要求 据设计规定：在-270m车场开口沿17层煤掘进，过北一断层后沿20层煤掘进  施工岩石性质 17层煤（f=1.1）顶板页岩（f=4.8），底板砂质页岩（f=5.6） 20层煤（f=1.2）顶板灰岩（f=12.8），底板钙质页岩（f=4.5）  构造 自-180m延深下山向东北方向掘进320m左右推测将会遇到北一断层， 342°∠70°，落差约6m左右  矿井水 巷道出水，主要是9层灰岩水、10层灰岩裂隙水和北一断层水，揭露10层灰岩时预计最大涌水量为1.5m3/min  瓦斯涌出量 2.6m3/（d·t） 煤尘爆炸指数 43.87 自燃发生期 无（月）  施工建议 ①距北一断层前15m、距10层灰岩垂距5m左右，必须打超前钻探放水，对10层灰岩应垂直打，视水量大小再考虑布置水平孔 ②钻机窝高度不得小于3.0m ③在北一断层带两侧应加密棚档   （四） 工作面掘进地质说明书 回采工作面设计前，在经修正的采区地质说明书的基础上，充分利用邻近已开掘巷道和钻孔揭露的地质资料，编制出回采工作面（煤巷）掘进地质说明书，作为制定工作面巷道掘进设计、指导施工的地质依据。其重点是工作面地质构造的主要特征及对采掘的影响，煤层厚度、结构及其变化情况，煤层顶、底板，水文地质及其它对采掘有影响的地质问题。说明书由文字和附图两部分组成。 文字 工作面范围和与邻区、地面的关系。 区内煤（岩）层产状和地质构造的主要特征及其对工作面的影响，并预测断层落差、掘进找煤方向以及褶曲的位置和形态。 工作面实见煤层厚度、结构并预测其变化情况。 煤层顶底板（包括伪顶、直接顶）的岩性，厚度、物理力学性质及其变化情况。 工作面的水文地质条件，有无突水危险性，主要含水层和导水构造与工作面的关系等。对防水煤柱、探放水等措施提出具体建议，并预计工作面最大涌水量。 岩浆侵入等对工作面煤层可能造成的破坏情况。 储量。 地质、水文地质、地热、岩溶陷落柱等方面尚存在的问题和对掘进施工提出的建议及注意事项。 2．附图 工作面煤层底板等高线及储量预算图，1：1000或1：2000； 有代表性的工作面地质剖面图或局部地质构造剖面图，1：1000或1：2000； 相邻煤层或本煤层群的地层综合柱状图，1：200。 （五）工作面回采地质说明书 工作面回采前，根据工作面四周巷道的地质编录资料，结合邻近采区、工作面采掘中实际揭露及钻孔资料，编制出工作面回采地质说明书，作为采煤技术人员编制采面作业规程和生产技术管理的地质依据。说明书由文字和附图两部分组成。 1．文字 工作面位置、范围、面积以及与邻区和地表的关系。 工作面各实见点地质构造的概况，实见或预测的落差大于2/3采高的断层向工作面内部发展变化的情况。 各实见点煤层厚度和结构情况以及向工作面内部变化的规律。 各实见点煤层顶板的厚度、岩性、裂隙组的方向和发育情况。 推测工作面内火成岩侵入体、河流冲刷带、陷落柱等的具体位置及其对正常回采或合理分层的影响。 储量。 工作面最大涌水量预测。 工作面尚存在的地质、水文地质问题和对回采工作的建议及注意事项。 2．附图 工作面煤层底板等高线及储量计算图，还可依据需要填绘煤厚、夹石层厚度、相邻煤层间距等等值线图，1：1000或1：2000； 回采巷道实测地质剖面图，1：500； 包括老顶在内的煤岩层综合柱状图，1：200； 与工作面有关的主要地质剖面图（1：1000）及某些地质素描图。 一般文字部分以表格形式表述，连同必要的附图构成工作面回采地质说明书，如图10-2所示。 图10-2 韩桥煤矿1735、1737工作面回采地质说明书 （a）采掘工程平面图；（b）1735材料道实测剖面图；（c）1737溜子道实测剖面图 1—煤层等高线；2—小断层；3—大断层交面线；4—巷道标高；5—煤层厚度；6—煤巷；7—过压巷道 第十一章 煤炭储量与矿井储量管理 煤炭储量是指蕴藏于地下具有一定工业价值和一定研究程度的煤炭数量。它不仅包含着煤炭资源在地下的数量，而且还包含煤炭资源的质量（煤质），反映它的地质研究（勘查）程度和开采技术条件。矿井煤炭储量是进行矿井设计、建井、制定生产计划、安排生产接续以及远景规划的主要依据。因此，准确地评价煤炭储量，真实地统计矿井储量，加强矿井储量的管理，是矿井建设和生产管理中一项重要的工作。 第一节 储量级别和储量分类 一、储量级别 根据对煤炭资源勘探和研究的程度，煤炭储量分为四级：A级、B级、C级和D级，其中A级和B级称高级储量，C级和D级称低级储量。储量级别越高，反映煤炭资源的地质研究和可靠程度越高。 A级储量：是经过精查勘探，用钻孔或巷道等在A级储量所要求的线距内圈定的储量，它是煤矿企业编制生产计划以及配合B级和C级储量作为煤矿建设设计和投资的依据。 B级储量：指经过详查勘探，用钻孔或巷道等在B级储量所要求的线距内圈定或A级外推的储量。它配合A级、C级储量作为煤矿建设总体设计和投资的依据。 C级储量：是经过普查，用足够的钻孔在C级储量所要求的线距内圈或B级外推的储量。它配合A级、B级储量，也可作为煤矿建设设计和投资的依据。 D级储量：是经过找煤，利用地质调查、物探成果及有关地质资料推定，并有少量勘探工程揭露证实的储量。它一般可作为地质勘探设计以及煤矿远景规划的依据，有时也可配合C级储量作为小型煤矿建设设计的依据。 各级储量应具备的条件详见表11-1。 二、储量分类 根据煤炭资源的地质研究程度和开采技术条件储量的分类如下： 可采储量 工业储量 能利用储量 设计损失量 地质储量 远景储量 暂不能利用储量 1．地质储量：是指井田技术边界范围内，通过地质勘探（物探、钻探、巷探）和地质调查查明，符合我国能源政策和标准的全部储量。 2．能利用储量：（又称平衡表内储量）是指煤质指标（如硫、磷、灰等）和经济技术指标（如煤层厚度，埋藏条件等）符合工业要求，在目前煤矿开采技术条件下可以开采和利用的储量，包括A、B、C、D各级储量。 3．暂不能利用储量：（又称平衡表外储量）是指煤质指标和经济技术指标暂不符合工业要求，在目前煤矿开采技术条件下暂不能开采和利用，或因水文地质条件等特别复杂，目前开采很困难的储量。 4．工业储量：在能利用储量中，可以做为设计和投资依据的那部分储量。包括A+B+C级储量。 5．远景储量：指在能利用储量中，研究程度不足，只能做为地质勘探设计和矿区发展远景规划依据的那部分储量，仅包括D级储量。 工业储量又包括：可采储量和设计损失量两种。 可采储量：是指在工业储量中，预计可以采出来的那部分储量。 设计损失量：是指根据煤层赋存条件、采用不同的采煤方法，以及保证开采工作的安全等，在做开采设计时，按规定允许遣留在地下的那部分储量。 表11-1 各级储量对各种条件应查明的程度 查明的条件 查 明 程 度   A级 B级 C级 D级  煤层层位，厚度：结构及其变化情况 已经查明 已基本查明 已初步查明 煤层层位、厚度、煤质、煤种、煤层产状、构造均有初步了解。  煤层对比 可靠 基本可靠 基本可靠   煤质及其变化情况 已经查明 已基本查明 已初步查明   煤种 已经清楚 基本查明    煤层产状，地质构造 产状已经查明，底板等高线已控制，较大的褶皱和落差大于或等于30米断层已经查明 产状已经查明，底板等高线已基本控制，落差大于或等于50米的断层已经查明 构造及产状已初步查明   主要含水层的厚度、结构、水头压力、含水系数，主要隔水层赋存特征以及矿井涌水条件、补给关系等  已初步查明  已初步查明  已做初步 研 究   岩浆岩、陷落柱、冲刷带、烧变区等的范围、性质及对煤层性质的影响  已经查明  已初步查明    煤层顶底板特征及开采技术条件 已了解清楚 已初步了解     上述储量级别和分类，在我国煤炭资源的勘探和开发生产中起了积极的作用。为使煤炭资源勘查符合当前我国社会、经济发展的要求，并与GB/T17766-1999《固体矿产资源/储量分类》（见表11-2）相一致。在总结煤炭资源勘查经验教训的基础上，2002年12月17日我国国土资源部发布了新的煤炭资源储量分类（见《煤、泥炭地质勘查规范》DZ/T0215-2002）。该分类从2003年03月01日开始实施。 表11-2 固体矿产资源/储量分类表 经济意义 地质可靠程度   查明矿产资源 潜在矿产资源   探明的 控制的 推断的 预测的  经济的 可采储量（111）     基础储量（111b）     预可采储量（121） 预可采储量（122）     基础储量（121 b） 基础储量（122 b）    边际经济的 基础储量（2M11）      基础储量（2M21） 基础储量（2M22）    次边际经济的 资源量（2S11）      资源量（2S21） 资源量（2S22）    内蕴经济的 资源量（331） 资源量（332） 资源量（333） 资源量（334）？  注：表中所用编码（111～334），第1位数表示经济意义，即1=经济的，2M=边际经济的，2S=次边际经济的，3=内蕴经济的，？=经济意义未定的；第2位数表示可行性评价阶段，即1=可行性研究，2=预可行性研究，3=概略研究；第3位数表示地质可靠程度，即1=探明的，2=控制的，3=推断的，4=预测的。b=未扣除设计、采矿损失的可采储量。   三、煤炭储量现行分类 1．分类依据 1）可行性评价程度 包括概略研究，预可行性研究和可行性研究三种。 （1）概略研究 概略研究是指对矿床开发经济意义的概略评价，通常是在收集分析该矿产资源国内、外市场供需状况的基础上，分析已取得的普查或详查、勘探地质资料，类比已知矿床，结合矿区的自然经济条件，环境保护等，以我国类似企业经验的技术经济指标对矿床做出技术经济评价。从而为矿床进一步勘查或开发、为制定长远规划决策提供依据。 概略研究可由承担勘查工作的地质勘查单位完成。 （2）预可行性研究 预可行性研究是对矿床开发经济意义的初步评价。通常应在详查或勘探后进行。需要比较系统地对国内、外该矿种的资源储量、生产、消费进行调查和初步分析，并对国内、外市场的需求量、产品品种、质量要求和价格趋势做出初步预测。根据矿床规模和矿床地质特征以及矿区地形地貌，借鉴类似企业的实践经验，初步研究并提出项目建设规模、产品种类、矿区总体建设轮廓和工艺技术的原则方案；参照类似企业，选择适合评价当时市场价格的技术经济指标，初步提出建设总投资、主要工程量和主要设备以及生产成本等。通过初步经济分析，计算不同的资源/储量类型。从总体上、宏观上对项目建设的必要性、建设必要件的可行性以及经济效益的合理性做出评价，为是否进行勘探以及推荐项目和编制项目建议书提供依据。 预可行性研究工作应由具有一定资质的单位完成。 （3）可行性研究 可行性研究是对矿床开发经济意义的详细评价。通常应在勘探后进行。首先对国内、外该矿种的资源储量、生产、消费要认真调查、统计和分析；并对国内、外市场的需求量、产品品种、质量要求、价格、竞争能力进行分析研究和预测。工作中对资源条件进行分析研究，充分考虑地质、工程、环境、法律和政府的经济政策等各种因素的影响。对企业生产规模、开采方式、开拓方案、选冶工艺流程、产品方案、主要设备的选择、供水供电、总体布局和环境保护等方面进行调查研究、分析计算和多方案比较，并依据评价当时的市场价格确定投资、生产经营成本、销售收人、利润和现金流入流出等。其结果可以详细评价拟建项目的技术经济可靠性，计算不同的资源/储量类型，得出拟建项目是否应该建设以及如何建设的基本认识。 通过可行性研究的论证和评价，为有关部门投资决策、编制和下达设计任务书、确定工程项目建设计划等提供依据。 可行性研究工作应由具有一定资质的单位完成。 2）经济意义 （1）经济的 其数量和质量是依据符合市场价格的生产指标计算的，在可行性研究或预可行性研究当时的市场条件下开采，技术上可行、经济上合理、环境等其他条件允许，即每年开采煤炭的平均价值能满足投资回报的要求。或在政府补贴或其他扶持条件下，开发是可能的。通常把未来矿山企业的年平均内部收益率大于煤炭行业基准内部收益率10%、净现值大于零的煤炭资源划为经济的。 （2）边际经济的 在可行性研究或预可行性研究当时，其开采是不经济的，但接近于盈亏边界，只有在将来由于技术、经济、环境等条件的改善或政府给予其他扶持的条件下才可变成经济的。通常把未来矿山企业的年平均内部收益率大于零而低于煤炭行业基准内部收益率10%、净现值等于零或接近于零的煤炭资源划为边际经济的。 （3）次边际经济的 在可行性研究或预可行性研究当时，开采是不经济的或技术上不可行的，需大幅度提高矿产品价格或技术进步使成本降低后，方能变为经济的。通常把未来矿山企业的年平均内部收益率和净现值均小于零的煤炭资源划为次边际经济的。 （4）内蕴经济的 仅通过概略研究做了相应的投资机会评价，未做可行性研究或预可行性研究。由于不确定因素多，无法区分其是经济的、边际经济的、还是次边际经济的。 3）地质可靠程度 （1）探明的煤炭资源/储量的地质可靠程度 探明的煤炭资源/储量在地质可靠程度方面必须符合下列条件： ①煤层的厚度、结构已经查明，煤层对比可靠，可采煤层的连续性已经确定，煤类、煤质特征及煤的工艺性能已经查明，岩浆岩对煤层、煤质的影响已经查明； ②煤层底板等高线已严密控制，落差等于和大于30m的断层已经详细查明（在地震地质条件好的地区，落差等于和大于20m的断层已经详细查明）； ③各项勘查工程（物探、钻探、采样及其他等）已达到勘探阶段的控制要求。 （2）控制的煤炭资源/储量的地质可靠程度 控制的煤炭资源/储量在地质可靠程度方面必须符合下列条件： ①煤层的厚度、结构已基本查明，煤层对比可靠，可采煤层的连续性已基本确定，煤类、煤质特征及煤的工艺性能已基本查明，岩浆岩对煤层、煤质的影响已基本查明； ②煤层底板等高线已基本控制，落差等于和大于50m的断层已经基本查明； ③各项勘查工程（物探、钻探、采样及其他等）已达到详查阶段的控制要求。 （3）推断的煤炭资源/储量的地质可靠程度 推断的煤炭资源量在地质可靠程度方面必须符合下列条件： ①煤层的厚度、结构已初步查明，煤层对比基本可靠，煤类和煤质特征已大致确定； ②煤层产状已初步查明，煤层底板等高线已大致控制； ③各项勘查工程（物探、钻探、采样及其他等）已达到普查阶段的控制要求。 2．储量分类 1）探明的煤炭资源/储量分类 （1）可采储量（111）：探明的经济基础储量的可采部分。勘查工作程度已达到勘探阶段的工作程度要求，并进行了可行性研究，证实其在计算当时开采是经济的、计算的可采储量及可行性评价结果可信度高。 （2）探明的（可研）经济基础储量（111b）：同（111）的差别在于本类型是用未扣除设计、采矿损失的数量表述。 （3）预可采储量（121）：同（111）的差别在于本类型只进行了预可行性研究，估算的可采储量可信度高，可行性评价结果的可信度一般。 （4）探明的（预可研）经济基础储量（121b）：同（121）的差别在于本类型是用未扣除设计、采矿损失的数量表述。 （5）探明的（可研）边际经济基础储量（2M11）：勘查工作程度已达到勘探阶段的工作程度要求。可行性研究表明，在确定当时开采是不经济的，但接近盈亏边界，只有当技术、经济等条件改善后才可变成经济的。估算的基础储量和可行性评价结果的可信度高。 （6）探明的（预可研）边际经济基础储量（2M21）：同（2M11）的差别在于本类型只进行了预可行性研究，估算的基础储量可信度高，可行性评价结果的可信度一般。 （7）探明的（可研）次边际经济资源量（2S11）：勘查工作程度已达到勘探阶段的工作程度要求。可行性研究表明，在确定当时开采是不经济的，必须大幅度提高矿产品价格或大幅度降低成本后，才能变成经济的。估算的资源量和可行性评价结果的可信度高。 （8）探明的（预可研）次边际经济资源量（2S21）：同（2S11）的差别在于本类型只进行了预可行性研究，资源量估算可信度高，可行性评价结果的可信度一般。 （9）探明的内蕴经济资源量（331）：勘查工作程度已达到勘探阶段的工作程度要求。但未做可行性研究或预可行性研究，仅作了概略研究，经济意义介于经济的至次边际经济的范围内，估算的资源量可信度高，可行性评价可信度低。 2）控制的煤炭资源/储量分类 （1）预可采储量（122）：勘查工作程度已达详查阶段的工作程度要求，预可行性研究结果表明开采是经济的，估算的可采储量可信度较高，可行性评价结果的可信度一般。 （2）控制的经济基础储量（122b）：同（122）的差别在于本类型是用未扣除设计、采矿损失的数量表述的。 （3）控制的边际经济基础储量（2M22）：勘查工作程度达到了详查阶段的工作程度要求，预可行性研究结果表明，在确定当时开采是不经济的，但接近盈亏边界，待将来技术经济条件改善后可变成经济的。估算的基础储量可信度较高，可行性评价结果的可信度一般。 （4）控制的次边际经济资源量（2S22）：勘查工作程度达到了详查阶段的工作程度要求，预可行性研究表明，在确定当时开采是不经济的，需大幅度提高矿产品价格或大幅度降低成本后，才能变成经济的。估算的资源量可信度较高，可行性评价结果的可信度一般。 （5）控制的内蕴经济资源量（332）：勘查工作程度达到了详查阶段的工作程度要求。未做可行性研究或预可行性研究，仅做了概略研究，经济意义介于经济的至次边际经济的范围内，估算的资源量可信度较高，可行性评价可信度低。 3)推断的煤炭资源/储量分类 推断的内蕴经济资源量（333）：勘查工作程度达到了普查阶段的工作程度要求。未做可行性研究或预可行性研究，仅做了概略研究，经济意义介于经济的至次边际经济的范围内，估算的资源量可信度低，可行性评价可信度低。 4)预测的资源量（334） 勘查工作程度达到了预查阶段的工作程度要求。在相应的勘查工程控制范围内，对 煤层层位、煤层厚度、煤类、煤质、煤层产状、构造等均有所了解后，所估算的资源量。 预测的资源量属于潜在煤炭资源，有无经济意义尚不确定。 第二节 储量计算 一、储量计算的工业指标 根据我国国土资源部发布的《煤、泥炭地质勘查规范》（DZ/T0215-2002），对煤层最低可采厚度和最高可采灰分等工业指标的规定如下，详见表11-3。 表11-3 煤炭资源量估算指标 项 目 煤 类   炼焦用煤 长焰煤、不粘煤、弱粘煤、贫煤 无烟煤 褐煤  煤层厚度 m 井采 倾角 ＜25° ≥0.7 ≥0.8 ≥1.5     25°～45° ≥0.6 ≥0.7 ≥1.4     ＞45° ≥0.5 ≥0.6 ≥1.3   露天开采 ≥1.0 ≥1.5  最高灰分Ad% 40  最高硫分St,d% 3  最低发热量 Qnet,d MJ/kg － 17.0 22.1 15.7   上述煤炭资源储量估算的工业指标适用于一般地区。对于煤炭资源贫缺地区的资源量估算指标，由有关省、直辖市、自治区煤炭工业主管部门规定，但这部分资源量在有关统计表中应单列，并加以说明。储量、基础储量估算指标由可行性研究或预可行性研究后确定。 二、储量计算的公式 储量计算就是计算地下具有工业价值的煤炭数量。煤田地质勘查的各个阶段与矿井生产和建设的不同时期，都要进行储量计算。 计算储量的基本公式为： Q=S·M·d 式中 Q——计算块段的储量，万t； S——计算块段的面积，m2； M——计算块段煤层的平均厚度，m； d——计算块段煤层的视密度，t/ m3。 由上式可知，储量计算的准确程度，取决于计算块段煤层的面积、厚度和视密度等原始参数的可靠程度。 三、储量计算原始参数的确定 （一）面积的确定 在计算面积前，首先要圈定计算面积的范围，确定符合工业要求煤层的分布界线，即圈定计算面积的边界线。 1.边界线的确定 边界线的确定，是储量计算的重要环节，它直接影响到储量计算的可靠性，边界线一般有下列几种： 1）井田边界线 根据自然因素、地质因素及人为因素等来确定的井田边界称井田边界线。如河流、断层、煤层露头、勘探深度、勘探线等。 2）内边界线和外边界线 在勘探区内，凡符合工业要求最边缘钻孔（或巷道）的联线称为内边界线，内边界线以外的边界线统称外边界线，如零点边界线及最低可采边界线。 3）最低可采边界线 煤层最低可采厚度点的连线称为最低可采边界线。所谓圈定边界线，一般指的都是圈定煤层的最低可采边界线，亦就是计算面积的界线。确定煤层最低可采边界线的常用方法如下： （1）直接观察法。一般在巷道内或有探掘工程地区直接观察确定煤层最低可采点，连结各点，即是最低可采边界线。 （2）插入法。在两个相邻钻孔中，其中一个煤厚符合工业要求，另一个则不符合工业要求。如图11-1所示，假定A、B是两相邻钻孔，A孔（内边界线上钻孔）见煤层度HA符合工业要求，B孔（内边界线以外钻孔）见煤厚度HB没达到工业要求，此时可用插入法求出最低可采点，连接各最低可采点即为最低可采边界线。煤厚最低可采点常用下列几种方法内插。 ① 图解法。利用几何图形求得最低可采厚度点的方法。如图11-2所示，图中A、B两个钻孔，它们分别代表一定煤厚的可采和不可采钻孔。用图解法可求得最低可采点。首先连结A、B两孔，然后分别以相同比例垂直AB作相方向垂线AC、BD（AC代表HA与最低可采厚度之差，BD代表最低可采厚度与HB之差），连结CD交AB于E，则E点为所求的最低可采厚度点。 图11-1 插入法内插煤层最低可采厚度点示意图 图11-2 图解法确定最低可采厚度点示意图 ② 印格法。在透明纸上作一系列的等间距的平行线，利用代表一定煤厚的平行线，内插找出最低可采点。如图11-3所示，假定A孔见煤厚度HA=1.8m，B孔见煤厚度HB=0.4m，最低可采厚度H=0.8m。用印格法可求得最低可采点。首先连接A、B两点，将透明纸放在图纸上，找一相当于1.8m的线与A孔重合，并用针固定。然后转动透明纸，使相当于0.4m的格线与B孔重合。再从格纸上找到0.8米格线与AB连线的交点C，C点即为所求的可采边界点。 ③ 计算法。利用相似三角形原理，求出可采煤层钻孔至最低可采点的距离。如图11-4所示，设A孔煤厚为HA（大于最低可采厚度），B孔煤厚为HB（小于最低可采厚度），最低可采厚度为H，AB两孔间的距离为L，根据相似三角形的原理可得： LK HA－H ——— = —————— L HA－HB 则 　　　　　　　　　　　　　　　HA－H LK= L———— 　　　HA－HB 式中：LK——可采厚度钻孔至最低可采厚度点的距离； L——可采厚度钻孔至不可采厚度钻孔间的距离； H——最低可采厚度； HA——大于最低可采厚度钻孔的煤厚； HB——小于最低可采厚度钻孔的煤厚。 图11-3 印格法确定最低可采厚度点示意图 图11-4 计算法确定最低可采厚度点示意图 （3）有限推断法。相邻A孔（内边界线上钻孔）和B孔（内边界线以外钻孔），假定A孔所见煤厚符合工业要求，B孔没有见到煤层，通常采用有限推断法。即首先确定煤层尖灭点。一般可将A、B两孔连线的中点N作为煤层尖灭点（煤厚为零），然后利用上述插入法可求出最低可采边界点C，连接各可采点，即为最低可采边界线。如图11-5所示。 图11-5 用有限推断法确定最低可采厚度点示意图 （4）无限推断法。内边界线上钻孔以外，如果没有勘探钻孔，在这种情况下，通常采用无限推断法。即根据地质构造特点及煤厚变化规律，外推最低可采边界。 2．面积的测定 面积的测定，常用几何图形法、求积仪法和透明格网法。 （1）几何图形法。当待测面积为正方形、长方形、三角形时，可直接按几何公式计算面积。如果待测的面积为多边形或近似多边形，可将待测面积划分成若干个正方形、三角形、长方形等，按几何图形面积公式计算各块的面积。然后将各块面积相加，即为总面积。 （2）求积仪法。如果需要确定的面积不规则时，常用求积仪法来测定面积。求积仪法是最常用的一种方法。求积仪有两种，即普通求积仪（如图11-6所示）和电子求积仪（如图11-7所示） 图11-6 普通求积仪构造 图11-7 电子求积仪构造 用普通求积仪测定面积，如果所测面积较小时，将极点放在所测面积图形之外，求积仪的航针移到计算面积的边界线上任何一点作为始点，然后操纵手柄，使航针顺时针匀速地沿图形轮廓线绕行一周，再回至始点，这时即可按计数装置滚过的读数计算求出该图形的面积。 计算公式 S=P（n2-n1） 式中：P——求积仪第一常数，由求积仪附带常数表查得； n1、 n2——航针绕行始点和终点时的读数。 如果所测面积较大时，可将极点放在所测图形之内，测定方法同前所述。 计算公式： S=P（n2-n1）+Q 式中：Q——求积仪第二常数，可由求积仪附带常数表查得 用普通求积仪测定面积时，每个测定面积要将极点放在不同位置测定两次，其两次读数差值不超过5%，计算时取两次测定值的平均值。 用电子求积仪测定面积时，方法基本同普通求积仪，只是更方便，更快捷，可直接测定面积，不必进行计算。 （3）透明格网法。可在透明纸上绘制正方格网，方格边长一般为1cm，每个方格的中心点一点，按比例每个点代表一定的面积值。用透明格网测定面积时，将它盖在图纸上（图11-8），数出覆盖图形的点数，即可求得该图形的面积。在数点时，凡落在所测图形边界以内的中心点应全数，边界以外的不数，中心点落在边界上的算半点。为避免误差，一般按不同方向，测量三次，取其平均值。 3．面积的计算 储量计算的面积测定之后，尚须考虑煤层的倾角。若煤层倾角小于15°时，可按测定的平面积计算储量。若煤层倾角大于15°时，则有两种情况： 当煤层倾角小于60°时，需将水平投影面积（S′）换算成真面积（S），如11-9所示。 其计算公式如下： 1 S= S′×——— Cosα 式中：S——真面积； S′——水平投影面积； α——煤层倾角。 当煤层倾角大于60°时，将立面投影图上测定的立面投影面积（S″）换算成真面积（S），如图11-9所示。 其计算公式如下： 1 S= S″×——— Sinα 式中：S″——立面投影面积； 图11-8 透明格网法测定面积示意图 图11-9 真面积与投影面积的关系示意图 （二）厚度的确定 1．可采厚度的确定 对于有夹矸的煤层采用厚度，其确定方法如下（据《煤、泥炭地质勘查规范》）： （1）煤层中单层厚度小于0.05m的夹矸，可与煤分层合并计算采用厚度，但并入夹矸以后全层的灰分（或发热量）、硫分应符合估算指标的规定。 （2）煤层中夹矸厚度等于或大于煤层最低可采厚度时，煤分层应分别视为独立煤层，分别估算（或不估算）资源/储量；夹矸厚度小于煤层的最低可采厚度，且煤分层厚度均等于或大于夹矸厚度时，可将上下煤分层厚度相加，作为采用厚度。 （3）结构复杂煤层和无法进行煤分层对比的复煤层，当夹矸的总厚度不大于煤分层总厚度的1/2时，以各煤分层的总厚度作为煤层的采用厚度；当夹矸的总厚度大于煤分层总厚度的1/2时，按（1）条和（2）条的规定处理。 2．煤层厚度的计算 计算储量时，经常遇到同一煤层在不同钻孔中厚度不同。因此，煤层厚度常取所有见煤点厚度的平均值。包括算术平均值和加权平均值两种。 （1）算术平均值。当煤层厚度变化小，见煤点分布均匀时，常取其算术平均值作为煤层的平均厚度，其计算公式如下： m1+m2+…mn M=——————— n 式中：M——平均厚度； n——计算面积内见煤点数； m1、m2…mn——各见煤点可采厚度。 （2）加权平均值。当煤层厚度变化大，见煤点分布又不均匀时，常取其加权平均值作为煤层的平均厚度，见图11-10，其计算公式如下： m1L1+m2L2+…+mnLn M=—————————— L1+L2+…+Ln 式中：M——加权平均厚度； m1、m2…mn——各见煤点煤层厚度； L1、L2…Ln——各见煤点对应权数。 （三）视密度的确定 煤在自然状况下单位体积（包括煤内部的孔隙）煤的质量称视密度。它的大小与变质程度、水分、灰分等有关，因此，计算储量的视密度应采用几个采样点的平均值。 四、储量计算方法 储量计算的方法很多，常用有十余种，这里仅介绍几种。 （一）算术平均法 它是将全区的总面积乘以各已知见煤点（钻孔、巷道）的平均厚度及煤的视密度的平均值，计算储量的方法。 计算公式为： Q=S·M·d 式中：Q——总储量，万t； S——总面积，m2； M——计算面积内各见煤点平均煤厚，m； d——计算面积内各见煤点平均视密度，t/m3。 该方法简单，计算迅速，适用于勘查程度低的阶段，以及地质构造简单，煤层产状平缓、厚度变化不大，勘查工程分布均匀的矿区。 （二）地质块段法 它是将全区的面积按不同地质条件，如产状、煤厚、煤质等划分成若干块段，然后分别将每个块段用算术平均法计算储量的方法。如图11-11所示。 计算公式为： Q1=S1·M1·d1 Q2=S2·M2·d2 ……… Qn=Sn·Mn·dn 式中：Q1 、Q2 …Qn——各个块段储量，t； S 1 、S2 …Sn——各个块段面积，m； M1 、M2 …Mn——各个块段平均煤厚，m； d1 、d2 …dn——各个块段煤的平均视密度，t/m3。 则总储量为： Q= Q1 +Q2 +…+Qn 该方法适用范围广，可用于地质勘查的任何阶段，以及矿井设计和生产部门。 图11-10 煤厚变化示意图 图11-11 地质块段法计算储量示意图 （三）等高线法 它是在煤层底板等高线图上，以某一标高的等高线作为计算储量块段边界，求出相邻等高线之间储量的方法。如图11-12所示。 计算公式为： Q1=S1·M1·d1=S/cosα·M1·d1 式中：Q1——计算块段煤层的储量，t； S1——两条等高线间煤层的真面积，m2； M1——计算块段煤层的平均厚度，m； d1——计算块段煤层的平均视密度，t/m3； S——两条等高线间煤层的平面积，m2； α——计算块段煤层的倾角。 则总储量为： Q=Q1+Q2+…+Qn 该方法计算简单，精度较高。适用于地质勘查的任何阶段，以及矿井生产阶段，尤其是煤层厚度稳定，倾斜起伏变化较大的矿井。 图11-12等高线法计算储量示意图 （四）地质块段——等高线法 它是按不同地质条件，将煤层划分成若干块段，利用每一块段之内的煤层底板等高线计算其块段之内的储量，然后将各块段的储量相加，进行储量计算的方法。 计算步骤： 1．先求出各块段内各个等高线条带间的储量，将各条带储量相加，即为一个块段的储量，其计算公式（同等高线法） 2．将每一块段的储量相加，即得总储量。其计算公式为 Q=Q1+Q2+…+Qn 该方法计算准确，精度较高。适用于地质勘查及矿井生产阶段。不受煤层产状和厚度变化的限制，煤层水平及倾斜均适用，煤层厚度变化大或小也均适用。 第三节 矿井储量管理 一、矿井储量的特点 矿井储量与井田勘探阶段提交的储量相比，其具有以下特点： 1．矿井储量随着采掘工程及生产勘探的不断进展，在数量上和质量上发生变化。根据新获得的地质资料要定期进行计算，以掌握储量及其动态变化。 2．矿井储量计算的块段的划分，除要符合资源勘查规范的规定外，还要考虑生产的要求。对已开拓的区域，应以开采水平、采区、工作面和煤柱等划分块段，与三量相对应，并分煤层、煤厚、煤种等进行计算。 3．矿井储量计算的煤层的厚度、面积、视密度等参数更为可靠，故其计算的准确性相对较高。 4．矿井储量要反映采掘过程中，由于安全、生产、地质等原因所发生的各种煤量损失，并要进行统计分析。 二、矿井三量管理 （一）三量及其意义 在煤矿生产中，回采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。掘进先于回采，回采依赖掘进，采完一个生产水平、一个采区和一个工作面之前，就要准备好一个接替水平、采区和工作面，否则就不能保证矿井生产的正常进行，甚至会造成产量下降，生产停顿。因此，把握好采掘比例的相对平衡，是确保矿井正常生产的关键，为了确定采掘平衡的定量比例关系，煤矿生产中用三量来进行衡量。按照回采准备工作的三个阶段，掘进巷道分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道，由这三种巷道所圈定的可采煤量分别称为开拓煤量、准备煤量和回采煤量，简称三量。用三量及其比例，反映该矿井的生产准备程度和采掘平衡关系，以保证生产的正常接续。 （二）三量的划分和计算方法 由于矿井的开拓方式和采煤方法不同，因此，三量的划分也不同。现以目前采用较多的采区前进，工作面后退的开采方法，说明三量的划分和计算方法。 1．开拓煤量（Q开）及其计算 开拓煤量是指在矿井可采储量范围内，已完成开采所必需的主井、副井、风井、井底车场、主要石门（或称中央石门）或采区石门、集中运输大巷或运输大巷、集中上（下）山或采区上（下）山、主要溜煤眼和必要的总回风巷道等的开拓、掘进工程所圈定的煤量。并在其中减去设计损失、地质及水文地质条件引起的损失和呆滞煤量，它的范围沿煤层倾斜由已掘凿的运输大巷或集中运输大巷的水平起向上直到总回风巷、老窑采空区边界或风、氧化带下部边界，沿走向到煤层两翼最后一个掘凿上山或下山、石门的采区边界。如图11-13中的ABCD所圈定的煤量。 计算公式如下： Q开=（L·h·M·d－Q地－Q呆）K 式中：Q开——开拓煤量，t； L——开拓区走向长度，m； h——开拓区倾斜长度，m； M——煤层平均厚度，m； d——煤的视密度，t/m3； Q地——地质及水文地质损失，t； Q呆——呆滞煤量，t；（包括永久煤柱和开拓煤量可采期内不能采出的煤柱及其它被压的煤量）； K——采区回采率。 图11-13 矿井三量计算范围示意图 2．准备煤量（Q准）及其计算 准备煤量是指在开拓煤量范围内，已完成了所必需的采区运输巷道、采区回风巷道及采区上（下）山等掘进巷道工程所圈定的煤量，并在其中减去地质损失及呆滞煤量，即为准备煤量，如图11-13中，AEFGHD所圈定的煤量，其计算公式如下： Q准=（L·h·M·d－Q地－Q呆）K 式中：Q准——准备煤量，t; L——采区走向长度，m； h——采区倾斜长度，m； M——煤层平均厚度，m； d——煤的视密度，t/m3； Q地——地质损失，t； Q呆——呆滞煤量，t。（包括永久煤柱和准备煤量可采期内不能采出的煤柱及其它原因被压的煤量）； K——采区回采率。 3．回采煤量（Q回）及其计算 回采煤量是指在准备煤量范围内，已完成了采区上（或下）山、中间巷道（工作面运输巷和工作面回风巷）和回采工作面开切眼等掘进巷道所圈定的煤量，只要安装设备后，工作面即可正式回采。如图11-12中的IJKL+MNPQ。其计算公式如下： Q回= L·h·M·d·K 式中：Q回——回拓煤量，t; L——工作面走向长度，m； h——工作面倾斜长度，m； M——设计采高或采厚，m； d——煤的视密度，t/m3； K——工作面回采率。 （三）三量的可采期限与计算 三量可采期限是指根据掘进和回采进度计算出的各个煤量可供开采利用的期限。为在一定时期内，掘进工程构成的煤量能保证满足回采接替的需要，使资源准备达到最佳状态，所以，要计算三量的可采期。它是平衡采掘接替关系的一个重要技术经济指标。为了使资源准备在时间上可靠，经济上合理，对大、中型矿井三量可采期限作如下规定： 开拓煤量的可采期限一般为3～5年以上； 准备煤量的可采期限一般为1年以上； 回采煤量的可采期限一般为4～6月以上。 一般认为，矿井三量符合上述要求，即可达到采掘平衡。否则造成采掘失调，接替紧张，但如果可采期过长，掘成的巷道闭置不用，使设备、资金积压，并增加维护费用。 三量实际可采期计算： 1．新建矿井移交生产时 （1）开拓煤量可采期（年）=移交当时的开拓煤量 / 年设计生产能力 （2）准备煤量可采期（月）=移交当时的准备煤量 / 平均月设计生产能力 （3）回采煤量可采期（月）=移交当时的回采煤量 / 当年平均月计划回采产量 2．生产中矿井 （1）开拓煤量可采期（年）=期末开拓煤量 / 当年计划年产量 （2）准备煤量可采期（月）=期末准备煤量 / 当年平均月计划产量 （3）回采煤量可采期（月）=期末回采煤量 / 当年平均月计划回采产量 开拓煤量和准备煤量可采期计算公式中，每年计划产量超过设计能力时，用计划产量；如果每年计划产量未达到设计能力，采用设计能力。未审定生产能力的矿井，可按计划产量计算可采期。衰老矿井可按每年计划产量来计算可采期。 应当指出，三量的合理可采期是根据三量能否满足“采掘平衡”的要求确定的。但影响三量合理可采期的因素很多，如井型、地质条件、采掘能力和机械化程度等。因此，各煤炭企业要在总经验的基础上，在保证开采水平、采区及工作面正常接替的原则下，结合本身的具体情况，研究确定适合自己的三量合理可采期限。 （四）三量的统计与分析 为及时掌握三量的动态变化，反映生产准备程度和采掘关系，各生产矿井应定期对三量及其可采期进行统计和分析。 1．三量的动态统计 它是通过绘制相关图件，填写相应报表台帐来完成的。 （1）储量动态图。它是以采掘工程平面图或煤层底板等高线及储量计算图为底图，将三个煤量及呆滞煤量，损失量和采空区等，按不同颜色，符号绘制在图的相应位置。 （2）三量的统计。它是按煤层、水平、采区和工作面分别计算出三个煤量及其可采期，以及呆滞煤量，并填写相应的三量动态统计表。 2．三量的动态分析 它是在三量动态统计的基础上，分析三量的动态变化，主要内容有： （1）三量的划分范围是否合理，计算方法是否正确。 （2）三量增减原因和分布状况。 三量的增减要满足生产的要求，且要符合以下关系式： 期末结存煤量=期初原有煤量－期内采出煤量+期内新产生的煤量±期内由各种原因引起的煤量变化。 三量的分布也应满足生产的需要，分布要合理。 （3）呆滞煤量的数量和分布。 （4）三量的可采期分析，是否能保证采掘平衡。 三、储量动态管理 为合理开发煤炭资源，加强储量管理，在矿井开采过程中，要对煤炭的产量和损失量进行系统的统计，掌握储量的动态变化，并对损失量和采出量进行全面的分析，以便采取措施，最大限度的减少煤炭损失，提高煤炭资源的回收率。 （一）煤炭产量的统计 生产矿井产量的统计不仅是检验企业生产效率的主要指标，也是检查矿产资源回收和损失的基本依据。统计产量常用的方法有： 1．实测统计 生产矿井定期对回采工作面和掘进工作面进行验收测量。通过对回采工作面的长度、进度、采高、煤层厚度、浮煤厚度，以及掘进工作面的长度、断面的丈量，计算出各采、掘工作面的产量，累计各工作面的产量，即为全矿总的产量。 2．生产统计 在出煤井口统计每班、每天出煤的车数，按矿车的平均载重量计算每天的产量，可按旬、月分别统计工作面、采区和全矿的产量。 3．销售和存煤统计 根据销售煤量和库存煤量的统计，可计算出矿井在一定时间内的产量。 以上三种方法统计出的产量常有出入，可以相互校验，以便准确地统计产量。其中以实测统计的产量相对可靠，因此，在计算损失率和回采率时，必须采用工作面实测计算的产量为依据。 （二）储量损失的统计 工业储量中，由于地质条件或目前开采技术水平、设计或生产管理等原因，开采时丢在地下不能再利用的那部分储量称储量损失。 1．损失量的分类 生产矿井储量损失分为两大类：即设计损失和实际损失。 1）设计损失 设计损失是根据煤层赋存条件采用不同采煤方法以及保证开采工作的安全，开采设计规定允许永远遗留在地下的那部分储量。也称为合理的损失。设计损失分类如下： 2）实际损失 在开采过程中，实际发生的全部损失量。实际损失中，除按设计规定的合理损失之外，还有由于开采不正确引起的不合理损失。实际损失较复杂，参见表11-4。 （1）如果按损失的区域分，有： ①全矿井损失。全矿井范围内发生的损失。 ②采区损失。在采区范围内发生的损失。 ③工作面损失。在回采工作面范围内发生的损失。 （2）如果按损失的形态分，有： ①落煤损失。回采过程中采落的煤炭不能全部运出，而有一部分遗留在工作面的煤炭。 ②厚度损失。开采过程中残留于顶、底板上的煤皮。如分层开采时遗留的煤皮假顶等。 ③面积损失。局部地区不能回采的煤。如巷道保护等各种煤柱。 （3）如果按发生的原因分，有： ①开采损失。与采煤方法有关的损失。如为运输、通风、安全等目的而发生的损失。 ②非开采损失。与采煤方法无关的损失。如由于地质和水文地质条件引起的损失，设计规定的煤柱损失，受开采技术条件限制造成的损失。 表11-4 矿井实际损失量分类表 类别 范围 损失原因 面积损失 厚度损失  实 际 损 失 工 作 面 损 失 采煤方法允许的损失 留设的小块煤柱和煤垛 各种采煤法规定的煤柱 掩护支架法规定的带间煤柱 工作面留设的护顶煤 受支护限制不采全厚而留的顶、底煤皮掩护支架法的顶、底煤皮 分层开采时的煤皮假顶    不正确开采引起的损失（落煤损失） 工作面冒顶另开切眼造成的损失，违反开采顺序造成的损失，工作面未采至终止线造成的损失，各种采煤法超过设计规定的煤柱 未按规定而实际留的护顶煤 未按分层层位开采而丢的顶底煤 该分层而未分层开采而丢的煤分层 采高未达到规定而丢的顶、底煤   采 区 损 失 采区布置允许的损失 无法采出的采区巷道保护煤柱 无法采出的采区隔离煤柱和阶段煤柱 采区巷道顶、底部煤皮    不正确开采引起的损失 违反开采程序造成的损失 煤柱超过规定尺寸 巷道冒顶造成的损失 水、火等灾害造成的损失 没有充分理由丢弃不采的块段 超过规定的巷道顶、底煤未按规定分层开采，巷道中遗留的煤    工作面损失     全 矿 井 损 失 地质条件复杂无法开采的损失 开拓区内无法开采的损失 地质构造极复杂 煤层极不稳定 水文地质条件极复杂     留设安全煤柱或狭小块段 为断层或褶曲留的煤柱 顶底板含水层留的煤柱 煤层受破坏或煤质变差不采的块段 断层带间狭长块段或断层三角煤    全矿性永久煤柱的损失 规定不回收的工业广场煤柱、井筒煤柱、大巷煤柱 永久性建筑物、水体及铁路下压煤煤柱 井田边界安全隔离煤柱 含水层、积水老窑、断层、钻孔防水煤柱    报损煤量 顶板破碎、开采后煤灰分超限 自然灾害或其它原因留下的孤立块段 风氧化带至回风水平间无法采出的煤层 多煤层近距离采动而破坏的煤层    采区损失    2．损失量的测定 （1）落煤损失测定。通过测定落煤损失的面积、浮煤的平均厚度、浮煤的堆积密度，计算出落煤损失量。 （2）厚度损失测定。通过测定煤层厚度、采煤高度、顶底留煤厚度等，根据丢煤平均厚度，面积和煤层的视密度，计算出厚度损失量。 （3）面积损失测定。主要利用采掘工程平面图，根据丢煤厚度和煤层的视密度，计算出面积损失量。 3．损失量的统计 1）编绘损失量图件 它是以采掘工程平面图为底图，填绘各种煤柱、煤厚、采高、回采月进度，掘进月进尺，以及各采区、工作面的面积损失、厚度损失和落煤损失的范围和数量等。 2）填写损失量台帐 （1）永久煤柱台帐，主要内容有煤柱名称、保护对象、煤层名称、厚度、煤种及倾角、煤柱上下界标高和面积、煤柱储量等。 （2）地质及水文地质煤柱台帐，最常留设的是断层煤柱和防水煤柱，主要内容有断层名称和编号、断层性质、断距、倾角和破碎带情况；水体的水压、水量和大小；煤柱的长度、宽度、面积；煤的视密度、厚度和储量等。 （3）采区煤柱台帐，主要内容有：采区名称、煤柱名称；煤柱的面积、煤厚、视密度和储量；煤柱的回采面积、损失量、采出量和回采率等。 （4）“三下”压煤台帐，主要内容基本同永久煤柱台帐，但“三下”压煤应分水平、分煤层和分储量登入台帐。 （5）储量注销和报损台帐，主要内容：批准文号、日期、面积和储量等。 4．损失率的计算 损失率是指在一定开采范围内，损失的煤量所占工业储量的百分比。它是考核煤矿企业对煤炭资源利用、开采技术以及管理水平等的主要经济技术指标之一。 损失率分为设计损失率和实际损失率两种。设计损失率是根据设计规定的损失量所计算的损失率；实际损失率是根据开采过程中实际发生的损失量所计算的损失率。设计和实际损失率又可分为工作面损失率，采区损失率和全矿井损失率。 实际损失率根据统计的计算期限又可分为计算期间损失率和计算期末损失率。一般损失率可按下式计算： 损失量 损失量 损失率（%）=————————×100%=—————×100% 采出量+损失量 动用储量 上述计算公式对于计算期末工作面、采区和全矿井的损失率，原则上都适用，只是损失量、采出量的取值有所不同，如计算工作面实际损失率时，损失量应为工作面的全部损失量，采出量为工作面的全部采出量，以此类推可知采区、全矿井损失率计算时，式中的损失量和采出量的取值。 此外，上述计算公式，也可以计算期间工作面、采区的和全矿井的损失率，将损失量、采出量取值改为已采部分损失量，已采部分采出量即可。 5．回采率的计算 回采率是指在一定开采范围内，采出的煤量所占工业储量的百分比。它是煤矿企业主要经济指标之一。为了核定采煤方法和巷道布置是否合理，煤炭资源回收是否充分，在开采过程中应准确地计算回采率。 回采率与损失率之和等于1。 生产矿井回采率分设计回采率和实际回采率两种，根据设计中规定的损失量所计算的回采率称设计回采率；根据实际采出煤量所计算的回采率为实际回采率。 设计和实际回采率根据开采范围大小又分为工作面回采率，采区回采率和全矿井回采率。 （1）回采率的规定 根据煤炭工业技术政策规定，计算开拓煤量和准备煤量时，采用采区回采率，一般采用下列数值：薄煤层不低于85% ；中厚煤层不低于80% ；厚煤层不低于75% 。 计算回采煤量时，采用工作面回采率，一般采用下列数值：薄煤层不低于97% ；中厚煤层不低于95% ；厚煤层不低于93% 。 （2）回采率的计算 实际回采率根据统计的计算期限又可分为计算期间回采率和计算期末回采率。通常回采率可按下式计算： 采出量 储量－损失量 回采率（%）=————×100%= ——————×100%=1－损失率 储量 储量 上述计算公式对于计算期末工作面、采区和全矿井的回采率，原则上都适用，只是采出量（或损失量）、储量的取值有所不同，如计算采区实际回采率时，采出量（或损失量）应用采区的全部采出量（或损失量），储量为采区的全部储量，以此类推可知工作面、全矿井回采率计算时，式中的采出量（或损失量）和储量的取值。 此外，上述计算公式，也可计算期间工作面、采区和全矿井的回采率。将采出量（损失量）、储量取值改为已采部分采出量（损失量），已采部分的储量即可。 6．损失量的分析 在矿井生产中提高回采率，降低损失率是保证国家煤炭资源合理开发的关键。也是煤炭企业生存和发展根结。煤炭损失的分析，对于煤炭企业完成生产计划、提高工程效率、保证采掘正常接替、延长矿井生产年限、降低煤的成本、防止煤层自燃和煤尘爆炸等都具有重要的意义。因此，生产矿井定期内，根据损失量基础台帐和损失量统计资料，对煤炭损失进行综合分析，找出损失的原因，提出整改的措施，对煤炭企业十分重要。 矿井煤炭损失主要是面积损失、厚度损失和落煤损失。其中以面积损失量最大。一般面积损失是由开拓方式和巷道布置不合理，采用落后的或非正规的采煤方法，违反开采程序，技术管理不善，以及地质和水文地质因素的影响等造成的。厚度损失主要在厚煤层和中厚煤层的开采过程中，由于采煤方法不当或回采分层不合理造成的。落煤损失主要原因是生产技术管理问题。因此，煤矿企业要根据自身的情况进行损失量和回采率的分析，如果回采率达到国家规定指标，则应总结提高回采率的经验；如果回采率未达到国家规定的指标，则应找出煤炭不合理损失的原因，有针对性地提出降低损失率，提高回采率的合理措施。 （三）矿产储量表的编制 为使国家计划，地矿等有关部门能够及时掌握全国各种矿产资源情况，各生产矿井每年要进行一次全国矿产资源表的编制工作，对矿井储量作一次全面核算，并按时呈报上级主管部门。 矿产储量表是全国统一规定的各种矿产通用的报表，填报时要严格执行“矿产储量表填报规定”和“编制煤炭储量表补充说明”。具体步骤如下： 1．资料准备 由于生产矿井的储量是随开拓、开采及生产勘探的不断进展而发生变化。因此，要系统整理本年度所获得的全部地质资料，并以上一年度的矿产储量表为基础。为年报做好资料准备。 2．绘制储量计算图 根据上一年度的储量计算图，结合本年度获得的资料，修改各煤层底板等高线及储量计算图，包括重新核定井田边界和各种煤柱线。修正原有的地质构造、煤厚、煤质等，并按规定进行储量重算或核算。 3．编制储量、三量、损失量计算表 将储量重算或核算结果填入储量计算表中。对已开拓地区，则应计算三量与损失量，将计算结果分别填入三量与损失量计算表。 4．填写矿产储量表 按矿产储量表各项内容要求，汇总三量、损失量、开采量和储量等资料，逐项填写。 5．编写矿产储量说明书 主要内容有：井田基本情况，井田地质构造，储量增减变化原因，申请报损注销的储量等。 第十二章 煤矿环境地质与环境保护 随着我国工业化进程的加快，煤炭资源的需求量不断增加。大规模开发利用煤炭资源，煤矿环境污染日趋严重，带来了日益突出的环境问题和社会问题。煤矿环境保护与煤炭资源开发利用及地质、水文地质、地球化学等有着极为密切的关系，环境保护已成为煤矿建设、生产必不可少的内容。因此，煤矿环境地质也就成为煤矿地质研究的重要内容和煤矿环境保护的基础工作。 第一节 煤矿生产活动与环境地质 煤矿生产主要引发如下环境地质问题。 1．破坏土地资源 在煤矿生产活动中，地下开采造成地表塌陷，露天开采直接破损土地，采出的煤矸石和剥离物排放又压占土地，引起微地形、地貌和地质、水文等条件的改变，导致地表给排水系统的破坏，以及地表塌陷积水或盐渍化，地下水位下降沙漠化或水土流失等。煤矿生产活动造成的土地环境破坏已成为我国耕地减少的重要因素之一。此外，煤矿废水的排放，固体废物煤矸石在地表堆放淋滤，可使周围土壤结构恶化，不同程度地抑制农作物的生长，影响生态环境，污染和损坏自然景观。 2．破坏水资源 采矿工程和采动岩移可改变地下水和地表水的储存和循环状态，破坏水资源，造成井泉干涸或水位下降以及地表水流失。采矿和洗煤生产要消耗大量水资源，矿井开采又要抽排水使得大量的洁净水被不同程度地污染后而排放。此外煤矿固体废物可随大气降水、地表径流、风流及渗滤水进入地表水体和地下水而污染水资源。 3．影响大气结构 煤矿区大量燃煤及煤炭加工、运输，造成煤烟和粉尘空气污染，不仅能改变矿区空气的成分和结构，使能见度降低、有毒有害成分偏高等不良空气状况，对矿区气温、气流、降雨量等微气候条件产生不同程度的影响，而且也会在一定程度上影响整个大气圈及岩石圈、水圈、生物圈的动态平衡，促进或加剧温室效应，破坏臭氧层，形成酸雨、烟雾等气象灾害。 4．破坏生态平衡 由于矿区土壤、水体、大气的污染，使生物群落与环境之间已有的物质(如水、碳、氮、氢、氧等)循环被打破，加之有毒有害物质的积聚和煤矿噪声，使得生物赖以生存的环境发生变迁和恶化，从而导致某些生物的退化、灭亡或逃逸，已有的生物链被打破，自然生态失衡。 5．诱发地质灾害 煤矿环境污染可诱发和形成许多环境灾害，严重威胁煤矿的生产安全和矿区居民的人身安全。如矸石山堆积和采矿岩移可诱发山体滑坡、山崩、泥石流、矸石山滑塌等环境地质灾害；采矿废气中的可燃气体和煤尘达到一定浓度时会发生爆炸；CO2 、SO2 、NOx 等有毒有害气体浓度达到一定值时会造成人和动物窒息、死亡；采动压力可诱发冒顶、片帮、矿井水突出、煤与瓦斯突出和地面塌陷、地裂缝等灾害事故。 第二节 煤矿环境工程地质灾害 地质灾害可分为自然地质灾害和人为地质灾害及两者共同作用的地质灾害。煤矿区环境工程地质灾害主要是人类采矿活动违背自然规律、恶化生态环境，导致灾害发生。伴随采煤引起的环境工程地质灾害主要有： 一、岩层移动，地面沉陷 由于采煤形成地下采空区，岩体失去原有平衡状态而发生移动，简称岩移。岩移包括地下开采造成的地表移动和露天开采引起的滑坡、崩塌(图12-1)。采矿塌陷均分布在矿井采空区上方，其变形形式有地表沉陷、断裂、塌陷(图12-2)。 图12-1 采空沉陷盆地的形成 图12-2 采矿冒落塌陷盆地的形成 1—冒落带；2—裂缝带；3—移动带 1．波状沉陷盆地 这类地表移动形成过程比较缓慢，且在时空上是连续的，一般影响范围较大；主要分布于深部急倾斜煤层采空区和开采深度与煤层开采厚度之比小于20的缓倾斜煤层采空区。 2．漏斗状陷坑和阶梯状断裂 这类地表移动发生突然、快速、强烈，危害严重但破坏范围小；主要发生在浅部急倾斜煤层采空区和开采深度与煤层开采厚度之比小于20的缓倾斜煤层采空区以及较大地质构造分布区。 因采煤造成的地表沉陷在我国各大煤矿区均有发生，全国因采矿地面塌陷面积达1150km2 。2004年国家投资12亿人民币的“手术费”，启动塌陷区综合治理工程。山西省统配煤矿矿区塌陷、地裂缝的面积已达246.2Km2 。煤海大同，因超强开采煤炭资源，造成河床塌陷，运煤铁路专线路基多处下沉，村庄建筑破坏甚至整村搬迁。黑龙江省七台河市是一座建在煤田之上的新兴煤炭工业城市，至1991年，市区范围内采空区面积约42 km2 ，塌陷平均深度2m左右，城市基础设施大多毁坏。 二、山体开裂 在陡峭临空的地形条件下，因山崖(坡)下采煤的管理不善和设计不当，甚至滥采，长期采掘会造成上覆山体开裂变形，最终产生倾倒滑崩等地质灾害，轻则影响安全生产，中断交通，重则酿成巨大灾难。这是一类典型的且具有普遍性的人为诱发的工程地质灾害。 刘坪煤矿位于长阳县，矿区河谷深切，二叠系栖霞组灰岩形成悬崖峭壁，在采场上方形成三面临空地形。下部马鞍段煤系地层构造节理极为发育，煤层一般2～3m，最厚可达7.1m。到1981年采空区纵深发展到陡崖下面，面积已达4万m2以上，纵向采空跨度可达250m。井下地压活动强烈，在采空区上陡崖顶部地表出现规模不等的四条裂缝，向下延深70m以上，最大张开度可达4m（图12-3）。阳泉市赛鱼矿区，山体临空坡度较陡，开采100m深度内9号煤层时，地面出现长800m、宽2～3m的裂缝，导致赛鱼火车站搬迁。 图12-3 刘坪煤矿山体开裂地质剖面 三、边坡失稳 露天采煤开挖矿坑，塑造了边坡。随着开采深度的加大，边坡规模增大，破坏了原来地应力的平衡，导致人工边坡失稳破坏或滑移，最终形成滑坡。见图12-4、图12-5。抚顺西露天矿1984年3月21日，滑坡破坏了4个开采工作面，滑坡体积达6.4×104m3。1991年12月山西平朔安太堡露天煤矿发生排土场大滑坡，滑坡体长1000m，宽500m，高120～150m。 图12-4 滑坡要素示意图 图12-5 边坡崩塌示意图 四、采矿诱发地震(矿震) 采矿诱发地震是指采矿工程活动引起的地震，它是地壳浅部岩石圈对人类活动的一种反作用现象。采煤形成的地下自由空间使采空区周围的岩体由原来的三向受压变成两向或单向受压，引起应力的重新分布。在采区范围内，沿断裂形成应力集中地段和高地压异常带，促使应变提前释放。采矿诱发地震与采矿活动密切相关，常发生在采掘工作面附近以及承载煤柱和煤壁的应力集中部位，以底板以上发震较多；震源位置随工作面向前推进而发生变化。地震活动与开采时间相对应，常出现在一定规模的采空之后。地震强度上限一般为4级以下，个别可达5.0～5.5级。如大同煤矿，1956年以来因顶板塌落产生有感地震达40多次。最大震级达4级左右。山东陶庄煤矿1977～1991年间，发生破坏性矿震180余次，推毁巷道3000余米。矿震还易诱发其它工程地质灾害发生。 第三节 煤矿环境污染因素及特点 煤矿环境污染主要由采矿、煤炭运输、加工等生产活动引起。污染因素主要有煤矿固体废物、煤矿废水、煤矿废气、煤岩粉尘、煤矿生产噪声等。 一、固体废物 煤矿的固体废物主要有矸石、露天矿剥离物、煤泥、粉煤灰和生活垃圾等。其中对环境影响最大、最普遍的是矸石。 1．矸石 矸石是煤炭生产过程中产生的岩石的统称。包括采掘过程排出的顶、底板岩石，混入煤中的岩石及选煤过程中分离出来的碳质岩等。矸石排放量与煤层赋存条件、开采方法、选煤工艺等有关。矸石常由碳质泥岩、泥岩、砂岩、灰岩等组成，矿物成分主要有高岭石、蒙脱石、石英、长石、伊利石、方解石、黄铁矿、白云石、水铝矿等，也含有少量稀有金属矿物。化学成分以SiO2 （含量50～70%）、Al2O3 （含量20～30%）为主，并有含量不等的Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O、Na2O、P2O5和V2O5等。 2．露天矿剥离物 露天矿剥离物的岩石组成和排放量取决于煤层上覆岩层的岩性、煤层的埋藏深度和赋存条件、地形条件和剥离厚度等。剥离层一般有泥岩、砂岩、灰岩及松散沉积物等。 3．煤泥 煤泥是在煤炭开采、运输、洗选等过程中产生的泥状物质。其形成与煤及煤矸石的物理性质、煤炭开采和运输方法、选煤工艺、煤泥处理系统等有关。煤泥一般呈塑性体或松散体和泥固体；灰分含量高、黏土物质多，热值低，持水性强。 二、废水 煤矿废水主要有采矿废水、选煤废水及其它附属工业废水和生活废水。 1．采矿废水 采矿废水指外排的矿井水。它是由伴随矿井开采而产生的地表渗透水、地下含水层渗流水和疏放水以及采掘生产和防尘用水等组成，是煤矿排放量最大的一种废水。 煤矿矿井水质因区域水文地质条件、煤质状况等因素的差异而有所不同。根据矿井水质可将矿井水分为五种类型。 （1）含悬浮物矿井水。含有大量的悬浮物、少量可溶有机物和菌群等。这类矿井水在我国煤矿区分布广泛，主要是由井下生产所产生的大量煤、岩粉以及井下生产和职工生活的各种废弃物混入矿井水而形成。 （2）高矿化度矿井水。水质多呈中性或弱碱性，含有SO42-、Cl- 、Ca2+、K+、Na+、HCO3- 等离子，矿化度(无机盐总含量)大于1000 mg/L，带有苦涩味。高矿化度矿井水的形成与煤中含有大量碳酸盐和硫酸盐矿物、矿区气候干旱和地下水补给不足导致矿井水中盐分浓缩或矿区地处沿海而受海水侵入等因素有关。这类矿井水因含盐量高且带苦涩味而不宜直接饮用。 （3）酸性矿井水。指pH＜ 5.5的矿井水。其形成的主要原因是煤层及其围岩含硫量偏高，并与矿井密闭程度、大气流通状况、矿井水来源与流径、开采深度等因素有关。由于酸性水易溶解煤层及围岩中的金属元素而可使矿井水中Fe、Mn重金属元素和无机盐类离子增加，导致矿化度和硬度升高。这类矿井水在我国南北方都有分布，尤以南方煤矿分布最为广泛。 （4）含特殊污染物矿井水。根据含污染种类可分为含氟矿井水、含重金属元素矿井水、含放射性元素矿井水、含油类矿井水等。我国含氟矿井水主要分布于北方的一些矿区，其形成与高氟地下水或矿区附近的含氟火成岩矿层有关；含重金属元素矿井水在我国的一些矿区有少量分布，主要是含铁、锰矿井水，水中除含有低价态的Fe2+、Mn2+ 外，常含有Cu2+、Zn2+、Pb2+ 等离子，其形成与地下水处于还原条件下有关；含放射性矿井水和含油矿井水在我国的一些煤矿也有存在，其形成与煤及其围岩或地下水中含放射性物质以及煤系中有含油层有关。 2．选煤废水 选煤废水是煤炭湿法洗选过程中产生的废水。其中含有大量的悬浮煤粒，故也称其为煤泥水。此外，选煤废水中还含有一定量的石油类、酚类、醇类、聚丙烯酰胺等有毒有机药剂和煤中浸出的各种离子和放射性元素等。因此，选煤废水是一种有毒废水。其排放量与选煤工艺和设备有关。 3．其它工业废水 主要指机修厂、火药厂、矿灯厂、焦化厂等煤矿附属企业在生产过程中产生的废水。虽然其排放量不大，但毒性却很高，原因是这些废水中含有不同种类、不同程度的有毒有害物质。如机修厂废水中含有酚、油、铬、镉、镍、锌等有害物质；焦化厂废水中含有酚、氢化物、硫化物、氨等；火药厂废水中含有三硝基甲苯、二硝基重氮酚等；矿灯厂废水中含有氰化物、镉、铅、铬等。 三、废气 煤矿废气主要包括采矿废气、燃煤废气、煤和煤矸石自燃废气。 1．采矿废气 采矿废气主要是指由矿井中排出的废气。包括以甲烷为主的烷烃、芳香烃、氢等可燃性气体和二氧化碳、氮等窒息性气体，以及硫化氢、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮等有毒气体。 2．燃煤废气 是指煤矿区锅(窑)炉和民用灶燃煤产生的废气。其中含有烟尘、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、碳氢化物等有害成分。这些有害物质的产生量随煤质、燃烧方式、燃烧条件的不同而有很大差异，燃烧1t煤可产生一氧化碳0.5～45kg、碳氢化合物0.15～45kg、氮氧化物1.5～27kg、醛类0.0025kg、硫氧化物19S(S为煤中硫含量)kg、烟尘1～8A(A为煤的灰分产率)kg。燃煤废气是大气污染物的主要来源，约占大气污染物总量的70%。煤矿区大气污染亦属煤烟型。据有关资料显示，我国国有重点煤矿每年排入大气的燃煤废气超过1700亿m3，烟尘和二氧化硫排放总量均在30万t以上，煤矿区煤烟型大气污染甚为严重。 3．自燃废气 自燃废气是指煤和煤矸石发生自燃过程中产生的废气，其成分与燃煤废气相同或类似。煤主要是由可燃物质构成的，煤矸石中也含有一定量的可燃物，它们在一定条件下会因缓慢氧化热的大量聚集而自燃发火。其表现形式有煤层露头着火、开采地表沉陷露风区着火、地面煤堆和矸石山着火、井下煤壁着火等。煤和煤矸石自燃现象在我国较为严重。 四、粉尘 煤矿的采掘、运输、选煤等生产过程以及燃煤、煤层和矸石山自燃等都会产生粉尘。其中采掘过程和煤炭洗选加工是煤矿产生粉尘的主要因素。如在地下开采中，采掘工作面产生的粉尘可占矿井产尘总量的70%～85%。 煤矿粉尘以煤尘为主，也有岩粉和其它物质粉尘。并具有湿润性、黏附性、电荷性、爆炸性、气溶性等一些特殊性质，可悬浮于矿井水和空气之中或沉附于各种物体表面。产尘量一般与煤及其夹矸的性质、采煤方法、地质构造的破坏程度以及煤层的附存状况和水文地质条件等因素有关。 五、噪声 煤矿在开发建设中会产生许多噪声，如工业噪声、交通运输噪声、建筑施工噪声和社会生活噪声等。 煤矿生产所用设备多属高噪声，如扇风机、空气压缩机、凿岩机、采煤机和洗煤厂的跳汰机、破碎机、振动筛等均是高噪声设备。此外，采掘爆破噪声亦是高噪声。这些噪声都属于煤矿生产噪声。 第四节 煤矿环境污染防治简介 一、煤炭洁净开采技术 采煤过程中，煤层中的夹矸及少量顶、底板围岩不可避免地与煤混采。井下开掘岩巷、半煤岩巷、煤仓、溜煤眼，都要排放矸石。矸石排放量与矿井开拓系统和巷道布置密切相关。实现洁净开采的途径与措施主要是： (一)矿井设计合理规划，减少矸石排放量 1．采用全煤巷开拓方式 巷道尽量布置在煤巷中，减少岩巷掘进量，从而控制排矸总量。我国世界一流的现代化煤矿神华集团神东煤炭公司的矿井，基本上按全煤巷开拓设计，大大减少了排矸量。 2．利用自然边界划分井田和采区 开拓巷道沿自然边界(断层带、煤层变薄带、火成岩侵入带、高硫高灰煤层带)掘进，采区内尽量避免出现地质构造，减少破岩，降低煤中矸石的混入量。控制高硫高灰煤的开采比例，减少原煤总灰分和总排矸量。 3．合理选择采煤方法及生产工艺 采煤方法和生产工艺，直接影响着矿井生产的原煤质量和地面环境保护。应根据煤层赋存条件和生产技术条件，在安全、高效的原则下，选择合理的采煤方法和生产工艺。 （1）加大采高，实现煤层全厚开采。采用煤层全厚开采，不仅可以减少巷道准备工作量，简化煤层开采程序，提高工作面的产量和效率，也减少了分层开采时矸石和其他杂物混入煤中的几率，降低了原煤含矸率和灰分。采用放顶煤开采厚煤层，可以有效地提高工作面回收率，降低原煤含矸率。 （2）合理分层。厚煤层分层开采，应根据煤层柱状及开采条件，按夹石层的位置、各分层的煤质情况以及顶底板条件，综合研究确定分层界限以及分层厚度。合理分层能减少煤中的矸石混入量，提高原煤生产质量。 当煤层中夹石厚度超过0.3m又不能进行分层时，应实行煤岩分层开采。煤岩分采适用于爆破采煤工艺，先爆破采出夹石层上部的煤，并用临时支护管理顶板；然后剥采夹石层，并将其抛掷于采空区；最后采下部煤炭，架好支架，完成工作面采煤作业循环。 （3）留顶(或底)煤开采。当煤层有较厚的破碎伪顶或直接顶而难以维护时，工作面可实行留顶煤回采，避免了伪顶或破碎顶板冒落混入煤中使煤质恶化。在底板松软的情况下，为了防止支柱钻底或采煤机啃底降低煤质，工作面应采用留底板方法回采，以保证煤炭生产质量，降低含矸率。该法可能降低回采率，应综合考虑选择。 （4）利用矸石充填井下巷道。矸石不出井，实际上就是通过各种手段，将巷道掘进过程中的矸石就地处理于井下。通常采用的方法是宽巷掘进、沿空留巷、矸石充填等。宽巷掘进技术就是在掘进半煤岩巷时，开挖煤层宽度大于巷道宽度，掘进的矸石充填于巷道一侧或两侧被挖空煤层空间中和支架臂后。沿空留巷技术的推广应用，大大降低了巷道掘进率，减少了巷道工程量，同时也相应地减少了矿井的排矸量和煤中混入的矸石量，能实现煤炭的清洁开采。矸石充填技术就是把矸石送到井下集中破碎站，破碎后的矸石，可作为建筑材料和充填材料，供井下铺轨、混凝土骨料、巷道壁后充填、工作面充填等使用。 (二)采取措施减少矿井废气与粉尘污染 1．井下瓦斯抽放与利用 煤矿向大气排放的废气量和有害物成分的多少，主要取决于矿井煤层瓦斯含量和生产时的瓦斯涌出量。如在煤矿生产过程中预先抽出煤层中的瓦斯加以利用，可以有效地甚至是大幅度地减少生产中瓦斯涌出量。这不仅是确保安全生产的重要技术措施，也是减轻矿井排放废气对环境污染的重要途径。从通风安全的角度可以不考虑抽放出来的瓦斯利用，只要排至矿井以外便达到预期目标；而从减轻污染的角度，则必须强调抽放出来的瓦斯加以充分利用，变害为利。山西省阳泉煤矿是较早利用瓦斯的范例。 2．矿井粉尘防治 世界各主要产煤国家都先后采用高压喷雾或高压水辅助切割降尘技术，有效地控制采煤机切割时产生的粉尘，同时减少了截齿摩擦产生火花引燃瓦斯、煤尘爆炸的危险性。在掘进工作面，主要采用内外喷雾相结合的方法降低掘进机切割部的产尘量和蔓延到巷道的悬浮粉尘。同时，通过粉尘净化，通风除尘，泡沫除尘，声波雾化等综合措施，降低粉尘的产生和飞扬。 二、 矿山固体废物资源化利用技术 矿山工业固体废物主要是煤矸石和围岩剥离物等混入物，是数量较大的矿山固体废物。下面仅就煤矸石的资源化利用作一简单介绍。 (一)煤矸石的建材利用 1．生产煤矸石砖 利用煤矸石生产烧结砖。煤矸石经破碎、粉磨、搅拌、压制、成型、干燥、焙烧而成烧结砖，各种原料的参考配比为：煤矸石70%~80%，粘土10%~15%，砂10%~15%，也有的利用纯煤矸石。煤矸石砖一般均采用塑性挤出成型，经过干燥后入窑焙烧,烧结温度范围一般为900~1100℃。由于煤矸石中有10%左右的碳及部分挥发物，故焙烧过程中无需加燃料。煤矸石烧结砖的抗冻、耐酸、耐碱等性能也比较好，可代替粘土砖使用。煤矸石粉碎作骨料，与一定比例的水泥、石灰、石膏混合可制做空心砌块墙体材料(免烧砖)。粉碎的煤矸石、白云石、半水石膏与水混合，然后加硫酸溶液混合，制成泥浆注入模具。由于白云石和硫酸发生化学反应而产生气泡，泥浆膨胀，制成微孔吸音砖。 利用煤矸石代替粘土制砖可以化害为利，变废为宝，节省土地，改善环境，创造利润。为了适应建材发展的需要，国家对发展煤矸石建材，提供了一系列优惠政策。“十五”期间，淘汰2万家粘土砖企业，煤矸石综合利用率由2000年的43%提高到50%以上，重点煤矿和重点地区的煤矸石综合利用率达到80%以上，这将促使煤炭企业产品向多元化发展。目前，已开发生产有：竖孔承重空心转、煤矸石铺地砖、釉面砖、等多种类型的新产品。 2．生产水泥 煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量较高，总含量在80%以上，是一种天然粘土质原料，可以代替粘土作生产水泥的原料。利用煤矸石可生产煤矸石普通硅酸盐水泥、煤矸石火山灰水泥、煤矸石无熟料水泥。 （1）普通硅酸盐水泥。生产煤矸石普通硅酸盐水泥主要原料是石灰石69%~82%、煤矸石13%~15%、铁粉3%~5%、混合煤和石膏13%左右，水16%~18%，生产过程中可根据煤矸石及其他原料的性质确定合理的配合比。这种水泥是先把石灰石、煤矸石、铁粉混合磨成生料，与煤混拌均匀加水制成生料球，在1400~1450℃的温度下得到以硅酸三钙为主要成分的熟料，然后将烧成的熟料与石膏一起磨细制成的。这种水泥凝结硬化快，早期强度高，各项性能指标均符合国家有关标准。 （2）煤矸石无熟料水泥。煤矸石无熟料水泥是以自燃煤矸石或经过800℃温度煅烧的煤矸石为主要原料，与石灰、石膏、共同混合磨细制成的，有时也可以加入少量的硅酸盐水泥熟料或高炉渣。 煤矸石无熟料水泥的原料参考配合比为：煤矸石60%~80%、生石灰15%~25%、石膏3%~8%。如果加入炼钢高炉渣，各种原料的参考配合比为：煤矸石30%~34%、高炉渣25%~35%、生石灰20%~30%、无水石膏10%~13%。这种水泥不需生料磨细和熟料煅烧，而是直接将活性材料和激发剂按比例配合，混匀磨细。生石灰是煤矸石无熟料水泥中的碱性激发剂，生石灰中有效氧化钙与煤矸石中的活性氧化硅、氧化铝在湿热条件下进行反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，使水泥强度增加；石膏是无熟料水泥中的硫酸盐激发剂，它与煤矸石中的活性氧化铝反应生成硫铝酸钙，同时调节水泥的凝结时间，以利于水泥的硬化，提高强度。 我国利用煤矸石生产水泥的发展速度非常快，生产的水泥品种较多，标号有225、325、425号，并已广泛应用于工业与民用建筑。 (二)高岭岩煤矸石的化工利用 以粘土矿物高岭石为主要成分的煤矸石(称高岭岩)，具有一系列优异的物理、化学性能而被广泛用于轻工、化工、石油、医药、高科技等领域。高岭岩在一定的物理、化学条件下经深加工，高岭石矿物可转变成结晶的或无定形的单晶相或多晶相产品，生产硫酸铝、聚合氯化铝等系列化工产品。 ①硫酸铝。分子式Al2(SO4)3·18H2O。主要用于造纸工业，以及用作净水剂、媒染剂、木材防腐剂、泡沫灭火剂、石油的除臭剂、脱色剂等方面。 ②铵明矾。分子式为NH4A13 (SO4)2·12H2O。主要用于造纸工业，也用作净水剂、分析试剂、食品添加剂和媒染剂、收敛剂，此外在鞣革、人造宝石、半导体工业上也有应用。 ③氢氧化铝。分子式为A1(OH)3 。主要用作油墨增稠剂，也是制铝盐、润滑剂的原料，此外在陶瓷、搪瓷、玻璃、医药工业也被普遍采用。 ④氧化铝。分子式为A12O3。主要用于生产铝，高铝耐火材料与电气绝缘材料。在化工上用作催化剂载体、干燥剂和吸附剂，此外它还是一种优质研磨材料。高纯氧化铝用途更为广泛，主要用作催化剂或催化剂载体，空气和其它气体的脱湿剂，变压器油和透平油的脱酸剂。 ⑤氯化铝。其系列产品包括结晶氯化铝、碱式氯化铝、聚合氯化铝 ，主要用于净化饮用水。因其具有除铁、镉、氟、油等特性，是一种高效净水剂。此外，在精密铸造、造纸、医药、制革等方面也有广泛用途。 ⑥4A分子筛。分子筛是天然或人工合成的铝硅酸盐。系沸石类精细化工产品。目前人工合成的分子筛有A、X、Y、L、F 等数十种，工业上广泛应用的是A、X、Y三种。其传统生产工艺是用氢氧化铝、水玻璃、烧碱等为原料人工合成。因原料短缺、价格昂贵及工艺流程复杂，从而限制了其生产的发展。利用高岭岩生产这一产品，原料充足、价格低廉、生产工艺流程简单，生产成本低，适合大规模生产，是高岭岩极有前途的开发利用途径。4A分子筛的主要特征是选择性吸附和高的阳离子交换力。它广泛应用于化学工业、石油工业，用作催化剂、吸附剂。它更主要的用途是用作合成洗涤剂中的助洗剂，以取代价格昂贵且造成环境污染的三聚磷酸钠。 ⑦莫来石砂、粉(精密铸造砂)。以高岭石矿物为主的高岭岩煤矸石经过破碎、细磨、煅烧等工艺处理所得到的系列高岭岩的精加工产品应用广泛。其中，莫来石的分子式为A12O3·2SiO2。它具有热稳定性好、高温强度大、导温系数高等一系列较好的物、化特性。因为热稳定性好，故在高温过程中型壳变形小，从而保证铸铁的高精度要求，是一种理想的精密铸造用砂。此外，高岭岩制成的精铸砂透气性好，这既有利于金属熔体填充型腔，也使脱壳性能良好并便于清砂。莫来石生产成本低廉，广泛用于机械、航空、兵器、轻工、石油等工业部门的精铸工艺。近年来，大同C—P纪煤系优质高岭岩夹矸(黑砂石)，地销价高于煤价的7～8倍,生产的325、625、6250目煅烧高岭土粉质优价高，远销国内外。该项目抗风险能力强，经济效益、社会效益显著，是煤矿发展多经营的好出路。 ⑧白炭黑（活性二氧化硅）。高岭岩生产化工铝盐产品后剩余的尾渣SiO2含量可达80%~90% ，是生产白炭黑的良好原料。白炭黑是橡胶、塑料、造纸、染料、涂料、油墨和农业等工业的添加剂(填料)。随着产品向多品种、多规格、多性能方向发展，其应用领域将越来越广。 (三)煤矸石的其它利用 含炭量较高的煤矸石可作为低热值燃料利用，如建煤矸石发电厂。以砂岩、粉砂岩为主要成分的煤矸石除作建材外，可作井下采空区充填、地表塌陷区复垦充填或路基充填石料等的利用。 三、矿井水处理复用技术 矿井水由于受开拓及采煤活动的影响，水中常含有大量煤、岩粉尘等悬浮杂质或矿井水呈酸性，并含大量铁和重金属离子等污染物；有些矿井水含有相当高的盐，有的甚至含氟或放射性等污染物质。被污染的矿井水不经处理排出地表，又污染地表及地表水体，形成新的环境污染源。另外，我国是淡水资源贫乏的国家，人均拥有水量仅是世界人均水量的1/4，且分布极不均匀。我国北方主要产煤区资源占全国煤炭储量的80%以上，但水资源仅占全国总量的1/5。矿井排水，导致地下水位下降或矿区缺水，严重制约了矿区经济的可持续发展。随着全球环保意识的增强，我国近年相继出台相关环保政策，“谁污染，谁治理”，煤矿企业需缴纳排污费和水资源损失费。所以，煤矿企业引入矿井水处理复用技术，实现矿井水资源化或达标排放具有重要的环境、经济、社会多赢效益。下面就常见的矿井水处理技术作一简单介绍。 (一)煤矿酸性矿井水处理技术 我国海陆交互相或浅海相沉积的煤层，因煤含硫高，开采时矿井排水往往呈酸性。 1．煤矿酸性矿井水的成因及水质特征 煤炭的开采破坏了煤层原有的还原环境，矿井通风又提供了氧，使还原态硫化物氧化。地下水的渗出并与残留煤、顶、底板岩层的接触，又促使硫化物氧化成硫酸，使矿井水呈酸性。煤矿酸性矿井水水质特征见表12—1 表12-1 我国部分煤矿酸性矿井水的水质特征表 项 目 矿 号   1 2 3 4 5 6 7 8  pH值 2.4 2.5 2.7 3.2 3.7 4.0 4.4 4.9  浊度 480 300 55.0 80.0 30.5 100 45.3 65.0  酸度 78 — 41.2 14.8 75.1 — 44.7 3.71  CODcr 92.7 87.0 60.8 54.0 35.0 91.0 38.7 43.0  SS 139.5 142.5 124.5 127.9 153.0 131.9 118.3 168.9  DO 3.1 2.0 2.3 3.1 2.1 1.9 1.7 1.8  Cl- 0 60.0 88 27.2 98.3 19.0 26.7 73.0  SO42- 2600 570 3467 3706 8800 2000 780 3700  Mn2+ 2.9 — 18.8 9.9 16.9 — 18.4 12.4  ∑Fe 2199 2.9 ＞100 416 ＞10 174 508 ＞10  Ca2+ 582 380 46 123 158 20.5 37 150  Mg2+ 64 158 103 78 ＞200 60.8 77 13  Pb2+ 1.1 0.1 0.1 0.05 0.5 0.3 1.1 0.8  Al3+ 1.5 1.8 1.0 4.5 5.3 — 3.1 1.8  K+ 13.2 10.2 10.5 3.7 4.6 13.4 9.2 7.8  注：表中除pH值外，其它单位为mg／L 2．酸性矿井水的处理方法 1）石灰石中和法 目前，国内煤矿酸性矿井水处理方法主要是中和法。一般是采用廉价的石灰石或石灰作中和剂进行中和处理。其原理是中和剂石灰石与酸性水中的硫酸进行中和反应，产生微溶CaSO4, 反应式为： CaCO3+H2SO4=CaSO4+H2CO3 H2O+CO2 ⑴石灰石中和滚筒法。石灰石中和滚筒法是指利用石灰石为中和剂，酸性水在滚筒中被石灰石所中和的一种处理方法。工艺流程。如图12—6，酸性矿井水首先经耐酸泵提升至地面调节池，矿井水再经耐酸泵连续送入滚筒中，滚筒转速为10～20r/min，筒体中心线的水平倾角为1°，酸性水在滚筒中与中和剂石灰石反应。为了保证石灰石与酸性水有较充足的接触反应时间和吹脱去除CO2，将滚筒出水送入曝气槽，使随矿井水带入的石灰石在反应池中与酸性水继续产生反应，进一步提高酸性水pH值并脱除CO2。然后进入沉淀池。为了去除悬浮物，需投加混凝剂。沉淀处理后出水可达排放标准，直接外排或作选煤等工业用水复用。 图12-6 石灰石中和滚筒法处理酸性矿井水流程图 ⑵石灰石升流膨胀过滤中和法。石灰石升流膨胀过滤中和法是以细小石灰石颗粒(d≤3.0mm)为滤料，酸性水自滤池底部进入滤池，在酸性水作用下，石灰石滤料膨胀，颗粒与颗粒之间相互摩擦，石灰石与酸性水反应能够连续不断地进行。 目前在煤矿经常采用。酸性矿井水由提升水泵送至地面蓄水池，再经耐酸泵送入石灰石滤池底部，酸性水自滤池底部上升过程中与石灰石产生反应，出水经平流式沉淀池沉淀后进入曝气池，在压缩空气的作用下，反应产物H2CO3彻底分解为H2O和CO2，使酸性水pH值得到进一步提高，最后经斜管沉淀池处理后排放（图12—7）。 　 图12-7 石灰石升流膨胀过滤中和法工艺流程 2）石灰中和法 石灰是一种来源方便，价格便宜的碱性物质，在煤矿酸性水中和处理中，常采用石灰为中和剂，进行中和处理。 采用石灰作中和剂进行中和处理酸性水，工艺流程如图12—8。 图12-8 石灰中和酸性水的工艺流程 首先将氧化钙含量67%～81%的石灰制成含活性氧化钙5%～10%的石灰乳，然后加入中和氧化池中，同时采用机械搅拌进行充分搅拌，经沉淀、过滤，清水达到国家规定的排放标准(pH值=6.0～9.0)外排或者回用于煤矿工业用水。废水中Fe、Mg、Al等一些有害的金属离子转化成稳定的溶度积很小的氢氧化物沉淀并被去除。 3）石灰石—石灰中和法 石灰石中和法处理法具有操作方便、处理费用低等优点，其缺点是处理后出水pH值经常达不到排放标准，除铁效率低;而石灰中和法优点是效果好，除Fe效果好于石灰石中和法，但操作费用高，显然，石灰石和石灰中和法联合处理酸性水是中和工艺的优化。从图12—9石灰石—石灰联合中和法工艺流程图可以看出，该工艺流程是先采用石灰石滚筒法中和，消耗酸性水中绝大部分游离H2SO4，使处理后水pH值达5.5以上；然后再用石灰或石灰乳中和，使水pH值进一步得到提高，一般控制pH值在8.0左右，这时Fe2+水解并产生沉淀，形成絮状物，起到混凝作用，有利于悬浮固体去除。 图12-9 石灰石—石灰联合中和法工艺流程 4）生物化学法简介 生物化学法处理含铁酸性水是目前国内外研究比较活跃的处理方法，在美国、日本等国家已进行了实际应用。该方法的原理是利用氧化铁杆菌在酸性条件下将水中Fe2+氧化成Fe3+，Fe3+ 具有活性，与OHˉ反应生成Fe(OH)3赤褐色沉淀，然后再用石灰石进行中和，以实现酸性矿井水的中和及除铁。 煤矿酸性矿井水经中和处理后，达到国家排放标准的，可供缺水煤矿作为工业用水复用；要作饮用水还需作进一步净化处理，除去金属离子等杂质。 (二)高矿化度矿井水处理技术 1．水质特征 高矿化度矿井水是指含盐量＞1000mg/L矿井水。这类矿井水的含盐量主要来源于Ca2+、Mg2+、Na+、K+、SO2-4、HCO-3、Cl-等离子，其硬度往往较高。因受采煤等作业的影响，这类矿井水还含有较高的煤、岩粉等悬浮物，浊度大。 2．处理工艺 我国北方地区煤炭储量丰富而水资源紧张，所以，处理利用这部分矿井水是解决北方矿区生活、生产用水紧张状况的良好途径。因高矿化度矿井水含盐量高，处理工艺除包括混凝、沉淀等工序外，其关键工序是脱盐。脱盐采用电渗析和反渗析脱盐技术。 高矿化度矿井水处理，一般分成二个部分：第一部分是预处理，主要去除矿井水中的悬浮物，采用常规混凝沉淀技术；第二部分是脱盐处理，使处理后出水含盐量符合我国生活饮用水要求。其工艺流程如图12—10。 图12-10 高矿化度矿井水处理工艺流程 (三)含悬浮物矿井水处理技术 1．水质特征 含悬浮物矿井水的主要污染物来自矿井水流经采掘工作面时带入的煤粒、煤粉、岩粒、岩粉等悬浮物(SS)。因此，这种矿井水多呈灰黑色，并有一定的异味，混浊度也比较高，pH值呈中性，含盐量＜1000mg/L，金属离子含量微量或者未检出，不含有毒离子。 2．处理工艺 含悬浮物矿井水的污染物主要是煤、岩粉悬浮物和细菌。这类矿井水又经常被用作生活用水水源加以处理利用，所以去除矿井水中悬浮物和杀菌消毒是处理的关键。 图12-11是含悬浮物矿井水处理经常采用的工艺流程，优点是流程相对简单，节省基建投资。 图12-11 含悬浮物矿井水处理工艺流程 （四）洁净矿井水 洁净矿井水通常是奥灰水，砂岩裂隙水，第四纪冲积层水及少量老空积水。这类矿井水水质好，pH值中性，矿化度低，不含有毒、有害离子，低浊度，经消毒处理后，可作生活用水。 以上是煤矿常见的几种矿井水廉价处理工艺方法，其它水质的矿井水，经净化处理后也可作工业用水复用，节约水资源。矿井水处理属“三废”利用环保项目，享受国家有关税费减免优惠政策 ，是实现煤矿可持续发展的循环经济举措。 四、塌陷矿坑回填复垦技术 井工开采浅部煤层引起的地表塌陷，常呈漏斗状或台阶状断裂塌陷坑。开采深部煤层，塌陷呈大范围平缓下沉盆地，塌陷面积是煤层开采面积的1.2倍左右，塌陷盆地边坡可达1°～5°左右的坡度。下沉盆地中央塌陷深度若超过潜水位时，地下潜水会造成积水，常年积水区使原有农田不能耕种，季节性积水区则会造成农业减产。 1．矸石回填复垦 塌陷矿坑采用矸石充填或电厂粉煤灰分层充填加高，逐层压实，表层可覆土造地。当矸石复垦的土地用作农林种植，充填层下部应密实，上部疏松，以利保水保肥，表层覆土厚应大于0.5m。建筑用地覆土0.2～0.5m。 露天矿坑边坡，可采用平整土地和改造成梯田或梯田绿化带的方法复垦；矿坑可用煤层上覆的剥离物回填造地。如山西平朔安太堡露天矿，陕西、内蒙交界处的神东煤炭公司露天矿矿坑，均用剥离物和矸石回填，种植经济作物和林木，取得良好的经济和环境效益。见图12—12露天矿内排土复垦作业示意图。 图12-12　露天矿内排土复垦作业示意图 2．生态农业复垦技术 生态农业复垦技术是指根据生态学和生态经济学原理，应用复垦工程技术和生态工程技术，通过合理配置植物、动物、微生物等，进行立体种植、养殖和加工。生态农业复垦技术充分利用塌陷区形成积水的特点，根据鱼类等各种水生生物的生活规律、食性以及在水中所处的生态位置，按照生态学的食物链原理进行合理组合，实现农—渔—畜综合经营的生态农业类型，见图12—13。在生态系统中，生物之间以营养为纽带的物质循环和能量流动，形成多级的循环利用。在徐州、淮北和开滦矿区，这种类型的复垦技术取得了良好效果。 图12-13 水陆互补的物质循环利用系统 3．生物复垦技术 生物复垦技术是利用生物措施恢复土壤肥力与生物生产能力的活动。主要内容为土壤改良和植被品种筛选。 土壤改良主要有以下几种方法： （1）绿肥法。这种方法的实质是在复垦区种植多年生或一年生豆科草本植物。这些植物的绿色部分在土壤微生物作用下，除大量养分外，还可以转化成腐植质；其根系腐烂后也有胶结和团聚作用，能改善土壤理化性质。 （2）施肥法。本方法以施用大量有机肥料来提高土壤中的有机物含量，改良土壤结构，消除过粘、过砂土壤的不良理化特性。 （3）客土法。对过砂、过粘土壤，采用“泥入砂、砂掺泥”的方法，调整耕作层的泥砂比例，达到改良质地、改善耕地、提高土壤肥力的目的。 （4）化学法。该方法主要用于酸性土壤改良。中和酸性土层，一般用石灰作掺合剂；变碱性为中性，常用石膏、氯化钙、硫酸等作调节剂。 一般植被品种筛选是通过实验室模拟种植试验、现场种植试验、经验类比等手段筛选确定。筛选出的品种应生长快、产量高、适应性强、抗逆性好、耐贫瘠。尽量选用优良的当地品种，条件适宜时引进外来速生品种。 4．微生物复垦技术 微生物复垦技术是利用微生物活化药剂或微生物与有机物的混合剂，对复垦后的贫瘠土地进行熟化和改良，恢复土壤肥力和活性。 采用微生物方法复垦，对煤矸石、露天矿剥离物等堆放场地不需覆盖表土，经一个植物生长周期(6个月)，就可建立稳定的活性条件，第二年可种植农作物。三五年后能完全达到高产田的肥力，并维持数年不衰减。该方法也能使其它类型贫瘠土壤或酸性土壤恢复成良田，对种植品种没有任何限制。而且微生物复垦只需普通材料和机具，费用低，效率高，效益好。该项技术首先由匈牙利开发，并在前苏联、捷克、加拿大、美国和巴西等国推广使用。我国尚未开发，应积极引进、立项研究。