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第二章 煤矿地质基本知识

一、煤矿地质基本概念
1、岩石及其分类
构成地球外层硬壳的物质叫岩石，它是由一种矿物或数种矿物组成的。
岩石按其成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。
2、岩浆岩或火成岩
地壳下部（地幔或更深一些）的高温高压岩浆（岩浆温度通常为700～1300℃）沿着地壳薄弱部位或缝隙向上入侵到地壳乃至喷出地表，经冷凝结晶后而形成的岩石称为岩浆岩（又称火成岩）。
淮北煤田常见岩浆岩有辉绿岩、闪长岩或闪长玢岩等；其硬度较大，锤击易帽火星。
3、沉积岩
沉积岩：由地质作用形成的岩石碎屑（泥、砂、砾石）、各种有机物以及溶解在水中的物质，在低洼的海洋、湖泊、沼泽等水盆地中沉淀下来，逐层堆积，经过压实、脱水、胶结而 形成的坚硬岩石称为沉积岩。
根据沉积岩的成因、成分及结构等特征分为碎屑岩、粘土岩和化学及生物化学岩等类别。
煤矿井下常见的沉积岩有角砾岩、砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和页岩、石灰岩、煤等。
沉积岩主要的特征是有层理和化石的存在。
4、变质岩
由于地壳运动和岩浆活动的影响，使已经形成的岩浆岩、沉积岩或先期变质岩，在地下深处受到高温和高压的作用，改变了原来的成分和性质，变成新的岩石——变质岩。
变质岩的常见类型：板岩、千枚岩、片岩、片麻岩、糜棱岩、石英岩、大理岩、矽卡岩（常见的矿产有铁、铜、铅、锌、钨等）
5、成煤的条件
成煤的必要条件：煤的形成是许多地质因素综合作用的结果。在地史中并不是每个地质时代，各个地区都能成煤。因为煤的形成是有条件的。成煤的必要条件包括：植物条件、气候条件、地理环境条件和地壳运动条件等。
如果地壳升降交替出现，则可形成多个煤层。
淮北矿区含煤地层的沉积环境为滨海平原的海陆交互沉积；成煤时代为石炭、二叠纪。
6、煤层及其厚度
在聚煤时期，连续或大致连续沉积的一套含有煤层的沉积岩系，称为煤系或含煤岩系、含煤地层（或叫煤系地层）
也和其它沉积岩一样，在地下呈层状埋藏，所以把沉积岩系中赋存的层状煤体叫煤层。
煤层厚度是指煤层顶底板之间的垂直距离。
7、煤（岩）层的走向、倾向与倾角
为了说明煤（岩）层层位的形态，就需要用煤（岩）层产状要素来表示。产状要素有煤（岩）层走向、倾向及倾角（简称煤（岩）层产状三要素）。
煤（岩）层层面与水平面相交的线叫走向线，走向线是一条水平线。走向线两端的延伸方向叫煤（岩）层的走向。走向线上各点的高程都相等，它表示倾斜煤（岩）层在水平面上的延展方向。
煤（岩）层层面上与走向线垂直，并沿层成向下所引的直线叫倾斜线或真倾斜线，它在水平面上的投影所指的方向称为倾向或真倾向。倾斜线只有一条，倾向也只有一个，并与走向相差90°，反映了煤（岩）层的倾斜方向。真倾角也只有一个。
煤（岩）层层面的真倾斜线与其在水平面上投影线的夹角叫煤（岩）层的倾角或真倾角。倾角的大小表示煤层的倾斜程度。
煤（岩）层层面上不与走向线垂直的向下直线称视倾斜线或伪倾斜线，它所指的方向称为视倾向或伪倾向、伪倾斜，它与水平面上投影线的夹角称为视倾角或伪倾角。视倾斜线或伪倾斜线有数条，视倾角或伪倾角也有数个。

2-1 煤（岩）层产状要素

8、煤层厚度划分
很薄或特别厚的煤层，其开采技术都比较困难和复杂。根据开采技术的特点，煤层按厚度划分为三类：
薄煤层——1.3m以下；
中厚煤层——1.3～3.5m；
厚煤层——3.5m以上（大于8m的又叫特厚煤层）。
9、煤层倾角划分
倾角的变化在0°～90°之间，煤层倾角越大，开采难度就越大。根据采煤技术的特点，按煤层倾角的大小不同，可分为三类：
近水平煤层――倾角小于5°；
缓倾斜煤层——倾角小于5°～25°；
倾斜煤层——倾角25°～45°；
急倾斜煤层——倾角大于45°。
10、煤层的顶板与底板
赋存在煤层之上的临近岩层叫煤层的顶板。赋存在煤层之下的临近岩层叫煤层的底板。
11、煤层顶、底板分类
1）煤层顶板按其部位与垮落情况分成三种：
（1）伪顶：位于煤层之上随采随落的极不稳定岩层，其厚度一般在0.5m以下。伪顶通常由炭质页岩、泥岩等强度较低的岩层构成，一般情况下随着采煤工作面的落煤而同时垮落。
（2）直接顶：位于煤层或伪顶之上具有一定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层。直接顶多数由、泥岩、粉砂岩、砂岩等岩层构成。
（3）老顶：位于直接顶之上，通常是厚度及岩石强度较大，难于垮落的岩层。老顶由较坚硬的砂岩、粉砂岩、岩浆岩等岩层构成。
2）煤层底板按其部位可分成两种：
（1）直接底：位于煤层之下厚度较薄的岩层，常由泥岩、粉砂岩、砂岩等组成。如果直接底的岩性是遇水后膨胀的粘土岩，可造成巷道底鼓与支架插底，轻者影响巷道运输与工作面支护，重者可使巷道遭受严重破坏。
（2）老底：位于直接底之下，一般由砂岩、粉砂岩或等坚固岩层所组成。
12、围岩和原岩
岩体中因采掘而受到影响的部分，一般为井巷最大直线尺寸的3～5倍。习惯上将此范围内的岩体称为围岩，而将该范围以外的岩体称为原岩。
13、 围岩分类
为了区分在各种岩石中支护的难易程度，用围岩稳定性将各类岩石分为五类；
第Ⅰ类：稳定岩层。
第Ⅱ类：稳定性较好岩层。
第Ⅲ类：中等稳定岩层。
第Ⅳ类：稳定性较差岩层。
第Ⅴ类：不稳定岩层。
根据围岩的稳定性程度分类，选择不同用途、服务年限和断面巷道的支护类型和参数，以及在巷道掘进中制定加强顶板管理的措施。
14、煤层结构
煤层结构是指煤层中有无夹石层。不含夹石层的煤层叫简单结构煤层。含有夹石层的煤层则称复杂结构煤层。
复杂结构煤层中的夹石层俗称“矸石”或“夹矸层”。
煤层中夹矸的岩性可以是多种多样的。最常见的是炭质泥岩、黏土岩及粉砂岩，也有油页岩、石灰岩及细砂岩等。
15、含煤岩系
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。
煤系指含有煤层的沉积岩系，它们彼此大致连续沉积，并在成因上有密切联系。
16、单斜构造
在一定范围内，一系列岩层大致向同一方向倾斜，这种构造形态称为单斜构造。在较大的区域内，单斜构造往往是某种构造形态的一部分，如褶曲的一翼，或断层的一盘。
17、褶皱构造、褶曲
当煤岩层受外力作用后，被挤成弯弯曲曲，但仍保持连续完整的形态叫褶皱构造。
褶皱构造的基本单位叫褶曲，它是褶皱中的一个弯曲部分。褶曲的基本形态有背斜和向斜，背斜的煤层凸起向上弯曲，向斜的煤层凹陷向下弯曲。在地层中，背斜和向斜往往是彼此相连的。

a、背斜 b、向斜
背斜、向斜立体示意图

18、断裂构造、断层与节理
当煤（岩）层受地壳变化或造山运动的影响，发生断裂失去连续性的现象叫断裂构造。根据岩层破裂面两侧岩块有无明显位移，可将断裂构造分为断层和节理两种。
断层：煤（岩）层被切断并破坏其连续性，而且两侧的煤（岩）层发生明显的位移叫断层。
为了描述断层的性质和空间的形态，分别给予断层的各个部位以一定的名称，这些断层的基本组成部分称为断层的要素。其中包括：
（1）断层面：岩层断裂后，两侧的岩块沿着破裂面发生相对位移，该破裂面称为断层面。
（2）断盘：断层面两侧发生相对位移的岩块，称为断盘。
（3）断距：断层两盘岩层同一岩层相对位移的距离，称为断距。

2-2断层要素示意图
节理（也称裂隙）：煤（岩）层被切割破坏，产生许多裂隙，而且裂隙两侧的煤（岩）层没有明显的位移叫节理。
节理与层理是不相同的，一是成因不同，层理是在形成沉积岩时生成的；而节理是沉积岩形成后，受外力破坏而生成的。二是形态不同，节理与煤层垂直或斜交；层理与煤层面呈平行状态。
19、断层的分类
（1）根据断层两盘相对位移的方向分类：
①正断层：其特点是上盘相对下降，下盘相对上升。
②逆断层：其特点是上盘相对上升，下盘相对下降。
③平移断层：两盘沿断层面走向作水平相对位移的断层，又称平推断层。

2-3 断层位移分类
2-4 断煤交线示意图

（2）根据断层走向与两盘岩层走向的关系分类：
①走向断层：断层走向与岩层走向平行或基本平行。
②倾向断层：断层走向与岩层走向垂直或基本垂直。
③斜交断层：断层走向与岩层走向明显斜交。
20、断层对煤矿生产的影响
（1）影响井田划分。
（2）影响井田开拓方式。
（3）影响采区和工作面布置。
（4）影响安全生产。
（5）增加煤炭损失量。
（6）增加巷道掘进量。
（7）影响煤矿综合经济效益。
21、断层的征兆
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；
（2）煤层厚度发生变化，煤层顶底板出现不平行现象。
（3）掘进巷道中经常出现明显的小褶曲，或煤层常发生强烈揉皱，以及滑面增多或变为鳞片状碎煤等现象。
（4）煤层和其顶底板中的裂隙显著增加，并有一定的规律性。
（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。
（7）充水性强的矿井，当巷道接近断层时，常出现滴水、淋水以至涌水的现象。
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。
22、平巷掘进阶段对断层的处理
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，后者是煤层平巷过断层在断层下盘改向破底板进入煤层。至于是选择前者还是后者，应根据岩性有利于施工、距离短和少丢煤等因素综合考虑。
当煤层平巷遇斜交正断层，如果断层带的压力不大且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；如果断层带岩石破碎、压力大且又有瓦斯和水的威胁时，则不能紧靠断层开掘巷道，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。

26、上山或下山等倾斜巷道掘进遇走向断层或斜交断层后，可根据生产上的要求，采取改变巷道坡度的形式通过断层的处理方法
（1）当断层落差较小（小于煤厚）时，根据被断失煤层是上盘还是下盘，分别采用挑顶、卧底，或挑顶与卧底相结合的方式通过断层。无论选择什么方式通过断层，都必须使改
2-5 顺断层面过断层示意图

变后的巷道坡度有利于运输。
（2）当断层落差大于煤厚时，为防丢失煤层和少掘岩巷，采用石门、立眼或加大巷坡等方式进入断层的另一盘煤层。
至于采用那种方法，应在查明断层的性质、产状和落差的前提下，除考虑断失翼煤层所在位置之外，主要取决于生产上的要求和巷道的用途。
23、回采工作面对断层的处理
（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在普采及爆破采煤工作面内，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，当断层两盘对界部分的煤厚小于液压支架的最小支撑高度，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，停止采煤，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，把断层上盘、下盘煤层结合起来开采。

14、开拓设计阶段对断层的处理2 2-6 重开切眼示意图
2-7 工作面分成两个小采面回采示意图

二、煤矿水害防治常识
1、矿井水
矿井水是指在矿井建设和生产过程中，流入井筒、巷道及采煤工作面的地表水、地下水、老窑积水和大气降水。矿井水害是煤矿五大灾害(水、火、煤尘、瓦斯、顶板)之一，轻则影响生产、增加排水费用、恶化生产环境，给生产管理带来各种各样的困难，重则造成淹井伤人重大灾害事故，给国家财产造成巨大经济损失。
2、矿井水害
常见水害：地表水，钻孔水、老空（老塘、老峒）水、松散层空隙水（四、五含水）、砂岩裂隙水、断层水、陷落柱水、灰岩水、离层水等地下水。
淮北煤矿发生过四含水、灰岩水、离层水、老塘老峒水等突水事故。
3、矿井突水条件
突水水源主要有：含水层水（四含水、灰岩水）、断层水、老塘老峒水、离层水、陷落柱水、封闭不良钻孔水等地下水源。
突水通道：孔隙、裂隙、岩溶峒、断层、采动破坏、老空、井巷、勘探钻孔、特殊的地质构造等。
4.矿井透水前的征兆
⑴挂汗：积水区的水，在自身压力作用下，通过煤岩裂隙而在采掘工作面的煤岩壁上聚结成许多水珠的现象较“挂汗”。
区别真假汗的方法：仔细观察新暴露的煤岩壁上是否潮湿，若潮湿则是真汗。
⑵挂红：矿井水含有铁的氧化物，在它通过煤岩裂隙而渗到采掘工作面的煤岩表面时，会呈现暗红色水锈，这种现象
⑶水叫：含水层或积水区的高压水向煤壁裂隙挤压时，与两壁摩擦会发出“嘶嘶”叫声
⑷空气变冷：接近积水区时，空气温度骤然下降，煤壁发凉，人进入工作面有凉爽、阴冷的感觉
⑸出现雾气：采掘工作面气温较高时，从煤壁渗出的积水会被蒸发而形成雾气
⑹其它：压力明显增加、底鼓、顶板淋水、有害气体增加、岩缝中有淤泥、片帮、冒顶等现象。
5、矿井水灾救护
1)自身救护
⑴在突水迅猛、水流急速时，立即避开水口或泄水流，躲避到硐室、拐弯巷道或其它安全地点。情况紧急，可抓牢棚梁、棚腿或其它固定物体，防止被涌水冲倒或冲走。
⑵有害气体涌出，立即佩带自救器，不得随意摘掉自救器。
⑶严禁在未佩带防护器具的情况下冒险进入灾区。
2)正确撤离灾区
如因涌水来势凶猛，现场无法自救，井下职工应迅速组织起来，沿规定的避灾路线撤退，应注意：
⑴将撤退路线和目的地告知矿领导；
⑵撤往突水点以上的水平；
⑶行进时，靠近巷道一帮，抓牢固定物；
⑷迷失方向时，朝有风流的上山巷道撤退；
⑸在沿途和巷道交叉口设行进方向标志；
⑹保持好秩序；
⑺无出口时，要组织好避难，等待营救，严禁盲目潜水等冒险行动。
6、井下防治水要求
⑴矿井防治水工作原则：坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则。
⑵矿井防治水工作程序：遵循“预测预报、超前探查、综合治理、安全评估、验收审批”二十字防治水工作程序。
⑶井下水害处理要求：
①在采、掘生产活动中，底板出水大于10 m3/h，要及时报矿调度所和总工程师研究处理。涌水量大于30 m3/h，必须立即停止作业，上报局调度所，由局派人调查处理。
　　②10煤层采、掘工作面发生底板出水，不论水量大小都要立即停止作业，取水样化验，确定水源为砂岩水时方可继续生产，若水源为灰岩水，由局有关单位组织专家论证后确定下一步工作。
　　③当工作面或迎头发现有突水征兆时，立即停止作业，迅速向调度所汇报，经调查确认无突水危险或采取安全措施后方可继续作业。
　　④当发生较大涌水时，事故发生地点人员立即切断电源，向上山方向撤离，并及时向调度所汇报。调度所值班人员立即通知出水点标高以下施工人员沿上山方向撤至安全地点，并尽快组织救护队将出事地点封闭。
⑤当发生特大突水，可能影响整个矿井安全时，矿调度所立即通知井下人员迅速撤至地面。通知顺序是先远后近，先出水点标高以下人员，后出水点标高以上人员。中央变点所、水泵房人员在接到调度所通知后，立即关闭防水闸门，停送各采区电源，所有水泵同时运转排水；控制水仓闸阀进水量等于水泵排水量。泵房值班人员坚持排水工作，并指派一人在管子道口观测水情，不断向调度所报告情况。当井筒有淹没危险时，在得到矿长命令后方可沿管子道梯子间上井。
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