1、煤矿地质山西煤炭职业技术学院地测工程系地质组,山西煤炭职业技术学院,第五章 煤与含煤岩系,第一节 成煤作用 成煤的原始物质是植物，成煤的植物分为高等植物和低等植物两大类，绝大多数重要的煤层是由高等植物转变而成的。由高等植物演变而成的煤叫腐植煤，由低等植物演变而成的煤叫腐泥煤。 煤的形成需要同时具备四个基本条件：植物条件、气候条件、自然古地理条件、古地壳运动条件。 成煤作用根据时间、影响因素及结果，大致分为两个阶段：泥炭化或腐泥化作用阶段，煤化作用阶段。,山西煤炭职业技术学院,泥炭沼泽,山西煤炭职业技术学院,泥炭沼泽,山西煤炭职业技术学院,泥炭沼泽,山西煤炭职业技术学院,沼泽向湖泊演化示意图,第
2、一节 成煤作用,1. 泥炭化及腐泥化作用阶段1）泥炭化作用阶段 生长在沼泽中的高等植物不断繁殖，其死亡后的遗体堆积在积水沼泽中。植物遗体中的有机组分，在暴露空气中及处于沼泽水体浅层状况下，由表层喜氧菌和氧的作用，经过氧化分解和水解作用后，一部分完全被分解成气体和水分；一部分被转化成为化学性质活泼的简单化合物；另一部分未遭受分解，特别是稳定组分继续保留下来。随着沼泽覆水程度的增强及植物遗体的不断堆积，使得正在分解的植物遗体逐渐与大气隔绝并处于水体下层，氧化环境逐渐被还原环境所代替，分解作用逐渐减弱。在沼泽水体深部厌氧细菌的作用下，分解产物之间和分解产物与植物残体之间又不断发生一系列复杂的生物化学
3、作用，逐渐化合形成新的产物，如腐植酸、腐植酸盐、沥青质、硫化氢、二氧化碳、甲烷及氢等。这些产物中，部分不稳定的气体或液体逸出后，剩下的物质沉积下来，形成了泥炭。这种由高等植物转化为泥炭的生物化学作用过程，称为泥炭化作用。泥炭一般呈黄褐、棕褐或棕黑等色，无光泽，质软且富含水及腐植酸。晒干后可作燃料、化工原料及肥料等用途。,山西煤炭职业技术学院,第一节 成煤作用,腐泥化阶段 在湖泊、积水较深的沼泽及泻湖中，藻类及水中的浮游生物等大量繁殖、死亡、堆积，在缺氧的还原环境中，经过厌氧细菌的分解和化学合成作用，植物中的蛋白质和脂肪等成分遭到破坏，逐渐形成一种含水多的富含沥青质的棉絮状胶体物质。这种物质与细
4、小颗粒的泥砂混合后经去水而变得致密，逐渐形成腐泥。这种由低等植物转变成腐泥的生物化学作用过程，称为腐泥化作用。腐泥常呈黄褐、暗褐、黑灰等色，新鲜腐泥水分含量可达7090。形成于大湖泊中的腐泥灰分的含量较高，可达2060；森林湖泊中的腐泥，其灰分一般很低。,山西煤炭职业技术学院,第一节 成煤作用,煤化阶段煤化阶段是成煤的第二阶段。由于地壳沉降运动，使沉积物不断增厚，泥炭或腐泥被埋到地下深处，在地热和上伏沉积物质静压力的作用下，泥炭转变成腐植煤或腐泥转变为腐泥煤，这种物理化学作用过程称为煤化阶段。根据作用过程阶段和影响因素的不同，煤化阶段可分为成岩作用和变质作用。,山西煤炭职业技术学院,第一节 成
5、煤作用,1）成岩作用 泥炭变为褐煤 腐泥经过成岩作用转变成腐泥煤。2）变质作用褐煤形成不同煤种的煤 腐泥煤在变质作用影响下，可使煤的变质程度提高。,山西煤炭职业技术学院,成煤作用及其各阶段的产物,山西煤炭职业技术学院,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 丝炭、镜煤、亮煤、暗煤（二）煤的宏观煤岩类型 光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤、 暗淡型煤,山西煤炭职业技术学院,1.宏观煤岩成分,1. 丝炭 丝炭颜色为暗黑色，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽，形似木炭，因此称为丝炭。丝炭在煤层中常呈条带状或断续分布的薄层，厚度一般只有12mm，有时呈小透镜状存在于亮煤或暗煤
6、中。 2. 镜煤 镜煤呈黑色，具较强的玻璃光泽，质地均一，具贝壳状断口，性脆易碎，内生裂隙发育。由于它光亮如镜，所以称为镜煤。镜煤在煤层中不单独形成独立分层，常呈透镜状或条带状分布于亮煤之中，厚度多为几毫米至12cm，或呈细线理状分布于暗煤中。,山西煤炭职业技术学院,3. 亮煤 亮煤为黑色，玻璃光泽，灰分含量较低，比重较小，性脆易碎，有时具有贝壳状断口。 亮煤在煤中含量较多，常形成较厚的分层或透镜体。 4暗煤 暗煤因光泽暗淡而得名。颜色比其它组分要浅，呈灰黑色，光泽暗淡，灰分含量高，比重和硬度较大，粘结性差，内生裂隙不发育。 在煤层中，暗煤多成较厚的煤分层存在或单独构成煤层。,煤的化学元素组成
7、,1. 碳碳是煤中有机物质的主要组成元素，也是煤燃烧过程中产生热量的重要元素，每公斤纯碳完全燃烧时能放出34080.6kJ的热量。腐泥煤的含碳量一般在7080；腐植煤中碳元素的含量是随变质程度的加深而增加，泥炭的含碳量为5060，褐煤为6077，烟煤为7492，无烟煤为9098。,山西煤炭职业技术学院,2. 氢氢是煤中有机质的重要元素。每公斤氢完全燃烧时能产生143138.3kJ的热量，约为碳的4.2倍。煤中含氢量的多少与成煤原始物质有直接关系。腐泥煤的氢含量比腐植煤高，一般在6以上，有时可达11；而腐植煤的氢含量一般为0.86.5，随着变质程度的加深，氢含量有逐渐减少的趋势。,山西煤炭职业技
8、术学院,3. 氧氧是煤中有机质的不可燃成分。煤中氧的含量变化很大，并随变质程度加深而降低。泥炭中氧含量为3040，褐煤中氧含量高达1530，烟煤为116，无烟煤更小，一般小于2。当煤氧化时，氧含量迅速增高，碳、氢含量明显降低。因此，氧含量是确定煤层风、氧化带深度的主要指标之一。,山西煤炭职业技术学院,4. 氮 氮在煤中含量较少，一般为0.32.5，且氮含量随变质程度增高稍有降低。褐煤中氮含量为12.5，烟煤为0.71.8，无烟煤为0.31.5。它主要来自成煤植物中的蛋白质。 在高温加工时，大部分氮转化为氨及其它含氮化合物，这些化学产品可回收制成硫酸铵、尿素、氨水等氮肥。,山西煤炭职业技术学院,
9、5. 硫硫是煤中有害元素。它在煤中存在形式分为无机硫和有机硫两类，两者总称为全硫（St）。无机硫绝大部分是以黄铁矿（FeS2）和少量硫酸盐（CaS042H2O）形态存在，其清除的难易程度取决于矿物颗粒的大小和分布状况；第二种为有机硫，主要来自成煤时植物和微生物中的蛋白质，并与有机质紧密结合，分布均匀，难以清除。煤中硫的含量一般在0.53.0之间，我国煤中硫含量低的小于0.2，高的超过了15。根据全硫含量的多少，将原煤分为：特低硫煤、低硫煤、中硫煤、富硫煤、高硫煤五类（表）。一般炼焦用煤的含硫量小于1.0。分析煤样全硫用Sad，t表示；干燥煤样全硫用Sd，t表示。,山西煤炭职业技术学院,6. 磷
10、 磷也是煤中的有害成分。它在煤中含量极少，一般为0.0010.1，最高不超过l。干燥煤样磷用Pd表示。磷的含量虽少，但危害极大。在炼焦用煤中，磷进入到焦炭，又进入生铁中，使钢铁产生冷脆性。根据磷的含量，将原煤磷分为：特低磷煤、低磷煤、中磷煤和高磷煤四类（表）。炼焦用煤中磷的工业要求规定Pd小于0.01。,山西煤炭职业技术学院,7. 其它元素 煤中尚含有砷（AS）、氯（CI）等有害元素，以及锗（Ge）、锂（Li）、铍（Be）、镓（Ga）、钒（V）、铀（U）等有益伴生元素。这些有益元素在煤中有时能达到工业品位，可用于电子工业、原子能及宇航等尖端科学技术领域中，也是宝贵的自然资源。,山西煤炭职业技术
11、学院,1. 水分（M）煤中都含有水分，水在煤中存在的状态有游离水、化合水和结晶水。其中，化合水和结晶水是存在于煤中矿物质内部的水分，一般工业分析中不做测定。煤中所含的游离水分为两种：外在水分和内在水分。外在水分是指在开采、运输、贮存、洗选等过程中，附着在煤炭表面的水分；内在水分则是指吸附、凝聚在煤炭毛细孔隙中的水分，温度在100以上时才能把它们蒸发出来。在煤的工业分析中，一般用Mar，t表示煤样的全水分，它包括外在水分（Mf）和内在水分（Minh）；用Mad表示分析煤样水分，实际也就是内在水分。煤样全水分是评价煤炭质量和使用价值的指标，分析煤样水分是评定煤质、判断煤变质程度的指标。,山西煤炭职
12、业技术学院,2灰分（A） 煤完全燃烧后剩下的残渣，称为灰分。它的主要成分有氧化铝AI2O3、氧化钙CaO、氧化硅SiO2、氧化镁MgO、氧化铁Fe2O3及稀有元素的氧化物等。因此，灰分是煤中无机矿物质燃烧时剩余的固体残留物。 灰分有两种：内在灰分和外在灰分。内在灰分是指存在于成煤原始物质中的无机物，以及由河水带入沼泽中与植物遗体一起沉积的无机矿物质的总和。煤在洗选过程中，很难将内在灰分选掉。外在灰分是指在采煤、运输过程中混入煤中的顶底板岩石碎块。这种灰分通过洗选可以除掉。实际上，测定的残渣量应称为“灰分产率”。,山西煤炭职业技术学院,3. 挥发分在隔绝空气的条件下，将煤样置于900的温度下加热
13、7min，煤中的有机物质和矿物发生热分解，分解出来的气态物质称为挥发分。其组成成分主要有氢、氧、氮、甲烷、乙烷、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等。 测定值也叫挥发分产率。挥发份一般用可燃基（无水、无灰分煤样）挥发分（Vdaf）表示。挥发份与成煤原始物质、植物遗体的转化环境及煤的变质程度有密切关系。,山西煤炭职业技术学院,4. 焦渣 在测定挥发分过程中，残留在坩埚中的固态物质，称为焦渣。它是由煤中灰分和有机物质分解后的残余物组成。从焦渣中扣除灰分，即为固定碳。 焦渣的形状和特性是鉴定煤的结焦性能好坏的依据。焦渣的形状和特性与煤中有机质性质有关，还与煤的变质程度有关。,山西煤炭职业技术学院,5.
14、 发热量(Q)发热量是指单位重量的煤完全燃烧时放出的热量，常用焦耳克（J/g）、千焦耳公斤（KJ/kg）或兆焦耳公斤（MJ/kg）表示。煤的发热量用弹筒热量计测定。测定方法是：将1g煤样放在热量计的弹筒内，充入253304万Pa压力的氧气，然后点火使煤完全燃烧，煤燃烧放出的热量使弹筒周围的水温升高，依据水温变化计算出煤的发热量。这样测得的发热量，称为弹筒发热量（Qb）。由于煤在燃烧时，煤中的氮和硫分别转化成硝酸和硫酸，其化学反应是放热反应，所以，测得的发热量值比实际燃烧放出的热量值略高。从弹筒发热量中扣除酸的生成热，称为高位发热量（Qgr）。当煤在炉内燃烧时，煤中的水分及氢燃烧生成的水，均由液
15、态转变成水蒸汽逸出，从而吸收一定热量（气化热），从高位发热量中减去水的气化热，即为低位发热量（Qnet），这是煤在燃烧时基本可以利用的热量。,山西煤炭职业技术学院,胶质层厚度(Y)煤样放置密闭的胶质层测定仪中加热到350，煤中有机质开始分解、软化，形成胶质体，持续加热至510时，重新固结成焦炭为止，期间连续测得的胶质体最大厚度称为胶质层厚度。在形成焦炭的过程中，煤的粘结性越强，其胶质层的厚度也越大。,山西煤炭职业技术学院,煤的物理性质,煤的物理性质是指煤的宏观特征。它包括颜色、条痕、光泽、硬度、脆性、比重、断口、裂隙、导电性等性质。煤的物理性质，与成煤原始物质、成煤环境及煤的变质程度有直接关系
16、。煤的物理性质是初步分析煤的成因、变质程度及进行煤层对比的重要依据，其中，硬度、裂隙发育情况等也是矿井采煤方法和支护方式选择需要考虑的因素。,煤的工业分类,我国煤的工业分类方案（中国煤炭分类国家标准GB5751-86），把我国的煤从褐煤到无烟煤共划分为14大类和17个小类。各类煤均用汉语拼音代号表示，即以煤类名称前两个汉字的拼音第一个字母表示，如无烟煤用WY表示。各煤种采用两位阿拉伯数码表示，十位数按煤的Vdaf大小分组，无烟煤为0，烟煤为14，褐煤为5；个位数在无烟煤类为13，表示煤化程度，在烟煤类为16，表示粘结性，在褐煤类为12，表示煤化程度。,山西煤炭职业技术学院,1. 无烟煤（WY）
17、属最高变质的煤。挥发分低，碳含量高，比重大，无粘结性；燃点高，燃烧时不冒烟。其中，01号为年老无烟煤，02号为典型无烟煤，03号为年轻无烟煤。无烟煤主要用作民用燃料和制造合成氨的造气原料；低硫、低灰、可磨性好的无烟煤，能作高炉喷吹和烧结铁矿石的燃料，还可用于制造各种碳素材料，如碳电极、活性碳、电石等。,山西煤炭职业技术学院,2. 贫煤（PM） 变质程度最高的烟煤，因加热时不产生胶质体而称贫煤。不粘结或微弱粘结。一般作动力或民用燃料。3. 贫瘦煤（PS） 粘结性较弱的高变质、低挥发分烟煤，结焦性比典型瘦煤差；在炼焦配煤中加入一定比例贫瘦煤，能起瘦化剂作用。主要作发电、民用及锅炉燃料。,山西煤炭职
18、业技术学院,4. 瘦煤（SM） 中等变质的烟煤，因加热时仅能产生少量胶质体而得名，是低挥发分、中等粘结性炼焦用煤。单独炼焦时，可得到块度大、抗碎强度高的焦炭，但耐磨强度稍差；作为炼焦配煤可提高焦炭块度。5. 焦煤（JM） 中等变质烟煤，炼焦时能得到强度大、块度大的焦炭，因此称作焦煤。中等至低挥发分，中等及强粘结性；单独炼焦时所出焦炭块度大、裂纹少、抗碎度高，而且耐磨性也很高，但膨胀压力大，推焦困难。,山西煤炭职业技术学院,6. 肥煤（FM） 属中变质烟煤，加热时能产生大量的胶质体而称肥煤。中等及中高挥发分，强粘结性；单独炼焦时所获得的焦炭熔融性好、强度高、耐磨性也高，但横纹较多。它是炼焦配煤中
19、的基础煤。7. 1/3焦煤（1/3JM） 指介于焦煤、肥煤和气煤之间的过渡煤，具有中高挥发分和强粘结性。单独炼焦能产出熔融性能良好、强度较高的焦炭；作炼焦配煤使用时，其配比量可在较宽的范围内波动而获得强度较高的焦炭。它是良好的炼焦配煤中的基础煤。,山西煤炭职业技术学院,8. 气肥煤（QF）是一种挥发分和胶质层厚度值均很高的强粘结性肥煤类煤。炼焦性能介于肥煤和气煤之间，单独炼焦时能产生大量气体及液体化学产品。最适用于高温干馏制造煤气，也可作为炼焦配煤以提高化学产品产率。9. 气煤（QM）属低变质烟煤。加热时能产生大量的气体和较多的焦油，因此称气煤。单独炼焦生成的焦炭抗碎强度和耐磨性较差，易碎且纵
20、裂纹较多。主要用于高温干馏制造煤气，也可作为炼焦配煤增加产气率和化学产品回收率。,山西煤炭职业技术学院,10. 1/2中粘煤（1/2ZN）低变质烟煤，中等粘结性，中高挥发分。其中粘结性较强的一部分可作炼焦配煤；粘结性较差的部分可用于气化或动力用煤，也可少量配比作炼焦使用。11. 弱粘煤（RN）粘结性较弱的低至中等变质烟煤。加热时产生胶质体较少；炼焦时有的能结成强度很差的小块焦，有的只有少部分能结成碎屑焦。此种煤多作气化原料或动力燃料。12. 不粘煤（BN）在成煤初期已受到相当程度氧化作用的低至中变质烟煤，加热时基本不产生胶质体。煤的水分大，含氧量偏高（多在10以上）。主要作为气化、动力及民用燃
21、料。,山西煤炭职业技术学院,13. 长焰煤（CY）是变质程度最低的烟煤，粘结性从无到弱。其中，最年轻的含有腐植酸，易风化破碎；变质程度较高的，加热时也能产生少量胶质体，也能生成强度甚差的焦炭，粉焦率很高。通常作为气化、动力用煤，也可用于低温干馏。14. 褐煤（HM）分为年轻褐煤和年老褐煤两小类。水分大，比重小，不粘结，或多或少地含有腐植酸；含氧量常高达1530左右，挥发分产率高，化学反应性强；热稳定性差，块煤加热时破碎严重，存放在空气中易风化、破碎成小块或粉末；发热量低。褐煤除作动力用煤外，可进行低温干馏和气化，提取褐煤蜡和腐植酸。,山西煤炭职业技术学院,煤尘爆炸性,煤尘是指在矿井生产过程中产
22、生的煤的微粒。我国大部分矿井开采的煤层具有煤尘爆炸性，即悬浮于井巷空气中的煤尘遇引爆热源（一般为700800）可以发生猛烈的爆炸，其危害程度较瓦斯爆炸更为严重。煤的挥发分可以作为初步评价煤尘爆炸性的指标，但不能作为决定性的依据。煤尘爆炸性需要在实验室进行专门的试验确定，主要根据试验时有无火焰判断有无爆炸性，根据火焰长度判断爆炸性强弱。有火焰，说明有爆炸危险性；火焰越长，爆炸性越强。对于有爆炸性的煤尘，还需要进行加岩粉试验，即在煤尘中逐渐加大掺入的岩粉量，直至不产生火焰为止。根据加入的最大岩粉量（百分含量），也可判断煤尘爆炸性的强弱。,山西煤炭职业技术学院,煤的自燃倾向性,暴露在空气中的煤，由于
23、自身氧化放热导致温度升高，若所放热量不能及时散失，在一定的蓄热条件下温度可以达到煤的着火点（300350），引起燃烧。这种性质称为煤的自燃倾向性。在井下密闭不及时的采空区、微风供氧的废弃巷道等，存在碎煤堆积时容易引起煤的自燃。由煤的自燃引发的矿井火灾，称为矿井内因火灾。 影响煤的自燃倾向性因素 1）煤的变质程度 2）煤的水分 3）煤岩组分 4）煤的含硫量 5）煤的粒度 等。煤的自燃倾向性分为容易自燃、自燃和不易自燃三类。,山西煤炭职业技术学院,煤层,一、煤层形态 煤层形态是指煤层赋存的空间几何形态。根据煤层在一定范围内连续成层的程度和可采情况，可将煤层形态分为层状、似层状和不规则状等三种类型
24、。,山西煤炭职业技术学院,二、煤层的顶、底板在正常的沉积层序中，位于煤层之上一定距离内的岩层称为煤层的顶板；位于煤层之下一定距离内的岩层称为煤层的底板。 1. 顶板根据顶板在煤层开采中垮落的难易程度及其与煤层的相对位置，将顶板分为伪顶、直接顶、老顶三种类型。1）伪顶 直接位于煤层之上的较薄岩层，极易破碎脱落，随采随落。一般多为炭质泥岩、页岩等，厚度几厘米至几十厘米。2）直接顶 位于伪顶之上或直接位于煤层之上的一层或几层岩层，一般由砂质页岩、泥岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层组成。通常在采动后随支护回收而自行垮落，有时需要人工放顶。3）老顶 位于直接顶之上或直接位于煤层之上的厚而坚硬的岩层，一般由
25、砂岩、砾岩、石灰岩等坚硬岩层组成。在采空区可悬露较长时间不垮落，只发生缓慢的下沉弯曲变形。,山西煤炭职业技术学院,2.底板根据底板性质及与煤层的位置关系分为：1）直接底 直接位于煤层之下，强度较低的岩层。一般由泥岩、炭质页岩、粘土岩等组成，厚度多为数十厘米，有的遇水易膨胀，会发生底鼓现象。2）老底 位于直接底之下或直接位于煤层之下，一般由比较坚硬的砂岩、石灰岩等组成，对支护的支撑力较强。,山西煤炭职业技术学院,三、煤层结构煤层结构是指煤层中含岩石 夹层（称夹石层、矸石层或 夹矸）的情况。根据煤层中 有无矸石层存在，将煤层结 构分为简单结构和复杂结构 两种。简单结构，指煤层中 不含矸石层或局部含
26、不稳定 的矸石；复杂结构，指煤层 中含一层或多层矸石层。矸 石层的形态有薄层状、似层 状、透镜状和不规则状等，岩 性常见有炭质泥岩、泥岩和粉 砂岩等。,山西煤炭职业技术学院,煤层厚度及其变化原因（一）煤层厚度的分类 煤层厚度是指煤层上下层面之间的垂直距离。1. 总厚度 指煤层上下层面之间的垂直距离。包括其间各煤分层厚度和各矸石夹层厚度之和。2. 有益厚度 指顶底板之间各煤分层厚度之和。3. 可采厚度 指在当前经济技术条件下，可以开采的煤层厚度或煤分层厚度之和。国家主管部门根据有关技术政策，依据煤种、煤层产状、开采方式和地区的不同，规定了煤层可采厚度的下限标准，称为最低可采厚度。,山西煤炭职业技
27、术学院,煤层厚度分级,山西煤炭职业技术学院,煤层厚度变化的原因,1）地壳不均衡沉降 地壳不均衡沉降引起的煤层厚度变化，常具有以下特征： （1）煤层厚度变化具有明显的方向性，向着盆地沉降幅度大的方向，煤层变薄，层数增多，分叉、尖灭现象明显。 （2）煤层厚度变化在平面上具有明显的分带性，由盆地边缘到中心，或由中心向边缘，依次为厚煤带、分叉带及尖灭带。 （3）煤层顶、底板均不平坦，岩性、岩相变化较大。,山西煤炭职业技术学院,山西煤炭职业技术学院,山西煤炭职业技术学院,煤层厚度变化的原因,2）泥炭沼泽基底不平（1）煤层底板起伏不平，顶板面比较平整。（2）煤层变薄以至尖灭的方向指向基底凸起的位置。（3）
28、煤分层或矸石夹层被基底凸起地段隔开而不连续，上下分层呈超覆关系。（4）煤层层理与顶板平行，而与底板不平行。,山西煤炭职业技术学院,煤层厚度变化的原因,山西煤炭职业技术学院,煤层厚度变化的原因,3）煤层的同生冲蚀河流同生冲蚀是沼泽中发育的河流对泥炭层冲蚀的结果。其特点是：（1）河流沉积物在平面上呈弯曲条带状，在剖面上呈透镜状。（2）河流同生冲蚀带附近煤层厚度变薄、夹石层数增多、灰分增高，但一般冲蚀面积和深度不大，个别情况可见煤层被冲蚀中断的现象。（3）河流沉积物一般为碎屑岩，且与煤层有共同的顶板。,山西煤炭职业技术学院,山西煤炭职业技术学院,煤层厚度变化的原因,海浪同生冲蚀是滨海沼泽中堆积的泥炭
29、层，被海水上涨淹没后遭受海浪冲蚀的结果。其特点是：（1）煤层顶面凸凹不平，具有大小不等的凹坑和沟槽。（2）煤层顶板常为石灰岩。有时海水冲蚀范围较大，冲蚀严重，可以在一定范围内煤层几乎完全消失，而煤层顶板可以是粗碎屑岩。,山西煤炭职业技术学院,煤层厚度变化的原因,1）河流后生冲蚀引起的煤层厚度变化 河流后生冲蚀具有以下特点：（1）河流后生冲蚀，在平面上沿古河流展布方向呈带状分布，可形成大面积薄煤带或无煤带。由于古河流的弯曲或分支、合流，使无煤带或薄煤带呈多种形态。（2）不仅煤层受到冲蚀，煤层的正常顶板也遭到冲蚀破坏，出现河床相砾岩、砂岩等，其底部常含有砾石、煤屑、泥质包裹体等。（3）冲蚀带附近煤
30、层光泽暗淡，灰分增高，煤质变差。,山西煤炭职业技术学院,煤层厚度变化的原因,2）构造变动引起的煤层厚度变化 构造变动引起煤层厚度变化，有以下特点：（1）煤层增厚或变薄处，煤层结构遭到破坏，常见煤变成鳞片状、碎粒状，矸石与煤混杂，灰分增高；顶底板多不完整，裂隙发育，有时煤层穿插在顶底板岩层裂隙中。（2）煤层变厚和变薄带在平面上相间出现，呈条带状延伸，并与主要构造线方向一致。3）岩浆侵入对煤层厚度变化的影响,山西煤炭职业技术学院,山西煤炭职业技术学院,煤层厚度变化对煤矿生产的影响及处理,（一）煤层厚度变化对煤矿生产的影响1. 影响采掘部署2. 影响回采计划、造成采掘工作被动3. 巷道掘进率增高、回
31、采率降低4. 降低矿井或采区的服务年限,山西煤炭职业技术学院,（二）煤矿生产过程中对煤厚变化的处理方法1. 掘进过程中对煤厚变化的处理方法1）在掘进过程中遇到煤层分叉、尖灭现象时，要根据具体情况，确定巷道的掘进方案。如果已知分叉煤层的上分层稳定可采，而下分层常变薄至尖灭，则巷道应紧靠煤层顶板掘进，避免巷道误入下分层而造成废巷，如果分叉煤层的下分层稳定可采，则应紧靠煤层底板掘进；如果所有的分叉煤层都达到煤层最低可采厚度，这时应先采上分层，再采下分层，最后采煤层底部的煤分层，这样来确定巷道的掘进方案，以避免分叉煤层被破坏而浪费国家的煤炭资源。2）在掘进采区上山或下山遇到煤层变薄带时，应根据煤层变薄
32、带的范围大小来决定巷道的掘进方案。如煤层变薄带的范围不大，又确知采区内有煤层可供开采时，巷道最好采用挑顶或卧底的方法直接穿过变薄带。3）当沿煤层掘进的主要运输巷道遇到煤层的局部变薄带或尖灭带时，可按原方案施工，直接穿过变薄尖灭带。,山西煤炭职业技术学院,2. 回采过程中对煤厚变化的处理方法1）当回采面煤层的变薄带或不可采区的范围很小时，可采用直接推过的方法处理。2）当回采面煤层变薄带的范围较大时，采用另开巷道绕过煤厚变薄带的方法；如果回采工作面遇大面积的煤厚变薄带或无煤带时，应先布置探巷(可结合井下钻探进行)，探明无煤区的范围后再补掘巷道，将工作面分成几块回采。如果在采区或工作面布置前已了解清
33、楚煤层变薄带或尖灭带的分布地段时，可将变薄带或尖灭带作为采区或工作面边界来处理；应尽量避免综采工作面布置出现煤厚变薄不可采带或无煤带的现象。,山西煤炭职业技术学院,煤的风化及煤层的风氧化带,含煤岩系形成以后，由于地壳运动和风化剥蚀，使得煤层局部出露地表或位于地下浅部，经受温度变化及大气和水的作用，发生物理、化学性质或工艺性质的改变，称为煤的风化。一般把接近地表浅处煤的物理性质和化学性质都发生了变化的煤层地段，称为煤层的风化带；把风化带之下煤的物理性质变化不大而化学、工艺性质发生了变化的煤层地带，称为煤层的次风化带。风化带和次风化带合称氧化带。,山西煤炭职业技术学院,山西煤炭职业技术学院,煤系,
34、煤系是指在一定地质时期连续沉积形成的一套含有煤层并具有成因联系的沉积岩系。通常，又称为含煤岩系、含煤建造、含煤地层等。 煤系常按形成时代来命名，如华北的石炭二叠纪煤系、台湾的第三纪煤系等；也可用煤系发育良好、研究较早的地区命名，如华南的晚二叠世煤系在江苏龙潭、江西乐平等地研究较早，被称为龙潭煤系或乐平煤系。煤系最大的特点是含有煤层，不同地区煤系中的煤层层数、厚度各不相同。反映煤系含煤情况，用含煤系数表示，又分总含煤系数和可采含煤系数。总含煤系数是指煤系中所有煤层厚度之和与煤系总厚度的百分比；可采含煤系数是指煤系中各可采煤层厚度之和与煤系总厚度的百分比。,山西煤炭职业技术学院,煤系的特征,（一）
35、岩性特征 煤系是气候温暖、潮湿的还原环境条件下的产物。所以，它主要是灰色、灰绿色、灰黑色及黑色的沉积岩层组成，主要是各种粒度的砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤层，有时也有石灰岩和砾岩。 （二）岩相特征 岩相即岩石的沉积环境，也叫沉积相或简称“相”。不同沉积环境形成的岩石岩性特征和古生物化石情况各不相同，可以根据岩性特征和所含古生物化石标志来鉴别其形成环境。（三）旋回结构特征 旋回结构是指在含煤岩系垂向剖面上，一套具有成因联系的岩性或岩相规律性组合和交替出现的现象。,山西煤炭职业技术学院,煤系的类型,根据煤系形成时古地理环境的不同，将煤系分为近海型煤系和内陆型煤系两种类型。（一）近海型煤系 煤系
36、形成于近海地区，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。这些地区范围广阔，地形较为平坦，距离剥蚀区远，受海水进退影响大。随着地壳升降，有时被海水淹没成为浅海，有时海水退出成为陆地，发育大片沼泽。煤系中既有海相沉积岩层，又有陆相沉积岩层。因此，这种煤系又称海陆交互相煤系。,山西煤炭职业技术学院,近海型煤系的主要特点：,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. 煤系中碎屑岩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. 煤系中煤层层数较少，厚度较小，多为薄
37、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. 煤系中旋回结构很明显，岩性自下而上由粗变细，岩相则是由陆相到海相。,山西煤炭职业技术学院,煤系的类型,（二）内陆型煤系 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，周围地形起伏较大，距侵蚀区较近。煤系全部由陆相沉积物组成，所以，内陆型煤系又称为陆相煤系。,山西煤炭职业技术学院,内陆型煤系的特点：,1. 煤系由陆相岩层组成，岩层中常含有植物化石。2. 煤系中碎屑岩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
38、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. 煤系中旋回结构不很明显。,山西煤炭职业技术学院,煤田,煤田是指在同一地质历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，或独立存在的面积和储量均很小的煤盆地，称为煤产地。煤产地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。,山西煤炭职业技术学院,煤田,煤田常以
39、地区名称或煤系名称命名。大多数煤田只含有一个聚煤期的煤系，这种煤田称为单纪煤田，如山西的沁水煤田(含石炭二叠纪煤系)。少数煤田则含有两个聚煤期的煤系，这种煤田称为双纪煤田。如山西的大同煤田，既有石炭二叠纪煤系，又有侏罗纪煤系。,山西煤炭职业技术学院,中国煤田地质,根据成煤时代、煤系特点及煤田分布，将我国煤田分布划分为六个大区，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，西藏滇西中生代及古近纪、新近纪聚煤区，台湾古近纪、新近纪聚煤区。,山西煤炭职业技术学院,矿井瓦斯,瓦斯是在煤的形成过程中生成并保存在煤层和围岩中的多成分混合气体。矿井瓦斯事故多年来一直是矿
40、井主要灾害类型，并随资源开采深度的不断增加而更加表现出其危害性。研究瓦斯的形成、赋存和分布规律，运用这些规律指导矿井通风设计和生产管理，对煤矿安全生产有着重要意义。,山西煤炭职业技术学院,第一节 瓦斯的形成与分带,一、瓦斯的成分、性质及赋存状态（一） 瓦斯成分及其性质瓦斯是一种多成分的混合气体，瓦斯成分以甲烷（CH4）为主，其次是氮气（N2）和二氧化碳（CO2），其它成分的含量很少。狭义的瓦斯仅指甲烷（CH4）。甲烷为无色、无味、无嗅、无毒的气体，在1.01105Pa气压下，温度为0时，每立方米的甲烷重0.716kg，与空气比较其比重为0.554，比空气轻，因而在井下它停积在巷道上部。空气中甲
41、烷浓度达到516，遇引火源即可发生燃烧或爆炸。二氧化碳为无色、无嗅、略带酸味并有一定毒性的气体，它的比重比空气大，在井下主要分布在巷道的下部。大量二氧化碳在井下突然喷出可使人窒息。,山西煤炭职业技术学院,（二）瓦斯的成因瓦斯在煤体中的存在状态一般认为瓦斯是在煤化作用过程中形成的。 煤（岩）层中保留CH4的多少取决于瓦斯形成过程中及其后的保存条件。此外，瓦斯中少量C02是有机质在早期煤化作用期间氧化造成；瓦斯成分中的O2和N2是有机质堆积所伴生，也可能是地下水渗透时带入煤层，其中许多氧已在形成C02时消耗了。,山西煤炭职业技术学院,瓦斯在煤体中的存在状态 1吸收瓦斯；2吸附瓦斯；3游离瓦斯； 4
42、煤体；5孔隙,山西煤炭职业技术学院,（三）瓦斯在煤层内的赋存状态,1. 游离状态瓦斯 瓦斯是以自由的气体状态存在于煤体、围岩的孔隙、裂隙或空洞中。瓦斯分子在煤体孔隙内可以自由运动。2. 吸着状态瓦斯 包括吸附瓦斯和吸收瓦斯。吸附瓦斯是瓦斯分子被吸附在煤体或岩体孔隙的表面，形成一层瓦斯薄膜，薄膜的形成是由于气体分子与固体颗粒之间存在着极大的分子引力所致。吸收瓦斯是瓦斯分子进入煤体内部，瓦斯分子与煤分子紧密地结合成固溶体，这和气体被液体所溶解的现象相似（图）。 这两种状态的瓦斯在一定压力和温度条件下处于动平衡状态，即压力增加、温度降低，自由状态瓦斯可以转化为吸附状态；压力降低、温度升高，吸附状态可
43、以转化为自由状态的瓦斯，这一过程称为解吸过程，它是一种吸热反应。,山西煤炭职业技术学院,（四）煤层垂向瓦斯带的划分,（四）煤层垂向瓦斯带的划分当煤层具有露头或在冲积层之下有含煤盆地时，由于煤层内的瓦斯向地表运移及地面空气向煤层深部渗透、扩散的结果，沿煤层的垂向一般会出现四个分带：“CO2N2”、“N2”、“N2CH4”和“CH4”带。其中，前三个带统称为瓦斯风化带，其深度视地质条件而异。“CH4”带称为甲烷带，该带特点是CH4占混合气体总组成量的80以上，煤层瓦斯含量随深度增加而有规律的增长，但增长的梯度因地质条件而定。,山西煤炭职业技术学院,二、煤层瓦斯含量及测定方法,瓦斯含量是指未经开采的
44、煤层与围岩中保存瓦斯的数量，单位用米3/吨（m3/t）。瓦斯含量的测定方法主要有直接测定法和间接测定法两类，其中直接测定法又包括瓦斯钻孔和井下的直接测定。 （一）直接测定法1. 地勘解吸法2. 气测井法3. 井下钻屑解吸法（二）间接测定法煤层瓦斯含量间接测定法是首先在实验室中进行煤样的瓦斯吸附试验和真假比重的测定，然后绘制瓦斯吸附等温线，计算煤的孔隙体积，再按朗格缪尔方程式并引入煤的水分、温度修正系数，以及代入实测的煤层瓦斯压力，最后即计算出煤的瓦斯含量。,山西煤炭职业技术学院,三、矿井瓦斯涌出,一般情况下，瓦斯以承压状态存在于煤层中。随矿井开采，破坏了煤层中原有的瓦斯压力平衡后，便会使瓦斯产
45、生由高压处向低压处的流动，进入井巷及采掘作业空间。瓦斯从煤、岩层中进入矿井空气中称为矿井瓦斯涌出，分普通涌出和特殊涌出。普通涌出是在时间上与空间上缓慢、均匀、持久地从煤、岩暴露面涌出；特殊涌出是在时间上突然集中发生，其涌出量很不均匀的间断涌出，包括瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。,山西煤炭职业技术学院,（一）瓦斯喷出,大量承压状态的瓦斯从可见的煤、岩裂缝中快速喷出的现象叫瓦斯喷出。1. 瓦斯沿原始地质构造洞隙喷出高压瓦斯沿原始地质构造孔洞或裂隙喷出。 特点是：流量大，持续时间长，无明显的地压显现现象。喷瓦斯裂缝多属于开放性裂隙（张性或张扭性断裂），它们与储气层（煤层、砂岩层等）、溶洞或断层带贯通。2.
46、 瓦斯沿采掘地压形成的裂隙喷出这类喷出也往往与地质构造有关，因为在各种地质构造应力破坏区内，原有处于封闭状态的构造裂隙在采掘地压与瓦斯压力联合作用下很容易张开、扩展开来，成为瓦斯喷出的通道。若地压显现是突然的，这就更增加了危险性。特点是：喷出濒临发生时伴随着地压显现效应，出现多种显现预兆，喷出持续时间较短，其流量与卸压区面积、瓦斯压力和瓦斯含量大小等因素有关。,山西煤炭职业技术学院,（二）煤与瓦斯突出,煤矿建设、生产过程中，在很短时间（数分钟）内，从煤（岩）壁内部向采掘工作空间突然喷出大量煤（岩）和瓦斯（CH4、CO2）的现象，称为煤（岩）与瓦斯突出，简称突出。它是一种伴有声响和猛烈力能效应的
47、动力现象，它能摧毁井巷设施，破坏通风系统，使井巷充满瓦斯与煤粉，造成人员窒息，煤流埋人，甚至引发矿井火灾和瓦斯爆炸事故。因此，它是煤矿最严重的自然灾害之一。,山西煤炭职业技术学院,1. 根据动力现象的力学（能源）特征分类,1）突出 主要是地应力和瓦斯压力联合作用造成的，通常以地应力为主，突出的基本能源是煤体内积蓄的高压瓦斯潜能。2）压出 主要是地应力造成的，瓦斯压力和煤的自重是次要因素，压出的基本能源是煤岩所积蓄的弹性势能。3）倾出 主要因素是地应力，即结构松散、含有瓦斯致使内聚力降低的煤，在较高地应力作用下，突然破坏、失去平衡，为其位能的释放创造条件。实现倾出的力是失去平衡的煤体自身的重力。
48、,山西煤炭职业技术学院,2. 根据动力现象的强度分类,强度是指每次动力现象抛出的煤（岩）的数量和瓦斯量。由于在动力现象过程中瓦斯量的计量工作尚存在一些技术问题，现在分类主要依据抛出煤（岩）的重量。1）小型突出 强度50t/次（突出后，经过几十分钟瓦斯浓度可恢复正常）。2）中型突出 强度5099t/次（突出后，经过一个工作班以上瓦斯浓度可逐步恢复正常）。3）次大型突出 强度100499t/次（突出后，经过一天以上瓦斯浓度可逐步恢复正常）。4）大型突出 强度500999t/次（突出后，经过几天后回风系统瓦斯浓度可逐步恢复正常）。5）特大型突出 强度1000t/次以上（突出后，经过长时间排放瓦斯，回风系统瓦斯浓度才恢复正常）。,山西煤炭职业技术学院,四、矿井瓦斯涌出量与矿井瓦斯等级,矿井瓦斯涌出量分为绝对瓦斯涌出量及相对瓦斯涌出量两种。绝对瓦斯涌出量 指矿井在单位时间内涌出的瓦斯量，用m3min表示。相对瓦斯涌出量 指矿井在正常生产情况下，平均日产1t煤的瓦斯涌出量；用m3t表示。,
