地质因素对煤矿生产的影响

【任务描述】

本课题主要介绍地质构造、岩浆岩、岩溶陷落柱等因素对煤矿生产的影响，为以后学习煤的开采打下一定的基础。通过本课题的实施，使学生理解并掌握单斜、褶皱、断裂构造、岩层产状要素、断层要素、断层分类等基本概念和基本知识；了解褶曲构造、断层构造等对煤矿生产的影响。

【知识学习】

一、地质构造

在地壳运动的作用下，煤和岩层改变原始埋藏状态所产生的变形或变位的形迹称为地质构造。地质构造的形态多种多样，概括起来可分为单斜、褶皱和断裂构造。

1.单斜构造

在一定的范围内，煤或岩层大致向一个方向倾斜的构造形态称为单斜构造，如图1-16所示。单斜构造往往是其他构造形态的一部分，如图1-17所示。

图1-16 单斜构造示意图

图1-17 单斜与其他构造形态示意图

岩层的空间位置及特征通常用产状要素来描述。产状要素包括走向、倾向和倾角，如图1-18所示。

图1-18 岩层产状要素示意图

（1）走向 煤层或岩层层面与水平面相交的线称为走向线。走向线两端延伸的方向称为走向。

（2）倾向 岩层层面上垂直于走向线，并沿层面倾斜向下的直线称为真倾斜线。真倾斜线在水平面上的投影线称为倾向线。倾向线指向岩层下斜的方向，称为倾向。

（3）倾角 煤、岩层层面与水平面之间所成的锐角（α）称为煤或岩层的倾角。倾角变化范围为0～90°。煤层倾角越大，开采越困难。根据开采技术的特点，煤层倾角可分为以下四类。

近水平煤层：α＜8°；

缓斜煤层：α8°～25°；

倾斜煤层：α25°～45°；

急斜煤层：α＞45°。

2.褶皱构造

岩层在水平方向挤压力的长期作用下发生塑性变形，形成波状弯曲，但仍保持其连续性，这种构造形态称为褶皱，如图1-19所示。

图1-19 褶皱和褶曲示意图

褶皱构造中岩层的一个弯曲，称为褶曲。褶曲是褶皱构造的基本单位。岩石层面凸起（中间岩石老，两边岩石新）的褶曲称为背斜；岩层层面凹下（中间岩石新，两边岩石老）的褶曲称为向斜。由图1-19中可见，背斜和向斜彼此相连，背斜的一翼同时也是相邻向斜的一翼。

3.断裂构造

岩层受力后遭到破坏，失去了连续性和完整性的构造形态称为断裂构造。断裂面两侧的岩层没有发生明显位移的称为裂隙或节理。断裂面两侧的岩层产生了明显位移的断裂构造称为断层。

（1）断层要素 断层各组成部分的名称称为断层要素，如图1-20所示。断层要素包括断层面、断盘、断层线和断距。

图1-20 断层要素示意图

1）断层面。岩层发生断裂位移时，相对滑动的断裂面称为断层面。断层面多数是波形起伏的曲面，少数是比较规则的平面。断层面的产状与倾斜岩层一样，可用产状要素——走向、倾向、倾角来确定。

2）断盘。断层面两侧的岩体称为断盘。断层面如果是倾斜的，则断层面上方的断盘称为上盘，断层面下方的断盘称为下盘。

3）断层线。断层面与地面的交线称为断层线。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，如图1-21所示。

4）断距。断层两盘相对位移的距离称为断距。断距可分为地层断距（断层两盘同一岩层面被错开的垂直距离，也称为断层的落差）、垂直断距（断层两盘相对位移的铅直距离）和水平断距（断层两盘相对位移的水平距离），如图1-22所示。

图1-21 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

图1-22 断距示意图

H₀—地层断距 H_f—水平断距 H_g—垂直断距

（2）断层分类

1）根据断层两盘相对运动的方向分类。

①正断层。上盘相对下降，下盘相对上升，如图1-23a所示。

②逆断层。上盘相对上升，下盘相对下降，如图1-23b所示。

③平移断层。断层两盘沿水平方向相对移动，如图1-23”所示。

图1-23 断层位移分类示意图(www.xing528.com)

a）正断层 b）逆断层 c）平移断层

2）根据断层面走向与岩层面走向的相对关系分类。

①走向断层。断层面走向与岩层走向方向一致或近于一致的断层，如图1-24a所示。

②倾向断层。断层面走向与岩层走向垂直或近于垂直的断层，如图1-24b所示。

③斜交断层。断层面走向与岩层走向斜交的断层，如图1-24”所示。

正断层、逆断层是煤矿生产中最常见到的。在地质构造复杂的地带，断层经常以组合形式出现，成为阶梯状断层、地垒或地堑，如图1-25所示。

图1-24 断层几何关系分类

a）走向断层 b）倾向断层 c）斜交断层

图1-25 地垒、地堑示意图

二、矿井地质构造对煤矿生产的影响

矿井地质构造主要包括褶皱和断层，按其规模和对煤矿开采生产的影响可以划分为大型、中型、小型三个等级。

1.褶皱构造对煤矿生产的影响

（1）大型褶曲 大型褶曲在勘探阶段已查明，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开采，是矿井设计考虑的主要因素。

（2）中型褶曲 中型褶曲对整个矿井开拓部署影响不大，但与采区划分和巷道布置关系密切，对采区大小和采区巷道布置影响较大。

（3）小型褶曲 小型褶曲是采准巷道在掘进过程中揭露的幅度和长度为几米到几十米的褶曲。它影响煤层区段平巷的掘进方向，使区段平巷频繁转弯，而要使区段运输平巷分段取直就必然要开掘一部分岩石巷道，既降低了掘进速度，又增加了掘进的费用。

2.断层构造对煤矿生产的影响

在煤矿地质工作中，通常按断层的落差划分断层的规模等级，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。在煤矿生产中，煤层及其顶底板中的断层构造可破坏煤层的连续性和完整性，对煤矿生产造成不同程度的影响。断层规模不同，对煤矿生产的影响也不同。

（1）对井田或采区划分的影响 断层是井田或采区划分的主要依据之一。由于断层错断煤层、破坏煤层顶底板、通导地下水与瓦斯，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。在煤矿划分井田和采区时，一般应尽量以特大型断层作为井田的边界，大、中型断层作为采区的边界，以尽量避免矿井采掘生产受断层的影响。

（2）对井田开拓方式的影响 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，断层附近煤层倾角变大，井田内煤层产状变化复杂，从而影响井田开拓方式的选择。

（3）对采区和采煤工作面巷道布置的影响 井田内中型、小型断层的存在，不仅影响矿井开采水平划分、采区划分和采煤工作面巷道布置，还将给工作面回采、运输、顶板管理和正规作业循环等造成困难。如某矿一回采工作面，由于事先没有查明采区内存在一条2.7m落差的断层，当回采工作面接近断层时才发现，只得重掘开切眼，搬迁工作面。

（4）增加巷道掘进量 在煤矿生产中，巷道掘进过程中常常会遇到断层，从而需要调整生产设计方案，并要进行大量的井下巷探和钻探，寻找断失煤层，从而增加了巷道掘进量或钻探工作量，甚至会形成大量废巷，增加采煤生产成本。

（5）增加煤炭损失量 一般断层两侧需留设一定宽度的断层煤柱，造成煤炭损失。

（6）对安全生产的影响 当巷道掘进或工作面回采遇到断层时，不仅影响掘进和回采，增加巷道支护和工作面顶板管理的难度，还可能引发矿井突水、瓦斯突出和冒顶事故，导致矿井停产。

（7）对煤矿综合经济效益的影响 断层构造对煤矿劳动生产率、吨煤成本、万吨掘进率、煤炭损失率和机械化开采水平等影响较大，直接关系到煤矿企业的经济效益。

3.裂隙对煤矿生产的影响

（1）对钻眼爆破效果的影响 当岩石中裂隙发育时，炮眼方向如与主要裂隙组平行，不仅容易卡钎子（尤其是用“一”字形钻头），且爆破时爆生气体会沿裂隙面漏气，从而导致爆破效果大大降低。炮眼方向应尽量垂直于主要裂隙面布置，既可避免卡钎子，还能获得较好的爆破效果。

（2）对开采效率的影响 一般工作面推进方向与煤层中的主要一组裂隙倾向一致时，有利于回采落煤、装煤和提高生产率。

（3）对顶板控制方法的影响 煤层顶板岩石裂隙发育时，工作面顶板支护一般不能用顶柱，而要采用顶梁，并且顶梁不能平行于主要裂隙组方向，应与主要裂隙组有一定的交角，以防止顶板沿裂隙面冒落。

（4）对工作面布置的影响 当煤层顶板裂隙发育时，如果工作面平行于主要裂隙组方向，容易发生冒顶和煤壁片邦事故。因此，布置回采工作面时，工作面煤壁一般要与主要裂隙方向垂直或成锐角，以利于顶板管理和工作面煤壁支护，减少或避免冒顶、片邦事故。

三、岩浆侵入体

由于岩浆作用，侵入到含煤地层的岩浆。称为岩浆侵入体。岩浆侵入体主要有两种产状，一种是层状的岩床，另一种是脉状的岩墙。地下岩浆沿煤层层面方向侵入的层状侵入体称为岩床。地下岩浆沿断层的裂隙向上侵入到煤层地带，穿过煤层及其顶底板岩层，呈墙状形态的侵入体称为岩墙。

岩浆侵入煤层后，不仅使煤炭储量减少，且给煤炭开采带来一定的困难。岩浆侵入体还会影响煤炭质量，造成煤的灰分增高，挥发分降低，黏结性减弱，降低煤的使用价值。

四、岩溶陷落柱

当煤系地层下部存在可溶性石灰石、白云岩等，由于受地下水的化学溶蚀作用，形成岩溶空洞，在上覆岩层重力的作用下，引起溶洞上部煤系地层塌陷，形成不规则的环形柱状体，称为岩溶陷落柱。我国华北地区石炭二叠纪煤系的基底是奥陶纪石灰岩，古溶洞非常发育，因而在阳泉、西山、峰峰等矿区都发现有陷落柱，导致采掘工程量增加，采煤工作面不能连续推进，煤炭损失增加等。

【任务考评】

本课题考评表见表1-18。

表1-18 任务考评表

（续）

【思考与练习】

1.煤层按倾角各分为哪几类？

2.画图说明断层的要素。

3.断层分类及其划分的依据是什么？各有什么特点？

4.简述地质构造对煤矿生产的影响。