课题一煤矿地质图

【任务描述】

煤矿地质图是反映地层产状、地质构造、地形地质、煤炭分布等情况的图纸，是矿井设计、施工和生产的基础性和依据性图纸资料。通过本课题的实施，使学生理解并掌握坐标系统、高程、方位角与象限角的基本概念；理解掌握地形图、煤层底板等高线图和其他地质图件所包含的专业内容；能够识读煤矿地质图。

【知识学习】

煤矿的矿图分为煤矿地质图、煤矿测量图和其他矿图。煤矿地质图包括井田地形地质图、综合柱状图、煤岩层对比图、勘探线剖面图、水平切面图和煤层底板等高线图等。在绘制煤矿地质图时，需要掌握坐标系统、方位角、象限角和标高投影等基本知识。

一、概述

在矿井测量图的基础上，对经过煤田地质勘探等得到的原始资料进行分析、整理，编制而成的各种地质图件，统称为煤矿地质图。

煤矿地质图件是煤田地质勘探的主要成果，是了解煤层赋存条件、地质构造及水文地质等情况的必要资料，是煤矿开采设计和生产建设的主要依据，是矿井安全生产和技术管理不可缺少的基础资料。因此，正确地认识和运用煤矿地质图是煤矿工程技术人员必须具备的基本能力。

煤矿地质图种类很多，其中主要有井田地形地质图、综合柱状图、煤岩层对比图、勘探线剖面图、水平切面图和煤层底板等高线图等。

绘制煤矿地质图的原理和一般工程图基本相同，不同的是煤矿地质图反映的是埋藏在地下的煤层情况。由于煤层的埋藏特征是变化的，难以用一般的工程图来反映它的全貌，所以煤矿地质图还采用了坐标系统、方位角、象限角和标高投影等地质图件绘制的特有方法来绘制。

1.坐标系统

为了准确反映地质图中点的位置，必须使用坐标系统。坐标是表示地面点位置并从属于某种坐标系统的技术参数。用途不同，表示地面点位置的坐标系统也不同。常用大地地理坐标系统和高斯平面直角坐标系统。

（1）大地地理坐标系统 以参考椭球面为基准面，以法线为基准线建立的一套表示地面点水平位置和高程的坐标系统，称为大地地理坐标系，简称大地坐标系。在大地坐标系中，地面点的位置通常用经度和纬度表示，某点的经、纬度称为该点的地理坐标。

如图2-1所示，WS为椭球的旋转轴，W表示北极，S表示南极，O表示球心。通过椭球旋转轴的平面称为子午面，而其中通过英国格林尼治天文台的子午面称为起始子午面。子午面与椭球面的交线称为子午线。起始子午面与椭球面的交线称为首子午线。通过椭球中心且与椭球旋转轴正交的平面称为赤道面，赤道面与椭球面的交线称为赤道。与赤道面平行的平面与椭球表面的交线称为纬线。起始子午面和赤道面是确定地面某一点地理坐标的基准面。

图2-1 大地地理坐标系（大地坐标系）

F点的经度是该点的子午面与首子午面所构成的二面角，用L表示；F点的纬度是通过该点的法线与赤道面之间的夹角，用B表示。经度由首子午面向东0°～180°称为东经，由首子午面向西0°～180°称为西经；纬度以赤道面为基准，向北0°～90°称为北纬，向南0°～90°称为南纬。我国位于东半球和北半球，所以国内的地理坐标都是东经和北纬。例如，北京市某点的地理坐标为东经116°20′50″、北纬39°55′37″。

（2）高斯平面直角坐标系统 大地坐标表示的是地面点位的球面坐标。在较小的范围内，用大地坐标表示地面点的位置很不方便，在一般地形图和矿图测绘中需要的是点位的平面坐标。高斯平面直角坐标系统是一种能解决这类问题的应用比较广泛的坐标系统。

1）高斯平面直角坐标系统的建立。在对小区域地球表面进行测量时，可以把地球表面视为平面，在平面上建立平面直角坐标系，用平面坐标表示点位。如果测区范围较大，就不能把地球表面当作平面看待，需要按照地图投影的方法，将球面上的点移到平面上，才能建立平面直角坐标系统。我国采用的是高斯平面直角坐标系统，即由高斯（德国著名数学家、物理学家、天文学家、大地测量学家）提出的横圆柱正形投影理论经克吕格（德国大地测量学家）补充研究完成的高斯—克吕格坐标系。

①高斯投影方法。为研究方便，把地球看作一个圆球，设想将一个平面卷成圆柱形，把它套在地球外面，使圆柱面恰好与地面上的某一子午线相切，这条子午线称为中央子午线或轴子午线，如图2-2a所示。将球面上中央子午线附近的各点、线投射到圆柱表面上，然后过两极W、S沿圆柱母线将圆柱面剪开，并展成平面（高斯投影平面），就得到球面上投射到平面上的各点、线。图2-2b所示就是中央子午线附近的经线和纬线在平面上的投影。

图2-2 高斯投影

②投影带的划分。椭球面是一个不可展曲面，除中央子午线外，其他子午线的投影均为曲线，且其长度发生变形，离中央子午线越远，变形越大，这对图的精度产生了较大的影响。为了控制这一长度变形，高斯投影采取了分区分带的投影方法，使带内最大的变形控制在测量允许的范围内，如图2-3所示。

我国的分带投影是按照经度将地球划分为60个6°带，从0°子午线（首子午线，即格林尼治子午线）开始，每隔经度差6°划分为一带，即0°～6°，6°～12°，12°～18°……分带带号N自西向东依次为1～60，如图2-4所示。位于各带边上的子午线称为分带子午线，位于各带中央的子午线称为中央子午线，各带中央子午线的经度可按下式计算

图2-3 投影带划分

L₆=6°N_l3° （2-1）

图2-4 高斯投影分带法示意图

投影时每带独立投影，将投影平面与中央子午线相切，投影后，展开投影面，即为高斯投影面，简称高斯平面。在高斯平面上中央子午线与赤道的投影构成两条相互垂直的直线。

2）高斯平面直角坐标。采用分带投影后，取各带的中央子午线为x轴，赤道为y轴，其交点为原点，从而建立起每个投影带独立的高斯—克吕格坐标系，每一个带就相当于一个平面直角坐标，这样就可把地面上的点位按高斯—克吕格投影公式将球面坐标转换为平面坐标。在高斯平面直角坐标系中：

①x轴是中央子午线的投影，北方为正方向；

②y轴是赤道的投影，东方为正方向；

③中央子午线与赤道投影的交点为原点；

④四个象限按顺时针顺序I、皿、I、w排列，如图2-5所示。

图2-5 平面直角坐标系

我国位于北半球，x坐标值为正，横坐标值y则有正有负，中央子午线以东为正，以西为负。为避免横坐标出现负值，习惯上将每个带的中央子午线向西平移500km，该处的子午线为x轴（已处于该带之外）。这样，我国正处在北半球，在东经72°～135°（第13～23分带）范围内，各分带的x、y坐标均为正数。

在图纸上画出的与坐标轴相互平行的直线所构成的正方形网格线，称为坐标方网格，简称方格网。方格网线之间的距离均为100mm，根据图纸比例尺不同，方格网所表示的距离也不同。例如，矿图的比例尺为1∶1000时，每格表示100m；矿图的比例尺为1∶5000时，则每格表示500m。

例如，某点A在21带中央子午线以东55.3km，则该点横坐标记为21000+（500+55.3），即21555.3km；若这点在赤道以北4361.72km，则该点纵坐标直接记为4361.72km，如图2-6所示。

则A点平面坐标为：x_A=4 361 720m；y_A=（21 500 00O+55 300）m=21 555 300m。

3）平面直角坐标表示点位的方法。某点在平面上的位置常用平面直角坐标来表示，其数值大小可通过测量工作得到。如果知道了某点的坐标，可以将该点绘于矿图上。矿图中所绘的图形就是由绘于矿图上的若干点的连线构成的。

图2-6 高斯平面直角坐标

图2-7 平面直角坐标点位的表示方法

在图2-7中，箭头N指北方向，图的下部数字为横坐标，左侧数字为纵坐标。图中任一点的坐标，可以根据该点所在小方格左下角的纵、横坐标数值求出。图2-7中，若Aa₁=60m，Aa₂=50m，则A点坐标为：x_A=1700+Aa₁=1700m+60m=1760m；y_A=2300+Aa₂=2300m+50m=2350m。

2.高程

为了确定地球上点的位置，仅有平面坐标是不够的，还要确定点的高低。点的高低用该点的高程（标高）来表示。由于选取的水准面不同，高程分为绝对高程和相对高程两种，如图2-8所示。

图2-8 高程计算示意图

H_A、H_B—A、B两点的绝对高程 H_C—C点的相对高程

（1）绝对高程 地球上任一点至大地水准面（基准水准面）的垂直距离称为该点的绝对高程，又称海拔。我国大地水准面以黄海平均海平面作为全国的高程起算面。我国的高程起算面为1985国家高程基准，其水准原点位于青岛验潮站附近，高程为72.260m。1985国家高程基准从1988年1月1日开始启用。图2-8中的H_A、H_B分别为A、B两点的绝对高程。

（2）相对高程 相对高程是空间任一点至假定水准面的垂直距离，又称假定高程。图2-8中的H_C为C点的相对高程。

高程正负和起算水准面有关。高于水准面的点，其高程数值为正；低于水准面的点，其高程数值为负。

两点间的高程差称为高差，高差与起算水准面无关，以绝对值表示。如A、B两点的高差h_AB=H_A-H_B。

3.方位角与象限角

（1）方位角 从标准方向北端起，沿顺时针方向到某一直线的角度，称为该直线的方位角。方位角的取值范围是0°～360°。

直线定向时，以真子午线方向为标准方向计算的方位角，称为真方位角，一般用A表示，如图2-9a所示，过O点的直线OM、O，、OT和OZ四条直线的真方位角分别用A₁、A₂、A₃和A₄表示。以磁子午线为标准方向计算的方位角，称为磁方位角，一般用A_m表示，如图2-9b所示。以坐标纵线为标准方向计算的方位角，称为坐标方位角，一般用α表示。如图2-9c所示，AB直线的坐标方位角为α_AB；BA方向的方位角为直线AB的反方位角，用α_BA来表示，反之亦然。在同一坐标系中，同一直线的正反方位角相差180°，即α_正=α_反±180°。坐标方位角简称方位角。

图2-9 方位角示意图

a）真方位角 b）磁方位角 c）坐标方位角

（2）象限角 直线定向时，有时也用小于90°的角来确定。自标准方向线的北端或南端，顺时针或逆时针量至过坐标原点某一直线的锐角，称为该直线的象限角，一般用R表示，象限角值的范围是0°～90°。

由于具有同一角值的象限角在四个象限中都能找到，所以用象限角定向时，除了标明角值以外，还须以北或南为起点，以东或西为终点注明直线所在象限的名称：北东、北西、南东、南西。图2-10中，分别位于第一、二、三、四象限内的直线OM、O，、0T、OZ的象限角为北东R₁、南东R₂、南西R₃、北西R₄。

（3）方位角与象限角的关系 坐标方位角与象限角的关系见表2-1及图2-11。

表2-1 坐标方位角与象限角的关系

图2-10 象限角

图2-11 象限角与坐标方位角的关系

4.标高投影

在水平投影面上，将投影物各点的标高值标注在各投影点旁边，用以说明各点高于或低于大地水准面（或假定水准面）的数值，称为标高投影。

二、地形图

反映地表高低起伏形状和地物的图纸称为地形图。地形图是由反映各种地貌的等高线，加上统一规定表示陡崖（陡坎）、梯田、冲沟、房屋、河流、道路等人工和自然构筑物等的特殊符号和各种地形图例所组成的。

1.等高线

等高线是高程相同的若干点连接而成的曲线，或者说是水平面与地表面相截的交线。将高程不同的等高线投射到平面上，并注明各等高线的标高，即得等高线图。

如图2-12所示为山头地形等高线图。图中P₁、P₂、P₃三个水平面与山头相交，三个面之间的垂直距离为5m，将各面与地表面的交线投射到水平面H上，就是该山头的等高线图。图中h为相邻两条等高线之间的高程差，称为等高距。同一张图纸上，等高距应相等。相邻两条等高线之间的水平距离称为平距，即图2-12中d₁、d₂。由于同一张图上等高距相等，所以平距小的地方，地形坡度就大，平距大的地方，地形坡度就小；平距均匀表示坡度一致。

图2-12 山头地形等高线图

等高线具有下列特点。

1）等高线是连续的闭合曲线，如果不在图内闭合，就一定要在图外闭合，所以等高线在一般情况下不能相交或重合。

2）等高线上任一点向相邻等高线可以做很多线段，投射到水平后其中最短的一条线段称为最大倾斜线。等高线与最大倾斜线直交。

3）等高线稠密表示陡坡，等高线稀疏表示缓坡，等高线均匀表示坡度相同。

2.用等高线表示各种地形

1）山地和盆地。山地和盆地反映在等高线图上都是一组闭合曲线，但山地外圈数值小，越往内圈高程数值越大，盆地正好相反，如图2-13所示。

图2-13 山地和盆地等高线示意图

a）山地 b）盆地

2）山脊和山谷。山脊和山谷的等高线图形状基本是相同的，其区别是山脊等高线的凸出方向是坡度降低方向；相反，山谷等高线的凸出方向是坡度升高的方向，如图2-14所示。

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图2-14 山脊和山谷

3）鞍状地形。两山头相邻形成马鞍状的地形，称为鞍状地形，如图2-15所示。鞍状地形等高线是由两个山头等高线和两组山谷等高线组成的。

图2-15 鞍状地形等高线

3.根据地形等高线图做地形剖面图

如图2-16所示，上部是地形等高线图，当要了解沿AB线的地形起伏时，需要根据地形图做出地形剖面图，其步骤如下：

1）根据工程需要在地形图上画出剖面位置线AB。

2）将AB线与等高线相交的各点一一编号，并注明各点标高。

3）在图的下方或另用一张图纸绘制地形剖面图，先做出水平直线A′B′，其标高为±0m。

4）根据等高线图的比例尺和等高距做出平行于水平直线A′B′的各标高的水平线，并注明标高。

图2-16 地形剖面图

5）过等高线图上各交点向剖面图上的水平线做垂直引线，根据各点的标高在剖面图上确定各点的位置，并编号1′、2′、3′……

6）用圆滑的曲线连接这些实际位置点，即绘成地形剖面图。

三、煤层底板等高线图

将煤层层面上的等高线用标高投影的方法投射到水平面上，即得到煤层等高线图。煤层有顶、底板两个大致平行的层面，一般只绘出底板层面的等高线，即煤层底板等高线图。

煤层底板等高线图是反映煤层空间形态和地质构造的重要地质图件，是煤矿设计、生产和储量计算的基础图件。

1.根据煤层底板等高线图确定煤层状态

（1）煤层走向 煤层走向是煤层层面与水平面交线的延伸方向。因此，煤层层面上的走向线具有等高线的性质，煤层底板等高线的延伸方向就是该煤层的走向，如图2-17所示，AB方向即为煤层的走向。煤层走向一般用方位角表示。

（2）煤层倾向 过任一等高线的一点向标高较小的等高线做垂线，该垂线方向就是煤层倾向。煤层倾向一般也用方位角表示，且与煤层走向垂直。

（3）煤层倾角 煤层倾角（α）如图2-18所示。

图2-17 煤层产状要素示意图

图2-18 煤层产状的确定

1）做图法。其做图步骤如下：

在任意两条等高线之间做这两条等高线的垂线AB，AB即为这两条等高线之间的平距l。过B点做AB的垂线BC，并取BC等于两条等高线的高差h，连接AC，则∠CAB即为煤层倾角α。

2）计算法。煤层倾角α的计算公式为

2.褶曲构造在煤层底板等高线图上的表现

煤层底板平整、倾角均匀、走向稳定时，煤层底板等高线表现为间距大致相等的一组直线；煤层走向发生变化时，表现为煤层底板等高线弯曲，如图2-19所示。

图2-19 煤层走向与倾角变化

从图2-19中可以看出，煤层倾角的变化表现为煤层底板等高线的水平距离发生变化，等高线平距越大，则煤层倾角越小，煤层越平缓；等高线平距越小，则煤层倾角越大，煤层就越陡。

煤层褶曲也表现为煤层底板等高线发生弯曲。如图2-20所示，等高线凸出方向标高升高的褶曲为向斜；等高线凸出方向标高降低的褶曲则为背斜。

煤层底板等高线为封闭曲线，由边缘向中央等高线标高逐渐升高的褶曲为穹窿构造，如图2-21a所示；反之，标高逐渐降低的褶曲则为盆地构造，如图2-21b所示。

图2-20 煤层褶曲

图2-21 穹窿与盆地构造

a）穹窿 b）盆地

3.断层在煤层底板等高线图上的表现

在煤层底板等高线图上，断层是用断层面与煤层底板层面交线的水平投影来表示的，断层面与煤层底板层面的交线为断煤交线。断层有上、下两盘，因此一条断层有两条断煤交线。断层使煤层底板等高线失去连续性，一般正断层表现为等高线在两条断煤交线中间中断缺失，等高线中断缺失的原因是煤层被断层断开后在水平投影上两条断煤交线间缺失，形成无煤带；逆断层表现为等高线在两条断煤交线中间重叠，等高线重叠的原因是煤层被逆断层断开后在水平投影上两条断煤交线间重叠，如图2-22所示。

图2-22 煤层底板等高线上的断层表示法

a）正断层 b）逆断层

四、其他地质图件

每一种地质图件往往只能反映矿井地质现象的一个侧面，而几种地质图件配合起来就能较全面地反映矿井地质构造的全貌。煤矿常用的主要地质图件除了上述地形图、煤层底板等高线图外，还有地形地质图、煤系综合柱状图、煤岩层对比图、地质剖面图和水平切面图等。

1.地形地质图

地形地质图实际上是将地形图和地质图重叠绘制在一起的地质图件，它既反映了矿区地表的地形特征和地物分布位置，又反映出了矿区煤、岩的露头分布及地质构造等。地形地质图上反映的主要内容有地形等高线、地物分布及各种地质界线，如图2-23所示。

图2-23 单斜构造地形地质图

2.煤岩层对比图

在一个井田内，煤层往往不止一层，而是几层，多至数十层。为了正确判断煤层层位构造，通常通过标志层、古生物化石、层间距和煤层本身的特征来对煤系进行研究，找出确定煤层的可靠依据，通常称为煤岩层对比。

3.煤系综合柱状图

煤系综合柱状图是表现井田内煤层层数、厚度、层间距离、标志层特征、顶底板岩层性质及厚度、煤层结构及含水层性质等的地质图件。它是将地质勘探所得的井田全部地质资料按地层时代先后顺序，采用平均厚度由底至顶排列而成的，如图2-24所示。它可以作为煤层对比的依据，有利于矿井生产期间对地质构造的判别。

4.水平切面图

它是假设用某一标高的水平面将大地切开，反映水平切开面上的煤、岩分布及地质构造特征的图件。

5.地质剖面图

地质剖面图是假设将大地切开，反映切开断面上的煤层或岩层的厚度、层间距、倾角和地质构造特征以及剖面方向的地形起伏等的图件。地质剖面图比较形象直观，在生产中广泛使用，如图2-25所示。

图2-24 某矿煤系综合柱状图

图2-25 某矿井地质剖面图

五、读图

地质图件的种类较多，不同的地质图件反映着不同的地质现象，同类图纸、同一图纸上反映的内容也很丰富，繁简程度也不相同。因此，读图时应遵循一定的步骤和方法。

1.图名和比例

读图首先应看清图名和绘制图纸所用的比例。图名说明该图反映的图纸种类、矿井地质的主要内容；比例反映实际尺寸与图纸尺寸之间的关系及地质现象的精度。

2.图例

图例是表示地形、地物以及各种地质和构造现象的符号，熟悉图例表示的内容，是看懂图纸的基础，图例是图纸中不可缺少的部分。

3.判明方位

图纸上标明了方向，箭头所指方向为北；如果图上没有标明方向，则图纸上的经纬线应是上北下南、左西右东。

4.分析图中的内容

在了解了地质图件的上述内容后，还应了解该地区地层系统、看懂地形等高线、了解区内地形特征，然后结合地质剖面图分析区内的地质构造。

分析煤层底板等高线图时，一般采用以下几个步骤。

1）单线追索。在图纸上选择一条底板等高线，随线识读，分析它的变化及反映的情况。

2）划分地段逐块搞清。当图中有断层及复杂内容时，可把图划分成若干地段，从一个块段开始逐块分析、认识，识图就变得较为简单，容易了解和认识。

3）总体概括。最后将各块段联系起来，综合分析，从而了解区内总体地质特征，掌握其基本情况和特征，全图识读也就完成了。

图2-26 某矿煤层底板等高线图（局部）

【例2-1】 识读煤层底板等高线图。图2-26所示为某矿煤层底板等高线图，由图名及比例可知该图是按1∶5000的比例尺绘制的。由图例可知，该区内共有四条断层，F₁、F₂、F₃为正断层，F₄为逆断层。将煤层分为五个块段进行分析：F₂和F₃之间的块段为一向斜；F₃和F₄断层之间煤层倾角变化较大，北部倾角较小，向南倾角逐渐变大，北高南低，等高线方向变化不太大，近似于单斜构造；F₄断层以南、F₁断层以北、F₂断层以东，煤层等高线方向变化不大，基本上是单斜构造。该区域西北部边界为煤层露头带，全部钻孔见煤，说明煤层埋藏稳定。

【任务考评】

本课题考评表见表2-2。

表2-2 任务考评表

【思考与练习】

1.简述等高线图的概念和特点。

2.叙述褶曲、断层在煤层底板等高线图上的表现。

3.如何识读煤矿地质图？