矿井

第一章 煤层厚度变化 第一章 煤层厚度变化 主要影响：煤层是煤矿开采的对象。煤层的各种变化尤其是煤层厚度的变化对煤矿生产影响极大。它影响 1、采区的合理布置 2、采煤方法的正确选择 3、储量的准确计算 4、煤炭资源的充分回收 5、生产的正常安排 第一节煤层的观测 一、煤层的观测主要任务 1、观测井巷和钻孔揭露的煤层，掌握全面系统的原始资料。 2、探测影响采区设计、巷道掘进和采面回采的煤厚变化，圈定薄煤带的可采边界、厚煤区的分层界限、分叉煤层的分合区线，以及非层状煤体的采掘范围；为采掘设计和生产提供准确的依据， 3、预测新开拓区域的煤厚变化特征和规律；保证矿井生产的正常接续。 4、最终核定勘探程度不足或新发现煤层的工业价值和开采条件，使煤炭资料得以充分开发和利用 煤层观测是矿井地质一项日常性工作，主要在于取得煤层厚度、结构岩石性质、以及与劳动生产条件有关的各项资料。 二、观测点的基本要求 1、一切穿层巷道揭露煤层的地点 2、一切沿可采煤层的顺层巷道， 3、采面回来过程中，每隔7—10天，相当于一个产量验收期，应在采面布点观测煤层情况 三、观测的主要内容及要求 1、基本内容：煤层结构 煤层厚度 煤层顶底板 煤层煤质 煤的含水性 煤层产状 2、煤层观测要求 (1)当巷道揭露煤层全厚时，每个观测点应测量煤层厚度。 （2)在层位难以判断，煤层对比困难时，应仔细观测各煤分层的宏观煤岩成分和类型 及物理性质 (3)当煤层道受古河流冲刷时，必须观测冲刷标志 (4)当煤层出现变薄、分叉和尖灭时 ,着重观测煤层结构、接触关系、围岩的岩性特征等。 四、观测的方法 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）板标高来控制煤层结构与构造形态 2．利用井巷与钻孔的揭露来测量煤层厚度 。 3．煤层观测点的布置应按实际情况来定。 4．以沉积岩的一般观察方法来鉴定煤层顶、底板： 5．煤岩分层描述的观察点力求是一个新鲜的连续剖面 6．在上述特征观测基础上，对一条巷道或一个工作面都要作煤层的总体描述，并附煤层观测点材料平面图。 第二节 煤层厚度的探测 一、巷道掘进时的煤厚探测 （1）当巷道不能揭露煤层全厚时，缓倾斜煤层用钻探配合溜煤眼和联络斜巷探查；急倾斜煤层用钻探配合煤门探查。探煤点的间距，应根据煤层的稳定程度而定。 （2）在能够揭露煤层全部厚度的薄煤层及中厚煤层的巷道中，可用皮尺或钢卷尺垂直煤层顶、底板的层面直接测量煤层真厚度。 （3）在只能揭露煤层厚度一部分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。 （4）探煤钻一般是采用轻便小型钻机或电煤钻与接杆钎子；探煤巷则是利用生产上必掘的暗井、反眼、煤门、横贯等巷道 二、采面回采时的煤厚探测 缓倾斜或倾斜的厚煤层分层开采工作面中 1ˎ 工作面探煤点的间距 探煤点走向间距视煤层厚度的变化情况而定。通常为5~10 m。 2、工作面探煤厚的方式 在回采第一分层时，就一次探到煤层底板，控制全厚。 在回采第一分层时，探测下一分层的厚度，按顺序进行。 第三节 煤层厚度变化的探测 一、煤层厚度变化的原因 （一）原生厚度变化 聚煤坳陷基底不均衡沉降 沉积环境和古地形变化 河流的同生冲蚀作用 海水的冲蚀作用 1、聚煤坳陷基底不均衡沉降引起的煤厚变化 1) 原因 煤系形成过程中聚煤坳陷基底的沉降常常是不均匀的，如沼泽基底的差异性运动，同沉积褶皱、同沉积断裂等。 2)特点 聚煤坳陷基底的差异性沉降运动，形成典型的马尾状煤层 。 断陷盆地：从盆地中部向盆地边缘;、煤层的形态和厚度变化大致可划分为三个带： 厚煤带 煤层分叉带 煤层尖灭带 2、沉积环境和古地形对煤厚的影响 1)原因： 泥炭沼泽基底不平导致煤层增厚、变薄和尖灭。 2）特点 煤层底板或基底岩层呈不规则起伏，煤层顶板却比较平整； 煤层厚度在短距离内变化较大，并且厚度变化较大的煤层常发育煤系底部或下部、基底古地形低洼处煤层较厚，在较高的凸起部位煤层变薄甚至尖灭。 在煤层与底板岩石接触面上，煤层的分层或层理被底板凸起部分所截止，上下分层呈超复关系。 3、河流的同生冲蚀 1）原因 泥炭沼泽中发育的河流冲刷。 2）泥炭沼泽中发育的河流特点 泥炭沼泽中发育的河流，一般规模不大个常弯弯曲曲，支流较多;因而沉积物在平面上常呈曲折的条带； 在剖面上则呈透镜状 泥炭沼泽中发育的河流，从沼泽边缘向内部渐行消逝。 3）识别特征 河流同生冲蚀使煤层局部变薄，夹石增多。 河流同生冲蚀的沉积物一般为砂质岩、粉砂质岩，与煤层有共同的顶板。 冲蚀面积和深度较小，个别情况下可能切断煤层。 在河流冲蚀带附近煤层遭受原始氧化，光泽变暗，灰分增高。 4、海水的冲蚀作用 1）原因：海水的波浪作用 2）识别特征 煤层顶板常出现灰岩 煤层表面形成许多大小不等的凹坑和槽沟，一般深度为0·4~0·6米 ，灰岩顶板显示冲蚀坑的外模，凹凸不平，俗称《蛤摸顶》 煤层顶板多为滨海相或过渡相砂岩，底板多为煤砾和泥质包体。 这种冲蚀造成的无煤区和河流冲蚀不同，往往方向不定，冲蚀范围较广，无煤区块分散;煤层多具截然缺失的特点。 （二）煤层厚度的后生变化 煤层厚度的后生变化，主要包括 1）河流对煤层的冲蚀， 2）褶皱和断裂等构造变动引起的煤层加厚和变薄 3）岩浆侵入吞食煤层和引起煤厚的不规则变化 4）岩溶作用形成的柱状陷落 1、煤层的后生冲蚀 1）原因 煤层形成后，河流的冲刷作用 煤层和煤系形成以后，伴随地壳的抬升和河流的发育，煤层和含煤岩系常常遭受河流的切割剥蚀。 河流的这种后生剥蚀，对煤层的破坏作用可以达到很大的规模，以致形成宽几十米、几百米，长数公里、十几公里的薄煤带和无煤带，在某些煤田成为造成煤厚变化的主要原因。 2）识别特点 （1）煤层遭受河流的后生剥蚀时，煤层的正常顶板也受到剥蚀，出现河床相砂岩、砾岩等粗碎屑岩，其底部常含砾石、泥质岩包体、煤屑并呈定向排列。 （2）砂砾岩与煤层的接触面凹凸不平煤层和沉积岩不具备共同的顶板 。 （3）冲刷面附近的煤，一般光泽暗淡，后生裂隙发育，常见有方解石等矿物充填，煤的灰分增高 。 （4）河流的后生冲蚀在平面上沿着古河流方向呈带状分布 。 2、构造变动引起的煤厚变化 1）原因：由于煤层本身比较松软，在构造应力的影响下，容易发生塑性流变，产生煤层的局部加厚、变薄、尖灭或煤层和顶底板互相穿插现象。 2）识别特征 引起煤层厚座变化的构造形式主要有三种， 以褶皱为主的变化 以断裂为主的变化 断裂和褶皱两者兼具的复杂变化。 3、岩浆侵入引起的煤厚变化 1）原因：岩浆岩侵入煤层 岩浆很容易侵入煤层。岩浆侵入煤层，使煤层形态、厚度发生很大变化，使煤层结构、煤质遭受严重破坏，有时煤层被大片吞食或变成天然焦，而丧失工业价值 。 2）特征 （1）岩墙斜穿或垂直煤层，在平面上呈长条状延伸，常常沿断裂成组出现，一般对煤厚影响不大 当岩很宽时，则造成较宽的无煤带 。 （2）当以岩床侵入煤层时： 侵入煤层的岩床，形态多种多样。常见的有似层状、层状、指状或呈大小不等的串珠状、透镜状。 厚度较大的似层状、层状的岩体对煤层影响较大，有时能把煤层大部或全部吞食，或使其变为天然焦 。 4、岩溶陷落柱 对煤层厚度的影响 1）原因：岩溶陷落塌陷 2）特征 易与构造变动相区别。柱状陷落均被上复的岩、煤碎块所充填，棱角明显，形状很不规则，大小不一，杂乱无章，并为粘土充填胶结； 陷落柱与围岩的接触面，界线分明，多呈锯齿状折线，常见红色铁质沉积物以及钙质或高岭石沉积物等充填。 陷落柱一般呈上小下大的柱状。 煤层在平面上呈大小不一的环形无煤区。 二、煤厚变化的探测及预测 1、煤层分叉的探测与预测 2、煤层底凸薄化的探测与预测 3、河床冲刷变薄的探测与预测 4、煤层构造变化的探测与预测 第二章 矿井地质构造 第一节矿井地质构造概述 一、地质构造对生产的影响 (1)影响井型规模和井田划分。 (2)影响开拓部署。 (3)影响掘进率 (4)影响采面正常生产 (5)影响安全生产条件 二、矿井地质构造的等级划分 传统分类 大型构造：是指决定整个矿区、井田总体形态和井田边界的褶皱和断层．这类构造一般在煤田勘探阶段已基本查明，在矿井生产中需要进一步证实； 中型构造：是指在井田范围内影响采区划分和井巷布置的次一级褶皱和断层，这一类构造对矿井生产和矿井生产系统总体布局影响极大 ； 小型构造：是指那些在单个巷道或工作面中比较容易查明其全貌的更次一级的褶皱和断层 煤田精查阶段断层的等级 大型断层： 落差大于30m； 中型断层 ： 落差小于30m到落差大于煤层厚度 小型断层 ； 落差小于煤层厚度 综采和其他机械化采煤矿井 特大型断层： 落差大于30m 大 型 断 层 ： 落差15—30m； 中 型 断 层 ： 落差大于煤厚至小于15m 小 型 断 层： 落差小于煤厚(其中特别强调落差大于煤厚二分之一的断层)。 三、生产矿井研究地质构造的主要内容 (1)分析研究原有勘探工程对矿井主要地质构造的控制程度，以便及时布置补充勘探工程予以查明。 (2)系统观测和收集地表、井巷和钻孔中所揭露的一切地质构造资料，并正确填绘在矿井地质图上，及时为采掘工程提供地质资料。 (3)查明褶皱枢纽的位置、方向、起伏情况和标高变化，查明断层的性质、断距、延展方向和断失煤层的确切位置，以便调整巷道布置，为掘进施工指明方向。 (4)及时指出采掘前方可能出现的地质构造，以及它们对煤厚变化、岩浆侵入、充水条件、瓦斯赋存等的影响，以便采取防护措施，保证安全正常生产。 (5)根据构造的总体展布规律和某些构造的延伸特征，尽可能地对未采掘地段进行构造预测，为开拓部署提出合理建议 四、矿井地质构造的分析步骤 1、构造格架类型的划分 2、观测 3、判断 4、几何形态分析 5、构造对比 6、预测 7、处理 第二节褶曲的观测与判断 一、褶曲的识别与观测 1、产状发生变化 2、地层层位对称性重复 岩层层序的对称出现 二、褶曲的观测内容 1、褶区枢纽的观测（包括位置、倾伏方向及倾伏角 2、褶区两翼煤岩和轴面的产状 3褶区与断层、节理、煤厚的关系 三、褶曲的探测 1、枢纽的推测方法 1）根据上部煤层推测 2)根据区域构造线推测 3)根据褶皱两翼产状推测 4)实测控制与外推相结合 2、枢纽的探查方法 1)巷探 (1)沿中型向斜两翼布置对工作面时，向斜枢纽的探查 (2)倾斜多煤层矿井，中型褶皱枢纽的探查。 A)石门配合立眼 B)石门配合煤巷探查复杂褶皱 2)井下钻探 第三节断层的观测与判断 一、断层出现前的可能征兆 (1)煤、岩层产状发生显著变化，伴生、派生褶皱发育。 (2)煤层顶、底板出现不平行现象 由于煤层比较松软，或者顶、底扳岩石力学性质差异较大，在受到断层的挤压和揉搓时，不同部位的变形性质和变形程度都存在差异，从而造成顶、底板岩层产状不一致。 (3)煤层出现厚度变化、揉皱和破碎现象 接近断层前，煤层经常出现增厚变薄、揉皱发育、结构破坏、滑面增多等现象，煤往往搓碎呈角砾状、粉沫状、糜控状或鳞片状，光泽普遍变暗。 （4）煤层及顶底板中节理显著增加 随着巷道接近断层，与断层相关的节理不断增加，密度增大，但紧靠断层附近，节理密度又有明显的下降趋势。 瓦斯涌出量明显增加 遇见断层前瓦斯涌出量出现驼峰现象。利用这些规律，可以帮助预见掘进前方有断层存在的可能性 巷道出现滴水、淋水和涌水现象。 二、断层的观测 1)断层位置的确定 通过测定断层至附近测量点或巷道交叉口的距离和方向，确定井下断层的空间位置。如果断层成组出现，应分别测定各断层面的位置，并确定出主断层面。 2)断层面特征的观测 断层面的形态特征，断层面上接痕、阶步、摩擦镜面和矿物薄膜的特征 3)断层带特征的观测 断层带的宽度和内部情况 4)断层两侧岩层层位、产状、伴生和派生构造的观测 包括确定断层两盘煤、岩层的层位；测量正常地段和断层影响地段的煤、岩层产状要素及其变化；观察煤层厚度变化，牵引现象，伴生小断层，派生羽状断裂、入字型分枝构造、帚状构造及其它旋卷构造等。它们往往是确定断层性质，鉴别力学属性。 5)断层产状与断煤交线的测量 6)断层的描述 巷道平面图加注数据 巷道剖面图加断面图 巷道平面加巷道剖面图 三、断失翼煤层的寻找 1．层位对比法 层位对比法是根据巷道揭露的断层另一盘煤、岩层的层位，结合断层产状来判断断层性质和地层断距的一种方法。 2、牵引褶皱 3、羽状节理 4.擦痕和阶步 5.断层泥与断层角砾 6.平行小断层 7.规律类推 8．作图分析法 作因分析法是根据地质制图的原理，结合断层的各种特征，进行断层对比联接，确定断层性质和断距的一种方法。 9）生产勘探 a)巷探 b)井下钻探 c)井下物探 第三章 岩浆侵入 第一节 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)岩床 也称岩席，是与层画呈整合接触的板状浸人体，厚度稳定积较大．多系基性岩浆顺层侵人而形成。 (2)岩盆 是—种层间整合接触的侵人体、呈中心下问的盆状 (3)岩盖 也是一种层问整合接触的侵入体，与岩盆不同的是底部平坦，顶部拱起，中央厚边缘薄。 (4)岩脉与岩墙 岩脉是指与围岩层理或片理斜交的脉状侵入体，其长度和深度远远 大于厚度，近于直立的板状岩脉称为岩墙。 (5)岩株 规模较大的侵入岩体，面积小于100Km2,与围岩较陡直接触。 (6)岩基 规模庞大的侵入岩体，面积大于100Km2 2．喷出岩的产状 火山锥 火山口附近由喷溢出来的熔岩流和火山碎肩物质堆积而成的锥状岩体。 第二节 煤系中岩浆侵入体的特征 (一)岩浆侵入体的产状特征 1．岩墙 岩墙切穿围岩层理，剖面上呈近直立的墙状(见图)，平面上呈条带状，厚度由数公分至到十米，一般在岩层中窄，在煤层中宽，长度由数米至数千米，岩墙受断裂控制，具有一定的方向性，并成组出现，岩墙以狭窄条带与煤层接触，对煤层的破坏和影响范围不大。 2．岩床 岩床大致平行围岩层理，多沿煤层侵入，厚度较小，面积较大，倾角平缓，形态复杂多样，从中心到边缘，可由层状过渡为似层状，再过渡为树枝状、串珠状和扁豆状。 （1） 层状是指煤层全部被岩浆熔蚀同化，侵入体厚度稳定，在较大面积上呈层状的侵入体； （2）似层状是指岩浆部分取代煤层，侵入体厚度变化剧烈，接触面呈波浪状，但平面分布连续且面积较大的侵入体 。 (二)煤系地层岩浆侵入体的岩性特征 (1)具斑状结构的岩石，要特别注意斑晶的矿物成分鉴定。 (2)不具斑状结构的岩石，应根据矿物成分和结合颜色深浅 (3)脉岩按其矿物成分与相应深成岩是否一致 (三)岩浆侵入体的接触变质特征 煤主要由有机物质组成，对温度的增高特别敏感。当岩浆侵入或接近煤层时，在高温、挥发物质和动压的作用下，引起煤的变质称为接触变质。接触变质的强弱、变质带的宽窄，受以下因素的控制： 1)侵入体的产状 2)侵入体的大小 3)侵入体在煤层中的位置 4)煤层距侵入体的距离 5) 侵入体的岩石性质 第三节 岩浆侵入煤层的规律 一、侵入规律 (一)岩浆侵入通道——断层 （二)岩浆选层侵入——层理面、层滑面和软弱层质 （三）岩浆侵入受煤层厚度的影响 煤层厚度越大，侵入煤层中的侵入体厚度越大，分布面积越广，形态越复杂。 （四）岩浆侵入受煤层结构的影响 （五）岩浆侵入受煤的物理化学性质的影响 （六）岩浆侵入受通道断层大小和煤层产状的影响 二、岩浆侵入分区 1)上冲区 指岩浆通道及其附近的地区。该区岩浆活动剧烈，侵入体在较大面积上呈层状、似层状，厚度大，岩墙发育，煤层几乎全部被熔蚀同化，为岩浆岩所替代，偶见少量天然焦，但混杂大量岩浆物质，煤层基本失去工业价值。 2)扩散区 指岩浆离开侵入中心，向外围扩散的区域。该区岩浆的熔蚀能力和变质作用锐减，各处差别较大，在扩散较弱地段，往往残留可采煤层或煤分层。 3)波及区 指扩散区外围，仅受岩浆高压热气波及的地区。该区偶有少量的单个岩体，也可能仅发现天然焦，而无扩散的岩浆侵入体。 第四节岩浆侵入体的观测与预测 一、井下观测 为了解决岩浆侵入的问题首要工作就是观测与编录。内容包括： 1．观察岩浆的颜色、矿物成分、结构、构造等特征，必要时采集标本作镜下鉴定； 2. 侵入体产状 3．测定岩浆侵入体与断裂构造的关系； 4．查明岩浆侵入体破坏的情况； 5．观测煤层被破坏的情况。 第四章岩溶陷落柱特征及其研究 陷落柱的中心轴 它是指陷落柱各平面形态的中心点的联线。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，中心轴大多不是垂立的，而是歪斜的，甚至呈扭转状态。 第四节 陷落柱的成因 一、岩溶发育的地质条件 1．地层结构条件（可溶性岩层） 2．构造条件（发育有良好的地下水通道） 含煤区域内，发育有良好的地下水通道，主要是指断层和裂隙，尤其是透水性好的张性或张扭性断裂。它们沟通地面水系、地下含水层段与可溶性岩、矿层之间的水力联系，因此陷落柱常沿岩溶化断裂带、褶曲轴部，特别是断裂交汇处呈串珠密集分布。 3、 良好的地下水动力条件 地下水交替循环快，排泄流杨，具有良好的地下水动力条件。一个地区的侵蚀基准面控制着地下水的交替和流动。侵蚀基准面以下，地下水流动缓慢，排泄困难，岩镕不发育。 4、具有丰富具有侵蚀性的地下水源 地下水源丰富，具有溶蚀性较强的酸根和较大的侵蚀“掏空”能力 。应该指出，有极少部分的陷落柱的塌落空间不是由于地下水的溶蚀作用造成的，而是由于地下水的机械作用把沈砂透镜体、断层泥堆积体等松软岩体冲刷带走造成的 5、新构造运动条件 新构造运动除了激发断层、裂隙的复活，此外还控制着岩溶水侵蚀基准面的变化。地壳上升，地下水位随之下降。地壳下降，地下水位便上升，例如霍县煤出、峰峰煤田等地区以自中生代以来都经历多次升降运动影响，地下水位时而上升时而下降，为在溶洞(裂隙)发生频繁的垂直运动或其他效应创造了条件。新构造运动是引起煤矿导水岩陷落柱的主要原因之一。 二、华北地区陷落柱形成主要时期 华北地区岩溶陷落柱发育时期始于晚古代二叠纪末，主要形成中生代燕山运动期间，结束新生代第三纪。 三 岩溶陷落柱溶洞塌陷机理 1、膏溶说 2、循环说 3重力塌陷说 4真空吸蚀塌陷说 一、 井下陷落柱出现前的预兆 1、煤、岩层产状发生变化 2、裂隙和小断层增多 3、煤出现风氧化现象 4、煤层中挤入破碎岩块 5、地下水涌出量增大 6、地温异常 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和编录。根据生产矿井对陷落柱观测和判断的基本要可归结为五查、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； 看陷落柱面与巷顶交线的弯曲方向和曲率。 五定包括： 定巷道理陷落柱的部位； 定陷落柱的形状； 定陷落柱的大小； 定巷道穿避陷落柱的距离；. 定处理陷落柱的措施。 第五章 煤层自燃 一、煤层自燃含义 残留在采空区的碎煤和煤柱，存放在地面的煤堆，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热量，致使煤的温度逐渐升高，一旦达到煤的燃点时，就会产生煤的自燃。 煤层自燃包括两大类型，即煤田煤层自燃和矿井煤层自燃。 二、煤田煤层自燃 煤田煤层自燃指在自然环境下，因为氧化聚热沿煤层露头引发的煤炭燃烧。煤田煤层自燃不断向深部发展形成大面积煤田火区。 1)煤田火灾类型 尚未开发的煤田的煤层露头及浅部一切非控制性的燃烧，统称煤田火灾。成因不同分为构造式煤田火灾、自燃式煤田火灾和开采式煤田火灾3类。 (1)构造式煤田火灾 煤层被断裂构造运动所形成的高温点燃而形成的煤田火灾。该类火灾分布在区域性大断裂带上，展布范围广，对煤炭资源的耗损大。这类煤田火灾现已熄灭，只可在遗址处见到几千米至十几千米连续不断的烧变岩和烧变角砾岩。 (2)自燃式煤田火灾 煤层在地壳上升运动和榴曲运动的作用下出露地表直接同空气接触而氧化聚热升温形成的煤田火灾。该类火灾分布于煤层露头处，燃烧规模大，对煤炭资源的损耗大。这类煤田火灾现已熄灭；但在其下建矿开采煤炭时，很容易使其复燃而 形成新的煤田火灾。 (3)开采式煤田火灾 因人类的开采、冶炼、取暖等活动引发的煤田火灾。该类火灾分布于煤层露头和废弃的小煤窑处。这类火灾目前多仍在燃烧。 矿井煤层自燃指在矿井的采空区或开采巷道内，于煤氧化后生成的热能不能及时散出，导致煤层燃烧的现象。 煤矿在开采过程中，在采空区或开采巷道内遗留大量的碎煤、浮煤和安全煤柱(碎煤和浮煤氧化表面积大，吸氧能力强；煤柱受矿压作用常形成大量裂隙，氧化表面积增大)，在采空区封闭不严，或巷道通风条件不好的情况，煤氧化后产生大量的热能不能及时散出，就可能导致矿井煤层自燃。 1、煤层自燃条件 煤层自然发火必须同时具备有可燃性的碎煤、有充分的氧气和适宜的蓄热升温的环境这3个条件，并且这3个条件持续足够的时间。 2、自燃阶段 煤层自然发火可分为潜伏期、自热期和燃烧期3个阶段 (1)潜伏期 是煤与空气相接触的初期，与氧气相互作用的过程较弱，本身没有明显的温升现象，周围环境也显现不出温升征兆。通常这一阶段持续的时间较长，且随煤类不同而有所不同。处于潜伏期的煤炭与氧相互作用的活性已被激化。通常用煤的氧化程度来衡量这一阶段煤的变化。煤的氧化程度是在实验室测定出按规定对井不同的处理后的3种着火温度的基础上计算出来的， (2)自热期 煤的温升明显，且上升速度逐渐加快；由于煤的吸氧能力自动加速，因而热量进一步积聚。 煤炭开始明显升温的特征值一般认为在60~80℃之间，但随煤类不同而异，这一温度值，称为临界温度。这一阶段煤的热效应明显，并开始出现煤的干馏，生成芳香族的碳氢化合物(CmHn)、氢(H2)和一氧化碳(CO)等可燃气体。 这一阶段使用常规的检测仪表即能测量出来，甚至能被人的感官所察觉。 (3)燃烧期 煤的氧化速度急剧加快，温升明显，且温度在临界温度以上，而空气和围岩的温度也显著上升，巷道中出现烟雾及特殊的火灾气味； 如果煤温达到着火温度，即会出现光和热的激烈反应，而引发一场自燃火灾。 二、影响自燃的因素 (一)自燃的内在因素 1、煤的变质程度 一般认为，煤的自燃倾向性是随煤的变质程度增高而降低。这是因为煤的燃点与挥发分含量密切相关。 2．煤的岩石组分 煤岩组分的类别、含量和相互关系，是影响煤自燃倾向性的基本因素。试验表明，不同煤岩组分的吸氧量、氧化速度和燃点明显不同。如果按丝炭、镜煤、亮煤、暗煤的顺序排列，则吸氧量和氧化速度依次降低；燃点顺序升高，自燃倾向性逐步减弱。一般认为，在自燃过程中，丝炭总是最先达到燃点而着火，是自燃的导火物质，镜煤燃点较低，因此，当煤层中丝炭含量较多，且与镜煤互层时，煤的自燃倾向性最大。 3．煤中黄铁矿含量 ， 煤中黄铁矿含量是影响煤自燃的重要因素。这是因为在有水和氧参加的条件下，黄铁矿发生化学反应而生成硫酸，该反应为放热效应，可使煤层温度升高。同时，由于黄铁矿转变为硫酸而从煤层中消失，以及硫酸对煤物质的溶蚀作用，致使煤结构变得疏松，促进煤的氧化进程。因此，当煤层中含有大量黄铁矿时，煤的自燃倾向性较强。 4．煤中水分的含量 煤中水分不仅增强煤的吸氧能力，加快氧化速度，而且改变煤体结构，使煤疏松破碎。因此，被水浸湿的煤，自燃倾向性较大。 (二)煤自燃的外在因素 1、地质因素 构造、煤厚、煤层倾角、顶板岩性 裂隙发育、破碎严重的煤体，由于空气和水能够渗入煤体内部，煤与空气的接触面积增大，煤的吸氧量增多，煤的氧化速度加快，因此断层带、褶皱挤压带和煤层厚度剧烈变化带内的煤体较完整煤体的自燃倾向性强。 煤层厚度越大、倾角越陡的煤层，由于开采时丢煤较多，地压较大，与采空区隔离条件较差，因此易于造成局部的生热和储热条化，自燃发火的危险性较大。 顶板坚硬的煤层，由于强烈的周期来压而使煤体压碎，因此易于造成局部的生效和储热条件，致使煤层自燃。 2．采矿技术因素 开拓方式、采区布置、开采方法，正确进行顶板、损失量和通风管理 井下煤的自燃，在很大程度上取决于采矿技术和管理是否正确。因此，根据煤的自燃倾向性强弱，合理选择开拓方式、采区布置和开采方法，正确进行顶板、损失量和通风管理，是防止井下煤自燃的基本措施。在有煤自燃倾向性的矿井，巷道布置应该简单，采区走向不宜过长，应采用后退式快速采掘，保证采面与采空区隔离，采空区要降低丢煤量和丢煤的集中程度，应加强通风，使氧化产生的热量不断向外扩散。 三、煤自燃倾向性测试方法及指标 一) 色谱吸氧测定法 色谱吸氧测定法是根据煤低温时吸附氧为单分子层物理吸附的原理，应用双气路色谱技术，测定约定温度下吸附流态氧量的大小，区分煤层自燃倾向性级别的方法。 鉴定时，煤样粒度为小于0.15mm,用量(1.0±0.1)g 以氮气为载气，流量为(30±0.5)cm3／min；以氧气作吸附气，流量为(20±0.55)cm3／m, 煤样吸附时间为20min，空管吸附时间为5min。脱附时间至峰线达极限止。测定前，将煤样在氮气气流下于105℃的温度下处理1.5h，除去水分；然后将装好样品的样品管置于30 ℃的环境下测定煤的吸氧量。测定后，以每克干煤在常温(30℃)常压下的吸氧量作为煤的自燃倾向性分类的主指标，按表2—15及表2—16规定的指标将煤的自燃倾向性划分为3级。 二)氧化速度测定法 该法是以煤的氧化速度，作为衡量自燃倾向性的指标。在25℃的条件下，将双氧水加入煤样并搅拌之，同时测定煤样温度随时间而增高的数值，用所达到的最高温度和所得的时间，划分煤的自燃等级。 三)燃点温度降低位测定法 该法是以低温氧化煤样燃点温度的降低值，作为衡量自燃倾向性的指标。可通过测定煤低温氧化前后的燃点温度，求出其温度降低值△T，划分煤的自燃等级。 四、煤层自然发火期的确定 在一定条件下，煤炭从接触空气到自燃所经过的时间称煤层自然发火期。 矿井煤层自然发火期可划分为煤层巷道自然发火期和采煤工作面自然发火期。煤炭自然发火期随煤的煤化程度；含有的可起催化或阻化作用的矿物质的多寡；煤层所处的地质构造状态；煤层开采时期选用的开拓、采掘、通风技术及气象条件等的不同而不同，变化的幅度较大，在十几天到几年。据统计，中国烟煤矿井煤层的自然发火期变化在1~12个月之间。 煤与氧气接触释放出足够的挥发分，与周围大气形成可燃混合物的最低燃烧温度值，称煤着火温度。 煤的着火温度随煤的煤化程度不同而异。煤化程度高的煤，着火温度则高。掌握煤层着火温度，可对煤层自然发火进行预测。我国测定煤炭着火温度的方法，是将煤样与氧化剂(亚硝酸钠)按一定比例混合，放入着火温度测定装置或自动测定仅中，以一定的速度加热到一定温度时，煤样完全燃烧，测量系统内空气体积突然膨胀或升温速度突然增加时的温度，作为煤的着火温度。 中国测定的煤炭着火温度：褐煤、长焰煤小于305℃，长焰煤、气煤为305—345℃，气煤、肥煤、焦煤为345~385℃．贫煤、瘦煤为380~410℃，无烟煤大于400℃。 1．直接灭火法 直接灭火是指在人员可以直接接近火源的情况下，用水、砂子、灭火器材灭火或挖除火源。 2．间接灭火法 间接灭火是在不能直接灭火时采取的防灭火措施。常用的间接灭火方法有黄砂土覆盖，打钻注水、灌浆，鱼鳞坑注水和井下密闭方法。 3．综合灭火法 综合灭火是指根据火区的具体条件而选用的多种灭火手段的综合灭火措施。它适用性强，可满足因地制宜，就地取材，技术可行，经济合理的灭火原则。 间接灭火方法 地面灭火 黄(砂)土覆盖灭火法是利用覆盖的黄(砂)土层断绝火区的供氧而扑灭火区的方法。 其灭火周期长、温度降低慢，适用于扑灭处于戈壁或平原地区、燃烧蔓延速度快、火源较深和近期末列入开发、开采计划的煤田中的火区。黄(砂)土覆盖和灌浆灭火法，在缺土少水的地区不适宜采用。 打钻注水、灌浆灭火法适用于扑灭火区面积大且处在山区，地表龟裂、塌陷严重，裂隙大，且近期计划开发、开采的煤田中的火区。 灌浆灭火法是扑灭煤田火灾最有效的方法之一，它不仅具有热容量大特点，还可起到堵塞裂隙、包裹媒体、隔绝供氧，阻止氧化的作用。 井下灭火 井下经常采用的灭火方法是矿井密闭防灭火技术。这是一种采取封闭措施断绝氧气来源的矿井防灭火技术。 封闭措施指封堵漏风以达到矿井正常生产期间防火和灾变期间灭火 的技术手段。它包括建筑各种密闭、建立隔绝带、留隔离煤柱、堵塞各种裂隙、形成采空区压实带、人工假顶及水封等。 建立密闭是实施密闭防灭火技术的基础。封闭区如果有尚未开采的煤炭资源，暂时无法继续开采，只有等待火区内大火完全熄灭后才能继续开采。 第六章 地 温 一、地温带的划分 1、变温带 2．恒温带 恒温带的深度，我国一些矿区多在地下20～30m的深度上。可按下式算出 3．增温带 增温带是指恒温带之下，主要受地球内热控制，温度随深度增加而增高的层带。但是，增温带内某一点的温度是常年不变的。增温带中温度随深度的变化率是用地温梯度或地温级来表征。 地温梯度是在增温带内指向地心方向，单位距离内温度增加的数值。它是以深度每增加100m地温增高的度数(℃/100m)或深度每增加lkm地温增高的度数(℃／km)来表示。 地温级与地温梯度互为倒数。地温级是以地温增高1℃深度增加的米数(m/℃)来表示。 二、影响煤矿地温异常的因素 1、岩石的导热性 一般说来，高热阻、热导性低的岩层具有较大的地温梯度。 在沉积地层中，岩性较为单一时，地温梯度基本不变，近于一个常数；岩性多样时，各种岩性的热物理性质差异较大，因而地温梯度的变化大。煤层的热阻最大，地温梯度大。 二、影响煤矿地温异常的因素 2、矿区基底起伏与褶皱构造 3．矿区邻近深大断裂 高角度的断裂带发育时，地下深部的热水沿断裂带上涌，把热量带到了浅部或地表，使浅部或地表温度增高。 深大断裂是地下探部热载体(如水、气和岩浆)通达地表的良好通道，邻近深大断裂热流值偏高。如我国东部郊庐断裂带是一条长期多次活动的深大断裂，在断裂带附近地温普遍偏高。 4．矿区地下水活动 地下水对地温场的影响，受地下水活动方式的控制，归纳起来有三种情况 1)地下水强烈活动区. 2）大型自流井盆地 3)深循环热水上升区 5．局部热源影响 1)岩浆侵入体的余热 2)放射性元素的富集 3)硫化矿床的氧化热 6．人为因素影响 六．矿井热害的防治 一般来说，若空气温度超过27℃，人体散热就极为困难，并可能从空气中吸热而使人体热平衡破坏。因此，我国《煤矿安全》 (2006版)规定： 1、进风井口以下的空气温度(干球温度)必须在2℃以上； 2、生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃， 3、机电设备硐室的空气温度不得超过30℃； 4、当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇； 5、采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃，必须停止作业； 新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算。生产矿井应采取积极的措施，降低作业场所的空气温度，如加强井下通风．采用喷水降温等，保护井下作业人员的身体健康，避免因温度过高而引发安全事故。 第七章 井巷工程地质条件 一、岩石的物理性质 1．岩石密度 岩石密度是指岩石基本集合(固相、液相、气相)的单位体积质量。岩石密度又分为颗粒密度和块体密度。 (1)岩石颗粒密度 又称岩石固相密度，是岩石固相质量与固相体积之比，不包括岩石空隙，其大小主要取决于组成岩石的矿物密度。 岩石颗粒密度常用相对密度来表示，即以岩石固相质量与同体积的4℃水的质量之比来表示。一般岩石的颗粒密度介于2．5—3．3之间。 (2)岩石的块体密度P 岩块单位体积的质量。其大小不仅决定于组成岩石的矿物成分，而且也决定于岩石的空隙性和含水情况。一般情况下，由于固结岩石的孔隙率不高，因此岩石的块体密度接近于固相密度。 一、岩石的物理性质 2．岩石孔隙率 岩石孔隙率是指岩石中孔隙总体积与岩石总体积之比。孔隙又分开型与闭型两类。与大气连通的孔隙称开型孔隙，与大气隔绝的孔隙称闭型孔隙。岩石孔隙率是开型孔隙率与闭型孔隙率之和。 3．岩石吸水性 (1)岩石吸水率Wa 单位体积岩石在大气压力下吸收水的质量(Mwj)与干质量(Mg)之比。即 Wa= Mwj/ Mg 通常是将绝对干燥岩石浸于水中测定其吸水能力。岩石的吸水率反映岩石中裂隙的发育程度。 (2)岩石饱和吸水率Wp 是指单位体积岩石在15MPa下或真空条件下吸收水的质量(Mw)与岩石试件干质量(Ms)之比。即 Wp＝Mw/ Ms 岩石饱和吸水率反映岩石中小裂隙发育程度。 (3)岩石饱水系数(Kw) 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)的比值。即 Kw= Wa /Wp 岩石饱水系数反映岩石中大裂隙占总裂隙体积的比例，是评价岩石抗冻性的重要指标。岩石的饱水系数一般为0.5~0.8。 二、岩石的力学性质指标 1．变形指标 (1)弹性模量E 单向受压(或拉伸)条件下，在弹性变形范围内压应力(或拉应力)σ，与轴向应变ε之比，即 E=σ/ε (2)泊松比μ 岩石在单向受压条件下，横向应变εh与纵向应变εv之比。即 μ=εh/εv 2．强度指标 岩石抗压强度σ： 岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力，岩石抗压强度的大小决定于岩石的成因、矿物成分、胶结物成分、结构、构造、孔隙率和风化程度等。 岩石抗剪强度τ： 岩石在剪力作用下抵抗剪切破坏的能力。 岩石抗拉强度： 岩石的抗拉强度是指岩石在单向拉力作用下抵抗拉断破坏的能力。 抗弯曲强度：岩石的抗弯曲强度是指岩石在弯曲应力作用下抵抗弯曲折断的能力。 岩石坚固性 岩石抵抗外力作用的总强度，以普氏硬度系数(fkp)表示。单向抗压强度为10MPa的岩石，其硬度系数为1。各种岩石的硬度系数， 用公式fkp=σ／10求得。 三、岩石的工程地质分类 1．按岩石强度分类 2．按岩石坚固性分类 岩石按坚固性分为极坚固岩石、坚固岩石、中等坚固岩石和不坚固岩石。 3按风化程度分类 岩石按风化程度可分为微风化、中等风化、强风化3类 四、岩体结构特征岩 4、岩体结构面发育的定量指标 岩体的完整性即岩体的开裂或破碎程度．反映不同成因、不同规模、不同性质的结构面在岩体中的发育情况，通常以岩体中结构面发育程度的统计值(如裂隙率、裂隙宽度统计)、完整性系数和RQD值(岩石质量指标)表示。 1）裂隙率和裂隙宽度 裂隙发育程度常用裂隙率和裂隙发育宽度表示。裂隙率是岩体中裂隙的总体积与所测岩体总体积之比。实际工作中则常用裂隙所占的面积(∑Ab)与所测岩体的总出露面积(A)之比来表示，即面裂隙率(Jn)。 Jn=∑Ab/ A 按面裂隙率，将裂隙性分为3级：弱裂隙性，Jn ≤2％；中等裂隙性，2％＜Jn ≤8％,强裂隙性，Jn＞8％。 2）完整性系数Ky， 常用弹性波法测定岩体的完整系数Ky、来评价结构面的发育程度。它是原位岩体的纵波速度μm的平方与岩石试样的纵波速度μr平方的比值， 3）岩石质量指标RQD 长度大于等于10cm的岩芯累计长度占钻探长度的百分比。RQD用来评价钻探时岩芯完好程度。 第二节矿井动力地质现象 一、矿山压力 矿山压力，简称矿压或地压，它是矿山采掘工程引起的，在围岩中重新分布的力，在矿山压力作用下围岩或支护物呈现的各种力学现象，称为矿山压力显现。诸如井巷围岩的开裂、塌落、滑移、膨胀和蠕变，采场顶板的下沉和冒落，煤壁的片帮和掉块，底板的隆起以及煤、岩、水、瓦斯的突出、涌出和冲击等，都为矿山压力显现。根据煤矿工程管理分工，通常将矿山压力分为井巷地压、采场地压和冲击地压。 一）井巷地压 井巷地压以井巷原岩的变形和破碎表现出来。前者称为变形地压，后者称为破碎地压。 一）井巷地压 变形地压以围岩变形量的大小来衡量，破碎地压以冒落岩块的质量和井巷四周破碎带的宽度来衡量。围岩变形和破碎最大的方向为来压的方向。自上而下作用于巷顶的称顶压，来自巷道两帮围岩的压力称侧压，自下而上作用于巷道底板的压力称底压。 井巷地压的大小，主要决定于围岩的物理力学性质和岩体结构特征、自重应力和构造应力的大小、地质构造的发育和展布情况，以及地下水的赋存和水压大小等。减小井巷地压的最好是选择工程地质良好的层位布置巷道。如果把长期使用的基建巷道布置在吸水膨胀的泥岩、泥灰岩或凝灰岩中，距离高压含水层近的上述岩层内，巷道将产生严重底板隆起或两帮出现的破坏变形。在煤层倾角较大的矿井，还出现底板滑动的现象。 2、采场的应力分布 采场的应力分布是指回采工作面在采动过程中应力的分布及其变化。 3．采场的顶板活动 (1)初次垮落与初次挎落步距 开切眼两侧有与巷道相类似的支承压力。在工作面推进时，直接顶跨度不断增加，支撑压力的应力集中系数将有可能超过2—3。当直接项达到极限跨度时，采空区进行初次放顶，直接顶开始初次垮落。初次垮落时，自开切眼到支架后排放顶线的距离称为初次垮落步距。直接顶经初次垮落后，其由两边支撑状态．变为悬臂状态，工作面顶板将加速下沉，支架压力也有所增高，基本上也就随着回采与放顶而垮落。初次垮落步距的大小决定于直接顶岩石的强度、直接顶的分层厚度以及直接顶内裂隙的发育程度，它是评价直接顶稳定性的一个综合指标。 (2)初次来压与初次来压步距 由于垮落的直接顶往往不能充满采空区，使基本顶处于悬空状态，这时工作面煤壁上所承受的支撑压力，又随着基本顶跨度的增加而加大。 当基本顶也达到极限跨度时，也就发生断裂而垮落，使工作面顶板下沉量及下沉速度急剧增加，呈现普遍来压现象。基本顶初次断裂前后在采煤工作面引起的矿山压力显现，称为基本顶初次来压。基本顶初次来压时，自开切眼到煤壁的距离，称为基本顶初次来压步距 (3)周期来压与周期来压步距 基本顶垮落以后，其上部岩石的重量主要压在垮落的碎石上，从而减轻了工作面煤壁的负担，支承压力及其影响范围有所减少，这时靠近工作面处的直接顶与基本顶悬露长度比较短，工作面空间得到基本顶悬臂梁的保护。当工作面继续推进，基本顶悬顶距又逐渐加大，挠度相应增加．煤壁内的支承压力也继续增长，达到极限跨度又一次破断，再次呈现普遍来压现象。这种基本顶周期培落前后在采煤工作面引起的矿山压力显现，称为周期来压。 (1)垮落带 由于采煤引起的上覆岩层破裂并向采空区垮落的范围。垮落带的高度主要决定于煤层厚度、倾角和顶板岩石的碎胀系数。对于缓斜煤层，大多数长壁工作面采空区斜长较大，垮落带形状基本上呈平顶形；其他斜长较小的采空区，则为拱形。倾斜煤层的垮落带形状为倾斜上方较高，下方较低的拱形。 (2)断裂带 垮落带上方的岩层产生破裂或裂缝，但仍保持其原有层状的岩层范围。此带岩体碎胀系数甚小。断裂带性状与垮落带性状相仿。 (3)弯曲带 断裂带上方，直至地表产生弯曲的岩层范围。因弯曲带离采空区远，裂隙稀少，互不沟通，岩层仅呈整体的变形移动。 5、冲击矿压 冲击矿压是矿井开拓开采过程中矿压活动的一种突发形式。井巷或工作面周围煤(岩)体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，称冲击矿压。 冲击矿压的主要特征有：类似爆炸的巨声，巨大的冲击波，强烈弹性振动，煤体挤压移动(在顶板下层面上留有清晰擦痕)或粉碎(靠近顶底板处出现粉状煤)，顶板下沉、底板鼓裂。 第三节 煤层顶、底板 一、煤层顶、底板层序 煤层顶板是赋存在煤层之上的邻近岩层。煤层底板是赋存在煤层之下的邻近岩层。 1.顶板 (1)伪顶 直接位于煤层之上极薄、松软的随采随落的极不稳定岩层，通常是由强度低、易垮落的炭质泥岩组成。其厚度一般在0.5 m以下。 (2)直接顶 位于伪顶之上或直接覆盖于煤层之上的一层或几层岩层，通常由砂质页岩、泥岩、粉砂岩等比较易垮落的岩层组成。其在开采过程中常随回柱或移架而自行垮落，有时则需人工放顶。 (3)基本顶 又称老顶。位于直接顶之上，或直接覆于煤层之上，通常由厚(大于2m)而坚硬的砂岩、砾岩、灰岩等组成。在采空区，基本顶能维持很大的悬露面积而不随直接顶垮落。 2.底板 (1)直接底 直接位于煤层之下，强度较低的岩层，通常是由泥岩、炭质页岩、黏土岩组成，遇水常易滑动或吸水膨胀，支承力较弱。 (2)基本底 又称老底。位于直接底扳之下，也有直接位于煤层之下的，通常是由比较坚强稳定的砂岩、石灰岩等组成，支承力较强。 二、 煤层顶、底板对煤矿生产的影响 1.影响回采工作面正常生产 2.顶、底板的破坏可导致突水事故 3.影响支护密度、支护形式及支护性能 三、煤层顶底板条件类型 1.直接顶分类 缓倾斜煤层采煤工作面按直接顶在开采过程中的稳定程度，即依据直接顶初次垮落平均步距l，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，将直接顶扳划分为4类 表中为直接顶初次垮落距，是指垮落高度超过0.5m，沿工作面方向垮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 按缓倾斜煤层采煤工作面基本顶来压显现强度，基本顶划分为I~Ⅳ级。 3.伪顶分类 4.煤层底板分类 四、 煤层顶、底板的研究方法 ，(1)分析特征变化 (2)分析研究井田地质构造展布规律及其对顶板条件的影响 (3)测试岩性 (4)相似对比 (5)编制顶板条件类型预测图和顶板地质险情分析图 课堂作业 1、简述煤层厚度变化原因及其特点 2、简述煤矿井下断层的观测主要内容 3、简述煤矿井下巷道施工过程中断失翼煤层的寻找主要方法（要求如何判别，如需用图表示说明的可绘出示意图) 4、当岩浆侵入或接近煤层时，在高温、挥发物质和动压的作用下，引起煤的变质称为接触变质。简述影响接触变质的强弱、变质带的宽窄主要因素。 5、影响煤矿地温异常的因素有那些？ 6、简述岩溶陷落柱的形态及其结构特征