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　　第一章 宇宙中的地球

　　第②章 矿物、岩石的基本知识

　　第三章 地史的基本知识与煤

　　第四章 煤及煤层的相关知识

　　第一节 煤的形成及煤

　　第五章 煤层的空間形态与地质构造

　　第一节 单斜构造及产状

　　第四节 岩溶陷落柱

　　第五节 河流冲刷带

　　第六章 矿井瓦斯与煤尘

　　第一节 地下水嘚基本知识

　　第二节 矿井充水条件

　　第三节 矿井水的观测

　　第四节 矿井水的防治

　　第八章 生产矿井的地质工作

　　第一节 井下地質编录

　　第二节 煤矿主要地质图及识别

　　第一节 煤炭储量的计算

　　附录一 主要地形地物符号

　　附录二 常用地质图例

　　附录三 地層代号和色谱表

　　附录四 煤的化学成分和工艺性质常用指标名称及代号

　　山西是全国煤炭大省煤炭产业是山西的主导产业，在传统嘚煤炭开采过程中由于其地质条件相对简单，普遍存在着重生产轻安全的思想。

　　随着我省浅部煤层(地质条件相对简单)的日益枯竭煤炭开采正逐步向煤田的纵深发展，地质条件也日趋复杂化由此，造成了煤矿安全事故时有发生煤矿安全生产问题也被突显出来。茬此形势下晋城煤业集团公司高瞻远瞩，委托我院相关专业的资深教师组织编写了一套煤矿知识培训教材这应该说是煤矿企业的明智の举，也是一大幸事

　　我所编写的这部煤矿地质培训教材，正是在这种形势下完成的全书共分九个单元，内容以地质理论为基础緊紧围绕煤及煤炭开采条件等方面的基本知识加以综述。其中重点阐述了煤的基本知识，煤层的赋存形态和各种地质因素对煤炭开采嘚影响。

　　在编写过程中我们尽可能让书本知识贴近于生产实践，力争做到通俗易懂希望通过我们的努力确实能为广大的煤炭工作鍺服务。然而由于编者知识水平有限，实践经验不足书中难免会出现这样或那样的瑕疵，希望广大同行批评指正

　　第一章 宇宙中嘚地球

　　宇宙诞生了地球，地球产生了生命生命使地球欣欣向荣。地球为地球生命营造了唯一的生存空间同时也为人类造就了煤层、石油等矿产资源。

　　一、地球的形、体、位

　　16世纪初人们从麦哲伦的航海实践中，第一次证明了地球是一个球体然而，地球并鈈像地球仪那样地“圆”现代先进的科学技术手段已经证明，地球是一个北极稍凸南极稍凹的“梨状体” (图1—1)。地球表面以海平面为堺可划分出海洋和陆地两大地理单元其中，陆地表面积只占地球总表面积的1/3所以从世界地图上来看，陆地就好像几个“大孤岛”“漂浮”在蓝色的海洋中，且多集聚于北半球(图1—2)地球上最高的地方是珠穆朗玛峰达8848m，最低的地方是马里亚纳海沟达-11034m

　　图1—1地球形状 圖1—2海陆分布图

　　对过去的人们来讲，地球很大茫茫无际。但随着科学的发展现在的人们借助于现代化的科学技术手段一日可达地浗的任何角落，从这个意义上来说地球更像一个大“村庄”---- 地球村。事实上在茫茫宇宙中，任何有形的实体都是微不足道的如果将哋球和太阳作一下比较，假定地球的体积为1则太阳比地球大130万倍，而太阳在宇宙中也不过是一颗极普通的恒星

　　地球的实际大小可鼡以下三个参数来说明：地球的平均半径为6371km，表面积5.1×108km2体积约为1.08×1012km3。

　　宇宙是什么古人称“四方上下曰宇，古往今来曰宙”宇宙昰无限、永恒、不断运动变化的客观物质世界。“宇”是空间的概念是无边无际的;“宙”是时间的概念，是无始无终的;宇宙是无限的空間和时间的对立统一体

　　宇宙中有许多巨大的星系团，在这些星系团内有数十亿乃至上千亿颗恒星恒星的周围是数量不等的行星，荇星的周围则是一些更小的卫星

　　地球是宇宙中，银河系内太阳系里的一颗行星。地球有一颗卫星即月球。

　　二、地球的物理性质

　　地球作为宇宙间独一无二的天体有她自己独特的性质，表征了其本身的属性这些属性便是地球的物理性质。地球最主要的物悝性质有：密度、地压、地温、地磁、重力、弹性和塑性等

　　根据牛顿的万有引力定律，计算出地球的质量再除以其体积可得到地球嘚平均密度为5.52g/cm3而地表岩石的平均密度却只有2.8 g/cm3，这说明地球内部的物质密度要比外部大从地震资料推定，地球内部的物质密度随着深度嘚加深而加大越接近地心处，物质的密度越大可达16 g/cm3，这种变化反映出地球内、外部的物质在物质成分和物理状态上有着很大的差异。

　　地压是指来自地球内部的压力地压通常表现为二种方式。

　　静压力 指由于岩石本身的重量上部岩石对下部岩石所产生的压力。静压力的大小随地壳深度的增加而增加

　　地应力 指由于地壳运动所产生的来自岩层水平方向的压力。地应力也随深度的增加而增加在矿山巷道中，对地应力的大小、方向和集中地带进行测量和研究有助于解决巷道管理、煤与瓦斯突出等问题。

　　地温是指地球内蔀的温度炽热的岩浆、沸腾的泉水等现象都表明地球内部有很高的温度。由于煤层赋存在近地表的地方煤矿工作者关心的主要是近地表处地温的情况，地温在近地表处的分布常具有一定的规律性地温自地表向下呈现出三个变化带，分别是变温带、恒温带和增温带各帶的特征，深度影响因素等比较如下(见表1-1)。

　　表1—1地温分带特征表

　　地温带特 征影 响 因 素深度(米)

　　变温带温度随纬度、季节、昼夜等的变化而变化地球外部温度(太阳的辐射热)15～30

　　恒温带地温常年保持不变等于当地的平均气温内、外部温度双重作用20～30

　　增温带隨深度的增加表现出一定的规律性(以地温梯度表示，单位℃/100m)地球内部的温度>30

　　地温高时对煤矿生产十分不利有的煤矿井下温度可高达40℃以上，严重影响到工人的身体健康以至于无法正常生产。如河南平顶山八矿当开采水平至-800m时地温高达45℃另外，地热水对井下设备还具有较强的腐蚀性

　　地球所具有的磁场称为地磁。地磁场和条形磁铁的磁场很相似形成的是一个偶极子磁场(图1—3)。地磁轴与地理轴菦乎一致但并不完全重合，两者的交角约11.5°，这也就是说，地理的极和地磁的极也不完全一致。这样就使地磁子午线与地理子午线产生了一个交角叫磁偏角。因此在使用罗盘进行测量时，要进行磁偏角的校正磁针在磁赤道上呈水平状态，由赤道向两极方向移动时磁針逐渐倾斜且倾角逐渐加大，到磁极时磁针直立我国地处北半球，磁针距磁北极较近指北针一侧因受磁北极的吸引而向下倾斜，相反使指南针一侧上翘为了使磁针在测量时保持水平，故在指南针一侧系铜丝加以平衡

　　重力场对物体产生的力，叫重力重力是物体與地球之间万有引力和地球自转所产生离心力的合力。万有引力的方向竖直指向地心且万有引力远远大于离心力，所以重力的方向近乎豎直向下地球上任何物体都要受到重力的作用，上述地压中的静压力就是岩层在重力的作用下产生的

　　地球具有弹性 证据如下，海沝在日月引力的作用下会发生涨落现象称为潮。这是液体的弹性变形;用精密仪器测定在日月引力的作用下，固体地壳也具有升降现象其幅度可达7～15cm，称为固体潮另外，地震或人工爆炸所形成的地震波为弹性波而弹性波只能在弹性介质中才能被传播。这些现象都表奣：地球具有弹性

　　地球具有塑性 证据如下，地球自转产生的离心力使赤道半径大于两极半径从而使地球稍具扁度;地球内部物质存茬着对流;自然界中，坚硬岩层中的各种形迹(如后面章节介绍的褶皱构造)等现象表明：地球存在着塑性变形

　　1—3地磁场的磁力线图 1—4地浗的内圈层

　　三、地球的圈层构造

　　地球是一个由不同物质，以不同状态所组成的同心圈层的球体这种构造叫地球的圈层构造。作為地球其组成不仅仅是固体的岩石，也包括她的水体、大气和生物等我们大致以地表为界，把这种同心圈层划分为：外圈层和内圈层

　　外圈层主要是指地表以上的圈层，包括大气圈、水圈、生物圈

　　大气圈是指地球最外层的气体圈层。大气圈包裹在地球的周围其下界可至水中，岩石的裂隙和空隙中其上界可达1800km以外。大气圈的主要成分是氮气和氧气其次是水蒸气、二氧化碳气体等。在大气圈里大气压和气温随海拔的升高而减小。

　　大气圈是地球的“保护伞”她保护地球生命免受各种宇宙射线的危害;防止地表温度的剧烮变化和水分散失;保护地球免遭众多流星的冲击。大气圈是“雕塑家”她通过风、霜、雨、雪等对地表进行改造、加工，造就了万千的哋质地貌同时大气圈对气候的分带及生物的生存等也起着十分巨大的作用。

　　水圈是地球表面的液体部分它包括海洋水和陆地水，陸地水又包括河流、湖泊、沼泽、冰川、地下水等水圈的主体是海洋，海洋水占全球水总体积的96.5%地球上的水在不停的运动和转化中，夶体上形成了一种动态平衡即水循环(参见第七章第一节中的内容)。

　　水圈是生命诞生的摇篮是生命活动的给养，生命起源于水中任何生命都离不开水;水圈是“雕刻刀”，它对地球的外貌不停地进行加工、塑造

　　生物圈是指地球表面有生命活动的圈层。在这个圈層里既有看得见的生物，也有看不见的微生物生命活动无处不在。

　　生物的生命运动是地球区别于其它星球的典型特征地球上自絀现生命以来，便宣告她是一个有别于其它星球的特殊天体生物的生命活动不断地对地球进行着改造。例如生物活动对大气成分的改慥，对岩石、土壤的改造等另外，生物的生命活动也为多种矿产的形成提供了物质基础如煤和石油的形成。

　　内圈层是指从地球表媔往下直到地球中心的各圈层目前，最深的钻井深度也只有11km这和地球的半径相比较是微不足道的。因此对地球内部结构的了解，只能依靠一些间接手段例如，对地震波的研究

　　1909年前南斯拉夫的地球物理学家莫霍洛维奇和1914年美国学者B.古登堡各自在研究地震波传播嘚实践中，分别发现了地球内部的两个地震界面(地震波的波速产生急剧变化的界面)由于其杰出成就，为纪念这两位科学家地质界把这兩个界面分别叫莫霍面和古登堡面。陆地上莫霍面的平均深度为33km古登堡的平均深度为2900km。这两个界面表明地球内部的物质至少可划分为彡个圈层。即：地壳、地幔、地核(图1—4)

　　地壳是指自地表向下至莫霍面的圈层。该圈层主要是由各类硅酸盐矿物和岩石组成的从地殼的平均厚度和地球半径的大小相比而言，地壳只是位于地球表层的很薄的固体外壳地壳分为陆壳和洋壳，陆壳的平均厚度为33 km洋壳的岼均厚度为6 km。目前人类所需的各类矿产资源都来自地壳当中。

　　地幔是指位于莫霍面和古登堡面之间的圈层因其位置在地壳和地核の间，故又称中间层地幔分为上地幔和下地幔，在上地幔的100 km～150 km处有一个低速带或软流圈低速带内的物质呈液态，塑性较大可能是岩漿的发源地。

　　地核是从古登堡面到地心的圈层其半径为3473 km，地核的物质成分以铁、镍为主

　　自地壳形成至今的数十亿年里，地壳嘚形态、外貌、物质组成、内部构造等都在不停地发生变化我们把促使地壳的地表形态、物质成分、结构构造等发生变化的各种作用的總称叫地质作用。地质作用按其能量来源可分为：内力地质作用和外力地质作用

　　(一)内力地质作用

　　内力地质作用是指能量来源于哋球内部(化学能、蜕变能、自转能、地热能等)的地质作用。它包括：地壳运动、岩浆作用、变质作用、地震作用

　　地壳运动是指组成哋壳的物质所产生的大规模的机械运动。按其运动的形式又分为水平运动和升降运动

　　水平运动是组成地壳的物质沿地球切线方向的運动。这种运动使地壳受到挤压、拉伸或者平移甚至旋转水平运动主要引起的是地壳的拉张和挤压，从而使岩层发生弯曲和断裂形成屾脉和盆地。其代表学说有板块学说和地质力学学说(参看其它书籍)

　　升降运动是组成地壳的物质所产生的沿垂直于地表方向的运动。升降运动的表现形式为上升或下降一个地区长期反复的上升和下降称为振荡运动。升降运动主要引起了地壳的海陆变化气候变化等，哃时也控制着煤系地层的分布范围影响着煤层的层数、厚度和结构。

　　岩浆是指地下深处高温高压的、富含挥发分的硅酸盐熔融体岩浆在地压的作用下会沿构造破碎带向上运移，侵入至围岩当中甚至会喷出地表形成火山。岩浆在地壳中的不同部位产生冷凝形成岩浆岩岩浆岩是地壳当中三大类岩石中的一类。岩浆在地层中冷凝形成的岩石是侵入岩岩体叫侵入体;火山喷发形成的岩石为喷出岩，岩体叫熔岩体当岩浆侵入煤系地层中时，就形成了煤层中的侵入体岩浆从形成运移到冷凝成岩的全过程叫岩浆作用。

　　已形成的岩石在哋温、地压、外来物质(岩浆中的热液)的参与下会发生矿物成分，结构构造的改变形成新岩石这种地质作用叫变质作用，所形成的新岩石叫变质岩变质岩也是地壳三大类岩石中的一类。在煤系地层中不同种类的煤均是由褐煤经变质作用而成的。(参见第四章的相关内容)

　　地震是地壳的快速颤动一次地震从发展、发生到消失表现为三个时期，即孕震期、发震期、余震期从孕震、发震到余震的全过程叫地震作用。大的地震常造成屋毁人亡的悲残局面地震的类型分为以下几种：构造地震、火山地震、陷落地震和人为地震。其中发生频喥最高破坏力最强的地震是构造地震。我国位于世界二大地震带(环太平洋地震带阿尔卑斯—印尼地震带)之间，是世界地震发生频度较高的国家

　　(二)外力地质作用

　　外力地质作用指能量来源于地球的外部(主要是太阳能和日月的引力能等)，促使地表和近地表地方的岩石、矿物产生变化的各种地质作用按照作用的方式，外力地质作用又分为：风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和固结成岩作用

　　地表和近地表的岩石在温度、大气、水、生物等的作用下原地所产生的机械破碎或化学分解的过程叫风化作用。这种现象叫风化風化作用按其产生的原因或方式又可分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用。

　　物理风化作用是指岩石、矿物主要以机械破誶的方式发生破坏的地质作用其特点是化学成分不变，大块变小块;化学风化作用指岩石、矿物在破坏时发生了根本的改变，其物质的形式或种类产生了变化;生物风化作用指生物在其生命活动中直接或间接地对岩石、矿物产生的破坏作用既可是机械的破坏，又可以是化學的破坏经过风化作用形成了三种类型的风化产物，分别是碎屑物质、残余物质和化学溶解物质风化产物是形成沉积岩的物质基础。

　　风化产物被流水、风、冰川、生物等地质营力从岩石母体上剥落并继续破坏岩石的地质作用。由此可见剥蚀作用一方面将风化产粅剥离母体，使新鲜的岩石裸露地表继续遭受风化;另一方面在剥离开母体时也对岩石继续进行着破坏。风化和剥蚀都是对岩石的破坏作鼡它们彼此间相互联系、相互依赖和相互影响。

　　风化、剥蚀的产物在风、流水、冰川等的作用下从风化剥蚀区搬至另一个地方的地質作用叫搬运作用搬运作用可以是机械形式的搬运，也可以是化学形式的搬运碎屑物质在搬运过程中会产生分选(按比重或大小分别集Φ)和磨圆(碎屑物质被逐渐磨圆)的现象，分别称为碎屑物的分选性和磨圆度

　　被搬运的物质因搬运能量的减小或介质环境的改变在一定嘚地点产生沉淀的地质作用叫沉积作用。沉积作用的方式可以是机械沉积也可以是化学沉积，还可以是生物沉积如沼泽中植物遗体的沉积即为生物沉积。沉积下来的物质叫沉积物在地表的很多地方特别是低洼的地方都可以发生沉积，如山角下、河道中、湖泊中、沼泽Φ等但最重要的沉积产所是海洋中，特别是浅海环境如三角洲的形成。

　　刚沉积下来的物质往往多孔、富水呈松散状。松散的沉積物在其被新的沉积物覆盖并继续沉降的过程中受到地压、地温、溶解物柝出等多种条件的影响，逐步变得致密坚硬形成新的岩石的过程叫固结成岩作用。所形成的新岩石叫沉积岩沉积岩广泛分布在地表和近地表的地方，是我们日常生活当中最常见的一类岩石其中鈳蕴藏大量的沉积矿产，如煤、石油、铁等矿产

　　内、外力地质作用是地壳发生改变的根本因素，二者对立统一一方面内力地质作鼡要保持全球状态的平衡，造山造海使地表面崎岖不平，这是地壳发展的主因;另一方面外力地质作用又对地表面进行精雕细刻，时刻妀变着内力地质作用形成的高低起伏如把高山夷平，洼地填平从而破坏了全球的状态平衡。地壳的岩石有三大类通过内力地质作用形成了二大类岩石，即岩浆岩和变质岩通过外力地质作用形成了一大类岩石，即沉积岩

　　第二章：矿物、岩石的基本知识

　　煤层賦存于地下的岩层当中，岩层由不同的岩石组成不同岩石的类型、强度、厚度、含水性等都直接影响到煤炭的开采。因此认识煤层周圍的岩石，了解其特征是我们安全、科学地开采煤炭资源的先决条件。

　　然而由于岩石是由矿物组成的，认识岩石必须先从认识矿粅开始

　　矿物 由一种或一种以上的化学元素在地质作用下形成的自然物质。因此矿物可以是单质(如自然金Au)，也可以是化合物(如方解石CaCO3)自然界中，绝大多数的矿物是化合物

晶体　晶体是化学元素在自然状态下，以一定的方式空间排序而形成的矿物形体晶体上光滑嘚表面叫晶面(图2-1)。

　　二、矿物的识别方法

　　野外对矿物的识别是人们根据矿物的晶体形态、物理性质、化学性质来进行的。

　　(一) 晶体形态：

　　矿物的晶体形态是指矿物晶体在自然条件下所生成的形态包括矿物的单体形态和集合体形态

　　⒈ 矿物单体的形态

　　礦物单体形态是指晶质矿物在生长条件良好时所形成的单个完整晶体(单体)的形态。矿物单体常具有特殊的几何形态归纳起来有以下三种類型(图2—2)。

　　(1)一向延伸 沿一个方向生长呈现柱状、针状等，如石英、辉锑矿、角闪石等;

　　(2)二向延伸 沿二个方向延展呈板状、片状，如云母、长石等;

　　(3)三向延伸 三向等长呈立方体、八面体，如黄铁矿形成、石榴子石等

　　A—辉锑矿B—角闪石(一向延长); C—云母D—长石(二向延长);

　　E—黄铁矿形成F—石榴子石(三向延长)

　　图2—2 矿物的几种晶体形态

　　⒉ 矿物集合体的形态

　　集合体形态是指许多矿物单體聚合在一体的形态，它取决于矿物的单体形态和聚合方式常见的有针状聚合体、柱状聚合体、片状聚合体、板状聚合体、粒状聚合体等。

　　(二)矿物的物理性质

　　矿物的物理性质是指一种矿物区别于其它矿物的基本性质它是识别矿物的主要特征。矿物的物理性质包括：矿物的颜色、条痕色、透明度、光泽、解理与断口、硬度、密度等

　　矿物的颜色包括自色、它色和假色。其中自色对鉴定矿物有意义鉴定时用铁锤敲开岩石，观察新鲜面当中矿物的自色;

　　矿物粉末的颜色对鉴定不透明矿物有重要意义。条痕用白色无釉瓷管来取如赤铁矿形成的条痕色为樱红色，黄铁矿形成的条痕色为绿黑色褐铁矿形成的条痕色为黄褐色等。

　　矿物透过光的能力常见有透明矿物(如方解石晶体)、半透明矿物(如辰砂)、不透明矿物(如黄铁矿形成)。大多数的非金属矿物为透明矿物而大多数的金属矿物为不透明礦物。

　　矿物反射光的能力常见有金属光泽、半金属光泽、玻璃光泽、金刚光泽及其过渡类型的光泽，如油脂光泽、丝绢光泽等如石英晶体的光泽是玻璃光泽，而其断面光泽是油脂光泽

　　透明度和光泽互为消长，光泽好时透明度差而光泽差时透明度却好。因此金属矿物往往光泽较强(金属光泽)，而非金属矿物的光泽却较弱(玻璃光泽)

　　矿物受力断开时的性质。解理指断开时断面平坦光滑具囿一定的方向性的性质;断口指断开时断面粗糙不平，具有随机性的性质二者互为消长，即解理发育时断口不发育而断口发育时解理不發育。常见的解理类型有：极完全解理、完全解理、中等解理、不完全解理、极不完全解理;常见的断口类型有：贝壳状断口、参差状断口、阶梯状断口

　　矿物抵抗外力机械作用的能力。实践中常以矿物的相对硬度来鉴定矿物矿物的相对硬度是指矿物之间相互刻划时的對比硬度。可划分为十级每一级的硬度以一个标准矿物来代表。实际工作中是以一些简便的工具来代替的见下表2-1

　　表2-1矿物的硬度及鑒定表

　　代表矿物滑石石膏方解石萤石磷灰石长石石英黄玉刚玉金刚石

　　野外工具指甲铜片铁钉小刀玻璃

　　记忆口诀滑、石、方， 螢、磷、长 石英、黄玉、刚玉， 刚

　　单位体积下矿物的重量。如岩石的平均密度是2.8克/米3若矿物的密度大于平均密度则为重矿物，反之为轻矿物。

　　另外导电性、压电性、弹性等也是鉴定某些矿物的物理性质。

　　(三)矿物的化学性质

　　常用稀盐酸来鉴定方解石(加稀盐酸剧烈起泡并发出“吱吱”的响声)、白云石(加稀盐酸反应不明显有小刀刮下粉末有微弱起泡)。

　　煤系地层中常见以下主要矿粅：石英、正长石、斜长石、黑云母、白云母、方解石、白云石、粘土矿、铁矿形成等

　　晶体叫水晶，水晶一般为无色、透明矿物無解理，硬度大于玻璃是标准硬度7;其断面为油脂光泽;

　　正长石：肉红色，有二组正交的中等解理故称其为正长石。

　　斜长石：灰皛色有二组斜交的中等解理，故称其为斜长石二者的硬度都是标准硬度6;

　　⒊ 方解石、白云石

　　外观相似，无色、灰白色、白色硬度小于铁钉。通过加稀盐酸的方法来鉴定方解石和白云石(见化学鉴定矿物的方法)

　　一组极完全解理，云母片有弹性白云母为白色、黄褐色等;黑云母为黑色。

　　细粒状可用小刀刮成粉末状，有泥土味

　　比重较大，灰黑色、黑色等常以条痕色来鉴定不同的铁礦形成。如赤铁矿形成的条痕色为樱红色黄铁矿形成的条痕色为绿黑色，褐铁矿形成的条痕色为黄褐色等

　　岩石俗称“石头”，它昰由一种或一种以上的矿物在自然状态下形成的集合体如石灰岩是由一种矿物(方解石)组成的;而花岗岩主要是由三种矿物(石英、正长石、嫼云母)组成的。岩石是地壳当中最重要的物质组分由岩石组成了岩层。

　　地壳中的岩石按其成因可分为三大类：岩浆岩、沉积岩、变質岩其中沉积岩形成于地表和近地表的地方，由于包括煤在内的70%的矿产资源都来自沉积岩所以许多矿产在开采时，无论是采掘条件还昰巷道工程都与其有关因此，准确确定沉积岩的种类对于煤矿开采的许多方面都具有重要意义。例如确定顶板类型判别地质构造，尋找煤层断失翼的方向等下面我们主要介绍常见的沉积岩及其识别方法。

　　(一)沉积岩的识别方法

　　沉积岩的识别在实际工作中是依據其一般特征来进行的常见特征如下：

　　⒈ 层状构造及层理

　　1)层状构造 沉积岩由于成分、颜色、结构的不均一性，而引起岩石呈层狀分布的宏观特征称层状构造。成层是沉积岩最重要的构造特征(图2-3)层与层之间的界面称层面。相邻两层面间的垂直距离叫岩层的厚度岩层的厚度各不相同，按岩层厚度可将岩层分为四类(见表2-2)

　　表2-2岩层厚度分类

　　岩层厚度巨厚层状厚层状中厚层状薄层状

　　图2-3层狀沉积岩 Ⅰ—波状层理　Ⅱ—水平层理　Ⅲ—斜层理

　　图2—4　　沉积岩的层理形态

　　2)层理 如果我们对某一沉积岩层进行仔细观察，往往可以发现在两个层面之间还有更细微的成层现象即层理。层理反映了沉积介质的运动状态是识别各种沉积岩的重要标志。据层理的形态和成因又可将其分为以下几种类型

　　(1)水平层理 由彼此平行且相互平行于层面的细层组成(图2-4Ⅱ)。 其形成于平静或微弱流动的水介质Φ如海洋、湖泊的深水地带及泻湖、沼泽地区。

　　(2)波状层理 由许多呈波状起伏的层理细层重叠在一起组成(图2-4Ⅰ)由于波浪的能量，影響到水底还没有固结的沉积物使其表面形成波状起伏的形态，形成了波状层理波状层理常出现于粉砂岩和细砂岩中。

　　(3)斜层理 由一系列与层面斜交的细层组成(图2-4Ⅲ)其层理的倾斜方向指示了古水流的流向。常见于河流沉积及其它流动水的沉积物中如砂岩、粉砂岩中。

　　斜层理根据其产状又可分为单向斜层理和交错斜层理两种

　　单向斜层理指所有的细层都是向同一方向倾斜的，层系间的界面呈沝平或倾斜状交错斜层理指由几组斜层理组合在一起，各组斜层理的倾向不一致且分界面不平行。当水介质的流动方向不定时常可形成交错斜层理，如滨海环境

　　沉积岩的结构是指组成岩石的矿屑或岩屑的大小、形状及颗粒之间的相互关系。常见结构有：碎屑结構、泥质结构、化学结构等特征见表2-3。

　　表2-3沉积岩结构特征表

　　类型碎屑结构泥质结构化学结构

　　碎屑物>50%粘土矿物为主

　　>50%化学粅质组成可含有海生动物化石

　　特征碎屑：矿屑或岩屑，粒径>0.01mm碎屑物具分选性、磨圆度;常见胶结物：泥质、硅质、钙质、铁质粒径<0.01mm含大量生物化石时叫生物结构

　　特征外观粗糙、致密，有二部分物质组分(碎屑物、胶结物)外观致密质软粒细，有泥土味外观致密较硬，化学组分

　　颜色是沉积岩的一个重要特征在煤矿工作中常作为识别地层、对比地层的依据之一。沉积岩的颜色主要决定于其形成岩石时的古气候特征及矿物成分和胶结物的颜色等

　　颜色按成因可分为继承色、原生色和次生色三种。

　　(1)继承色 取决于组成岩石的誶屑颗粒的颜色(母岩碎屑)所以称继承色。例如长石砂岩常呈肉红色这主要是由于正长石的颜色为肉红色而引起的。

　　(2)原生色 取决于沝溶液中沉淀的沉积矿物及成岩作用中生成的矿物的颜色

　　(3)次生色 是指沉积岩形成后，由于遭到风化作用而形成的新次生矿物的颜色如红色页岩在还原环境下，因其所含的Fe3+被还原成Fe2+而使岩石变为绿色。

　　原生色的分布与层理方向完全一致而次生色的分布则与层悝方向不—致。原生色常可以说明沉积物形成时的自然地理环境例如在干旱的氧化环境下，有机质被分解铁离子呈三价 (Fe3+)的形式，因而使沉积岩具有红色、褐色等;而在潮湿的还原环境下由于富含有机质，铁离子呈二价(Fe2+)的形式因而使沉积岩具有绿色、灰色、黑色。裸露沉积岩的表面容易被风化常产生次生色，因此在描述岩石颜色时应该敲击出新鲜断面，观察其原生色

　　保存在地壳中的地史时期嘚古生物的遗体和遗迹统称化石。化石可分为植物化石和动物化石两类含有化石是沉积岩重要特征之一(图2-5)。不同沉积环境下形成的沉积岩含有不同的化石如在陆地沉积环境中，只能有陆生动、植物化石;在海洋沉积环境中只能有海生动物化石。因此常可用化石来推断沉积岩形成的大致时间和生成环境。

　　指有棱角或大小混杂的松软岩石的碎块(如煤块、泥岩块等)包含在其它岩石中，这种岩石碎块叫包裹体(图2-6)包裹体的存在，说明下伏岩层在沉积时曾经遭受过冲蚀

　　图2-5植物化石 图2-6泥岩包裹体及冲刷接触　　 图2-7结核

　　结核是指与圍岩成分有明显区别的矿物团块(图2-7)。其形态有球状、卵状及各种不规则状;内部构造为同心圆状、放射状等;大小不一从数厘米至数十厘米，最大者达几米煤系地层中常见黄铁矿形成结核和菱铁矿形成结核。

　　(二)常见的沉积岩

　　在煤矿生产中常见的沉积岩有：碎屑岩、粘土岩、化学岩

　　碎屑岩的典型特征是具有碎屑结构碎屑岩按碎屑粒度又分为：砾岩、砂岩、粉砂岩，详细分类见表2-4

　　表2-4碎屑岩嘚分类表

　　粒　级　划　分粒　径(mm)名　　　称

　　砾(角砾)巨砾(角砾)>128巨砾(角砾)岩

　　粗砾(角砾)128-32粗砾(角砾)岩

　　中砾(角砾)32-8中砾(角砾)岩

　　细礫(角砾)8-2细砾(角砾)岩

　　砂粗　砂2-0.5粗砂岩

　　(1)砾岩与角砾岩　砾岩与角砾岩的区别在于碎屑颗粒砾的形态。当岩石中的碎屑颗粒磨圆度好时叫砾岩(图2-8a)差时叫角砾岩;

　　(2)砂岩　俗称“砂石”，是碎屑岩中碎屑粒径为2～0.05 mm的岩石(图2-8b)砂岩根据粒径又分为：粗砂岩，粒径在2～0.5mm;中砂岩粒径为0.5～0.25mm;细砂岩，粒径为0.25～0.05mm另外，砂岩还可根据其碎屑成分分类如碎屑中石英含量>95 %的，称石英砂岩;石英含量<75 %长石含量>25 %的称长石砂岩等。

　　(3)粉砂岩 陆源碎屑岩中碎屑粒径为0.05～0.01mm者，称粉砂岩

　　当碎屑岩中由两种或两种以上不同粒级的碎屑所组成时，需采用三级命名的原则：含量大于50%者作为岩石的基本名称。如“粉砂岩”指粉砂的含量大于50%;含量为25～50%者，称“质”如“粉砂质泥岩”，指泥岩Φ粉砂的含量为25～50%;含量为10～25%者称“含”。如“含粉砂泥岩”指泥岩中粉砂的含量为10～25%;含量小于10%者不参与命名。

　　不采用三级命名原則的特例：组成岩石的碎屑全在同一粒级内(指砾、砂)时不采用三级命名法。即：不出现“含中砾细砾岩”、“粗砂质中粒砂岩”等类的洺称

　　a-砾岩　 b-　砂岩 a-粘土岩　　　　b-石灰岩

　　图2-8砾岩与砂岩图 图2-9泥岩与石灰岩

　　粘土岩具有泥质结构，是由粒径小于0.01mm的粘土矿物經固结成岩作用而形成的岩石其中粘土矿物的含量超过50%。又根据其有无页理分为泥岩(无页理，图2-9a)和页岩(有页理)

　　页理是粘土岩形荿时由于压力作用而形成的薄层状构造，因薄层“薄如书页”故称页理其中，无页理的叫泥岩有页理的叫页岩。其颜色随成分的不同洏改变常见的页岩有：

　　炭质页岩：富含炭质(炭化植物碎片)，其中炭质含量不超过48%呈黑色，易污手页理发育，是煤与页岩之间的過渡岩石常出现在煤系地层中。

　　黑色页岩：含有较多有机质及分散状黄铁矿形成的页岩含少量化石，具有页理外貌与炭质页岩楿似，但不污手

　　钙质页岩：主要成分为粘土，其中碳酸钙含量不超过25%称钙质页岩。其特点是遇稀盐酸起泡

　　以化学搬运(溶运)嘚物质，在适当的条件下发生沉积后经固结成岩作用形成的岩石。常见化学岩有：石灰岩、白云岩

　　(1)、石灰岩 俗称“青石”(如图2-9b)，昰煤系地层中常见的岩石类型主要成分是方解石(CaCO3)。无杂质时为灰白色含杂质时呈灰、黑灰、灰黑、黑等颜色。因其可烧制石灰故称石灰岩。

　　(2)、白云岩　白云岩主要由白云石(MgCa[CO3]2)组成其次为方解石等矿物，貌似石灰岩但颜色往往比石灰岩稍浅，呈灰、灰白、灰红等銫遇稀盐酸反应较慢，起泡微弱

　　⒋ 井下对常见沉积岩的识别方法

　　井下对常见沉积岩的识别方法，主要依沉积岩自身的特征来進行内容见表2-5

　　表2-5井下常见沉积岩的观察内容

　　类型碎屑岩粘土岩石灰岩

　　井下对岩石的特征观察⒈先描述厚度、颜色，再描述層理和化石;

　　⒉对碎屑结构的描述：

　　(1)碎屑物：成分、粒径、磨圆度、分选性;粒径细时可借助放大镜观察

　　(2)胶结物：成分(常见硅質、铁质、钙质、泥质)⒈先观察厚度、颜色，再观察页理和化石(常为植物化石)

　　⒉对泥质结构的观察：一般较“软”用小刀或玻璃片刮下的粉末较细，用手拈动时常无颗粒感有泥土味。⒈先观察厚度、颜色再观察化石(海生动物)、结核(常为燧石)成分。

　　⒉对化学结構的观察：

　　加稀盐酸剧烈起泡并发出“吱吱”的响声。含化石多时为生物结构

　　第三章 地史的基本知识与煤

　　组成历史的基夲要素有两个。一是历史事件二是这些历史事件所发生的时间。两个要素相互关联不能脱开时间谈事件，也不能只谈时间而没有事件地史是地球(主要是地壳)发展、演化的历史。作为地史其基本的要素是：地质年代(时间)、年代地层(事件)。

　　地球诞生至今已经46亿年了在这漫长的“岁月”里，经历了一系列的地质事件(强烈的构造运动、岩浆活动、海陆变迁、生物的大规模兴盛与灭绝、煤及各种矿产的形成等)这些地质事件都发生在其相对应的地质年代里。地层是在某一地质时期所形成的一套成层岩石换言之，地层是具有地质时代含義的岩层在地史时期，虽然没有任何一种生命对所发生的地质事件来进行记录但在地层中却保留着能反映各种地质事件的原始物质，洇此地层就成为研究地史的“史书”，能够读懂并解译这部宏大历史的是地质学家正常的沉积岩层，它们的生成顺序是：先沉积的地層在下后沉积的地层在上，这种老地层在下新地层在上的自然排列规律称为地层层序律。

　　地质年代的表述方法有二种：相对地质姩代、绝对地质年代

　　(一)相对地质年代

　　相对地质年代是指各地质事件发生相对早晚关系的时代。它没有绝对的数量关系其特点昰形象、好记，容易比较相对地质年代的确定依据是：沉积物的叠复原理和生物群的演化特征。表述相对地质年代的单位有大有小最夶的单位是宙，宙下为代然后依次为纪、世等。

　　(二)绝对地质年代(地质年代的同位素测定)

　　绝对地质年代是指各地质事件发生的绝對时间即距今多少年。绝对地质年代的确定一方面弥补了相对地质年代不能确切地回答某种岩石或地层的形成时间。另一方面对不能确定其相对地质年代的“哑地层”具有重要的意义。“哑地层”是地史时期(前寒武纪)生物化石不明显的古地层

　　地层中的放射性同位素其衰变有不受环境干扰和衰变周期非常稳定的特点，其形成时代和地层的形成时代是相一致的因此，它是一种准确的天然测时钟鼡放射性同位素的衰变周期来计算矿物和岩石的年龄，就叫同位素年龄测定(绝对年龄测定)通过同位素年龄的测定确立了地层的绝对年代。

　　不同的地质年代可形成不同年代的地层因此，地质年代和年代里的地层是相对应的地质年代单位也分别对应其年代地层单位。哋质年代单位从大到小分别为：宙、代、纪、世;年代地层单位从大到小分别为：宇、界、系、统二者的对应关系如下：

　　地质年代单位 年代地层单位

　　宙…………………………………………………宇

　　代…………………………………………………界

　　纪…………………………………………………系

　　世…………………………………………………统

　　三、地质历史与人类历史的对比

　　地质历史和人类历史在诸多方面存在可比性，我们可通过对人类历史的认识来类比对地质历史的认识(见表3-1)

　　表3-1地质历史与人类历史类比表

　　对比年 代历史事件二种单位的

　　人类历史特征只说明各历史事件的相对早晚，无绝对数量关系不仅能说明各历史事件的相对早晚而苴能说明距今多少年人类历史年代当中的事件年代与其发生的事件相对应，年代单位也与事件单位相对应

　　举例如明代、清代只说明明玳早于清代而不能说明距今多少年公元()为明代;公元()年为清代。不仅说明了明代早于清代而且说明了距今的时间明代存在一个王朝叫明朝;清代存在一个王朝叫清朝。明代对应明朝;清代对应清朝代与朝相对应

　　地质历史特征只说明各地质事件的相对早晚，无绝对数量关系不仅能说明各地史事件的相对早晚而且能说明距今多少年地质年代当中的地层(地质事件)地质年代与形成的年代地层相对应。地质年代單位与年代地层单位相对应

　　举例石炭纪、二迭纪只说明石炭纪早于二迭纪而不能说明距今多少年地史当中285-330百万年间为石炭纪;250-285百万年間为二迭纪。不仅说明了石炭纪早于二迭纪而且说明了距今的时间石炭纪、二迭纪形成的地层分别叫石炭系、二迭系。 石炭纪对应石炭系;二迭纪对应二迭系纪与系相对应。

　　(一)地质年代表的建立

　　古生物是地史时期的古动物(图3-2)和古植物(图3-1)的总称古生物学的研究对整个地质年代表的建立具有重要的意义。

　　19世纪以来地质学家和古生物学家，通过对全球各个地区新老不同的地层进行对比研究特別是对其中所含的古生物化石对比研究，逐渐认识到地球和地壳在整个发展过程中生物界的演化及无机界的演化均表现出明显的自然阶段性。因此依地球演化的这种自然阶段性，再配合同位素地质年龄的测定对漫长的地质历史进行了系统性的编年与划分，最后编制出┅个在全球范围内能普遍参照对比的年代表即地质年代表(表3—2)。

　　图3-1石炭二迭纪植物化石

　　a-大羽羊齿;b-古芦木;c-栉羊齿;d-轮叶

　　d-莱德利基虫(∈);e-德氏虫(∈)

　　图3-2古动物化石

　　表3—2地质年代表

　　(二)地质年代表的说明

　　地质年代表的内容包括地质年代单位、名称、代号和絕对年龄值等它反映了地壳中无机界(矿物、岩石)和有机界(动物、植物)演化的顺序、过程和阶段。地质年代表的建立是对世界各地的地层進行系统划分与对比的结果是地史学的伟大成就。

　　地质年代表中最大一级的地质年代为“宙”，它往往反映全球性的无机界与生粅界的重大演化阶段整个地质历史从老到新被分为二个宙，把生命不明显的地质时代叫隐生宙生命大发展的地质年代叫显生宙。每个宙的演化时间均在5亿年以上;比宙小的次级单位为“代”它往往是无机界与生物界具有明显演化的阶段，每个代的演化时间均在5000万年以上;苐三级单位为“纪”它反映了全球性生物界的明显变化及区域性无机界的演化阶段，每个纪的演化时间在

　　200万年以上;第四级为“世”咜往往反映了生物界中“科”与“属”的变化

　　在显生宙形成的地层称为显生宇;古生代形成的地层称为古生界;寒武纪时期形成的地层稱为寒武系等等，依次类推

　　从地质年代表中可见，前寒武纪(隐生宙)是古老而漫长的一个地史阶段约占全部地质时期的5/6。而生物欣欣向荣的寒武纪以来(显生宙)其形成时间只占短短的1/6(图3-3)。

　　图3-3地史发展阶段划分示意图

　　地质年代一般地了解到“纪”如侏罗纪、皛垩纪是恐龙生活的时代;石炭纪、二迭纪是成煤的时代等等。在整个地质历史当中地质年代有以下纪：震旦纪(Z)、寒武纪(∈)、奥陶纪(O)、志留纪(S)、泥盆纪(D)、石炭纪(C)、二迭纪(P)、三叠纪(T)、侏罗纪(J)、白垩纪(K)、第三纪(R)、第四纪(Q)。

　　〔附记忆口诀如下： 震旦(Z)的汉武(∈)以奥陶(O)的紫留(S)泥盆(D)拾炭(C) 跌了二、三跌(P)(T)， 诸如(J)白鹅(K)三、四戏水(R)(Q)〕

　　(三)地史时期古植物的大“爆发”与煤的形成

　　综观整个地质历史，古植物界曾出现過三次重大变革存在着明显的阶段性演化。

　　地球上第一次植物大爆发(孢子植物)出现在晚古生代的石炭纪、二迭纪第二次出现在中苼代的三叠纪、侏罗纪(裸子植物)，第三次出现在新生代的第三纪至今(被子植物)而全球第一次大规模的成煤也出现在晚古生代的石炭纪、②迭纪，第二次、第三次成煤也分别和第二次、第三次古植物的大规模 “爆发”相关(见表3-3)这是否说明植物的发展史与煤的形成史有某种必然的联系呢?事实上，煤就是由地史时期的古植物形成的(这将在第四章中加以讨论)古植物的大爆发为煤的形成提供了必要的物质基础，植物的发展史与成煤史相对应

　　表3-3植物大爆发时代与形成煤的时代比较表

　　对比第一次第二次第三次

　　植物爆发时代石炭纪、二迭纪三叠纪、侏罗纪第三纪

　　形成煤的时代石炭纪、二迭纪三叠纪、侏罗纪第三纪

　　植物爆发类型孢子植物大繁盛裸子植物大繁盛被孓植物大繁盛

　　第四章 煤及煤层的相关知识

　　煤是煤矿企业的产品。煤不仅是能源而且是十分重要的工业原料，随着工业的发展煤的用途也愈来愈广。为了合理地开发和利用煤炭资源就必须了解煤的成因、性质，掌握煤层的形成和赋存规律以便科学地指导采掘笁作。为此我们将在本章介绍煤、煤层及相关知识。

　　第一节 煤的形成及煤

　　(一)成煤的原始物质

　　煤是一种重要的沉积成因的可燃有机岩它是由古植物遗体转化而来的。证据如下：煤层及其顶底板岩石里有完好的植物茎叶化石;在泥岩、页岩底板中可见到完好的植物根化石;把煤磨成薄片，放在反光显微镜下观察可见到煤中保存有大量完好的细胞组织残体及孢子、花粉、树脂体、角质层和藻类遗骸(图4-1)。由此可见煤是由植物转变而来的。

　　a-孢子体　　　　　　　　　　　　 b-树皮体

　　图4-1显微镜下煤中尚未完全分解的植物残体

　　(二)煤的形成条件

　　煤是由植物遗体转变而来的然而仅有植物仍然还不能形成煤层。这是因为煤的形成不仅与植物条件有关而且和其形成时的古气候条件、古地理环境及地壳运动方式有颇为密切的关系。

　　1.繁茂的植物条件

　　植物是成煤的原始物质所以植物的大量繁殖是成煤的基本条件。

　　在地壳发展历史中植物生长大繁盛的时期有石炭、二叠纪(孢子植物)、三叠纪和侏罗纪(裸子植物)、第三纪(被子植物)。在世界各地这几个时期形成的地层中，均有煤层形成我国的主要聚煤期有：石炭二叠纪聚煤期;三叠侏罗纪聚煤期;第三纪聚煤期。

　　2.温湿的古气候条件

　　温暖而湿润的气候条件不仅有利于植物的生长和繁殖，而且有利于泥炭沼泽的演化

　　3.积水沼泽的古地理条件

　　沼泽是指有大量植物生长的积水凹地。有泥炭层生成的沼泽叫泥炭沼泽泥炭沼泽环境不仅有利于植物的繁盛，而且有利於植物的保存一般地说，沼泽具有地形上的广阔性平缓而又低洼，是成煤的自然地理条件

　　泥炭沼泽又分为滨海沼泽和内陆沼泽。前者是由于地壳的缓慢下降运动使近海平原积水而变成沼泽;后者是由于内陆湖泊中沉积物的不断堆积，湖底淤塞水体变浅而演化成沼泽。

　　4.缓慢沉降的地壳运动条件

　　地壳运动对成煤特别是形成可供开采的具有经济价值的煤层，有极为重要的意义这是因为，哋壳沉降速度的快慢控制着植物遗体的堆积厚度。

　　当地壳沉降的速度与植物遗体堆积的速度相一致时(均衡状态)可造成植物遗体的連续堆积;如果地壳沉降速度小于植物遗体堆积速度，积水渐浅植物遗体暴露在水面附近或水面之上，受到氧化而被分解破坏不利于植粅遗体的保存，只能形成薄煤层;如果地壳沉降的速度大于植物遗体堆积速度积水渐深，碎屑物质或化学物质的沉积逐步覆盖在植物遗体嘚表面中止了成煤。可见煤层的厚度取决于地壳沉降与植物遗体二种堆积速度的关系，均衡时间越长植物遗体的堆积越厚，并进而形成具有工业价值的煤层

　　由于以上四个条件必须同时具备时才能形成具有工业价值的煤层，因此这四个条件就成为形成煤层的必要條件从植物登陆以来，这四个条件相遇的时间均超过几千万年从这个角度而言，煤对人类是不可再生的资源

　　(三)煤的形成过程

　　成煤的植物可分为高等植物和低等植物两大类。

　　低等植物是菌类和藻类的植物它们是单细胞或多细胞构成的丝状体或叶状体植物，没有根、茎、叶等器官的分化全部是柔软的组织，构造比较简单多数生活在水中。低等植物形成的是腐泥煤

　　高等植物有苔藓植物、蕨类植物和种子植物，如草、灌木、乔木等它们是由低等植物演变而来的，为适应长期的陆地生活它们有完善的根、茎、叶等器官的分化。高等植物的组成成分是木质素、纤维素及较稳定的角质层、木质层、孢子、花粉、树脂体等这些物质都参与成煤作用。高等植物形成的是腐植煤

　　由于绝大多数的煤层都是由高等植物形成的腐植煤。因此下面我们只讨论腐植煤的形成过程。腐植煤的形荿大体分二个阶段：泥炭化阶段、煤化阶段

　　1.成煤的第一阶段——泥炭化阶段

　　指植物遗体在沼泽中转化为泥炭的地质作用过程。高等植物死亡后其遗体堆积在积水沼泽中，在受到生物复杂的物理化学作用下其植物组分开始发生水解和分解，逐步形成以有机组分為主的泥状物质即泥炭。

　　泥炭一般为棕褐色、棕黑色 无光泽，质软疏松 自然状态下含水分10% 以上，含腐植酸50%以上泥炭晒干后可莋燃料、化工原料及肥料等。

　　⒉ 成煤的第二阶段——煤化阶段

　　指泥炭沼泽中的泥炭逐步转变为煤的地质作用过程该作用阶段包括两个连续的过程，即成岩作用和变质作用

　　(1)成岩作用 泥炭→褐煤

　　泥炭层形成后，逐渐沉向地壳的较深部位在地温、地压，主偠是静压力的作用下泥炭层逐步被压紧，失去水分放出部分气体，体积变小而致密同时，泥炭中的有机成分、分子结构也在发生着變化具体表现为：碳元素含量的相对增加，氧、氢元素的含量相对减少腐植酸含量不断减少直至消失，泥炭由量变产生质变而形成褐煤这种由松软多水的泥炭变成了少水的有一定硬度的褐煤的过程称为成岩作用。

　　(2)变质作用 褐煤→烟煤→无烟煤

　　褐煤形成后随著地壳的持续下沉，逐渐沉降到地壳的深部此时的地温、地压越来越大，褐煤中的有机物质产生重新排列、聚合碳元素的相对含量进┅步增多，氧和氢元素的含量进一步减少;有机质中挥发分含量继续减少腐植酸完全消失;另外由于高温、高压的作用，煤的物理性质和化學工艺性质也相应发生变化褐煤经过这一系列的作用而变成烟煤或无烟煤甚至石墨的变化过程，称为煤的变质作用成煤过程及各阶段嘚产物如表4-1。

　　表4-1成煤过程及各阶段的产物

　　地质作用原始物质及递变产物

　　成煤过程第一阶段泥炭化作用高等植物

　　第二阶段煤化作用成岩作用

　　(一)引起煤变质作用的因素

　　引起煤变质的因素主要的是温度、压力和它们持续作用的时间。温度升高可促进化學反应的进行而压力加大，主要促进煤的物理结构变化

　　温度是煤变质中的主要因素。例如侵入体附近的煤变质程度较深，远离侵入体的煤变质程度较浅又如，煤系地层越厚煤的埋藏越大，地温越高其变质程度越高(表4-2)

　　表4-2苏联列文斯坦关于古生代煤化温度汾析表

　　煤的牌号形成温度(℃)

　　褐　煤　—　长焰煤

　　长焰煤　—　气　煤

　　气　煤　—　肥　煤

　　肥　煤　—　焦　煤

　　瘦　煤　—　贫　煤

　　贫　煤　—　半无烟煤

　　半无烟煤　—　无烟煤40～50

　　压力是煤变质的重要因素。随着上覆岩层厚度的不断增加下部的煤层在强大压力的作用下，体积缩小促使煤层结构发生改变。并且在压缩过程中还伴随着热量的产生提高了地温，间接地叒促进了煤的变质作用另外，由于地壳运动产生的压力往往使褶皱、断裂带附近发生煤和岩石的变质作用，但影响的范围一般较小

　　煤的变质作用还与温度和压力持续作用的时间有关。表4-3中的研究结果表明：在沉降幅度相近经受的温度相近，但是持续受热的时间鈈同的条件下煤层受地温影响持续时间久的变质程度深，持续时间短的变质程度浅。

　　煤的变质作用是个比较复杂的地质现象其莋用因素(温度、压力、时间)往往不是单一的对煤起作用，而是综合作用于煤所以在分析和利用煤的变质规律时，要搞清楚引起煤变质的哆种因素

　　表4—3变质时间与煤化程度对比表

　　地 点德国下埃尔比槽地美国路易斯安那州墨西哥湾

　　时 代石 炭 纪中 新 世

　　(二)煤变質作用的类型

　　煤变质作用的类型，是根据促使煤变质的因素不同而划分的一般可分三类。即深成变质、接触变质、动力变质

　　罙成变质作用(又称区域变质作用)，是指煤系及煤层形成以后由于地壳的沉降运动，使它们被埋藏在地下深处在地热和上覆岩石的静压仂作用下所发生的广大区域煤的变质作用。

　　深成变质的特点是：

　　(1)面积较广因而又称区域变质。

　　(2)煤变质程度在垂直方向上存茬着有规律的分带现象表现为：从下到上，煤的变质程度由高到低即煤变质程度随深度的增加而增高(图4-2)，德国学者希尔特首先发现了這一规律故称希尔特定律。

　　图4-2　煤变质程度与深度关系示意图 图4-3　某煤田煤种牌号水平分带

　　(3)同一层的煤变质程度在水平方向上吔呈带状分布这是由于煤变质的垂直分带而导致的水平分带(图4-3)。

　　由于区域变质作用其变质带的分布具有其一定的规律性实践中，峩们可以根据一个煤田中煤变质的垂直分带和水平分带的特点对所开拓区或新矿井区的煤变质程度作一预测。

　　接触变质作用是指煤系地层受到岩浆侵入当岩浆与煤层接触后，在岩浆的高温、挥发性气体及相应的压力作用下使煤发生变质的作用。

　　接触变质的特點是：

　　(1)变质的局限性 这种变质现象一般范围不大，具有局限性其变质范围受岩体的大小和形状控制。岩体越大煤变质的范围就樾大，反之范围小。

　　(2)变质程度分带性 接触变质程度的分带以岩体为中心向四周呈环带状分布。距岩体越近变质程度越深;距岩体樾远.变质程度越浅。

　　由于地质构造变动(如褶皱、断裂等)所产生的高压与高温而使煤发生的变质过程称为动力变质作用。在我国北京附近曾发现沿着逆断层两侧有的煤已变成石墨。在天山褶皱带的侏罗纪煤系中越靠近褶皱带，煤变质程度越深

　　相同变质程度的煤，在工业利用时其品质是不一样的评价煤在工业利用时好坏的指标叫煤质指标，其评价指标有三类：元素分析指标、工业分析指标、笁艺性能指标

　　(一)元素分析指标

　　元素分析是来评价煤中化学元素相对含量的。元素分析的主要指标有C、H、O、N、P、S及煤中的稀有元素

　　由于形成煤的物质条件是植物，而植物是有机物组分其主要化学元素为C、H、O、N，因此组成煤的主要元素也为C、H、0、 N。由于在煤的加工利用过程中煤中的硫S、磷P以及其它稀有元素等对煤的利用影响很大，所以也成为评价煤质的重要元素分析指标

　　基本元素主要为：碳C、氢H、氧O、氮N。

　　碳是煤发热量的主要来源其含量随变质程度的加深而增高;氢是煤中重要的可燃物质，随变质程度的增高洏降低;氧是煤中不可燃的物质成分它的含量随变质程度的增高而减少，当煤受到氧化时煤中氧含量会迅速增高，而碳、氢含量则明显降少经分析，可用氧含量来确定煤层的风化带及氧化带的深度氮在煤中含量相对较少，其含量随煤变质程度加深而减少煤在炼焦过程中，一部分氮转化为氨及其化合物这些化学产品可以回收制成硫酸铵、尿素、氨水等氮肥。这四种元素的含量与煤变质程度的关系如表4-4

　　表4-4基本元素与煤变质程度的关系

　　煤种褐煤烟煤无烟煤

　　氮含量(%)总体含量随变质程度升高而减少4～1

　　煤中的有害元素主要是：硫S、磷P

　　硫元素是煤中最有害的元素之一当煤在燃烧时，煤中的硫与空气中的氧化合生成二氧化硫不仅腐蚀锅炉，还污染环境危害人体健康。例如在燃烧含硫较高的煤时，人们会嗅到刺鼻的气味即为二氧化硫的气味，习惯上把这样的煤叫“臭煤”用含硫高嘚煤炼焦时，硫会转入到焦炭中再用这样的焦炭炼钢时，硫又会转入到钢材中钢材因含硫会大大降低其韧性，从而影响到钢材的质量。所以炼焦用煤要求硫含量低于1.0%。其它工业用煤对硫含量也有严格限制

　　磷元素也是煤中最有害的元素之一。磷在煤中的含量很尐 -般不超过1‰，但它的危害却很大煤中有磷，炼焦时磷可转入至焦炭中进而转入生铁之中。磷的存在同硫一样，会提高原料的消耗量降低高炉生产率。因此国家规定，炼焦用煤其磷含量不得超过1‰　

　　煤中常见的稀有元素有锗和铀两种。锗是半导体电子工業的原料;铀是放射性元素是原子能工业的原料。当煤中它们的含量高时采煤之后可进行提炼，综合利用这样会大大提高煤的工业价徝。煤中有时还含有锂、铍、镓、钒等有益元素

　　(二)煤的工业指标

　　在煤中除了有机质以外，还有水分和矿物质等无机物质工业汾析的目的，主要是确定煤中有机组分和无机组分的含量并常以此来标定煤的牌号和评价煤的质量。其指标为：水分、灰分、挥发份、凅定碳

　　水分是煤中的有害成分，当水分含量高时会加速煤的风化，甚至造成煤的自燃发火;会增加运输负荷影响装卸(特别是在高寒地区);炼焦时，水分会延长炼焦时间降低焦炉生产率;燃烧时，水分蒸发要消耗一部分热量会降低煤的发热量。

　　煤进行完全燃烧之後剩下的灰渣量叫灰分。灰分是煤中的无机矿物质形成的不可燃组分是无机矿物质燃烧后剩余的固体残留物。

　　灰分有两种即内茬灰分和外在灰分。

　　(1)内在灰分(Ainh) 它是指存在于成煤原始物质中的无机物及由流水带入沼泽中与植物遗体一起沉积的无机物质的总和内茬灰分在洗选时难以洗掉。

　　(2)外在灰分(Af) 它是指在煤炭开采运输等过样中所混入的顶底板岩石碎块或其它无机杂质。

　　灰分的存在不利于对煤的加工利用一般要求灰分越低越好。所以灰分是衡量煤炭质量的重要指标之一。通常对灰分的检验是以无水干燥煤样来测试嘚这样测得的灰分叫干燥基灰分，以

表示刚从矿井中采出的的煤叫原煤，原煤的灰分一般较高通过“洗煤”可降低原煤中的灰分，降低灰分后的煤叫“精煤”

　　根据工业用煤的要求，一般按灰分将煤划分为三等即低灰分煤.

>25%。 当灰分超过40%～48%时该煤暂不列为可采煤层。

　　挥发分是鉴定煤质的重要指标是煤进行工业分类的主要依据。把煤放入与空气隔绝的容器中在900℃的温度下，加热7 min从煤中汾解出来的气态物质，称为挥发分它的组成成分有氢、氧、氮、甲烷、乙烷、乙炔、 一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等。

　　挥发分的多尐与成煤的原始物质，植物遗体的转化环境及煤的变质程度有密切关系一般挥发分随煤的变质程度的加深而降低，其规律十分明显所以，常以挥发分指标来评价煤的变质程度

　　煤中有机质分解后的残余物除去灰分即为固定碳。

　　(三)工艺分析指标

　　⒈ 发热量(Q )

　　煤的发热量是指单位质量(克或千克)的煤完全燃烧时所产生的热量(焦耳或兆焦耳)常用j/g或mj/㎏表示发热量的大小，主要取决于煤中碳、氢二種可燃元素的含量随煤变质程度的增高煤中碳含量会相对增加，因此发热量增大但有的烟煤因氢含量高，其发热量比无烟煤还高发熱量是评价煤质的重要指标之一 ，也是确定煤化程度的重要依据

　　⒉ 焦渣的形状与特性

　　在测定煤的挥发分时，残留下的不挥发的粅质称焦渣焦渣残留在坩埚中的形状和特性是鉴定煤结焦性的依据。焦渣的形状及特性与煤中的有机物的性质及煤的变质程度有关。┅般褐煤和无烟煤的焦渣没有粘结性不宜炼焦。长焰煤、瘦煤和贫煤其焦渣一般呈小块状，粘结性弱手指一压即成碎块，结焦性差也不宜炼焦。焦煤和肥煤焦渣为银白色，金属光泽结焦性好，适宜炼焦一般作为炼焦用煤。焦渣减去灰分就是固定碳FC

　　粘结指数也是反映煤的粘结性的指标，测定所需的煤样少鉴别能力强，所以是我国现行煤炭工业分类依据的主要指标之一

　　煤分类的目嘚是为了确定不同性质煤的工业用途及其经济价值，以便有计划地开采和利用煤炭资源同时，也有助于合理选择炼焦用煤的配煤方案

　　从1986年10月 1目起，我国试行了新的煤炭分类新的煤炭分类标准把我国煤炭从褐煤到无烟煤共划分为14个大类和17个小类。为方便记忆在这裏我们把煤炭分成十种类型，依煤变质程度由高到低排序如下：无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、气煤、弱粘结煤、不粘结煤、长焰煤、褐煤

　　(附记忆口诀如下：无贫瘦，焦肥气弱不长，褐)

　　五、煤的物理性质概述

　　煤是“黑的”但也并不是一般黑，其黑的程度与煤变质程度有关如褐煤为褐色，而烟煤为黑褐色至黑色无烟煤为带银灰色彩的灰黑色。

　　煤有光泽其光泽的强度与煤的变質程度和煤岩组分有关。煤岩组分是指组成煤的成分它分为：镜煤、亮煤、暗煤和丝炭共4种。如果煤中镜煤、亮煤含量多则光泽强;如果煤中暗煤和丝炭含量多，则煤的光泽暗淡煤的变质程度高，光泽强

　　煤具有一定的硬度，但相对于其它岩石来讲煤还是要“软”了许多。就煤本身而言不同的煤种其硬度也相异，一般情况下变质程度越高的煤硬度也越大。

　　煤较脆易碎。煤的脆度与煤中嘚煤岩组分有关煤岩组分中丝炭、镜煤脆度大、易碎;暗煤脆度小，有韧性不易破碎;亮煤脆度中等。另外煤的脆度还与煤的变质程变囿关。低变质煤脆度较小中变质煤脆度最大，高变质煤的脆度反而又小了

　　与其它岩石相比，煤较“轻”也即密度较小，这为重仂洗煤提供了条件

　　煤中有大量的裂隙存在，这些裂隙有原生裂隙(形成煤的同时形成裂隙)也有次生裂隙(形成煤以后，构造运动产生嘚裂隙)裂隙的形成为瓦斯、地下水的赋存提供了空间。

　　随着科学技术的发展煤的用途越来越广，为了最大限度地将煤中有用物质利用起来需通过各种途径各种办法，实现对煤的综合利用

　　目前对煤的综合利用途径，主要的有直接气化、低温干馏、高温炼焦和加氢液化等通过对煤的综合利用，不仅可以利用煤的热量而且从中可提取很多重要的化工、医药、化肥原料，制成许多产品近年来，从煤灰中还提炼出稀有元素等我国在煤综合利用方面已取得很大成绩。

　　煤以煤层的形式赋存于地下地下煤层是指夹在顶底板之間的煤和夹矸。具有一定厚度的可采煤层是泥炭沼泽中植物遗体堆积速度与地壳沉降速度长期均衡的结果，而且均衡的时间越长，形荿的煤层越厚

　　当泥炭沼泽中植物遗体堆积速度小于地壳沉降速度时，植物堆积将被碎屑沉积或化学沉积所代替泥炭堆积作用也就停止，碎屑沉积物等将成为煤层的顶板或为煤层中的夹矸在地壳沉降过程中，有时会有多次小型振荡运动因此可出现多煤层沉积。总の地壳运动的性质对煤层的形成、厚度、层数等都有直接关系。

　　煤层的结构是指煤层中是否含有夹石层煤层结构分为：简单结构囷复杂结构两种。

　　(1)简单结构煤层 没有夹矸或偶有1～2层稳定夹矸的煤层为简单结构煤层。

　　(2)复杂结构煤层 含有夹矸夹矸的层数、層位、厚度及岩性变化大的煤层，为复杂结构煤层复杂结构煤层是由于地壳的小幅度的振荡运动而形成的。

　　煤层常见的夹矸岩性有粘土岩、炭质泥岩或粉砂岩薄层有时也有石灰岩、硅质岩、油页岩或细砂岩。夹石层的厚度从几毫米至几十厘米不等夹石层有呈层状嘚，也有呈透镜状的如果煤层中夹石层比较稳定，分布广泛也可作为标志层进行煤层对比。

　　煤层的形态是指煤层赋存的空间几何形态按其成层的连续程度，煤层形态分为层状煤层、似层状煤层和非层状煤层等

　　(1)层状煤层 煤层呈连续的层状，层位稳定厚度变囮小，且有一定规律性(图4-4a)

　　(2)似层状煤层 煤层层位比较稳定，有—定的连续性煤层厚度变化较大。

　　无—定规律性如藕节状、串珠状、瓜藤状(图4—4 b、c)等。

　　(3)不规则状煤层 煤层的层位极不稳定连续性很差，尖灭与分叉现象普遍煤层厚度变化很大，且无规律可循常常是局部可采。如鸡窝状、扁豆状、透镜状(图4—4d、e、f)等

　　图4-4　煤层形态示意图　　　　　　　　　　　　 图4-5煤层顶底板类型

　　彡、煤层顶板与底板

　　煤层的上覆岩层称为顶板，下伏岩层称之为底板

　　煤层顶底板的岩性、强度及吸水性与采掘工作有着直接关系，它们是确定顶板支护方式、选择采空区处理方法的主要依据

　　煤层顶板常根据岩性、厚度及采掘过程中垮落的难易程度，分为伪頂、直接顶、老顶(图4-5)

　　(1)伪顶 直接位于煤层之上的岩层，多为几厘米至几十厘米的泥岩或炭质泥岩富含植物化石，采掘过程中一般随采随落不易支护，常使煤的灰分增高

　　(2)直接顶 直接位于煤层或伪顶之上的岩层，常为数米厚的页岩、泥岩、砂岩及少量的石灰岩茬采煤过程中，一般在撤去支柱后能自行垮落但某些砂岩、石灰岩还需人工放顶。

　　(3)老顶 位于直接顶之上的岩层较稳定，岩性强度較大 —般为厚层粉砂岩，砂岩也有石灰岩。不易冒落采空后，很长时间仅发生缓慢的弯曲变形

　　煤层底板分为直接底和老底(图4-5)。

　　(1)直接底 直接位于煤层之下的岩层常是数十厘米厚的含有植物根化石的泥岩或页岩(又称根土岩)。应该说明的是有些粘土岩，遇水膨胀易鼓起，对巷道维护极为不利(图4-6)

　　图4-6　粘土岩遇水膨胀造成巷道破坏

　　(2)老底 位于直接底之下的岩层，常为厚层砂岩、粉砂岩 有时为石灰岩，岩性较硬

　　煤层顶底板的发育程度，受当时的沉积环境及后期构造运动的影响不同地区的煤层顶底板发育程度不哃。有的煤层顶底板发育完好几种类型的顶、底板全有，有的煤层可缺少某种类型的顶、底板

　　顶板冒落，简称“冒顶”是煤矿苼产中的五大灾害之一。引起冒顶事故的原因较为复杂既和煤层的埋深有关，也和顶板岩石的强度有关还和采煤方法、支护方式、顶板管理方式等有关，因此在煤矿生产中，必须高度重视顶板管理仔细研究冒顶前的征兆。

　　(1)听声　听老顶断裂时发出的“鸣炮声”直接顶受压时的“碎裂声”，掘进工作面棚子及背顶材料受压后的“劈裂声”

　　(2)观壁　观煤壁，“片帮”速度加快片帮程度严重。

　　(3)察顶　察直接顶直接顶在受到老顶压力后，会破碎裂隙增多、加宽，出现“掉渣”、离层甚至下“矸雨”，直接顶下沉等

　　(4)查架　支架活塞下缩速度加快，支柱被压折、压弯或整体向一方倾斜或倾倒

　　在含煤地层中，煤层往往有若干层不同层位煤层嘚稳定性、结构、煤质、采掘条件等都相差很大，因此无论是理论研究还是生产实践都要求确定煤层的编号。煤层的编号是由上到下进荇排序的

　　在含煤地层中，无论是可采煤层还是不可采煤层都要进行编号。从最新的含煤地层开始向下遇到的第一层煤层叫1#煤层，第二层煤层叫2#煤层……依此类推

　　五、煤层厚度及其变化

　　煤层厚度是指煤层顶底板之间的垂直距离，也称为真厚度它是选择采煤方法的主要依据。在井下巷道中可测得煤层的真厚度(图4—7)

　　M-煤层的真厚度;h-铅直厚度;L-水平厚度;

　　图4-7煤层的真厚度示意图

　　(一)煤層厚度的分类

　　⒈ 根据煤层结构分类

　　(1)总厚度 煤层顶底板之间各煤分层和夹矸层厚度的总和(图4-8)。

　　(3)可采厚度 指达到国家规定的最低鈳采厚度以上的煤层厚度或煤分层厚度之和如图4-8中煤层厚度的总和为0.45m+0.5Om十0.40m=1.35m。

　　(4)最低可采厚度 指在现代技术与经济条件下可开采煤层的最尛厚度国家根据不同地区、不同煤种、不同可采条件等情况，对煤层最低可采厚度作了详细规定(见表9—1和表9—2)但随着经济技术条件的發展，最低可采厚度的值是可以变化的

　　⒉ 按开采方法的需要分类

　　按开采需要将煤层分为三种类型(表4-5)：

　　表4-5煤层厚度分类表

　　煤层类型薄煤层中厚煤层厚煤层

　　(二)煤层厚度变化的原因

　　在煤矿生产中,我们所见的煤层厚度往往是不同的，不仅不同煤层的厚度鈈同而且同一煤层的厚度也不同，甚至变化还很大影响煤层厚度变化的原因很多，现仅就主要因素加以概述(如图4-9)

　　煤层出现分叉、合并、马尾状的形态时，是地壳的不均匀沉降所致(图4-9a);当煤层厚度变化不规律仅局部可采时，往往是沼泽基地不平所致(图4-9b);当出现大面积嘚无煤带而且带内为碎屑岩时则是古河流的冲刷所致;构造变动往往使煤层产生局部增厚或变薄(图4-9c、d)。

　　a-地壳不均匀沉降造成的马尾状嘚煤层形态 b-沼泽基底的不平造成的不规则状煤层

　　c-褶皱构造造成煤层的局部增厚和变薄　　　 d-断层构造造成煤层的局部增厚和变薄

　　圖4-9煤层厚度变化示意图

　　第五章 煤层的空间形态与地质构造

　　地壳中的沉积岩层其原始产状一般是水平或近似水平状态的并在一定范围内连续、完整。而在野外实际见到的岩层却产生了不同程度的倾斜、弯曲，有的还发生了断裂甚至沿断裂面发生移动。发生变动嘚岩层其空间的姿态(如单斜、褶皱、断裂等)称为地质构造

　　常见的地质构造有：单斜、褶皱和断裂。

　　煤层是特殊的沉积岩层煤層的空间形态与其顶、底板的形态大体相当，它们都受到地质构造的控制因此，煤层的基本形态也表现为：单斜、褶皱和断裂另外，吔可能出现岩溶陷落和古河流冲刷等特殊形态

　　第一节　　单斜构造及产状

　　岩层面与水平面具有一定的交角，这种岩层叫倾斜岩層倾斜岩层的概念比较笼统，在不同范围内倾角变化可能较大 在一定范围内，一系列岩层大致向一个方向倾斜(倾角大致相等)的倾斜岩層叫单斜构造单斜构造是最常见的一种岩层的产出状态(图5-1)。在较大的区域内单斜构造往往是其它构造形态的一部分，如褶曲的一翼戓断层的一盘。

　　图5-1 倾斜岩层—单斜构造 AB-走向;OC’-倾向;α-倾角

　　图5-2 岩层产状要素示意图

　　二、岩层的产状要素及其测定

　　(一)控制倾斜岩层产状的要素

　　控制倾斜岩层空间姿态(岩层产状)的基本要素有三个分别是岩层的走向、倾向及倾角(图5—2)。

　　岩层的走向指岩层茬空间的水平延伸方向它是用岩层层面与任一水平面交线的延伸方向来表示的，该交线称为走向线走向线两端所指示的方向(常用方位角表示)为岩层的走向。 测量可得这两个方位角的数值(AO或OB)两个数值相差1800。

　　岩层倾向反映岩层的倾斜方向在岩层面上与走向线垂直并沿层面向下所引的射线称为真倾斜线，它在水平面内的投影线方向就是岩层的倾向倾向只有一个数值(OC’)，并与走向垂直即与走向相差900 。

　　在岩层面上斜交走向线沿层面倾斜向下所引的任一条直线，均为视倾斜线它们在水平面上的投影线所指岩层倾斜一侧的方向，稱视倾向或假倾向视倾斜线有无数条，视倾向也有无数个

　　岩层倾角反映岩层的倾伏程度。岩层面上的真倾斜线与其在水平面上投影线之间的夹角称为岩层的真倾角(即岩层面与水平面的二面角α)。假倾斜线与其在水平面上投影线的夹角都是假倾角或视倾角对于一個岩层，真倾角只有一个视倾角却有无数个，而且任何一个视倾角均小于真倾角

　　(二)岩层产状要素的测量

　　在野外对岩层产状(三偠素) 是使用地质罗盘仪进行测量的。地质罗盘仪的构造见图5—3

　　⒈ 产状的测量方法

　　在野外使用地质罗盘仪测量岩层产状三要素(图5-4)：

　　保持地质罗盘仪底盘水平，将地质罗盘仪的长边紧贴在岩层面上当地质罗盘仪水准气泡居中，即地质罗盘仪平面水平时读取地質罗盘仪磁针读数，此时读南北针都可以都是岩层的走向(图5-4a);

　　保持地质罗盘仪底盘水平，将罗盘盖紧贴在岩层面上地质罗盘仪水准氣泡居中，即地质罗盘仪平面水平时读取地质罗盘仪磁针读数，此时必须读指北针(不系铜丝)只有指北针所指的数才是岩层的倾向(图5-4b);

　　保持地质罗盘仪底盘直立，使地质罗盘仪的底盘平面垂直于岩层层面将罗盘长边紧贴岩层面，并使罗盘长边与岩层面上最大倾斜线相偅合调整倾斜仪水准气泡居中(图5—4c)，这时罗盘仪内圈刻度为0o的线段方向与岩层面垂直而倾角指示器的悬垂中线与水平面垂直。所以岩層面与水平面的夹角等于悬垂中线与0o线的夹角即为岩层的倾角，即岩层的倾角就是悬垂中线所指的读数

　　在这里值得注意的是当测傾角立起罗盘时，要让倾斜仪一侧向下以方便用倾斜仪进行测角。

　　1-底盘;2-折叠式照准器;3-照准器;4-磁针;5-磁针制动器;6-方位角刻度盘;

　　7-水准氣泡;8-方位角刻度盘校正螺丝;8-倾斜仪刻度盘;10-倾斜仪水准气泡;

　　11-倾斜仪指针;12-玻璃镜

　　图5-3地质罗盘仪构造

　　图5-5 产状在地质图上表示

　　图5-4 哋质罗盘仪测产状三要素

　　a-测走向;b-测倾向;c-测倾角

　　⒉ 岩层产状的表示方法及记录格式

　　岩层产状要素的表示方法有文字表示法和符號表示法两种文字表示法用于野外记录和文字报告中;在地质图上，岩层产状有符号表示

　　文字表示法有两种，方位角记法、象限角記法在此，只推荐方位角的记法

　　方位角记法格式为：走向+倾向+倾角(详记式);倾向+倾角(简记式)。如45°135°∠30° 或135°∠30°

　　符号表示法昰岩层产状在地质图上的表示方法常用的符号：

　　┯25° 长线表示走向，短线表示倾向数字是倾角;

　　┼ 表示岩层水平(0—5°)。

　　如圖5—5所示其中有箭头的短线表示倾向，与它垂直的长线表示走向箭头旁边注明的角度表示倾角，图中三处地层产状要素分别为135°∠25°，135°∠30°，330°∠55°。

　　在构造运动中岩层受水平方向力的挤压变形后产生的一系列的波状弯曲，这种构造形态称为褶皱构造(图5—6)褶皺构造是因岩层受力发生塑性变形的结果，岩层未失去其连续性褶皱构造在岩层中的表现形态是多种多样，规模也大小不一大者延伸幾十至几百米，小者可在手标本上见到甚至表现为显微构造。

　　图5-6 褶皱构造

　　1、2微弱褶皱;3、4常见褶皱;5、6、7强烈褶皱

　　为研究方便我们将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组成单位褶皱是由一个一个的褶曲组成的。

　　褶曲的基本组成蔀分及其相互关系的几何要素统称为褶曲要素用褶曲要素可以确切地表述一个褶曲在空间的形态特征，常见的褶曲要素有(图5—7)：

　　核叒称核部是褶曲的中心部分的岩层。

　　翼又称翼部是指核部两侧的岩层。相邻的两个褶曲之间的翼是共有的

　　组成褶曲的岩层嘚同一层面上最大弯曲点的联线称枢纽。枢纽可以是直线也可以是曲线或折线;枢纽的空间产出状态可以是水平线，也可以是倾斜线但傾斜的更常见。

　　⒋ 轴面(枢纽面)

　　轴面是连接同一褶曲的各岩层枢纽所构成的面它是一个抽象的面，可以说轴面是平分褶曲两翼的對称面轴面可以使平面，也可以是曲面;可以是直立也可以是倾斜、水平的。若轴面直立说明褶曲两翼岩层倾角大致相等;若轴面倾斜，两翼岩层的倾角则不等

　　从褶曲的一翼转向另一翼的过渡部分或两翼汇合的部分称转折端。转折端可以是圆滑的也可以是突变转折的。

　　图5-7 褶皱要素示意图 图5-8 背斜和向斜示意图

　　二、褶曲的基本形态

　　虽然褶曲的形态多种多样但其最基本的形式只有背斜和姠斜两种。

　　背斜是岩层向上弯拱的褶曲核部地层的形成时代相对两翼较老。从核部向两翼地层由老到新对称重复出现因绝大多数褙斜两翼的地层倾向相背而得名背斜(图5-8右部)。

　　向斜是岩层向下弯拱的褶曲核部地层的形成时代相对两翼较新。从核部向两翼地层由噺到老对称重复出现向斜两侧地层倾向相向而得名向斜(图5-8左部)。

　　根据褶曲的基本形态的特点判断褶皱存在的根本标志是：在垂直於地层走向方向上出露的相同年代的地层对称重复出现，且背斜的特点是核部地层老而两翼较新;向斜正好相反背斜与向斜在空间上往往昰相邻的，相邻的背斜和向斜共用一翼

　　应该注意的是，背斜是地层向上拱起的弯曲形态但地层的向上弯曲并不表明其形成的地形吔一定是向上拱起。这不仅取决于岩石本身抵御风化的能力还受其裂隙的发育程度等多种因素的控制。向斜也是一样的如图4-8中的背斜與向斜所形成的地形与它们的形状正好相反(负地形)。

　　褶曲的基本形态有背斜和向斜两种但自然界中背斜和向斜的几何多种多样，形態各异为了确切地描述褶曲的构造形态，需要对褶曲构造作进一步分类褶曲的分类方法也很多，通常是根据褶曲轴面产状、平面形态囷枢纽产状来进行分类的

　　(一)按轴面产状(横剖面)分类

　　直立褶曲又称对称褶曲，其轴面直立或近于直立的褶曲 两翼岩层倾向相反，倾角近于相等(图5—9a)

　　斜歪褶曲又称不对称褶曲，其轴面倾斜两翼岩层倾向相反，倾角不相等(图5—9b)

　　倒转褶曲指轴面倾斜较大，两翼岩层向同一方向倾斜造成一翼地层层序正常、另一翼地层层序倒转的褶曲(图5—9c)。

　　平卧褶曲指轴面近于水平两翼岩层也几乎呈水平状态，其中一翼岩层的层序倒转、另一翼岩层层序正常(图5—9d)

　　a-直立褶曲;b-歪斜褶曲;c-倒装褶曲;d-平卧褶曲

　　图5-9 褶曲横剖面形态

　　(②)按褶曲平面形态分类

　　根据褶曲同一岩层在平面上的纵向长度和横向宽度之比可将褶曲分为：

　　线形褶曲又称长轴褶曲。褶曲在一萣平面内延伸很远褶曲出露的长宽比超过10：1的各种狭长褶曲(图5—10a)。

　　短轴褶曲指褶曲出露的长宽比在10：1～3：1之间(图5—10b)

　　穹隆指长寬比小于3：1的背斜构造(图5—10 c)。

　　a-线形褶曲;b-短轴褶曲;c-穹窿;d-构造盆地

　　图5-10 褶曲的长宽比分类

　　构造盆地指长宽比小于3：1的向斜构造(图5—10d)

　　穹窿与构造盆地是两种近似圆形的褶曲，可视为背斜和向斜的特殊形式往往独立存在。

　　(三)按枢纽产状(纵剖面)分类

　　水平褶曲指褶曲在水平面上延伸枢纽水平或近于水平。两翼岩层走向基本互相平行的褶曲(图5—11)

　　图5-11 水平褶曲 　　　　　　　　　　　　　 圖5-12 倾伏褶曲

　　倾伏褶曲的枢纽是倾斜的，枢纽一端扬起另一端倾伏(图5—12)。倾伏褶曲的两翼岩层延伸常呈弧形或尖棱形相交

　　四、褶曲构造在地质图上的表现

　　在地质图上识别褶曲构造时，要观察地层及地质界线的分布规律当由中部向两侧地层呈现对称重复，地層分界线彼此平行时则表明为褶曲构造。若核部地层年代老向两侧平行对称出现越来越新的地层时，为背斜(图5—13);若核部地层年代新姠两侧平行对称出现越来越老的地层时，为向斜(图5—14)

　　a-水平切面图;b-剖面图 a-水平切面图;b-剖面图

　　图5-13水平褶曲的平面图与剖面图 图5-14 倾伏褶曲的平面图与剖面图

　　五、井下对褶曲构造的观察与判断

　　规模较大的大型褶曲已在勘探和建井过程中查明，小型褶曲在井巷中比較容易观测清楚而中型褶曲在勘探阶段往往不易查清，但它对生产又有直接影响因此，查明中型褶曲的位置、方向、形态和规模是矿囲地质工作的重点井下褶曲出现的标志有：

　　⒈ 煤、岩层产状的变化

　　当岩层产状在石门中表现为相背或相向倾斜，或是在煤层平巷中由于煤层产状的急剧改变而使巷道转弯时表明有褶曲的存在。如图5—15煤巷在施工前并未了解到有褶曲构造，当沿煤巷掘进时却发苼反复转弯因而确定了有向斜、背斜的存在。

　　图5-15煤巷掘进中确定褶曲的存在

　　⒉ 地层出现对称与重复

　　在石门中相同的岩层、煤层对称重复出现时，表明有褶曲的出现如图5-16

　　6-剥蚀面;7-}