煤矿地质基础知识
一、煤矿埋藏特征
1、煤层的厚度
由于成煤环境和条件的不同以及地质的影响，煤层厚度差异很大，有的煤层只有几厘米厚，有的可达几十米或百余米。
煤层的厚度，是确定开拓部署和选择采煤方法的主要因素之一。我国根据开采技术的特点，将煤层按厚度不同分成：
（1）薄煤层：小于1.3m 的煤层；
（2）中厚煤层：厚度在1.3~3.5m的煤层；
（3）厚煤层：厚度大于3.5m 的煤层。
在生产工作中，习惯将厚度大于6m 的煤层称特厚煤层。
从我国已探明的煤炭储量和已开采的煤层看，近水平煤层及薄煤层较少，而中厚煤层和厚煤层较普遍。
2、煤层的顶、底板
煤层顶底板是指煤系地层中位于煤层上下一定距离内的岩层。按照沉积顺序，先于煤生成的岩石是煤层底板，后生成的是煤层顶板。在正常情况下，煤层顶板位于煤层之上，而煤层底板位于煤层之下。当地质构造破坏较剧烈时，有可能发生倒转。
根据顶板岩层相对于煤层的位置及开采过程中岩层变形、跨落的难易程度，顶板可分为伪顶、直接顶和基本顶3种类型。
（1）伪顶：位于煤层之上随采随落的极不稳定岩层，其厚度一般在0.5m 以下，多为炭质页岩和泥质页岩等。
（2）直接顶：位于伪顶或直接位于煤层（无伪顶时）之上，具有一定的稳定性，移架或回柱后能自行跨落的岩层，多由砂质岩等组成。
（3）基本顶：位于直接顶或煤层之上，其厚度及岩石强度较大，是坚硬又难以跨落的岩层。通常由粗砂岩、砾岩、石灰石等组成。在采煤过程中，基本顶是顶板管理的主要对象。
煤层底板可分为直接底和基本底。直接底位于煤层之下，厚度数十厘米至数米，多为泥岩、页岩或黏土岩。有的直接底遇水膨胀，容易发生底鼓现象，致使巷道遭到破坏。基本底是位于直接底之下的较坚硬岩层，常为厚层状砂岩、砾岩或石灰岩。
3、煤层的形态与结构
煤层是沉积生成的，一般呈层状，但由于受地壳运动的影响，有的煤层形状发生变化。一般可分为3种类型：
（1）层状煤层，其层位有显著的连续性，厚度变化有一定的规律或厚度基本稳定；
（2）似层状煤层，其形状像藕节、串珠或瓜藤等，层位有一定的连续性，厚度变化较大；
（3）非层状煤层，形状像鸡窝或扁豆状，层位连续性差，常有大范围尖灭。我国西北、华北、东北等地区的主要矿区煤层多为层状煤层。江南各小型矿区和乡镇、个体所经营的小煤矿相当多的煤层是非层状煤层。层状煤层比较方便，而非层状煤层常给开采带来一定难度。
煤层除在形态上有所不同以外，在构造上也有很大差别，在有的煤层中，有时含有厚度较薄且很不稳定的岩层，这类含在煤层内的岩层称作夹石或夹石（矸）层。根据煤层中有无稳定的夹石层，可将煤层分为两类，即简单结构煤层和复杂结构煤层。简单结构煤层一般不含夹石层，复杂结构煤层含夹石层者1—2层，多者可达几层或十几层。由于夹石层的存在，不仅使煤的灰分增高，而且给开采带来一定的难度。
4、煤层的产状要素
煤层原始生成时呈水平状态，但由于地壳运动的影响，煤层及岩层由水平状态变成为倾斜或弯曲状态。描述煤层的储存状态和位置用产状要素来表示。煤层产状要素就是它的走向、倾向和倾角，如图4-1所示。这3个要素就能表示出煤层在空间的位置。
（1）走向。煤层层面与水平面的交线称为走向线，走向线两端所指的方向就是走向。
（2）倾向。在煤层层面上与走向线垂直向下延伸的直线叫做倾斜线，倾斜线的水平投影所指的方向称为倾向。
（3）倾角。煤层层面与水平面的夹角称为倾角。倾角的大小反映煤层的倾斜程度，倾角变化在0°--90°之间。煤层倾角越大，开采难度越大。根据采煤技术特点，煤层倾角分为4类：
近水平煤层
缓倾斜煤层 8°—25°
倾斜煤层 25°—45°
急倾斜煤层 >45°
5、煤矿地质构造及其安全生产的影响
岩（煤）形成初期，一般都是水平或近水平的，并在一定范围内是连续完整的，后来受到地壳运动的影响，使岩层的形态发生了变化，出现了倾斜、褶皱，有的还发生了断裂
或延断裂面产生了位移，使岩层失去了完整性。这种有地壳运动造成的岩石的空间形态（如褶曲、断层等）称为地质构造。
地质构造的形态多种多样，大致可分为单斜构造、褶皱构造和断裂构造。
1）单斜构造
岩（煤）层受地质作用力的影响，产生向一个方向倾斜的形态，这样的构造形态称为单斜构造。单斜构造往往是其他构造形态的一部分，或是褶曲的一翼，或是断层的一盘。
2）褶曲构造
岩（煤）层在地壳运动中受水平方向挤压力的作用，呈现波状弯曲，但依然保持其连续性和完整性，这种构造形态称为褶曲构造。岩（煤）层褶曲构造中的每一个弯曲为一个基本单位，称为褶曲，如图4-2所示。褶曲的基本形态有背斜和向斜两种：岩（煤）层向上弯拱的褶曲称为背斜；岩（煤）层向下弯拱的褶曲称为向斜。在自然界中，背斜和向斜在位置上往往是彼此相连的，褶曲是由于地壳运动所产生的水平挤压形成的，因此，在褶曲两翼必然存在一个压应力，当地壳运动停止后，由于任何物体都有一个恢复原来状态的趋势，所以又产生了一个拉应力，如图4-3所示。因此，在褶曲构造带势必储存一个应力能，我们把它叫做构造应力。据测定，构造应力是原始应力的20倍，这就给顶板管理和安全生产带来一定的困难，尤其是在有冲击地压的煤层中困难就更大。
3）断裂构造
岩层受地质作用力后遭到破坏，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断裂构造称为裂隙或节理。
断裂面两侧的岩层发生了明显位移的断裂构造，称为断层。其断层要素如图4-4所示。
（1）断层面。岩层发生断裂位移时，相对滑动的断裂面。
（2）断盘。断层面两侧产生相对位移的岩体称为断盘。如果断层面为倾斜时，通常将断层面以上的断盘称为上盘，断层面以下的断盘称为下盘。
（3）断距。断层的两盘相对位移的距离。断距可分为垂直断距（两盘相对位移垂直距离）和水平断距（两盘相对位移水平距离），如图4-5所示。
根据断层两盘相对运动的方向，断层可分为以下3种类型，如图4-6所示。
①正断层：上盘相对下降，上盘相对上升；
②逆断层：上盘相对上升，下盘相对下降；
③平移断层：断层两盘岩块沿断层面做水平方向相对移动。
根据断层走向与岩层的关系，断层又分为：
①走向断层：断层走向与岩层走向平行或基本平行；
②倾斜断层：断层走向与岩层走向垂直或基本垂直；
③斜交断层：断层走向与岩层走向斜交。
根据断层的组合形式不同，又可以有地堑、地垒、阶梯构造等断层组。
断层对煤矿安全生产影响较大。在断层带附近岩（煤）破碎，顶板失去完整性，极易发生冒顶事故；断层又是地下水的良好通道，可能使井下涌水量增加，甚至发生突水事故；另外断层带还可能积聚大量瓦斯，从而引发瓦斯事故。
二、矿图
在矿井设计、施工和生产管理等工作中，需要测绘一系列的图纸，这些图称为矿图。
1、矿图的种类
矿图的种类很多，生产矿井必备的图纸一般分为两大类：一类是矿井测量图，另一类是矿井地质图。
矿井测量图是根据地面和井下实际测量的资料绘制的。随采掘情况不断变化，逐步测量并填绘的。它主要反映矿井地面的地貌、地物情况；井下采掘工作面及井上、下相对位置关系等情况。
矿井地质图一般是在矿井测量图的基础上，将生产过程中收集的地质资料和原有勘探资料，经过分析推断绘制而成的。它主要反映全矿煤层的产状、地质构造、地形地质、水文地质、煤层空间分布等情况。
矿井的地质图和测量图有着密切的联系，如果没有矿井测量图，矿井地质图就难以绘制；反之，矿井测量图如果不根据矿井地质图填绘可靠的地质资料，就说明不了煤层埋藏的真实情况，从而降低矿井测量图的实际效用。
为满足生产，保证安全，在矿井地质图和矿井测量图的基础上，还需要绘制许多图纸。因此，《规程》规定, 一个矿井必备以下11种图纸:
(1)矿井地质和水文地质图;
(2)井上、下对照图；
(3)巷道布置图；
(4)采掘工程平面图；
(5)通风系统图；
(6)井下运输系统图；
(7)安全监测装备布置图；
(8)排水、防尘、防水注浆、压风、充填、抽放瓦斯等管路系统图；
(9)井下通讯系统图；
(10)井上、下配电系统图和井下电气设备布置图；
(11)井下避灾路线图。
2、常用矿图的识读
1）图例和比例尺
矿图是矿井地面和井下实际存在的反映，是根据测量成果，按一定比例尺和国家统一的矿图图例符号绘制成图的。因此，无论绘制和应用矿图，都必须熟悉矿图图例和比例尺。
（1）矿图图例。矿图图例如图4-7所示。
（2）比例尺。在绘制矿图时，不准将实际物体大小描绘在图纸上，必须按一定倍数缩小后描绘在图纸上，这种按缩小尺寸与实际物体尺寸的比例关系数作成的尺子叫比例尺。
一般常用矿图有统一规定的比例尺，如采掘工程平面图是1：2000或1：1000，井下巷道断面图和施工图是1：200或1：100，1：50等。
知道了图纸的比例尺后，就可根据图纸上某一段的长度求出实际相应的水平长度，也可以将实际的水平长度换算成图纸上相应的长度。例如在1：1000的图上，量的两点间的长度d 为3.8cm ，那么实地水平距离D 应为38m ，因为实地水平距离是图纸上线段长度的1000倍，相反，图纸上线段长度是实地水平距离的1/1000。
2) 确定直线方向和点的位置
(1)确定直线方向。在矿图中，直线的方向是用方位角来表示的。
方位角是由标准方向线（指北线）北端，顺时针量到该直线的夹角。
为了计算方便，常用方位角换算象限角。方位角用α表示，一般为0°----360°。图4-8是直线的方位角。用R 1，R 2，R 3，和R 4表示4个象限角。
(2)点的位置。表示地面一点的位置，常采用平面直角坐标系，它是由两条相互垂直的直线构成的。南北方向为纵坐标轴ox ，东西方向为横坐标轴oy 。两轴的交点称为坐标原点。在平面xoy 上，一点的位置可以用该点相对于坐标轴的距离来表示，称为该点的坐标。图4-9中，一号井井口在ox 轴方向的距离为1522m ，用字母x 表示，在oy 轴方向上的距离为1635m ，用字母y 表示。这样，一号井井口的坐标是：x=1522，y=1635。
对于任何一个测量区，都可以自行选择坐标原点的位置，或者采用国家规定统一坐标系。
(3)标高。以选定某处海平面平均水位的水准面作为计算高低的标准，一点到这个水
准面的垂直距离叫该点的标高。高于水准面的是正数，低于水准面的是负数。一号井井口高于水准面189m ，标高是+189m，用字母z 表示，如图4-10所示。
这样，一号井的3个坐标是：x=1522，y=1635，z=+189.不但可以在矿图上画出来，还可以用测量的方法在地面（或井下）定出该点位置。
3）煤层底板等高线图
煤层底板等高线图是把煤层底板与不同高程水平面的交线，垂直投影到平面上，反映煤层空间形态和构造变动的重要地质图件。该图是用于考虑矿井边界、设计井口位置、选择开拓方案、划分开采水平、布置采区和回采工作面、设计和指导各种巷道施工、预留地表和井下重要建筑物的安全煤柱等重要依据。
在煤层底板等高线图上，等高线的延伸方向就是煤层的走向，其延伸方向和等高线之间的间距变化，反映了煤层的产状变化和地质构造形态，如图4-11所示。煤层如果是单斜构造，等高线表现为一组标高不等的平行直线，各等高线之间距离大致相等，等高线越疏表示煤层倾角越缓，等高线越密表示煤层倾角越陡。褶皱构造则表现为一组标高不等的平行曲线。
断层构造在煤层底板等高线和采掘工程平面上是用断层交面线，即段层面与煤层面交线的投影来表示的，如图4-12所示。图上两盘符号以点划线表示上盘，叉划线表示下盘。
图4-12a 为被正断层断开的煤层，其底板等高线中断，煤层底板等高线缺失的地方，即为无煤带。
图4-12b ，为被逆断层错断的煤层。被逆断层错断的煤层并不缺失，而是重复，使煤层底板等高线发生交错重叠现象，重叠部分的上盘等高线为实线，下盘则因被上盘覆盖而以虚线表示。
4) 采掘工程平面图是直接根据地质、测量和采矿资料绘制的。该图能全面反映煤层赋存和主要地质构造情况，井下主要硐室、采掘巷道布置情况，工程进展情况和工作面相互关系，以及开拓系统和通风运输系统等。它是矿图中最基本、最主要的综合性图纸，如图4-13所示。
采掘工程平面图反映的范围可大可小，可反映全矿井范围，也可反映某个采区或某个回采工作面。就煤层而言，它可集中反映单一煤层，也可反映煤层群中联合布置的采掘工程。
采掘工程平面图是将矿井从井筒、石门、井底车场、运输大巷、直至巷道进入煤层构成的采区运输系统和通风系统，以及沿煤层掘进回采工作面的运输巷、回风巷和开切眼所构成的回采工作面的运输系统和通风系统等，用标高投影的方法，将各种巷道投影到同一
水平投影面上绘制而成。
采掘工程平面图是一种综合性图件，它一方面反映了地质情况，另一方面矿井开拓、开采情况。地质内容包括煤层的赋存情况、地质构造形态等，因此，在采掘工程平面图上应绘出煤层底板等高线，各断层的交面线，煤层的分化带、氧化带、变薄带、冲蚀带，火成岩吞蚀区，不可采区，无煤区，井下火区，水淹区，采空区，见煤钻孔和煤层厚度等。
采掘方面的内容应绘出截至目前的全部采掘巷道，反映矿井的开拓方式、采区的划分、采区巷道布置、工作面分布等，从而进一步反映出矿井的 生产系统。具体内容有：井筒位置（立井、斜井）、井底车场、石门、运输大巷、上下山、人行道、平巷、回风巷、工作面编号、工业广场及巷道保安煤柱、已采区及未采区界限、回采工作面采掘动态等，因而在采掘工程平面图上能一目了然地了解矿井掘进和回采情况，指导安全生产。
5）采掘工程图的识读
看图步骤如下：
（1）看标题栏。首先看图的名称，了解这张图是什么图，用什么视图（平面图、剖面图和立体图）表示什么内容，看图的比例尺，数一数坐标方格网数，可大致了解工程巷道的尺寸。
（2）看图例。通常在下角位有图例和符号意义，熟悉图例，看图时才能了解所表达的内容。
（3）看煤层的走向和倾斜。判别巷道性质先看图上指北针的方向，找到煤层等高线，煤层走向垂直等高线的方向就是煤层倾斜。
（4）根据煤层等高线和地质构造符号，看煤层的产状、构造。根据正、逆断层在平面上的投影知识（前边以叙述）判别正、逆断层。
（5）从井底车场开始，找出主要石门、水平运输大巷、主要上山、人行道、开拓方式、采煤方法、采区巷道布置、运输和通风系统等。
（6）对照平面图和剖面图。有些矿井巷道平面图较复杂，纵横交错，上下重叠，不易看出巷道位置关系，这时可以看对应的剖面图。看图时，先找出剖面线位置，然后对照相应的剖面图，就很容易认清巷道的空间位置和关系等。