地史、地質(zhì)構(gòu)造及礦井充水因素簡(jiǎn)介

1、地層地史、地質(zhì)構(gòu)造與礦井充水因素簡(jiǎn)介,2016年3月 吳泉江,地史學(xué) 地質(zhì)構(gòu)造（斷層與褶曲） 礦井充水因素分析,地史學(xué),定義：研究地球(主要是地殼和上地幔頂層)發(fā)展歷史及其規(guī)律性的學(xué)科，又稱歷史地質(zhì)學(xué)。 研究?jī)?nèi)容：沉積發(fā)育史、生物體演化史、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)史。 沉積發(fā)育史：主要研究地層程序律和生物層序律。地層程序律指層狀巖層在未發(fā)生倒轉(zhuǎn)之前，先形成的巖層位于下面，后形成的巖層位于上面。這一原理稱地層層序律，也稱疊覆原理。根據(jù)巖層空間幾何位置的上下疊置關(guān)系，可以判定巖層形成時(shí)間的早晚。生物層序律指生物的演化過(guò)程是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由低等到高等。地層年代越老所含的古生物化石的構(gòu)造就越簡(jiǎn)單，級(jí)別越低，與現(xiàn)代生物

2、差別越大，反之亦反。,生物層序律與地層層序律是確定地層形成時(shí)代，研究地層形成過(guò)程的重要理論。沉積學(xué) 生物演化史：地史學(xué)主要研究生物在不同地質(zhì)歷史時(shí)期、不同自然地理環(huán)境中發(fā)生、演化、遷移、滅絕等現(xiàn)象及其原因。古生物地史學(xué) 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)史：研究巖漿活動(dòng)、變質(zhì)作用的性質(zhì)和特征，分析巖漿活動(dòng)、變質(zhì)作用的時(shí)空分布規(guī)律，推斷其形成是的構(gòu)造條件，劃分出不同構(gòu)造單元和構(gòu)造階段，恢復(fù)地殼的構(gòu)造發(fā)展史。地質(zhì)構(gòu)造學(xué) 沉積發(fā)育史 一、 礦物巖石地層（巖層） 1.礦物：是指在地質(zhì)作用或宇宙作用下形成的具有相對(duì)固定的化學(xué)組成以及確定的晶體結(jié)構(gòu)的均勻固體。 2.巖石：是由一種或幾種礦物和玻璃質(zhì)所組成的，具有一定結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和穩(wěn)定

3、外形的固態(tài)集合體。,礦物的主要物理性質(zhì)包括:顏色、條痕、光澤、透明度、硬度、解理、斷口。 莫氏硬度計(jì) (指甲22.5，銅片33.5，小鋼刀56,玻璃66.5),鑒定特征：透明度：半透明，顏色：白色或各種淺色?；且阎钴浀牡V物，其莫氏硬度標(biāo)為1。用指甲可以在滑石上留下劃痕。,滑石,鑒定特征：白色、無(wú)色，無(wú)色透明晶體稱為透石膏，有時(shí)因含雜質(zhì)而成灰、淺黃、淺褐等色。條痕白色。透明。玻璃光澤，解理面珍珠光澤，纖維狀集合體絲絹光澤。硬度2。,鑒定特征：白色、無(wú)色、灰色、紅色、棕色、綠色和黑色，條痕白色到灰色，透明到半透明，玻璃到珍珠光澤或暗淡光澤，加稀鹽酸劇烈起泡。硬度為3。,石膏,方解石,鑒定特征

4、：顏色多樣，有紫紅、藍(lán)、綠和無(wú)色等。透明、玻璃光澤，硬度4，解理好。,螢石,巖石的成因分類：沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖。 巖漿巖：指由地球深處的巖漿侵入地殼內(nèi)或噴出地表后冷凝而形成的巖石。 變質(zhì)巖：指地殼中原有的巖石受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)或地殼內(nèi)熱流變化等內(nèi)應(yīng)力影響，使其礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生不同程度的變化而形成的巖石。又可分為正變質(zhì)巖和負(fù)變質(zhì)巖。 沉積巖：指在地表?xiàng)l件下，由母巖的風(fēng)化產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、沉積及沉積期后作用形成的一類巖石。煤是一種特殊的沉積巖。 3.地層（巖層） 成層的巖石稱為巖層，形成的時(shí)代已經(jīng)清楚的巖層稱為地層。 巖石地層單位：以地層的巖性、巖相為主要5依據(jù)劃分的地層單位。地層單位的

5、級(jí)別由大到小為：群（志丹群、泰山群、葉谷魯群，主要用于變質(zhì)巖中） 組（山西組、太原組、龍?zhí)督M、西山窯組、八道灣組） 段（段是組內(nèi)的次一級(jí)巖石地層單位，八道灣組內(nèi)上段、 下段。）,層（層是段內(nèi)的次一級(jí)巖石地層單位，也是最小的巖石地層單位。） 由于地層的巖性、巖相、變質(zhì)程度常常在橫向上發(fā)生變化，所以這類地層單位只能在小范圍內(nèi)，地方性使用。,最初所有的巖層均為 水平或近水平巖層,年代地層單位與地質(zhì)年代單位,年代地層單位中的系有兩分也有三分：三分的有、O、S、D、T、J、E，即上、中、下統(tǒng)。對(duì)應(yīng)的地質(zhì)年代單位的為早、中、晚。兩分的有C、P、K、N、Q，即上、下統(tǒng)。對(duì)應(yīng)的地質(zhì)年代單 位的為早、晚。,1.

6、在25億年的太古代前在我國(guó)發(fā)生的阜平運(yùn)動(dòng)是一直最早的全球性事件之一。形成了一些穩(wěn)定的陸核。 2.在前震旦紀(jì)的地層無(wú)一例外的全是變質(zhì)巖。 3.中奧陶世中晚期華北地臺(tái)抬升遭受風(fēng)化剝蝕，到石炭紀(jì)又開始下降接受沉積。因此，華北地區(qū)的石炭系地層直接不整合接觸于奧陶系之上。中間缺失S、D系地層。 4.巖石圈運(yùn)動(dòng)的方向： 水平運(yùn)動(dòng)(造山運(yùn)動(dòng))，擠壓或拉張 垂直運(yùn)動(dòng)(造陸運(yùn)動(dòng))，上升或下降,地史的正演與反演 借古論今，將今論古，論未來(lái)。 古生物，古構(gòu)造形跡，標(biāo)型礦物 歲月無(wú)聲，惟石能言！,全球的三大聚煤時(shí)期：石炭-二疊紀(jì)（C-P）:鄂爾多斯聚煤盆地、華北聚煤盆地和華南聚煤盆地。 侏羅-白堊紀(jì)（J-K）:侏羅系

7、煤炭資源儲(chǔ)量占我國(guó)的煤炭總資源儲(chǔ)量的60%左右。 第三紀(jì)-第四季冰期后（E-Q）,成煤作用 煤:煤是古代植物遺體經(jīng)生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的固體可燃有機(jī)礦產(chǎn)。 成煤作用,引起煤層厚度變化的原因 煤層厚度變化的原因分為：原生變化和后生變化。 1.原生變化：指在煤層頂板巖層的沉積物形成之前 （1）古地形基地不平 原因: 泥炭沼澤基底不平導(dǎo)致煤層增厚、變薄和尖滅。 特點(diǎn)：煤層底板或基底巖層呈不規(guī)則起伏，煤層頂板卻比較平整; 煤層厚度在短距離內(nèi)變化較大，并且厚度變化較大的煤層常發(fā)育煤系底部或下部、基底古地形低 洼處煤層較厚，在較高的凸起部位煤層變薄甚至尖滅。在煤層與底板巖石接觸面上，煤層的分

8、層或?qū)永肀坏装逋蛊鸩糠炙刂?，上下分層呈超?fù)關(guān)系。,（2）聚煤期的構(gòu)造控制 沉降的不均一性 泥炭沼澤基底在不同地段沉積幅度的差異，造成煤層向沉降幅度大的一側(cè)分岔、變薄、尖滅現(xiàn)象。 同沉積構(gòu)造：即同沉積斷層和同沉積褶皺。 （3）河流及海水的同生沖蝕 指泥炭堆積過(guò)程中或泥炭層被沉積物覆蓋以后河流等對(duì)煤層的沖刷剝蝕。 （4）沉積環(huán)境的變化,后生變化：指泥炭層被頂板沉積物覆蓋以后煤層和頂板一起經(jīng)受各種地質(zhì)作用而引起的變化。（1）河流的后生作用對(duì)煤層厚度的影響。（2）后期構(gòu)造變動(dòng)對(duì)煤層厚度的影響。,（3）巖漿侵入體對(duì)煤層厚度的影響。一般都是使煤層的連續(xù)性、厚度和煤質(zhì)發(fā)生變化。侵入分為垂直或斜交侵入（巖墻

9、）、順層侵入（巖床）。（4）陷落柱對(duì)煤層厚度的影響。含煤地層下伏巖系如果為可溶性巖石，如石灰?guī)r、白云巖、石膏層等，在地下水的溶蝕作用下可以形成巖溶洞穴，隨著洞穴規(guī)模的擴(kuò)大，在上覆巖系的重力荷載下，煤層及其圍巖逐漸跨落，可形成環(huán)形柱狀陷落。形成無(wú)煤帶。,煤層的風(fēng)化帶和氧化帶,煤的風(fēng)化：是指煤系形成之后，受構(gòu)造影響使煤層暴露于地表侯埋藏于地表淺處，在O2、CO2、H2O、溫度、濕度及生物活動(dòng)等外動(dòng)力地質(zhì)作用影響下，使煤層的物理、化學(xué)和工藝性質(zhì)發(fā)生一系列變化的過(guò)程。 煤的風(fēng)化帶：指煤的物理、化學(xué)及工藝性質(zhì)均發(fā)生了變化的地帶。 煤的次風(fēng)花帶：煤的物理性質(zhì)變化不大，而化學(xué)性質(zhì)及工藝性質(zhì)發(fā)生了很大的變化的

10、地帶。 煤層的風(fēng)化帶及其次風(fēng)化帶合稱為煤的氧化帶。,地表及淺處,褶皺 褶皺的要素 核：褶皺的中心部位的巖層。背斜的核是該 褶皺中最老的地層，向斜的核是該褶皺中最新 的地層。 翼：指褶皺兩側(cè)比較平直的部位。當(dāng)背斜和 向斜相連時(shí)，有一翼是兩者共用的。 轉(zhuǎn)折端：指褶皺面（如巖層面）從一翼過(guò)渡 到另一翼的彎曲部分。 樞紐：指單一褶皺面（如巖層面）上最大彎 曲點(diǎn)的連線。 軸面：各相鄰褶皺面（如巖層面）的樞紐 連成的面稱為軸面，軸面是一個(gè)設(shè)想的標(biāo)志 面，它可以是平直面，可以是曲面。,脊線和槽線，同一背形褶皺面的最高點(diǎn)的連線稱為脊線；反之，同一向形褶皺面的最低點(diǎn)的連線稱為槽線。 背形、向形：是指原始水平巖層

11、在地質(zhì)構(gòu)造李的作用下，形態(tài)向上后向下彎曲。而不清楚巖層的新老關(guān)系。 背斜、向斜：是指原始水平巖層在地質(zhì)構(gòu)造李的作用下，形態(tài)向上后向下彎曲。而清楚巖層的新老關(guān)系。,褶皺的分類 褶皺的位態(tài)分類：根據(jù)軸面和樞紐的產(chǎn)狀分7類。直立水平褶皺直立傾伏褶皺傾豎褶皺斜歪水平褶皺斜歪傾伏褶皺平臥褶皺斜臥褶皺。,褶皺的成因分析：,褶皺的圖示（在平面圖上的表示方法）：,等高線中的褶皺(地層未發(fā)生倒轉(zhuǎn)),斷層 斷層的要素：斷層面、斷層、斷層線及斷距。斷層線可以是直線也可以是曲線.S,反S. 斷層面的三要素：走向、傾向及傾角。 斷層分類：與有關(guān)構(gòu)造的幾何關(guān)系：,走向斷層、傾向斷層及斜向斷層（與巖 層走向的關(guān)系），縱斷層

12、、橫斷層和斜 斷層（與褶皺軸向的關(guān)系。）； 按兩盤相對(duì)位移的方向：正斷層、逆 斷層和平移斷層。 按斷層的力學(xué)性質(zhì)：壓性斷層、張性 斷層和扭性段層。,正斷層張性斷層： （1）一般拉張作用形成。 （2）傾角較大，一般大于45。 （3）斷層帶有填充物，如斷層泥，角礫巖。 （4）一般導(dǎo)氣導(dǎo)水，具體看斷層兩盤的巖性及 構(gòu)造環(huán)境的氣密性。 逆斷層壓性斷層： （1）一般為擠壓作用形成。 （2）傾角較小，一般小于45。 （3）斷層帶較破碎，有擦痕、階步。 （4）一般導(dǎo)氣導(dǎo)水，具體看斷層兩盤的巖性 及構(gòu)造環(huán)境的氣密性。 平移斷層扭性斷層,斷層的牽引作用（正牽引） 斷層的牽引作用是斷層兩盤巖層沿?cái)鄬用孀飨鄬?duì)滑動(dòng)時(shí)

13、，斷層附近的巖層因受斷層面摩擦力拖曳而產(chǎn)生的弧形彎曲現(xiàn)象。彎曲突出的方向一般指示本盤的相對(duì)動(dòng)向，結(jié)合斷層構(gòu)造的其他標(biāo)志（如巷道頂板的完整性，巖層的壓力等）可以通過(guò)巖層的牽引現(xiàn)象提前預(yù)知斷盤的運(yùn)動(dòng)方向。,斷層的圖示：,斷層的走向線用于井上下對(duì)照?qǐng)D、構(gòu)造綱要圖或在采掘圖上推斷同一斷層在不同巷道出現(xiàn)的位置。在填繪采掘圖時(shí)，主要用斷煤交線，斷煤交線的寬度由斷層的落差，端層面的傾角所決定。 處理斷層的步驟： 1.首先巷道要完整的揭露斷層面。判斷已掘巷道所處的位置，斷層的延伸方向。 2.根據(jù)斷層構(gòu)造的一些特征判斷斷層的性質(zhì)。（斷層的牽引，斷層面的特征。） 3.根據(jù)斷層對(duì)盤的巖性大致確定斷層的落差，通過(guò)鉆探

14、尋找斷失翼煤層，最后確定具體的斷層落差。 過(guò)斷層的方法： 調(diào)、起、平、落、穿。（調(diào)：調(diào)整巷道的方位。起：加大巷道的坡度。平：斜巷變平巷。落：減小巷道的坡度。穿：直接進(jìn)入斷層的另一盤。）,三礦構(gòu)造綱要示意圖,礦井充水因素 礦井充水因素：頂板砂巖裂隙水、老空區(qū)積水及封閉不良的鉆孔水。 一、頂板砂巖裂隙水 根據(jù)勘探地質(zhì)報(bào)告顯示，三、六礦的直接充水含水層為下侏羅統(tǒng)八道灣組上段砂巖裂隙含水層，地層兩極厚度為157.6161.0m，平均159.8m，礦井所開采煤層也位于下侏羅統(tǒng)八道灣組上段，同屬一個(gè)層位?？碧綍r(shí)對(duì)三礦7-2號(hào)專門水文地質(zhì)鉆孔進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，孔深151.93m，混合抽水試驗(yàn)結(jié)果，靜止水位埋深

15、33.25m，降深18.51m，涌水量0.00156L/s，單位涌水量0.0008 L/s.m，滲透系數(shù)0.0026m/d。（q:抽水試驗(yàn)時(shí)井孔內(nèi)水位每下降一米時(shí)的涌水量。它是對(duì)比含水層出水能力大小的重要指標(biāo)。q0.1，為水文地質(zhì)簡(jiǎn)單礦井礦井水文地質(zhì)劃分類型)。 頂板砂巖裂隙水表現(xiàn)為在掘進(jìn)過(guò)程中頂板、錨桿或錨索滲水及煤層滲水的現(xiàn)象。,根據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示，四礦的直接充水含水層為中侏羅統(tǒng)西山窯組上（J2x2）砂巖裂隙無(wú)壓承壓含水層組，地層兩極厚度為 187.49m259.64m，平均204.31m，據(jù)3-02水文孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，單位涌水量q=0.01069L/s.m，滲透系數(shù)K=0.01838m/d

16、，為富水性弱。 B1002工作面水源分析： 1.工作面水源為中侏羅統(tǒng)西山窯組砂巖裂隙含水層中水，距B10煤層約24.83m，厚度平均為6.10m左右。砂巖具有一定的含水性和持水性，在回采過(guò)程中受采動(dòng)影響，頂板冒落后裂隙與含水層導(dǎo)通，形成水力聯(lián)系，含水層平衡被打破，砂巖水就隨之下來(lái)。 2.本工作面的砂巖水具有周期性和突發(fā)性，根據(jù)前幾次觀測(cè)該周期為1011天，但從近幾次出水的周期又變長(zhǎng)，水量衰減速度變慢。根據(jù)煤層的傾向，在頂板巖層的自重及裂隙水的自重影響下，工作面下出口為壓力最為集中的地方，由于B10煤層的直接頂巖性較軟，相對(duì)較破碎，容易掉頂，掉頂之后，與含水層形成水聯(lián)系，水具有突發(fā)性。2016年1月25日18:20開始出水時(shí)最大峰值達(dá)30m/h。到19:00水量穩(wěn)定在18m/h。,3.水的顏色：由于該砂巖含水層為鈣質(zhì)膠接，故水呈乳白色。2016.2.21 1#支架擋煤板煤壁出水，水極其渾濁，似泥漿。當(dāng)沉淀下來(lái)之后水的顏色還是呈現(xiàn)乳白色。工作面煤層傾角較大，工作面下部及下出口壓力相對(duì)較集中，頂板巖層較為破碎。煤層與含水層間存在砂質(zhì)泥巖及泥巖的軟弱巖層。水往低處流。頂板巖層完整性被破壞之后，與含水層形成導(dǎo)水通道。由于下出口及工作面下部頂板壓力較