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1、第三章 矿井生产中的地质问题,第一节 矿井地质构造 第二节 煤厚变化研究 第三节 岩浆岩侵入 第四节 岩溶陷落柱,第二节 煤厚变化研究,一、概述,二、煤层厚度变化的原因,三、煤厚变化的观测与探测,四、煤厚变化的预测,一、概述,煤层厚度变化对矿井生产造成很大的不利影响： 影响采掘部署，增加掘进巷道数量；（由于煤层分叉变薄，可能使巷道掘进到叉尖带而造成废巷；古河流冲刷使煤层突然变薄，易误判为断层） 影响生产计划，降低回采率。（某矿煤厚从13.4m变化为0.7m，造成回采率只有48%，经两次复采才达到回采率标准）,（一）煤厚变化的研究意义及任务,总之，煤厚影响采区的合理布置；采煤方法的正确选择；储量
2、的准确计算；煤炭资源的充分回收等，所以研究煤厚变化对矿井生产的保障具有重要的意义。对煤厚变化研究的任务： 观测井巷和钻孔揭露的一切可采、局部可采和不可采的煤层，系统、全面地掌握原始资料；, 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缘、厚煤区的分层界限、分叉煤层的分合区界线，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。 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衔接。 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，使煤炭资源得到充分开发利用。,（二）煤厚分级 煤厚是指顶底板之间的垂直距离。总厚度：含夹矸。有益厚度：总厚度扣除夹矸层厚。由
3、于成煤条件的差异，煤厚可从几个厘米几十米，甚至上百米。 根据目前的开采技术： 薄煤层：最小可采厚度1.3m 中厚煤层：1.33.5m 厚煤层：3.5m以上,煤层最小可采厚度,二、煤层厚度变化的原因,引起煤层厚度发生变化的原因很多，主要有： 地壳不均衡沉降 聚煤沼泽基底不平 河流冲蚀 构造运动的挤压 其他因素（如岩浆岩侵入）,1、 地壳不均衡沉降 在泥炭聚积阶段，如果沼泽地区的沉降速度与植物物质聚积速度长期保持一致，那么就能形成较厚的煤层。 如果某些地区的沉降速度逐渐变快，超过了植物物质聚积的速度，那么原先两者的均衡关系就被破坏，于是泥炭沼泽转变为湖泊，因此泥炭的聚积就被泥沙等碎屑物质的沉积所代
4、替，这样就引起煤层从沼泽区向湖泊区方向变薄或尖灭。 如此反复交替，便造成煤层分叉、尖灭及煤层与夹矸层相互交替等现象（图3-6）。,图3-6 地壳不均衡沉降示意图,2、 泥炭沼泽基底不平 由于聚煤时期沼泽基地常有起伏不平，在泥炭聚积的初期首先在低洼处聚积植物物质，到后期才往高处堆积，这样就形成了低处的泥炭层厚，高处薄（图3-7-a）；,图3-7 泥炭沼泽基底不平引起的煤厚变化,如果有些地方隆起高出了沼泽水面，因而植物无法保存下来，就造成煤层尖灭（图3-7-b）； 如果沼泽周围为隆起高地，则在边缘地带发生尖灭现象，使煤层呈向四周尖灭的透镜体（图3-7-c）。,图3-7 泥炭沼泽基底不平引起的煤厚变
5、化,3、 河流冲蚀 冲蚀的形成是由于古河流在泥炭层或含煤沉积层中穿过，使泥炭层或含煤沉积受到冲蚀。根据形成的早晚，冲蚀作用可分成同生冲蚀和后生冲蚀。 同生冲蚀是在泥炭物质堆积过程中发生的，即顶板未形成前发生的（图3-8-a）。这种冲蚀规模不大，冲蚀带的岩石成分以砂质岩为主，砂质岩中常有煤的碎块，它们和煤层有着共同的顶板。,图3-8-a 同生冲蚀,后生冲蚀是在煤系形成之后的冲蚀，也就是在煤层顶板形成以后的冲蚀（图3-8-b）。 这种冲蚀规模较大，它不仅冲蚀了煤层，也冲蚀了煤层的顶板，有时甚至连底板也被破坏。冲蚀的凹陷部位常为各种粒度的砂岩，底部有时有砾岩出现。 后生冲蚀形成的冲蚀带分布范围较广，
6、常造成无煤带或不可采区，给矿井生产带来困难。,图3-8-b 后生冲蚀,4、 构造挤压 当煤系受到构造挤压作用而形成褶皱构造时，由于煤层具有柔性，而砂岩、灰岩等则比较坚硬，所以在褶皱形成过程中，岩层互相滑动，使煤层在压力小的地方集中而变厚，在压力大的地段变薄甚至尖灭，即褶皱轴部增厚，两翼煤层变薄（图3-9）。有时也可以形成串珠状或藕节状的煤层（图3-10）。,图3-9 在侧压力作用下煤层向轴部集中,图3-10 由于挤压作用形成串珠状煤层,其他因素如岩浆岩侵入、岩溶陷落柱等，将在相关章节再讲。 需要指出的是：煤厚变化往往不是单一由某种原因造成的，而常常是几种原因综合作用的结果。因此在实际工作中，要
7、全面分析，分清主次，才能把握规律。,三、煤厚变化的观测与探测,（一） 煤层的观测 1、观测点 煤层观测是矿井地质的一项日常性的工作。凡是井巷揭露的一切煤层，不论是否可采，都需要进行观测和描述。 煤层观测如同地表的地质观测一样，设点观测，一般与井巷地质编录一起进行。,一切沿可采煤层的顺层巷道，煤层观测点的间距按下表规定：（若遇地质变化，或两观测点间煤厚变化超过0.5m时，应加密观测点）,2、观测内容 观测内容应视煤层的变化情况和生产的需要而定，可详可略。一般包括以下内容： 煤质、煤层结构 煤层厚度、产状 煤层顶底板 煤层含水性,3、观测要点 （1）当巷道揭露煤层全厚时：测量煤层厚度、夹石层厚度和
8、岩性等； （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煤岩成分和类型、煤的光泽、颜色、断口、硬度、韧性、结构构造等，包括煤层中所含的结核和包裹体的性质。 （3）当煤层遭受古河流冲刷时：观测冲刷标志、判断冲刷类型、推断冲刷变薄带的方向、范围等。 （4）当煤层出现变薄、分叉和尖灭时：应着重观测煤层结构、煤质、煤层与围岩的接触关系、围岩的岩性特征等，为分析煤厚变化提供资料。,（二）煤层厚度变化的探测 何时需要探测？当巷道不能揭露煤层全厚、无法实测煤层厚度时，或者煤厚变化较大，仅靠少数实测煤厚资料不能控制煤厚变化范围时，均需进行煤厚探测。 1、探测手段 目前，探查煤层厚度的技术手段有井下
9、钻探、巷探和矿井物探。,钻探最为普遍，常用井下电煤钻或轻便小型钻机探查； 巷探一般利用生产准备巷道，如煤门、溜煤眼或联络巷等，煤厚变化很大的矿井，也可专门布置小断面探巷探查； 矿井物探： 经过多年的研究和实验，矿井物探方法及技术在矿井地质中的应用取得了很大的进展，如： 探地雷达技术 电磁波 声波探测,物探方法探测煤厚： (1) 于明科,刘杰. 瑞利波探测在石炭井三矿的应用，煤田地质与勘探，1997 (5) (2) 刘传孝，煤厚探测新方法探地雷达技术，山西煤炭，1998,18(2) (3) 官云章，特厚煤层条件下工作面地质异常电磁波CT 探测，山东科技大学学报( 自然科学版)，2002，21(2
10、) (4) 陈新华，用声波检测不稳定煤层厚度的研究，煤炭科学技术，2001，29（1）,2、煤厚变化的一般探测方法 巷道掘进时的煤厚探测：当巷道不能揭露煤层全厚时，缓倾斜煤层用钻探、溜煤眼、联络巷等探查（教材插图2-57）；急倾斜煤层用钻探配合煤门探查（教材插图2-58）。,图2-58 急倾斜煤层,图2-57 缓倾斜煤层, 采面回采时的煤厚探测： 在厚煤层中分层开采工作面中，为了控制各个分层的回采厚度，一般要在回采过程中，随着工作面的推进，按一定间距探测剩余底煤厚度。 根据我国经验，探测的线距为3050m，孔间距10m左右。根据探测结果绘制剩余煤厚等值线图（教材插图2-59）。,图2-59 回
11、采工作面探煤厚,教材插图,需要说明的是：我国近年来的厚煤层放顶煤开采取得的成功和经验，收到了显著的技术经济效果，并将放顶煤开采技术列为发展方向。,采煤概论,图5-38 急倾斜煤层水平分段放顶煤,图5-36 缓倾斜煤层一次采全厚,采煤概论,3、各类煤厚变化的探测要点 对于煤厚变化较大的矿井，应根据不同成因煤厚变化的特点，有针对性、经济合理地选用探测手段和方法。 煤层分叉、尖灭的探测：基本任务：控制分叉煤层的可采和局部可采分层，掌握它们的特征和分布，圈定分叉煤层的分合区界线。为合理分区分层、制定回采顺序、选择采煤方法提供地质依据。, 煤层底凸变薄的探测：主要任务：圈定薄煤层的不可采地段，确定厚煤层
12、的变化范围。为调整工作面布置，制定过变薄区的措施，确定分层回采的次数和采高，提供可靠地质资料。 煤厚复杂变化的探测：煤厚复杂变化是指原始沉积和后期改造叠加造成的煤厚变化。此类煤厚变化极不稳定，厚薄悬殊，形态复杂，呈藕节状、鸡窝状、串珠状等似层状或非层状煤体。寻找可采煤体是主要任务。 一般在开拓、开采过程中，充分利用生产巷道作探巷，辅以井下钻探，以边探、边掘、边采的方法进行。,四、煤厚变化的预测,煤厚变化较大的矿井，在水平延伸或采区设计之前，一般要进行煤厚变化预测，作为编制地质说明书的基础。 （目前，有关煤厚预测的经验不多，而且局限于煤厚变化规律明显、有一定方向性的煤层冲刷带和构造变化带。教材原
13、文）实际上，随着科学技术的发展，煤厚变化的预测已经涌现了多种新方法，下面简单介绍几个新方法，书中的内容可以作为自学了解。,1、回归分析方法： 海陆交替相含煤地层中，影响煤层厚度的地质因素很多，在常见的地质参数中，煤厚主要与地层厚度、石灰岩厚度和砂岩含率具有明显的制约关系。 有人采用回归分析的方法，研究了煤厚与其影响因素之间的相关关系，分别采用直线方程、幂函数方程、指数方程、对数方程、抛物线方程等等，拟合其两两之间的一元回归关系，乃至多元回归关系。,回归分析方法实例：,2、趋势面分析方法 应用数理统计学中的多元回归分析原理，将煤厚变量分为区域性变化分量和局部性变化分量，从而研究煤厚的空间分布和变
14、化规律。M煤M趋M局 (M随) 把煤厚看作因变量，把二维空间的X、Y地理坐标看作自变量，则煤厚在二维空间的变化是一个面，用一定的数学方法寻找一个数学面代表其总的变化趋势，则这个反映地质变量趋势性变化的面，就称为趋势面。,南屯矿十采区钻孔揭露煤层情况统计表,十采区3上煤层厚度等值线图,和顺天池煤矿 14号煤层厚度等值线图,3、地震多参数BP神经网络方法 人们认识到： 煤厚一般10m，煤层反射波主波长一般40m，煤层厚度1/4波长，为薄层，难以通过时差判别厚度； 煤层反射波的动力学参数与煤层厚度呈非线性关系。 人们从地震剖面上，可以提取20余种地震特征参数，通过对煤层反射波运动学和动力学特征的分析
15、，筛选出5个最能反映煤层厚度变化的地震特征参数，即波峰波谷振幅A1、平均频率Fa、主频带能量Qf1、低频带宽能量Qf和峰值频率Fmain，用于煤层厚度预测。,人工神经网络是由大量简单的处理单元组成并行分布的处理系统，具有存储和应用经验知识的自然特性。 在人工神经网络模型中用的较多的是前向多层神经网络，其学习算法是著名的逆推（Back Propagation）学习算法，因而也常常简称为BP网络。 神经元网络的一般结构由输入层、隐含层和输出层组成。同一层神经元之间不互连，不同层神经元之间全互连（图3-1）。,设网络的输入为X=（x0,x1,xN-1）, 输出为Y=（y0,y1,yM-1），在这里输出量仅一个：为煤层厚度（y）。,通过先提供已知样本进行训练，使网络获得最优结构，然后即可用来预测煤层厚度。研究表明，其精度可达到95%。,图3-1 BP网络结构图,
