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煤层的结构形态及顶底板特征 煤层是含煤岩系的重要组成部分，是勘探和开采的主要对象。煤层的层数、厚度、结构和赋存状态及其变化等直接决定了煤田的经济价值。研究含煤岩系中煤层厚度和煤层对比，对于煤田地质勘探和煤矿生产极为重要，是制定煤田开发规划和选择采煤方法的重要依据。 第一节 煤层结构与煤层形态 一、煤层结构 煤层结构是指煤层含其它岩石夹层（又称矸石层或夹矸）的情况。夹矸是指煤层中厚度为0.1m至煤层最低可采厚度的岩石夹层。根据煤层中有、无夹矸存在，可将煤层结构分为简单结构和复杂结构。 （1）简单结构 是指煤层中不含矸石层或仅局部含有矸石层（图31）。 （2）复杂结构 指煤层中含有一层或数层连续的矸石层（图32）。煤层中的矸石层成分为粘土岩、炭质泥岩、泥质岩或粉砂岩，有时为石灰岩、硅质岩、油页岩、细砂岩甚至砾岩等。 图31 简单煤层结构 1煤层顶板；2煤层底板；3煤层； 4矿物质透镜 图32 复杂煤层结构 a煤层顶板；b煤层底板； 1、3、5、7煤分层；2、4、6夹矸 煤层中矸石层的层数多少，厚度大小及矸石层的形态和稳定程度，主要取决于聚煤期的古构造和古地理条件。一般说来，在聚煤期沉积环境比较稳定情况下形成的煤层所含的矸石层层数少、厚度小，且稳定，多为层状、似层状，而聚煤期沉积环境不稳定情况下形成的煤层所含的矸石层层数多，形态多为透镜状，而 33 且不稳定。 煤层中矸石的层数、厚度、成分、赋存形态，所含化石的种类和保存及其变化情况等，对于恢复成煤环境、对比煤层、评价煤田等都有重要意义。因此，在观察和描述复杂结构煤层时，应注意矸石层的这些特征。 二、煤层形态 煤层是自然界中由古植物遗体堆积起来，经泥炭化和煤化作用转变而成的固体可燃有机岩。是由有机质和矿物质所组成的层状沉积岩体。 煤层形态是指煤层的空间展布特征。根据煤层在一定范围内连续成层的程度和可采情况，可将煤层形态分为层状、似层状、不规则状和马尾状四种，详细划分见表31。 表31 煤层的基本形态 煤层形态 基本特征 图示 层状 煤层在一个井田范围内是连续的，厚度变化不大全部或大部可采 似 层 状 藕节状 煤层不完全连续或大致连续。而厚度变化较大。煤层的可采面积大于不可采面积 串珠状 煤层不完全连续或大致连续。而厚度变化较大。煤层的可采面积大于不可采面积 规 则 状 鸡窝状 煤层断断续续，形状不规则，呈鸡窝状。其中煤层的可采面积多小于不可采面积。有的鸡窝状煤层的煤包较大，也常具可采价值 透镜状 煤层断断续续，形状不规则，呈透镜状。煤层的可采面积多小于不可采面积 扁豆状 煤层断断续续，形状不规则，呈扁豆状。煤层的可采面积多小于不可采面积 马尾状 煤层基本连续，总的是由厚到薄，以致完全消失，它是由厚煤层分岔，尖灭形成的。煤层的可采面积与不可采面积之比变化较大 第二节 煤层顶底板 一、煤层顶板 直接覆于煤层之上的岩层称为煤层顶板。煤层顶板根据其岩性、厚度及在采煤过程中垮落的难易程度，分为伪顶、直接顶和老顶三类。 （1）伪顶 它直接位于煤层之上，很薄的，随煤层开采一起垮落的岩层，多为几厘米至十几厘米厚的炭质泥岩或泥岩，富含植物化石。在采煤过程中，因常常随采随落，而不易维护。 （2）直接顶 位于伪顶或直接位于煤层（无伪顶时）之上的岩层，常为数米厚的砂岩、粉砂岩、泥岩及少量石灰岩。它比伪顶稳定，在采煤过程中，常撤去支柱后能自行垮落，少数需要放顶。 （3）老顶 位于直接顶或煤层（无伪顶、无直接顶时）之上的岩层。一般为厚层的粗砂岩、砾岩或石灰岩。采空后，较长时间内不易垮落，仅发生缓慢的变形。 二、煤层底板 直接伏于煤层之下的岩层称为煤层底板。煤层底板根据岩性分为直接底和老底两种。 （1）直接底 直接位于煤层之下的岩层，称为直接底。多为富含植物根化石的泥岩。由于这种岩石遇水膨胀、容易引起底鼓现象，可造成运输线路或巷道支架的破坏。 （2）老底 它位于直接底之下，常为厚层状砂砾岩或石灰岩。 煤层顶、底板的发育程度，受当时沉积作用和后期构造变动的影响，因此不同煤层顶、底板性质及发育程度不同。有的煤层顶板发育完好，几种类型的顶、底板都有，有的煤层则缺少某种类型的顶板或底板。 在观察和研究煤层顶、底板时，要注意顶、底板的岩性，及其与煤层之间的接触关系。因为它们是反映煤层形成前、后的沉积环境及其变化情况的标志。有的煤层顶、底板岩石本身就是有用矿产，有的特征明显又可作为煤层对比的标志层。此外，煤层顶板岩石特征与煤层顶板管理，地下水处理以及底鼓情况都有很大关系。因此，研究煤层的顶、底板，对煤矿开采有着现实的重要意义。 第三节 煤体结构分类与构造煤 一、煤体结构分类 河南理工大学瓦斯地质研究所从瓦斯地质角度研究瓦斯突出，在总结我国瓦斯突出煤层构造特征的基础上，给不同类型构造煤的煤结构赋予了地质涵义。1980年，根据煤体宏观和微观结构特征，以构造煤的类型为基础，以突出的难易程度为依据，把煤体结构划分成4种类型，即原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，后3种类型为构造煤，如表32示。通过十几年的实践，此种分类方案实用、易于鉴别，得到广泛地认同。 表32 煤体结构类型的四类划分 类型号 类型 赋存状态和分层特点 光泽和 层理 煤体破 碎程度 裂隙、揉皱发育程度 手试 强度 坚固性系数f 瓦斯放散指数ΔP 突出危险程度 Ⅰ 原生结构煤 层状、似层状、与上下分层整合接触 煤岩类型界限清晰、原生条带状结构明显 呈现较大的保持棱角的块体，块体间无相对位移 内、外生裂隙均可辩认，未见揉皱镜面 捏不动或成cm级碎块 ＞0.8 ＜10 非突出 Ⅱ 碎裂煤 层状、似层状、透镜状，与上下分层整合接触 煤岩类型界限清晰，原生条带状结构断续可见 呈现棱角状块体，但块体间已有相对位移 煤体被多组互相交切的裂隙切割，未见揉皱镜面 可捻搓成cm、mm级碎粒 0.8～0.3 10～15 过渡 Ⅲ 碎粒煤 透镜状、团块状、与上下分层呈构造不整合接触 光泽暗淡，原生结构遭到破坏 煤被揉搓捻碎、主要粒级在1mm以上 构造镜面发育 易捻搓成mm级碎粒或煤粉 ＜0.3 ＞15 易突出 Ⅳ 糜棱煤 透镜状、团块状、与上下分层呈构造不整合接触 光泽暗淡，原生结构遭到破坏 煤被揉搓捻碎的更细小，主要粒级在1mm以下 构造、揉皱镜面发育 极易捻搓成粉末或粉尘 ＜0.3 ＞20 易突出 二、原生结构煤与构造煤 1．原生结构煤 原生结构煤是指未受构造变动，保留原生沉积结构、构造特征，煤层原生层理完整、清晰，仅有少量内生、外生裂隙发育，煤体呈块状。显微镜下显微组分层排列，界限清晰的煤层。原生结构煤的煤岩成分、结构、构造、内生裂隙清晰可辨。 煤岩学中，煤的结构、构造一般是对原生结构煤而言的，且有宏观和微观（光学镜下）之分（韩德馨，1996）。煤的原生结构是由成煤原始物质及成煤环境所形成的结构。煤的宏观结构指宏观煤岩成分的形态、大小、排列方式所表现的特征，原生结构煤的宏观煤岩成分分镜煤、亮煤、暗煤和丝炭，其原生结构常见有带状结构、线理状结构、凸镜状结构、均一状结构、粒状结构、叶片状结构、木质状结构和纤维状结构。 煤的构造是指煤岩成分空间排列和分布所表现出来的特征。它与煤岩成分自身的特征（形态、大小等）无关，而与成煤原始物质聚积时的环境有关。宏观构造主要是层理，常见的为连续状水平层理，有时也出现断续的水平层理，层理不明显的为块状构造。它是由有机质和混入的矿物质所组成。有机物质是植物遗体经过泥炭化作用和成岩作用的产物。无机矿物质来源于流水携带进入泥炭沼泽的陆源碎屑物，流水介质中溶解陆源物质，和沼泽自生矿物以及成岩和成岩后期的淋滤而形成的矿物质。绝大多数泥炭沼泽长期处于平静的水动力环境中，植物碎屑多呈水平状态沉积并遭受后期的分解。成岩作用一般不改变有机质碎屑和无机沉积层的这种原始水平状态。煤的（显微）构造是指各种显微组分的组合面貌和空间分布状态。结构标志中的形态特征决定组分的空间分布，因此，构造在一定程度上受结构的制约。 2．构造煤 原生结构、构造发生物理化学变化的煤称为构造煤（变形煤），又叫软煤。它是煤层在构造应力作用下发生破碎甚至强烈的韧塑性变形和流变迁移的产物，也是煤层在区域变质的基础上叠加了动力变质作用的产物。 1）构造煤煤体的宏观结构 构造煤煤体的宏观结构分为碎裂结构、碎粒结构、糜棱结构3种类型，相应的煤体为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。 （1）碎裂结构 煤被密集的次生裂隙相互交切成碎块，但碎块之间基本没有位移，煤层原生层理基本可见，时断时续。碎裂结构常常位于原生结构与碎粒结构的过渡部位。 （2）碎粒结构 煤被破碎成粒主要粒级大于1mm。大部分煤粒由于相互位移摩擦失去棱角，煤层原生层理被破坏，层理不清，裂隙较发育，煤层煤体主要呈粒状。碎粒结构往往紧靠碎裂结构分布，常常距离煤层顶板或底板一定距离，也常常位于断裂带的中心部位。 （3）糜棱结构 煤被破碎成很细的粉末，主要粒级小于1mm。有时被重新压紧，煤层原生层理完全被破坏，已看不到煤层原生层理和节理，滑移面、摩擦面很多，煤体呈透镜体状、粉状、鳞片状，极易捻成粉末。糜棱结构煤是强挤压、剪切破坏的束缚，常出现在压应力很大的断裂褶皱带中。 2）构造煤煤体的显微结构 构造煤煤体的微观特征研究能够从更深层面刻画瓦斯突出煤层的煤体结构特征，为从瓦斯突出煤层的物理条件认识瓦斯突出机理和瓦斯突出原因提供必要的理论基础。在显微镜下，特别是电子扫描显微镜下，对构造煤的显微构造标志进行了大量的描述，并对其进行了显微构造类型划分和命名。 （1）碎裂棱角状结构煤 碎裂棱角状结构煤是指由碎裂作用所产生的具有棱角状颗粒的构造煤。这是一种脆性变形的结果。颗粒的最重要特征是具棱角状结构，颗粒间的脆性破裂裂隙闭合或张开，由此产生的颗粒之间的平动位移可以在几到几十微米，但在裂隙闭合后多数颗粒尚可复元到原始位置上。颗粒间的旋转位移不甚明显。颗粒的大小分布在微米级到毫米级。就是说在这一类型中，对粒度大小没有作具体要求，着重考虑的是颗粒的形态特征。按照颗粒粒度的分布，这种类型又可分为两种亚类，即等粒棱角状结构和斑状棱角状结构。前者指棱角颗粒大致在同一数量级范围内。后者指颗粒粒度分布相差较大，大的棱角状颗粒漂浮在小的棱角状颗粒基质中，或二者等量分布。 棱角状结构煤的另一特征是颗粒本身呈近等轴形态，颗粒组合及其中的裂隙均无明显的定向性，压裂作用比较明显。 （2）碎裂粒状结构煤 这种煤由粒径较大的颗粒和粒径较小的粒状基质所组成。大、小颗粒是近于等轴的椭圆形，没有明显的棱角，表面比较光滑或具有明显的构造磨蚀痕迹。大粒径的圆形颗粒被直径较小的圆形颗粒基质所包围，二者的接触边界在断面上呈一不规则的园环形。大颗粒直径在10～30m，小颗粒直径不足1～5m左右。在这两种粒径差异较大颗粒共存时，形成所谓斑状结构；在颗粒直径大小近似时，形成等粒结构。理想的基质在斑状结构中赋存于大颗粒的周围，这种基质可能是高度粉碎的微粒经构造压实作用的产物，表面平整、光滑，无颗粒状形特征。这种构造基质细小到在微米级别上无法辩认出的粒度，因此它们是纳米级大小的颗粒。从这种意义上讲，构造变形很可能已波及到了芳核结构的层次上，并有可能从煤中分离纳米材料级煤颗粒材料。 粒状结构煤发现于一种构造鳞片或构造透镜体内。这种鳞片的厚度30～50m，或100多微米不等，其长度约50m或100多微米。原始的鳞片是四周封闭的光滑的剪切磨光镜面，镜面上布满定向的平行的显微擦痕，其起伏变化反映了其内部颗粒的分布。这种镜面类似于鞘褶皱中的某个理想褶层界面。 粒状结构煤仅存在于强烈的剪切带内。这种剪切带具有两次构造变形的历史。第一次构造变形形成了棱角状颗粒，第二次变形发生在已形成的棱角状构造煤分层中。强烈的顺层剪切作用使棱角状颗粒流变，磨圆和重新定向。从棱角上构造磨蚀下来的细粉或进一步圆化，或研磨成粉成为填隙基质。同时，沿其剪切面形成镜面构造及其鳞片。鳞片表面的擦痕和其内部的椭圆形颗粒可以确定第二次构造剪切方向。从形成过程及力学机制看，这种煤具有早期的脆性碎裂和二次韧性剪切流变特征。倘若在第二次构造变形仍然是脆性流变机制，具有很多脆性的镜质体棱角状颗粒将继续发生脆性破裂，而不是棱角的磨蚀和圆化。所以第二次韧性流变必须具备很高的围压或者较高的温度。 （3）叶片状结构煤 叶片状结构煤是由一组平行的近于等距的剪裂隙切割而成的具板状、片状结构的煤。板、片同向，大致等厚。厚度从几十微米到毫米级，其长度为几百微米到厘米级。板片的上、下界面是两个构造磨光的镜面，具有清楚的定向显微擦痕。据此，这种片状结构是剪裂而不是张裂的结果。板、片断面具原生结构的特征，呈均匀断口。尽管一些剪裂隙延伸不远即中止于具原生结构的均质层内，它们仍具有明显的磨光镜面，显示多多少少的位移痕迹。这种煤被李康和钟大赉（1992）命名为微劈煤。 叶片状结构煤在煤层中呈透镜状，似层状沿煤层分布，一般规模较小。宏观上光泽暗淡，叶片、鳞片发育，但叶片和鳞片个体的硬度较大，手试时有强烈的刺疼感，说明叶片个体呈原生结构，没有遭受强烈的揉皱和粉碎过程。叶片状结构煤有时呈斜穿煤层的带状。与产状近似的高一级优势构造节理相伴出现。叶片状煤的形成与简单剪切有关。 （4）透镜状结构煤 构造煤的颗粒主要由不同级别的透镜体所组成。透镜体颗粒的大小有两个级别，一是小于1个微米或几微米大小，一种则大到几百至上千个微米。颗粒由两组近于平行的剪切滑移镜面包围而成，一组平行煤层的原始层理，另一组与之呈30夹角斜交。打开表部的滑移镜面，颗粒的内断面显示出均质的镜质体组分。更重要的是，其内部存在次一级的剪节理，它们把高一级的颗粒切割成更小的透镜体，颗粒内部发育一组平行于左侧外边界的节理，它形成次级透镜体表面的滑移镜面。从颗粒内部剪节理的扩展方式看，它们还没有穿过高级颗粒的表部界面，同时，平行层理方向的一组剪节理的发育还不完善，仅在底部有一条这样的节理，而且在还没有穿越高级颗粒的外表面已趋中止。从高级颗粒及其内部次级节理的截割关系看，透镜状颗粒的形成是由高级（大粒径颗粒）向低级（小粒径颗粒）逐级发展的，这一发展过程是通过高级颗粒内部两组剪节理的发生与扩展而实现的。随着这一过程的发展，透镜体状颗粒逐级变小。因此，大颗粒和小颗粒是在同一应力状态下但不同阶段的产物。颗粒越细小，其破坏程度越高，破坏历程也越长。当这一过程发展到一定阶段时，形成了所谓第二种透镜糜棱状结构煤。 透镜体状结构煤很可能是在纯剪条件下形成的，引起纯剪作用的最大主压应力方向很可能是平行层理的。颗粒是否有过韧性变形或者压扁/拉长，目前还没有足够的证据，但至少这一过程是在一种脆韧性过渡环境中发生的。这也是为什么把那种具有微米级颗粒的透镜体状煤称之为透镜糜棱状煤的原因之所在。 透镜体状结构煤在宏观上呈鳞片状，成层出现，在江西英岗岭矿区比较发育，其形成与煤层的强烈褶皱和顺层剪切有关。这种煤层具有强烈的突出危险性。 （5）揉流结构糜棱煤 这是一种具有韧性变形特征的构造煤，它所包含的结构类型至少有两种，一是揉皱，二是流动面理。煤层中的揉皱构造很常见。这种揉皱了的层状物质的构造不像野外或镜下所见石灰岩那种连续的无断失弯曲。大多数情况下，煤岩薄层被一垂直或斜交层理的裂隙所断开，形成所谓形态复杂的揉皱。就褶皱内一个独立的煤岩单元来说，都是直线板状，片状的，具有弯曲现象，这是由所谓小尺度上的脆性变形产生的颗粒位移后的宏观上的塑性流变现象。在微观尺度内，这种揉皱仍隶属于脆性变形范畴，因为组成揉皱的煤颗粒是脆性变形的，不具备韧性变形的特征。 7
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