煤矿地质培训教案
目录
第一章 宇宙中的地球
第二章 矿物、岩石的基本知识
第一节 矿物
第二节 岩石
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
第二节 煤层
第五章 煤层的空间形态与地质构造
第一节 单斜构造及产状
第二节 褶皱构造
第三节 断裂构造
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 瓦斯
第二节 煤尘
第七章 矿井水
第一节 地下水的基本知识
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 井下地质编录
第二节 煤矿主要地质图及识别
第九章 煤炭储量
第一节 煤炭储量的计算
第二节 储量管理
附录一 主要地形地物符号
附录二 常用地质图例
附录三 地层代号和色谱表
附录四 煤的化学成分和工艺性质常用指标名称及代号
绪 论
山西是全国煤炭大省，煤炭产业是山西的主导产业，在传统的煤炭开采过程中，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。在此形势下，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之举，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，紧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的影响。
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者服务。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。
编者：刘国伟
于2007年7月
第一章 宇宙中的地球
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
⒈ 地球的形状
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，地球并不像地球仪那样地“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界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 图1—2海陆分布图
⒉ 地球的大小
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球的任何角落，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。如果将地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。
地球的实际大小可用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。
⒊ 地球的位置
宇宙是什么，古人称“四方上下曰宇，古往今来曰宙”。宇宙是无限、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；宇宙是无限的空间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，行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。地球最主要的物理性质有：密度、地压、地温、地磁、重力、弹性和塑性等。
⒈ 密度
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的平均密度为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的加深而加大，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。
⒉ 地压
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。
⒊ 地温（地热）
地温是指地球内部的温度。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。各带的特征，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。
⒋ 地磁
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)。地磁轴与地理轴近乎一致，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，磁针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。
⒌ 重力
重力场对物体产生的力，叫重力。重力是物体与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竖直向下。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。
⒍ 弹性与塑性
地球具有弹性 证据如下，海水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。这些现象都表明：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;地球内部物质存在着对流;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。
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。作为地球，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。
(一)外圈层
外圈层主要是指地表以上的圈层，包括大气圈、水圈、生物圈。
⒈ 大气圈(层)
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;防止地表温度的剧烈变化和水分散失;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，造就了万千的地质地貌，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。
⒉ 水圈
水圈是地球表面的液体部分。它包括海洋水和陆地水，陆地水又包括河流、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，大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。
⒊ 生物圈
生物圈是指地球表面有生命活动的圈层。在这个圈层里，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。地球上自出现生命以来，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造，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。
(二)内圈层
内圈层是指从地球表面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的实践中，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，地质界把这两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三个圈层。即：地壳、地幔、地核(图1—4)。
⒈ 地壳
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。从地壳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，洋壳的平均厚度为6 km。目前，人类所需的各类矿产资源都来自地壳当中。
⒉ 地幔
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之间，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，可能是岩浆的发源地。
⒊ 地核
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。
四、地质作用概述
自地壳形成至今的数十亿年里，地壳的形态、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总称叫地质作用。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地球内部(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。
⒈ 地壳运动
地壳运动是指组成地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运动。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，形成山脉和盆地。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，同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。
⒉ 岩浆作用
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。
⒊ 变质作用
已形成的岩石在地温、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)
⒋ 地震作用
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。其中发生频度最高，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。
⒈ 风化作用
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。风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、矿物主要以机械破碎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，又可以是化学的破坏。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。
⒉ 剥蚀作用
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物剥离母体，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用，它们彼此间相互联系、相互依赖和相互影响。
⒊ 搬运作用
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质作用叫搬运作用。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中)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。
⒋ 沉积作用
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的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、沼泽中等，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。
⒌ 固结成岩作用
刚沉积下来的物质往往多孔、富水，呈松散状。松散的沉积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，其中可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。一方面内力地质作用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，时刻改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
煤层赋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，认识煤层周围的岩石，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物开始。
第一节：矿物
一、基本概念
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。晶体上光滑的表面叫晶面(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
矿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类型(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、石榴子石等。
A B C D E F
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体聚合在一体的形态，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。
⒈ 颜色
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;
⒉ 条痕色
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。如赤铁矿的条痕色为樱红色，黄铁矿的条痕色为绿黑色，褐铁矿的条痕色为黄褐色等。
⒊ 透明度
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)。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矿物。
⒋ 光泽
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)。
⒌ 解理与断口
矿物受力断开时的性质。解理指断开时断面平坦光滑，具有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发育。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。
⒍ 硬度
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对比硬度。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矿物的硬度及鉴定表
⒎ 密度
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)。
三、常见的矿物
煤系地层中常见以下主要矿物：石英、正长石、斜长石、黑云母、白云母、方解石、白云石、粘土矿、铁矿等。
⒈ 石 英
晶体叫水晶，水晶一般为无色、透明矿物，无解理，硬度大于玻璃，是标准硬度7;其断面为油脂光泽;
⒉ 长 石
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：灰白色，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)。
⒋ 云 母
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。
⒌ 粘土矿
细粒状，可用小刀刮成粉末状，有泥土味。
⒍ 铁 矿
比重较大，灰黑色、黑色等，常以条痕色来鉴定不同的铁矿。如赤铁矿的条痕色为樱红色，黄铁矿的条痕色为绿黑色，褐铁矿的条痕色为黄褐色等。
第二节 岩石
岩石俗称“石头”，它是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、黑云母)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。
一、岩石的种类
地壳中的岩石按其成因可分为三大类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。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，无论是采掘条件还是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，寻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。
二、沉积岩
(一)沉积岩的识别方法
沉积岩的识别在实际工作中是依据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，而引起岩石呈层状分布的宏观特征，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)。
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中，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，影响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，层系间的界面呈水平或倾斜状。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。
⒉ 沉积岩结构
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：碎屑结构、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
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中，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，影响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，层系间的界面呈水平或倾斜状。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。
⒉ 沉积岩结构
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：碎屑结构、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
⒊ 颜色
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 取决于组成岩石的碎屑颗粒的颜色（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 取决于水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理方向不—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。
4．化石
保存在地壳中的地史时期的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。
5.包裹体
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。
2.粘土岩
粘土岩具有泥质结构，是由粒径小于0.01mm的粘土矿物经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)。
页理是粘土岩形成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而改变。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，是煤与页岩之间的过渡岩石，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的页岩。含少量化石，具有页理，外貌与炭质页岩相似，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。
3.化学岩
以化学搬运(溶运)的物质，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)，是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、灰红等色。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进行，内容见表2-5
第三章 地史的基本知识与煤
组成历史的基本要素有两个。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义的岩层。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，因此，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：先沉积的地层在下，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。
一、地质年代
地质年代的表述方法有二种：相对地质年代、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，其特点是形象、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，最大的单位是宙，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对时间，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。用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。
二、年代地层单位
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。地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)。
四、地质年代表
(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，特别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，最后编制出一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
a-希瓦格筵(C);b-泡沫珊瑚(S);c-五房贝(S);
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、代号和绝对年龄值等。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进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物界的重大演化阶段，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;第三级单位为“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”它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称为寒武系等等，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、白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，古植物界曾出现过三次重大变革，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，第二次出现在中生代的三叠纪、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、二迭纪，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。
(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，而且有利于植物的保存。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，地壳沉降速度的快慢，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)，可造成植物遗体的连续堆积;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，不利于植物遗体的保存，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的表面，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条件。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。腐植煤的形成大体分二个阶段：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为主的泥状物质，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。泥炭晒干后可作燃料、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，主要是静压力的作用下，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变化，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，随着地壳的持续下沉，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一步增多，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，煤的物理性质和化学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。成煤过程及各阶段的产物如表4-1。
（二）煤变质作用的类型
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。
⒈ 深成变质作用
深成变质作用（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力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在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这一规律，故称希尔特定律。
（3）同一层的煤变质程度在水平方向上也呈带状分布。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，我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。
⒉ 接触变质作用
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。
接触变质的特点是：
（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，煤变质的范围就越大，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；距岩体越远．变质程度越浅。
3．动力变质作用
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。
三、煤质
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、工艺性能指标。
（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。
⒈ 基本元素
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，随变质程度的增高而降低；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
