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1、完整版教学课件完整版教学课件第五章 煤体结构与构造煤瓦瓦 斯斯 地地 质质 学学第五章第五章煤体结构与构造煤煤体结构与构造煤 研究表明，构造煤控制着瓦斯灾害的发生和治理，煤矿地下开采中最严重的地质灾害之一煤与瓦斯突出几乎都发生在构造煤发育的煤层。 背景1:构造煤与瓦斯突出问题背景问题背景我国煤层的特点 p 低孔隙率p 低渗透性p 低饱和度p 高含气量p 非均质性强 三低一高一强背景2：构造煤与煤层气开发问题背景问题背景 煤储层上述特点和复杂的瓦斯地质条件控制着我国煤层气（煤煤储层上述特点和复杂的瓦斯地质条件控制着我国煤层气（煤矿瓦斯）的抽采。构造煤的矿瓦斯）的抽采。构造煤的低强度、低渗透性、高
2、吸附和快速解吸低强度、低渗透性、高吸附和快速解吸瓦斯等瓦斯等特性，是构造煤发育区煤层气难抽采的直接原因。特性，是构造煤发育区煤层气难抽采的直接原因。 p 构造煤形成过程中是否产生过化学结构变化？成因机制如何？p 煤中甲烷以吸附态为主，构造煤与原生结构煤相比，对甲烷的吸附性差异是否是造成构造煤具有突出危险性的原因之一？ p 为什么构造煤的瓦斯放散初速度较大？p 构造煤具有突出危险性的内在因素是什么？ 问题提出本本 章章 内内 容容一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布三、煤的变质作用三、煤的变质作用四、构造煤结构演化和力化学作用四、构造煤结构演化和力
3、化学作用五、突出煤层煤体结构研究方法五、突出煤层煤体结构研究方法煤煤体结构原生结构煤构造煤瓦斯突出煤体 一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类煤体结构：指煤层在地质历史演化过程中经受各种地质作用后表现的结构特征。煤体结构历经变形和变质作用过程后，使得煤体分为原生结构煤和构造煤。构构造造煤煤原原生生结结构构煤煤一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类原生结构煤是指煤层未受构造变动，保留了原生沉积结构、构造特征的煤层，煤层原生层理完整、清晰，仅发育少量内生裂隙和外生裂隙 。原原生生结结构构煤煤一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类显微镜下显微组分分层排列，界限清晰。原生结构煤的煤岩成分、结构、构造、内生裂
4、隙清晰可辨。 abcdef原原生生结结构构煤煤构造煤 是煤层在构造应力作用下，发生成分、结构和构造变化，引起煤层变形（破坏、粉化等）、流变（增厚、减薄等）和变质（缩聚、降解等）作用的产物。构造煤的宏观结构常见碎裂结构、碎粒结构、粉粒结构、糜棱结构等，对应的构造煤命名为碎裂煤、碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤。一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类构造煤构造煤高能瓦斯高突矿区、高突矿区、突出矿井的突出矿井的分布受瓦斯分布受瓦斯形成、赋存形成、赋存的控制的控制煤层中的构造煤层中的构造煤控制着瓦斯煤控制着瓦斯灾害的发生和灾害的发生和治理治理瓦斯突出煤体一、煤体结构和分类一、煤
5、体结构和分类一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类1.1.原生结构煤的物理性质原生结构煤的物理性质 颜色颜色 不同变质程度的煤，其颜色有明显差别，根据颜色特征可以区分褐煤、烟煤和无烟煤。 不同变质程度煤的颜色和条痕色煤 的 种 类颜 色条 痕 色褐 煤褐色、深褐色、黑褐色浅褐色、深褐色长焰煤褐黑色、黑色略带褐的色彩深褐色、黑褐色气 煤黑色褐黑色肥 煤黑色带褐色焦 煤瘦 煤黑色贫 煤黑色有时带灰和灰黑色无烟煤灰黑色带古铜色和钢灰色灰黑色、钢灰色或黑色（二）原生结构煤煤岩学特征一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类1.1.原生结构煤的物理性质原生结构煤的物理性质光泽光泽 煤的光泽是指在自然光下，煤的新
6、鲜断面的反光能力。 影响煤的光泽变化的因素：主要有成煤的原始物质，煤岩组分，煤的变质程度，矿物杂质的成分、含量以及分布情况，煤的表面性质等。 根据镜煤和亮煤的光泽，从褐煤到无烟煤变质系列煤的光泽可以分为以下几种：沥青光泽、玻璃光泽、强玻璃光泽、金刚光泽及似金属光泽等。 煤受风氧化后，光泽都明显变暗。风化煤多为暗淡光泽。一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类1.1.原生结构煤的物理性质原生结构煤的物理性质硬度硬度 刻划硬度、压痕硬度、抗磨硬度无烟煤强 还 原 煤弱 还 原 煤无烟煤贫煤贫煤瘦煤焦煤肥煤气煤长焰煤褐煤泥炭1300012000110001000090008000700060005000
7、40003000200010000显微硬度/kg.cm-2显微硬度与煤化程度的关系 一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类1.1.原生结构煤的物理性质原生结构煤的物理性质脆度和韧度脆度和韧度 不同变质程度的煤，以肥煤、焦煤和瘦煤脆度为最大；无烟煤脆度最小；长焰煤和气煤的脆度较小，并具有一定的韧性。断口断口 断口的表面形状可反映出煤物质组成的不同特点，因此断口可以作为煤岩鉴定的辅助标志。煤中常见的断口有贝壳状、参差状断口等。 裂隙 根据成因不同，煤的裂隙可分为内生裂隙、外生裂隙和气胀裂隙等。一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类2.2.原生结构煤的结构原生结构煤的结构 条带状结构条带状结构 宏观煤岩
8、成分（镜煤、亮煤、暗煤和丝炭）多呈各种形状的条带，在煤层中相互交替的出现而形成条带状结构。条带状结构在中变质烟煤中表现最为明显，尤其在半亮型煤和半暗型煤中最常见；褐煤和无烟煤中条带状结构不明显。 线理状结构线理状结构 线理状结构是指镜煤、暗煤及粘土矿物等呈厚度小于1mm的线理断续分布在煤层各部位面形成的结构。在半暗型煤中常见到线理状结构。 透镜状结构透镜状结构 常见于半暗型煤、暗淡型煤中。 均一状结构均一状结构 煤的成分较为单一、组成均匀的结构。镜煤的均一状结构较典型。 煤的结构是指煤岩组分的形态和大小所表现的特征，反映了成煤煤的结构是指煤岩组分的形态和大小所表现的特征，反映了成煤原始物质的性
9、质、成分及其变化。原始物质的性质、成分及其变化。一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类2.2.原生结构煤的结构原生结构煤的结构 木质结构木质结构 木质结构是植物茎部原生的木质结构在煤中的反映。这种结构的煤在外观上清楚地保存了植物木质组织的痕迹，有时还可见到保存完整的已经煤化的树干和树桩。木质结构在褐煤中比较常见。 粒状结构粒状结构 煤的表面较粗糙，肉眼可清楚地见到颗粒状。这种结构多由煤中散布着的大量稳定组分或矿物质组成，为某些暗煤或暗淡型煤所特有。 纤维状结构纤维状结构 丝炭就是典型的纤维状结构。 叶片状结构叶片状结构 煤的断面上具纤细的页理及被其分成的极薄的薄片，使其外观呈现纸片状、叶片状。这
10、种结构主要是由于煤中顺层分布有大量的角质体和木栓体所致。一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类3.3.原生结构煤的构造原生结构煤的构造 层状构造层状构造 层状构造是指在垂直煤层层面方向上的煤层具有明显不均性特征。它反映了成煤物质和成煤条件变化的情况。在复杂结构煤层中层状构造最为明显，煤中最常见的是水平层理，偶见波状层理和斜层理。 块状构造块状构造 不见层理，外观均一的煤称为块状构造。块状构造表明了成煤物质的相对均匀和聚积条件相对稳定的特征。原生块状构造多见于腐泥煤、腐殖腐泥煤及腐殖煤中的某些暗淡型煤；次生块状构造多见于某些变质程度很深的无烟煤。 煤的构造是指煤中不同煤岩组分在空间排列上的相互关系
11、，煤的构造是指煤中不同煤岩组分在空间排列上的相互关系，它与植物遗体的聚集条件及其变化过程有关。它与植物遗体的聚集条件及其变化过程有关。一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类4.4.宏观煤岩成分宏观煤岩成分 烟煤、无烟煤的宏观煤岩组分 煤的类型煤岩成分宏观鉴别特征腐殖煤镜煤光亮，黑色，易碎，常具有裂缝亮煤光亮，黑色，很细的层状暗煤暗淡，黑色或灰黑色，坚硬，表面粗糙丝炭丝绢光泽，黑色，纤维状，很脆腐泥煤烛煤暗淡或微油脂光泽，黑色，均匀的，非层状，很硬，贝壳状断口，黑色条痕藻煤类似烛煤，但外表微带褐色，条痕为褐色一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类5.5.宏观煤岩类型宏观煤岩类型宏观煤岩类型代码分类指
12、标总体相对光泽强度光亮成成分含量/%光亮煤BC强80半亮煤SBC较强50-80半暗煤SDC较弱20-50暗淡煤DC弱20 烟煤宏观煤岩类型的划分指标(GB/T18023-2000) 6. 6. 显微煤岩组分显微煤岩组分一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类国际硬煤显微组分分类与中国烟煤显微组分分类 国际硬煤显微组分分类(1975)我国烟煤显微组分分类(1978)组显微组分类显微组分、亚组分镜质组结构镜质体(Telinite)无结构镜质体(Collinite)碎屑镜质体(Vitrodetrinite)镜质类结构镜质体 结构半镜质体无结构镜质体 无结构半镜质体碎屑镜质体 碎屑半镜质体壳质组孢子体(S
13、porinite)角质体(Cultinite)树脂体(Resinite)碎屑稳定体(Liptodetrinite)稳定类孢粉体角质体树脂体 不定形体树皮体藻质体(Alginite)腐泥类藻质体、腐泥基质体惰质组微粒体(Micrinite)粗粒体(Macrinite)半丝质体(Semifusinite)丝质体(Fusinite)菌类体(Sclerotinite)碎屑惰质体(Inertodetrinite)丝质类微粒体半丝基质体 丝质基质体半丝质体 木质镜煤半丝质体 镜煤半丝质体 半丝浑圆体丝质体 木质镜煤丝质体 镜煤丝质体 丝质浑圆体半丝菌类体 丝质菌类体碎屑半丝质体 碎屑丝质体一、煤体结构和分
14、类一、煤体结构和分类1.1.构造煤的宏观结构特征构造煤的宏观结构特征 构造煤的宏观结构分为碎裂结构、碎粒结构、粉粒结构、糜棱结构4种类型，相应的煤体为碎裂煤、碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤。 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。 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。 （二）构造煤及其煤岩学特征碎裂煤碎
15、裂煤碎裂结构碎裂结构 煤被密煤被密集的次生裂隙相互集的次生裂隙相互交切成碎块，但碎交切成碎块，但碎块之间基本没有位块之间基本没有位移，煤层原生层理移，煤层原生层理基本可见，时断时基本可见，时断时续。碎裂结构常常续。碎裂结构常常位于原生结构与碎位于原生结构与碎粒结构的过渡部位粒结构的过渡部位。2)2)碎粒结构碎粒结构 煤被破碎成粒：主要粒级大于煤被破碎成粒：主要粒级大于1mm1mm。大部分煤粒由于相互位移摩擦失。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
16、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。裂带的中心部位。一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类1.1.构造煤的宏观结构特征构造煤的宏观结构特征 粉粒结构 光泽暗淡、土状、粉状、无粒感，断面平坦、块状构造。 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。 糜棱结构糜棱结构 煤被破碎成很细的
17、粉末，主要粒级小于煤被破碎成很细的粉末，主要粒级小于1mm1mm。有时被重新压紧，煤层原生层理完全被破坏。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，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。出现在压应力很大的断裂褶皱带中。一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类2.2.构造煤的显微结构特征构造煤的显微结构特征 构造煤的微观特征研究能够从更深层面刻画瓦斯
18、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(图版I)2）碎裂粒状结构煤(图版II)3）叶片状结构煤(图版III)4）透镜状结构煤(图版IV)5）揉流结构糜棱煤(图版V)图图版版I abcdef碎裂棱角状结构煤图图版版IIabcdef碎裂粒状结构煤图图版版IIIabcdef叶片状结构煤图图版版IV abcdef透镜状结构煤图图版版V abcdef揉流结构糜棱煤一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类（三）煤体结构
19、的分类煤体结构分类特征表（焦作矿业学院）煤的破坏类型分类表（煤的破坏类型分类表（防治煤与瓦斯突出细则防治煤与瓦斯突出细则）破坏类型光泽构造及构造特征节理性质节理面性质断口性质强度类（非破坏煤）亮与半亮层状构造，块状构造，条带清晰明显一组或二到三组节理，节理系统发育，有次序有充填物（方解石），次生面少，节理、劈理面平整参差阶状，贝状，波浪状坚硬，用手难以掰开类（破坏煤）亮与半亮1、尚未失去层状2、条带明显，有时扭曲，有错动3、不规则块状，多棱角有挤压特征次生节理面多，且不规则，与原生节理呈网状节理节理面有擦纹、滑皮，节理平整，易掰开参差多角用手极易剥成小块，中等硬度类煤（强烈破坏煤）半亮与半暗1
20、、弯曲成透镜状构造2、小片状构造3、细小碎块，层理较紊无次序节理不清，系统不发达，次生节理密度大有大量擦痕参差及粒状用有手捻成粉末，硬度低类（粉碎煤）暗淡1、粒状或小颗粒胶结而成，形似天然煤团节理失去意义，成粘块状粒状可捻成粉末，疏松类煤（全粉煤）暗淡1、土状构造，似土质煤如断层泥状土状一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类主主 要要 内内 容容一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布三、煤的变质作用三、煤的变质作用四、构造煤结构演化和力化学作用四、构造煤结构演化和力化学作用五、突出煤层煤体结构研究方法五、突出煤层煤体结构研究方法构造煤是挤压、剪切作用
21、的产物构造煤是挤压、剪切作用的产物河南理工大学瓦斯地质研究所以地质观点开展煤与瓦斯突出研河南理工大学瓦斯地质研究所以地质观点开展煤与瓦斯突出研究，从现场获得的大量事实可知：煤与瓦斯突出与地质因素密切究，从现场获得的大量事实可知：煤与瓦斯突出与地质因素密切关系，大多数瓦斯突出都发生在地质构造破坏带，即强烈挤压、关系，大多数瓦斯突出都发生在地质构造破坏带，即强烈挤压、剪切作用形成的瓦斯突出煤体。剪切作用形成的瓦斯突出煤体。 coal-gas-outburst bodycoal-gas-outburst body煤煤 构造煤构造煤 二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布（一）煤体变形机制（
22、自学）与煤层产状一致的顺煤层剪切带 这种大规模的顺煤剪切带的走向、倾向和倾角和煤层是近于一致的。形成大规模的构造煤。剪切带沿煤层发育，其位置可以在煤层上部，煤层下部，煤层中部或者整个煤层，其发育层位表现为一个顺层剪切煤层破坏带一个煤层中可以发育一条剪切带，也可以是多条在后一种情况下，剪切带可以相互交织，形成比较复杂的滑面结构。 （二）构造煤的分布特点1.1.顺煤层剪切带顺煤层剪切带构造煤分布范围广构造煤分布范围广 顺煤层剪切带是指沿煤层发育的剪切面与煤层以小角度相交或者近于平行的剪切带。顺层剪切带也叫逆掩断层、顺层断层、缓倾角断层、层滑构造等。 二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布
23、 平顶山东部煤田下石盒子组中的戊9-10煤层中部发育一稳定的顺层剪切带。据勘探资料及生产阶段的井下编录，该剪切带横跨一矿以东的十矿、十二矿、八矿三个井田，影响范围近百平方公里。该剪切带的上、下界面平直而规则，在大部分地段基本上沿煤岩层理界面展布。局部受一些切层断层的影响，其产状略有变化。剪切带厚度仅11.5m，上界面距顶板0.8m，下界面距底板1m左右，主剪切面位于上部。在四矿及一矿的丁5-6煤层中发育的顺层剪切带形态也是如此。二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布平顶山矿区东部戊9-10煤层顺层剪切带15 45 H=0.95230 30 H=0.910 0123m二、煤体变形和构造
24、煤分布二、煤体变形和构造煤分布 在焦作煤田山西组的二1煤层中发育有两条顺层剪切带，它们分别沿煤层的顶部和底部发生，形成煤层顶部和底部两个构造煤带。这一组顺煤剪切带在整个焦作煤田的几百千方公里范围内都相当稳定。在河南境内，一个规模巨大的顺煤层剪切带发育在沿嵩山观音堂展布的山西组二1煤层中。涉及的煤田有陕渑、新安、宜洛、偃龙、荣巩、登封、禹县、新密，影响面积上万平方公里。剪切带被破坏了约6m厚的整个二1煤层及其顶、底板，形成所谓豫西地区著名的三软煤层（顶板软，煤层软，底板软）。二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布焦作二焦作二1煤层顺煤层剪切带（构造煤为标志）煤层顺煤层剪切带（构造煤为标
25、志） .泥 岩构造煤粉砂岩大花炭粉砂岩小花炭煤 玉小花炭粉砂岩构造煤泥 岩0.5-100.01-0.051.5-2.51.0-2.00.05-0.80.05-0.30.3-0.90.01-0.050.05-1.30.05-0.81110987654321分层名称柱 状厚 度序 号一些影响带较窄但范围较大的顺煤层剪切带在剖面上波状起伏，剪切面产状变化较大。如图23所示，在巷道中连续追踪同一剪切带，它时而表现为正断层，时而表现为逆断层，它们或许穿过煤层的顶底板，但主体上是沿煤层发育的。851231正断层； 2逆断层； 3粉砂岩；波状起伏的顺煤层剪切带波状起伏的顺煤层剪切带（四川省白皎矿（四川省白皎
26、矿K K3 3煤层）煤层）波状起伏的顺煤层剪切带波状起伏的顺煤层剪切带二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布 顺煤层剪切带的发生具有选层性。这一特性决定于煤层的岩石力学强度差异及其煤层所在构造剖面中的位置。根据其选层的级别可以分为三种：即煤层、煤系和构造层。 在同一煤层中，剪切优先选择以镜质组为主的光亮煤充分层中。平顶山东部矿区戊910煤层中的剖面煤岩分层自上而下是暗淡型，光亮半光亮半暗暗淡型，剪切带发生在中部光亮煤岩类型分层中，这是煤层中的软弱层，煤的坚固性系数实验表明，中分层强度（f=0.40.5）约是上分层（f=0.60.8）的一半。顺煤层剪切带的选层性顺煤层剪切带的选层性二、
27、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布 在一个煤组或煤系中，当煤层间距及岩石组合类型大致相同时，顺煤剪切带优先发生在厚度较大的煤层中。这在我国华北、华南的大多数煤层煤组和煤系中具有普遍性。 在一个构造层内，顺煤层剪切带一般多发生在两组岩层强度差异性较大的界面附近。煤层是弱面，滑动构造常选择在煤层顶板或底板。如下图所示。顺煤层剪切带的选层性顺煤层剪切带的选层性二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布芦店滑动构造剖面图芦店滑动构造剖面图+4000-400-800煤芦 F12煤马鸣寺月台断层5000mT P T 1T 1O 2O 2P P1 -P P P t32 2 2121211ZC
28、 NW100寨脖断层二1二1C C C+P F1 F告F232P23P23P212T1T1T1T134T1T12T13T11P12P21-1P21201105001201212009120071201012006CK5N31 W32.5 一1煤二1煤12008芦 告F10 F27告告F30芦F1-2告F2告F3告F27告成矿井线剖面图告成矿井线剖面图 二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布 切层断层使构造煤呈现带状分布，构造煤厚度的增加和分布的范围，与断层性质、断层落差有关，切层小型正断层仅在断面和断层下降盘一侧形成薄层构造煤，延伸不远即行消失。如图，断层产状24050，H=0.2m
29、断面平直、闭合，仅在断层面上有1cm厚的粉煤，这是由两盘相对剪切滑移所形成的。平顶山八矿丁平顶山八矿丁5-612290 迎头断面迎头断面 平顶八矿丁平顶八矿丁5-612230 采面采面断层点剖面断层点剖面 2.2.切层断层对构造煤分布的控制切层断层对构造煤分布的控制 二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布主主 要要 内内 容容一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布三、煤的变质作用三、煤的变质作用四、构造煤结构演化和力化学作用四、构造煤结构演化和力化学作用五、突出煤层煤体结构研究方法五、突出煤层煤体结构研究方法 温度、压力及其作用持续的时间
30、是引起煤发生变质作用的三个主要因素，温度起主导作用。因此，根据热量的来源和作用方式不同，可将煤的变质作用划分为不同类型，常见深成变质作用和岩浆变质作用。煤的动力变质作用是指煤系形成以后，由于受构造变动的影响使煤发生的变质作用。三、煤的变质作用三、煤的变质作用（一）煤的深成变质作用（一）煤的深成变质作用（二）煤的岩浆变质作用（二）煤的岩浆变质作用（三）煤的动力变质作用（三）煤的动力变质作用三、煤的变质作用三、煤的变质作用( (一一) )煤的深成变质作用煤的深成变质作用 煤的深成变质作用是指沉降到地下深处的煤层，受到地热及上覆岩系产生的静压力作用，发生了变质程度随深度增加而升高的变质作用。 煤的深
31、成变质作用在大区域内使煤普遍发生变质作用，它的影响范围最为广泛，因此又称为区域变质作用。 煤的深成变质作用主要是由地热引起的，所以也称热变质作用。三、煤的变质作用三、煤的变质作用1煤变质程度的垂直分带性希尔特规律 在同一煤田内构造条件正常并大致相同的情况下，随着地层深度的增加，煤的挥发分（Vdaf）有规律地减少，煤的变质程度则有规律地增高，此规律称为希尔特规律 (Hilt)。 三、煤的变质作用三、煤的变质作用 希尔特规律可用变质梯度表示（又称挥发分梯度），用来描述煤每加深100m煤变质程度增高的程度。 挥发分梯度、碳含量梯度和反射率梯度等各项指标。三、煤的变质作用三、煤的变质作用 鲁尔煤田煤质
32、的垂直分带 1焦煤瘦煤及贫煤无烟煤带；2肥煤带；3气煤带；4长焰煤气煤带；5覆盖层2煤质的水平分带 煤质水平分带是倾斜煤层的煤质垂直分带在平面上的反映（图5-24）。 图5-24 煤质分带示意图（据杨起、韩德馨，1979）三、煤的变质作用三、煤的变质作用2煤质的水平分带 变质带的分布特征与其所处的构造位置也有一定关系。三、煤的变质作用三、煤的变质作用华北某煤田煤变质程度的水平分带性1地层界线；2煤田边界；3煤变质程度3 3煤的深成变质作用与上覆岩层的关系煤的深成变质作用与上覆岩层的关系 深成变质作用中，煤的变质程度随煤系及上覆岩系厚度的增加而升高。 如，在其它条件大致相同的情况下，煤系的沉降幅
33、度（厚度）愈大，煤的变质程度就愈高；煤系厚度大致相同的情况下，上覆岩系厚度愈大，煤的变质程度也愈高。 由于各聚煤拗陷持续下降时间不等和各地的古地温梯度不同，不同聚煤拗陷内形成相同变质程度的煤所需的下降深度是不同的。 三、煤的变质作用三、煤的变质作用 在使用煤系上覆岩系厚度影响煤变质程度的规律时，应当注意以下两种情况： （1）上覆岩系与煤系为连续沉积或仅有短暂的沉积间断，并与煤系共同褶皱，属于同一个构造形态时，可以认为上覆岩系的厚度对煤变质程度有直接影响，并可与煤系厚度等同看待，直接使用。 （2）上覆岩系是在煤系形成之后，或是煤系褶皱之后沉积的，即不属于同一构造形态时，上覆岩系厚度对煤变质程度影
34、响的大小，取决于上覆岩系厚度和形成的早晚。一般而言，上覆岩系厚度大、形成时间早的，煤变质程度高，反之则低。三、煤的变质作用三、煤的变质作用4 4煤变质程度随赋存深度增加而升高煤变质程度随赋存深度增加而升高 在已有变质程度基础上，煤系发生构造变动时，在新的赋在已有变质程度基础上，煤系发生构造变动时，在新的赋存条件、温度条件和时间等因素影响下，其变质程度仍然可以存条件、温度条件和时间等因素影响下，其变质程度仍然可以继续加深。如同一煤层的变质程度，在褶皱的向斜部位中比在继续加深。如同一煤层的变质程度，在褶皱的向斜部位中比在相邻的背斜部位中要高，在断层的下降盘中比上升盘中要高的相邻的背斜部位中要高，在
35、断层的下降盘中比上升盘中要高的现象，就是由此形成的。现象，就是由此形成的。 深度（m）1000800600400200HW吕家坨气煤焦煤(V -23.10)dafdaf(V -40.18)SE毕各庄范各庄肥煤河北开平向斜东翼5号煤层煤种分带示意图NW三、煤的变质作用三、煤的变质作用( (二二) )煤的岩浆变质作用煤的岩浆变质作用 1 1煤的区域岩浆热变质作用煤的区域岩浆热变质作用 定义：指聚煤坳陷内有岩浆活动，岩浆及其所携带流体的热量可使地温场增高，形成地热异常带，从而引起的煤的变质作用。影响：煤的区域岩浆热变质作用是促成我国出现大量中、高变质烟煤和无烟煤的主要原因。三、煤的变质作用三、煤的变
36、质作用( (二二) )煤的岩浆变质作用煤的岩浆变质作用 1 1煤的区域岩浆热变质作用煤的区域岩浆热变质作用分类：根据岩浆性质、侵入方式、侵入深度、侵入层位、岩体规模以及沉积盖层破碎程度等特点，可将煤的区域岩浆热变质作用划分为浅成、中深成和深成岩浆热变质作用3种亚型。 三、煤的变质作用三、煤的变质作用 识别标志：l 煤级环带状分布，越靠近岩体，煤的变质程度越高；l 煤变质梯度高，垂向上在较小的距离内，就可引起变质程度的明显差异；l 受岩浆热的影响，煤中常发育气孔、小球体以及镶嵌结构等；l 高变质煤带发生围岩蚀变，并往往与热液矿床伴生；l 在岩浆活动区具有重磁异常等。三、煤的变质作用三、煤的变质作
37、用3N4321 2435432km1050鲁塘袁家香花岭临武梅田金江杨梅山宜章岭田永春骑黄沙坪桂阳华塘王仙岭郴州图5-27 湖南骑田岭龙潭组煤变质环带图（据杨起等，1996）石墨半石墨带；高变质无烟煤带；中变质无烟煤带；低变质无烟煤带；贫煤带；1入侵岩体；2岩体隐伏部分界限；3Ro,max(%)等值线；4煤级分带界线2 2煤的接触变质作用煤的接触变质作用 定义：指岩浆直接接触或侵入煤层，由其所带来的高温、流体和压力，促使煤发生变质的作用。分类：根据岩浆侵入体的规模，可将煤的接触变质作用分为三个亚型：脉岩岩浆接触变质作用、小型浅成岩浆接触变质作用和大型深成岩浆接触变质作用（杨起等，1996）。
38、作用：煤的接触变质作用是中国煤变质的次要原因。三、煤的变质作用三、煤的变质作用( (三三) )煤的动力变质作用煤的动力变质作用 煤的动力变质作用是指地壳构造变动促使煤发煤的动力变质作用是指地壳构造变动促使煤发生变质的作用。生变质的作用。 1煤的动力变质作用类型 按煤体变形机制，煤的动力变质作用可分为脆性变形变质作用、韧性变形变质作用和介于两者之间的脆韧性变形变质作用。三、煤的变质作用三、煤的变质作用 煤的脆性变形变质作用一般而言，煤的脆性变形是在低温、快速应变条件下，煤体碎裂流变，主要表现为煤的物理煤化作用，化学煤化作用特征不明显。即脆性变形时，煤的物理结构发生变化，但几乎不引起化学成分改变。
39、 曹代勇（2002）认为，煤体脆性变形时，煤中应变能的消减是通过碎块间的相互换位来实现的，煤体破裂缓冲了构造变形对煤的大分子结构的影响。三、煤的变质作用三、煤的变质作用 煤的韧性变形变质作用 地质构造作用下，煤不仅发生物理煤化作用，还发生了化学煤化作用。在古地温较高的地质环境中，煤中有机组分活动性增加，煤体在构造应力(特别是剪切应力)作用下发生韧性变形变质。 煤体韧性流变时，煤中应变能的消减可能与大分子的环缩合与拼叠有关，主要通过如下2种机制促进煤结构演化（曹代勇，2002）： 一是应变能增加了煤化作用的热活性，促进化学键重新键合，为环缩合作用提供有利条件。 二是定向压力作为环缩合作用与拼叠作
40、用的“催化剂”。当应变发展到芳香结构层次时，应力作用促使芳香碳网在平行于应力方向择优生长，在垂直应力方向则优先拼叠。 煤核结构示意图 煤分子结构 环缩合作用环缩合作用翁成敏等, 1981 煤BSU拼叠作用示意图拼叠作用拼叠作用拼接作用叠合作用拼叠作用2煤的动力变质作用指标 煤的动力变质作用指标包括：煤的双反射率、晶体参数指标，自由基参数等，主要是反映煤结构变化的指标。研究显示，煤成份变化的指标不敏感。三、煤的变质作用三、煤的变质作用主主 要要 内内 容容一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布三、煤的变质作用三、煤的变质作用四、构造煤结构演化和力化学
41、作用四、构造煤结构演化和力化学作用五、突出煤层煤体结构研究方法五、突出煤层煤体结构研究方法( (一一) )构造煤的孔隙与渗透性构造煤的孔隙与渗透性 了解了解( (二二) )构造煤分子结构演化构造煤分子结构演化 自学自学( (三三) )构造煤的力化学作用构造煤的力化学作用 自学自学四、构造煤结构演化和力化学作用四、构造煤结构演化和力化学作用1构造煤的比表面积构造煤的比表面积 煤的比表面积（specific surface area）与孔隙特征具有密切的联系，其大小直接关系着煤与气体介质间的接触面积、煤吸附气体的能力。 表5-16 不同破坏程度煤的比表面积（据罗志明，1989，有改动）破坏类型、类
42、煤（难突出煤）类煤（可能突出煤）,类煤（易突出煤）无烟煤比表面积m2/g54170，平均128170190，平均175190287，平均236贫、瘦煤比表面积m2/g100100140140大大 f 小小小 S 大 实测结果（见表5-16）表明，高级烟煤和无烟煤的比面积随煤体破坏程度增高而增大；煤的比表面积S（根据其数量级，应是CO2比表面积）与瓦斯放散指标P呈线性相关，即： （5-1） 比表面积随坚固性系数f值降低急剧升高。这一结论有力地证明了随煤体破坏程度增高比表面积升高的一般规律。22. 13 .10PS2构造煤的甲烷吸附量构造煤的甲烷吸附量 （1）霍多特（1966）对顿巴斯20个煤样的
43、实验证明，突出危险和非突出危险层在瓦斯吸附性质方面没有明显区别。 （2）前苏联的研究表明，对于正常煤和破坏煤，其吸附能力的变化范围不超过10%，对英国威尔士无烟煤的研究也得出了同样结果（巴克里德和拉德琴科，1990）。他们所说的突出危险性煤、破坏煤就是我们所说的构造煤。 （3）王佑安和杨思敬（1980）认为，煤的瓦斯吸附量不随煤的破坏程度增高而增加。 这些研究表明：决定煤比表积的微孔体积不受煤破坏程度的影响。 支持依据：一是实验表明，构造煤没有增大其吸附容量；二是构造破坏不影响到微孔体积的增加，进而也不影响到比表面积的增加，从而也不提高瓦斯吸附容量。 图5-38是焦作无烟煤原生结构煤与构造煤等
44、温吸附实验对比结果，构造煤与原生结构煤的吸附体积常数存在差异，构造煤的吸附常数大于原生结构煤的，但两者的差异不大。图5-38 焦作原生结构煤与构造煤的等温吸附曲线M-曲线为构造煤，K-曲线为原生结构煤3 3 瓦斯放散初速度瓦斯放散初速度 煤的瓦斯放散初速度煤的瓦斯放散初速度（PP）表示）表示充有充有瓦斯的煤样放散瓦斯快慢的程度瓦斯的煤样放散瓦斯快慢的程度，它是预，它是预测煤与瓦斯突出的一个指标。测煤与瓦斯突出的一个指标。 PP值的大小，与煤的微孔隙结构、孔值的大小，与煤的微孔隙结构、孔隙表面性质和大小有关。在瓦斯含量相同隙表面性质和大小有关。在瓦斯含量相同的条件下，煤的放散初速度越大，煤的破的
45、条件下，煤的放散初速度越大，煤的破坏类型越严重，越易于形成具有携带破碎坏类型越严重，越易于形成具有携带破碎能力的瓦斯流，越有利于煤与瓦斯突出的能力的瓦斯流，越有利于煤与瓦斯突出的发生。发生。 图5-39 煤的瓦斯放散特征图（据何继善，1999） 4 构造煤瓦斯解吸指标构造煤瓦斯解吸指标h2 煤科总院抚顺分院王佑安博士测定了粒度13 mm，瓦斯压力0.2 MPa，不同煤体结构类型煤样瓦斯解吸特征，如图5-40所示。原生结构煤原生结构煤碎裂煤碎裂煤碎粒煤碎粒煤粉粒煤粉粒煤糜棱煤糜棱煤5 构造煤的渗透性 渗透性是指煤储层的孔裂隙系统在一定的压差下，流体介质可以发生渗流通过的性质。渗透率是表征煤储层渗
46、透性大小的参数，单位一般用平方微米表示。 煤的渗透率与煤的结构、气体成份、孔隙度、煤的变质程度、孔隙压力及围压有关。林柏泉和周世宁（1987）研究表明，对于平行层理方向的试样，当围压小较时，在同样孔隙压力下，吸附瓦斯气楔作用，煤的微裂隙扩展，煤体膨胀，瓦斯渗透率变大。 围压增加时，煤体孔隙、裂隙闭合，渗透性降低。煤体载荷与渗透率间的关系可用指数方程表示： (5-14) 卸载时，可用幂函数方程表示： (5-15) baekckk0 王佑安曾指出，具有强烈突出倾向的类构造煤的渗透率随压力增加迅速降低而成为不渗透煤体，而原生结构煤的渗透率随压力升高而降低，在降低到一定程度后趋于某一稳定状态，变为低渗
47、煤体。构造煤和原生结构煤渗透率与压力间的关系主主 要要 内内 容容一、煤体结构和分类一、煤体结构和分类二、煤体变形和构造煤分布二、煤体变形和构造煤分布三、煤的变质作用三、煤的变质作用四、构造煤结构演化和力化学作用四、构造煤结构演化和力化学作用五、突出煤层煤体结构研究方法五、突出煤层煤体结构研究方法五五 突出煤层煤体结构研究方法突出煤层煤体结构研究方法 v突出煤层煤体结构特征是综合研究突突出煤层煤体结构特征是综合研究突出的重要内容。出的重要内容。v井下观测和室内测试。井下观测和室内测试。五五 突出煤层煤体结构研究方法突出煤层煤体结构研究方法5.1 突出煤层煤体结构的井下观测 突出矿井，石门揭门地
48、点、各突出煤层采掘巷道突出矿井，石门揭门地点、各突出煤层采掘巷道( (上下山、工作上下山、工作面风巷、机巷、切眼、联络巷等面风巷、机巷、切眼、联络巷等) )，均要进行地质编录和煤体结构特，均要进行地质编录和煤体结构特征观测。征观测。(1)(1)随巷道掘进，每隔一定距离在掘进工作面进行。观测随巷道掘进，每隔一定距离在掘进工作面进行。观测前要清理煤壁，观测新鲜面。前要清理煤壁，观测新鲜面。(2)(2)已掘巷道，重点观测地质特征清楚和地质变化带已掘巷道，重点观测地质特征清楚和地质变化带( (小小褶皱、小断层、煤厚变化地带褶皱、小断层、煤厚变化地带) )。(3)(3)观测点间距根据实际情况来定。观测点
49、间距根据实际情况来定。5.1 突出煤层煤体结构的井下观测对确定的观测地点，要测量观测点的具体位置。以便绘图。对确定的观测地点，要测量观测点的具体位置。以便绘图。观测内容包括：观测内容包括：观测点附近的煤、岩产状、煤厚及变化。地观测点附近的煤、岩产状、煤厚及变化。地质构造情况质构造情况( (有无褶曲、褶曲类型、轴向延伸有无褶曲、褶曲类型、轴向延伸、两翼产状。、两翼产状。有无断层、断层性质及力学性质、产状及落有无断层、断层性质及力学性质、产状及落差，破碎带宽度及充填情况、构造岩、两盘差，破碎带宽度及充填情况、构造岩、两盘产状等。产状等。五五 突出煤层煤体结构研究方法突出煤层煤体结构研究方法 观察断
50、层附近煤结构破坏是否随断层距离改变，煤体结观察断层附近煤结构破坏是否随断层距离改变，煤体结构破坏程度分带现象、分带宽度、破坏特征。构破坏程度分带现象、分带宽度、破坏特征。 观察不同性质、不同力学性质、不同规律断层及构造组观察不同性质、不同力学性质、不同规律断层及构造组合部位对煤层的破坏。合部位对煤层的破坏。 观察上下盘煤结构破坏程度的差异。观察上下盘煤结构破坏程度的差异。 断层不同部位煤层中裂隙的发育情况。断层不同部位煤层中裂隙的发育情况。 观察规模、类型、复杂程度、紧闭程度差异对煤结构影响。观察规模、类型、复杂程度、紧闭程度差异对煤结构影响。 不同部位煤破坏程度差异。不同部位煤破坏程度差异。