浅析煤层厚度变化的地质成因
技术中心
陈凤杰
2011.12
浅析煤层厚度变化的地质成因
技术中心 陈凤杰
摘要：系统的分析了影响煤层厚度变化的地质成因，探讨了地壳不均衡沉降、泥炭沼泽基底不平、褶皱构造、断裂构造、岩浆侵入等地质因素对煤层厚度变化产生的影响。
关键词：煤层厚度；原生变化；后生变化；地质构造
在煤矿生产中，影响矿井生产的地质因素很多，主要有地质构造、煤层厚度的变化、矿井涌水、矿井瓦斯、岩浆侵入体及岩溶陷落柱等。煤层厚度变化是影响煤矿开采的主要因素之一，制约煤矿采掘工作的正常进行，造成采掘比例失调，生产成本提高，工作效率降低及井田煤炭储量减少等。
煤层厚度的变化可以分为原生变化和后生变化，分别是由不同的原因引起的。
1.原生变化
在构成煤层顶板岩层的沉积物堆积之前，由于泥炭层受各种地质作用的影响而导致煤层形态和厚度的变化。其主要原因有以下三种：
1.1 地壳不均衡沉降
由于构造条件的不同，煤层在形成过程中，出现沼泽基底的差异性运动，导致煤层形态和厚度的区域性变化。有些地段沉降速度与泥炭堆积速度大致均衡，且在较长一段时间一直维持着这种平衡状态，从而形成较厚的煤层；有些地段沉降速度与泥潭堆积速度均衡维持的时间较短，最终形成的煤层较薄；有些地段沉降具有“间歇性”，有时与泥炭堆积速度平衡，有时不平衡，出现煤层分叉、尖灭现象，形成马尾状煤层。
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图1 地壳不均衡沉降引起煤层厚度变化 图2 马尾状煤层示意图
1—每层；2—泥砂物质；3—沉降速度变化
由地壳不均衡沉降引起的煤厚变化具有明显的方向性，向着盆地沉降幅度大的方向，煤层变薄，层数增多，分叉、尖灭现象明显；在平面上具有明显的分带性，由盆地边缘到中心，或由中心到边缘，依次为厚煤带、分叉带及尖灭带。
1.2 泥炭沼泽基底不平
由于泥炭沼泽发育的古地形起伏不平，使泥炭层的堆积存在一个“填平补齐”的过程，因此煤层厚度随着基底地形的高低而有所变化，这种成因的煤厚变化一般影响规模较大。
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图3 沼泽基底不平引起煤层厚度变化 1—煤层底板；2—煤层；3—煤层顶板
由于泥炭沼泽基底不平形成的煤层底板起伏不平，顶板面比较平整；煤层变薄以至尖灭的方向指向基底凸起的位置；煤层层理与顶板平行，而与底板不平行。
1.3 煤层的同生冲蚀
煤层同生冲蚀是指在泥炭堆积过程中，由于河流海浪对已堆积的泥炭层冲蚀并在被冲蚀的位置代之以相应碎屑或化学沉积，之后再接受顶板沉积物堆积，造成煤层厚度和形态上变化。包括河流的同生冲蚀和海浪的同生冲蚀。
河流同生冲蚀是沼泽中发育的河流对泥炭层冲蚀的结果。河流沉积物在平面上呈弯曲条带状，在剖面上呈透镜状；河流同生冲蚀带附近煤层厚度变薄，夹石层数增多，灰分增高，但面积和深度不大；河流沉积物一般为碎屑岩，且与煤层有共同的顶板。
图4 河流同生冲蚀示意图
海浪同生冲蚀是滨海沼泽中堆积的泥炭层，被海水上涨淹没后遭受海浪冲蚀的结果。这种情况下形成的煤层顶面凸凹不平，具有大小不等的凹坑和沟槽，顶板常为石灰岩。
图5 海水同生冲蚀引起煤厚变化
2.后生变化
泥炭层被沉积物覆盖以后或整个煤系形成以后，由于内、外力地质作用引起煤层形态和厚度的变化。其主要原因有河流的后生冲蚀、构造变动、岩浆侵入等。
2.1 河流的后生冲蚀
当煤层顶板形成以后，一定地质时期地面发育的古河流向下切割冲蚀，将煤层上部沉积物或岩层切割冲蚀，继续进行下去，可以将煤层甚至底板进一步冲蚀，使煤层厚度变薄或中断。
图6 河流后生冲蚀示意图
河流后生冲蚀，在平面上沿古河流展布方向呈条带状分布，可形成大面积的薄煤带或无煤带；煤层及煤层的正常顶板均遭到冲蚀破坏；冲蚀带附近煤层光泽暗淡，灰分增高，煤质变差。
2.2 构造变动对煤层厚度变化的影响
在地壳运动影响下，岩层受地应力的长期作用发生塑性变形，而形成波状弯曲，这种构造形态称为褶皱构造。褶皱构造中的一个弯曲称为裙曲，它是组成褶皱构造的基本单位，褶曲主要有两种基本形态：背斜和向斜。煤层形成之后，由于强烈的构造变动，使被限制在坚硬的顶底板岩石之间呈塑性的煤从压力大的地方向压力小的地方发生塑性流动，造成煤层局部变薄、增厚、尖灭等变化。
2.2.1 褶皱构造对煤层厚度的影响
构造变动引起的煤厚变化在褶皱构造中表现比较明显。在水平挤压力作用下，煤层形成褶皱的同时，由于褶曲两翼受力大于轴部．煤由压力大的地方向压力小的地方发生塑性流动．造成背、向斜轴部煤层增厚，两翼煤层变薄，有时可形成串珠状或藕节状煤层；在垂直压力作用下，褶曲轴部压力大于两翼，此时背斜轴部煤层厚度变薄，而两翼煤层增厚。
图7 侧压力作用下煤层厚度变化 图8 垂向压力作用下煤层厚度变化
2.2.2 断裂构造对煤层厚度的影响
断裂构造对煤层厚度的影响较褶皱构造而言稍微较弱一点．表现在断层的性质、产状、分布密度等不同程度地影响煤层的空间分布和厚度及深度变化。
断层引起的煤厚变化直接破坏了煤层的连续性，增加了开采的难度。在断层附近，煤层厚度都会出现不同程度的加厚带和变薄带现象，一些逆断层两侧可能出现煤层的逆掩重叠或挤压聚集，形成厚煤带；而一些正断层由于引
张拖拽作用，可导致断层附近上、下盘煤层厚度变薄。
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图10 逆断层造成煤层厚度变化
由于构造运动引起的煤层增厚或变薄处，煤层结构遭到破坏，灰分增高，顶板多不完整，裂隙发育；煤层变厚和变薄带在平面上相间出现，呈条带状延伸，并与主要构造线方向一致。
2.3 岩浆侵入对煤层厚度变化的影响
由于煤层无论力学性质还是化学性质，相对于围岩都是比较薄弱的部分，因此岩浆容易侵入到煤层中。
岩浆侵入煤层，产状主要为岩墙和岩床，岩墙斜交或垂直穿过煤层，对煤厚影响不大；岩床呈层状、似层状等顺煤层侵入，煤层原始结构和煤质遭到严重破坏，甚至大片煤层被吞食或变成天然焦，失去工业价值。
3.结语
引起煤层厚度变化的原因很多，煤层厚度变化往往是多种因素共同作用的结果，其中某种因素是主导因素。在褶皱和断层均发育的地区，煤层厚度变化受断层和褶皱双重影响，增厚、变薄、分叉、尖灭现象频繁，煤层常呈透镜状、藕节状、串珠状等。对同一矿区来说，地质构造运动影响煤层厚度变化基本规律不变。通过分析影响煤层厚度变化的主要地质构造因素，对煤矿合理布置采掘巷道、提高采掘效率具有一定的实际意义。
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