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《华北板块构造煤分布及成因机制》可供瓦斯地质、 煤层气地质、 煤田地质和矿井地质等相关领域的科研和生产人员参考， 也可作为高等院校师生参考用书。
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| 內容簡介： |
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《华北板块构造煤分布及成因机制》以华北板块瓦斯地质条件为背景，深入研究了构造煤的成因、结构和构造特征，提出了构造煤分类新方案；阐述了构造煤的物性特征、吸附解吸特征及构造煤的探测、测井曲线解译等；通过构造煤层域分布规律及区域分布规律的研究，提出了构造煤分布的控制模式:即构造煤的层域分布主要受煤厚控制，区域分布主要受构造控制；构造煤的主要分布区也是煤与瓦斯突出危险性较大的区域。《华北板块构造煤分布及成因机制》共9章，包括构造煤特征及分类、构造煤地球物理特征及判识、构造煤吸附解吸特征、华北板块构造煤形成的区域地质背景、华北板块构造煤分布规律、挤压作用背景下构造煤的成因机理及控制模式、伸展作用背景下构造煤的成因机理及控制模式、构造作用及演化对构造煤形成的控制、构造煤在煤与瓦斯突出预测中的应用。
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| 目錄：
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前言
**章构造煤特征及分类1
**节构造煤结构特征1
一、构造煤的宏观结构特征1
二、构造煤的微观结构特征2
三、构造煤的超微观结构特征2
四、构造煤的分子化学结构特征3
五、构造煤的孔隙结构与渗透性8
六、构造煤结构的分形特征12
第二节构造煤的瓦斯地质特征及力学性质13
一、构造煤的瓦斯吸附特征13
二、构造煤的瓦斯参数特征14
三、构造煤的力学性质特征15
第三节构造煤分类15
一、构造煤分类的意义15
二、构造煤分类的历史沿革16
三、构造煤分类中存在的主要问题18
四、构造煤分类的原则和依据19
五、构造煤分类新方案19
参考文献23
第二章构造煤地球物理特征及判识26
**节构造煤的波速特征26
第二节构造煤的电磁波特征28
第三节构造煤测井曲线判识方法29
一、测井曲线预测宿南向斜构造煤29
二、测井曲线预测潞安矿区常村矿构造煤31
参考文献33
第三章构造煤吸附解吸特征35
**节概述35
第二节构造煤吸附解吸特征37
一、不同粒度构造煤瓦斯解吸初速度特征38
二、不同吸附平衡压力构造煤瓦斯解吸初速度特征44
第三节构造煤瓦斯解吸初期模型及解吸全过程模型49
一、构造煤瓦斯解吸初期模型49
二、构造煤瓦斯解吸全过程模型51
参考文献52
第四章华北板块构造煤形成的区域地质背景54
**节华北板块构造演化及分区54
一、前中生代华北板块的形成与演化54
二、中新生代构造运动57
三、华北板块大地构造分区58
第二节华北板块晚古生代含煤地层沉积建造演化及分区64
一、沉积建造演化64
二、沉积建造分区67
参考文献69
第五章华北板块构造煤分布规律70
**节构造煤区域分布规律70
一、华北板块南带（南缘）构造煤分布规律71
二、华北板块北带（北缘）构造煤分布规律85
三、华北板块中带构造煤分布规律89
四、构造煤区域分布的大地构造控制102
第二节构造煤层域分布规律及含煤建造控制103
一、构造煤层域分布规律104
二、构造煤层域分布的含煤建造控制104
参考文献111
第六章挤压作用背景下构造煤的成因机理及控制模式115
**节挤压作用背景下构造煤形成的一般规律115
第二节纵弯褶皱作用下构造煤的成因机理及控制模式116
一、概述116
二、纵弯褶皱作用下构造煤形成的动力学和运动学分析117
三、纵弯褶皱作用中构造煤成因演化模式120
第三节逆冲断层作用下构造煤的成因机理及控制模式121
一、概述121
二、逆冲断层作用下构造煤的成因机理及控制模式123
三、逆冲推覆构造作用下构造煤的成因机理128
第四节重力滑动构造作用下构造煤的成因机理及控制模式130
一、重力滑动构造的一般特点130
二、煤层中重力滑动构造的形成机理131
三、重力滑动构造对构造煤的控制134
第五节平移断层作用下构造煤的成因机理及控制模式136
一、平移断层形成时的动力学和运动学分析136
二、平移断层形成前后应力比较分析138
三、平移断层两盘构造（煤）变形分析139
参考文献140
第七章伸展作用背景下构造煤的成因机理及控制模式142
**节伸展作用背景下构造煤形成的一般规律 142
第二节正断层作用下构造煤的成因机理及控制模式142
一、概述142
二、正断层形成时的动力学和运动学分析145
三、正断层形成前后应力比较分析147
四、正断层两盘构造（煤）变形分析149
五、小型重力滑动构造及其对构造煤的控制150
六、张性正断层及其对构造煤的控制152
参考文献153
第八章构造作用及演化对构造煤形成的控制154
**节构造作用对构造煤形成的控制154
第二节构造演化对构造煤形成的控制156
一、北东—北北东向断裂对构造煤形成的控制157
二、北西向断裂对构造煤形成的控制157
三、东西向断裂对构造煤形成的控制157
参考文献159
第九章构造煤在煤与瓦斯突出预测中的应用160
**节煤与瓦斯突出机理160
一、概述160
二、煤与瓦斯突出机理研究阶段161
三、 “能量”假说和“应力分布不均匀”假说165
四、煤与瓦斯突出的发展过程168
五、构造煤控制煤与瓦斯突出机理分析169
第二节煤与瓦斯突出预测169
一、煤层突出预测的依据169
二、煤与瓦斯突出区域预测的依据170
三、工作面突出预测的依据172
第三节构造煤分布规律对煤与瓦斯突出的控制177
一、构造煤区域分布规律对煤与瓦斯突出的控制177
二、构造煤层域分布规律对煤与瓦斯突出的控制178
第四节主要构造类型对煤与瓦斯突出的控制179
一、褶皱构造对煤与瓦斯突出的控制179
二、断裂构造对煤与瓦斯突出的控制179
三、推覆构造和重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制180
第五节典型矿区构造煤对煤与瓦斯突出的控制181
一、淮南潘谢矿区构造煤对煤与瓦斯突出的控制181
二、平顶山矿区构造煤对煤与瓦斯突出的控制181
三、焦作矿区构造煤对煤与瓦斯突出的控制185
四、鹤壁矿区构造煤对煤与瓦斯突出的控制187
参考文献189
图版
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**章构造煤特征及分类
**节构造煤结构特征
构造煤结构即煤层各组成部分的颗粒大小、形态特征及其相互关系，是构造煤研究的一个重要内容。构造煤结构常常*直观地展现在人们面前，在构造煤研究的各项内容中，研究程度相对较高，许多认识已渐趋一致，主要研究工作向更深层次发展。从研究尺度上来说，可分为宏观结构、微观结构、超微观结构和分子结构等曹运兴. 1999. 构造煤的动力变质作用及其灾害性. 北京:北京大学.。
一、构造煤的宏观结构特征
构造煤的宏观结构特征是指在肉眼条件下可以鉴别的特征，包括微裂隙、微褶皱、显微组分破碎和位移、构造滑面与塑性流变现象等。依据煤体的破坏程度或破碎后的粒度大小以及变形性质，一般可分为碎裂结构、碎粒结构、粉粒结构和糜棱结构4种类型（徐耀琦等，1980；琚宜文等，2004；Zhang et al.，2004）。前3种类型属于脆性变形的结果，其对应的煤体结构大体上相当于Ⅱ类煤、Ⅲ类煤和Ⅳ～Ⅴ类煤，是人们对构造煤结构的*初认识，主要是借鉴构造岩的分类方法提出来的。糜棱结构属于韧性变形的结果，20 世纪70 年代以后，国际构造岩的研究有了新的发展，特别是1981年在美国加州召开的“糜棱岩类岩石的意义和成因” 会议之后，构造岩通常被划分为两大系列，即脆性系列和韧性系列。稍后糜棱煤的概念也被提了出来（侯泉林、张子敏，1990），开始，一般认为糜棱煤是破碎程度*严重的煤（仍属于脆性变形序列的范畴），但随着研究的不断深入，逐渐认识到是韧性变形的结果，与脆性变形构造煤形成的岩石力学条件有根本的区别。
根据研究，脆性变形的构造煤演化过程一般是：原生结构煤—碎裂煤—碎粒煤—碎粉煤，是煤层在挤压应力作用下破碎的结果（苏现波等，2003）。宏观上突出的特点是具有压碎结构，张裂作用占主导地位，破碎的煤体不论粒度大小均呈球粒状、棱角状或次棱角状，没有定向构造（图版Ⅰ.1）。随着破碎煤体粒度减小，煤的强度越来越小，光泽越来越暗淡，煤体中大型不规则滑面越来越多，而且滑面上具有大量擦痕。
糜棱煤是煤层在韧性条件下剪切变形的结果，其演化过程一般是：原生结构煤—褶皱煤—揉皱煤—糜棱煤。宏观上突出的特点是，具有团块构造和揉皱结构，光泽暗淡，致密性脆，强度较大，不易捏碎，蠕变或韧性变形特征明显（图版Ⅰ.3~Ⅰ.5）。随着煤类的提高，煤的强度没有明显的减小，只是发生了强烈的塑性变形，变形形成的流动构造越来越明显，且纹理越来越细等。
章云根（2005）对淮南矿区煤层变形的研究表明，煤层的层间揉皱十分明显，原生条带状结构难于辨认，出现不同程度的褶皱，类型繁多，有直立、倾伏、倒转甚至平卧等多种形式，多数褶皱界面已不是原来的层理面，而常呈一层极薄的光亮镜面——构造镜面，褶轴之间交切关系也很复杂，有的同斜排列，有的排列无一定规律性，矿区内下石盒子组下部4-1煤、5-2煤局部、上部8煤、11-2煤及上石盒子组下部13-1煤大部分具有此特征。事实上煤的宏观韧性变形特征——不对称紧闭小褶皱是一种十分普遍的现象，有的是原生面理发生褶皱，有的是次生面理发生褶皱，当褶皱复杂时，鉴别褶皱面是原生面理还是次生面理是困难的。
二、构造煤的微观结构特征
微观结构特征是指在光学显微镜下可以鉴别的特征，与构造煤的宏观结构特征对比，除了可以看到宏观上能够看到的特征之外，还可以看到煤的异向光性紊乱及波状消光现象等。
脆性变形构造煤的微观结构特征主要表现为：原生结构、构造已被破坏，破碎角砾有较大的位移，煤的异向光性已不一致。破碎的角砾一般呈棱角状、次棱角状、次圆状，杂乱分布，破裂间隙较大。随着破碎程度的增大，角砾的磨圆度增大，残斑减少，角砾大小逐渐趋于等粒状，重胶结和压结现象明显（图版Ⅰ.1~Ⅰ.2），煤的异向光性更加紊乱。
韧性变形构造煤的微观结构特征主要表现为：煤体在构造应力作用下发生强烈的塑性形变，显微揉皱、流纹等形变构造发育，显微组分均被揉皱，伴有较密集的裂隙；煤体基本上未破碎为分散的角砾，各种显微组分相互强烈地糅合在一起，极不规则；煤的显微组分受揉皱和破碎的双重影响，破碎的角砾多被磨碎成“眼球状”，并依一定应力方向均匀排列；破裂间隙较小，混入物极少，常有蠕变、重胶结、波状消光现象或新矿物的形成；煤的异向光性紊乱。
三、构造煤的超微观结构特征
超微观结构特征是指在电子显微镜下可以观察到的特征，除了可以看到宏观、微观上能够看到的特征之外，还可以看到脆性变形煤中的网状结构、粉粒状结构及韧性变形煤中的核幔构造、不对称眼球状构造等。我国*早用扫描电镜研究构造煤显微结构而见诸文献的是徐跃奇等（1980），其后，有许多学者也做了这方面的研究（蔡顺益，1986；吴俊，1987；陈善庆，1989；李康、钟大赉，1992；郝吉生等，2000）。
脆性变形煤超微观尺度上主要可以看到角砾状构造煤中的微裂隙（同透镜状构造煤中的微裂隙）和粉粒状构造煤中的碎裂煤粒。
碎裂煤粒主要由基质和碎斑两部分组成。基质是由微米级（1～50μm）的煤岩微角砾组成，平均直径一般为10～15μm，**可达100μm，杂乱堆积，微角砾之间是不规则的裂隙和空隙（图版Ⅱ.2~Ⅱ.4、图版Ⅲ.2、图版Ⅲ.4、图版Ⅳ.1、图版Ⅳ.2、图版Ⅴ.3~Ⅴ.6）。基质微角砾常沿煤岩裂隙呈带状分布，其周围则为变动较弱的碎斑煤岩。值得注意的是，基质粒径在靠近碎斑边缘要比远离碎斑部位的小，这说明碎粒作用自两相邻碎斑接触处开始，由此向外扩展，应力在碎斑接触处集中，变形相对*强。这些变形特征与地壳浅部产出的长英质岩中断层岩的形变特征十分相似。分析认为，碎裂构造煤中大量的粒间隙（表面积占10％ 以上）和孔隙相互连通，有利于瓦斯逸散。
糜棱煤的超微观结构特征主要是具有韧性变形的特征，煤岩物质定向排列而出现面理构造、核幔构造、不对称眼球状构造、残余斑晶、压力影构造、石香肠构造和基质的流动构造等，但煤岩是一种凝胶体，很难辨别晶内变形现象。糜棱煤中的面理构造（纹带状构造或流劈理）是*常见的一种构造现象，由残斑和基质两部分组成。残斑是一些较硬的煤岩碎块、黄铁矿晶粒等，组成不对称的眼球状构造；残斑周缘是基质，它由粒径更细小（1μm ）的塑性流动的煤岩微粒组成，环绕残斑周缘流动，微观波状，在眼球状构造两端形成由残斑细碎粒组成的不对称的尾部，尾部收敛方向平行于面理 ，根据尾部特征，可示出剪切指向。
与碎裂煤的形成条件不同，糜棱煤是煤岩遭受剪切变形而发生固态塑性流变的结果，是在低应变速率或温度、围压较大的条件下形成的。其特点是：原生结构煤的结构构造大部分已消失，代之以新生的面理构造，面理之间不仅被紧密压实封闭，且断续不相连通，面理间隙和煤岩孔隙连通性差，不利于瓦斯排放。
四、构造煤的分子化学结构特征
构造煤的分子结构特征主要包括镜质组反射率特征、电子顺磁共振特征、X射线衍射特征、核磁共振特征和红外光谱特征等。
（一）镜质组反射率特征
镜质组反射率不仅被广泛地用作表示煤化程度的指标，也是反映煤结构的参数（Levine and Davis，1984；张亚云，1990）。与原生结构煤相比，构造煤的Romax、Romin和Romax－Romin都明显增大，说明构造煤形成过程中发生了动力变质作用（胡宝林等，1995）。
根据张玉贵等（1997）对平顶山、豫西和豫北三个典型的不同构造单元二1煤层构造煤和原生结构煤镜质组反射率测定（表1-1），构造煤的Romax比原生结构煤平均要大0.558%，Romin平均要大0.124%，Romax－Romin平均要大0.434%。说明构造煤稠环上侧链脱落，碳原子数增多，煤分子量增大，芳香环石墨层的聚合作用在*小挤压应力方向上优先形成；另外，构造应力还会使煤岩组分尤其是镜质组分各部位的光性方位产生一定的偏移，因此，构造煤中也可观察到波状消光现象（Zhang et al.，2004）。表1-1构造煤与原生结构煤镜质组反射率（据张玉贵等，1999）单位：%位置煤样类型**反射率
（二）电子顺磁共振特征
电子顺磁共振（简称EPR）现象产生于被测物质具有未成对的自由电子。电子除了有绕核的轨道运动外，还有一种自旋运动，轨道运动产生轨道角动量和轨道磁矩，自旋运动产生自旋角动量和自旋磁矩。若分子中所有轨道都被自旋方向相反的配对电子充满，则它们的自旋磁矩就完全抵消，称这种分子是逆磁性，如果分子轨道中存在未成对电子， 则称这种分子是顺磁性。顺磁共振现象就是未成对电子以一定频率绕轴自旋， 并由此产生自旋磁矩，在频率适当的电磁发射形成的外加高频磁场中，改变磁矩方向发生共振吸收，获得电子顺磁共振波谱讯号，据此按一定的公式计算，可求得样品的顺磁中心浓度值。顺磁中心浓度是衡量物质顺磁性的一个指标，单位是1018spingsg，用Ng表示。
电子顺磁共振测试结果表明，煤具有顺磁性。当烷烃碎片从煤结构分子上断裂下来， 烷烃碎片与煤分子各有一个不配对电子，即自由电子，这种不配对的化学键是煤分子尺度上的变形，可看作是煤分子尺度上的“显微断裂”，具有自由电子的碎片就是自由基，它与煤的变质程度和构造应力的破坏等有关。
1982年，苏联学者B．B．别柯别夫发现顿巴斯矿区构造煤的EPR信号强于非构造煤；1990年，袁祟孚等研究南桐煤层时发现煤的破坏程度与顺磁中心浓度有较好的正相关关系；唐修义唐修义. 1990. 地勘过程煤与瓦斯突出预测方法和指标研究.（1990）对淮南、淮北矿区构造煤和非构造煤的自由基浓度进行了测定，前者是后者的一倍多；郭德勇和韩德馨（1999）对平顶山煤层的自由基浓度进行了研究，构造煤的Ng值都高于对应同一点原生结构煤，二者变化基本是同步的（表1-2）。表1-2构造煤的顺磁共振特征和反射率测试结果（据郭德勇等，1999）矿别煤层煤体结构Romax%Ng
（三）X射线衍射特征
X射线衍射法是岩矿鉴定的重要方法，它是利用X射线透过晶体内部点阵时发生衍射来得到晶体内部结构信息。煤是一种成分、结构非常复杂且不均一、包括多种有机物、无机物的混合物。在煤的形成过程中，泥炭经历了成岩作用和变质作用，在煤中存在着类似的晶体物质，且煤变质程度越高，其晶体结构越发育。
煤主要由煤芳核组成，每一个芳核由大约5～6层单层的芳香层叠加而成，芳核的层片堆积厚度用Lc表示，层片直径分别用La和Lb表示（La =Lb）。随着煤变质程度的增高，La、Lb和Lc值有增加的趋势，而d（002）值（面网间距）有降低的趋势。可以根据测定的煤芳核及其面网间距的大小来判断煤的变质程度。由于构造煤经历动力变质作用后，煤化程度略有提高，因此，其X射线衍射特征也随构造煤发育程度的提高而提高（陈昌国等，1997；韩同春、袁崇孚，1995；钟玲文等，2004） ，主要表现为La、Lb和Lc值有增加的趋势，而d（002）值（面网间距）有降低的趋势等（表1-3）。从表中可以看出，构造煤的面网间距总是小于原生结构煤，构造煤LaLc大部分小于1，与判别式LaLc小于1为构造动力变质较为接近。表1-3构造煤与原生结构煤XRD参数对照（据蒋建平等，2001）矿名煤样类型d002
（四）构造煤红外光谱特征
红外光谱法是研究有机化合物性质和结构的一种有效的方法，很早就被运用于煤的研究（Cannon and Sutherland，1945；库哈连柯、钱秉钧，1961；Millais and Murchiso，1969；陈德玉等，1977；王骊等，1987）。20 世纪70年代，以傅里叶变换红外光谱（FT-IR）为代表的干涉型红外光谱仪的出现，以及之后电子计算机技术的发展，大大提高了红外光谱的分析能力，从而扩大了红外光谱方法的应用领域（林沝等，1991）。随着科学技术的不断发展，傅里叶变换红外光谱技术被广泛用于煤结构的研究，其中*为主要的是运用于煤显微组分的化学结构研究（刘大锰等，1998；Bustin and Guo，199
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