磁法和瞬變電磁法探測(cè)煤礦充水火燒區(qū)

張剛艷

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

煤層自燃產(chǎn)生的火燒區(qū)一般最先發(fā)生在煤層露頭部位，然后向下向周圍擴(kuò)展。由于煤層燃燒產(chǎn)生的熱使周圍巖層發(fā)生燒變，這樣巖層中就會(huì)產(chǎn)生大量的孔隙，為地下水提供了賦存空間。如果在其周邊進(jìn)行開采，就有可能與該空間導(dǎo)通，形成導(dǎo)水通道，對(duì)煤礦生產(chǎn)安全造成一定威脅。因此，需要通過物探手段探測(cè)火燒區(qū)邊界，并查明其富水狀況。

1 火燒區(qū)探測(cè)的地球物理前提

正常沉積的巖石一般是沒有磁性的，個(gè)別有微弱磁性。當(dāng)煤層發(fā)生燃燒形成燒變巖，在降溫過程中會(huì)產(chǎn)生熱剩磁，這種熱剩磁異?？梢栽诘孛嫱ㄟ^儀器觀測(cè)到。煤層燃燒后形成的孔隙內(nèi)正常情況下呈現(xiàn)高電阻率反映，但當(dāng)孔隙內(nèi)充滿水或部分充水，電阻率就會(huì)下降，這些為采用磁法和瞬變電磁法進(jìn)行火燒區(qū)探測(cè)提供了良好的地球物理前提。

2 方法原理和工作布置

2.1 磁法工作原理

巖石磁性的大小由磁化率、感應(yīng)磁化強(qiáng)度和剩余磁化強(qiáng)度來表示，其中磁化率是衡量巖石磁性的重要參數(shù)之一。對(duì)于同一巖石，溫度對(duì)其磁性的影響比地磁場(chǎng)變化影響還要大。煤層在燃燒過程中的不同階段有不同的特征。在煤層開始燃燒，圍巖受到高溫?zé)緶囟戎饾u上升，在特定的溫度段，由于高溫和地磁場(chǎng)的作用，鐵質(zhì)礦物經(jīng)氧化還原及“弱場(chǎng)冷卻”的物理化學(xué)變化，產(chǎn)生了較強(qiáng)的“熱剩磁”，通常在500℃左右，磁性開始升高，在達(dá)到700℃左右時(shí)圍巖磁性消失;在煤層燃燒結(jié)束后，溫度大于500℃的圍巖溫度降低，巖石磁性較原巖升高上百倍，相應(yīng)的巖層形成了具有較強(qiáng)磁性的燒變巖，使燒變巖與圍巖產(chǎn)生明顯的磁性差異，可見死火區(qū)的巖石磁性要大于正在燃燒的火區(qū)磁性。因此，通過磁參數(shù)測(cè)量可以有效圈出煤層火區(qū)燒變巖的范圍。

2.2 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法的物理基礎(chǔ)為電磁感應(yīng)原理，即導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵(lì)磁場(chǎng)的激發(fā)下產(chǎn)生渦流場(chǎng)的問題。它是以不接地回線通以脈沖電流作為場(chǎng)源，以激勵(lì)探測(cè)目的物感應(yīng)二次電流，在脈沖間隙測(cè)量二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應(yīng)。二次場(chǎng)從產(chǎn)生到結(jié)束的時(shí)間是短暫的，即是“瞬變的”，它屬于時(shí)間域電磁法。

2.3 工作布置

山西某礦火燒區(qū)的研究區(qū)域?yàn)闁|西長(zhǎng)約600m，南北寬約400m。磁法和瞬變電磁法的工作布置重合，都是按照線距40m，點(diǎn)距20m的網(wǎng)度進(jìn)行。

3 資料分析

3.1 磁法資料分析

3.1.1 單支曲線分析

圖1為磁法5線的曲線圖，從圖中可以看出，在剖面20～160m范圍內(nèi)的磁異常值相對(duì)較大，推斷為火燒區(qū)異常。

圖1 磁法5線曲線

3.1.2 平面分析

圖2為磁法推斷火燒區(qū)異常成果圖，圖中的小圓為布置的磁法測(cè)點(diǎn)，等值線為磁感應(yīng)強(qiáng)度值，粗黑色虛線圈定的部分為推斷的火燒異常區(qū)。從圖中可以看出，本測(cè)區(qū)的火燒區(qū)主要分布在測(cè)區(qū)的中部，由物探測(cè)線的4～8線控制，發(fā)育方向總體上為東西向，且東西均延出測(cè)區(qū)。同時(shí)，在9，10，11線控制的測(cè)區(qū)東北角也有異常反映，推斷該異常在測(cè)區(qū)東北角也延出測(cè)區(qū)。該火燒異常區(qū)發(fā)育規(guī)模較大。

圖2 磁法推斷火燒異常區(qū)

3.2 瞬變電磁法資料分析

3.2.1 剖面圖分析

圖3為4線的視電阻率等值線斷面圖中的一段，斷面圖反映了標(biāo)高1150～1340m之間地層電性的分布情況。圖中近水平虛線為煤層，黑色的粗虛線橢圓為推斷的火燒區(qū)積水異常。從橫向上看，測(cè)線方向20～140m處有明顯的低電阻率異常，推測(cè)為火燒區(qū)積水異常。

圖3 瞬變電磁法4線視電阻率等值線斷面

3.2.2 平面圖分析

圖4為瞬變電磁法推斷火燒積水區(qū)異常成果圖，圖中的等值線為視電阻率等值線，粗黑色虛線圈定的陰影部分為推斷的火燒富水異常區(qū)。從圖中可以看出，本測(cè)區(qū)的火燒富水異常區(qū)主要分布在測(cè)區(qū)的中部，由瞬變電磁法測(cè)線的3～8線控制，發(fā)育方向總體上為東西向，4～8線的20～200號(hào)點(diǎn)范圍以及7～8線的500～580號(hào)點(diǎn)范圍為該異常區(qū)的主要富水異常區(qū)。

圖4 瞬變電磁法推斷火燒充水區(qū)

3.3 驗(yàn)證情況分析

綜合磁法和瞬變電磁法資料分析后，建議分別在7線420號(hào)點(diǎn)、7線540號(hào)點(diǎn)、8線100號(hào)點(diǎn)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，結(jié)果3個(gè)鉆孔均打到了火燒區(qū)，且7線540號(hào)點(diǎn)、8線100號(hào)點(diǎn)揭露的火燒區(qū)均充水，驗(yàn)證了物探推斷解釋結(jié)果準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

利用煤層自燃產(chǎn)生熱剩磁，在地表引起磁異常的物性條件，采用磁法圈定火燒區(qū)邊界;利用火燒區(qū)充水后，電阻率急劇下降的物性條件，采用瞬變電磁法進(jìn)行火燒區(qū)充水性探測(cè)。兩種方法互為補(bǔ)充，綜合探測(cè)，不失為一種充水火燒區(qū)探測(cè)的理想手段。

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