塔里木盆地北緣侏羅系燒變巖富水性精細(xì)探測(cè)

李明星

(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

新疆阿克蘇地區(qū)庫(kù)車(chē)縣位于塔里木盆地北緣，該地區(qū)資源豐富，其中煤炭資源預(yù)測(cè)儲(chǔ)量達(dá)千億噸。當(dāng)前已有不少煤炭企業(yè)在庫(kù)車(chē)布局，新建或改擴(kuò)建礦區(qū)，煤炭產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速。由于該地區(qū)部分區(qū)域煤層埋藏淺，火燒區(qū)分布范圍較大，存在巨厚層的燒變巖區(qū)，當(dāng)燒變巖富水時(shí)對(duì)下組煤層的安全開(kāi)采造成較大威脅。針對(duì)火燒區(qū)燒變巖富水性探測(cè)，一些學(xué)者進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1-3]利用不同物理方法針對(duì)火燒區(qū)燒變巖范圍進(jìn)行探測(cè)，這些方法僅限于探測(cè)燒變巖范圍，并不反映其富水性。文獻(xiàn)[4-6]采用磁法和地面瞬變電磁為主的物探方法對(duì)火燒區(qū)富水性進(jìn)行探測(cè)，由于方法原理及探測(cè)距離限制，這些方法對(duì)于燒變巖富水區(qū)范圍的反映不夠敏感。

鑒于針對(duì)巨厚層燒變巖富水區(qū)范圍的精細(xì)探測(cè)技術(shù)研究較少，本文基于礦井瞬變電磁探測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化異常提取方法，對(duì)燒變巖富水區(qū)下邊界進(jìn)行探測(cè)成像，以期達(dá)到精確探測(cè)燒變巖富水性的目的。

1 塔里木盆地北緣燒變巖

阿克蘇地區(qū)庫(kù)車(chē)縣位于塔里木盆地北緣，北接天山褶皺帶，屬于塔里木盆地北緣山前坳陷地帶。范圍東起庫(kù)爾楚以東，西至庫(kù)車(chē)雅滿(mǎn)蘇一帶，東西長(zhǎng)約600km，南北寬約80km。庫(kù)車(chē)山前坳陷地帶出露二疊系、三疊系及侏羅系地層，第四系地層遍布全區(qū)域。本區(qū)含煤地層為下侏羅統(tǒng)塔里奇克組，含煤地層平均總厚度達(dá)218m。

塔里木盆地北緣靠近南天山造山帶，因造山帶隆起導(dǎo)致巖層在部分地區(qū)出露，當(dāng)含煤地層裸露在空氣中時(shí)，因風(fēng)氧化作用，煤巖層會(huì)發(fā)熱并產(chǎn)生裂隙，裂隙的產(chǎn)生增大了與空氣接觸面積，加劇了氧化過(guò)程，最終在眾多因素共同作用下發(fā)生自燃現(xiàn)象。庫(kù)車(chē)礦區(qū)燒變巖分布十分廣泛，形成了獨(dú)特的地貌景觀。煤層自燃后，周?chē)貙咏?jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的加熱烘烤，巖石物理特性發(fā)生改變，其成分結(jié)構(gòu)及顏色發(fā)生變化，形成了具有特殊顏色和性質(zhì)的巖塊，即燒變巖[7]。

庫(kù)車(chē)縣侏羅系含煤地層燒變巖火燒深度最深達(dá)300m左右，燒變巖厚度可達(dá)40～50m，燒變巖分布范圍較廣，裂隙發(fā)育，是良好的導(dǎo)水通道和儲(chǔ)水空間。又由于燒變巖厚度大、埋藏深，使區(qū)內(nèi)各含水層相互聯(lián)通，故其富水性極強(qiáng)，猶如一個(gè)巨大儲(chǔ)水庫(kù)上覆在深部未火燒煤層上，嚴(yán)重威脅深部煤層安全開(kāi)采。

2 燒變巖探測(cè)方法

2.1 燒變巖地球物理特征

正常的地層一般是沒(méi)有磁性或弱磁性的，但當(dāng)煤層發(fā)生自燃時(shí)，加熱煤巖層到其居里點(diǎn)之上，燃燒后逐漸冷卻到居里點(diǎn)附近時(shí)，在地磁場(chǎng)的作用下，獲得與地磁場(chǎng)方向一致的熱剩磁，熱剩磁具有強(qiáng)度大、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。熱剩磁相對(duì)于具有較弱磁性的背景場(chǎng)而言就是磁異常，利用磁法探測(cè)設(shè)備能夠探測(cè)并圈定異常范圍。不含水的煤巖層背景場(chǎng)電阻率較高，煤層自燃并加熱圍巖的過(guò)程中，導(dǎo)致煤巖層內(nèi)孔隙及裂隙增多，接收降水補(bǔ)給或與其他含水層導(dǎo)通的情況下，易形成燒變巖富水區(qū)，這時(shí)其電阻率會(huì)明顯降低，富水區(qū)與背景場(chǎng)之間就有明顯的電性差異，這為采用瞬變電磁法進(jìn)行探測(cè)提供了物性前提。

2.2 燒變巖探測(cè)方法

根據(jù)探測(cè)的目的需求，結(jié)合燒變巖的地球物理特征，可以選擇合適的地球物理探測(cè)手段?？傮w來(lái)說(shuō)主要有磁法勘探和電磁法勘探兩大類(lèi)，需要探測(cè)火燒區(qū)燒變巖的分布范圍，可以選擇磁法勘探，如果想對(duì)燒變巖的富水性進(jìn)行探測(cè)就需要選擇電磁法勘探手段。電磁法勘探手段又可分為地面瞬變電磁法和礦井瞬變電磁法，地面瞬變電磁法發(fā)射和接收都在地面，礦井瞬變電磁法發(fā)射和接收均位于井下巷道中，后者探測(cè)更靠近異常層位，分辨率高。

3 礦井瞬變電磁法

3.1 方法原理

礦井瞬變電磁法基本原理是采用方形回線作為發(fā)射線圈，首先向回線中通一穩(wěn)恒電流，建立穩(wěn)恒一次磁場(chǎng)，在某個(gè)時(shí)間突然關(guān)斷發(fā)射電流，一次磁場(chǎng)隨之消失，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律一次磁場(chǎng)的劇變?cè)诘叵陆橘|(zhì)中激發(fā)感應(yīng)電流并產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)強(qiáng)度與介質(zhì)電性值有關(guān)，利用接收裝置接收此二次磁場(chǎng)，通過(guò)處理分析便可以得到地下介質(zhì)的電性信息[8-10]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

采集到二次場(chǎng)數(shù)據(jù)之后，可以進(jìn)一步計(jì)算視電阻率及時(shí)深轉(zhuǎn)換，楊海燕等[11](2010)推導(dǎo)了礦井瞬變電磁法中心回線全空間視電阻率計(jì)算公式為：

式中，μ為地層磁導(dǎo)率；t為觀測(cè)時(shí)間；S0為發(fā)射線圈面積；I0為供電電流；HZ(t)為二次磁場(chǎng)垂直分量。

以上計(jì)算視電阻率及時(shí)深轉(zhuǎn)換的處理方式稱(chēng)為常規(guī)數(shù)據(jù)處理[12-15]，在常規(guī)處理基礎(chǔ)上可以利用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)一步分析，提高對(duì)異常的分辯水平。過(guò)程如下：

首先求取數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差σ，其公式為：

式中，Cih為測(cè)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)等深度h的數(shù)據(jù)；n為測(cè)點(diǎn)數(shù)；Pih為等深度數(shù)據(jù)平均值。

4 塔里木北緣燒變巖探測(cè)實(shí)例

以塔里木盆地北緣，天山南麓某煤礦為例，應(yīng)用礦井瞬變電磁法對(duì)燒變巖富水性進(jìn)行探測(cè)。該礦集中回風(fēng)石門(mén)上方存在火燒區(qū)，燒變巖富水情況不明，威脅巷道的安全掘進(jìn)。根據(jù)周?chē)@孔資料反映，積水火燒區(qū)的靜水位標(biāo)高在+1785m左右，設(shè)計(jì)在回風(fēng)斜井內(nèi)從靜水位上100m到工作面位置布置1條測(cè)線，在該區(qū)段內(nèi)按10m的點(diǎn)距進(jìn)行頂板探測(cè)，通過(guò)探測(cè)的資料來(lái)了解火燒區(qū)積水邊界的響應(yīng)特征及巷道頂板賦水異常區(qū)的分布位置及范圍。另外在探查的重點(diǎn)區(qū)域，即掘進(jìn)迎頭附近進(jìn)行超前探測(cè)，對(duì)工作面前方水平方向、水平上仰30°方向及垂直方向(間隔15°)進(jìn)行扇形掃面。

探測(cè)設(shè)備為YCS2000礦用瞬變電磁儀，采用雙發(fā)射回線并聯(lián)發(fā)射方式，增大了發(fā)射磁矩，增強(qiáng)了信噪比，提高了對(duì)小規(guī)模弱異常體的探測(cè)能力。接收探頭采用100道加密測(cè)量技術(shù)，密集的采樣時(shí)間道可以更精細(xì)地記錄二次場(chǎng)響應(yīng)信號(hào)。

探測(cè)數(shù)據(jù)處理剖面圖如圖1～2所示。

圖1 探測(cè)成果常規(guī)處理剖面

圖2 標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化處理剖面

圖1和圖2中的異常有所不同，特別是在超前探測(cè)部分，常規(guī)處理剖面圖中未發(fā)現(xiàn)異常，但經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化變換后成圖發(fā)現(xiàn)1處近似垂向發(fā)育的低阻區(qū)。

頂板探測(cè)區(qū)域發(fā)現(xiàn)1處視電阻率低阻異常區(qū)。異常區(qū)范圍為沿巷道方向距離探測(cè)起點(diǎn)130～350m，頂板以上45～100m。其中在沿巷道方向150～180m、310～340m異常強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于火燒區(qū)靜水位+1785m平面以上時(shí)，視電阻率斷面圖上并沒(méi)有明顯的低阻異常，而低阻異常的上邊界位置剛好位于火燒區(qū)靜水位線附近，這一點(diǎn)與已知的資料吻合較好，分析低阻異常區(qū)為火燒區(qū)相對(duì)含水所致，推斷異常區(qū)為上覆下10煤及圍巖的火燒積水區(qū)，火燒區(qū)下邊界在距離探測(cè)起點(diǎn)350m，頂板以上50m位置附近。后經(jīng)打鉆驗(yàn)證，富水區(qū)范圍與異常范圍吻合。超前探測(cè)部分，可以看出標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化處理成果迎頭前方70～100m范圍從沿水平上仰45°方向到水平方向有一上下連通的異常，異常越往水平方向范圍越大，分析此處可能是砂巖裂隙發(fā)育含水所致，裂隙上下連通，隨高度增加裂隙范圍及含水性有所減弱，經(jīng)超前鉆探確認(rèn)，前方為構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)，裂縫帶溝通了燒變巖富水區(qū)，對(duì)巷道掘進(jìn)造成一定威脅。通過(guò)對(duì)比及打鉆驗(yàn)證，證明所采用的標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化處理方式能夠?qū)Y料進(jìn)行精細(xì)處理，處理所得異常與實(shí)際更加相符。資料解釋成果為礦方提供了防治水靶區(qū)，為防治水工作的順利開(kāi)展提供了重要參考資料。

5 結(jié) 論

利用礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù)可以對(duì)塔里木盆地北緣侏羅系燒變巖富水性進(jìn)行探測(cè)，基于標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)處理手段對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示，通過(guò)探測(cè)實(shí)例，證明該方法不僅能夠有效探測(cè)并圈定火燒區(qū)燒變巖富水性范圍，而且能對(duì)威脅巷道掘進(jìn)的裂縫帶進(jìn)行探測(cè)，為礦方提供異常區(qū)范圍，保證了生產(chǎn)安全。