急傾斜煤層隱伏火區(qū)和采空區(qū)探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

文/薛友興

山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)汾西正暉昌元煤礦井田內(nèi)煤層傾角56°～73°，屬急傾斜煤層。地表淺部的殘煤及采空區(qū)深部的煤層因自燃造成地表分布有許多明火點(diǎn)，地下暗火點(diǎn)不計(jì)其數(shù)?；饏^(qū)采空區(qū)多達(dá)三到四層，縱橫交錯(cuò)，上下貫通，出現(xiàn)大面積的塌陷。為了查明昌元煤礦露頭火區(qū)的分布情況，山西汾西正暉煤業(yè)有限責(zé)任公司組織有關(guān)地質(zhì)勘察單位采用高精度磁法勘探技術(shù)，對(duì)昌元煤礦露頭火區(qū)和塌陷區(qū)進(jìn)行了綜合勘探，查清隱伏火區(qū)和采空區(qū)空間分布情況，消除了潛在隱患，確保礦井實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

一、隱伏火區(qū)的高精度磁法勘探技術(shù)

1.高精度磁法探查火區(qū)的依據(jù)

采用高精度磁力觀測(cè)方法，有助于研究火區(qū)的小區(qū)域、弱異常變化，探測(cè)不規(guī)則異常源。煤系地層受到剝蝕，煤層出露受到干熱氧化作用，煤層燃燒后，頂?shù)装鍑鷰r中的礦石等成分受高溫作用后產(chǎn)生磁性物質(zhì)，形成具有磁性的燒變巖體。目前，在火區(qū)磁場(chǎng)觀測(cè)中，主要有剖面測(cè)量和面積測(cè)量?jī)煞N。由于磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器的性能提高，可同時(shí)連續(xù)獲得有關(guān)磁場(chǎng)總場(chǎng)、垂直梯度場(chǎng)、測(cè)量位置和時(shí)間、校正系數(shù)等參數(shù)。為此，結(jié)合火區(qū)地形特點(diǎn)，可采用任意連續(xù)規(guī)則剖面和非連續(xù)不規(guī)則高密度測(cè)量方法研究煤露頭火區(qū)邊界、深度和燃燒分帶等特征，采用規(guī)則測(cè)網(wǎng)與不規(guī)則測(cè)網(wǎng)的磁場(chǎng)面積測(cè)量方法圈定火區(qū)范圍。

2.高精度磁法勘查技術(shù)方法

（1）測(cè)網(wǎng)布置

煤田火災(zāi)滅火規(guī)范（試行）第十六條規(guī)定：“采用物探法勘察火區(qū)時(shí)，應(yīng)遵守下列規(guī)定：火區(qū)初勘階段，線距100～200m，點(diǎn)距10m,急傾斜煤層點(diǎn)距5m，緩傾斜煤層點(diǎn)距10m”。本次磁測(cè)工作，由明火點(diǎn)和燒變巖（高磁異常）開(kāi)始沿露頭向兩邊，確定高異常范圍，由明火點(diǎn)和燒變巖高磁異常開(kāi)始沿傾斜方向，測(cè)出高異常寬度，再計(jì)算出火區(qū)深度。由于5號(hào)煤露頭起伏較大，本次工作測(cè)網(wǎng)密度為50×5m，即線距50m，點(diǎn)距5m。露頭線方向按50m的間距，傾斜方向按5m的間距，測(cè)出高異常范圍。

（2）施測(cè)方法

出野外前先把設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)輸入GPS手簿中，采用全球定位系統(tǒng)(GPS)實(shí)時(shí)差分技術(shù)（RTK）放樣功能，施放測(cè)點(diǎn)于實(shí)地，并記錄點(diǎn)坐標(biāo)。實(shí)地點(diǎn)位放置彩條，并每隔50m用木樁進(jìn)行標(biāo)注。

（3）磁測(cè)儀器及測(cè)量要求

為保證儀器的精度，對(duì)磁法儀器的噪聲水平、觀測(cè)精度、一致性、系統(tǒng)誤差等進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)磁場(chǎng)區(qū)域的強(qiáng)弱、噪音條件，或高梯度地區(qū)調(diào)節(jié)分辨率。以傳感器的剩余磁性的強(qiáng)度和振蕩器的精度決定精確度。以室溫和溫度動(dòng)態(tài)的變化范圍決定時(shí)鐘的使用時(shí)長(zhǎng)。用手動(dòng)調(diào)節(jié)改變傳感電纜長(zhǎng)度和補(bǔ)償高梯度漂移。啟動(dòng)內(nèi)置開(kāi)關(guān)自周期，實(shí)現(xiàn)定時(shí)測(cè)量，自動(dòng)存儲(chǔ)。

（4）基點(diǎn)選擇

外業(yè)施工前，在測(cè)區(qū)外圍的西南側(cè)選擇一條長(zhǎng)210m的測(cè)線，進(jìn)行5m點(diǎn)距磁測(cè)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，基點(diǎn)選在剖面的23號(hào)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 昌元煤礦磁法物探的基點(diǎn)選擇剖面示意圖

3.高精度磁法探查結(jié)果

共布置磁法掃面41條，測(cè)點(diǎn)820個(gè)，檢查點(diǎn)42個(gè)，精測(cè)剖面3條，測(cè)點(diǎn)63個(gè)。經(jīng)過(guò)檢查，掃面平面定點(diǎn)、精測(cè)平面定點(diǎn)、高程測(cè)量均符合磁法物探規(guī)范，磁測(cè)工作精度達(dá)到了規(guī)范要求的小于5nT的精度標(biāo)準(zhǔn)。本次工作共發(fā)現(xiàn)3個(gè)磁異常區(qū)，根據(jù)異常的規(guī)模和解釋，各異常的編號(hào)為1號(hào)異常區(qū)、2號(hào)異常區(qū)、3號(hào)異常區(qū)。

根據(jù)火區(qū)平均寬度(L)，煤層平均傾角(θ≈67°)，利用公式H=L·tanθ，可估算火區(qū)最大燃燒深度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，1號(hào)火區(qū)異常寬度分別為長(zhǎng)470.95m，寬57.73m，火區(qū)深度為100m。2號(hào)火區(qū)異常寬度分別為長(zhǎng)317.49m，寬47.92m，火區(qū)深度為83m。3號(hào)火區(qū)異常寬度分別為長(zhǎng)587.11m，寬50.22m，火區(qū)深度為87m。

4.磁法物探結(jié)果的鉆探測(cè)溫驗(yàn)證

為驗(yàn)證磁測(cè)圈定的隱伏火區(qū)，在昌元煤礦露頭火區(qū)布置了4個(gè)鉆孔，其中1號(hào)孔布置在無(wú)火異常區(qū)（0號(hào)孔），孔深107m。在圈定的3個(gè)火區(qū)高異常區(qū)的邊緣，布置了3個(gè)鉆孔，分別為1號(hào)孔、2號(hào)孔和3號(hào)孔，孔深分別為112m、98m、99m。4個(gè)鉆孔累計(jì)孔深416m，測(cè)溫404m。經(jīng)過(guò)鉆探測(cè)溫驗(yàn)證，磁測(cè)圈定異常區(qū)均為火區(qū)，通過(guò)磁測(cè)剖面高異常寬度計(jì)算的火區(qū)深度與鉆探測(cè)溫高溫區(qū)相近。

二、 隱伏采空區(qū)的瞬變電磁勘探法技術(shù)

昌元煤礦煤層露頭處埋藏淺，煤層厚，由于歷史上小煤窯私挖亂采現(xiàn)象普遍，不僅沿5號(hào)煤層露頭形成了很多塌陷區(qū)，地下也形成了分布散亂的采空區(qū)。采空區(qū)不僅造成地表環(huán)境的破壞，也誘發(fā)了深部煤層燃燒，地表生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，給礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。為查明煤層露頭一帶的隱伏采空區(qū)，山西汾西正暉煤業(yè)有限責(zé)任公司重點(diǎn)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了瞬變電磁物探。

1.瞬變電磁物探原理及依據(jù)

瞬變電磁勘探屬于純二次場(chǎng)觀測(cè)，故與其他電性勘探方法相比，具有體積效應(yīng)小，縱橫向分辨率高，對(duì)低阻反映靈敏等特點(diǎn)，已成為煤礦常用的電法物探方法，廣泛應(yīng)用于采煤工作面煤層頂板或底板富水異常區(qū)、采空積水區(qū)等的探測(cè)。瞬變電磁法的激勵(lì)場(chǎng)源主要有兩種，一種是回線形式(或載流線圈)的磁源，另一種是接地電極形式的電流源。

2.物探方法

本次勘探工作使用的瞬變電磁儀選擇重疊回線觀測(cè)裝置進(jìn)行探查。根據(jù)勘探區(qū)地形地貌、地質(zhì)條件及采空區(qū)深度等，發(fā)射框邊長(zhǎng)采用50m×40m。為確定物探儀器的最佳工作參數(shù)，先行進(jìn)行了物探試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)位于物探區(qū)一處地形較平坦、無(wú)強(qiáng)干擾源的地段，分別選擇了不同時(shí)基、不同延時(shí)道、不同疊加次數(shù)、不同增益的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，最終確定了最佳工作參數(shù)。其中，發(fā)射框50m×40m，線距50m，點(diǎn)距20m，時(shí)基為20ms，延時(shí)道為L(zhǎng)OG20，疊加次數(shù)為128，增益為10倍。

為保證野外數(shù)據(jù)質(zhì)量，在生產(chǎn)中采取了一系列的技術(shù)保證措施。包括：采用GPS放點(diǎn)布設(shè)發(fā)射線框，多余電纜成S形鋪開(kāi)。供電導(dǎo)線對(duì)地絕緣電阻大于2MΩ、內(nèi)阻小于4Ω/km。專人操作儀器，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的安全。瞬變電磁接收裝置避免放在強(qiáng)磁場(chǎng)及金屬干擾物等強(qiáng)干擾源附近，減少了人為電磁干擾。在村莊、高壓線附近存在電磁干擾時(shí)，采取增加觀測(cè)次數(shù)等措施，并做了現(xiàn)場(chǎng)情況記錄。對(duì)儀器工作狀況以及測(cè)點(diǎn)周圍地形、地物、電纜線和其他可能影響到資料解釋的因素進(jìn)行了詳細(xì)記錄。按規(guī)程要求進(jìn)行質(zhì)量檢查。每天野外采集結(jié)束后，及時(shí)將物探數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢查，如數(shù)據(jù)不合格，次日重測(cè)。

圖2 瞬變電磁物探資料解釋流程框圖

3.物探數(shù)據(jù)處理方式

瞬變電磁法觀測(cè)數(shù)據(jù)是各測(cè)點(diǎn)斷電后二次磁場(chǎng)垂直分量的時(shí)間變化率和延遲時(shí)間，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，才能對(duì)資料進(jìn)行下一步解釋，瞬變電磁數(shù)據(jù)的處理步驟如下：

（1）濾波。為了減少噪聲對(duì)勘查精確度的影響，首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，采用人機(jī)連作的方式對(duì)電磁噪聲進(jìn)行處理。

（2）關(guān)斷時(shí)間校正。在實(shí)際勘探工作中由于發(fā)射框與大地間存在電容和線框波形狀態(tài)，形成與理論發(fā)射波形的細(xì)微差別，有一定后沿時(shí)間的關(guān)斷波形，所以要校正到理想波形狀態(tài)。

（3）處理。根據(jù)視電阻率的計(jì)算數(shù)值，對(duì)野外采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除因測(cè)點(diǎn)不同形成的誤差。

（4）時(shí)深轉(zhuǎn)換。為了準(zhǔn)確地對(duì)資料進(jìn)行分析，把瞬變電磁儀器野外觀測(cè)到的數(shù)據(jù)變換成電阻率隨深度的變化。

（5）反演。多次反復(fù)演示野外采集數(shù)據(jù)，得出地面的電性特征，結(jié)合實(shí)際分析地質(zhì)資料和測(cè)井資料情況。

（6）繪制參數(shù)圖件。從采集的數(shù)據(jù)中選出每條測(cè)線的數(shù)據(jù)，繪制各測(cè)線視電阻率斷面圖，即沿每條測(cè)線電性隨深度的變化情況。數(shù)據(jù)處理和解釋程序如圖2所示。

經(jīng)過(guò)最終解釋，在2號(hào)治理區(qū)的達(dá)子營(yíng)—戈家窯物探段共圈定出9處采空異常區(qū)和4處高溫異常區(qū)，在獅子溝-石壩物探段共圈定出11處采空異常區(qū)和2處高溫異常區(qū)，經(jīng)過(guò)治理過(guò)程中的開(kāi)挖證實(shí)，物探所圈定的采空區(qū)和火區(qū)空間位置基本正確。

三、實(shí)施技術(shù)勘探的效果及結(jié)論

昌元煤礦通過(guò)應(yīng)用磁測(cè)探測(cè)技術(shù)，確定了該煤田內(nèi)2、3、5號(hào)煤層火燒區(qū)的自燃邊界, 基本劃定了未燃燒邊界和完全燃燒邊界線，并根據(jù)鉆孔對(duì)邊界進(jìn)行驗(yàn)證結(jié)果，與解釋結(jié)果一致，說(shuō)明此次磁測(cè)工作及解釋成果可靠，可作為劃分煤田自燃邊界的依據(jù)。瞬變電磁的物探結(jié)果與實(shí)際施工開(kāi)挖中的情況一致，并驗(yàn)證了物探的火區(qū)和采空區(qū)位置及相應(yīng)的深度，對(duì)工程施工治理具有指導(dǎo)作用。實(shí)踐證明，綜合利用物探技術(shù)探測(cè)方法確定煤田火區(qū)邊界是一種簡(jiǎn)單、方便、有效的方法，對(duì)山西省乃至國(guó)內(nèi)同類煤礦火區(qū)和采空區(qū)探測(cè)圈定具有重要的借鑒意義和示范作用。

綜上所述，高精度磁法勘查技術(shù)和瞬變電磁勘探技術(shù)可精確探測(cè)煤層厚度、煤層分布及埋藏、地質(zhì)構(gòu)造等情況，利用物探結(jié)果為礦井合理布置工作面、優(yōu)化礦井設(shè)計(jì)、減少工程浪費(fèi)量，提高資源回采率，保障安全生產(chǎn)提供重要的地質(zhì)保證。