多煤層疊加火燒區(qū)邊界解釋技術(shù)應(yīng)用

沈福斌，王施智，萬兆昌

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

在陜北侏羅紀(jì)煤田中，絕大部分煤礦沿溝谷和一些近地表煤層都有自燃現(xiàn)象，且多煤層重疊自燃的現(xiàn)象普遍存在。因此，有效地解決煤田自燃問題，關(guān)系到我國的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展問題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。最早由陜西省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)將磁法勘探應(yīng)用在陜北侏羅紀(jì)煤田神木北部礦區(qū)普查項(xiàng)目煤層自燃邊界的圈定中，取得了明顯的效果，并先后應(yīng)用到紅柳林井田、張家峁井田、檸條塔井田、海灣井田、活雞兔井田(火區(qū))的精查勘探中。但由于現(xiàn)場狀況及各種方法本身的限制，使得多煤層疊加火燒區(qū)邊界的圈定存在一定的誤差[4-6]。

1 燒變巖磁性特征

因煤層的頂、底板巖石中含有大量的黃鐵礦(FeS2)和菱鐵礦(FeCO3)結(jié)核或薄膜。當(dāng)煤層自燃時其頂?shù)讎鷰r受高溫烘烤，巖石中的鐵質(zhì)礦物在高溫條件下，隨著燒變巖的形成大部分轉(zhuǎn)變成鐵磁性礦物(Fe3O4)。巖石中的鐵磁性物質(zhì)在地磁場中從高溫(居里點(diǎn))冷卻時將獲得很強(qiáng)的磁性，這種磁稱為熱剩磁。巖石在地磁場作用下從高溫至居里點(diǎn)降到常溫的過程稱為弱場冷卻，燒變巖中強(qiáng)磁性體的形成，就是在弱場冷卻的過程中實(shí)現(xiàn)的，它的磁化方向與地磁場方向相同。一般來說，巖石、煤層中鐵質(zhì)礦物越多、自燃溫度越高，形成的燒變巖磁性就越強(qiáng)[7-9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)陜北煤田中未燒變各類巖石磁性微弱，剩磁強(qiáng)度(Jr)常見值一般在90×10-3A/M單位以下，磁化率(K)常見值一般在144π×10-6SI單位以下。燒變巖磁性一般較強(qiáng)，以剩磁為主。燒變巖磁性不均勻，剩磁強(qiáng)度和方向變化大，最小變化范圍幾百至幾萬×10-3A/M單位，常見值一般變化范圍在(75～7 500)×10-3A/M單位。磁化率變化范圍約在(0～10 000)×10-6SI單位，常見值一般變化范圍在(20～3 500)×10-6SI單位。

影響燒變巖磁性的因素，主要是煤層頂、底板及夾矸中鐵質(zhì)礦物的成分、數(shù)量和煤層自燃時的溫度，還與礦物的結(jié)構(gòu)、顆粒大小、形狀、分布的均勻程度等有關(guān)[10-12]。鐵質(zhì)礦物的大小、結(jié)構(gòu)及分布越不均勻，燒變巖的磁性也就越不穩(wěn)定。多煤層疊加燒變巖磁異常曲線幅值較大，異常形態(tài)呈波狀(鋸齒狀)變化，起始異常曲線幅值相對較小，幅值的絕對值不到100 nT，緊接著異常曲線斜率突然變大，出現(xiàn)高峰異常，一般情況下，燒變巖的埋深不同，其峰值亦存在差異，即埋深淺峰值大，反之，峰值小。

2 多煤層疊加火燒區(qū)理論模型

陜北侏羅紀(jì)煤田地層平緩，主要可采煤組為1#～5#，每組煤厚在2～10 m，層間距一般為20～40 m。各組煤層均有自燃現(xiàn)象，主要在煤層頂板位置形成10～40 m厚的燒變巖，呈水平板狀或半無限臺階狀磁性體。各井田中2層煤層重疊自燃的情況最為普遍，且大部分是上層煤厚，形成的燒變巖磁性比下層煤燒變巖強(qiáng)。部分地段上層煤較薄或因燒變巖受剝蝕，則上層燒變巖磁性相對較弱。陜北煤田中也有3層煤層重疊自燃的現(xiàn)象，但較為少見。根據(jù)燒變巖磁性體空間組合關(guān)系及其相對強(qiáng)弱變化的情況，可將陜北煤田多煤層重疊自燃的地質(zhì)模型類型，即多層燒變巖磁性體疊加組合的模型類型歸納為7類,如圖1所示。其中，2層煤自燃，其延伸的距離大致相同，即自燃形成的2層燒變巖長度大致相等；2層煤自燃，上層燒變巖厚、磁性強(qiáng)，且煤層自燃延伸的距離較長，此種類型最為普遍；2層煤自燃，上層燒變巖較薄，磁性較弱，但煤層自燃延伸的距離較下層要長，此種類型也較常見；2層煤自燃，上層煤自燃延伸的距離較下層短；3層煤自燃，煤層越淺，其自燃延伸的距離越短；3層煤自燃，中間煤層的自燃延伸距離最短；3層煤自燃，煤層越淺，其自燃延伸的距離越長，此種類型較為普遍。

圖1 燒變巖磁性體重疊類型

3 多煤層疊加火燒區(qū)馬奎特反演法

3.1 基本原理及分類

3.1.1 基本原理

磁異常解釋中常規(guī)的選擇法是將實(shí)測異常與假定的已知模型體產(chǎn)生的理論異常進(jìn)行比較，選擇符合程度最好的模型體作為解釋結(jié)果。其優(yōu)點(diǎn)是充分利用了全部實(shí)測異常值，而不僅限于利用個別特征點(diǎn)上的異常值，這樣對實(shí)測異常剖面的背景長度不嚴(yán)格。對選擇的地質(zhì)模型各參數(shù)(如模型位置、體積大小、磁化強(qiáng)度及方向等)給定初值，快速計(jì)算理論異常，并與實(shí)測異常對比，用兩者的偏差平方和來衡量擬合精度。如精度未達(dá)到預(yù)先規(guī)定的值，則修改地質(zhì)體參數(shù)，重新計(jì)算擬合。如此反復(fù)直至精度達(dá)到要求為止，此時模型體的各參量即為解釋結(jié)果。

3.1.2 馬奎特法磁參數(shù)反演方法分類

組合棱柱馬奎特法反演：根據(jù)初步定性分析解釋將n個組合棱柱體放置到最佳位置，并給定初值后代入模型體參量和觀測點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)式(1)中，求地表m個測點(diǎn)上產(chǎn)生的磁場，進(jìn)行迭代反演。其原理是給定地下n個模型的初值，迭代求解每個模型的位置、大小、磁化強(qiáng)度和磁化方向。根據(jù)最終求出符合精度要求的各模型參數(shù)大小，判定地下磁性體賦存位置。

模型體參量和觀測點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)

T=f(x，y，z；b1，b2，…，bn)

(1)

式中，T為地質(zhì)體模型的理論異常；x，y，z為觀測點(diǎn)坐標(biāo)；b1，b2，…，bn，bn為模型體產(chǎn)狀和物性等參數(shù)，其個數(shù)為n。

剖分單元馬奎特法反演：將下半空間可能有磁性體的域內(nèi)，用剖分單元法將域劃分為有限多個規(guī)則體單元，當(dāng)坐標(biāo)選定，體積劃分后，給定磁化強(qiáng)度和方向初值，則地下有限個單元在地表m個測點(diǎn)上產(chǎn)生的磁場即可代入式(1)求得。將結(jié)果代入式(2)即變?yōu)榍笤隽喀?的馬奎特法反演磁化強(qiáng)度和磁化方向。其原理就是固定地下n個體積單元的大小和位置，迭代求解每個體積單元的磁參數(shù)，根據(jù)最終求得符合精度要求的磁參數(shù)大小，判定地下磁性體賦存位置和磁性強(qiáng)弱及磁化方向。地下剖分單元可以是任意三度體或二度體(主要取決于(1)式)，根據(jù)陜北磁性體特點(diǎn)，目前選用二度棱柱體進(jìn)行反演。

馬奎特法校正值計(jì)算方式

δ0=(A+λ·I)/g0(λ>0)

(2)

式中，δ0為校正向量；A為矩陣；λ為用來控制修改量大小的任意正數(shù)；I為單位矩陣；g0為列向量。

3.2 磁性體模型反演與分析

3.2.1 反演結(jié)果

針對上述多煤層重疊自燃的7種類型，設(shè)計(jì)了各種疊加磁性體模型，現(xiàn)采用馬奎特組合棱柱反演進(jìn)行分析。假設(shè)模型均為二度棱柱體，2層剖面長為300 m、3層為400 m，點(diǎn)距10 m，迭代次數(shù)為40，磁化強(qiáng)度及方向的單位分別為10-3A/m、度，模型量距單位均為m，擬合均方誤差單位為nT，如圖2所示。

圖2 磁性體模型反演結(jié)果

3.2.2 反演結(jié)果

第1類疊加磁性體模型：上下兩層形態(tài)、大小基本一致，近似為一層，曲線擬合均方誤差為±0.03 nT，模型厚度相對誤差為2.8%，反演效果好。

第2類疊加磁性體模型：上層比下層寬、磁性比下層強(qiáng)，剩磁強(qiáng)度的比值為4/3，擬合均方差分別為±0.02 nT，最大相對誤差為剩磁強(qiáng)度誤差(1.5%)，下層最大相對誤差為寬度誤差(26.2%)，兩層磁性體擬合的中心位置一致。

第3類疊加磁性體模型：上層寬下層窄，上層比下層磁性弱，擬合均方誤差±0.09 nT，上層最大相對誤差為厚度誤差(7%)，下層最大相對誤差為厚度誤差(6.1%)。可見上層和下層磁性體擬合位置較好，但體積和磁化強(qiáng)度有一定的等效關(guān)系，體積大磁化強(qiáng)度則小，反之亦然。

第4類疊加磁性體模型：上層窄，下層寬，擬合均方誤差±0.04 nT，上層厚度誤差2.7%，下層厚度誤差18.7%，寬度誤差2.7%。兩層磁性體擬合中心位置一致，磁化方向一致。

第5類疊加磁性體模型：上層1塊，中層2塊，下面4塊，反演擬合均方誤差為±0.0 4nT，上層埋深相對誤差4.3%，中層寬度相對誤差6.7%，厚度相對誤差16.7%，下層寬度相對誤差2.6%。由擬合結(jié)果分析，中層磁性體擬合誤差大，但完全可滿足實(shí)際解釋精度。

第6類疊加磁性體模型：上層4塊，中層2塊，下層4塊，擬合均方誤差±0.06 nT，上層擬合厚度誤差7%，中層寬度誤差6.2%，下層寬度誤差2.5%。

第7類疊加磁性體模型：上層4塊，中層2塊，下層1塊，擬合均方誤差為±0.1 nT，上層厚度誤差7%，中層埋深誤差2.6%，下層寬度誤差2.7%，磁化方向絕對誤差6.2°。

從上述7類磁性體模型反演擬合結(jié)果可以看出，誤差較小、反演擬合較好。但在實(shí)際工作中，由于上層燃燒較充分，磁性體較強(qiáng)，對下層磁性體有屏蔽作用，因此解釋下層磁性體的位置時，應(yīng)輔助其它已知地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，解釋精度會更高。

4 綜合應(yīng)用及成果修正

4.1 綜合應(yīng)用

該剖面橫穿N357、N587、N591及N594號鉆孔，據(jù)N357、N587及N591鉆孔揭露，2-2號煤層厚度分別為4.73 m、4.5 m及5.1 m，其頂板均為燒變巖，N594鉆孔揭露，2-2號煤層厚度為9.19 m，其頂板未發(fā)現(xiàn)燒變巖。另據(jù)N357鉆孔揭露，3-1號煤層已經(jīng)全部燃燒。由已知資料，測區(qū)大部分地段2-2號煤燒變巖較厚，磁性強(qiáng)且不均勻，3-1號煤燒變巖磁性相對較弱，屬于多煤層疊加自燃的第2種類型。實(shí)測磁異常曲線呈大幅度的負(fù)值異常，幅值最大可達(dá)-150 nT。根據(jù)實(shí)測曲線形態(tài)和反演結(jié)果，如圖3所示，2-2號煤層火燒邊界位于20號點(diǎn)附近，3-1號煤層火燒邊界位于13號點(diǎn)附近。反演解釋的煤層自燃邊界位置與已知鉆孔揭露一致。

圖3 實(shí)測磁異常曲線反演解釋成果

4.2 成果修正

4-2號煤層自燃邊界修正成果如圖4所示。由圖4可知，實(shí)測磁異常梯度變化較緩，幅值較小，但是曲線類型基本一致。相鄰曲線對比有一定規(guī)律，便于資料解釋，加之有實(shí)測磁測剖面、8-3、ZK1、ZK2號鉆孔及巷道揭露資料控制，故解釋成果較可靠。

圖4 煤層自燃邊界修正成果

5 結(jié)論

(1)通過在陜北煤田的試驗(yàn)工作，結(jié)合收集以往的物探資料，修正了以往煤層火燒邊界成果，結(jié)果表明在進(jìn)行多煤層疊加自燃邊界的解釋方法研究上取得了較好的效果。

(2)馬奎特反演法對多煤層重疊自燃的7類模型磁異常曲線均能適用，解釋成果與實(shí)際揭露吻合；采用馬奎特反演法在對以往物探解釋成果進(jìn)行修正時效果明顯，避免了幾十萬噸煤炭資源的損失；馬奎特反演法在進(jìn)行資料解釋時，受地形影響較小，且無論是單煤層自燃區(qū)還是多層煤重疊自燃均有很好的效果。

(3)在進(jìn)行下層煤自燃邊界解釋時，應(yīng)結(jié)合各煤層的埋深，各燒變巖的厚度和剩磁強(qiáng)度、方向等情況，解釋精度會更高。