高溫烘烤對納林廟巖石磁性的影響實驗研究

張辛亥，竇 凱，李經(jīng)文，程望收，李勛廣，朱 輝，趙 斌，陳 飛，楊少雄

（1.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司 凱達(dá)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

中國是煤炭資源富饒的國家，也是世界上煤火災(zāi)害最嚴(yán)重的國家[1-2]。在從帕米爾高原到大興安嶺西坡的煤火燃燒帶上，多個地區(qū)都可以看到正在燃燒的煤田和礦區(qū)[3]。地下煤層著火后，通常沿著煤層蔓延，其燃燒面積大，持續(xù)時間長[4]。煤火防治迫在眉睫，而火源位置的探測是煤火治理的前提，火源探測方法主要有：磁法探測[5-6]、遙感法[7]、測氡法[8-10]、測溫法[11-12]。煤層頂?shù)装宓膸r石磁性較弱，但當(dāng)其經(jīng)過高溫烘烤后，其內(nèi)部出現(xiàn)復(fù)雜變化，磁化率有所增大，即使烘烤過后其溫度再降至常溫，其磁化率大小依然相比未被烘烤時有大的增加，呈現(xiàn)出磁異常。國內(nèi)外的學(xué)者對火區(qū)巖石磁異常（畸形變化）在火區(qū)圈定中的應(yīng)用展開了一系列研究，試圖通過分析其與煤火狀態(tài)的某種對應(yīng)關(guān)系，來獲得地下火區(qū)的分布特征。

Taku等[13]在美國通過對磁異常數(shù)據(jù)的分析處技術(shù)理，成功確定了火區(qū)的位置與范圍，獲取的結(jié)果與測溫法得到的結(jié)果相互印證。王文正[14]模擬了5層梯度燒變地質(zhì)模型，分析了頂板巖性對地磁異常的影響，不同巖性燒變存在著明顯的磁異常差異，且隨著溫度升高磁異常更強(qiáng)。LIU等[15]通過分析陜北某礦區(qū)煤層自燃過程，并對磁法的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和研究，采用異常特征點法，準(zhǔn)確圈定了煤層的火燒邊界。許滿貴等[16]結(jié)合鉆探勘察信息使用質(zhì)子磁力儀在陜北神府礦區(qū)進(jìn)行磁法勘探，并按可靠度對某煤礦進(jìn)行煤自燃危險區(qū)域的評價，圈定出煤自燃危險區(qū)域的邊界位置。陳小龍等[17]在陜北某煤田利用磁測儀確定火燒區(qū)邊界，并通過現(xiàn)場鉆孔對磁測結(jié)果進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)火燒區(qū)對應(yīng)的鉆孔內(nèi)主要為燒變巖。磁法探測技術(shù)在煤火防治領(lǐng)域備受歡迎，但多側(cè)重于現(xiàn)場應(yīng)用及模擬研究，基于實驗對巖石磁異常的內(nèi)在形成過程以及燒變巖磁性變化規(guī)律、內(nèi)在機(jī)理的研究較少。為此，從溫度、粒徑以及外磁場強(qiáng)度3個方面對比研究高溫烘烤之后再冷卻至常溫的燒變巖的磁性變化規(guī)律，并利用X射線衍射實驗分析加熱前后巖石中物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的的變化，進(jìn)而深入分析巖石高溫烘烤前后的磁性變化本質(zhì)原因，為磁法探測火源技術(shù)提供更好的理論支撐。

1 實驗設(shè)備及樣品制備

實驗樣品熱處理設(shè)備為馬弗爐，溫度可控范圍：25～1 000℃。測磁儀為西安科技大學(xué)古埃法磁化率測定系統(tǒng)，磁化率測定系統(tǒng)原理圖如圖1，其磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍為0.1～0.5 T。

圖1 磁化率測定系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of system for measuring susceptibility

當(dāng)樣品在磁場中被磁化時，其磁化率可根據(jù)以下公式計算[18]：

式中：χ為樣品的質(zhì)量磁化率；△m為樣品的質(zhì)量變化值；M為樣品質(zhì)量；g為重力加速度；l為樣品高度，取常數(shù)9.8 N/kg；μ0為真空磁導(dǎo)率；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

X衍射儀圖如圖2，衍射儀光源穩(wěn)定性好，輸出變化穩(wěn)定于0.01%以內(nèi)。

圖2 X衍射儀圖Fig.2 X-ray diffraction diagram

樣品為內(nèi)蒙古鄂爾多斯納林廟礦區(qū)3-1煤頂板細(xì)砂巖。利用破碎機(jī)將采集的大塊樣品破碎，篩選出粒徑為0～0.42、0.42～0.9、0.9～3.0、3.0～5.0、5.0～7.0 mm的巖石樣品各1 kg。將制備好的每組不同粒徑樣品平均分成7組，1#組置于室溫（25℃）環(huán)境中，剩余6組分別利用馬弗爐加熱至目標(biāo)溫度（100、200、300、400、500、600℃），加熱到目標(biāo)溫度后繼續(xù)恒溫加熱2 h，然后關(guān)掉升溫設(shè)備待其自然降至常溫備用。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同溫度下燒變巖磁性變化規(guī)律

分別將達(dá)到相同目標(biāo)溫度的5種粒徑樣品等比例混合，通過磁測儀分別測定樣品在磁場強(qiáng)度為0.3 T與0.5 T時的磁化率，磁化率與燒變溫度關(guān)系圖如圖3。

圖3 磁化率與燒變溫度關(guān)系圖（0.3、0.5 T）Fig.3 Relationship between magnetic susceptibility and firing temperature（0.3 T,0.5 T）

由圖3可知，燒變巖磁化率整體上隨著溫度增高磁化率增大。巖石常溫下屬于順磁性物質(zhì)；在溫度低于200℃時，其磁化率受溫度影響較小，變化趨勢較為平緩，但當(dāng)磁場強(qiáng)度較高時，磁化率反而有變小的趨勢呈現(xiàn)。當(dāng)溫度接近300℃時，巖石質(zhì)量磁化率才有明顯增高的趨勢，這是因為高溫導(dǎo)致巖石顯脆性，其內(nèi)部的磁性礦物質(zhì)發(fā)生了磁致伸縮。400℃至500℃階段，巖石磁性增加速度相比200～300℃階段有大幅度的提高，這是新的強(qiáng)磁性物質(zhì)生成引起的。600℃的燒變巖磁化率是未經(jīng)高溫烘烤巖石磁化率的數(shù)十倍。

2.2 不同粒徑的燒變巖磁性變化規(guī)律

將灼燒過后的不同粒徑燒變巖分成0～<3.0、3.0～<5.0、5.0～7.0 mm 3個部分，分別測定不同灼燒溫度下3個部分樣品的磁化率，磁場強(qiáng)度為0.3 T，不同粒徑的燒變巖的磁化率如圖4。由圖4可知，3種不同粒徑的燒變巖樣品磁化率整體上都隨著溫度增大而增大，但是升溫過程中粒徑小的燒變巖樣品明顯磁性更大，尤其在400℃以前的階段，粒徑越小，樣品接觸氧氣更充足，反應(yīng)更充分更劇烈，導(dǎo)致其磁化率明顯增大。400℃以后，粒徑對燒變巖樣品磁性的影響較小，不同粒徑的樣品磁性皆是隨著溫度升高而增大，說明溫度很高時巖石內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的物理與化學(xué)變化，生成的新物質(zhì)磁性對此時樣品的磁性起著決定性作用。

圖4 不同粒徑的燒變巖的磁化率（0.3 T）Fig.4 Magnetic susceptibility of burnt rock with different particle sizes（0.3 T）

2.3 不同磁場強(qiáng)度下燒變巖的磁化率

分別取25、300、500℃且粒徑為3.0～5.0 mm的燒變巖樣品。測定其在0.1～0.5 T磁感應(yīng)強(qiáng)度區(qū)間中磁化率的大小。不同磁場強(qiáng)度下燒變巖的磁化率圖如圖5。

圖5 不同磁場強(qiáng)度下燒變巖的磁化率圖Fig.5 Magnetic susceptibility diagram of burnt rock under different magnetic field strengths

由圖5可以看出，在0.1～0.5 T范圍內(nèi)，3種溫度的燒變巖樣品磁化率均隨著外加磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而減小，且變化趨勢較明顯；500℃處理后的燒變巖磁化率的減小速率以及減小值都是3種不同溫度燒變巖中最大的；在強(qiáng)度0.1～0.3 T階段，3種溫度下的燒變巖磁化率減小速率都較快，但當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過0.3 T后，300℃處理后的燒變巖以及常溫巖石磁化率下降趨勢開始趨于平緩，說明外界磁感應(yīng)強(qiáng)度較大時，巖石樣品的磁化率最容易受到高溫影響。

2.4 巖石加熱產(chǎn)物的微觀分析

巖石加熱處理后磁性顯著增大，為研究其內(nèi)部鐵磁性物質(zhì)種類及數(shù)量的變化，對常溫巖石以及燒變巖石進(jìn)行微觀分析并做出對比。對常溫與500℃燒變的巖石樣品X射線衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，常溫（25℃）巖石與500℃加熱后燒變巖的衍射圖如圖6（θ為衍射角）。500℃加熱后燒變巖與常溫巖石的衍射差圖如圖7。

圖6 常溫巖石與500℃加熱后燒變巖的衍射圖Fig.6 Diffraction pattern of normal temperature rock and burnt rocks after heating at 500℃

圖7 500℃加熱后燒變巖與常溫巖石的衍射差圖Fig.7 Diffraction diagram of rocks after heating at 500℃and normal temperature rock

由圖6可知，常溫下巖石樣品的礦物成分主要為方解石（CaCO3）、石英（SiO2），以及磁性物質(zhì)赤鐵礦（Fe2O3）與菱鐵礦（FeCO3），這也是常溫巖石顯順磁性的原因，沒有發(fā)現(xiàn)鐵磁性的礦物成分。

由于方解石（CaCO3）、石英（SiO2）對加熱前后的巖石磁性影響較小，此處只分析磁性物質(zhì)的變化。對比圖6與圖7發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過500℃高溫烘烤之后，顯現(xiàn)新物質(zhì)磁鐵礦（Fe3O4）衍射峰，且菱鐵礦（FeCO3）衍射峰與27°附近的赤鐵礦（Fe2O3）衍射峰強(qiáng)度減弱。這說明巖石試樣在500℃高溫中發(fā)生了劇烈氧化反應(yīng)，弱磁性菱鐵礦（FeCO3）與赤鐵礦（Fe2O3）通過反應(yīng)轉(zhuǎn)化成強(qiáng)磁性磁鐵礦（Fe3O4），進(jìn)而導(dǎo)致樣品宏觀磁性發(fā)生了變化。

3 結(jié)論

1）常溫下，納林廟巖石是較弱的順磁性物質(zhì)；300℃時，燒變巖質(zhì)量磁化率才有明顯增高的趨勢；400～500℃時，燒變巖磁性增加速度最大；600℃的燒變巖磁化率是未經(jīng)高溫烘烤巖石磁化率的數(shù)十倍。

2）燒變巖磁化率整體上隨著溫度增高而增大，隨著外界磁感應(yīng)強(qiáng)度增大而減小。在400℃以前的階段，巖石粒徑越小其磁化率越大，而400℃以后，高溫生成的新物質(zhì)磁性對樣品磁性起著決定性作用。

3）當(dāng)磁感強(qiáng)度在0.1～0.3 T階段時，燒變巖磁化率減小速率都較快，但當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過0.3 T時，巖石樣品的磁化率最容易受到高溫因素影響。

4）巖石高溫烘烤的過程中，菱鐵礦（FeCO3）與赤鐵礦（Fe2O3）被氧化成鐵磁性物質(zhì)磁鐵礦（Fe3O4），這是燒變巖相對常溫巖石磁性增強(qiáng)的主要原因。