基于電?磁法聯(lián)合勘探的火燒區(qū)范圍及富水性的預測

閆順尚 ，王 玲 ，董方營 ，劉 曉 ，呂曉磊

(1.山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊,山東 濟南 250100；2.山東科技大學 地球科學與工程學院,山東 青島 266590；3.神華國能集團沙吉海煤礦,新疆 塔城 834400)

地球物理勘探已成為礦區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查的主要手段之一，目前常用的有三維地震勘探、高精度磁測、瞬變電磁法、高密度電法、地球物理測井等[1-6]。然而任何一種勘探手段都有其各自的優(yōu)缺點和適用條件，僅靠單一方法往往不能滿足精度要求[7-8]。因此，在充分認識勘探區(qū)物性特征的基礎(chǔ)上，采用多種物探手段從多角度進行分析研究已成為一種必然趨勢。

我國西北煤礦區(qū)分布著大面積火燒巖體，具有點多面廣、燃燒速度快等特點。煤層自燃后圍巖經(jīng)高溫烘烤出現(xiàn)變形、坍塌等現(xiàn)象，巖體孔隙、裂隙發(fā)育，富水性增強[9-10]?；馃齾^(qū)范圍及其富水程度成為威脅煤礦安全開采的兩大關(guān)鍵因素[11]。此外，火燒區(qū)含水層作為特殊含水體，水文地質(zhì)條件復雜，勘探難度較大[12]。以往多采用單一物探方法進行勘探，未能精確探查火燒區(qū)水文地質(zhì)特征。因此，采用有效手段對火燒區(qū)進行勘探，查明其分布范圍及富水情況具有重要現(xiàn)實意義。

基于此，本研究組合一套高精度磁測?瞬變電磁?高密度電法聯(lián)合使用的高精度勘探方法，并將其應(yīng)用于新疆沙吉海一號火燒區(qū)邊界及富水性勘探中，精確查明火燒區(qū)范圍及其富水情況，為煤礦的治理工程提供準確的物探資料，以期為今后類似地質(zhì)條件地區(qū)火燒區(qū)勘查提供實踐依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)在新疆沙吉海一號井田火燒區(qū)內(nèi)，位于準噶爾盆地西北緣，隸屬于和布克賽爾蒙古自治縣，中心地理坐標為東經(jīng)86°30′33″，北緯46°35′20″。構(gòu)造上位于和什托洛蓋復式向斜的北翼，庫倫鐵布克背斜的南翼，斷裂構(gòu)造簡單。地層分區(qū)屬西準噶爾分區(qū)瑪依力山小區(qū)，地層由老到新依次為中生界侏羅系西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)，新生界古近系烏倫古河組(E2-3w)和第四系全新統(tǒng)?上更新統(tǒng)(Q3-4pl)組成。侏羅系巖層呈單斜狀產(chǎn)出，傾向SE，傾角7°～28°，自東向西逐漸變陡。含水層主要分布在頭屯河組和西山窯組內(nèi)，以砂巖孔隙裂隙水為主，整體富水性相對較弱。

西山窯組是主要含煤地層，分為下、中、上3 個含煤段(J2x1、J2x2、J2x3)，其中編號煤層有18 層，自下而上依次為B1?B18，目前主要開采B10煤。B10煤為全區(qū)可采的穩(wěn)定厚煤層，結(jié)構(gòu)簡單，平均厚度6.88 m，下距B9煤層平均5.02 m，上距B11煤層平均36.19 m。研究區(qū)北部B9、B10、B11煤層燃燒后，沿NE?SW 向連續(xù)發(fā)育火燒巖帶，火燒深度103.00～128.40 m，厚度25.40 m。巖層受高溫烘烤后裂隙率增大，土質(zhì)變松軟，導水性增強。

2 勘探方法及質(zhì)量控制

2.1 方法和儀器

本研究采用3 種物探方法相互結(jié)合，方法及應(yīng)用原理如圖1 所示。高精度磁測得到ΔT等值線圖用來推測火燒區(qū)邊界并與先前圈定的邊界做對比；瞬變電磁法得到視電阻率?深度剖面圖和電阻率異常平面圖與高密度電測深剖面結(jié)合，用于B10煤層富水性異常區(qū)域圈定；物探成果綜合分析，用來判定指導火燒區(qū)邊界和富水異常區(qū)驗證鉆孔的設(shè)計位置。瞬變電磁法和高精度磁測的測線都沿NW 向布置，測線及測點編號為由SW 向NE 方向逐漸增大，其中高精度磁測僅在勘探區(qū)西南側(cè)1 160 線以西布置。各勘探線及測點布置如圖2 所示。

圖1 電?磁法聯(lián)合勘探物探方法Fig.1 Geophysical prospecting method of combined Electrical-Magnetic exploration

圖2 新疆沙吉海一號井田野外施工布置Fig.2 Field construction layout of No.1 well field in Shajihai,Xinjiang

瞬變電磁法采用加拿大產(chǎn)PROTEM47 瞬變電磁儀，使用最大有效發(fā)射電流3.3 A，頻率25 Hz 進行觀測；高精度磁測選用高精度PMG-1 型質(zhì)子磁力儀；高密度電法采用N 系列高密度電法儀，布置方式為溫納裝置。測量工作開始前均進行儀器性能檢測和相關(guān)實驗工作。

2.2 質(zhì)量控制

物探結(jié)果質(zhì)量主要依據(jù)《煤炭電法勘探規(guī)范》[13]和《地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》[14]的規(guī)定，通過專項質(zhì)量檢查進行控制，質(zhì)量檢查點(約為總數(shù)的5%)相對均勻分布于整個工作區(qū)。瞬變電磁質(zhì)量檢查點100 個，其中A 級精度約占92.4%，B 級精度約占7.6%。高精度磁測質(zhì)量檢查點40 個，磁測總均方誤差≤1.7 nT，滿足設(shè)計精度要求。本次高密度電法精度按A 級要求執(zhí)行，系統(tǒng)質(zhì)量檢查總均方相對誤差為3.85%。因此，本次物探野外觀測數(shù)據(jù)可靠，精度達到要求，滿足規(guī)范要求。

3 測區(qū)地球物理條件

3.1 巖體地?電條件

電法勘探的基本原理是利用目標地質(zhì)體和圍巖之間存在的電性差異進行反演。根據(jù)以往電法勘探資料，通常情況下研究區(qū)泥巖、粉砂巖、細砂巖、煤層電阻率值依次增高。地層水平方向上局部地段富水性較差時，導電性變差，表現(xiàn)為相對高阻異常；當火燒區(qū)內(nèi)存在充水空洞，火燒巖破碎或裂隙含水時，巖體導電性變強，使電阻率明顯低于圍巖，表現(xiàn)為相對低阻異常[15-16]。該區(qū)視電阻率具有隨深度加深而增大的特點，分層明顯，中、深部地電條件較好，具備瞬變電磁和高密度電法勘探的地球物理前提。因此，通過對比水平方向上巖層視電阻率值差異與變化情況，找出電阻率異常分布形態(tài)，并結(jié)合已有地質(zhì)資料進行分析，可以查明研究區(qū)水文地質(zhì)特征。

3.2 巖體磁性差異

研究區(qū)B9、B10、B11煤層燃燒后，頂?shù)装寮捌鋳A矸受到強烈的高溫烘烤后形成燒變巖體，巖層中的鐵質(zhì)礦物(赤鐵礦、黃鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦等)大部分轉(zhuǎn)變成磁性礦物[17-18]。在燒變巖冷卻過程中，產(chǎn)生熱剩磁，具有熄滅帶上磁異常最強，從熄滅帶到燃燒帶磁異常逐漸減弱的特征[19]。礦區(qū)以往磁性參數(shù)測定結(jié)果詳見表1。燒變巖的磁化率(K) 變化極不均勻，分別為78～9 263、47～1 055、92～426 10?64πSI；而非燒變碎屑巖類K值很小且變化范圍較小為3～96、2～13、25～84 10?64πSI。因此，燒變巖具有明顯的磁異常特征，且各地段磁化率變化較大，表現(xiàn)為極不均勻的燒變程度。研究區(qū)內(nèi)火燒巖與非火燒巖體的磁性差異較大，具備磁法勘探地球物理條件。

表1 研究區(qū)磁性參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of magnetic parameters

4 結(jié)果與分析

4.1 高精度磁測等值線分析

圖3 為研究區(qū)ΔT等值線圖。全區(qū)測點中ΔTmin=?570.6 nT、ΔTmax=875.8 nT，總體上中部磁異常強度較大，異常明顯，南部磁異常強度較小且較平緩。ΔT曲線在平面上有多個異常中心，有時一個異常有多個強度很高的峰值，異常形態(tài)整體上多呈獨立的突起；在剖面上呈多峰異?！颁忼X狀”跳躍形態(tài)(圖4、圖5)，說明受近地表燒變巖不均勻磁化、多層煤燃燒等因素影響，異常源磁性極不均勻，頂端出露或埋深不大。從整體來看，磁異常走向NE，在工作區(qū)中部有一條明顯磁異常梯度帶，落差較大，分析為火燒邊界線。新推斷火燒邊界線與之前基本一致，僅在部分地段略有南移，說明火燒區(qū)范圍基本未變。

圖3 新疆沙吉海一號井田ΔT 等值線Fig.3 The ΔT contour map of No.1 well field in Shajihai,Xinjiang

4.2 物探綜合成果分析

為了更好地查明研究區(qū)內(nèi)火燒富水情況，本著物探方法相互結(jié)合相互驗證的原則，選取4 條2 種或3 種方法完全重合的區(qū)域進行對比分析解釋，為驗證鉆孔位置設(shè)計及B10煤富水區(qū)圈定提供必要依據(jù)。

圖4 表明高精度磁測在980 號點以北ΔT>120 nT(ΔTmax=216 nT)，明顯為高磁異常，且梯度變化較大；以南磁異常變化較平緩，分析為火燒區(qū)邊界反映，與原磁測邊界基本一致，部分地段向南發(fā)生較小移動。瞬變電磁斷面顯示，在840～1 200 號點之間B10煤層賦存深度整體呈低阻反映?；馃齾^(qū)邊界以北低阻反映更明顯且視電阻率等值線變化較紊亂，推斷為火燒富水區(qū)。通過G2 線高密度斷面圖可以看出，整體反映與瞬變電磁基本一致，驗證性較好，建議在S3 和S4 位置設(shè)計驗證鉆孔。

圖4 840 線物探勘查綜合成果Fig.4 Comprehensive results of line 840 geophysical prospecting

圖5 顯示高精度磁測在980 號點以北ΔT>120 nT(ΔTmax=819 nT)，高磁異常明顯，且梯度變化較大，為火燒區(qū)邊界反映，與原磁測邊界基本一致。瞬變電磁斷面上860～1 120 號點之間，B10煤賦存深度整體呈低阻反映，在火燒區(qū)邊界附近低阻反映最明顯，且視電阻率等值線變化較紊亂，推斷為火燒富水區(qū)。對比G3 線高密度斷面圖，從整體來看，瞬變電磁法和高密度電法勘探的低阻區(qū)都集中在左側(cè)；另外，瞬變電磁法低阻異常區(qū)主要集中在地面以下100 m 范圍以內(nèi)，與高密度電法低阻異常深度也基本一致。這表明兩種物探方法反演結(jié)果基本一致，驗證性相對較好，建議在S5 和S6 位置設(shè)計驗證鉆孔。

圖5 1 560 線物探勘查綜合成果Fig.5 Comprehensive results of line 1 560 geophysical prospecting

圖6 為擬設(shè)計S1 和S2 鉆孔經(jīng)過的物探測線。結(jié)果顯示G1 高密度測線上S1 鉆孔下部主要為低阻反映，與200 線瞬變電磁斷面異?；疽恢?；S2 鉆孔下部主要為相對高阻反映，與280 線瞬變電磁斷面反映基本一致。

圖6 200 線和280 線物探綜合成果Fig.6 Comprehensive results of geophysical prospecting on line 200 and line 280

圖7 為擬設(shè)計S9 和S10 鉆孔經(jīng)過的物探測線。在瞬變電磁斷面上1 140～1 240 號點之間B10煤層賦存深度呈低阻反映，推斷為火燒富水區(qū)。G7 線高密度斷面圖表明整體反映與瞬變電磁基本一致。B10煤層賦存深度火燒富水區(qū)范圍如圖所示，兩種方法結(jié)果基本一致，驗證性較好。

圖7 2 600 線物探勘查綜合成果Fig.7 Comprehensive results of line 2 600 geophysical prospecting

4.3 B10 煤順層切片分析

正常情況下同一巖層的視電阻率差異較小，但當某一地段巖體裂隙發(fā)育充水時，其視電阻率偏低，因此在一定程度上能夠反映富水情況。通過對比同一層位視電阻率值的變化情況，認識地層的含水狀況。為查明B10煤附近火燒富水情況，分析其水力聯(lián)系，利用B10煤底板等高線抽取每個測點煤層及上下方等間距的視電阻率值，繪制順煤層視電阻率等值線圖，推測含水層的富水特征。

4.3.1富水區(qū)劃分原則

(1) 遵循相對低阻異常原則，參考電阻率值圈定，通過組合低阻異常閉合圈來確定富水區(qū)。

(2) 富水區(qū)在視電阻率斷面等值線圖上出現(xiàn)較明顯的低阻、變形，呈凹陷等形狀；順層切片圖上多個低阻異常閉合圈呈長條狀連續(xù)發(fā)育的特征。

(3) 通過對斷面圖、順層切片低阻異常值大小分析，結(jié)合原始曲線、地面位置、電線干擾等情況對低阻異常區(qū)去偽存真。

4.3.2成果解譯及分析

含煤地層富水性差時，視電阻率等值線表現(xiàn)為高阻閉合、半閉合圈；富水性好時表現(xiàn)為低阻閉合、半閉合圈，且變化較紊亂。根據(jù)以往地質(zhì)、水文地質(zhì)特征和積水區(qū)特征等資料，結(jié)合視電阻率等值線的扭曲、強度、梯度變化特征，對物探結(jié)果進行靜態(tài)和定性解釋。圖8 為B10煤切片綜合推斷成果圖，可以看出研究區(qū)B10煤層附近分布若干個大小、形狀各異的低阻閉合圈。結(jié)合礦區(qū)以往實際經(jīng)驗，以視電阻率小于15 Ω·m 圈出9 個低阻異常區(qū)，分別編號為Y1?Y9。

圖8 B10 煤切片綜合解釋成果Fig.8 Comprehensive inference results of B10 coal slices

B10煤切片圖分析表明，整體上研究區(qū)內(nèi)火燒富水性較弱。富水區(qū)主要集中在火燒區(qū)南部邊界及以南區(qū)域，視電阻率值基本小于15 Ω·m，低阻異常明顯。與先前圈定富水區(qū)相比，范圍整體變小并向南移動，重合部分主要集中在南部火燒邊界附近。這可能是由于近年來B10煤層開采，導致南部地下水位明顯下降，地下水沿地層傾向徑流的結(jié)果。隨著礦井開采、地下水徑流以及豐枯水期的變化，可能造成火燒富水面積不同程度變化及移動，水文地質(zhì)條件隨之發(fā)生變化。因此，煤層開采過程中應(yīng)注意這些條件變化對火燒區(qū)富水情況的影響，防止突水事故發(fā)生。事實上，受電法低阻屏蔽效應(yīng)的影響，各層低阻異常在縱向上相互影響，因此富水區(qū)研究還應(yīng)充分結(jié)合視電阻率深度斷面圖及地質(zhì)情況綜合分析。此外，該區(qū)地層傾角較大，利用順層切片圖分析富水區(qū)情況時應(yīng)加以考慮。

5 結(jié)論

a.通過高精度磁測結(jié)果，在研究區(qū)西部新推斷了火燒區(qū)邊界，與原勘探邊界基本一致，僅有部分地段向南較小移動，為劃分火燒富水區(qū)提供條件。

b.在B10煤層附近，整體圈定了9 個火燒富水區(qū)，分別編號為Y1?Y9。研究區(qū)總體富水性較弱，富水區(qū)主要集中在火燒區(qū)南部邊界及以南區(qū)域。受礦區(qū)煤層開采排水影響，地下水沿地層傾向徑流，導致富水區(qū)范圍整體變小并向南移動。

c.高精度磁測圈定火燒區(qū)邊界，瞬變電磁法、高密度電法聯(lián)合確定火燒富水情況。3 種方法相互結(jié)合、互為補充，能夠精準探查火燒區(qū)范圍及其富水情況。該方法可以為相似地質(zhì)條件的礦區(qū)水文地質(zhì)探查工作提供借鑒。