綜合物探方法在燒變巖裂隙探查中的應(yīng)用

趙 輝，周旭光，王 輝

（陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

煤層在自燃過程中，上部巖層受到高溫烘烤，在磁性和電性等方面發(fā)生了顯著變化，為電、磁法提供了應(yīng)用的地球物理前提。由于煤層自燃區(qū)在燃燒時間、燃燒程度、對圍巖的影響、裂隙發(fā)育、富水性等存在較大差異，使得燒變巖的物性反映也呈現(xiàn)出較大差異，因此選擇適合有效的探測技術(shù)手段，是探查煤層自燃區(qū)的關(guān)鍵。自20 世紀(jì)90 年代以來，祁明星、劉洪福、萬兆昌等分別將高精度磁法、測氡法及電阻率測深法應(yīng)用到煤層自燃邊界的圈定中，取得了一定的效果[1-3]。2017 年沈福斌等人[4]在神南礦區(qū)火燒區(qū)探查技術(shù)研究中，分析了高精度磁法、測氡法、瞬變電磁法及電阻率測深法對煤層自燃邊界的應(yīng)用效果。但上述方法主要針對煤層自燃邊界及富水性的劃分，而對煤層燒變巖裂隙的探查和研究相對較少。

本次探查陜北楊伙盤煤礦淺部燒變巖的裂隙發(fā)育情況，探查工作以高精度磁法為主、高密度電法為輔，劃分燒變巖裂隙相對發(fā)育的區(qū)域，最后采用鉆探對上述兩種物探方法圈定的成果進行驗證。地面高精度磁法在以往煤田普查及精查項目煤層自燃邊界的圈定中，取得了良好的效果；高密度電法同常規(guī)電阻率剖面法、測深法相比，既能提供探測地質(zhì)體在某一深度沿水平方向的變化趨勢，也能反映地質(zhì)體沿垂直方向不同深度電性的變化情況，能較好地反映煤層附近的電性變化情況，在工程勘查中應(yīng)用較為廣泛；上述兩種物探方法數(shù)據(jù)處理解釋的研究也較為成熟。

1 測區(qū)概況

楊伙盤煤礦位于陜西省神木縣店塔鎮(zhèn)，屬陜北侏羅紀(jì)煤田神府礦區(qū)新民開采區(qū)。該煤礦始建于1995 年5 月，1998 年建成驗收后停產(chǎn)。2005 年恢復(fù)生產(chǎn)，2006 年進行產(chǎn)業(yè)升級改造，生產(chǎn)規(guī)模為400 萬t/a，批準(zhǔn)開采2-2煤、3-1層、3-2煤、4-3煤和5-1煤。2016 年開始進行煤電一體化項目建設(shè)。而本次探查區(qū)為楊伙盤煤電一體化項目的電廠廠址區(qū)，其位于楊伙盤煤礦井田的東南部，如圖1 所示。目的任務(wù)是為電廠廠址穩(wěn)定性評價及后期燒變巖的治理提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

圖1 相對位置示意圖Fig.1 Relative position diagram

測區(qū)地表大部分被第四系、新近系沉積物覆蓋，由于遭受長期的風(fēng)化剝蝕，煤層與基巖廣泛裸露于溝谷之中。地層由老至新為侏羅系下統(tǒng)富縣組、侏羅系中統(tǒng)延安組、新近系上新統(tǒng)保德組、第四系全新統(tǒng)河流沖積層和風(fēng)積沙層。地層總體為走向北東- 南西，傾向北西的單斜構(gòu)造。共有3-1、4-3、5-1三層可采煤層，其中3-1煤層大部區(qū)域已自燃，僅在中東部仍有少量賦存。

2 技術(shù)思路及工作方法

一般來說，煤層露頭附近，覆蓋較薄、通風(fēng)供氧條件好，煤層自燃充分，燒變巖獲得的磁性相對較大，隨著煤層埋藏深度的增大，通風(fēng)條件變差，煤層自燃程度逐漸減弱，燒變巖獲得的磁性隨之變小。反映到磁測曲線上，從燒變巖段到正常煤層段，曲線呈緩慢變低趨勢，且曲線相對圓滑；至正常煤層段，曲線變化幅度較小，近似水平狀。同時筆者注意到，測區(qū)的磁測曲線在高磁向低磁的變化過過程中，出現(xiàn)鋸齒狀或尖刺狀的相對低磁或磁性倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，結(jié)合地面踏勘和鉆孔資料綜合分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因（不包括地面存在電磁干擾源的情況） 主要有2 個：一是煤層露頭附近，燒變巖遭風(fēng)化剝蝕，磁性體規(guī)模變小，同時部分燒變巖垮落，從而導(dǎo)致磁性變?nèi)趸虼判缘罐D(zhuǎn)；二是燒變巖具有一定埋深的地段，燒變程度高、裂隙相對發(fā)育，部分巖層陷落或崩塌，但受空間限制，燒變巖磁性方向雖發(fā)生變化，但變化較小，從而導(dǎo)致實測磁性強度降低。根據(jù)這一特點，并結(jié)合地形地質(zhì)資料，可實現(xiàn)對燒變巖裂隙發(fā)育區(qū)的判定。

煤層未發(fā)生自燃前，地層沉積層序穩(wěn)定，地層電性呈穩(wěn)定變化特征。煤層燃燒后，導(dǎo)致圍巖的裂隙構(gòu)造發(fā)育，當(dāng)?shù)貙又写嬖诤畢^(qū)時，相對正常煤層段呈現(xiàn)低視電阻率異常反映；不含水時，相對正常煤層則表現(xiàn)為高視電阻率異常反映的特征。根據(jù)測區(qū)的水文及地形地質(zhì)資料可知，測區(qū)地下水的主要補給來源是大氣降水，而測區(qū)地勢高聳，地層傾向北西，利于燒變巖及附近巖層水向北西處的溝谷地段進行排泄，燒變巖的水量極其微弱，因此燒變巖裂隙在電性上較圍巖表現(xiàn)為明顯的高阻反映。

據(jù)此，選擇了高精度磁法和高密度電法兩種物探方法。高精度磁法測網(wǎng)密度40 m×10 m(線距40 m、點距10 m)，設(shè)備采用GSM-19T 質(zhì)子磁力儀。為了便于成果資料的對比分析，高密度電法與高精度磁法測線進行重合布設(shè)，測網(wǎng)密度120 m×5 m（線距120 m、點距5 m），設(shè)備采用DUK-2A 高密度電法測量系統(tǒng)。

3 數(shù)據(jù)處理及解釋

高精度磁法數(shù)據(jù)處理采用GEMlinkw 軟件進行日變改正和正常梯度的改正。最終利用改正后的ΔT 值進行成圖分析解釋。其計算公式為：

式中：Tc 為測點實測值；ΔTr 為日變改正值；ΔTz 為正常梯度改正值；ΔTg 為高度改正值；To為基點場值。

高密度電法處理先采用BTRC 程序進行數(shù)據(jù)的編輯、圓滑、靜態(tài)校正，再利用Res2dinv 程序加載地形文件進行數(shù)據(jù)的正、反演計算。最終使用反演后的視電阻率數(shù)據(jù)進行成圖分析解釋。

圖2 為高精度磁法C24 線綜合解釋剖面圖。從磁測曲線可以看出，正常煤層段曲線變化平穩(wěn)，數(shù)值在20 nT 左右變化。煤層自燃段以負(fù)值異常為主，最大約-300 nT，局部出現(xiàn)幅值較高的正異常。結(jié)合地形地質(zhì)及地面調(diào)查推斷煤層自燃邊界位于200 點。60～100 點，該段3-1煤層已自燃，地表部分燒變巖風(fēng)化垮落；根據(jù)190 點附近BK01 鉆孔揭露，該孔3-1煤部分自燃。斷面解釋成果與鉆孔揭露及地面調(diào)查基本一致。120～150 點，曲線出現(xiàn)鋸齒狀的相對低的正磁異常，分析其為燒變巖裂隙發(fā)育地段。

圖2 高精度磁法C24 線綜合解釋剖面圖Fig.2 Comprehensive interpretation profile of high precision magnetic method C24 line

圖3 為C56 線磁法綜合解釋剖面圖。由磁測曲線可以看出，正常煤層段曲線變化平穩(wěn)，數(shù)值在+20 nT 左右變化；煤層自燃段以正值異常為主，幅值最大約+200 nT。局部出現(xiàn)幅值略低的正異常。結(jié)合地形地質(zhì)及鉆孔資料推斷煤層自燃邊界位于330 點。在100～120 m、140～170 m 及200～240 點，曲線出現(xiàn)鋸齒狀的相對低的正磁異常，分析其為燒變巖裂隙發(fā)育地段。

圖3 高精度磁法C56 線磁法綜合解釋剖面圖Fig.3 Comprehensive interpretation profile of high precision magnetic method C56 line

在此基礎(chǔ)上，采用高密度電法對異常范圍進行核驗和進一步的控制。為了更好的分析燒變巖與正常煤層的電性特征，此次垂直電、磁法測線方向加測了一條縱剖面暨D0-60 線（410 點） 高密度電法剖面，成果如圖4 所示。

圖4 高密度電法D0- 60 線（410 點） 綜合解釋剖面Fig.4 Comprehensive interpretation profile of high density electrical method D0-60 line(410 point)

由等視電阻率斷面（圖4 上） 可以看出，該斷面縱向上由淺到深視電阻率逐步增大趨勢；橫向上，各地層視電阻率等值線變化平緩；電性變化特征與地質(zhì)規(guī)律基本吻合。該剖面3-1煤層附近，視電阻率數(shù)值在200～500 Ω·m 變化，結(jié)合燒變巖段的Sn25 孔、BK03 孔及Sn30 孔資料可知，鉆孔附近燒變巖裂隙不發(fā)育，且有少量泥砂充填。而BK02 孔、ZK03 孔及Sn14 孔為正常煤層，綜合分析認(rèn)為該剖面燒變巖裂隙不發(fā)育。

圖5 為D56 線高密度電法綜合解釋剖面示意圖，該剖面與磁法C56 線剖面重合。由D56 線等視電阻率斷面可以看出，10～120 點及160～270點，視電阻率等值線呈明顯的高阻隆起或圈閉狀，數(shù)值在500～1 600 Ω·m，高于圍巖視電阻率，與高精度磁測圈定范圍基本一致，分析該段為燒變巖裂隙異常。根據(jù)220 點附近ZK02 鉆孔揭露，該孔燒變巖較破碎、裂隙較為發(fā)育。異常的電性反映與鉆孔資料相吻合。

圖5 高密度電法D56 線綜合解釋剖面圖Fig.5 Comprehensive interpretation profile of high density electrical method D56 line

依據(jù)上述分析解釋原則，以磁測ΔT 剖面及視電阻率等值線斷面變化特征結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，對異常區(qū)域進行綜合分析推斷，最終形成綜合物探成果，如圖6 所示?？梢钥闯?，2 種物探方法所推斷的燒變巖裂隙發(fā)育區(qū)基本重合，最終圈定了S1、S2 兩個燒變巖裂隙發(fā)育區(qū)。

圖6 綜合物探成果平面圖Fig.6 Comprehensive geophysical exploration results plane

為了驗證綜合物探成果，在全區(qū)共施工了6 個鉆孔。ZK01 孔、ZK02 孔、BK01 孔及BK03 孔布設(shè)在燒變巖區(qū)，ZK03 孔及BK02 孔布置在正常煤層區(qū)。據(jù)鉆孔揭露，ZK01 孔、ZK02 孔及BK03 孔燒變巖厚度分別為13、28 和10 m；BK01 孔煤層部分自燃，殘留煤厚約2 m，燒變巖厚度約1.5 m。其中ZK01 孔及ZK02 孔存在約10 cm 左右的裂隙，其內(nèi)有少量泥砂充填物或無充填物；同時也存在部分塌陷裂隙，且多屬張開裂隙，延伸方向雜亂，隙寬0.5～1 cm，最寬約5 cm。BK03 孔存在約5 cm左右的裂隙，有泥砂或方解石充填物。BK01 孔未發(fā)現(xiàn)明顯的裂隙。物探解釋成果與鉆孔揭露情況基本一致。

4 結(jié) 語

通過高精度磁法和高密度電法對陜北楊伙盤煤礦淺部燒變巖裂隙的綜合探查，分析解釋了燒變巖裂隙發(fā)育區(qū)，并經(jīng)鉆探驗證，說明高精度磁法和高密度電法是探查淺部燒變巖裂隙發(fā)育區(qū)的一種有效手段。在以往磁法解釋煤層自燃邊界方法理論的基礎(chǔ)上，采用高磁異常中的相對低磁和磁性的反向特征來解釋燒變巖裂隙的發(fā)育情況，取得了良好的地質(zhì)效果，為磁法探查煤層燒變巖裂隙發(fā)育區(qū)提供有益的借鑒。