基于NEMV技術(shù)對(duì)紅柳林煤礦煤層火燒邊界的確定

苗彥平,楊 磊,黨 冰,鄭麗娟,楊皓潔

(1.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;2.陜西浩興坤達(dá)新能源科技有限公司,陜西 西安 710000)

0 引言

中國(guó)西北部煤系地層埋深較淺,且形成于中生代侏羅紀(jì)的煤變質(zhì)程度較低,易風(fēng)化和氧化,在儲(chǔ)熱條件良好的地區(qū),就會(huì)使煤層發(fā)生自燃,然后烘烤圍巖,形成燒變巖。巖石在經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的烘烤后,原有的巖體穩(wěn)定性必然下降,孔隙裂隙增加,形成良好的儲(chǔ)水空間或強(qiáng)含水層。煤層自燃后,頂板燒變巖很容易垮落,產(chǎn)生新的裂隙,為水的賦存提供了有利條件,影響附近煤層安全回采。紅柳林井田煤層上覆基巖較薄,距離風(fēng)化基巖含水層較近。作為煤層開(kāi)采的直接充水含水層,其發(fā)育厚度極其不均,且富水性強(qiáng)、地下水靜儲(chǔ)量大、補(bǔ)給條件良好,為紅柳林井田水害防治主要對(duì)象[1-5]。

NEMV技術(shù)是通過(guò)觀測(cè)和分析由巖石、礦石(或者其他探測(cè)對(duì)象)所顯示的天然電磁脈沖信號(hào)差異體現(xiàn)應(yīng)力變化點(diǎn),結(jié)合專有軟件所形成的層析成像剖面進(jìn)行研判,進(jìn)而研究地質(zhì)構(gòu)造的一種新型地球物理勘探方法。

1 技術(shù)原理

19世紀(jì)初,科學(xué)家通過(guò)Dulong-Petit定律認(rèn)識(shí)到:原子的熱運(yùn)動(dòng)在宏觀上的直接表現(xiàn)為熱容。直到20世紀(jì)初Einstein利用Plank量子假說(shuō)解釋了固體熱容為什么會(huì)隨溫度降低而下降的現(xiàn)象。1912年波恩與馮卡門首次使用了周期性邊界條件來(lái)研究晶體點(diǎn)陣振動(dòng)。后來(lái)黃昆先生繼承并發(fā)展了波恩的理論,他認(rèn)為固體內(nèi)部的晶格在應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)在固體溫度控制的能量范圍內(nèi)發(fā)生微振動(dòng),導(dǎo)致晶格變形,隨著應(yīng)力的增大,產(chǎn)生了壓電效應(yīng)。在地球運(yùn)動(dòng)與萬(wàn)有引力的影響下,地球內(nèi)部具有類壓電體性質(zhì)的巖石應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,巖石受到擠壓產(chǎn)生形變甚至破碎,儲(chǔ)存在巖石中的能量突然釋放,這一過(guò)程伴隨著巖石固體晶格的斷裂。斷裂會(huì)使得晶格中的縱振動(dòng)聲波引起橫向電極化,這一極化會(huì)與某一特定波段的電磁波強(qiáng)烈耦合,從而出現(xiàn)極化激元,產(chǎn)生電磁聲子,形成電磁脈沖波[6]。

NEMV技術(shù)通過(guò)接收地下不同深度的自然電磁脈沖信息,對(duì)頻譜內(nèi)不同波長(zhǎng)有效散射面積進(jìn)行還原,提取地質(zhì)極化異常。正常煤層與火燒區(qū)之間由于內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)不一致,勘測(cè)出的數(shù)值也是不一樣,進(jìn)而可以精確劃分火燒區(qū)邊界。

2 劃分4-2煤層火燒邊界

2.1 關(guān)于4-2煤層火燒邊界的圈定原則

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)綜合研究,煤層自燃后形成空腔,其上覆地層原應(yīng)力平衡被破壞,致使出現(xiàn)大量層間裂隙或破碎帶,為后期地表水的下滲提供了導(dǎo)水通道[7-9],對(duì)比原始沉積狀態(tài)的基巖,會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力卸載的現(xiàn)象,其應(yīng)力系數(shù)普遍呈現(xiàn)低-超低異常顯示。同時(shí),火燒區(qū)上覆地層與火燒區(qū)底界之下地層在應(yīng)力剖面圖上有明顯分界線。原生基巖受風(fēng)化后結(jié)構(gòu)雜亂,松軟易碎,孔隙增大,透水性增強(qiáng),節(jié)理裂隙顯現(xiàn),應(yīng)力集中程度較低,其應(yīng)力系數(shù)呈現(xiàn)低異常顯示。

故此,火燒邊界的圈定原則如下:①火燒邊界為應(yīng)力系數(shù)陡變點(diǎn),即在應(yīng)力系數(shù)剖面上表現(xiàn)為由高到低或由低到高的突變點(diǎn);②火燒邊界在層析成像剖面上存在異常。

2.2 火燒邊界剖面解釋

HLL-E028層析成像剖面長(zhǎng)度843 m以東,4-2煤層底板以上相比于西部層理性較差,推測(cè)是由于煤層燃燒后上覆地層出現(xiàn)大量層間裂隙或破碎帶所致,局部放大圖上異常明顯,HLL-E028火燒區(qū)邊界剖面解釋如圖1所示。

應(yīng)力系數(shù)剖面4-2煤層底板以上應(yīng)力分布為低異常,與層析成像剖面異常吻合,進(jìn)一步確定了火燒區(qū)邊界。低異常區(qū)中的超低異常區(qū)推測(cè)為4-2煤層完全燃燒后形成較大的空間,從而造成上部燒變巖層在形成過(guò)程中局部滑塌,尤其是緊靠煤層的燒熔巖部分表現(xiàn)得尤為顯著,造成局部超低應(yīng)力異常區(qū)。

HLL-E065層析成像剖面在長(zhǎng)度518 m以東,4-2煤層底板以上相比于西部層理性較差,推測(cè)是由于煤層燃燒后上覆地層出現(xiàn)大量層間裂隙或破碎帶所致,局部放大圖上異常明顯,如圖2所示。

應(yīng)力系數(shù)剖面與層析成像剖面異常吻合,進(jìn)一步確定了火燒區(qū)邊界。低異常區(qū)中的超低異常區(qū)推測(cè)為4-2煤層完全燃燒后形成空腔,上覆地層出現(xiàn)大量層間裂隙或破碎帶,且在形成過(guò)程中局部坍塌,造成局部超低應(yīng)力異常區(qū)。

HLL-E038層析成像剖面在長(zhǎng)度1 400 m以東,低異常區(qū)中的高應(yīng)力異常推測(cè)為4-2煤層火燒區(qū)上覆地層燒變程度輕、燒變過(guò)程中未發(fā)生原巖的熔融而保存原巖沉積構(gòu)造特點(diǎn)的燒結(jié)巖[10-14],變得致密而堅(jiān)硬,且局部未坍塌,相比自燃使上覆地層出現(xiàn)大量層間裂隙或者破碎帶,呈現(xiàn)出局部應(yīng)力較高的特征,如圖3所示。

HLL-E053層析成像剖面在長(zhǎng)度469 m以東,低異常區(qū)中的高應(yīng)力異常推測(cè)為4-2煤層火燒區(qū)上覆地層燒變程度輕、燒變過(guò)程中未發(fā)生原巖的熔融而保存原巖沉積構(gòu)造特點(diǎn)的燒結(jié)巖,變得致密而堅(jiān)硬,且局部未坍塌,相比自燃使上覆地層出現(xiàn)大量層間裂隙或者破碎帶,呈現(xiàn)出局部應(yīng)力較高,如圖4所示。

圖4 HLL-E053火燒區(qū)邊界剖面解釋圖

綜上所述,層析成像剖面與應(yīng)力系數(shù)剖面上的應(yīng)力分布特征如下,①4-2煤層火燒區(qū)邊界處與正常巖層在垂直方向有相同的應(yīng)力分布特征;②4-2煤層火燒區(qū)煤層自燃后造成應(yīng)力低異常區(qū);③4-2煤層火燒區(qū)底界之下地層應(yīng)力分布與正常巖層相同。

3 火燒邊界圈定

鄂爾多斯盆地東北部地區(qū)延安組煤層自燃燒變直接產(chǎn)物可分為3類,分別為自燃?xì)埩裘?、煤灰和燒變巖。其中自燃?xì)埩裘汉兔夯沂敲簩硬糠只蛉咳紵蟮漠a(chǎn)物,燒變巖則是上覆沉積巖遭受熱烘烤后的產(chǎn)物。煤層自燃后,熱量向外圍擴(kuò)散,熱傳導(dǎo)的主方向垂直向上,導(dǎo)致上覆巖層遭受熱烘烤形成燒變巖,受煤層燃燒程度、時(shí)間不同的影響,上覆巖層受烘烤燒變的程度相應(yīng)不同,即產(chǎn)生不同類型的燒變巖[15]。燒變巖可大體分為2類,即燒變程度重、發(fā)生熔融或部分熔融而具熔融狀、爐渣狀或蜂窩狀的燒熔巖和燒變程度輕、燒變過(guò)程中未發(fā)生原巖的熔融而保存原巖沉積構(gòu)造特點(diǎn)的燒烤巖。煤層自燃燒變事件為普遍存在的地質(zhì)現(xiàn)象,在該地質(zhì)事件中相應(yīng)形成自燃?xì)埩裘?、煤灰和燒變巖等燒變產(chǎn)物,他們?cè)诳v向和橫向剖面上具有明顯的分帶性;這些燒變產(chǎn)物均為原巖在熱力作用下形成,其巖石的巖石力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等均發(fā)生不同程度的變化,通過(guò)層析剖面及應(yīng)力系數(shù)剖面上的異?？赏茢喑龌馃吔?。

通過(guò)對(duì)測(cè)線層析剖面及應(yīng)力系數(shù)剖面異常解釋,綜合研究分析,4-2煤層火燒邊界呈北東走向,總長(zhǎng)3 586.793 m,與歷史電測(cè)資料相比,向西移動(dòng)最大可達(dá)323 m,證明NEMV技術(shù)的優(yōu)越性。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)4-2煤層火燒邊界處應(yīng)力分布與正常巖層有明顯的應(yīng)力區(qū)別。

(2)煤層自燃后形成空腔,上覆地層原應(yīng)力平衡被破壞,致使出現(xiàn)大量層間裂隙或破碎帶,其應(yīng)力系數(shù)普遍呈現(xiàn)低異常顯示,4-2煤層火燒區(qū)底界之上應(yīng)力分布為低異常。

(3)自燃煤層較厚時(shí),燒變巖在剖面上會(huì)呈現(xiàn)出完整分帶序列,即自下而上依次為:煤灰層—爐渣狀或蜂窩狀燒熔巖—板片狀燒烤巖—層狀燒烤巖。這種較厚煤層完全燃燒后往往會(huì)形成較大的空間,而造成上部燒變巖層在形成過(guò)程中滑塌,尤其是緊靠煤層的燒熔巖部分表現(xiàn)得尤為顯著,會(huì)造成局部低異常區(qū),所以4-2煤層火燒區(qū)中低應(yīng)力區(qū)中的超低應(yīng)力區(qū)推測(cè)為煤層自燃后造成燒變巖局部破碎坍塌后形成空腔所致。

(4)4-2煤層火燒區(qū)上覆地層燒變程度輕,保存原巖沉積構(gòu)造特點(diǎn),且局部未坍塌,呈現(xiàn)出局部應(yīng)力較高。

(5)煤層自燃后,熱量向外圍擴(kuò)散,熱傳導(dǎo)的主方向垂直向上,4-2煤層火燒區(qū)底界之上呈現(xiàn)低應(yīng)力區(qū),4-2煤層火燒區(qū)底界之下地層應(yīng)力分布與原巖應(yīng)力分布特征相同。