煤層自燃區(qū)隱蔽火源的綜合地球物理探測(cè)應(yīng)用

馬子鈞，楊海燕，李文宇，許云磊，赫云蘭，劉卓明，李 鵬，黃 赳

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭精細(xì)勘探與智能開(kāi)發(fā)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；5.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤層自燃是煤體分子結(jié)構(gòu)中的活性基團(tuán)與氧氣發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而形成的一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程[1-3]。合適的通風(fēng)供氧通道是煤層自燃的必備條件之一，當(dāng)煤體的氧化放熱速率超過(guò)散熱速率時(shí)，煤體溫度不斷上升直至引起煤層自燃。自燃著火點(diǎn)及其分布范圍識(shí)別一直是困擾煤礦企業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)難題，因此，找準(zhǔn)火區(qū)燃燒中心并確定燒空區(qū)和垮落帶是煤火探測(cè)的主要任務(wù)[4]。針對(duì)煤層隱蔽火源探測(cè)問(wèn)題，相繼發(fā)展出了測(cè)溫法[5]、遙感探測(cè)法[6]以及地球化學(xué)方法[7-8]，在一定程度上解決了相應(yīng)地質(zhì)問(wèn)題。在地球物理探測(cè)方面，由于不同煤體(火燒煤、烘烤煤和正常煤)之間以及破碎帶和圍巖間均具有明顯的物性差異[9-11]，為火燒區(qū)地質(zhì)雷達(dá)和電(磁)法探測(cè)應(yīng)用提供了物理前提。

煤系為沉積地層，巖石以沉積巖為主，在物探成果圖中一般顯示為橫向連續(xù)的電阻率分布。而供氧通道往往與破碎帶、孔隙和裂隙發(fā)育有關(guān)，通道的電性依賴于內(nèi)部填充物的性質(zhì)，在不同階段呈現(xiàn)出不同的電阻率特征。為了研究自燃著火點(diǎn)及其分布特征，筆者以內(nèi)蒙古烏海市公烏素露天礦區(qū)為研究對(duì)象，在地面冒煙區(qū)部署物探測(cè)線，采用地質(zhì)雷達(dá)和圓錐型瞬變電磁法識(shí)別地下自然著火區(qū)位置，以期揭示火區(qū)物探異常特征，為火區(qū)范圍圈定以及著火規(guī)律分析提供依據(jù)。

1 煤田火區(qū)地球物理探測(cè)物性基礎(chǔ)

內(nèi)蒙古烏海市公烏素礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為清楚，煤系為沉積地層，地層傾角較為平緩；礦區(qū)巖石以碎屑沉積巖為主，呈層狀結(jié)構(gòu)。在煤層和矸石自燃發(fā)展過(guò)程中，自燃區(qū)域圍巖裂隙發(fā)育為煤層自燃提供了合適的通風(fēng)供氧通道?？紫锻ǖ赖碾娦源笮∫蕾囉诳變?nèi)填充物，當(dāng)孔隙內(nèi)充滿了空氣時(shí)其電性相對(duì)煤層和圍巖為高阻反映，若填充了水和其他導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)則呈現(xiàn)明顯的低阻特征。其他地區(qū)煤礦火區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究顯示，在燒變巖區(qū)燃燒后裂隙進(jìn)一步發(fā)育，導(dǎo)電性相應(yīng)增強(qiáng)，燃燒區(qū)至燒變巖之間表現(xiàn)為高導(dǎo)到低導(dǎo)的過(guò)渡地段[12]。

沉積巖巖石電阻率隨溫度升高而降低，這種變化與層間水的電阻率降低有關(guān)，其規(guī)律滿足經(jīng)驗(yàn)公式[13]：

式中:θ和θ0為不同時(shí)間的巖石溫度，℃；ρ0為θ0時(shí)的電阻率，Ω?m；ρ為θ時(shí)由式(1)計(jì)算的電阻率，Ω?m。

為了獲得電阻率隨溫度變化的相對(duì)趨勢(shì)，引入歸一化系數(shù)K，令其為：

則通過(guò)分析K值特征即可得到電阻率的相對(duì)變化規(guī)律。圖1 為θ0=18℃時(shí)的K值曲線，K值隨溫度的升高而逐漸下降，表明相對(duì)于18℃時(shí)的電阻率，巖石電阻率隨溫度不斷下降。這種規(guī)律在直流電阻率法和瞬變電磁法火區(qū)探測(cè)應(yīng)用中也得到體現(xiàn)[4,9,14]，為采用以電性為基礎(chǔ)的地球物理探測(cè)提供了物性前提。

2 工作方法

2.1 地質(zhì)雷達(dá)

在地質(zhì)行業(yè)中，地質(zhì)雷達(dá)(GPR)被廣泛應(yīng)用于礦山地質(zhì)構(gòu)造及其裂隙探測(cè)。該方法以地下介質(zhì)介電性差異為基礎(chǔ)，采用發(fā)射天線(Transmission，T)向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)介電常數(shù)差異面上產(chǎn)生反射和投射，反射波和直達(dá)波由接收(Reception，R)天線接收(圖2)。電磁波的衰減常數(shù)和傳播常數(shù)與工作頻率有關(guān)，對(duì)于不同的地下電磁參數(shù)，探測(cè)深度也不同，頻率越低則探測(cè)深度越大。當(dāng)煤層高溫區(qū)的電導(dǎo)率降低時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)明顯反射界面，而且反射波形比較凌亂[15-17]。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理Fig.2 Schematic diagram showing a ground penetrating radar survey

本文研究中地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)采用美國(guó)GSSI 公司的SIR4000 系統(tǒng)主機(jī)、100 MHz 天線以及RADAN 數(shù)據(jù)處理軟件(圖3)。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)儀器設(shè)備Fig.3 Ground penetrating radar equipment

2.2 圓錐型瞬變電磁法

圓錐型瞬變電磁法(CSTEM) 是近年來(lái)產(chǎn)生的新方法，在天線形式上將多匝重疊小回線提升為圓錐型收發(fā)一體式天線，只要使圓錐型場(chǎng)源高度變?yōu)? m、線圈半徑相同，該場(chǎng)源就變回了多匝小回線(圖4)，因此，可以將多匝小回線看作這種場(chǎng)源的一種特殊形式[18-19]。該方法理論以小線圈瞬變電磁理論為基礎(chǔ)，其互感系數(shù)僅為多匝小回線的1/9，較大地提升了橫向分辨率并減小淺部“盲區(qū)”，尤其在裝置穩(wěn)定性和工作效率方面具有較大優(yōu)勢(shì)[20]。

圖4 圓錐型瞬變電磁探測(cè)原理Fig.4 Schematic diagram showing a conical source-based transient electromagnetic survey

本文研究中圓錐型瞬變電磁探測(cè)采用TERRA TEM24 型瞬變電磁儀，數(shù)據(jù)采集時(shí)選用儀器內(nèi)置MK3_Standard 時(shí)間序列，采樣時(shí)間范圍從0.003 6 ms到93.184 4 ms，共83 個(gè)采樣窗口，疊加32 次。天線裝置為圓錐型發(fā)收一體式天線，天線頂?shù)装霃椒謩e為0.5 和1.0 m，高0.5 m(圖5)。

圖5 圓錐型瞬變電磁天線Fig.5 Antenna used in the conical source-based transient electromagnetic method

在資料處理階段，雖然圓錐型天線的關(guān)斷時(shí)間較傳統(tǒng)的多匝線圈短，但關(guān)斷時(shí)間校正仍然能有效提升早期和中期段有效數(shù)據(jù)質(zhì)量。在將感應(yīng)電位轉(zhuǎn)換為視電阻率之前，在整個(gè)采樣時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行校正，校正系數(shù)F為[20]：

式中：t為采樣延時(shí)；t0為關(guān)斷時(shí)間。

在關(guān)斷時(shí)間校正以后，采用下式計(jì)算各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的視電阻率[21]：

式中：ρa(bǔ)為視電阻率；μ為磁導(dǎo)率；S和S0分別為發(fā)射和接收線圈面積；V(t)為感應(yīng)電位；I為電流。

3 測(cè)線布置

物探測(cè)線設(shè)計(jì)如圖6 所示，共設(shè)計(jì)5 條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，測(cè)線編號(hào)分別為L(zhǎng)1，L2，L3，L4 和L5。其中，測(cè)線L1 和L2 長(zhǎng)151 m，測(cè)線L3 長(zhǎng)180 m，測(cè)線L4 長(zhǎng)95 m，測(cè)線L5 長(zhǎng)88 m。圓錐型瞬變電磁測(cè)線與地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線重合，點(diǎn)距4 m，線距5 m，其中測(cè)線L1 有37 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)線L2 有37 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)線L3 有44個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)線L4 有24 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)線L5 有23 個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

圖6 物探測(cè)線布置示意Fig.6 Layout of geophysical survey lines

圖7 為測(cè)量環(huán)境示意圖，該測(cè)區(qū)環(huán)境較為復(fù)雜。地表觀測(cè)得知，測(cè)區(qū)覆蓋多個(gè)緩坡、陡坡和斷崖，為著火通道與空氣接觸提供了條件。測(cè)區(qū)左側(cè)有大片冒煙區(qū)，在施工時(shí)有水罐車(chē)澆水滅火。在L1 到L4 測(cè)線左端均觀察到多個(gè)冒煙點(diǎn)，形成冒煙區(qū)。

圖7 測(cè)量環(huán)境示意Fig.7 Survey environment of the study area

4 探測(cè)結(jié)果分析

研究區(qū)巖石以碎屑沉積巖為主，呈層狀結(jié)構(gòu)，地層傾角較為平緩。隨著露天礦轉(zhuǎn)入深凹開(kāi)采階段，高陡邊坡急劇涌現(xiàn)，在同一條地球物理測(cè)線上不同深度的邊坡階梯所反映出的物性會(huì)有所差異。煤層燒變巖經(jīng)受高溫?zé)Y(jié)，巖石內(nèi)部原有空隙水被燒干，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生一定重構(gòu)，導(dǎo)致巖石電性發(fā)生變化。因此，在資料解釋階段，根據(jù)不同邊坡階梯呈現(xiàn)出的電阻率差異，分區(qū)進(jìn)行電阻率的橫向和縱向比較。在不同的邊坡臺(tái)階下，原巖區(qū)和燒結(jié)區(qū)電阻率差異較大，資料解釋時(shí)結(jié)合地表觀測(cè)情況，根據(jù)各臺(tái)階下方電阻率的相對(duì)差異來(lái)圈定異常。由于地表碎石較為松散，地面冒煙點(diǎn)與地下著火通道的垂向方位可能不存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即煤層燃燒產(chǎn)生的煙霧向上沿松散層擴(kuò)散，冒煙區(qū)的位置間接反映出地下著火通道的大致范圍。

原巖區(qū)和燒結(jié)區(qū)的物性穩(wěn)定性較為連續(xù)，其頂界面在雷達(dá)影像中呈現(xiàn)出較為明顯的反射同相軸，在圓錐型瞬變電磁成果中則體現(xiàn)為橫向連續(xù)的電阻率分布。從L1?L3 測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)和圓錐型瞬變電磁探測(cè)成果圖(圖8) 可 以 看 出，L1 線 的0～100 m 段、L2 線的0～112 m 段以及L3 線的0～136 m 段均呈現(xiàn)出高阻反應(yīng)，整體上電阻率橫向連續(xù)性較好，同時(shí)雷達(dá)影像同相軸較為清晰，該處應(yīng)為原巖區(qū)的反映。

圖8 L1?L3 測(cè)線物探成果Fig.8 Outcomes of the ground penetrating radar surveys and conical source-based transient electromagnetic surveys of survey lines L1–L3

與原巖相比，燒變巖巖體裂隙、空隙發(fā)育，煤火燃燒作用形成破碎帶和疏松脫空現(xiàn)象，反映在地質(zhì)雷達(dá)影像圖中多為因雷達(dá)波多次反射而出現(xiàn)的同相回波弱且不連續(xù)等特征，在圓錐型瞬變電磁擬斷面圖上則會(huì)出現(xiàn)電阻率等值線的下凹、錯(cuò)斷以及電阻率值的突變等規(guī)律。該特征在圖8 中也得到反映，在L1 線的84～88 m 和100～128 m、L2 線的76～88 m 和128～164 m以及L3 線的16～36 m 和112～124 m 分別呈現(xiàn)低阻或中低阻異常，且電阻率連續(xù)性較差，在對(duì)應(yīng)的雷達(dá)影像中也出現(xiàn)多次反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)出破碎帶或疏松脫空的響應(yīng)特征。

即使在推測(cè)的原巖區(qū)內(nèi)視電阻率擬斷面也出現(xiàn)了等值線下凹情況，下凹和其他破碎帶位置與地面觀測(cè)到的冒煙點(diǎn)基本吻合，因此相鄰測(cè)線間的低阻凹陷區(qū)極有可能存在著火通道。

為了建立地下著火通道間的聯(lián)系，繪制出圓錐型瞬變電磁視電阻率切片，如圖9 所示。綜合5 條測(cè)線可以看出，研究區(qū)左端電性整體較為穩(wěn)定，為穩(wěn)定原巖的高阻反應(yīng)，從地表至地下反映出層狀分布的地質(zhì)特征。在測(cè)線L1?L3 的中部均反映出中低阻，并出現(xiàn)相似的等值線錯(cuò)斷特征，與測(cè)線左端相比該處高程落差近4 m，電性分布較為復(fù)雜，呈現(xiàn)出破碎帶的反應(yīng)，從L1 線到L3 線電阻率不斷升高，可能和燃燒程度有關(guān)。測(cè)線最右端高程最低，與測(cè)線左端相比該處高程落差近6 m，是否為燒結(jié)區(qū)還需要進(jìn)一步探明。

圖9 圓錐型瞬變電磁視電阻率切片F(xiàn)ig.9 Apparent resistivity slices from conical source-based transient electromagnetic surveys

通過(guò)與地面冒煙位置比較，結(jié)合5 條線的異常特征，可以推測(cè)出4 條地下著火通道，通道的中心位置分別為：①L3 線0 m → L4 線8 m → L5 線20 m，②L1線40 m → L2 線36 m → L3 線28 m，③L1 線90 m →L2 線88 m → L3 線124 m，④L1 線126 m → L2 線130 m → L3 線160 m。在推測(cè)的4 條地下著火通道中，①、②和④通道已經(jīng)得到揭露，地面冒煙區(qū)范圍與地下通道之間具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；而③通道為隱伏通道，地面沒(méi)有出現(xiàn)冒煙點(diǎn)，是否為燒結(jié)所致仍待進(jìn)一步確認(rèn)。

5 結(jié)論

a.煤層自燃區(qū)識(shí)別結(jié)果表明，綜合圓錐型瞬變電磁和地質(zhì)雷達(dá)兩種方法，可以對(duì)潛在自燃著火點(diǎn)位置及著火范圍進(jìn)行有效識(shí)別，為著火區(qū)范圍的圈定以及著火規(guī)律的分析提供依據(jù)。

b.原巖區(qū)和燒結(jié)區(qū)的物性穩(wěn)定性較為連續(xù)，其頂界面在雷達(dá)影像中呈現(xiàn)出較為明顯的反射同相軸，在瞬變電磁成果中則體現(xiàn)為橫向連續(xù)的電阻率分布。著火區(qū)地下通道主要由孔洞裂隙發(fā)育、巖體破碎等因素造成，反映在地質(zhì)雷達(dá)剖面中為同相回波弱且不連續(xù)，以及出現(xiàn)多次反射，在瞬變電磁擬斷面中則顯示出一定的電阻率橫向差異，使視電阻率等值線發(fā)生下凹或錯(cuò)斷。

c.相鄰測(cè)線中顯示的鄰近冒煙通道在地下有較強(qiáng)的連通性，具有隱伏特征，地表覆蓋層的致密程度決定了地表的冒煙點(diǎn)位置。因此，在火燒區(qū)地球物理資料解釋中，需要在分析測(cè)區(qū)整體電性規(guī)律的基礎(chǔ)上，分區(qū)研究測(cè)線局部范圍內(nèi)的物性變化，以界定原巖和燒變巖中物探異常的分布規(guī)律。