王志勵(lì)，林金波，劉麗娟，邵 鵬

（1.浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，浙江 寧波 315000；2.江西省煤田地質(zhì)局 測(cè)繪大隊(duì)，江西 南昌 330001）

煤的自燃不僅造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的負(fù)面影響，直接威脅到煤礦的安全開采。因此，如何快速有效圈定自燃火區(qū)的范圍已成了煤礦地質(zhì)勘探工作的一個(gè)重要任務(wù)。一直以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者及科研單位對(duì)煤礦地下火區(qū)開展了大量的研究工作，但是至今還沒有一種通用的方法。如磁法探測(cè)適用于火源溫度較高的封閉火區(qū)，但對(duì)于溫度≤100℃的火區(qū)應(yīng)用效果不是非常理想。測(cè)溫儀表與測(cè)溫傳感器聯(lián)合測(cè)溫法受煤導(dǎo)熱性能的影響，在探測(cè)深度上受到很大的限制。最近，很多學(xué)者對(duì)火區(qū)自然地物熱紅外發(fā)射率光譜特征進(jìn)行分析，通過遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)火區(qū)自然地物信息的提?。ㄈ绲匚镱愋妥R(shí)別、特征地物的判讀等），進(jìn)而確定火源位置和范圍〔1〕，但是礙于地表比輻射率參數(shù)的差異，未進(jìn)行全面廣泛的推廣。劉鴻福團(tuán)隊(duì)采用活性炭測(cè)氡法結(jié)合其它物探方法在內(nèi)蒙、山西等地的煤礦進(jìn)行地下火區(qū)探測(cè)，證明了活性炭測(cè)氡法在探測(cè)地下火區(qū)的有效性〔2〕。本文嘗試運(yùn)用小回線瞬變電磁法結(jié)合活性炭測(cè)氡法對(duì)大同某地下火區(qū)進(jìn)行探測(cè)，小回線瞬變電磁法具有探測(cè)深度大、分辨率高、不受靜態(tài)效應(yīng)影響等優(yōu)點(diǎn)，克服了火區(qū)地表干燥，接地條件差的限制，有效地對(duì)自燃區(qū)的范圍、深度進(jìn)行了圈定，說明了小回線瞬變電磁法在探測(cè)煤礦地下火區(qū)中是可行的。

1 小回線瞬變電磁法的基本原理

小回線瞬變電磁法（small loop circle line transient e-lectromagnetic method）是一種利用電磁感應(yīng)定律探測(cè)地下地電信息的地球物理勘探方法。通過觀測(cè)二次磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化率來解釋地下不同深度的空間結(jié)構(gòu)和地質(zhì)體的電性參數(shù)等信息。在瞬變過程的早期，主要是高頻成分，由于集膚效應(yīng)，渦流主要集中于淺表層，因此早期的電磁場(chǎng)主要反映淺表層的地質(zhì)體信息；瞬變過程的中、晚期，頻域中的高頻成分逐漸衰減，低頻成分作用相對(duì)明顯，因此中、晚期的電磁場(chǎng)主要反映深部地質(zhì)體的信息。

小回線瞬變電磁法回線-中心探頭裝置的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式：

式中：μ0為磁導(dǎo)率；I為發(fā)射電流；α為發(fā)射回線半徑；r為場(chǎng)點(diǎn)至發(fā)射中心的距離；J1為第一類Bessel函數(shù)；λ為積分變量；Rn為n層大地表面的反射系數(shù)。

由式子可以看出，大、小回線信號(hào)強(qiáng)度隨發(fā)射時(shí)間的延長而增大。一般TEM 在大回線時(shí)，發(fā)射的電流大約為10A，而小回線需要1200A 左右的電流達(dá)到與大回線相當(dāng)強(qiáng)度的信號(hào)。

目前TEM 視電阻率計(jì)算方法是把實(shí)際測(cè)量值置于均勻大地、相同的裝置條件下而求出理想狀態(tài)的均勻半空間的電阻率。換言之，在對(duì)小尺寸的地質(zhì)體勘查時(shí)，由于觀測(cè)的視電阻率值本身就很小，這樣就不能忽略數(shù)據(jù)采集誤差。小回線裝置恰好解決了這一問題：發(fā)射、接收線圈同步移動(dòng)，不存在電阻率換算所帶來的誤差，這樣就使小回線裝置大大提高了瞬變電磁法的探測(cè)精度和分辨率。

小回線瞬變電磁法是以介質(zhì)的電磁性差異為物理基礎(chǔ)來解決有關(guān)問題的〔4〕。主要是根據(jù)火區(qū)位置比較干燥，表現(xiàn)出高電阻率的特征，而火區(qū)上方受下部烘烤，裂隙水形成水蒸氣在上方富集，介質(zhì)相對(duì)潮濕，顯示出低電阻率特征，這就為在該區(qū)開展物探工作提供了依據(jù)。

2 探測(cè)實(shí)例與應(yīng)用效果分析

2.1 工作區(qū)概況

工作區(qū)處于山西大同西南側(cè)，地勢(shì)相對(duì)平緩，總體切割不深。區(qū)內(nèi)地層主要出露有奧陶紀(jì)中世峰峰組（O2f）、石炭紀(jì)中世本溪組（C2b）、上世太原組（C3t）、二疊紀(jì)下世山西組（P1s）、侏羅紀(jì)下世永定莊組（J1y）、侏羅紀(jì)中世大同組（J2d）、云崗組（J2y）、第四紀(jì)中、上更新世（Q2+3）。含煤地層為侏羅紀(jì)煤系和石炭二疊紀(jì)煤系，其中侏羅紀(jì)可采煤層有2＃、3＃、4＃、8＃、9＃、11＃、12＃、14＃、15＃煤9層。

2.2 探測(cè)結(jié)果與分析

為了能對(duì)測(cè)氡結(jié)果進(jìn)行有效的確定分析，有必要對(duì)工作區(qū)內(nèi)的氡背景值進(jìn)行了解。在正常區(qū)選作了一條試驗(yàn)線，由S1線活性炭測(cè)氡剖面（見圖1）分析可知，區(qū)內(nèi)氡值背景在700個(gè)計(jì)數(shù)／3min附近。

圖2為18＃測(cè)線活性炭測(cè)氡異常剖面，可以看出剖面線1?！?3＃點(diǎn)氡值曲線異常跳躍明顯，最高值為1000個(gè)計(jì)數(shù)／3min左右，均值也在700個(gè)計(jì)數(shù)／3 min以上，為地下煤層自燃造成的氡異常；而14?！?7＃點(diǎn)氡值曲線呈水平狀，均值都在700 個(gè)計(jì)數(shù)／3 min以下，應(yīng)為正常區(qū)域。圖5為研究區(qū)氡異常平面等值線圖，圖中可以看到明顯的高氡值異常帶，計(jì)數(shù)率為700次／3min等值線圈定的范圍為地下火區(qū)的位置，其它區(qū)域?yàn)檎^(qū)。

圖3為18＃測(cè)線瞬變電磁多測(cè)道剖面圖。從圖中可以看出剖面線1?！?3＃點(diǎn)中期多測(cè)道曲線略向下彎曲，顯示出高視電阻率特性；而在過13＃點(diǎn)后（14?！?7＃點(diǎn)）曲線開始上翹，表現(xiàn)出低視電阻率特性。這就較好地顯示了火區(qū)范圍一直延伸到13＃點(diǎn)附近。結(jié)合18＃測(cè)線瞬變電磁視電阻率剖面圖分析（見圖4），剖面圖1＃～13＃點(diǎn)視電阻率值明顯高于14?！?7＃點(diǎn)，埋深大致在30～60m 深度處。

對(duì)比小回線瞬變電磁法與活性炭測(cè)氡法測(cè)量結(jié)果，兩者均有效反映了地下火區(qū)的存在，高視電阻率與高氡值異常對(duì)應(yīng)較好，視電阻率剖面高視電阻率異常清晰地表明了自燃區(qū)的空間位置及規(guī)模。

圖1 S1線活性炭測(cè)氡剖面

圖2 18線活性炭測(cè)氡剖面

圖3 瞬變電磁18線多測(cè)道剖面

圖4 瞬變電磁18線視電阻率剖面

圖5 勘探區(qū)氡異常平面等值線

3 結(jié)語

比較小回線瞬變電磁法與活性炭測(cè)氡法測(cè)量結(jié)果，兩者均對(duì)地下火區(qū)范圍進(jìn)行了有效的圈定；小回線瞬變電磁法更是對(duì)自燃區(qū)的空間位置進(jìn)行了確認(rèn)。因此，開展小回線瞬變電磁法來探測(cè)煤礦地下火區(qū)是一種較為有效的方法。

但是，由于物探方法選擇的原因，對(duì)于自燃區(qū)是否為多煤層自燃還是單層煤層自燃引起，本次工作未能進(jìn)行有效辨別。因此，在后期煤層自燃治理時(shí)，還需進(jìn)行激發(fā)極化法來確認(rèn)。

〔1〕夏 軍，塔西甫拉提，特依拜，等.煤田火區(qū)自然地物熱紅外發(fā)射率光譜測(cè)量及其特征〔J〕.煤炭學(xué)報(bào)，2012，12（37）：2053-2058.

〔2〕劉鴻福，白春明，舒祥澤，等.用測(cè)氡技術(shù)探測(cè)煤礦地下火區(qū)的研究〔J〕.煤炭學(xué)報(bào)，1997，22（4）：402-405.

〔3〕陰建康，閆 述，陳明生.瞬變電磁法小發(fā)射回線探測(cè)裝置及其應(yīng)用〔J〕.煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（3）：66-68.

〔4〕成劍文.瞬變電磁法在煤礦應(yīng)用中的研究〔D〕.山西：太原理工大學(xué)，2007.