晁萌萌

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)相當(dāng)數(shù)量的礦井存在自燃火區(qū)現(xiàn)象，因此，煤層自燃形成的火區(qū)作為煤礦災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著國(guó)家煤礦安全生產(chǎn)和煤炭資源，有效探測(cè)獲取范圍的方法是擺在我們面前的迫切問題。經(jīng)過多年探索和實(shí)踐，我們總結(jié)出了一套以瞬變電磁法、測(cè)氡法和磁法相結(jié)合的綜合物探方法。

1 物探方法及原理

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法(簡(jiǎn)稱TEM)是近幾年發(fā)展并推廣起來(lái)的一種新方法、新技術(shù)，它屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法，是利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場(chǎng)(按指數(shù)規(guī)律衰減)，二次場(chǎng)的大小與地下地質(zhì)體的電性有關(guān):低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較慢，二次場(chǎng)電壓較大;高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較快，二次場(chǎng)電壓較小。根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征，就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等，從而可以解決如斷層、采空區(qū)、采空積水區(qū)、陷落柱等地質(zhì)問題。由于瞬變電磁法是觀測(cè)純二次場(chǎng)，自動(dòng)消除了頻率域電磁法和直流電阻率測(cè)深法中的主要噪聲源——裝置耦合噪聲，噪聲主要來(lái)自天電及人文電磁干擾，可使用發(fā)送與接收線圈中心重合的裝置工作，與所探測(cè)的地質(zhì)體達(dá)到最佳的耦合，所得到的異常幅度大、形態(tài)簡(jiǎn)單及受旁側(cè)影響小，提高了對(duì)地質(zhì)體的橫向分辨能力，在高阻圍巖條件下，沒有地形引起的假異常，野外工作要求簡(jiǎn)單，工效高，如圖1 所示。

圖1 TEM 法工作原理示意圖

導(dǎo)電圍巖對(duì)瞬變電磁的影響主要表現(xiàn)圍巖中“環(huán)流”向良性導(dǎo)電地質(zhì)體的集流響應(yīng)，在良性導(dǎo)電地質(zhì)體中產(chǎn)生感應(yīng)渦流的響應(yīng)和激發(fā)極化效應(yīng)［7］。當(dāng)圍巖電阻率較小時(shí)，集流響應(yīng)和激發(fā)極化效應(yīng)起著支配作用［8］，使含水異常特征更加明顯，這也是瞬變電磁勘探在國(guó)內(nèi)能大面積開展的原因。

采空積水區(qū)本身是一有限導(dǎo)電地質(zhì)體，采空積水區(qū)用導(dǎo)電薄板模型來(lái)模擬，其瞬變響應(yīng)表現(xiàn)為中間低兩側(cè)高的異常特征。中間低兩側(cè)高的異常越明顯，采空區(qū)的富水性越強(qiáng)。

1.2 磁法

磁法分為剖面測(cè)量和梯度測(cè)量，本次采用剖面測(cè)量，剖面測(cè)量具有異常幅度大的特點(diǎn)。

本次野外測(cè)量使用2 臺(tái)GSM-19T 質(zhì)子磁力儀，為準(zhǔn)確采集測(cè)區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的磁場(chǎng)值，正式采集數(shù)據(jù)前須要對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)諧測(cè)試、磁法參數(shù)選擇及儀器的一致性校驗(yàn)，一致性校驗(yàn)符合規(guī)程、規(guī)范的要求后才能進(jìn)行測(cè)量。為了進(jìn)行日變校正，將1 臺(tái)磁力儀放置在測(cè)區(qū)以外的正常區(qū)觀測(cè)日變，每30 s 觀測(cè)一次;1 臺(tái)磁力儀進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，最后用日變曲線進(jìn)行校正。

1.3 放射性測(cè)氡

放射性測(cè)氡:測(cè)氡法分為瞬間測(cè)氡法和累積測(cè)氡法［9］，本次采用累積測(cè)氡法，靜態(tài)條件下，使用對(duì)氡有極強(qiáng)吸附能力的吸附劑，并在一定情況下保持正比關(guān)系［10］。由于土壤中孔隙度較大，具有較強(qiáng)的吸附力，因此，儀器使用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的HFS-6α 射線快速測(cè)量?jī)x，來(lái)取坑底中的土樣，測(cè)定土壤中3 min 的放射性。

2 地球物理特征及使用儀器與裝置

2.1 地球物理特征

不同的巖石具有不同的物性特征，根據(jù)測(cè)區(qū)已有鉆孔的測(cè)井資料，巖石物性特征如表1 所示。

表1 煤巖層物性參數(shù)表

從表1 可以看出，本勘探區(qū)地層地電特征較為簡(jiǎn)單，可分為黃土、泥巖、砂巖、煤層和采空區(qū)三大類。根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，黃土、泥巖、砂巖的電阻率一般為25 Ω·m～170 Ω·m;煤層電阻率為90 Ω·m～260 Ω·m;煤層被采空后，在煤層上下巖層間形成一定的空隙，破壞了巖石的完整性和連續(xù)性，故該處電阻率值明顯會(huì)高于周邊完整巖石處的電阻率，表現(xiàn)出明顯的局部高阻特征;然而當(dāng)采空區(qū)的空隙被水充填時(shí)，其電阻率則呈現(xiàn)為低阻特征。

綜上所述，本區(qū)各電性層間電阻率差異較為明顯，因此本區(qū)具備了開展電法勘探的地球物理前提條件。

2.2 儀器及裝置

本次探測(cè)使用的是IGGETEM-30B 型瞬變電磁儀，采用重疊回線框裝置，20 m×40 m 的“∞”字形4 匝線框，儀器參數(shù)的選擇如下:時(shí)基:40 ms，采樣道:66 道，關(guān)斷時(shí)間:50 μs;延時(shí):340 μs，接收面積:800 m2，發(fā)射框:20 m×40 m;延時(shí)道:Log10，疊加次數(shù):512 次，發(fā)射電流:5.5 A。磁法本次野外測(cè)量使用2 臺(tái)GSM-19T質(zhì)子磁力儀。放射性測(cè)氡儀器使用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的HFS-6α 射線快速測(cè)量?jī)x。

3 資料解釋

3.1 異常特征

煤層發(fā)生自燃時(shí)，造成巖石中的導(dǎo)電電子、離子重新排列，在火區(qū)形成一個(gè)高電位差異常區(qū)，我們通常所采用的瞬變電磁法探測(cè)煤層火區(qū)就是利用這個(gè)原理。

3.2 火區(qū)解釋方法

1)曲線過程分析。不同地質(zhì)條件下的曲線類型不同，通過對(duì)曲線分類，可以初步確定測(cè)區(qū)的火區(qū)變化情況。2)數(shù)據(jù)處理分析。野外原始觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，才能進(jìn)入下一步處理。對(duì)其進(jìn)行編輯剔除，為反演處理做準(zhǔn)備，主要包括以下幾方面:a.導(dǎo)入原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，檢查野外原始記錄與瞬變電磁野外記錄表兩者是否一致，若二者不符，查找原因并予以更正。b.對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理，包括坐標(biāo)檢查、頻率選擇、飛點(diǎn)剔除等。c.檢查原始曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行編輯，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存后導(dǎo)出。3)分區(qū)分析。對(duì)于勘察區(qū)覆蓋范圍較大的區(qū)域，由于區(qū)內(nèi)的地形、地質(zhì)情況、火區(qū)燃燒特征變化也較大，因此，針對(duì)不同的地區(qū)采用不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，即“由小到大、由點(diǎn)到面”分析方法，消除地形、地質(zhì)等情況造成的影響。4)縱橫向?qū)Ρ确治?。橫縱向?qū)Ρ确治鲋饕云拭鎴D和平面圖分析，從剖面圖的曲線異常形態(tài)分析正常區(qū)和燃燒區(qū)的位置，同時(shí)，結(jié)合平面圖的異常形態(tài)分析正常區(qū)和燃燒區(qū)的范圍，綜合對(duì)比兩種分析解釋的結(jié)果，使解釋結(jié)論更趨于實(shí)際。

4 工程實(shí)例

4.1 測(cè)線、測(cè)點(diǎn)的布置

本次物探工作設(shè)計(jì)線距50 m，設(shè)計(jì)點(diǎn)距10 m，設(shè)計(jì)勘察面積0.23 km2，設(shè)計(jì)測(cè)線6 條，測(cè)點(diǎn)497 個(gè)，實(shí)際完成測(cè)線6 條，測(cè)點(diǎn)497 個(gè)，勘察面積0.23 km2。

4.2 選取典型的測(cè)線進(jìn)行分析

圖2 2 線磁法校正后等Δt 單支曲線

圖3 2 線測(cè)氡單支曲線

以典型2 測(cè)線為例進(jìn)行說(shuō)明:磁法校正后的等Δt 單支曲線上，在35 號(hào)～56 號(hào)點(diǎn)Δt 值出現(xiàn)明顯高異常，均大于40 nT，初步解釋這處磁異常為2 號(hào)煤層燃燒區(qū)，見圖2。從同位素測(cè)氡法的單支曲線可以看出，有多處高氡值異常，在13 號(hào)～21 號(hào)點(diǎn)、44 號(hào)～52 號(hào)點(diǎn)、72 號(hào)～78 號(hào)點(diǎn)氡值計(jì)數(shù)均大于16 個(gè)/3 min，差值較大，初步解釋這處高氡值異常區(qū)為2 號(hào)煤層燃燒區(qū)和采空區(qū)，見圖3。視電阻率擬斷面圖上，2 號(hào)煤的底板標(biāo)高1 050 m～1 055 m 左右，距離100 m～230 m，390 m～500 m，710 m～740 m(11 號(hào)～24 號(hào)點(diǎn)、40 號(hào)～51 號(hào)點(diǎn)、72 號(hào)～75 號(hào)點(diǎn))處出現(xiàn)向下凹的相對(duì)低阻的半閉合圈異常，初步判斷為2 號(hào)煤煤層燃燒區(qū)和采空區(qū)的反應(yīng)。其他測(cè)線段等值線成層狀分布變化較為平緩，無(wú)明顯異常。

根據(jù)物探工作初步綜合解釋火區(qū)4 個(gè)，燃燒煤層為石炭系太原組2 號(hào)煤層，燃燒深度在50 m～160 m 左右。

5 結(jié)語(yǔ)

采用瞬變電磁法(TEM)、測(cè)氡法、磁法的綜合物探方法，并結(jié)合地質(zhì)資料、已知鉆孔等資料可以準(zhǔn)確探測(cè)出煤層火區(qū)范圍。

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