姜 濤

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安）

引言

新疆呼圖壁縣白楊河礦區(qū)某礦井田含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組下段，含煤7 層，編號(hào)自上而下為3 號(hào)至9 號(hào)煤層，其中全區(qū)可采煤層4 層，即5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)、8 號(hào)煤層。根據(jù)已有地質(zhì)資料顯示，煤礦井田南部煤層露頭處有火燒區(qū)分布，火燒區(qū)邊界及積水情況不明。按照《煤礦防治水細(xì)則》相關(guān)要求，煤層燒變區(qū)邊界及富水情況不明區(qū)域，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持有掘必探等原則，采取井上下結(jié)合的鉆探、物探、化探等綜合技術(shù)手段進(jìn)行探查。因此，為保障礦井安全生產(chǎn)，須對(duì)上述煤層采空區(qū)和燒變區(qū)的邊界及富水情況進(jìn)行探查。本文采用磁法技術(shù)探查井田南部5 號(hào)煤層燒變區(qū)邊界，為后期相關(guān)工作開展奠定基礎(chǔ)。

1 井田地質(zhì)概況

1.1 井田地層

本區(qū)位于天山北麓烏魯木齊山前坳陷帶內(nèi)，準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤田西部井田內(nèi)，出露地層由老至新為侏羅系西山窯組（J2x）及第四系。

（1）中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）：在井田的大部分區(qū)域有出露，是主要含煤地層，其所含煤層露頭大部分為火燒。

（2）第四系全新統(tǒng)（Q4pal）：分布于沖溝之中，主要為現(xiàn)代河床沖洪積礫石層，其特征為灰白色、土灰色，礫狀結(jié)構(gòu)，礫石與少量砂混雜堆積，礫石成份主要為砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖、燒變巖、巖漿巖，礫石礫徑一般為0.2～0.6 m，分選差，圓狀～次圓狀，個(gè)別為棱角狀，無膠結(jié)，礫石間充填物為砂和少量泥質(zhì)，厚10～15 m，與下伏地層呈沖刷接觸。

1.2 煤層

本區(qū)含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組下段（J2x1），含可采及局部可采煤層7 層，編號(hào)自上而下為3、4、5、6、7、8、9 號(hào)煤層，全區(qū)可采煤層4 層，即5、6、7、8 號(hào)煤層。煤層平均總厚40.52 m，含煤系數(shù)為7.8%。煤層地表露頭均已自燃火燒。與本次探查研究相關(guān)5 號(hào)煤層特征描述如下，煤層相對(duì)位置關(guān)系見圖1。5 號(hào)煤層：井田范圍內(nèi)該煤層地表已火燒。據(jù)本礦及鄰區(qū)白楊溝煤礦資料，煤層厚度為7.43～14.00 m，本礦石門見煤厚度為12.56 m，局部含一層夾矸，頂板巖性為泥巖、粉砂巖，底板巖性為粗砂巖、粉砂巖、泥巖。層位穩(wěn)定，屬穩(wěn)定煤層。

圖1 煤層相對(duì)位置示意

2 地球物理特征

煤系地層為沉積地層，一般情況下煤層變質(zhì)程度低，煤層區(qū)域地磁強(qiáng)度相較其他巖層差異性較小。在煤層發(fā)生自燃后，溫度超過一定程度后，在燃燒過后煤層頂?shù)装灏樯狞S鐵礦和菱鐵礦等物質(zhì)受熱變質(zhì)到溫度恢復(fù)正常后，能形成有一定磁性的燒變巖層，保留熱剩磁，其磁化強(qiáng)度和磁化率是燃燒變質(zhì)前的幾倍乃至幾十倍，形成的磁異常值明顯的磁性差異，利用上述差異是磁法探測(cè)的地球物理特性[1-2]。

3 磁法探查技術(shù)

磁法探查技術(shù)是利用磁力儀探測(cè)地層磁性差異變化的地球物理方法。已知的地磁六要素非互相獨(dú)立，在確定三個(gè)要素的前提下可以求解其他要素并計(jì)算得到該處地磁總場(chǎng)強(qiáng)度。通常情況下儀器觀測(cè)得到的地磁場(chǎng)強(qiáng)度包括大陸磁場(chǎng)、地球以外的如太陽(yáng)風(fēng)暴等原因引起的磁場(chǎng)、隨時(shí)間變化的地磁場(chǎng)、在地質(zhì)因素如煤層燒變和鐵礦石等其他磁性礦物富集區(qū)域引起的磁場(chǎng)。一般來說隨時(shí)間變化的地磁場(chǎng)可以進(jìn)行日變校正，磁異常解釋時(shí)用以抵消時(shí)間變化而引起的磁場(chǎng)變化。通常磁法探查用磁力儀觀測(cè)的是地磁總場(chǎng)值[4]。

本次在新疆呼圖壁縣某煤礦磁法探查燒變區(qū)邊界研究中，使用的測(cè)量?jī)x器為加拿大先達(dá)利（SCINTREX）公司生產(chǎn)的ENVI PRO 質(zhì)子磁力儀，其測(cè)量功能豐富，其中包括較先進(jìn)的磁力儀/磁梯度儀（ENVI MAG/ENVI GRAD）測(cè)量和甚低頻（ENVI VLF）測(cè)量。測(cè)線布置走向垂直于煤層原火燒區(qū)邊界，線距20 m、點(diǎn)距10 m。設(shè)計(jì)測(cè)線56 條，各測(cè)線長(zhǎng)度相同，測(cè)線編號(hào)由北向南逐漸增大，測(cè)線布置見圖2。

圖2 磁法工作布置示意

4 資料處理與解釋

4.1 數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：該階段主要工作位根據(jù)已搜集掌握的地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)干擾源分布情況，對(duì)明顯優(yōu)于噪聲引起的地磁總場(chǎng)變化的測(cè)點(diǎn)從數(shù)據(jù)中剔除，再進(jìn)行全區(qū)網(wǎng)格化處理，最大限度消除環(huán)境噪聲帶來的解釋誤差。

（2）化極處理：該階段工作主要是在消除地磁總場(chǎng)隨時(shí)間變化帶來的差異后，將斜磁化條件下的磁異常值計(jì)算得到垂直磁化方向的磁異常，使得數(shù)據(jù)解釋的基準(zhǔn)一致[3]。

（3）磁異常的方向求導(dǎo)：此階段處理的目的為，在日變校正得到數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)得到的磁異常值（ΔT）進(jìn)行0°、45°、90°、135°及垂直方向求導(dǎo)計(jì)算，用以壓制區(qū)域背景噪聲，突出磁異常值。

4.2 資料解釋

本次煤層燒變區(qū)范圍探查成果解釋工作以處理得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先對(duì)每條測(cè)線的磁異常值進(jìn)行剖面曲線分析。再對(duì)全區(qū)化極及求導(dǎo)過后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平面成圖。最終對(duì)比單條剖面曲線和磁異常值總平面圖，結(jié)合搜集的鉆孔等地質(zhì)資料研究判別煤層燒變區(qū)邊界[5]。

受不同地層巖性和地層厚度特征變化，得到的磁異常值會(huì)存在局部區(qū)域出現(xiàn)一定的強(qiáng)弱變化。在熟悉鉆孔地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的情況下，對(duì)得到的原始曲線再進(jìn)行沿拓處理分析。綜上，本區(qū)域磁場(chǎng)數(shù)據(jù)處理后結(jié)合已有地質(zhì)資料分析可得到測(cè)區(qū)內(nèi)的磁異常值（ΔT）大致可分為兩類[6]：（1）背景場(chǎng)：探查區(qū)內(nèi)正常含煤地層的剩余磁異常值基本穩(wěn)定，多集中在±300nT 之間，可作為正常背景場(chǎng)。（2）強(qiáng)磁異常：確定300nT 與-300nT 的為磁異常邊界值，大于300nT 與小于-300nT 的區(qū)域應(yīng)為燒變區(qū)域，且隨燒變區(qū)內(nèi)巖層受高溫、燃燒變質(zhì)程度的增加，磁異常值增加，即燒變巖變質(zhì)影響層位較厚；經(jīng)對(duì)全區(qū)各測(cè)線磁異常曲線圖的分類，結(jié)合5 塊模型組合反演和瞬變電磁法探測(cè)成果對(duì)磁異常邊界進(jìn)行了推斷。在磁異常值斷面圖中，煤系沉積地層△T（磁異常值）與5號(hào)煤層燒變后△T 數(shù)值變化特征顯著。已知正常煤系地層磁異常值△T 穩(wěn)定變化，數(shù)值小，剖面曲線反映官話，磁異常數(shù)據(jù)點(diǎn)分布相對(duì)均一，在沒有外在噪聲和地球外太陽(yáng)風(fēng)暴等因素影響下，不會(huì)出現(xiàn)磁異常值的突變。當(dāng)存在煤層燒變時(shí)，該區(qū)域磁異常值△T 值相較正常地層幅值變化劇烈，一般表現(xiàn)為磁異常值絕對(duì)值的突增，出現(xiàn)無規(guī)律的跳變。下列選取測(cè)區(qū)內(nèi)具有代表性的測(cè)線磁異常剖面曲線圖進(jìn)行分析，圖3 中橫軸為沿測(cè)線方向的橫向水平距離（單位為：m），縱軸為計(jì)算處理后的磁異常值的幅值大小變化，數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示如圖3 中藍(lán)色圓點(diǎn)，磁異常剖面曲線圖作為資料處理的依據(jù)，也是解釋成果的來源?，F(xiàn)對(duì)代表性測(cè)線磁異常剖面曲線分析如下：

圖3 不同測(cè)線磁異常剖面曲線

如圖3，其中圖3（a）為選取測(cè)線的相對(duì)位置關(guān)系，圖3（b）為45 線磁異常剖面曲線，橫向距離240～500 m 之間的△T 值集中在-200～+200nT 范圍內(nèi)，曲線較光滑，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，為正常地層磁異常曲線。橫向距離在250 m 處△T 曲線出現(xiàn)跳變，△T 值首先跳變?yōu)?62nT，持續(xù)增大至最大的3219nT，磁異常的持續(xù)增大特征表明該處有異于正常地層的強(qiáng)剩磁異常存在，隨后磁異常值逐漸轉(zhuǎn)正出現(xiàn)正負(fù)交替的強(qiáng)磁異常現(xiàn)象，跳變段主要集中在橫向距離的150～170 m 之間。這種正負(fù)交替的強(qiáng)磁異常現(xiàn)象標(biāo)明此處地層剩磁性較強(qiáng)，且磁化方向不均一，與煤層燒變巖剩磁性規(guī)律吻合。圖3（c）為23 線磁異常剖面曲線，磁異常變化特征與45 線類似。橫向距離410～520 m 之間的△T 值集中在0～+200nT 范圍內(nèi)，曲線較光滑，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，為正常地層磁異常曲線；橫向距離在390 m 處△T 曲線出現(xiàn)急劇變大的現(xiàn)象，△T 值首先跳變?yōu)?300nT，后持續(xù)增大至負(fù)的最大值-590nT，在橫向距離280～300 m 之間逐漸轉(zhuǎn)正出現(xiàn)正負(fù)交替的強(qiáng)磁異?，F(xiàn)象，這種正負(fù)交替的強(qiáng)磁異?，F(xiàn)象標(biāo)明此處地層剩磁性較強(qiáng)，且磁化方向不均一，與煤層燒變巖剩磁性規(guī)律吻合。綜合解釋上述磁異常變化為煤層燒變的綜合反映。

5 平面解釋

一般來說磁異常大小變化與煤層燒變后的磁化強(qiáng)度成正比關(guān)系，隨煤層燒變巖體積增大而增加，體積相當(dāng)時(shí)，磁異常值隨目標(biāo)體的埋深增大而出現(xiàn)異常值的減弱變化，且曲線梯度小，異常范圍表現(xiàn)出加寬趨勢(shì)。本次5 號(hào)煤層燒變區(qū)邊界最終成果的綜合推斷解釋過程中，主要結(jié)合了每條磁異常剖面曲線圖和各煤層底板等高線圖、5 號(hào)煤層原火燒區(qū)邊界圖和部分其他地質(zhì)資料。

推斷的5 煤層火燒區(qū)邊界成果如圖4 所示，圖中紅色粗實(shí)曲線為本次推斷的火燒區(qū)邊界，洋紅色實(shí)線為原火燒區(qū)邊界線。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本報(bào)告推斷的5 煤層火燒區(qū)邊界與原邊界延伸趨勢(shì)大致相似，局部存在重合和相交的區(qū)域，但絕大部分區(qū)域存在差異，最大處達(dá)到了約140 m左右。鑒于本次磁法探測(cè)過程中可供參考的已知資料較之前探測(cè)有所增加，且磁法測(cè)點(diǎn)密度較大，所以本次推斷的5 煤層火燒區(qū)邊界在精度上要大于原火燒區(qū)邊界。

圖4 5 號(hào)煤層燒變區(qū)邊界綜合解釋推斷

6 結(jié)論

（1）通過磁法勘查技術(shù)研究，以新疆呼圖壁縣某礦為例，查明了勘查區(qū)內(nèi)5 號(hào)煤層的燒變區(qū)邊界分布情況，解釋的煤層燒變區(qū)邊界與以往普查階段結(jié)果精度有較大提高。

（2）使用磁法能夠?qū)γ簩訜儏^(qū)邊界實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)，其效果顯著，是可以在煤層古燒變區(qū)邊界探查中值得推廣的技術(shù)手段。