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.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭精細(xì)勘探與智能開發(fā)全國重點實驗室，北京 100083；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；5.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(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)而形成的一個非常復(fù)雜的動態(tài)過程[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散熱速率時，煤體溫度不斷上升直至引起煤層自燃。自燃著火點及其分布范圍識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的主要任務(wù)[4]。針對煤層隱蔽火源探測問題，相繼發(fā)展出了測溫法[5]、遙感探測法[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)問題。在地球物理探測方面，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)為研究對象，在地面冒煙區(qū)部署物探測線，采用地質(zhì)雷達(dá)和圓錐型瞬變電磁法識別地下自然著火區(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)充滿了空氣時其電性相對煤層和圍巖為高阻反映，若填充了水和其他導(dǎo)電物質(zhì)時則呈現(xiàn)明顯的低阻特征。其他地區(qū)煤礦火區(qū)動態(tài)監(jiān)測研究顯示，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，燃燒區(qū)至燒變巖之間表現(xiàn)為高導(dǎo)到低導(dǎo)的過渡地段[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)驗公式[13]：

式中:θ和θ0為不同時間的巖石溫度，℃；ρ0為θ0時的電阻率，Ω?m；ρ為θ時由式(1)計算的電阻率，Ω?m。

為了獲得電阻率隨溫度變化的相對趨勢，引入歸一化系數(shù)K，令其為：

則通過分析K值特征即可得到電阻率的相對變化規(guī)律。圖1 為θ0=18℃時的K值曲線，K值隨溫度的升高而逐漸下降，表明相對于18℃時的電阻率，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。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)，對于不同的地下電磁參數(shù)，探測深度也不同，頻率越低則探測深度越大。當(dāng)煤層高溫區(qū)的電導(dǎo)率降低時，不會出現(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)探測采用美國GSSI 公司的SIR4000 系統(tǒng)主機、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，只要使圓錐型場源高度變?yōu)? m、線圈半徑相同，該場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[20]。

圖4 圓錐型瞬變電磁探測原理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采用TERRA TEM24 型瞬變電磁儀，數(shù)據(jù)采集時選用儀器內(nèi)置MK3_Standard 時間序列，采樣時間范圍從0.003 6 ms到93.184 4 ms，共83 個采樣窗口，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)斷時間較傳統(tǒng)的多匝線圈短，但關(guān)斷時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，在整個采樣時間范圍內(nèi)對關(guān)斷時間進(jìn)行校正，校正系數(shù)F為[20]：

式中：t為采樣延時；t0為關(guān)斷時間。

在關(guān)斷時間校正以后，采用下式計算各測點數(shù)據(jù)的視電阻率[21]：

式中：ρa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 測線布置

物探測線設(shè)計如圖6 所示，共設(shè)計5 條地質(zhì)雷達(dá)測線，測線編號分別為L1，L2，L3，L4 和L5。其中，測線L1 和L2 長151 m，測線L3 長180 m，測線L4 長95 m，測線L5 長88 m。圓錐型瞬變電磁測線與地質(zhì)雷達(dá)測線重合，點距4 m，線距5 m，其中測線L1 有37 個測量點，測線L2 有37 個測量點，測線L3 有44個測量點，測線L4 有24 個測量點，測線L5 有23 個測量點。

圖6 物探測線布置示意Fig.6 Layout of geophysical survey lines

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

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

4 探測結(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)入深凹開采階段，高陡邊坡急劇涌現(xiàn)，在同一條地球物理測線上不同深度的邊坡階梯所反映出的物性會有所差異。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。在不同的邊坡臺階下，原巖區(qū)和燒結(jié)區(qū)電阻率差異較大，資料解釋時結(jié)合地表觀測情況，根據(jù)各臺階下方電阻率的相對差異來圈定異常。由于地表碎石較為松散，地面冒煙點與地下著火通道的垂向方位可能不存在嚴(yán)格的對應(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 測線地質(zhì)雷達(dá)和圓錐型瞬變電磁探測成果圖(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出現(xiàn)電阻率等值線的下凹、錯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到的冒煙點基本吻合，因此相鄰測線間的低阻凹陷區(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。在測線L1?L3 的中部均反映出中低阻，并出現(xiàn)相似的等值線錯斷特征，與測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)。測線最右端高程最低，與測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

通過與地面冒煙位置比較，結(jié)合5 條線的異常特征，可以推測出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應(yīng)關(guān)系；而③通道為隱伏通道，地面沒有出現(xiàn)冒煙點，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，可以對潛在自燃著火點位置及著火范圍進(jìn)行有效識別，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)生下凹或錯斷。

c.相鄰測線中顯示的鄰近冒煙通道在地下有較強的連通性，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位置。因此，在火燒區(qū)地球物理資料解釋中，需要在分析測區(qū)整體電性規(guī)律的基礎(chǔ)上，分區(qū)研究測線局部范圍內(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。