磁法和瞬變電磁法探測煤礦充水火燒區

張剛艷

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

煤層自燃產生的火燒區一般最先發生在煤層露頭部位，然后向下向周圍擴展。由于煤層燃燒產生的熱使周圍巖層發生燒變，這樣巖層中就會產生大量的孔隙，為地下水提供了賦存空間。如果在其周邊進行開采，就有可能與該空間導通，形成導水通道，對煤礦生產安全造成一定威脅。因此，需要通過物探手段探測火燒區邊界，并查明其富水狀況。

1 火燒區探測的地球物理前提

正常沉積的巖石一般是沒有磁性的，個別有微弱磁性。當煤層發生燃燒形成燒變巖，在降溫過程中會產生熱剩磁，這種熱剩磁異常可以在地面通過儀器觀測到。煤層燃燒后形成的孔隙內正常情況下呈現高電阻率反映，但當孔隙內充滿水或部分充水，電阻率就會下降，這些為采用磁法和瞬變電磁法進行火燒區探測提供了良好的地球物理前提。

2 方法原理和工作布置

2.1 磁法工作原理

巖石磁性的大小由磁化率、感應磁化強度和剩余磁化強度來表示，其中磁化率是衡量巖石磁性的重要參數之一。對于同一巖石，溫度對其磁性的影響比地磁場變化影響還要大。煤層在燃燒過程中的不同階段有不同的特征。在煤層開始燃燒，圍巖受到高溫燒烤溫度逐漸上升，在特定的溫度段，由于高溫和地磁場的作用，鐵質礦物經氧化還原及“弱場冷卻”的物理化學變化，產生了較強的“熱剩磁”，通常在500℃左右，磁性開始升高，在達到700℃左右時圍巖磁性消失;在煤層燃燒結束后，溫度大于500℃的圍巖溫度降低，巖石磁性較原巖升高上百倍，相應的巖層形成了具有較強磁性的燒變巖，使燒變巖與圍巖產生明顯的磁性差異，可見死火區的巖石磁性要大于正在燃燒的火區磁性。因此，通過磁參數測量可以有效圈出煤層火區燒變巖的范圍。

2.2 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法的物理基礎為電磁感應原理，即導電介質在階躍變化的激勵磁場的激發下產生渦流場的問題。它是以不接地回線通以脈沖電流作為場源，以激勵探測目的物感應二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時間變化的響應。二次場從產生到結束的時間是短暫的，即是“瞬變的”，它屬于時間域電磁法。

2.3 工作布置

山西某礦火燒區的研究區域為東西長約600m，南北寬約400m。磁法和瞬變電磁法的工作布置重合，都是按照線距40m，點距20m的網度進行。

3 資料分析

3.1 磁法資料分析

3.1.1 單支曲線分析

圖1為磁法5線的曲線圖，從圖中可以看出，在剖面20～160m范圍內的磁異常值相對較大，推斷為火燒區異常。

圖1 磁法5線曲線

3.1.2 平面分析

圖2為磁法推斷火燒區異常成果圖，圖中的小圓為布置的磁法測點，等值線為磁感應強度值，粗黑色虛線圈定的部分為推斷的火燒異常區。從圖中可以看出，本測區的火燒區主要分布在測區的中部，由物探測線的4～8線控制，發育方向總體上為東西向，且東西均延出測區。同時，在9，10，11線控制的測區東北角也有異常反映，推斷該異常在測區東北角也延出測區。該火燒異常區發育規模較大。

圖2 磁法推斷火燒異常區

3.2 瞬變電磁法資料分析

3.2.1 剖面圖分析

圖3為4線的視電阻率等值線斷面圖中的一段，斷面圖反映了標高1150～1340m之間地層電性的分布情況。圖中近水平虛線為煤層，黑色的粗虛線橢圓為推斷的火燒區積水異常。從橫向上看，測線方向20～140m處有明顯的低電阻率異常，推測為火燒區積水異常。

圖3 瞬變電磁法4線視電阻率等值線斷面

3.2.2 平面圖分析

圖4為瞬變電磁法推斷火燒積水區異常成果圖，圖中的等值線為視電阻率等值線，粗黑色虛線圈定的陰影部分為推斷的火燒富水異常區。從圖中可以看出，本測區的火燒富水異常區主要分布在測區的中部，由瞬變電磁法測線的3～8線控制，發育方向總體上為東西向，4～8線的20～200號點范圍以及7～8線的500～580號點范圍為該異常區的主要富水異常區。

圖4 瞬變電磁法推斷火燒充水區

3.3 驗證情況分析

綜合磁法和瞬變電磁法資料分析后，建議分別在7線420號點、7線540號點、8線100號點進行鉆探驗證，結果3個鉆孔均打到了火燒區，且7線540號點、8線100號點揭露的火燒區均充水，驗證了物探推斷解釋結果準確。

4 結論

利用煤層自燃產生熱剩磁，在地表引起磁異常的物性條件，采用磁法圈定火燒區邊界;利用火燒區充水后，電阻率急劇下降的物性條件，采用瞬變電磁法進行火燒區充水性探測。兩種方法互為補充，綜合探測，不失為一種充水火燒區探測的理想手段。

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