綜合物探技術(shù)在煤礦燒變巖富水區(qū)探測中的應(yīng)用

王益

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

綜合物探技術(shù)在煤礦燒變巖富水區(qū)探測中的應(yīng)用

王益*

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

眾所周知，物探成果具有多解性。通過對磁法和瞬變電磁法（TEM）2種技術(shù)相結(jié)合，在新疆天池能源將軍隔壁二礦燒變巖富水區(qū)探測中應(yīng)用的介紹，說明綜合2種物探技術(shù)的優(yōu)勢，能準(zhǔn)確查明燒變巖的位置、范圍和富水性，極大地提高了成果解釋的精度，為該礦疏排水方案提供重要依據(jù)。

磁法；瞬變電磁法；燒變巖富水區(qū)

煤層燃燒后造成周圍巖層性質(zhì)的改變，形成空洞或裂隙，成為地下水賦存和運移的良好空間［1］。新疆地區(qū)火燒區(qū)分布廣泛，燒變巖含水層水也成為新疆煤礦開采水害主要因素之一［2］。將軍戈壁二礦屬露天開采，其主采的B5煤層和B2煤層不同程度火燒，火燒后不同程度積水，前期的開采活動揭露出水點5處，最大涌水量達(dá)到約500m3/h，嚴(yán)重影響煤礦正常生產(chǎn)。為此，在前期地質(zhì)勘探的基礎(chǔ)上，需要對燒變巖的位置、范圍和富水性進(jìn)行精細(xì)探查，以保障煤礦正常安全生產(chǎn)。

1　礦井地質(zhì)條件

1.1地層

井田內(nèi)地表北部、東部、西部部分區(qū)域有第四系覆蓋，侏羅系中—上統(tǒng)石樹溝群在中部大面積出露，在北部邊緣、西部邊緣及東南部邊緣有侏羅系中統(tǒng)西山窯組、下統(tǒng)三工河組出露。西山窯組地層含煤層7層，從上至下編號為B7、B5、B3、B2、B2下、B1上、B1，其中可采主要煤層為B5和B2煤層，經(jīng)前期鉆孔資料顯示，B5煤層火燒深度125m，B2煤層火燒深度170m。

1.2水文地質(zhì)

井田內(nèi)主要劃分了5個含（隔）水層（段）：第四系透水不含水層、侏羅系中—上統(tǒng)石樹溝群裂隙孔隙弱承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)西山窯組裂隙孔隙弱承壓含水層、下侏羅統(tǒng)三工河組相對隔水層、燒變巖裂隙潛水弱含水層。其中，燒變巖裂隙潛水弱含水層出露于礦田西部、北部，地層遭受不同程度的火燒，巖石被烘烤燒結(jié)后，體積收縮，裂隙發(fā)育，受大氣降水、雪融水的補給形成燒變巖裂隙潛水。

2　地球物理特征

2.1磁性特征

由于侏羅紀(jì)含煤地層中有一定量的鐵磁性物質(zhì)及菱鐵礦的存在，煤層自燃時頂?shù)装褰?jīng)過高溫作用形成燒變巖，當(dāng)鐵磁性物質(zhì)超過居里點溫度時，在地磁場的作用下，在降溫的過程中，產(chǎn)生熱剩磁，在地表引起磁異常，未經(jīng)過高溫的鐵磁性物質(zhì)和菱鐵礦沒有磁性，從而產(chǎn)生了磁性差異［3］。測區(qū)火燒露頭實測磁化率（κ）常見值145.46×10－6，而未火燒的巖心實測磁化率（κ）常見值為1.17×10－6。可見測區(qū)火燒露頭燒變巖與未火燒的圍巖有明顯的磁異常差異，具備磁法勘探的地球物理前提條件。

2.2電性特征

礦區(qū)淺部的第四系沖積層為相對低阻，其下含煤的塔里奇克組為相對高阻，深部的三疊系粉、細(xì)砂巖為相對低阻。從垂向上看，整體呈現(xiàn)低阻—高阻—低阻的電性變化特征。本次探測主要目標(biāo)層為侏羅系地層，處于相對高阻中。當(dāng)目標(biāo)層因燒變巖積水、風(fēng)化層含水或含水層富水時，由于水的易導(dǎo)電特性，將使正常的高阻地層顯示相對低阻特征，從而使地下水位置和范圍顯現(xiàn)。

3　物探工作

3.1磁法勘探

本次磁法勘探測網(wǎng)密度為40m×20m，即線距40m、點距20m，共施工磁法測線32條，磁法總物理點6360個。施工過程中，儀器采用ENVI-PRO質(zhì)子磁力儀，并選擇合適的基站，保證了勘探精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量；數(shù)據(jù)處理過程中首先將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、消除畸變點、網(wǎng)格化等預(yù)處理工作，然后進(jìn)行磁異常的化極、延拓和求導(dǎo)處理，編制了測區(qū)實測磁異常剖面圖、磁異常平面圖、B5煤和B2煤燒變區(qū)及火燒邊界示意圖等圖件。圖1為B5煤燒變區(qū)及火燒區(qū)邊界示意圖。

3.2TEM勘探

圖1　B5煤燒變區(qū)及火燒邊界示意圖

本次TEM勘探為減少測量工作量，測網(wǎng)與磁法測網(wǎng)重合，共施工測線32條，總物理點6540個。施工過程中，使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8瞬變電磁儀，采用中心回線工作裝置，根據(jù)測區(qū)火燒層比較淺的特點，經(jīng)實驗確定240m×240m邊長的發(fā)射邊框，工作頻率為25Hz；數(shù)據(jù)處理過程中首先對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、參數(shù)轉(zhuǎn)換、地形校正等預(yù)處理工作；然后對處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演解釋；編制出各線視電阻率擬斷面圖、B5和B2煤層燒變巖富水異常區(qū)平面分布示意圖等。圖2為B5煤燒變巖富水異常區(qū)平面分布示意圖。

圖2　B5煤燒變巖富水異常區(qū)平面分布示意圖

4　綜合分析解釋

4.1斷面綜合分析解釋

對地球物理特征分析可知，燒變巖不含/富水的情況下，在TEM數(shù)據(jù)中應(yīng)為高阻反映，而當(dāng)其含/富水或強富水時，在TEM數(shù)據(jù)中應(yīng)為相對低阻或強低阻反映，因此進(jìn)行綜合分析解釋，能提高火燒區(qū)邊界定位的精度。

圖3為磁法、TEM數(shù)據(jù)對比示意圖。圖3（a）為16線磁異常剖面曲線圖，橫向距離1880～2520m之間的ΔT（磁異常）值集中在-27.2～-30.78nT范圍內(nèi)，為推斷為正常地層磁異常反映，橫向距離在2540m處ΔT曲線出現(xiàn)跳變，跳變段主要集中2540～3240m之間，推斷為燒變巖地層磁異常反映。

圖3（b）為TEM數(shù)據(jù)反演視電阻率擬斷面圖，圖中視電阻率值在橫向距離2500m以西整體偏高，由淺至深大致呈較均勻的“低阻—高阻—低阻”或“高阻—弱低阻—弱高阻—低阻”變化趨勢，等值線相對平緩，含煤地層在其中的反映為中間高阻或弱高阻特征，整體反映了正常地層的電性特征，該段與磁法曲線對正常地層的反映相吻合；橫向距離2520～2720m段視電阻率值由“高阻—低阻—弱高阻”趨勢，向2740m以東的“高阻—強低阻”電性特征漸變，2520m往東段與磁法曲線中磁異常絕對值逐漸增大的緩變特征相吻合。由此可見，從斷面上對磁法和TEM數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析解釋，能相互補充和驗證，提高探測解釋精度。

圖3　磁法、TEM數(shù)據(jù)對比示意圖

4.2平面綜合分析解釋

煤層經(jīng)火燒后形成的燒變巖含/富水性主要與燒變巖范圍、燒變巖層裂隙發(fā)育程度、上部含水巖層的富水性及季節(jié)性大氣降水等多種因素有關(guān)。煤層火燒程度、頂板冒落及裂隙發(fā)育情況的差異，使燒變巖的連通性會發(fā)生變化，這也導(dǎo)致燒變巖富水分布不均勻，富水強弱有差別。此次探測目標(biāo)地層平面圖中大范圍的低阻異常區(qū)主要分布在推斷的火燒區(qū)范圍內(nèi)，應(yīng)是燒變巖含/富水的電性特征反映。

圖4為B5煤層燒變巖富水異常區(qū)綜合推斷圖，主要推斷2處富水異常區(qū)，均在推斷的煤層火燒區(qū)范圍內(nèi)，其中一處位于測區(qū)的中西部，與推斷的火燒區(qū)邊界延展趨勢相同，富水區(qū)范圍較大，其面積約0.228km2；另一處位于測區(qū)的東北部，范圍非常大，其面積約1.04km2，在該推斷的富水區(qū)南部（32線的222號測點附近和34線214～218點之間有已知出水點5處），最初最大涌水量達(dá)到約500m3/h，經(jīng)對出點水填埋壓實后減小為約80m3/h，且一直保持至今，因此可推斷該富水區(qū)富水性較強。

圖4　B5煤層燒變巖富水異常區(qū)綜合推斷示意圖

5　鉆探驗證

在此次物探中間成果出來后，礦方立即對推斷的火燒區(qū)邊界及燒變巖富水異常區(qū)實施打鉆驗證，共布置鉆孔6個，鉆探結(jié)果見表1。鉆孔ZK1、ZK3、ZK5布置在離推斷的火燒區(qū)邊界約50m范圍內(nèi)，B5及B2煤層均見實煤，無火燒現(xiàn)象；鉆孔ZK2、ZK4、ZK6布置在推斷的燒變巖富水異常區(qū)內(nèi)，除ZK2鉆孔未見B2煤層有火燒現(xiàn)象，其余均有火燒現(xiàn)象，且不同程度積水。鉆探驗證結(jié)果說明磁法和TEM勘探成果準(zhǔn)確、可靠，達(dá)到了地質(zhì)任務(wù)的要求。

6　結(jié)論

煤層自然邊界具有不規(guī)則性，且圍巖燒變程度不同，造成磁異常和積水情況不同，探測成果對磁異常和含/富水的反映也不盡相同。磁法勘探能準(zhǔn)確探測火燒邊界，TEM勘探能準(zhǔn)確找出富水異常區(qū)，2種方法各有優(yōu)勢。采用先劃定火燒邊界，再進(jìn)行富水性探測的方式，在資料解釋過程中對比分析，綜合2種物探成果，確定了B5和B2煤層火燒區(qū)邊界及燒變巖富水區(qū)的分布范圍，方法選擇具有針對性，施工方案設(shè)計合理，成果滿足礦方要求。2種物探方法相結(jié)合，在新疆地區(qū)燒變巖富水性探測中有廣闊的應(yīng)用前景。

表1　對物探成果驗證情況表

［1］牛建國.劉智昌，等.燒變巖及其水文地質(zhì)特征研究［C］//煤田地質(zhì)與可持續(xù)發(fā)展論文集，2003：162-170.

［2］羅淑政，玉米提·哈力克，JoergSchulz，等.新疆煤田火災(zāi)的成因、危害及綜合治理［J］.災(zāi)害學(xué)，2008，23（3）：62-70.

［3］花育才，孟紅星，孫耀峰，等.磁法和瞬變電磁法探測煤層火燒區(qū)邊界及富水性［J］.中國煤炭地質(zhì)，2012（8）：80-84.

TD82.72

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1004-5716（2016）10-0119-04

2016-05-15

王益（1982-），男（漢族），陜西西安人，工程師，現(xiàn)從事礦井物探技術(shù)科研工作。