急傾斜煤層隱伏火區和采空區探測技術及應用

文/薛友興

山西焦煤汾西礦業集團汾西正暉昌元煤礦井田內煤層傾角56°～73°，屬急傾斜煤層。地表淺部的殘煤及采空區深部的煤層因自燃造成地表分布有許多明火點，地下暗火點不計其數。火區采空區多達三到四層，縱橫交錯，上下貫通，出現大面積的塌陷。為了查明昌元煤礦露頭火區的分布情況，山西汾西正暉煤業有限責任公司組織有關地質勘察單位采用高精度磁法勘探技術，對昌元煤礦露頭火區和塌陷區進行了綜合勘探，查清隱伏火區和采空區空間分布情況，消除了潛在隱患，確保礦井實現安全生產。

一、隱伏火區的高精度磁法勘探技術

1.高精度磁法探查火區的依據

采用高精度磁力觀測方法，有助于研究火區的小區域、弱異常變化，探測不規則異常源。煤系地層受到剝蝕，煤層出露受到干熱氧化作用，煤層燃燒后，頂底板圍巖中的礦石等成分受高溫作用后產生磁性物質，形成具有磁性的燒變巖體。目前，在火區磁場觀測中，主要有剖面測量和面積測量兩種。由于磁場測量儀器的性能提高，可同時連續獲得有關磁場總場、垂直梯度場、測量位置和時間、校正系數等參數。為此，結合火區地形特點，可采用任意連續規則剖面和非連續不規則高密度測量方法研究煤露頭火區邊界、深度和燃燒分帶等特征，采用規則測網與不規則測網的磁場面積測量方法圈定火區范圍。

2.高精度磁法勘查技術方法

（1）測網布置

煤田火災滅火規范（試行）第十六條規定：“采用物探法勘察火區時，應遵守下列規定：火區初勘階段，線距100～200m，點距10m,急傾斜煤層點距5m，緩傾斜煤層點距10m”。本次磁測工作，由明火點和燒變巖（高磁異常）開始沿露頭向兩邊，確定高異常范圍，由明火點和燒變巖高磁異常開始沿傾斜方向，測出高異常寬度，再計算出火區深度。由于5號煤露頭起伏較大，本次工作測網密度為50×5m，即線距50m，點距5m。露頭線方向按50m的間距，傾斜方向按5m的間距，測出高異常范圍。

（2）施測方法

出野外前先把設計測點坐標輸入GPS手簿中，采用全球定位系統(GPS)實時差分技術（RTK）放樣功能，施放測點于實地，并記錄點坐標。實地點位放置彩條，并每隔50m用木樁進行標注。

（3）磁測儀器及測量要求

為保證儀器的精度，對磁法儀器的噪聲水平、觀測精度、一致性、系統誤差等進行測定。根據磁場區域的強弱、噪音條件，或高梯度地區調節分辨率。以傳感器的剩余磁性的強度和振蕩器的精度決定精確度。以室溫和溫度動態的變化范圍決定時鐘的使用時長。用手動調節改變傳感電纜長度和補償高梯度漂移。啟動內置開關自周期，實現定時測量，自動存儲。

（4）基點選擇

外業施工前，在測區外圍的西南側選擇一條長210m的測線，進行5m點距磁測。根據測量結果，基點選在剖面的23號點，如圖1所示。

圖1 昌元煤礦磁法物探的基點選擇剖面示意圖

3.高精度磁法探查結果

共布置磁法掃面41條，測點820個，檢查點42個，精測剖面3條，測點63個。經過檢查，掃面平面定點、精測平面定點、高程測量均符合磁法物探規范，磁測工作精度達到了規范要求的小于5nT的精度標準。本次工作共發現3個磁異常區，根據異常的規模和解釋，各異常的編號為1號異常區、2號異常區、3號異常區。

根據火區平均寬度(L)，煤層平均傾角(θ≈67°)，利用公式H=L·tanθ，可估算火區最大燃燒深度。

經過計算，1號火區異常寬度分別為長470.95m，寬57.73m，火區深度為100m。2號火區異常寬度分別為長317.49m，寬47.92m，火區深度為83m。3號火區異常寬度分別為長587.11m，寬50.22m，火區深度為87m。

4.磁法物探結果的鉆探測溫驗證

為驗證磁測圈定的隱伏火區，在昌元煤礦露頭火區布置了4個鉆孔，其中1號孔布置在無火異常區（0號孔），孔深107m。在圈定的3個火區高異常區的邊緣，布置了3個鉆孔，分別為1號孔、2號孔和3號孔，孔深分別為112m、98m、99m。4個鉆孔累計孔深416m，測溫404m。經過鉆探測溫驗證，磁測圈定異常區均為火區，通過磁測剖面高異常寬度計算的火區深度與鉆探測溫高溫區相近。

二、 隱伏采空區的瞬變電磁勘探法技術

昌元煤礦煤層露頭處埋藏淺，煤層厚，由于歷史上小煤窯私挖亂采現象普遍，不僅沿5號煤層露頭形成了很多塌陷區，地下也形成了分布散亂的采空區。采空區不僅造成地表環境的破壞，也誘發了深部煤層燃燒，地表生態環境遭受嚴重破壞，給礦井的安全生產帶來隱患。為查明煤層露頭一帶的隱伏采空區，山西汾西正暉煤業有限責任公司重點對采空區進行了瞬變電磁物探。

1.瞬變電磁物探原理及依據

瞬變電磁勘探屬于純二次場觀測，故與其他電性勘探方法相比，具有體積效應小，縱橫向分辨率高，對低阻反映靈敏等特點，已成為煤礦常用的電法物探方法，廣泛應用于采煤工作面煤層頂板或底板富水異常區、采空積水區等的探測。瞬變電磁法的激勵場源主要有兩種，一種是回線形式(或載流線圈)的磁源，另一種是接地電極形式的電流源。

2.物探方法

本次勘探工作使用的瞬變電磁儀選擇重疊回線觀測裝置進行探查。根據勘探區地形地貌、地質條件及采空區深度等，發射框邊長采用50m×40m。為確定物探儀器的最佳工作參數，先行進行了物探試驗。試驗地點位于物探區一處地形較平坦、無強干擾源的地段，分別選擇了不同時基、不同延時道、不同疊加次數、不同增益的參數進行對比試驗，最終確定了最佳工作參數。其中，發射框50m×40m，線距50m，點距20m，時基為20ms，延時道為LOG20，疊加次數為128，增益為10倍。

為保證野外數據質量，在生產中采取了一系列的技術保證措施。包括：采用GPS放點布設發射線框，多余電纜成S形鋪開。供電導線對地絕緣電阻大于2MΩ、內阻小于4Ω/km。專人操作儀器，確保數據采集系統的安全。瞬變電磁接收裝置避免放在強磁場及金屬干擾物等強干擾源附近，減少了人為電磁干擾。在村莊、高壓線附近存在電磁干擾時，采取增加觀測次數等措施，并做了現場情況記錄。對儀器工作狀況以及測點周圍地形、地物、電纜線和其他可能影響到資料解釋的因素進行了詳細記錄。按規程要求進行質量檢查。每天野外采集結束后，及時將物探數據輸入計算機進行檢查，如數據不合格，次日重測。

圖2 瞬變電磁物探資料解釋流程框圖

3.物探數據處理方式

瞬變電磁法觀測數據是各測點斷電后二次磁場垂直分量的時間變化率和延遲時間，需換算成視電阻率、視深度等參數，才能對資料進行下一步解釋，瞬變電磁數據的處理步驟如下：

（1）濾波。為了減少噪聲對勘查精確度的影響，首先對采集到的數據進行濾波，采用人機連作的方式對電磁噪聲進行處理。

（2）關斷時間校正。在實際勘探工作中由于發射框與大地間存在電容和線框波形狀態，形成與理論發射波形的細微差別，有一定后沿時間的關斷波形，所以要校正到理想波形狀態。

（3）處理。根據視電阻率的計算數值，對野外采集的數據進行處理，消除因測點不同形成的誤差。

（4）時深轉換。為了準確地對資料進行分析，把瞬變電磁儀器野外觀測到的數據變換成電阻率隨深度的變化。

（5）反演。多次反復演示野外采集數據，得出地面的電性特征，結合實際分析地質資料和測井資料情況。

（6）繪制參數圖件。從采集的數據中選出每條測線的數據，繪制各測線視電阻率斷面圖，即沿每條測線電性隨深度的變化情況。數據處理和解釋程序如圖2所示。

經過最終解釋，在2號治理區的達子營—戈家窯物探段共圈定出9處采空異常區和4處高溫異常區，在獅子溝-石壩物探段共圈定出11處采空異常區和2處高溫異常區，經過治理過程中的開挖證實，物探所圈定的采空區和火區空間位置基本正確。

三、實施技術勘探的效果及結論

昌元煤礦通過應用磁測探測技術，確定了該煤田內2、3、5號煤層火燒區的自燃邊界, 基本劃定了未燃燒邊界和完全燃燒邊界線，并根據鉆孔對邊界進行驗證結果，與解釋結果一致，說明此次磁測工作及解釋成果可靠，可作為劃分煤田自燃邊界的依據。瞬變電磁的物探結果與實際施工開挖中的情況一致，并驗證了物探的火區和采空區位置及相應的深度，對工程施工治理具有指導作用。實踐證明，綜合利用物探技術探測方法確定煤田火區邊界是一種簡單、方便、有效的方法，對山西省乃至國內同類煤礦火區和采空區探測圈定具有重要的借鑒意義和示范作用。

綜上所述，高精度磁法勘查技術和瞬變電磁勘探技術可精確探測煤層厚度、煤層分布及埋藏、地質構造等情況，利用物探結果為礦井合理布置工作面、優化礦井設計、減少工程浪費量，提高資源回采率，保障安全生產提供重要的地質保證。