地面核磁共振技術在隱伏火燒區富水性探測中的應用

侯恩科，樊江偉，高利軍，王建文，陳德海，遲寶鎖，王宏科

地面核磁共振技術在隱伏火燒區富水性探測中的應用

侯恩科1，樊江偉1，高利軍2，王建文2，陳德海3，遲寶鎖4，王宏科4

(1. 西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；2. 陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西 榆林 719300；3. 上海申豐地質新技術應用研究所有限公司，上海 201702；4. 陜西陜煤陜北礦業有限公司，陜西 榆林 719000)

煤層隱伏火燒區上覆基巖復合含水層(包括風化基巖和燒變巖含水層)是煤層開采的主要威脅之一，明確隱伏火燒區的富水性對礦井水害防治具有重要意義。基于此，以發生過較大突水事故的檸條塔煤礦為研究對象，利用地面核磁共振(SNMR)技術開展隱伏火燒區含水層富水性探測并對其進行分析和驗證。結果表明，隱伏火燒區共有2個含水層位，分別為第四系松散砂層含水層和1-2上煤上覆基巖含水層；第四系砂層含水層富水性受地表地形及其下隔水層頂部起伏形態影響水平變化較大；1-2上煤上覆基巖含水層富水性總體西南較低、北東較高，該含水層厚度9～30 m，局部相對較厚，推測為1-2上煤火燒區風化基巖和燒變巖含水層的疊加反映；研究區內1-2上煤上覆基巖含水層總體呈現出西部及中部偏東南區域富水性相對較大，其余區域富水性相對較小。利用SNMR得到的含水層富水程度與探放水孔及水文孔的涌水量結果大致相同，表明該方法的勘探結果相對可靠，可用于隱伏火燒區富水性的探測。

地面核磁共振；隱伏火燒區；含水層；富水性

燒變巖是煤層自燃烘烤使圍巖發生顏色、成分、結構和構造變化而形成的特殊巖類。陜北侏羅紀煤田煤層在地史期間曾發生過大規模的自燃，形成了大量地表出露和埋于地下的燒變巖[1-2]。燒變巖裂隙、孔洞發育，為地下水徑流、儲存提供了良好空間，有利于接受上覆和側方含水層補給，或于燒變巖底部盆形構造區富集地下水，常與松散層、風化基巖含水層一起成為礦區的復合含水層[3-4]。由于燒變巖壓覆了大量優質煤炭資源，在其下方、側方采煤時會導致燒變巖水涌入礦井，使燒變巖水資源遭到破壞，同時給煤礦安全生產造成嚴重威脅[5-6]。所以查明隱伏火燒區的富水性具有重要意義。

目前關于火燒區相關的探測研究中，相關學者通過地質調查、物探調查等方法從眾多方面研究了燒變巖的成因機理[7]、巖石分類與特征[8]、邊界范圍探查[9-11]、水文地質條件及保水采煤技術[12-14]。這些研究中針對火燒區富水性探測的相關研究相對較少，而核磁共振技術是一種唯一直接探尋地下水的地球物理勘探方法，較比其他方法通過測試電阻率、電導率、極化率、衰減時等間接參數找水有著明顯的優勢。目前尚未有基于核磁共振技術對隱伏火燒區富水性探測的相關研究，筆者通過核磁共振技術對檸條塔煤礦1-2上煤層隱伏火燒區內含水層富水性進行探測分析，為隱伏火燒區富水性的探測提供了一種新方法。

1 研究區概況

研究區位于鄂爾多斯盆地神府礦區南部、檸條塔井田南翼。檸條塔井田南翼大部分地表被現代風積沙及薩拉烏蘇組沙層所覆蓋，局部地表出露第四系黃土及新近系紅土；北翼地表大部出露第四系黃土及新近系紅土，基巖零星出露。根據鉆孔揭露及地質填圖資料，檸條塔井田地層由老至新依次發育為：侏羅系富縣組(J2)、延安組(J2)、直羅組(J2)及安定組(J2)，新近系保德組紅土層(N2)，第四系中更新統離石組黃土層(Q2)，上更新統馬蘭組黃土層(Q3)與薩拉烏蘇組(Q3)，以及頂部的第四系全新統風積沙層(Q4eol)與沖積層(Q4al)。其中延安組為唯一含煤地層。

檸條塔煤礦南翼東南部發育有1-2上煤層隱伏火燒區，面積約1.58 km2，其西側S1210工作面2011年采動突水，也表明存在1-2上煤燒變巖水補給。1-2上煤層燒變巖含水層抽水鉆孔單位涌水量0.038 0～ 0.179 9 L/(s·m)，為弱—中等富水性，且燒變巖和風化基巖含水層水力聯系較密切，形成了復合含水層。該隱伏火燒區地表相對平坦，為風沙灘地地貌。地下2-2煤層平均厚度6.08 m，與1-2上煤燒變巖、風化基巖平均距離分別為18、22 m，綜采垮落帶必然導通1-2上煤層燒變巖含水層，使2-2煤的開采面臨1-2上煤燒變巖水和風化基巖水雙重含水層水害威脅。為了查明隱伏火燒區含水層富水性強弱及其空間變化，筆者采用地面核磁共振(Surface Nuclear Magnetic Resonance，SNMR)技術對研究火燒區進行了探查，對含水層參數進行了解譯分析。

本次研究區的電性變化規律為：淺表層局部有全新統風積沙集聚區呈高阻電性特征，下部土層呈低阻電性特征。向下至延安組砂巖地層，上部巖層風化破碎后，裂隙發育，含水率增大，泥質含量增高，電阻率幅值隨之降低，風化程度愈高，電阻率幅值愈低；含煤地層電性呈增大的趨勢特征，砂巖地層中的煤層一般呈穩定的高阻特征；至含煤地層下部穩定砂巖地層，電阻率值較含煤地層降低。

綜上，當地層沉積層序穩定，不含局部地質構造、燒變巖區、含水區時，地層電性呈穩定的“高—低—高—低”趨勢特征；當地表無風積沙時，或會呈“低—高—低”的趨勢特征；相反，當地層中存在這些特殊地質體和含水區時，地層電性將會發生明顯的變化，如采集的視電阻率等值線發生扭曲變形、圈閉等。這種明顯的地層和局部地質體的電性差異，為以導電性差異為應用前提的地面電法勘探的實施提供了良好的地球物理基礎；核磁共振的測量過程對電磁噪聲非常敏感，易受高壓線、通信線路影響，由于研究區位于毛烏素沙漠東南緣，地表被現代風積沙層所覆蓋，人煙稀少、高壓線路及通信線路較少，故該區域對SNMR探測影響較小。

本次物探中，地下水的存在為地面核磁共振找水勘探提供了地球物理條件。

2 地面核磁共振技術原理

地面核磁共振技術是電磁勘探方法領域中一種全新的探測技術[15-16]。相較于傳統地球物理勘探方法，該方法具有許多其他方法所不具備的優勢，如：信息豐富、靈敏方便、經濟便利、定量反演、解釋直接等。地面核磁共振法在一定的探測深度范圍內，實現了對地下水資源和含有液態氫質子的探測，到目前為止，SNMR是唯一的一種直接探尋地下水的地球物理勘探方法。

SNMR找水是利用不同物質原子核弛豫性質差異產生的NMR效應[17-20]，即利用氫核(質子)的弛豫特性差異，在地面上利用核磁感應系統，觀測、研究在地層中氫核產生的核磁共振信號的變化規律，進而探查地下水(氫核–質子)是否存在(圖1)。地面核磁共振法找水儀器是使用核磁感應系統(NUMISPoly)，使儀器的探測深度達到了150 m。在實際工作中，通過由小到大地改變激發脈沖矩，達到探測地層由淺到深的氫核的存在性和賦存狀態，實現對地下水資源的探測。

圖1 核磁共振測深方法原理

在SNMR方法中，通常向鋪在地面上的線圈中供入頻率為拉莫爾頻率的交變電流脈沖，發射電流脈沖的包絡線為矩形。在地層中交變電流形成的交變磁場激發下，使地下氫核形成宏觀磁矩。這一宏觀磁矩在地磁場中產生旋進運動，其旋進頻率為氫核所特有。在切斷激發電流脈沖后，用同一線圈拾取由不同激發脈沖矩激發產生的NMR信號，該信號的包絡線呈指數規律衰減。NMR信號強弱或衰減快慢直接與質子的數量有關，即NMR信號的幅值與所探測空間內氫核含量成正比，因此，構成了一種直接探測氫核的方法。SNMR找水方法的測量參數中，信號的初始振幅與地下含水層的含水量成正比；信號衰減時間與滲透性有關；信號的初始相位與含水層的導電性有關，可以用于尋找、區分淡水和鹽水。

對采集的數據使用法國IRIS公司隨儀器提供的一維反演程序進行處理、反演計算，在SNMR方法資料反演解釋中，利用目前比較廣泛使用的吉洪諾夫正則化法。對于一組實測的NMR信號數據自動確定了一個解。

通過反演計算，即可獲得各測點含水層的賦存部位(深度、厚度)、含水率和滲透系數等信息[21-22]，然后根據一維反演計算結果利用Surfer軟件對各測線成果數據進行插值并繪制含水率和滲透系數斷面等值線圖，由所測各點反演計算的1-2上煤上覆基巖含水層含水率、滲透系數分別編繪勘查區平面等值線圖。

3 核磁共振測點布置及質量評價

3.1 核磁共振測點布置

根據勘查區內待探目的層的深度和含水量以及勘查區電磁干擾的水平、方向，優化線圈形狀和科學敷設線圈。NUMISPoly系統配置有600 m長的電纜，本次工作敷設的線圈型號是大方型，邊長150 m。SNMR工作測線共計5條，沿各測線每150 m布設一個測點，5條測線共完成SNMR測點60個。對SNMR異常測點段進行加密測量，完成加密測點17個，合計SNMR物理測點77個(圖2)。

圖2 SNMR工作測線布置

3.2 測點質量評價

圖3為A13檢查點2次測量的一維反演結果。對比兩圖，可以看出在地下淺部存在一個含水量較大的含水層，含水層深度為1～15 m。而當深度增大后，深度為15～101 m的位置，2次測量結果顯示的含水量均較小(接近零)。證明該深度范圍內的地層不存在含水體。在地層深度為101 m以下位置，2次測量結果都反映了存在含水層，在深度為101～127 m的位置，含水量較大，圖3a顯示的是含水量約為5.1 %，而圖3b顯示的含水量約為4.8 %。從反演的滲透系數來看，2次測量結果的反演圖基本上一致，而且變化規律也一致。總體上來看，2次的測量結果都證明了地下深度101～127 m的深度范圍內存在含水層，含水量約為5%。原始觀測反演結果和檢查觀測反演結果相對誤差為6.1%，滿足規范要求的不大于15 %的規定。證明A13質量檢查點符合要求。

圖3 A13質量檢查點一維反演

由上述2個質量檢查點的檢查結果可見，本次地面核磁共振法采集數據滿足規范要求，工作質量可靠。

4 SNMR斷面等值線面圖結果分析

由圖5可知，該測線由淺及深存在2個含水層位：淺表含水層和高程1 180～1 220 m含水層。

1) 淺表含水層

該含水層為第四系砂層，其富水性受砂層厚度及其下隔水層(離石組黃土及保德組紅土)頂部起伏形態影響差異明顯，A8—A11號點、A14—A17號點段相對富水。

圖5 測線SNMR斷面等值線

2) 高程1 180～1 220 m含水層

該含水層全線均有發育，各測點反演計算含水率為2.73%～8.21%，滲透系數為(21.2～44.3)× 10–6m/s。含水率和滲透系數最大值點位于測線西南端A1號點；A8—A15號點段含水率和滲透系數值相對較高，富水性相對較強；A7號點和A17號點含水率和滲透系數值相對較低，富水性相對較弱。

依據測線附近鉆探資料，該測線所測含水層高程與鉆孔所得基本一致，測線高程1 180～1 220 m為1-2上煤層與侏羅系頂部基巖風化層段。而測線1-2上煤層與基巖風化層底間距為0～6 m，目前地面核磁共振法的結果無法將100 m以內的1-2上煤火燒區孔隙含水層與該基巖風化裂隙含水層精確劃分。因此，將高程1 180～1 220 m含水層解釋為1-2上煤上覆基巖含水層(包括基巖風化裂隙含水層及局部可能存在的1-2上煤火燒區孔隙含水層)。

由圖6可知，該測線由淺及深存在2個含水層位：淺表含水層和高程1 170～1 235 m含水層。

1) 淺表含水層

該含水層為第四系砂層，其富水性受砂層厚度及其下隔水層(離石組黃土及保德組紅土)頂部起伏形態影響差異明顯，D3號點、D7—D8號點、D15—D20號點和D23號點段相對富水。

2)高程1 170～1 235 m含水層

該含水層全線均有發育，各測點反演計算含水率為3.17%～4.57%，滲透系數為(21.8～41.7)× 10–6m/s。含水率最大值點為D13號點，滲透系數最大值為D17號點；D1—D3號點、D8—D18點段含水率值相對較高，富水性相對較強；D5號點、D20—D21號點段含水率和滲透系數值相對較低，富水性相對較弱。

5 SNMR平面等值線圖分析及驗證

5.1 SNMR平面等值線圖分析

綜合各測線地面核磁共振法成果解釋，本勘查區有2個含水層位：第四系松散砂層含水層和1-2上煤上覆基巖含水層。

圖6 測線SMNR斷面等值線

本次物探的主要目的層是1-2上煤上覆基巖含水層。以隱伏火燒區探查階段的核磁共振勘探資料為基礎，分析隱伏火燒區及其周邊1-2上煤上覆基巖含水層的含水率和滲透系數空間分布特征，并獲得了1-2上煤上覆基巖含水層橫向上富水性、滲透性分布狀態(圖7)。

由圖7a可知，根據核磁共振勘探法結果，隱伏火燒區及其周邊1-2上煤上覆基巖含水層的含水率一般為2%～8%。其中隱伏火燒區鉆孔BK42東側一帶以及中部偏西北部的K9鉆孔附近的含水率相對較低；而隱伏火燒區的中部、西部以及西南側一帶的含水率較高，最高達到8.2 %。

根據圖7b可知，隱伏火燒區及其周邊1-2上煤上覆基巖含水層的滲透系數一般為(20～45)×10–6m/s。其中隱伏火燒區中部偏東南區域附近滲透系數相對較大，隱伏火燒區外的西南部一帶滲透系數也相對較大，其他區域為滲透系數相對較低的區域。

5.2 SNMR分析結果驗證

5.2.1 水文孔

為驗證SNMR富水性探測結果的準確性，選取檸條塔隱伏火燒區附近5組水文孔數據進行驗證，所選水文孔抽水層皆為風化基巖含水層或風化基巖與燒變巖組成的復合含水層，由圖7可知，含水率與滲透系數較大的區域鉆孔涌水量也相對較大，其中相對其他區域K9鉆孔附近地區預測值與鉆孔涌水量有差異，但誤差較小為正常誤差范圍。

5.2.2 井下探放水孔

為驗證SNMR富水性探測結果的準確性，將上述結果與檸條塔煤礦南翼S1233工作面井下探放水孔的涌水量進行對比分析(圖7)。所有探放水鉆孔均打穿風化基巖含水層，探放水X6、X7鉆孔附近與上述K9水文孔位于同一區域，其誤差原因同上(探放水鉆孔具體數據見表1、圖8)，整體上SNMR富水性探測結果相對較強的區域，探放水孔的涌水量也相對較大，且巷道向南側施工的探放水孔涌水量普遍大于巷道北側區域，與預測結果基本一致，反映當前隱伏火燒區含水層富水性探測效果較好。

圖7 研究區1-2上煤上覆基巖含水層水文地質參數

表1 S1233工作面井下探放水鉆孔涌水量

從整體來看，利用核磁共振勘探法獲得的1-2上煤上覆基巖含水層的含水率及滲透系數的分布特征與井下探放水孔的涌水量特征大致相同，表明該方法的勘探結果相對可靠，能夠作為隱伏火燒區含水層富水性綜合評價的重要依據。

6 結論

a. 隱伏火燒區共有第四系松散砂層含水層和1-2上煤上覆基巖含水層2個層位。受地表地形及其下隔水層頂部起伏形態影響，第四系砂層含水層富水性水平變化較大。1-2上煤上覆基巖含水層富水性總體西南較低、北東較高，該含水層厚度9～30 m，局部相對較厚，推測為1-2上煤火燒區風化基巖和燒變巖含水層的疊加反映。

b. 根據含水率和滲透系數空間分布規律，研究區內1-2上煤上覆基巖含水層總體西部及中部偏東南區域富水性相對較大，其余區域相對較小。

c. 利用核磁共振勘探法得到的結論與水文孔及井下探放水孔的驗證結果大致相同，表明該方法的勘探結果相對可靠，可用于隱伏火燒區富水性的探測。

圖8 S1233工作面井下探放水鉆孔分布

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Application of surface nuclear magnetic resonance technology in detecting water abundance in concealed burnt zone

HOU Enke1, FAN Jiangwei1, GAO Lijun2, WANG Jianwen2, CHEN Dehai3, CHI Baosuo4, WANG Hongke4

(1. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Shenmu Ningtiaota Coal Mining Company Ltd., Shaanxi Coal and Chemical Industry Company Ltd., Yulin 719300, China; 3. Shenfeng Institute of Geological New Technique Application of Shanghai, Shanghai 201702, China; 4. Northern Shaanxi Mining Co., Ltd., Yulin 719000, China)

The overlying bedrock composite aquifer(including weathered bedrock and burnt rock aquifer) in the concealed burnt zone of coal seams is one of the main threats to coal mining. It is of great significance to clarify the water enrichment of the concealed burnt zone for the prevention and control of coal mine water hazards. Ningtiaota Coal Mine, which has experienced a large water inrush accident, was used as the research object, and the Surface Nuclear Magnetic Resonance(SNMR) was used to detect the water enrichment of the aquifer in the concealed burnt area. The results show that there are two aquifers in the concealed burnt zone, namely Quaternary loose sand aquifer and 1-2coal overlying bedrock aquifer. The water enrichment of the Quaternary sand aquifer is affected by the topography of the surface and the top undulating shape of the lower aquifer, and the level changes greatly. The water content of the bedrock aquifer overlying 1-2coal is generally lower in the southwest and higher in the northeast. The thickness of the aquifer is 9-30 m, relatively thicker parts, which is presumed to be the superimposed reflection of weathered bedrock and burnt rock aquifer in the burnt area. In the study area, the overlying bedrock aquifer of 1-2coal generally shows relatively larger water quantity in the western and central southeast regions and relatively weaker water abundance. The conclusions obtained by using SNMR are roughly the same as the results of water inflows from water detection holes and hydrological holes, which indicates that the exploration results of this method are relatively reliable and can be used for the detection of water enrichment in hidden burnt areas.

surface nuclear magnetic resonance; concealed burnt zone; aquifer; water enrichment

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P641.7

A

1001-1986(2021)05-0230-08

2021-01-15；

2021-06-15

國家自然科學基金項目(41472234)；陜西煤業化工集團科研計劃項目(2017SMHKJ-C-23)

侯恩科，1963 年生，男，陜西扶風人，博士，教授，博士生導師，從事煤田地質與礦井地質、礦井水害防治方面的教學與科研工作. E-mail：houek@xust.edu.cn

侯恩科，樊江偉，高利軍，等. 地面核磁共振技術在隱伏火燒區富水性探測中的應用[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(5)：230–237. doi: 10. 3969/j. issn. 1001-1986. 2021. 05. 025

HOU Enke，FAN Jiangwei，GAO Lijun，et al. Application of surface nuclear magnetic resonance technology in detecting water abundance in concealed burnt zone[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：230–237. doi: 10. 3969/j. issn. 1001-1986. 2021. 05. 025

(責任編輯 聶愛蘭)