時移航空磁法在煤礦火燒區探測中的應用研究

于永寧 李雄偉 石磊 柳凱元 郭建磊 馬國慶

摘要：煤層自燃后導致上覆地層中的礦物質形成磁性礦物，呈現高磁異常特征，為磁法探測火燒區提供了物性前提。航空磁法在煤礦火燒區探測取得了良好效果，但無法有效探測煤層火燒區發展趨勢。針對上述問題，在航空磁法的基礎上，提出了時移航空磁法，即在一定時間間隔內開展2次航空磁法探測，根據2次航磁反演結果之間的差值，判斷煤礦火燒區隨時間的變化特征，達到有效探測煤礦火燒區分布范圍及發展趨勢的目的。為兼顧起伏地區的地形擬合效果和反演計算效率，采用規則與非規則復合網格剖分方法，即在地表起伏的地方采用四面體非規則網格剖分，在地表以下的地方采用六面體規則網格剖分。結果表明，規則與非規則復合網格剖分方法不僅滿足起伏地形條件下對反演精度的要求，而且反演計算效率較四面體非規則網格剖分方法提升了近6倍。基于實際地質情況建立了數值模型，并利用無人機和航空光泵磁力儀進行實際測試。數值模擬和實測結果表明，時移航空磁法能夠準確探測火燒區分布范圍及火燒區隨時間變化的發展趨勢，可為煤礦開展防滅火工作提供依據。

關鍵詞：煤自燃；火燒區；時移航空磁法；網格剖分；磁異常反演

中圖分類號： TD752??? 文獻標志碼： A

Research on the application of time shifting aeromagnetic method in detecting coal mine burning areas

YU Yongning1， LI Xiongwei2， SHI Lei1， LIU Kaiyuan1， GUO Jianlei2， MA Guoqing3

（1. Shendong Coal Branch， China Shenhua Energy Company Limited， Yulin 719315， China；

2. CCTEG Xi'an Research Institute （Group） Co.， Ltd.， Xi'an 710077， China；

3. College of Geo-Exploration Science and Technology， Jilin University， Changchun 130026， China）

Abstract： The spontaneous combustion of coal seams leads to the formation of magnetic minerals in the overlying strata， exhibiting high magnetic anomaly features， providing a physical prerequisite for the magnetic method to detect the burning area. The aeromagnetic method has achieved good results in detecting coal mine burning areas， but it cannot effectively detect the development trend of coal mine burning areas. In order to solve the above problems， based on the aeromagnetic method method， a time-shifting aeromagnetic method is proposed. It involves conducting two aeromagnetic detections within a certain time interval. Based on the difference between the two aeromagnetic inversion results， the features of the coal mine burning area over time are determined. It achieves the goal of effectively detecting the distribution range and development trend of the coal mine burning area. In order to balance the terrain fitting effect and inversion calculation efficiency in undulating areas， a composite mesh generation method of regular and irregular grids is adopted. The tetrahedral irregular grid generation is used in undulating areas on the surface， and hexahedral regular grid generation is used in areas belowthe surface. The results show that the regular and irregular composite mesh generation method not only meets the requirements for inversion precision under undulating terrain conditions， but also improves the inversion calculation efficiency by nearly 6 times compared to the tetrahedral irregular mesh generation method. A numerical model is established based on actual geological conditions. The actual testing is conducted using unmanned aerial vehicles and aviation optical pump magnetometers. The numerical simulation and actual measurement results indicate that the time-shifting aeromagnetic method can accurately detect the distribution range of burning areas and the development trend of burning areas over time. It provides a basis for carrying out fire prevention and extinguishing work in coal mines.

Key words： coal spontaneous combustion; burning area; time-shifting aeromagnetic method; mesh generation; magnetic anomaly inversion

0 引言

易自燃或自燃煤層在我國分布廣泛，截至2020年底，開采易自燃、自燃煤層的井工礦占比為58.2%[1-2]。煤層自燃不僅形成大面積的火燒區，且易引起粉塵、瓦斯爆炸等次生災害，已成為煤礦主要災害之一，嚴重威脅工作面安全生產，甚至引起嚴重的生態問題[3-5]。《煤礦防滅火細則》規定煤礦防滅火工作必須堅持“預防為主、早期預警、因地制宜、綜合治理”的原則，實現煤礦火災防治由被動治理向主動預防轉變[1]。因此，實現煤礦火燒區的精確探測對煤礦防滅火工程具有重要意義[6-7]。

煤層自燃產生的高溫會導致電場、熱場、化學場、地層構造等產生變化，基于此形成了一系列火燒區探測方法，如瞬變電磁法、電阻率法、測氡法、微生物烴檢測法及地震勘探法[8-13]，上述方法雖取得一定的探測效果，但存在探測精度不高、解釋誤差大等問題。煤礦地層中含有赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦等礦物，煤層自燃導致這些礦物形成磁性礦物（Fe3O4），熱冷卻后具有較強磁性，這為磁法探測煤礦火燒區提供了物性前提[14-16]。

航空磁法是磁法探測的一種，主要是利用無人機攜帶航空磁力儀在飛行過程中測定地磁場強度或其增量，對數據進行處理后，編制成各種圖件，用于地質推斷解釋，具有速度快、精度高、不受地形干擾及自動化程度高等優點，在煤礦火燒區探測中得到廣泛應用[17-20]。王衛平等[18]利用吊艙式直升機頻率域電磁、磁綜合系統分析內蒙古烏達地區地下煤火區的航空電磁異常和航磁異常，為布置地下煤火滅火工程提供了重要的基礎資料和依據。徐維等[19]對航磁數據進行歐拉反演，確定了煤礦火燒區空間分布特征。吳璋等[20]通過建立不同高度航空磁法立體探測技術，實現了不同高度航磁數據交叉約束聯合反演，進而獲取火燒區的三維分布結構和火燒區分布范圍。

航空磁法在煤礦火燒區探測取得了良好效果，但無法有效探測煤層火燒區發展趨勢。因此，本文提出了時移航空磁法，基于2次航空磁法探測結果進行磁異常反演，分析煤層火燒區分布范圍及發展趨勢，從而為礦井防滅火工作提供依據。

1 時移航空磁法及磁異常反演方法

1.1 時移航空磁法

時移航空磁法是在航空磁法的基礎上發展而來，指在一定時間間隔內開展2次航空磁法探測，基于2次探測結果之間的差值判斷地下火燒區分布范圍及發展趨勢。

1.2 磁異常反演方法

磁異常反演方法通過將地下介質剖分為網格單元，反演計算每個網格單元的磁性，進而獲得地下介質磁性的不均勻分布。磁異常反演的線性方程為

式中：G為敏感度； M 為磁化強度； B 為磁異常數據。

采用 Tikhonov正則化實現反演求解，其目標函數為[21]

Ψ = min （"GW?1WM? B"2（2）+ uⅡWMⅡ2（2）） （2）

式中：W 為深度權函數，主要解決敏感度矩陣的淺層權重大于深層權重的問題；“為正則化因子，用于平衡ⅡWMⅡ2（2）（深度加權項）的權重，一般取0.1。

通過共軛梯度法求解目標函數，最終獲得三維磁化率分布。

一般情況下，為保證反演效果，盡可能使剖分網格的尺寸接近實際數據采樣的密度（即點距和線距）。剖分方法主要有六面體規則網格剖分和四面體非規則網格剖分，如圖1所示。六面體規則網格剖分對于起伏地形區的擬合效果較差，而四面體非規則網格剖分可有效擬合起伏地形區的特征。

式中：ΔT為磁感應強度；?0為真空中磁導率，?0=4π×10?7 H/m；Ukl（k，l=x，y，z）為四面體剖分單元某一個面上某一條邊的正演結果，具體計算過程參考文獻[22-23]；αs，βs，γs 分別為磁化方向與 x，y，z 軸的夾角；αt，βt，γt 分別為地磁場方向與 x，y，z 軸的夾角。

四面體非規則網格剖分的正演需要通過大量的積分和角度轉換來實現，計算復雜，計算時間長。

六面體規則網格剖分的正演表達式為

式中：（x0，y0，z0）為觀測點坐標；（x1，y1，z1）為直角坐標系下六面體單元最接近原點的點的坐標；（x2，y2， z2）為直角坐標系下六面體單元最遠離原點的點的坐標；r 為觀測點到剖分單元某點（x，y，z）的距離， r=[（x0?x）2+（y0?y）2+（z0?z）2]1/2。

六面體規則網格剖分的正演僅需要通過積分來實現，減少了角度轉換，因此計算時間相對較短。

網格剖分方法直接影響地形擬合效果和正演計算時間，而正演計算時間與反演計算效率呈負相關關系。因此，為兼顧起伏地區的地形擬合效果和反演計算效率，采用規則與非規則復合網格剖分方法，如圖2所示。在地表起伏的地方采用四面體非規則網格剖分，在地表以下的地方采用六面體規則網格剖分。

為驗證規則與非規則復合網格剖分方法對反演精度和效率的有效性，在起伏地形條件下建立含有2個大小不同磁性源的正演模型，如圖3（a）所示，磁傾角和磁偏角分別為60°和10°。經過正演計算獲得磁異常平面分布，如圖3（b）所示，可清楚看到2個磁性源的平面分布位置。分別采用四面體非規則網格剖分方法和規則與非規則復合網格剖分方法對模型進行網格剖分（剖分網格數量均為125000），反演結果分別如圖3（c）、圖3（d）所示，可看出規則與非規則復合網格剖分時的反演結果與四面體非規則網格剖分時的反演結果接近，表明規則與非規則復合網格剖分方法滿足起伏地形條件下對反演精度的要求。

分別采用規則與非規則復合網格剖分和四面體非規則網格剖分時的反演計算效率見表1，可看出采用規則與非規則復合網格剖分時的反演計算效率比采用四面體非規則網格剖分時提升了近6倍。

2 數值模擬及實際測試驗證

2.1 探測區概況

探測區位于陜西省靠近內蒙古自治區交界處的某煤礦。探測區內地層在三疊系剝蝕面上沉積了下侏羅統富縣組；之后沉積了延安組含煤地層；此后，廣泛發育了中侏羅統直羅組和安定組；中侏羅世后，燕山運動使地層抬升，缺失了晚侏羅世以后的中生代沉積；新生代廣覆于基巖地層之上，區內主要發育有第三系上新統三趾馬紅土、第四系中更新統離石組、上更新統薩拉烏蘇組、上更新統馬蘭組及全新統。

2.2 數值模擬

礦井采用放頂煤開采工藝，開采過程中剩余大量遺煤，由于與空氣長期接觸最終造成遺煤自燃，自燃過程中發生化學作用，鐵質礦物轉變成磁性礦物，產生高磁異常。為驗證時移航空磁法探測火燒區分布范圍及發展趨勢的有效性，根據實際地質情況建立數值模型。調研發現，探測區所在區域的遺煤自燃深度大多處于地下100 m。因此建立中心點位于地下100 m 處的火燒區模型，初始模型的規模為 20 m×20 m×20 m。火燒區燃燒體積與燃燒時間可用下式來近似估算：

式中：V為火燒區燃燒體積；t 為燃燒時間；v 為燃燒速度。

在氧氣充足條件下，煤層燃燒速度約為0.2 m/d，燃燒15 d 后，模型的規模約變為23 m×23 m×20 m 。采用規則與非規則復合網格剖分方法對初始模型和燃燒15 d 后的模型進行剖分，反演結果如圖4所示。可看出火燒區燃燒15 d 后的反演結果與初始模型的反演結果均能明確反映出火燒區模型的分布范圍，且燃燒15 d 后模型的異常區范圍大于初始模型的異常區范圍，表明利用時移航空磁法可有效探測火燒區的分布范圍及火燒區隨時間變化的發展趨勢。

2.3 實際測試

本文采用 DN20?G4型無人機和航空光泵磁力儀進行數據采集，如圖5所示。數據采集時間不少2 h，采樣間隔為0.5 s，靜態噪聲為0.02 nT，所有儀器噪聲水平滿足工作需要。

對采集的數據進行處理（主要包括數據補償、坐標系轉換、數據檢查與數據編輯、數據正常場校正、數據磁日變校正、數據同步校正、磁場水平調整等），從而獲取航磁異常結果，如圖6所示。

航磁異常結果為地下局部異常和區域異常的疊加，需要從疊加異常中盡可能獲取只包含目標體的異常信息。本文應用巴特沃斯濾波器[24]對2次航磁異常結果進行位場分離處理，結果如圖7所示。可看出地下火燒區產生局部高磁異常，且位場分離后的2次航磁異常大部分范圍接近一致。

對2次航磁異常位場分離后結果進行反演計算，結果如圖8所示。可看出時移航空磁法探測出2處火燒區。第1次探測的上部火燒區中心埋深為76 m，下部火燒區中心埋深為83 m；第2次探測的上部火燒區中心埋深為78 m，下部火燒區中心埋深為84 m。這表明隨著時間變化，火燒區分布范圍發生變化。

為進一步探查火燒區的發展趨勢，將2次航磁反演結果在地表的垂直投影范圍進行對比，結果如圖9所示。可看出第2次航磁反演結果的解釋范圍大于第1次航磁反演結果的解釋范圍，表明第2次航磁探測的2處火燒區范圍均比第1次航磁探測的火燒區范圍有所擴大，火燒區有繼續擴張的趨勢。

3 結論

1）為兼顧地形擬合效果和反演計算效率，采用規則與非規則復合網格剖分方法。結果表明，該方法不僅滿足起伏地形條件下對反演精度的要求，且具有較高的反演計算效率。

2）在航空磁法的基礎上應用時移航空磁法探測煤礦火燒區。數值模擬及實測結果表明，根據具有一定時間間隔的2次航磁探測結果的差值，可有效探測火燒區分布位置及發展趨勢。

3）需要注意的是，時移航空磁法與其他地球物理方法一樣具有體積效應，外部因素會影響時移航空磁法對火燒區邊界的探測與識別。因此在火燒區邊界作業時，應布設鉆孔對火燒區邊界進行驗證。

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