磁法和瞬变电磁法探测煤矿充水火烧区

2015-08-31张刚艳

采矿与岩层控制工程学报 2015年4期

张刚艳

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

煤层自燃产生的火烧区一般最先发生在煤层露头部位，然后向下向周围扩展。由于煤层燃烧产生的热使周围岩层发生烧变，这样岩层中就会产生大量的孔隙，为地下水提供了赋存空间。如果在其周边进行开采，就有可能与该空间导通，形成导水通道，对煤矿生产安全造成一定威胁。因此，需要通过物探手段探测火烧区边界，并查明其富水状况。

1 火烧区探测的地球物理前提

正常沉积的岩石一般是没有磁性的，个别有微弱磁性。当煤层发生燃烧形成烧变岩，在降温过程中会产生热剩磁，这种热剩磁异常可以在地面通过仪器观测到。煤层燃烧后形成的孔隙内正常情况下呈现高电阻率反映，但当孔隙内充满水或部分充水，电阻率就会下降，这些为采用磁法和瞬变电磁法进行火烧区探测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

岩石磁性的大小由磁化率、感应磁化强度和剩余磁化强度来表示，其中磁化率是衡量岩石磁性的重要参数之一。对于同一岩石，温度对其磁性的影响比地磁场变化影响还要大。煤层在燃烧过程中的不同阶段有不同的特征。在煤层开始燃烧，围岩受到高温烧烤温度逐渐上升，在特定的温度段，由于高温和地磁场的作用，铁质矿物经氧化还原及“弱场冷却”的物理化学变化，产生了较强的“热剩磁”，通常在500℃左右，磁性开始升高，在达到700℃左右时围岩磁性消失;在煤层燃烧结束后，温度大于500℃的围岩温度降低，岩石磁性较原岩升高上百倍，相应的岩层形成了具有较强磁性的烧变岩，使烧变岩与围岩产生明显的磁性差异，可见死火区的岩石磁性要大于正在燃烧的火区磁性。因此，通过磁参数测量可以有效圈出煤层火区烧变岩的范围。

2.2 瞬变电磁法工作原理

瞬变电磁法的物理基础为电磁感应原理，即导电介质在阶跃变化的激励磁场的激发下产生涡流场的问题。它是以不接地回线通以脉冲电流作为场源，以激励探测目的物感应二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应。二次场从产生到结束的时间是短暂的，即是“瞬变的”，它属于时间域电磁法。

2.3 工作布置

山西某矿火烧区的研究区域为东西长约600m，南北宽约400m。磁法和瞬变电磁法的工作布置重合，都是按照线距40m，点距20m的网度进行。

3 资料分析

3.1 磁法资料分析

3.1.1 单支曲线分析

图1为磁法5线的曲线图，从图中可以看出，在剖面20～160m范围内的磁异常值相对较大，推断为火烧区异常。

图1 磁法5线曲线

3.1.2 平面分析

图2为磁法推断火烧区异常成果图，图中的小圆为布置的磁法测点，等值线为磁感应强度值，粗黑色虚线圈定的部分为推断的火烧异常区。从图中可以看出，本测区的火烧区主要分布在测区的中部，由物探测线的4～8线控制，发育方向总体上为东西向，且东西均延出测区。同时，在9，10，11线控制的测区东北角也有异常反映，推断该异常在测区东北角也延出测区。该火烧异常区发育规模较大。

图2 磁法推断火烧异常区

3.2 瞬变电磁法资料分析

3.2.1 剖面图分析

图3为4线的视电阻率等值线断面图中的一段，断面图反映了标高1150～1340m之间地层电性的分布情况。图中近水平虚线为煤层，黑色的粗虚线椭圆为推断的火烧区积水异常。从横向上看，测线方向20～140m处有明显的低电阻率异常，推测为火烧区积水异常。

图3 瞬变电磁法4线视电阻率等值线断面

3.2.2 平面图分析

图4为瞬变电磁法推断火烧积水区异常成果图，图中的等值线为视电阻率等值线，粗黑色虚线圈定的阴影部分为推断的火烧富水异常区。从图中可以看出，本测区的火烧富水异常区主要分布在测区的中部，由瞬变电磁法测线的3～8线控制，发育方向总体上为东西向，4～8线的20～200号点范围以及7～8线的500～580号点范围为该异常区的主要富水异常区。