综合物探技术在火区勘探中的应用

晁萌萌

(山西省煤炭地质水文勘查研究院，山西 太原 030006)

0 引言

据统计，我国相当数量的矿井存在自燃火区现象，因此，煤层自燃形成的火区作为煤矿灾害之一，严重威胁着国家煤矿安全生产和煤炭资源，有效探测获取范围的方法是摆在我们面前的迫切问题。经过多年探索和实践，我们总结出了一套以瞬变电磁法、测氡法和磁法相结合的综合物探方法。

1 物探方法及原理

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法(简称TEM)是近几年发展并推广起来的一种新方法、新技术，它属于时间域电磁感应法，是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用另一回线或探头接收由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场(按指数规律衰减)，二次场的大小与地下地质体的电性有关:低阻地质体感应二次场衰减速度较慢，二次场电压较大;高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，从而可以解决如断层、采空区、采空积水区、陷落柱等地质问题。由于瞬变电磁法是观测纯二次场，自动消除了频率域电磁法和直流电阻率测深法中的主要噪声源——装置耦合噪声，噪声主要来自天电及人文电磁干扰，可使用发送与接收线圈中心重合的装置工作，与所探测的地质体达到最佳的耦合，所得到的异常幅度大、形态简单及受旁侧影响小，提高了对地质体的横向分辨能力，在高阻围岩条件下，没有地形引起的假异常，野外工作要求简单，工效高，如图1 所示。

图1 TEM 法工作原理示意图

导电围岩对瞬变电磁的影响主要表现围岩中“环流”向良性导电地质体的集流响应，在良性导电地质体中产生感应涡流的响应和激发极化效应［7］。当围岩电阻率较小时，集流响应和激发极化效应起着支配作用［8］，使含水异常特征更加明显，这也是瞬变电磁勘探在国内能大面积开展的原因。

采空积水区本身是一有限导电地质体，采空积水区用导电薄板模型来模拟，其瞬变响应表现为中间低两侧高的异常特征。中间低两侧高的异常越明显，采空区的富水性越强。

1.2 磁法

磁法分为剖面测量和梯度测量，本次采用剖面测量，剖面测量具有异常幅度大的特点。

本次野外测量使用2 台GSM-19T 质子磁力仪，为准确采集测区内各点的磁场值，正式采集数据前须要对仪器进行调谐测试、磁法参数选择及仪器的一致性校验，一致性校验符合规程、规范的要求后才能进行测量。为了进行日变校正，将1 台磁力仪放置在测区以外的正常区观测日变，每30 s 观测一次;1 台磁力仪进行实地测量，最后用日变曲线进行校正。

1.3 放射性测氡

放射性测氡:测氡法分为瞬间测氡法和累积测氡法［9］，本次采用累积测氡法，静态条件下，使用对氡有极强吸附能力的吸附剂，并在一定情况下保持正比关系［10］。由于土壤中孔隙度较大，具有较强的吸附力，因此，仪器使用重庆地质仪器厂生产的HFS-6α 射线快速测量仪，来取坑底中的土样，测定土壤中3 min 的放射性。

2 地球物理特征及使用仪器与装置

2.1 地球物理特征

不同的岩石具有不同的物性特征，根据测区已有钻孔的测井资料，岩石物性特征如表1 所示。

表1 煤岩层物性参数表

从表1 可以看出，本勘探区地层地电特征较为简单，可分为黄土、泥岩、砂岩、煤层和采空区三大类。根据以往工作经验，黄土、泥岩、砂岩的电阻率一般为25 Ω·m～170 Ω·m;煤层电阻率为90 Ω·m～260 Ω·m;煤层被采空后，在煤层上下岩层间形成一定的空隙，破坏了岩石的完整性和连续性，故该处电阻率值明显会高于周边完整岩石处的电阻率，表现出明显的局部高阻特征;然而当采空区的空隙被水充填时，其电阻率则呈现为低阻特征。

综上所述，本区各电性层间电阻率差异较为明显，因此本区具备了开展电法勘探的地球物理前提条件。

2.2 仪器及装置

本次探测使用的是IGGETEM-30B 型瞬变电磁仪，采用重叠回线框装置，20 m×40 m 的“∞”字形4 匝线框，仪器参数的选择如下:时基:40 ms，采样道:66 道，关断时间:50 μs;延时:340 μs，接收面积:800 m2，发射框:20 m×40 m;延时道:Log10，叠加次数:512 次，发射电流:5.5 A。磁法本次野外测量使用2 台GSM-19T质子磁力仪。放射性测氡仪器使用重庆地质仪器厂生产的HFS-6α 射线快速测量仪。

3 资料解释

3.1 异常特征

煤层发生自燃时，造成岩石中的导电电子、离子重新排列，在火区形成一个高电位差异常区，我们通常所采用的瞬变电磁法探测煤层火区就是利用这个原理。

3.2 火区解释方法

1)曲线过程分析。不同地质条件下的曲线类型不同，通过对曲线分类，可以初步确定测区的火区变化情况。2)数据处理分析。野外原始观测数据经预处理后，才能进入下一步处理。对其进行编辑剔除，为反演处理做准备，主要包括以下几方面:a.导入原始观测数据，检查野外原始记录与瞬变电磁野外记录表两者是否一致，若二者不符，查找原因并予以更正。b.对数据进行编辑处理，包括坐标检查、频率选择、飞点剔除等。c.检查原始曲线，并对曲线进行编辑，并将数据进行保存后导出。3)分区分析。对于勘察区覆盖范围较大的区域，由于区内的地形、地质情况、火区燃烧特征变化也较大，因此，针对不同的地区采用不同的标准进行分析、评价，即“由小到大、由点到面”分析方法，消除地形、地质等情况造成的影响。4)纵横向对比分析。横纵向对比分析主要以剖面图和平面图分析，从剖面图的曲线异常形态分析正常区和燃烧区的位置，同时，结合平面图的异常形态分析正常区和燃烧区的范围，综合对比两种分析解释的结果，使解释结论更趋于实际。

4 工程实例

4.1 测线、测点的布置

本次物探工作设计线距50 m，设计点距10 m，设计勘察面积0.23 km2，设计测线6 条，测点497 个，实际完成测线6 条，测点497 个，勘察面积0.23 km2。

4.2 选取典型的测线进行分析

图2 2 线磁法校正后等Δt 单支曲线

图3 2 线测氡单支曲线

以典型2 测线为例进行说明:磁法校正后的等Δt 单支曲线上，在35 号～56 号点Δt 值出现明显高异常，均大于40 nT，初步解释这处磁异常为2 号煤层燃烧区，见图2。从同位素测氡法的单支曲线可以看出，有多处高氡值异常，在13 号～21 号点、44 号～52 号点、72 号～78 号点氡值计数均大于16 个/3 min，差值较大，初步解释这处高氡值异常区为2 号煤层燃烧区和采空区，见图3。视电阻率拟断面图上，2 号煤的底板标高1 050 m～1 055 m 左右，距离100 m～230 m，390 m～500 m，710 m～740 m(11 号～24 号点、40 号～51 号点、72 号～75 号点)处出现向下凹的相对低阻的半闭合圈异常，初步判断为2 号煤煤层燃烧区和采空区的反应。其他测线段等值线成层状分布变化较为平缓，无明显异常。

根据物探工作初步综合解释火区4 个，燃烧煤层为石炭系太原组2 号煤层，燃烧深度在50 m～160 m 左右。

5 结语

采用瞬变电磁法(TEM)、测氡法、磁法的综合物探方法，并结合地质资料、已知钻孔等资料可以准确探测出煤层火区范围。

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