综合物探在煤矿井下火源探测中的尝试

王慧明，张奋轩，刘江宾，赵 辉

(1.阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005)

0 引言

煤矿开采过程中，由于种种原因引起煤层燃烧的突发事件时有发生，尤其在高瓦斯矿井煤层的持续燃烧会酿成特大事故，带来不可估量的损失。为了防止事故的发生，需要在最短的时间内对煤层燃烧区进行治理，这就需要准确了解火源的中心位置及范围。因此，对火源中心位置及范围探测方法的选择显得尤为重要。

在发现工作面内部煤层燃烧后，运用综合物探方法(地面采用同位素测氡法、地面高精度磁法、自然电位法、井下热红外测温法)，地面、井下相结合，多种方法综合解释，最终确定了火源中心位置及范围，给火源的治理提供了有利的依据，防止了事故的发生。

1 地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

地层：该井田内由钻孔揭露的地层从老到新依次为奥陶系中统峰峰组(O2f)、石炭系中统本溪组(C2b)、石炭系上统太原组(C3t)，二叠系下统山西组(P1s)、二叠系下统下石盒子组(P1x)、第三系上新统(N2)、第四系(Q)。

煤层：井田内主要煤层有3#煤层、9#煤层、15#煤层，本次探测的是3#煤层工作面。3#煤层位于山西组下部，下距9#煤层55.72～79.70 m，平均58.04 m。煤层厚5.15～8.44 m，平均厚6.71 m。含泥岩、炭质泥岩夹矸0～5层，一般1～2层，以距底板约1.20 m左右的一层夹矸较为稳定(平均厚度0.27 m)。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为砂岩。底板为黑色泥岩、砂质泥岩、深灰色粉砂岩。该煤层结构简单，厚度变化不大，属稳定型煤层。

1.2 地球物理特征

氡气异常：地下煤炭自燃势必造成高温高压的环境，由于自燃区顶部存在着大量的裂隙，在上升的水蒸气作用下，势必加快氡气向上运移的速度，在地表形成较高的氡气异常。图1中1 030～1 060段氡气值较高，相对两侧存在明显的氡气异常区域，与背景值形成较大差异，故具备了采用同位素测氡法圈定火区边界地球物理前提。

图1 D9线测氡剖面曲线图

自然电位异常：由于煤层采空造成其顶部形成较大的裂隙，当地下煤层燃烧时，随同吸附岩层中的水离子，通过岩层中的孔隙、裂隙或破碎带扩散到地面，使水离子浓度差增大，形成电位差。图2中1 050～1 080段电位差较大，呈明显的电性异常，故具备了采用自然电位法圈定火区边界的地球物理前提。

图2 D12线自然电位剖面曲线图

磁异常：当煤层自燃时产生高温，使煤层顶底板岩石受热变质，形成含铁磁性矿物的烧变岩，温度降低后保留较强的热剩磁。图3中1 020～1 070段磁异常幅值较大，相对背景场呈明显的异常，故具备了采用高精度磁法进行火区探测的地球物理前提。

图3 D11线磁测ΔT剖面曲线图

温度异常：地下煤层燃烧产生的热量，一方面沿裂隙(裂缝)向地表逸出，一方面通过岩石的热传导作用在柔膜壁形成热异常区，与周围形成热反差。图4中8号～10号横贯之间温度较高，相对其它地段呈明显的热异常，故具备了采用热红外测温法进行火区探测的地球物理前提。

综合物探：煤层燃烧引起地球物理特征变化，使工区范围内具备了利用综合物探方法(同位素测氡、自然电位、高精度磁法、热红外测温)进行火区探测的地球物理前提。

2 测网布设及资料处理

2.1 测网布设

根据地面实际情况，本次工作地面测线呈南北向布设，测网基本网度为20 m×10 m，即线距20 m，点距10 m，在陷落柱附近网度加密至10 m×10 m。井下沿进风顺槽(8号～13号横贯之间)布设一条测线，测点间距10 m，测网布设如图4所示。

图4 勘探测网布置示意图

2.2 资料整理及处理

每天磁测结束后，将GSM-19T质子磁力仪中的数据传输至计算机，用自带程序将观测数据进行日变校正，处理结束后，打印出Τ剖面曲线。

自然电位经野外实测，每个测点都详细记录，使不极化电极充分与地表接触后，再开始测量，最后形成自然电位剖面。

测温工作利用红外线测温仪测量红外线辐射的强度就能得到被测物体表面的温度，形成测温剖面。

测氡工作依据野外规范，每6 min测1个物理点，用surfer软件生成各测氡曲线，纵轴表示3 min仪器捕获氡元素的量数，横轴表示该测线测点号。测氡观测数据经仪器通讯传输至计算机后，生成剖面曲线。

所有物探资料处理基本无人为误差，精度高，工作及时，提高了工作效率。

3 资料解释

资料解释过程中始终遵循由点到线、由线到面的原则，资料解释工作中充分利用现有的地质资料，并紧密结合野外实地调查结果，及时分析已测资料，统计各种电性参数，研究各参数与异常的对应关系。

3.1 同位素测氡异常解释成果

图5 氡气浓度等值线暨火烧范围推断成果平面图

煤层燃烧产生的氡气随裂隙与塌陷区运移到地表，此处出现氡气浓度高值区(相对氡气浓度值)，由此大致圈定火区范围，如图5所示。

本次勘探区受煤层埋深、裂隙发育诸多因素影响，所以测氡为相对氡气浓度值，一般>30 N/3 min的区域为异常区范围，结合平剖图推断拟火区范围边界，图5中粗虚线圈定异常范围，图中横轴为测线号，纵轴为测点号。

3.2 地面高精度磁测异常解释成果

根据剖面分析和解释原则，对全区磁测曲线进行逐条分析。测区内煤层较厚，采空区煤层燃烧后形成的烧变岩存有热剩磁性引起的磁异常，异常范围较宽、变化规律。磁测ΔT平剖图存在正负磁异常，与地面调查结合，正异常为大棚、房子等障碍物干扰影响所致；通过收集井下着火现况，负异常推断为工作面采空区造成顶板坍塌余留的煤层着火后形成热剩磁所致。图6中本探测区域热剩磁形成时的磁化方向相对于障碍物干扰引起的异常相反，为负异常。再者，煤层燃烧后形成的热剩磁强度较大，以及煤层上部覆盖层较大，约480 m左右，因此ΔT选择-40nT为阈值，图6中粗虚线圈定区域，图中横轴为测线号，纵轴为测点号，推断为煤层燃烧范围。

图6 磁测ΔT等值线暨火烧范围推断成果平面图

3.3 自然电位法异常解释成果

通过平剖图与等值线平面图，掌握火区过滤电场的电位变化特征及不同电位差的幅值变化，进而判识当地下煤层无火时，电位差值幅值小；当地下煤层有火时，则电位差幅值将发生较大变化，表现为梯度变化大。根据电位差剖面、等值线平面图和野外调查，圈出火区范围，图7中粗虚线圈定区域，图中横轴为测线号，纵轴为测点号。其中北部较大范围异常区及南部边界异常区为地表房屋、金属大棚等建筑物影响所致。

图7 自然电位等值线暨火烧范围推断成果平面图

3.4 热红外测温异常解释成果

地下煤层燃烧产生的热量，一方面沿裂隙(裂缝)逸出，一方面通过岩石的热传导作用在柔膜壁形成热异常区，与周围形成热反差，利用红外线测温仪测量红外线辐射的强度就能得到被测物体表面的温度，从而探测拟火区范围内的温度异常，确定火区的范围。图8中8号～10号横贯之间温度异常较大，推断为火区范围。

另外，井下在3～4处烟气点直接进行热红外测温，温度约为23～25 ℃。说明煤层采空区着火点在8号～10号横贯之间形成较高能量的扩散，造成此段温度值较高。

图8 井下热红外测温曲线图

3.5 综合解释成果

图9为3种探测手段综合解释异常区重叠，通过地面、井下调查、通风系统等情况，而且采空区内陷落柱岩性不可能燃烧，把推断火区范围朝陷落柱以南收紧，使推断火区范围更科学更合理，图10中填充部分为推断火区范围。

图9 综合物探解释图

由于工作面7号横贯以西为煤层采空区，放顶之后造成顶板坍塌，形成岩层破碎、裂隙，造成采空区内放射性元素、水分子的运移，从而利用物探手段可以查明采空区内火区范围。矿方提供引起火源的信息为：10号横贯以西靠近柔膜壁采空区内存在一陷落柱，依据了解，之前工作面对于此陷落柱周围30 m范围未放顶煤层，当煤层处于高温高压、多种因素的环境下易燃烧，推测为此次着火的原因。

依据井下热红外测温的数值曲线可分析得出，8号～13号横贯温度异常变化范围为18.7～20.5 ℃，说明采空区内火源离W1309进风顺槽柔膜壁较远。如若火源离柔膜壁近，那么热能通过介质传导，温度梯度会呈较大变化。通过矿方采取井下探火孔，分别为W1309进风顺槽Ⅱ钻孔、W1309回风顺槽2号孔，竣工成果为Ⅱ钻孔13.5 m停钻后钻孔处冒烟、2号孔73 m停钻后未见烟气，如图10所示，同时验证了火源处于陷落柱周边，为物探推断火区范围提供有力的佐证。

图10 综合分析成果图

4 结论

(1)煤矿火源探测与大面积的煤层自燃形成的火烧区探测不同，其范围较小，火烧程度相对较弱，从而其产生的物性异常幅值较弱，探测难度较大。

(2)通过此次采用同位素测氡法、地面高精度磁法、自然电位法和井下热红外测温法对火源探测，结合后期验证情况，认为该4种方法各有优缺点：同位素测氡法异常位置与实际状况基本吻合，但施工效率慢；地面高精度磁法精度较高，但受地面各种障碍物影响较大，施工条件要求较高；自然电位法受火烧深度影响较大，且成果与实际异常位偏差较大；井下热红外测温法异常明显，但对火源中心位置不能很好地把控。

(3)利用综合物探方法对煤矿井下火源的探测基本可行，不同的施工条件可以有针对性地选择合适的施工方法。