急倾斜煤层隐伏火区和采空区探测技术及应用

文/薛友兴

山西焦煤汾西矿业集团汾西正晖昌元煤矿井田内煤层倾角56°～73°，属急倾斜煤层。地表浅部的残煤及采空区深部的煤层因自燃造成地表分布有许多明火点，地下暗火点不计其数。火区采空区多达三到四层，纵横交错，上下贯通，出现大面积的塌陷。为了查明昌元煤矿露头火区的分布情况，山西汾西正晖煤业有限责任公司组织有关地质勘察单位采用高精度磁法勘探技术，对昌元煤矿露头火区和塌陷区进行了综合勘探，查清隐伏火区和采空区空间分布情况，消除了潜在隐患，确保矿井实现安全生产。

一、隐伏火区的高精度磁法勘探技术

1.高精度磁法探查火区的依据

采用高精度磁力观测方法，有助于研究火区的小区域、弱异常变化，探测不规则异常源。煤系地层受到剥蚀，煤层出露受到干热氧化作用，煤层燃烧后，顶底板围岩中的矿石等成分受高温作用后产生磁性物质，形成具有磁性的烧变岩体。目前，在火区磁场观测中，主要有剖面测量和面积测量两种。由于磁场测量仪器的性能提高，可同时连续获得有关磁场总场、垂直梯度场、测量位置和时间、校正系数等参数。为此，结合火区地形特点，可采用任意连续规则剖面和非连续不规则高密度测量方法研究煤露头火区边界、深度和燃烧分带等特征，采用规则测网与不规则测网的磁场面积测量方法圈定火区范围。

2.高精度磁法勘查技术方法

（1）测网布置

煤田火灾灭火规范（试行）第十六条规定：“采用物探法勘察火区时，应遵守下列规定：火区初勘阶段，线距100～200m，点距10m,急倾斜煤层点距5m，缓倾斜煤层点距10m”。本次磁测工作，由明火点和烧变岩（高磁异常）开始沿露头向两边，确定高异常范围，由明火点和烧变岩高磁异常开始沿倾斜方向，测出高异常宽度，再计算出火区深度。由于5号煤露头起伏较大，本次工作测网密度为50×5m，即线距50m，点距5m。露头线方向按50m的间距，倾斜方向按5m的间距，测出高异常范围。

（2）施测方法

出野外前先把设计测点坐标输入GPS手簿中，采用全球定位系统(GPS)实时差分技术（RTK）放样功能，施放测点于实地，并记录点坐标。实地点位放置彩条，并每隔50m用木桩进行标注。

（3）磁测仪器及测量要求

为保证仪器的精度，对磁法仪器的噪声水平、观测精度、一致性、系统误差等进行测定。根据磁场区域的强弱、噪音条件，或高梯度地区调节分辨率。以传感器的剩余磁性的强度和振荡器的精度决定精确度。以室温和温度动态的变化范围决定时钟的使用时长。用手动调节改变传感电缆长度和补偿高梯度漂移。启动内置开关自周期，实现定时测量，自动存储。

（4）基点选择

外业施工前，在测区外围的西南侧选择一条长210m的测线，进行5m点距磁测。根据测量结果，基点选在剖面的23号点，如图1所示。

图1 昌元煤矿磁法物探的基点选择剖面示意图

3.高精度磁法探查结果

共布置磁法扫面41条，测点820个，检查点42个，精测剖面3条，测点63个。经过检查，扫面平面定点、精测平面定点、高程测量均符合磁法物探规范，磁测工作精度达到了规范要求的小于5nT的精度标准。本次工作共发现3个磁异常区，根据异常的规模和解释，各异常的编号为1号异常区、2号异常区、3号异常区。

根据火区平均宽度(L)，煤层平均倾角(θ≈67°)，利用公式H=L·tanθ，可估算火区最大燃烧深度。

经过计算，1号火区异常宽度分别为长470.95m，宽57.73m，火区深度为100m。2号火区异常宽度分别为长317.49m，宽47.92m，火区深度为83m。3号火区异常宽度分别为长587.11m，宽50.22m，火区深度为87m。

4.磁法物探结果的钻探测温验证

为验证磁测圈定的隐伏火区，在昌元煤矿露头火区布置了4个钻孔，其中1号孔布置在无火异常区（0号孔），孔深107m。在圈定的3个火区高异常区的边缘，布置了3个钻孔，分别为1号孔、2号孔和3号孔，孔深分别为112m、98m、99m。4个钻孔累计孔深416m，测温404m。经过钻探测温验证，磁测圈定异常区均为火区，通过磁测剖面高异常宽度计算的火区深度与钻探测温高温区相近。

二、 隐伏采空区的瞬变电磁勘探法技术

昌元煤矿煤层露头处埋藏浅，煤层厚，由于历史上小煤窑私挖乱采现象普遍，不仅沿5号煤层露头形成了很多塌陷区，地下也形成了分布散乱的采空区。采空区不仅造成地表环境的破坏，也诱发了深部煤层燃烧，地表生态环境遭受严重破坏，给矿井的安全生产带来隐患。为查明煤层露头一带的隐伏采空区，山西汾西正晖煤业有限责任公司重点对采空区进行了瞬变电磁物探。

1.瞬变电磁物探原理及依据

瞬变电磁勘探属于纯二次场观测，故与其他电性勘探方法相比，具有体积效应小，纵横向分辨率高，对低阻反映灵敏等特点，已成为煤矿常用的电法物探方法，广泛应用于采煤工作面煤层顶板或底板富水异常区、采空积水区等的探测。瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是回线形式(或载流线圈)的磁源，另一种是接地电极形式的电流源。

2.物探方法

本次勘探工作使用的瞬变电磁仪选择重叠回线观测装置进行探查。根据勘探区地形地貌、地质条件及采空区深度等，发射框边长采用50m×40m。为确定物探仪器的最佳工作参数，先行进行了物探试验。试验地点位于物探区一处地形较平坦、无强干扰源的地段，分别选择了不同时基、不同延时道、不同叠加次数、不同增益的参数进行对比试验，最终确定了最佳工作参数。其中，发射框50m×40m，线距50m，点距20m，时基为20ms，延时道为LOG20，叠加次数为128，增益为10倍。

为保证野外数据质量，在生产中采取了一系列的技术保证措施。包括：采用GPS放点布设发射线框，多余电缆成S形铺开。供电导线对地绝缘电阻大于2MΩ、内阻小于4Ω/km。专人操作仪器，确保数据采集系统的安全。瞬变电磁接收装置避免放在强磁场及金属干扰物等强干扰源附近，减少了人为电磁干扰。在村庄、高压线附近存在电磁干扰时，采取增加观测次数等措施，并做了现场情况记录。对仪器工作状况以及测点周围地形、地物、电缆线和其他可能影响到资料解释的因素进行了详细记录。按规程要求进行质量检查。每天野外采集结束后，及时将物探数据输入计算机进行检查，如数据不合格，次日重测。

图2 瞬变电磁物探资料解释流程框图

3.物探数据处理方式

瞬变电磁法观测数据是各测点断电后二次磁场垂直分量的时间变化率和延迟时间，需换算成视电阻率、视深度等参数，才能对资料进行下一步解释，瞬变电磁数据的处理步骤如下：

（1）滤波。为了减少噪声对勘查精确度的影响，首先对采集到的数据进行滤波，采用人机连作的方式对电磁噪声进行处理。

（2）关断时间校正。在实际勘探工作中由于发射框与大地间存在电容和线框波形状态，形成与理论发射波形的细微差别，有一定后沿时间的关断波形，所以要校正到理想波形状态。

（3）处理。根据视电阻率的计算数值，对野外采集的数据进行处理，消除因测点不同形成的误差。

（4）时深转换。为了准确地对资料进行分析，把瞬变电磁仪器野外观测到的数据变换成电阻率随深度的变化。

（5）反演。多次反复演示野外采集数据，得出地面的电性特征，结合实际分析地质资料和测井资料情况。

（6）绘制参数图件。从采集的数据中选出每条测线的数据，绘制各测线视电阻率断面图，即沿每条测线电性随深度的变化情况。数据处理和解释程序如图2所示。

经过最终解释，在2号治理区的达子营—戈家窑物探段共圈定出9处采空异常区和4处高温异常区，在狮子沟-石坝物探段共圈定出11处采空异常区和2处高温异常区，经过治理过程中的开挖证实，物探所圈定的采空区和火区空间位置基本正确。

三、实施技术勘探的效果及结论

昌元煤矿通过应用磁测探测技术，确定了该煤田内2、3、5号煤层火烧区的自燃边界, 基本划定了未燃烧边界和完全燃烧边界线，并根据钻孔对边界进行验证结果，与解释结果一致，说明此次磁测工作及解释成果可靠，可作为划分煤田自燃边界的依据。瞬变电磁的物探结果与实际施工开挖中的情况一致，并验证了物探的火区和采空区位置及相应的深度，对工程施工治理具有指导作用。实践证明，综合利用物探技术探测方法确定煤田火区边界是一种简单、方便、有效的方法，对山西省乃至国内同类煤矿火区和采空区探测圈定具有重要的借鉴意义和示范作用。

综上所述，高精度磁法勘查技术和瞬变电磁勘探技术可精确探测煤层厚度、煤层分布及埋藏、地质构造等情况，利用物探结果为矿井合理布置工作面、优化矿井设计、减少工程浪费量，提高资源回采率，保障安全生产提供重要的地质保证。