多煤层叠加火烧区边界解释技术应用

2021-08-10沈福斌王施智万兆昌

陕西煤炭 2021年4期

沈福斌，王施智，万兆昌

(陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西西安 710005)

0 引言

在陕北侏罗纪煤田中，绝大部分煤矿沿沟谷和一些近地表煤层都有自燃现象，且多煤层重叠自燃的现象普遍存在。因此，有效地解决煤田自燃问题，关系到我国的社会经济发展问题，具有重要的现实意义[1-3]。最早由陕西省煤田地质局物探测量队将磁法勘探应用在陕北侏罗纪煤田神木北部矿区普查项目煤层自燃边界的圈定中，取得了明显的效果，并先后应用到红柳林井田、张家峁井田、柠条塔井田、海湾井田、活鸡兔井田(火区)的精查勘探中。但由于现场状况及各种方法本身的限制，使得多煤层叠加火烧区边界的圈定存在一定的误差[4-6]。

1 烧变岩磁性特征

因煤层的顶、底板岩石中含有大量的黄铁矿(FeS2)和菱铁矿(FeCO3)结核或薄膜。当煤层自燃时其顶底围岩受高温烘烤，岩石中的铁质矿物在高温条件下，随着烧变岩的形成大部分转变成铁磁性矿物(Fe3O4)。岩石中的铁磁性物质在地磁场中从高温(居里点)冷却时将获得很强的磁性，这种磁称为热剩磁。岩石在地磁场作用下从高温至居里点降到常温的过程称为弱场冷却，烧变岩中强磁性体的形成，就是在弱场冷却的过程中实现的，它的磁化方向与地磁场方向相同。一般来说，岩石、煤层中铁质矿物越多、自燃温度越高，形成的烧变岩磁性就越强[7-9]。据统计陕北煤田中未烧变各类岩石磁性微弱，剩磁强度(Jr)常见值一般在90×10-3A/M单位以下，磁化率(K)常见值一般在144π×10-6SI单位以下。烧变岩磁性一般较强，以剩磁为主。烧变岩磁性不均匀，剩磁强度和方向变化大，最小变化范围几百至几万×10-3A/M单位，常见值一般变化范围在(75～7 500)×10-3A/M单位。磁化率变化范围约在(0～10 000)×10-6SI单位，常见值一般变化范围在(20～3 500)×10-6SI单位。

影响烧变岩磁性的因素，主要是煤层顶、底板及夹矸中铁质矿物的成分、数量和煤层自燃时的温度，还与矿物的结构、颗粒大小、形状、分布的均匀程度等有关[10-12]。铁质矿物的大小、结构及分布越不均匀，烧变岩的磁性也就越不稳定。多煤层叠加烧变岩磁异常曲线幅值较大，异常形态呈波状(锯齿状)变化，起始异常曲线幅值相对较小，幅值的绝对值不到100 nT，紧接着异常曲线斜率突然变大，出现高峰异常，一般情况下，烧变岩的埋深不同，其峰值亦存在差异，即埋深浅峰值大，反之，峰值小。

2 多煤层叠加火烧区理论模型

陕北侏罗纪煤田地层平缓，主要可采煤组为1#～5#，每组煤厚在2～10 m，层间距一般为20～40 m。各组煤层均有自燃现象，主要在煤层顶板位置形成10～40 m厚的烧变岩，呈水平板状或半无限台阶状磁性体。各井田中2层煤层重叠自燃的情况最为普遍，且大部分是上层煤厚，形成的烧变岩磁性比下层煤烧变岩强。部分地段上层煤较薄或因烧变岩受剥蚀，则上层烧变岩磁性相对较弱。陕北煤田中也有3层煤层重叠自燃的现象，但较为少见。根据烧变岩磁性体空间组合关系及其相对强弱变化的情况，可将陕北煤田多煤层重叠自燃的地质模型类型，即多层烧变岩磁性体叠加组合的模型类型归纳为7类,如图1所示。其中，2层煤自燃，其延伸的距离大致相同，即自燃形成的2层烧变岩长度大致相等；2层煤自燃，上层烧变岩厚、磁性强，且煤层自燃延伸的距离较长，此种类型最为普遍；2层煤自燃，上层烧变岩较薄，磁性较弱，但煤层自燃延伸的距离较下层要长，此种类型也较常见；2层煤自燃，上层煤自燃延伸的距离较下层短；3层煤自燃，煤层越浅，其自燃延伸的距离越短；3层煤自燃，中间煤层的自燃延伸距离最短；3层煤自燃，煤层越浅，其自燃延伸的距离越长，此种类型较为普遍。

图1 烧变岩磁性体重叠类型

3 多煤层叠加火烧区马奎特反演法

3.1 基本原理及分类

3.1.1 基本原理

磁异常解释中常规的选择法是将实测异常与假定的已知模型体产生的理论异常进行比较，选择符合程度最好的模型体作为解释结果。其优点是充分利用了全部实测异常值，而不仅限于利用个别特征点上的异常值，这样对实测异常剖面的背景长度不严格。对选择的地质模型各参数(如模型位置、体积大小、磁化强度及方向等)给定初值，快速计算理论异常，并与实测异常对比，用两者的偏差平方和来衡量拟合精度。如精度未达到预先规定的值，则修改地质体参数，重新计算拟合。如此反复直至精度达到要求为止，此时模型体的各参量即为解释结果。

3.1.2 马奎特法磁参数反演方法分类

组合棱柱马奎特法反演：根据初步定性分析解释将n个组合棱柱体放置到最佳位置，并给定初值后代入模型体参量和观测点坐标的函数式(1)中，求地表m个测点上产生的磁场，进行迭代反演。其原理是给定地下n个模型的初值，迭代求解每个模型的位置、大小、磁化强度和磁化方向。根据最终求出符合精度要求的各模型参数大小，判定地下磁性体赋存位置。

模型体参量和观测点坐标的函数

T=f(x，y，z；b1，b2，…，bn)

(1)

式中，T为地质体模型的理论异常；x，y，z为观测点坐标；b1，b2，…，bn，bn为模型体产状和物性等参数，其个数为n。

剖分单元马奎特法反演：将下半空间可能有磁性体的域内，用剖分单元法将域划分为有限多个规则体单元，当坐标选定，体积划分后，给定磁化强度和方向初值，则地下有限个单元在地表m个测点上产生的磁场即可代入式(1)求得。将结果代入式(2)即变为求增量δ0的马奎特法反演磁化强度和磁化方向。其原理就是固定地下n个体积单元的大小和位置，迭代求解每个体积单元的磁参数，根据最终求得符合精度要求的磁参数大小，判定地下磁性体赋存位置和磁性强弱及磁化方向。地下剖分单元可以是任意三度体或二度体(主要取决于(1)式)，根据陕北磁性体特点，目前选用二度棱柱体进行反演。

马奎特法校正值计算方式

δ0=(A+λ·I)/g0(λ>0)

(2)

式中，δ0为校正向量；A为矩阵；λ为用来控制修改量大小的任意正数；I为单位矩阵；g0为列向量。

3.2 磁性体模型反演与分析

3.2.1 反演结果

针对上述多煤层重叠自燃的7种类型，设计了各种叠加磁性体模型，现采用马奎特组合棱柱反演进行分析。假设模型均为二度棱柱体，2层剖面长为300 m、3层为400 m，点距10 m，迭代次数为40，磁化强度及方向的单位分别为10-3A/m、度，模型量距单位均为m，拟合均方误差单位为nT，如图2所示。

图2 磁性体模型反演结果

3.2.2 反演结果

第1类叠加磁性体模型：上下两层形态、大小基本一致，近似为一层，曲线拟合均方误差为±0.03 nT，模型厚度相对误差为2.8%，反演效果好。

第2类叠加磁性体模型：上层比下层宽、磁性比下层强，剩磁强度的比值为4/3，拟合均方差分别为±0.02 nT，最大相对误差为剩磁强度误差(1.5%)，下层最大相对误差为宽度误差(26.2%)，两层磁性体拟合的中心位置一致。

第3类叠加磁性体模型：上层宽下层窄，上层比下层磁性弱，拟合均方误差±0.09 nT，上层最大相对误差为厚度误差(7%)，下层最大相对误差为厚度误差(6.1%)。可见上层和下层磁性体拟合位置较好，但体积和磁化强度有一定的等效关系，体积大磁化强度则小，反之亦然。

第4类叠加磁性体模型：上层窄，下层宽，拟合均方误差±0.04 nT，上层厚度误差2.7%，下层厚度误差18.7%，宽度误差2.7%。两层磁性体拟合中心位置一致，磁化方向一致。

第5类叠加磁性体模型：上层1块，中层2块，下面4块，反演拟合均方误差为±0.0 4nT，上层埋深相对误差4.3%，中层宽度相对误差6.7%，厚度相对误差16.7%，下层宽度相对误差2.6%。由拟合结果分析，中层磁性体拟合误差大，但完全可满足实际解释精度。

第6类叠加磁性体模型：上层4块，中层2块，下层4块，拟合均方误差±0.06 nT，上层拟合厚度误差7%，中层宽度误差6.2%，下层宽度误差2.5%。

第7类叠加磁性体模型：上层4块，中层2块，下层1块，拟合均方误差为±0.1 nT，上层厚度误差7%，中层埋深误差2.6%，下层宽度误差2.7%，磁化方向绝对误差6.2°。

从上述7类磁性体模型反演拟合结果可以看出，误差较小、反演拟合较好。但在实际工作中，由于上层燃烧较充分，磁性体较强，对下层磁性体有屏蔽作用，因此解释下层磁性体的位置时，应辅助其它已知地质资料进行综合分析，解释精度会更高。

4 综合应用及成果修正

4.1 综合应用

该剖面横穿N357、N587、N591及N594号钻孔，据N357、N587及N591钻孔揭露，2-2号煤层厚度分别为4.73 m、4.5 m及5.1 m，其顶板均为烧变岩，N594钻孔揭露，2-2号煤层厚度为9.19 m，其顶板未发现烧变岩。另据N357钻孔揭露，3-1号煤层已经全部燃烧。由已知资料，测区大部分地段2-2号煤烧变岩较厚，磁性强且不均匀，3-1号煤烧变岩磁性相对较弱，属于多煤层叠加自燃的第2种类型。实测磁异常曲线呈大幅度的负值异常，幅值最大可达-150 nT。根据实测曲线形态和反演结果，如图3所示，2-2号煤层火烧边界位于20号点附近，3-1号煤层火烧边界位于13号点附近。反演解释的煤层自燃边界位置与已知钻孔揭露一致。