航空磁法测量在新疆某煤矿火烧区圈定中应用效果分析

徐维 张洲春 赵才生

摘 要：为积极响应国家政策，整合利用资源，贯彻安全生产的基本原则，测区煤层自燃、形成火烧区，对井巷建设存在安全隐患，测区煤层因构造作用倾角较大，为查明测区内火烧区范围、埋深及空间展布状态，采用航空磁法测量物探方法查明火烧区范围、埋深及空间分布特征，初步圈定两层煤存在火烧现象，分别为下5、下10煤层，通过欧拉反演大致确定火烧区深度范围，航空磁法测量在本区取得了良好的勘查成果。

关键词：煤矿;航空磁法测量;火烧区;欧拉三维反演

中图分类号：P631     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）9-0059-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.012

Application Effect Analysis of Aeromagnetic Survey in Delineation of Burning Area of a Coal Mine in Xinjiang

XU Wei1    ZHANG Zhouchun1    ZHAO Caisheng2

（1.Team 149， Gansu Coalfield Geology Bureau，Lanzhou 730020，China;

2. Gansu Jingyuan Coal & Electricity Co.， Ltd.，Baiyin 730900，China）

Abstract： In order to actively respond to national policies， integrate and utilize resources， and implement the basic principles of safe production， the spontaneous combustion of coal seams in the survey area forms a fire area， which has potential safety hazards for shaft and roadway construction. The dip angle of coal seams in the survey area is large due to tectonic action. In order to find out the scope， buried depth and spatial distribution of the fire area in the survey area， aeromagnetic survey geophysical method is used to find out the scope， buried depth and spatial distribution characteristics of the fire area， It is preliminarily delineated that there is burning phenomenon in two layers of coal， namely lower 5 and lower 10 coal seams. The depth range of the burning area is roughly determined through Euler inversion. Aeromagnetic survey has achieved good exploration results in this area.

Keywords： coal mine;aeromagnetic survey;fire area; Euler 3D inversion

0 引言

新疆庫车市某煤矿地处天山南麓山前坳陷带北缘，库-拜煤田东部，境内煤炭资源丰富，赋存条件好，煤质优良。矿区共含有6层可采煤层，分别为下2、下4、下5、下7、下10和下12煤层，煤类主要以45号气煤、43号气煤、25焦煤、1/3焦煤为主，其次为不黏煤。以往在测区做了地质调查，发现下5、下10煤层地表存在火烧现象，但未查明对其火烧区范围、埋深及空间分布特征，因调查区地形切割剧烈，航空磁法对测量查明火烧区空间分布特征具有重要意义。

1 测区地质及地球物理特征

1.1 地质概况

井田位于尤勒包古孜背斜南翼，含煤地层倾角60°～85°，呈急倾单斜构造，具有北部陡、南部缓、浅部陡、深部缓、两端陡、中间缓的特点，地层由老至新依次为上三叠统黄山街组（T3h），深水湖相沉积，岩性以灰黄、灰绿色、黄绿色粉砂岩、泥岩、细砂岩呈不等厚互层为主;下侏罗统塔里奇克组（J1t），河流-湖泊相含煤碎屑岩建造，由多个河流-湖泊相沉积旋回构成，岩性以灰白色砂岩、灰色粉砂岩为主，含煤15层，其中可采煤层6层;下侏罗统阿合组（J1a），河流相不含煤的粗碎屑岩沉积，为灰白色、浅灰黄色中、粗砂岩，具有大型斜层理;中侏罗统克孜努尔组下段（J2k1），浅灰色粉细砂岩、粗砂岩组合，夹有薄层炭质泥岩;第四系全新统冲洪积层（Qhalp）和第四系全新统人工堆积（Qhs）。

1.2 地球物理特征

为了解工作区岩石物性特征，对工作区分布的主要岩石进行了测定，依据规范，主要岩矿石物性标本大于30块，进行算术平均值（[σ]）的计算，测定岩石磁化率统计结果见表1，上三叠统黄山街组（T3h）、下侏罗统塔里奇克组（J1t）、下侏罗统阿合组（J1a）的磁化率较低，平均值为18×10-5～35×10-5 SI;烧变岩略高，平均值为711×10-5 SI;勘查区物性较为容易区分，可以满足分辨火烧区条件。

2 工作技术与参数设置

航空磁测采用加泰科的专利产品GTK-RF-M300无人机航磁系统，该系统以大疆M300 RTK作为平台，高精度铷光泵磁力仪和磁通门磁力仪作为磁力仪探头。日变站采用捷克Satisgeo KT-6磁化率仪，进行日变数据采集。

2.1 仪器性能校验

在工区选择一处磁场平稳而又不受人文干扰场影响的地方，对投入生产的所有仪器进行噪声水平测定，噪声均方误差为±0.2 nT;探头一致性测定，测量差值的变化为（23.4-23.9） nT，满足差值小于0.5 nT的要求。所有仪器噪声水平基本满足工作需要。

2.2 日变站及飞行高度选择

日变站应布在磁场平稳地段，且开阔平坦、周围无人文干扰，工作便利。以日变站为中心，向东、南、西、北和垂向上方向1 m、2 m距离处进行快速稳定测量。从测量结果可以看出，日变站2 m范围内磁场平稳，各个方向上磁场变化较小，最大变化为-0.84 nT，满足不超过航磁测量总精度1.0 nT的要求。

飞行高度经试验选择，试验飞行高度为80 m、120 m，通过对比发现，在飞行高度80 m和120 m时，对火烧区都具有明显的磁异常，但是对于煤5和煤10火烧区分辨率有差异，飞行高度为120 m，较80 m的叠加异常明显，对两层火烧区分辨不明显，本次采用飞行高度80 m。

3 数据处理

航空磁测数据处理使用专业数据处理软件Geosoft Oasis Montaj及Mapgis6.7。主要包括数据的校正、改正、测线数据调平、数据定位与网格化变换以及化极[1]。

3.1 航空磁测数据的修正处理

航空磁测数据修正处理的目的主要是求取航空磁测ΔT。ΔT是地磁场相对变化量，是磁场总强度（航磁仪实测值）与正常地磁场总强度的模量差。

3.2 日变改正

地面日变测量与每架次飞行测量同步进行，经檢查日变数据正常，数据采集期间未发生磁暴。日变磁力仪噪声水平差于光泵磁力仪，地面磁日变测量做非线性滤波后用于日变改正。

3.3 正常梯度改正与高度改正

地球正常磁场校正也称国际地磁参考场校正或水平梯度校正，实质是求实测磁场总强度值与国际地磁参考场值的差的运算过程。

正常梯度改正利用国际地磁参考场IGRF2010.0模型提供的高斯系数进行正常梯度改正。

计算磁场总强度T0及梯度值，如式（1）。

[T0=X2+Y2+Z2=H2+Z2]  （1）

式中：T0为总基点地磁场总强度，nT;X为地磁场强度水平x方向分量，nT;Y为地磁场强度水平y方向分量，nT;H为地磁场强度水平强度，nT;Z为地磁场强度的垂向分量，nT。

高度改正公式为式（2）。

[ΔT高=3T0R（Hi-H0）]   （2）

式中：ΔT高为高度改正值，nT;T0为总基点地磁场总强度实测值，nT;H0为总基点的高程，m;Hi为第i个测点的高程，m。

磁异常（ΔT）值按式（3）计算。

[ΔT=T观-ΔT日+ΔT正+ΔT高-T0] （3）

式中：ΔT高为高度改正值，nT;ΔT日为日变改正值，nT;T0为总基点地磁场总强度实测值，nT;T观为地磁场总强度实测值，nT。

3.4 欧拉三维反演

欧拉反褶积法是一种能够利用重磁网格数据来确定地质体位置（边界）和深度的自动化计算方法，这种方法的优点是不需要已知地质信息的控制。位场和其梯度与场源之间的联系可以通过欧拉齐次方程表示，场源的不同形状即地质构造的差异则表现为方程的齐次程度，也就是地质构造指数。地质构造指数或齐次程度实质上表现了场随离开场源距离的衰减率。为了给下一步地质钻探工作提供建设性意见和有用信息，采用定位欧拉反褶积方法[2]。

4 资料推断解释

4.1 地质特征

测区地层走向近东西向，地层倾角较大，在70°左右，地形切割剧烈，南北高差达300 m，大部分区域基岩出露，有大致三条南北向冲沟第四系洪积层覆盖，在测区西南部，有东西向冲沟，地层从南往北依次是侏罗系下统阿合组，岩性为灰白色、浅灰黄色中、粗砂岩;侏罗系下统塔里奇克组，岩性为灰白色砂岩，灰色粉砂岩，泥岩;勘查区北部有两条地表可见的火烧区条带，从地表观察，南部火烧区宽度为60 m左右，北侧火烧区为30 m左右。

4.2 航空磁测特征

已有资料显示，正常煤层从自燃到熄灭过程中，可能存在一个熄灭带[3]，在熄灭带上观测到的热剩磁异常反而最强，从熄灭带到燃烧带观测到的磁异常逐渐减弱，用磁法探测火区实际上主要反映的是熄灭带的范围，燃烧带较之略深一些，这给磁法准确划分煤层自燃边界带来一定难度[4]。在解释工作中，一般是将实际解释煤层自燃边界位置由理论解释点向未烧区偏移，偏移量要视煤层厚度而定[5]。

全区磁场背景值由南向北呈缓慢递增，磁场等值线近东西向，符合地层走向，在工区东北部磁场变为正值，此交界线为侏罗系和三叠系岩性分界线，勘查区分析出两个条带状磁异常，编号分别为M1、M2，异常M1、M2为烧变岩引起的异常，根据2.5D反演模型和地质相对应，推测异常体应该为二度板状体，倾向朝南，延伸100～200 m;两个不规则异常编号为M3、M4，推测由人文干扰引起，干扰有居住区及矿区建筑物（见表2）。通过航空磁测磁异常分布结合岩石物性分析，测区火烧区地表火已灭。

对测区磁异常M1、M2进行欧拉三维反演，根据解析磁异常大致深度如表3所示。火烧区深度最小值为12.37 m，磁异常值为195 nT，最大值为142.8 m，磁异常值为657.82 nT，推测测区下5煤层和下10煤层火烧区深度大部分在200 m之内。欧拉三维反演极值点为28，反演深度为88.32 m，在此处布设验证钻孔ZK01，ZK01为直孔，在孔深88.45 m处提取岩性为烧变岩，成果可靠。

5 结论

①测区内分析出火烧区两条，对应高磁异常，为条带状，对应地质为下5、下10煤层。

②测区下10煤层火烧区深度整体较下5煤层火烧区深，通过欧拉三维反演分析，下10煤层火烧区最深为142.8 m，下5煤层火烧区最深为88.32 m。

③测区火烧区形态和埋深基本确定，火烧区深部不均，应与地质条件及地形相关。

④火烧区形态走向基本与煤层一致，局部存在烧空现象。

⑤经钻孔验证，测区航空磁测成果可靠。

参考文献：

[1] 邵振鲁.煤田火灾磁、电异常演变特征及综合探测方法研究[D].徐州：中国矿业大学，2017.

[2] 张季生，高锐，李秋生，等.欧拉反褶积与解析信号相结合的位场反演方法[J].地球物理学报，2011（6）：1634-1641.

[3] 宋学昌.易自燃煤层条带复采面掘进中综合防灭火技术实践[J].中州煤炭，2010（6）：112-113.

[4] 宋吾军，王雁鸣，邵振鲁.高密度电法与磁法探测煤田火区的数值模拟[J].煤炭学报，2016（4）：899-908.

[5] 朱晓颖，于长春，熊盛青，等.磁法在煤火探测中的应用[J].物探与化探，2007（2）：115-119.