高精度磁法在张家峁煤矿煤层火烧区探测中的应用

2022-12-20张池

陕西煤炭 2022年6期

张池

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西榆林 719316)

0 引言

张家峁井田范围内各煤层发育有大面积的火烧区，为神府煤田烧变岩最具有代表性的矿井[1]，井田北部、东部、南部甚至西部均有各煤层的烧变岩露头，烧变岩水害对矿井安全和正常生产的威胁较大，长期以来，烧变岩水害一直是张家峁煤矿防治水工作的一个重点。由于张家峁煤矿地面存在一处水库，对于矿井安全存在极大隐患，水库水存在烧变岩裂隙导通至煤矿的可能。而且对于接续的15207、15208这2个工作面的采掘布设影响较大。此外，由于工作面5-2煤层顶板为4-2煤层火烧区，回采后会直接导通4-2煤层火烧区烧变岩含水层，含水层中的水直接涌入井下将严重威胁5-2煤层的安全生产。因此，需对4-2煤层火烧区进行探测，圈定其边界位置，为工作面安全掘进和回采工作提供技术资料。在以往的火烧边界探查中，优先选用高精度磁法查明煤层火烧区的边界，这种方法在新疆和山西等煤炭开采区域均得到了很好的应用[2-3]，利用磁法勘探也可以探测并圈定深部隐伏火烧区的范围[4-5]。

因此，应用高精度磁法探测张家峁煤矿4-2煤层火烧边界，并与之前的火烧边界进行对比。本次高精度磁法勘查是以烧变岩石的磁性差异为基础，勘探内各类未烧岩石磁性微弱；煤层顶底板岩石中虽含有大量黄铁矿结核，但其磁性亦较弱。当煤层自燃时产生高温，使煤层顶底板岩石受热变质，从而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，磁化率及剩余磁化强度均较高[6-8]。区域地质资料表明，测区内无火成岩侵入，也未发现强磁性矿床，故本区磁异常主要为烧变岩的反映，这是利用磁法探查烧变区的物理前提和基础。

1 高精度磁法探测方法

1.1 高精度磁法探查烧变岩设计

高精度磁法探测是指磁测总误差≤5 nT的磁测工作，其原理与常规磁法勘探一致，也是利用岩(矿)石之间的磁性差异所引起的磁场变化，通过测量分析目标体磁异常分布规律，得到地下目标体的位置、产状等特征，从而达到对地下目标体的勘探目的[9-10]。为了实现对4-2煤层烧变岩的精确探测，本次高精度磁法测线布设基本沿地层走向布设，测网密度为20 m×5 m，即线距20 m，点距5 m；共完成测线54条，磁法坐标点9 573个，复查点(约3%)288个，总物理点约9 861个，控制面积0.93 km2。

1.2 资料处理

日变资料整理:首先将每天的日变数据传入计算机，检查当天日变是否存在磁暴和干扰，确定无问题时，提供下一步数据处理利用。同时填写日验收记录表。

磁测资料整理:把仪器所记录的数据导入计算机，并对仪器存储号等进行100%复核。将每个台班仪器所记录的数据，当天由室内人员进行100%的检查、整理；删除野外已经确定的废点数据，同时填写日验收记录表。

日变改正:每个台班当日记录检查无误后，利用当天的日变数据由专用计算机程序进行日变改正。

确定磁场值：对于进行重复观测的测点，求取经日变改正后的算数平均值，作为本测点的磁场值。并将每个测点的磁场值与对应测量资料对接，方可进行下一步数据处理。

正常梯度改正：采用国际地磁参考场IGRF 2005.0的高斯系数进行正常地磁场计算。利用每个测点的坐标，用计算机专有程序计算出每个测点的正常地磁场，并以此来计算水平梯度的变化值，作为水平梯度改正系数。以总基点处的正常地磁场梯度值为零。位于总基点以北，改正系数取负；位于总基点以南，改正系数取正；按照水平梯度改正值进行改正。最后输出结果，即进行ΔT值的计算。磁测数据处理流程如图1所示。

图1 磁测数据处理流程

2 资料解释分析

2.1 资料解释

首先逐条分析各测线的ΔT曲线图，研究区内异常场、背景场与实测曲线的对应关系，结合地面调查资料，确定火烧区边界。再将断面成果展布到平面，充分利用已知地质资料及调查资料，将各参数图进行综合对比，最终绘制煤层火烧区边界。根据以往陕北煤田磁法勘探圈定火烧边界的工作经验知，区内各煤层顶底板岩石中，一般含有数量不等、粒度不一的铁质矿物。当煤层自燃时，上覆岩石受到高温烘烤，其中的铁质矿物成分发生化学变化，形成含铁磁性矿物成分的烧变岩。当岩石冷却后，烧变岩就保留有较强的热剩磁。由铁磁性物质的剩磁理论知，岩石烧变后所获磁性的强弱，与煤层自燃时燃烧程度及其对岩石的烘烤温度的高低有关。煤层自燃时，岩石所获温度愈接近居里点，冷却后，烧变岩所保留的热剩磁就愈强；反之则愈弱。因煤层自燃程度受自然条件的控制，如煤层厚度、煤质，上覆地层厚度，岩石裂隙是否发育，水文地质等，加之不同地段，不同层位的岩石铁质矿物含量不一，故煤层在不同地段自燃后所形成烧变岩的磁性强弱不同，实测磁异常极不规则，形态各异。

2.2 结果分析

图2为本区17线和19线的ΔT剖面曲线图。可以看出，2条测线的磁异常曲线在横向距离0～870 m之间变化范围较小，ΔT值均在0～30 nT范围内，曲线较圆滑，分析认为该段范围为正常地层磁异常曲线的特征反映；而在横向距离870 m以后曲线特征表现为高角度上扬，ΔT值急剧增大，2条测线均有反映，说明该段地层存在强剩磁异常且异常可靠性较高。结合矿区钻孔资料，从磁异常剖面曲线图中可看出，原生地层与火烧区的ΔT值差异明显。在正常地层区域ΔT值较小且相对稳定，而在烧变岩的区域，ΔT值明显增大，而且曲线存在明显的峰值异常，且异常梯度变化较大。图3为本次探测的磁异常平面图，其值的高低基本可以反映勘探区域内的火烧情况。图中“白色-浅灰色”填充地段磁异常强度较小，分析为正常地层磁异常区域；“深灰色-黑色”填充地段磁异常强度较大，分析为煤层烧变异常区。可以看出，在测区西北部区域，大面积呈现“白色-浅灰色”填充的大范围区域，该区域等值线变化均匀，无明显的高磁异常存在，且该区域内有7-4号钻孔，此处钻孔在终孔深度范围内未见烧变区，与磁法探测结果吻合，故分析认为该段范围内无煤层烧变情况。在测区东南部，磁异常值较高且等值线呈梯度变化且变化较密集，分析为煤层火烧的特征反映。在烧变异常区内，填充颜色变化不均匀，应与煤层燃烧程度、上部岩层受烘烤程度及其埋深有关系。根据地质资料和钻孔实际揭露地层资料，认为其主要反映的是4-2煤层的烧变情况。

图2 不同测线ΔT剖面曲线示意

图3 磁异常平面

2.3 4-2煤层火烧区边界综合推断结果

结合剖面曲线图、磁异常化极平面图、地质和钻孔资料，各煤层原火烧区边界图和瞬变电磁法成果资料，推断的4-2煤层火烧区边界成果如图4所示。图中粗实曲线为本次推断的火烧区边界，虚线为原火烧区边界线。经统计，推断的4-2煤层烧变区边界与原边界延伸趋势大致相似，局部存在重合和相交的区域，但仍有部分区域存在差异，最大处约110 m。鉴于本次勘探过程中可供参考的已知资料较之前有所增加，且磁法测点密度较大，所以本次推断的4-2煤层火烧区边界在精度上要大于原火烧区边界。

图4 推断4-2煤层火烧边界

3 水文地质钻探验证

根据野外实地踏勘情况，姬中奎等[6]采用水库水位流量响应法，不仅确定了常家沟水库水是郭家墕冲沟出水点的来源，而且确定了常家沟水库北岸水库水与4-2煤层烧变岩有直接的接触关系。为了进一步验证分析结果，进行了水文地质钻探，如图5、6所示。T2钻孔孔深100 m，T3钻孔孔深96.91 m，T4钻孔孔深95.60 m，见表1。3个钻孔在施工过程中全部出现了漏失，T3孔漏失最严重，T2、T3和T4号钻孔位于煤层烧变异常区，未发现4-2煤层，但均在4-2煤层位置发现了烧变岩。