基于NEMV技术对红柳林煤矿煤层火烧边界的确定

苗彦平,杨 磊,党 冰,郑丽娟,杨皓洁

(1.陕煤集团神木红柳林矿业有限公司,陕西 榆林 719000;2.陕西浩兴坤达新能源科技有限公司,陕西 西安 710000)

0 引言

中国西北部煤系地层埋深较浅,且形成于中生代侏罗纪的煤变质程度较低,易风化和氧化,在储热条件良好的地区,就会使煤层发生自燃,然后烘烤围岩,形成烧变岩。岩石在经过漫长的烘烤后,原有的岩体稳定性必然下降,孔隙裂隙增加,形成良好的储水空间或强含水层。煤层自燃后,顶板烧变岩很容易垮落,产生新的裂隙,为水的赋存提供了有利条件,影响附近煤层安全回采。红柳林井田煤层上覆基岩较薄,距离风化基岩含水层较近。作为煤层开采的直接充水含水层,其发育厚度极其不均,且富水性强、地下水静储量大、补给条件良好,为红柳林井田水害防治主要对象[1-5]。

NEMV技术是通过观测和分析由岩石、矿石(或者其他探测对象)所显示的天然电磁脉冲信号差异体现应力变化点,结合专有软件所形成的层析成像剖面进行研判,进而研究地质构造的一种新型地球物理勘探方法。

1 技术原理

19世纪初,科学家通过Dulong-Petit定律认识到:原子的热运动在宏观上的直接表现为热容。直到20世纪初Einstein利用Plank量子假说解释了固体热容为什么会随温度降低而下降的现象。1912年波恩与冯卡门首次使用了周期性边界条件来研究晶体点阵振动。后来黄昆先生继承并发展了波恩的理论,他认为固体内部的晶格在应力状态下会在固体温度控制的能量范围内发生微振动,导致晶格变形,随着应力的增大,产生了压电效应。在地球运动与万有引力的影响下,地球内部具有类压电体性质的岩石应力状态发生变化,岩石受到挤压产生形变甚至破碎,储存在岩石中的能量突然释放,这一过程伴随着岩石固体晶格的断裂。断裂会使得晶格中的纵振动声波引起横向电极化,这一极化会与某一特定波段的电磁波强烈耦合,从而出现极化激元,产生电磁声子,形成电磁脉冲波[6]。

NEMV技术通过接收地下不同深度的自然电磁脉冲信息,对频谱内不同波长有效散射面积进行还原,提取地质极化异常。正常煤层与火烧区之间由于内部应力状态不一致,勘测出的数值也是不一样,进而可以精确划分火烧区边界。

2 划分4-2煤层火烧边界

2.1 关于4-2煤层火烧边界的圈定原则

根据区域地质综合研究,煤层自燃后形成空腔,其上覆地层原应力平衡被破坏,致使出现大量层间裂隙或破碎带,为后期地表水的下渗提供了导水通道[7-9],对比原始沉积状态的基岩,会产生应力卸载的现象,其应力系数普遍呈现低-超低异常显示。同时,火烧区上覆地层与火烧区底界之下地层在应力剖面图上有明显分界线。原生基岩受风化后结构杂乱,松软易碎,孔隙增大,透水性增强,节理裂隙显现,应力集中程度较低,其应力系数呈现低异常显示。

故此,火烧边界的圈定原则如下:①火烧边界为应力系数陡变点,即在应力系数剖面上表现为由高到低或由低到高的突变点;②火烧边界在层析成像剖面上存在异常。

2.2 火烧边界剖面解释

HLL-E028层析成像剖面长度843 m以东,4-2煤层底板以上相比于西部层理性较差,推测是由于煤层燃烧后上覆地层出现大量层间裂隙或破碎带所致,局部放大图上异常明显,HLL-E028火烧区边界剖面解释如图1所示。

应力系数剖面4-2煤层底板以上应力分布为低异常,与层析成像剖面异常吻合,进一步确定了火烧区边界。低异常区中的超低异常区推测为4-2煤层完全燃烧后形成较大的空间,从而造成上部烧变岩层在形成过程中局部滑塌,尤其是紧靠煤层的烧熔岩部分表现得尤为显著,造成局部超低应力异常区。

HLL-E065层析成像剖面在长度518 m以东,4-2煤层底板以上相比于西部层理性较差,推测是由于煤层燃烧后上覆地层出现大量层间裂隙或破碎带所致,局部放大图上异常明显,如图2所示。

应力系数剖面与层析成像剖面异常吻合,进一步确定了火烧区边界。低异常区中的超低异常区推测为4-2煤层完全燃烧后形成空腔,上覆地层出现大量层间裂隙或破碎带,且在形成过程中局部坍塌,造成局部超低应力异常区。

HLL-E038层析成像剖面在长度1 400 m以东,低异常区中的高应力异常推测为4-2煤层火烧区上覆地层烧变程度轻、烧变过程中未发生原岩的熔融而保存原岩沉积构造特点的烧结岩[10-14],变得致密而坚硬,且局部未坍塌,相比自燃使上覆地层出现大量层间裂隙或者破碎带,呈现出局部应力较高的特征,如图3所示。

HLL-E053层析成像剖面在长度469 m以东,低异常区中的高应力异常推测为4-2煤层火烧区上覆地层烧变程度轻、烧变过程中未发生原岩的熔融而保存原岩沉积构造特点的烧结岩,变得致密而坚硬,且局部未坍塌,相比自燃使上覆地层出现大量层间裂隙或者破碎带,呈现出局部应力较高,如图4所示。

图4 HLL-E053火烧区边界剖面解释图

综上所述,层析成像剖面与应力系数剖面上的应力分布特征如下,①4-2煤层火烧区边界处与正常岩层在垂直方向有相同的应力分布特征;②4-2煤层火烧区煤层自燃后造成应力低异常区;③4-2煤层火烧区底界之下地层应力分布与正常岩层相同。

3 火烧边界圈定

鄂尔多斯盆地东北部地区延安组煤层自燃烧变直接产物可分为3类,分别为自燃残留煤、煤灰和烧变岩。其中自燃残留煤和煤灰是煤层部分或全部燃烧后的产物,烧变岩则是上覆沉积岩遭受热烘烤后的产物。煤层自燃后,热量向外围扩散,热传导的主方向垂直向上,导致上覆岩层遭受热烘烤形成烧变岩,受煤层燃烧程度、时间不同的影响,上覆岩层受烘烤烧变的程度相应不同,即产生不同类型的烧变岩[15]。烧变岩可大体分为2类,即烧变程度重、发生熔融或部分熔融而具熔融状、炉渣状或蜂窝状的烧熔岩和烧变程度轻、烧变过程中未发生原岩的熔融而保存原岩沉积构造特点的烧烤岩。煤层自燃烧变事件为普遍存在的地质现象,在该地质事件中相应形成自燃残留煤、煤灰和烧变岩等烧变产物,他们在纵向和横向剖面上具有明显的分带性;这些烧变产物均为原岩在热力作用下形成,其岩石的岩石力学性质、物理性质、化学性质等均发生不同程度的变化,通过层析剖面及应力系数剖面上的异常可推断出火烧边界。

通过对测线层析剖面及应力系数剖面异常解释,综合研究分析,4-2煤层火烧边界呈北东走向,总长3 586.793 m,与历史电测资料相比,向西移动最大可达323 m,证明NEMV技术的优越性。

4 结语

(1)4-2煤层火烧边界处应力分布与正常岩层有明显的应力区别。

(2)煤层自燃后形成空腔,上覆地层原应力平衡被破坏,致使出现大量层间裂隙或破碎带,其应力系数普遍呈现低异常显示,4-2煤层火烧区底界之上应力分布为低异常。

(3)自燃煤层较厚时,烧变岩在剖面上会呈现出完整分带序列,即自下而上依次为:煤灰层—炉渣状或蜂窝状烧熔岩—板片状烧烤岩—层状烧烤岩。这种较厚煤层完全燃烧后往往会形成较大的空间,而造成上部烧变岩层在形成过程中滑塌,尤其是紧靠煤层的烧熔岩部分表现得尤为显著,会造成局部低异常区,所以4-2煤层火烧区中低应力区中的超低应力区推测为煤层自燃后造成烧变岩局部破碎坍塌后形成空腔所致。

(4)4-2煤层火烧区上覆地层烧变程度轻,保存原岩沉积构造特点,且局部未坍塌,呈现出局部应力较高。

(5)煤层自燃后,热量向外围扩散,热传导的主方向垂直向上,4-2煤层火烧区底界之上呈现低应力区,4-2煤层火烧区底界之下地层应力分布与原岩应力分布特征相同。