煤层自燃区隐蔽火源的综合地球物理探测应用

马子钧，杨海燕，李文宇，许云磊，赫云兰，刘卓明，李 鹏，黄 赳

(1.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学(北京) 煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室，北京 100083；4.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；5.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

煤层自燃是煤体分子结构中的活性基团与氧气发生物理化学反应而形成的一个非常复杂的动态过程[1-3]。合适的通风供氧通道是煤层自燃的必备条件之一，当煤体的氧化放热速率超过散热速率时，煤体温度不断上升直至引起煤层自燃。自燃着火点及其分布范围识别一直是困扰煤矿企业生产的技术难题，因此，找准火区燃烧中心并确定烧空区和垮落带是煤火探测的主要任务[4]。针对煤层隐蔽火源探测问题，相继发展出了测温法[5]、遥感探测法[6]以及地球化学方法[7-8]，在一定程度上解决了相应地质问题。在地球物理探测方面，由于不同煤体(火烧煤、烘烤煤和正常煤)之间以及破碎带和围岩间均具有明显的物性差异[9-11]，为火烧区地质雷达和电(磁)法探测应用提供了物理前提。

煤系为沉积地层，岩石以沉积岩为主，在物探成果图中一般显示为横向连续的电阻率分布。而供氧通道往往与破碎带、孔隙和裂隙发育有关，通道的电性依赖于内部填充物的性质，在不同阶段呈现出不同的电阻率特征。为了研究自燃着火点及其分布特征，笔者以内蒙古乌海市公乌素露天矿区为研究对象，在地面冒烟区部署物探测线，采用地质雷达和圆锥型瞬变电磁法识别地下自然着火区位置，以期揭示火区物探异常特征，为火区范围圈定以及着火规律分析提供依据。

1 煤田火区地球物理探测物性基础

内蒙古乌海市公乌素矿区地质结构较为清楚，煤系为沉积地层，地层倾角较为平缓；矿区岩石以碎屑沉积岩为主，呈层状结构。在煤层和矸石自燃发展过程中，自燃区域围岩裂隙发育为煤层自燃提供了合适的通风供氧通道。孔隙通道的电性大小依赖于孔内填充物，当孔隙内充满了空气时其电性相对煤层和围岩为高阻反映，若填充了水和其他导电物质时则呈现明显的低阻特征。其他地区煤矿火区动态监测研究显示，在烧变岩区燃烧后裂隙进一步发育，导电性相应增强，燃烧区至烧变岩之间表现为高导到低导的过渡地段[12]。

沉积岩岩石电阻率随温度升高而降低，这种变化与层间水的电阻率降低有关，其规律满足经验公式[13]：

式中:θ和θ0为不同时间的岩石温度，℃；ρ0为θ0时的电阻率，Ω⋅m；ρ为θ时由式(1)计算的电阻率，Ω⋅m。

为了获得电阻率随温度变化的相对趋势，引入归一化系数K，令其为：

则通过分析K值特征即可得到电阻率的相对变化规律。图1 为θ0=18℃时的K值曲线，K值随温度的升高而逐渐下降，表明相对于18℃时的电阻率，岩石电阻率随温度不断下降。这种规律在直流电阻率法和瞬变电磁法火区探测应用中也得到体现[4,9,14]，为采用以电性为基础的地球物理探测提供了物性前提。

2 工作方法

2.1 地质雷达

在地质行业中，地质雷达(GPR)被广泛应用于矿山地质构造及其裂隙探测。该方法以地下介质介电性差异为基础，采用发射天线(Transmission，T)向地下发射高频电磁波，电磁波在地下介质介电常数差异面上产生反射和投射，反射波和直达波由接收(Reception，R)天线接收(图2)。电磁波的衰减常数和传播常数与工作频率有关，对于不同的地下电磁参数，探测深度也不同，频率越低则探测深度越大。当煤层高温区的电导率降低时，不会出现明显反射界面，而且反射波形比较凌乱[15-17]。

图2 地质雷达探测原理Fig.2 Schematic diagram showing a ground penetrating radar survey

本文研究中地质雷达探测采用美国GSSI 公司的SIR4000 系统主机、100 MHz 天线以及RADAN 数据处理软件(图3)。

图3 地质雷达仪器设备Fig.3 Ground penetrating radar equipment

2.2 圆锥型瞬变电磁法

圆锥型瞬变电磁法(CSTEM) 是近年来产生的新方法，在天线形式上将多匝重叠小回线提升为圆锥型收发一体式天线，只要使圆锥型场源高度变为0 m、线圈半径相同，该场源就变回了多匝小回线(图4)，因此，可以将多匝小回线看作这种场源的一种特殊形式[18-19]。该方法理论以小线圈瞬变电磁理论为基础，其互感系数仅为多匝小回线的1/9，较大地提升了横向分辨率并减小浅部“盲区”，尤其在装置稳定性和工作效率方面具有较大优势[20]。

图4 圆锥型瞬变电磁探测原理Fig.4 Schematic diagram showing a conical source-based transient electromagnetic survey

本文研究中圆锥型瞬变电磁探测采用TERRA TEM24 型瞬变电磁仪，数据采集时选用仪器内置MK3_Standard 时间序列，采样时间范围从0.003 6 ms到93.184 4 ms，共83 个采样窗口，叠加32 次。天线装置为圆锥型发收一体式天线，天线顶底半径分别为0.5 和1.0 m，高0.5 m(图5)。

图5 圆锥型瞬变电磁天线Fig.5 Antenna used in the conical source-based transient electromagnetic method

在资料处理阶段，虽然圆锥型天线的关断时间较传统的多匝线圈短，但关断时间校正仍然能有效提升早期和中期段有效数据质量。在将感应电位转换为视电阻率之前，在整个采样时间范围内对关断时间进行校正，校正系数F为[20]：

式中：t为采样延时；t0为关断时间。

在关断时间校正以后，采用下式计算各测点数据的视电阻率[21]：

式中：ρa为视电阻率；μ为磁导率；S和S0分别为发射和接收线圈面积；V(t)为感应电位；I为电流。

3 测线布置

物探测线设计如图6 所示，共设计5 条地质雷达测线，测线编号分别为L1，L2，L3，L4 和L5。其中，测线L1 和L2 长151 m，测线L3 长180 m，测线L4 长95 m，测线L5 长88 m。圆锥型瞬变电磁测线与地质雷达测线重合，点距4 m，线距5 m，其中测线L1 有37 个测量点，测线L2 有37 个测量点，测线L3 有44个测量点，测线L4 有24 个测量点，测线L5 有23 个测量点。

图6 物探测线布置示意Fig.6 Layout of geophysical survey lines

图7 为测量环境示意图，该测区环境较为复杂。地表观测得知，测区覆盖多个缓坡、陡坡和断崖，为着火通道与空气接触提供了条件。测区左侧有大片冒烟区，在施工时有水罐车浇水灭火。在L1 到L4 测线左端均观察到多个冒烟点，形成冒烟区。

图7 测量环境示意Fig.7 Survey environment of the study area

4 探测结果分析

研究区岩石以碎屑沉积岩为主，呈层状结构，地层倾角较为平缓。随着露天矿转入深凹开采阶段，高陡边坡急剧涌现，在同一条地球物理测线上不同深度的边坡阶梯所反映出的物性会有所差异。煤层烧变岩经受高温烧结，岩石内部原有空隙水被烧干，内部结构也产生一定重构，导致岩石电性发生变化。因此，在资料解释阶段，根据不同边坡阶梯呈现出的电阻率差异，分区进行电阻率的横向和纵向比较。在不同的边坡台阶下，原岩区和烧结区电阻率差异较大，资料解释时结合地表观测情况，根据各台阶下方电阻率的相对差异来圈定异常。由于地表碎石较为松散，地面冒烟点与地下着火通道的垂向方位可能不存在严格的对应关系，即煤层燃烧产生的烟雾向上沿松散层扩散，冒烟区的位置间接反映出地下着火通道的大致范围。

原岩区和烧结区的物性稳定性较为连续，其顶界面在雷达影像中呈现出较为明显的反射同相轴，在圆锥型瞬变电磁成果中则体现为横向连续的电阻率分布。从L1−L3 测线地质雷达和圆锥型瞬变电磁探测成果图(图8) 可 以 看 出，L1 线 的0～100 m 段、L2 线的0～112 m 段以及L3 线的0～136 m 段均呈现出高阻反应，整体上电阻率横向连续性较好，同时雷达影像同相轴较为清晰，该处应为原岩区的反映。

图8 L1−L3 测线物探成果Fig.8 Outcomes of the ground penetrating radar surveys and conical source-based transient electromagnetic surveys of survey lines L1–L3

与原岩相比，烧变岩岩体裂隙、空隙发育，煤火燃烧作用形成破碎带和疏松脱空现象，反映在地质雷达影像图中多为因雷达波多次反射而出现的同相回波弱且不连续等特征，在圆锥型瞬变电磁拟断面图上则会出现电阻率等值线的下凹、错断以及电阻率值的突变等规律。该特征在图8 中也得到反映，在L1 线的84～88 m 和100～128 m、L2 线的76～88 m 和128～164 m以及L3 线的16～36 m 和112～124 m 分别呈现低阻或中低阻异常，且电阻率连续性较差，在对应的雷达影像中也出现多次反射现象，呈现出破碎带或疏松脱空的响应特征。

即使在推测的原岩区内视电阻率拟断面也出现了等值线下凹情况，下凹和其他破碎带位置与地面观测到的冒烟点基本吻合，因此相邻测线间的低阻凹陷区极有可能存在着火通道。

为了建立地下着火通道间的联系，绘制出圆锥型瞬变电磁视电阻率切片，如图9 所示。综合5 条测线可以看出，研究区左端电性整体较为稳定，为稳定原岩的高阻反应，从地表至地下反映出层状分布的地质特征。在测线L1−L3 的中部均反映出中低阻，并出现相似的等值线错断特征，与测线左端相比该处高程落差近4 m，电性分布较为复杂，呈现出破碎带的反应，从L1 线到L3 线电阻率不断升高，可能和燃烧程度有关。测线最右端高程最低，与测线左端相比该处高程落差近6 m，是否为烧结区还需要进一步探明。

图9 圆锥型瞬变电磁视电阻率切片Fig.9 Apparent resistivity slices from conical source-based transient electromagnetic surveys

通过与地面冒烟位置比较，结合5 条线的异常特征，可以推测出4 条地下着火通道，通道的中心位置分别为：①L3 线0 m → L4 线8 m → L5 线20 m，②L1线40 m → L2 线36 m → L3 线28 m，③L1 线90 m →L2 线88 m → L3 线124 m，④L1 线126 m → L2 线130 m → L3 线160 m。在推测的4 条地下着火通道中，①、②和④通道已经得到揭露，地面冒烟区范围与地下通道之间具有较好的对应关系；而③通道为隐伏通道，地面没有出现冒烟点，是否为烧结所致仍待进一步确认。

5 结论

a.煤层自燃区识别结果表明，综合圆锥型瞬变电磁和地质雷达两种方法，可以对潜在自燃着火点位置及着火范围进行有效识别，为着火区范围的圈定以及着火规律的分析提供依据。

b.原岩区和烧结区的物性稳定性较为连续，其顶界面在雷达影像中呈现出较为明显的反射同相轴，在瞬变电磁成果中则体现为横向连续的电阻率分布。着火区地下通道主要由孔洞裂隙发育、岩体破碎等因素造成，反映在地质雷达剖面中为同相回波弱且不连续，以及出现多次反射，在瞬变电磁拟断面中则显示出一定的电阻率横向差异，使视电阻率等值线发生下凹或错断。

c.相邻测线中显示的邻近冒烟通道在地下有较强的连通性，具有隐伏特征，地表覆盖层的致密程度决定了地表的冒烟点位置。因此，在火烧区地球物理资料解释中，需要在分析测区整体电性规律的基础上，分区研究测线局部范围内的物性变化，以界定原岩和烧变岩中物探异常的分布规律。