同位素測氡法與瞬變電磁法相結合探測煤田火區燃燒位置

楊彥成

（寧夏回族自治區煤田地質局第二勘查院，寧夏 銀川750011）

煤層自燃是煤田的主要災害之一，它嚴重威脅著煤礦的安全生產以及礦區居民的健康，同時也浪費了大量的煤炭資源。如何有效地圈定出煤層燃燒的空間位置（包括平面位置、范圍及縱向埋深），是采取針對性滅火施工的前提。經過多年實踐，同位素測氡法是探測火區平面位置及范圍的有效方法之一，但其無法正面直觀地對火區的燃燒深度做出判斷，因此需要結合其他有效手段針對火區燃燒深度進行輔助探查。筆者選擇瞬變電磁法針對煤火燃燒深度進行輔助探查，獲得了良好的效果。

1 同位素測氡和瞬變電磁法基本原理

1.1 同位素測氡法

沉積巖層中均含有不同程度的放射性元素，一般情況下，隨著巖層中巖石粒度的變細、巖層顏色的變深，放射性元素的含量逐漸增大。因而煤系地層中的泥巖、炭質泥巖及煤矸石中放射性元素的含量相對較高。其中23892U、23290Th、23592U等放射性元素經衰變后，均產生一代原子序數為86的氣態元素子體氡氣Rn（22286Rn）、釷射氣Th（22086Rn）和錒射氣Ac（21986Rn），其中釷射氣和錒射氣的半衰期很短，而氡氣的半衰期則較長（3.825d）。

氡氣在巖層中的運移，受巖層中的孔隙度、溫度、壓力、地下水等諸多因素的控制。當其它條件相近時，氡氣的遷移是與巖層的破碎程度、裂隙的發育情況，溫度和壓力成正相關關系。煤層燃燒時，巖層的孔隙度會增大，溫度和壓力升高，燃燒煤層所產生的其它氣體如CO、CO2、SO2以及熱蒸汽等向上拖拽，氡氣的運移數量和速度明顯增加；因而在火區的上方就會形成氡氣的濃度相對的高值區。用在地表測量氡氣衰變后產生的γ射線計數值的大小，就可圈定火區的范圍，推斷煤層的燃燒狀況。

活性炭測氡的原理：同位素測氡法采用活性炭為媒介進行測量（又稱“活性炭測氡”）：氡是非極性單原子分子，活性炭是一種非極性的強吸附劑，當這兩種物質的分子或原子相互接近時，由于電力轉動和核振動，發生電子和核之間的相對位移而產生瞬時偶極。這種情況的不斷重復使分子之間始終存在色散力，活性炭對氡的吸附正是色散力起主要作用。

將活性炭吸附器埋置于地下一定深度，通過試驗確定活性炭所吸附氡量達到最大值即與周圍環境中的氡濃度達到一個相對平衡。取出活性炭吸附器，運用專門的γ能譜測量儀測量γ總計數，從而確定氡氣濃度值的高低。

1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是地球物理探測的主要手段之一，通過向地下發射電磁波激勵地下目標，接收其產生的二次場，確定被測目標的物理參數。

瞬變電磁法測量的工作過程分為發射、電磁感應和接收三部分。當發射回線中通以階躍電流，發射電流突然中斷，根據電磁感應理論，發射回線中電流突然變化必將在其周圍產生磁場，該磁場稱為一次磁場，一次磁場在周圍傳播過程中，遇到地下地質體，將在其內部激發產生感應電流，又稱渦流或二次電流，由于二次電流隨時間變化，因而在其周圍又產生新的磁場，稱為二次磁場。二次場的大小與地下地質體的電性有關：低阻地質體的感應二次場衰減速度較慢,二次場電壓較大;高阻地質體感應二次場衰減速度較快,二次場電壓較小。根據二次場衰減的特征,可以判斷地下地質體的電性、性質、規模和產狀等,從而可以解決如斷層、陷落柱、采空區、燃燒區等地質問題。

作為目標地質體，地下燃燒煤層相對周圍正常煤層在電性上呈現高阻特征，這是因為當煤層出現高溫燃燒現象，煤層內的水分被蒸發，其體積逐漸減小，煤層內往往會出現裂隙甚至出現燒空和塌陷，這些都是造成高阻特征的因素。

瞬變電磁所觀測的原始數據是各測點的各個測道的瞬時感應電壓,通過計算,轉換成視電阻率、視深度等參數。將其繪制成瞬變電磁多測道電壓剖面圖、瞬變電磁視電阻率擬斷面圖來確定地下火區位置及其深度。

2 應用實例

新疆某勘查區內出露地層自下而上有三疊系中上統小泉溝群、侏羅系下統八道灣組（J1b）及第四系（Q）。其中，八道灣組為一套河湖泥炭沼澤相碎屑巖沉積，是主要的含煤地層，在礦區呈近東西向展布。厚度560～650 m。含可采煤層6層，不可采煤層5層。可采煤層厚度0.97～26.31m，平均累計厚度為37.08m。可采煤層自上而下為：四號、五號、六號、七號、八號及九號煤層。其中七號煤層為巨厚煤層，層位穩定，分布廣泛，占全區煤層總資源量/儲量的78%，為主采煤層；四號、八號煤層厚度、層位穩定，亦為全區可采煤層；五號、六號煤層為較穩定的大部分可采用煤層。該區地表標高一般在1000m～1140m之間。七號煤層位于六號煤層之下，是該段主要的可采煤層，也是工區內最主要的煤層。該煤層厚度大，結構簡單，不含或極少有夾矸，全區穩定。全區多個控煤點煤層厚為19.67～56.07m，平均25.12m。煤層頂板為粉砂巖、粉砂質泥巖及砂礫巖。底板為粉砂巖、炭質泥巖、細粒砂巖。該煤層距上部六號煤層30～65m，煤層在地表已基本火燒。據生產井資料，礦井部分采區因煤層燒變而停止開采。

根據礦方提供的開采資料，選擇在勘查區中部由生產資料揭示的已知火區的上部布設了試驗線（SY），試驗線走向為近南北向，垂直于煤層走向，試驗線的地表條件相對較好，無明顯干擾源。同位素測氡法及瞬變電磁法在該試驗線上均進行了探查試驗。試驗線平面位置示意圖見圖1。

圖1 試驗線平面位置圖

圖中陰影部分為已知火區的平面投影位置，主要燃燒煤層為七號煤層，煤層南傾，傾角約25°。根據生產資料揭示，已知火區底層標高為+875，巷道內該處煤層發生燒變，成焦炭狀，且有滲水現象，因此終止拓進，該位置對應地表有明顯的高溫現象。

2.1 曲線分析

圖2為試驗線同位素測氡曲線圖，點號280～330段為已知火區位置，該段的氡值曲線出現高值異常，由600個計數值突然拉高至800個計數值，變化幅度很大，是比較典型的火區反映特征；試驗線上其他各測點處的測氡計數值均在600左右，且上下浮動較小，曲線變化平緩，與已知火區處有著明顯的區別，為正常區反映特征。

圖2 SY線同位素測氡曲線

圖3為試驗線瞬變電磁法多測道電壓剖面，點號280～330位置處電壓曲線變化較大，表現為低壓異常，是火區的反映特征，該處與已知火區位置相符。

圖3瞬變電磁法多測道電壓剖面

圖4為試驗線瞬變電磁法視電阻率等值線擬斷面，由圖可知，七號煤層在300號點左右視電阻率等值線表現為明顯的高阻閉合圈特征，分析認為是火區的反映特征，該處高阻異常的下線標高為+880，與實際火區底部標高基本相符。

圖4 SY線視電阻率擬斷面

2.2 應用效果

通過以上實驗情況可知，同位素測氡法和瞬變電磁法兩種物探方法在已知火區上的反映特征都很明顯，解釋結果相互吻合并與已知資料相符。說明采用同位素測氡法和瞬變電磁法探測煤層火區位置效果明顯。

根據實驗成果，應用兩種物探方法對全測區進行了勘查，通過對勘查資料的分析統計，煤層火區和正常地層符合一下物性特征。

同位素測氡法：火區異常區測氡計數值均在650個計數點/3min以上跳動，在測氡曲線上通常表現為高值異常的梯度突變；正常區測氡計數值大多在650個計數點/3min以下變化，表現在測氡曲線上為低氡值較平緩的波動。

瞬變電磁法：火區在多測道電壓剖面圖上多表現為 “低電壓異常”，個別有“上下蹦跳”現象；正常地層在多測道電壓剖面上表現為“相對高電壓的平緩曲線”。火區在視電阻率等值線擬斷面圖上的表現為“高阻圈閉”、“高阻梯度異常”或“高阻半圈閉”等，變化范圍在55～200Ω·m；正常地層在視電阻率等值線擬斷面圖上表現為“相對低阻、相對低阻閉合圈或半閉合圈、等值線連續呈平緩狀分布”等特征，變化范圍在 25～55Ω·m。

以上述物性統計成果為指導，對全測區物探資料進行了解釋，解釋出各煤層火區的平面位置、燃燒深度及范圍，解釋成果經過鉆孔驗證，準確率達90%以上。

3 結論

通過采用同位素測氡和瞬變電磁法兩種物探方法相結合，探測煤田火區的平面位置、燃燒深度及范圍邊界，取得了良好的效果，說明這是一個煤田火區勘查行之有效的物探方法組合，且具有投資小，施工簡單，資料處理解釋方便快捷等優點，可以為煤礦開拓和安全生產提供及時可靠的火區資料。

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