綜合物探技術在火區勘探中的應用

晁萌萌

(山西省煤炭地質水文勘查研究院，山西 太原 030006)

0 引言

據統計，我國相當數量的礦井存在自燃火區現象，因此，煤層自燃形成的火區作為煤礦災害之一，嚴重威脅著國家煤礦安全生產和煤炭資源，有效探測獲取范圍的方法是擺在我們面前的迫切問題。經過多年探索和實踐，我們總結出了一套以瞬變電磁法、測氡法和磁法相結合的綜合物探方法。

1 物探方法及原理

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法(簡稱TEM)是近幾年發展并推廣起來的一種新方法、新技術，它屬于時間域電磁感應法，是利用不接地回線向地下發送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質體受激勵引起的渦流產生的隨時間變化的感應二次場(按指數規律衰減)，二次場的大小與地下地質體的電性有關:低阻地質體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。根據二次場衰減曲線的特征，就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、采空區、采空積水區、陷落柱等地質問題。由于瞬變電磁法是觀測純二次場，自動消除了頻率域電磁法和直流電阻率測深法中的主要噪聲源——裝置耦合噪聲，噪聲主要來自天電及人文電磁干擾，可使用發送與接收線圈中心重合的裝置工作，與所探測的地質體達到最佳的耦合，所得到的異常幅度大、形態簡單及受旁側影響小，提高了對地質體的橫向分辨能力，在高阻圍巖條件下，沒有地形引起的假異常，野外工作要求簡單，工效高，如圖1 所示。

圖1 TEM 法工作原理示意圖

導電圍巖對瞬變電磁的影響主要表現圍巖中“環流”向良性導電地質體的集流響應，在良性導電地質體中產生感應渦流的響應和激發極化效應［7］。當圍巖電阻率較小時，集流響應和激發極化效應起著支配作用［8］，使含水異常特征更加明顯，這也是瞬變電磁勘探在國內能大面積開展的原因。

采空積水區本身是一有限導電地質體，采空積水區用導電薄板模型來模擬，其瞬變響應表現為中間低兩側高的異常特征。中間低兩側高的異常越明顯，采空區的富水性越強。

1.2 磁法

磁法分為剖面測量和梯度測量，本次采用剖面測量，剖面測量具有異常幅度大的特點。

本次野外測量使用2 臺GSM-19T 質子磁力儀，為準確采集測區內各點的磁場值，正式采集數據前須要對儀器進行調諧測試、磁法參數選擇及儀器的一致性校驗，一致性校驗符合規程、規范的要求后才能進行測量。為了進行日變校正，將1 臺磁力儀放置在測區以外的正常區觀測日變，每30 s 觀測一次;1 臺磁力儀進行實地測量，最后用日變曲線進行校正。

1.3 放射性測氡

放射性測氡:測氡法分為瞬間測氡法和累積測氡法［9］，本次采用累積測氡法，靜態條件下，使用對氡有極強吸附能力的吸附劑，并在一定情況下保持正比關系［10］。由于土壤中孔隙度較大，具有較強的吸附力，因此，儀器使用重慶地質儀器廠生產的HFS-6α 射線快速測量儀，來取坑底中的土樣，測定土壤中3 min 的放射性。

2 地球物理特征及使用儀器與裝置

2.1 地球物理特征

不同的巖石具有不同的物性特征，根據測區已有鉆孔的測井資料，巖石物性特征如表1 所示。

表1 煤巖層物性參數表

從表1 可以看出，本勘探區地層地電特征較為簡單，可分為黃土、泥巖、砂巖、煤層和采空區三大類。根據以往工作經驗，黃土、泥巖、砂巖的電阻率一般為25 Ω·m～170 Ω·m;煤層電阻率為90 Ω·m～260 Ω·m;煤層被采空后，在煤層上下巖層間形成一定的空隙，破壞了巖石的完整性和連續性，故該處電阻率值明顯會高于周邊完整巖石處的電阻率，表現出明顯的局部高阻特征;然而當采空區的空隙被水充填時，其電阻率則呈現為低阻特征。

綜上所述，本區各電性層間電阻率差異較為明顯，因此本區具備了開展電法勘探的地球物理前提條件。

2.2 儀器及裝置

本次探測使用的是IGGETEM-30B 型瞬變電磁儀，采用重疊回線框裝置，20 m×40 m 的“∞”字形4 匝線框，儀器參數的選擇如下:時基:40 ms，采樣道:66 道，關斷時間:50 μs;延時:340 μs，接收面積:800 m2，發射框:20 m×40 m;延時道:Log10，疊加次數:512 次，發射電流:5.5 A。磁法本次野外測量使用2 臺GSM-19T質子磁力儀。放射性測氡儀器使用重慶地質儀器廠生產的HFS-6α 射線快速測量儀。

3 資料解釋

3.1 異常特征

煤層發生自燃時，造成巖石中的導電電子、離子重新排列，在火區形成一個高電位差異常區，我們通常所采用的瞬變電磁法探測煤層火區就是利用這個原理。

3.2 火區解釋方法

1)曲線過程分析。不同地質條件下的曲線類型不同，通過對曲線分類，可以初步確定測區的火區變化情況。2)數據處理分析。野外原始觀測數據經預處理后，才能進入下一步處理。對其進行編輯剔除，為反演處理做準備，主要包括以下幾方面:a.導入原始觀測數據，檢查野外原始記錄與瞬變電磁野外記錄表兩者是否一致，若二者不符，查找原因并予以更正。b.對數據進行編輯處理，包括坐標檢查、頻率選擇、飛點剔除等。c.檢查原始曲線，并對曲線進行編輯，并將數據進行保存后導出。3)分區分析。對于勘察區覆蓋范圍較大的區域，由于區內的地形、地質情況、火區燃燒特征變化也較大，因此，針對不同的地區采用不同的標準進行分析、評價，即“由小到大、由點到面”分析方法，消除地形、地質等情況造成的影響。4)縱橫向對比分析。橫縱向對比分析主要以剖面圖和平面圖分析，從剖面圖的曲線異常形態分析正常區和燃燒區的位置，同時，結合平面圖的異常形態分析正常區和燃燒區的范圍，綜合對比兩種分析解釋的結果，使解釋結論更趨于實際。

4 工程實例

4.1 測線、測點的布置

本次物探工作設計線距50 m，設計點距10 m，設計勘察面積0.23 km2，設計測線6 條，測點497 個，實際完成測線6 條，測點497 個，勘察面積0.23 km2。

4.2 選取典型的測線進行分析

圖2 2 線磁法校正后等Δt 單支曲線

圖3 2 線測氡單支曲線

以典型2 測線為例進行說明:磁法校正后的等Δt 單支曲線上，在35 號～56 號點Δt 值出現明顯高異常，均大于40 nT，初步解釋這處磁異常為2 號煤層燃燒區，見圖2。從同位素測氡法的單支曲線可以看出，有多處高氡值異常，在13 號～21 號點、44 號～52 號點、72 號～78 號點氡值計數均大于16 個/3 min，差值較大，初步解釋這處高氡值異常區為2 號煤層燃燒區和采空區，見圖3。視電阻率擬斷面圖上，2 號煤的底板標高1 050 m～1 055 m 左右，距離100 m～230 m，390 m～500 m，710 m～740 m(11 號～24 號點、40 號～51 號點、72 號～75 號點)處出現向下凹的相對低阻的半閉合圈異常，初步判斷為2 號煤煤層燃燒區和采空區的反應。其他測線段等值線成層狀分布變化較為平緩，無明顯異常。

根據物探工作初步綜合解釋火區4 個，燃燒煤層為石炭系太原組2 號煤層，燃燒深度在50 m～160 m 左右。

5 結語

采用瞬變電磁法(TEM)、測氡法、磁法的綜合物探方法，并結合地質資料、已知鉆孔等資料可以準確探測出煤層火區范圍。

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