綜合物探在煤礦井下火源探測中的嘗試

王慧明，張奮軒，劉江賓，趙 輝

(1.陽泉煤業(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

煤礦開采過程中，由于種種原因引起煤層燃燒的突發事件時有發生，尤其在高瓦斯礦井煤層的持續燃燒會釀成特大事故，帶來不可估量的損失。為了防止事故的發生，需要在最短的時間內對煤層燃燒區進行治理，這就需要準確了解火源的中心位置及范圍。因此，對火源中心位置及范圍探測方法的選擇顯得尤為重要。

在發現工作面內部煤層燃燒后，運用綜合物探方法(地面采用同位素測氡法、地面高精度磁法、自然電位法、井下熱紅外測溫法)，地面、井下相結合，多種方法綜合解釋，最終確定了火源中心位置及范圍，給火源的治理提供了有利的依據，防止了事故的發生。

1 地質概況及地球物理特征

1.1 地質概況

地層：該井田內由鉆孔揭露的地層從老到新依次為奧陶系中統峰峰組(O2f)、石炭系中統本溪組(C2b)、石炭系上統太原組(C3t)，二疊系下統山西組(P1s)、二疊系下統下石盒子組(P1x)、第三系上新統(N2)、第四系(Q)。

煤層：井田內主要煤層有3#煤層、9#煤層、15#煤層，本次探測的是3#煤層工作面。3#煤層位于山西組下部，下距9#煤層55.72～79.70 m，平均58.04 m。煤層厚5.15～8.44 m，平均厚6.71 m。含泥巖、炭質泥巖夾矸0～5層，一般1～2層，以距底板約1.20 m左右的一層夾矸較為穩定(平均厚度0.27 m)。煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質泥巖、深灰色粉砂巖。該煤層結構簡單，厚度變化不大，屬穩定型煤層。

1.2 地球物理特征

氡氣異常：地下煤炭自燃勢必造成高溫高壓的環境，由于自燃區頂部存在著大量的裂隙，在上升的水蒸氣作用下，勢必加快氡氣向上運移的速度，在地表形成較高的氡氣異常。圖1中1 030～1 060段氡氣值較高，相對兩側存在明顯的氡氣異常區域，與背景值形成較大差異，故具備了采用同位素測氡法圈定火區邊界地球物理前提。

圖1 D9線測氡剖面曲線圖

自然電位異常：由于煤層采空造成其頂部形成較大的裂隙，當地下煤層燃燒時，隨同吸附巖層中的水離子，通過巖層中的孔隙、裂隙或破碎帶擴散到地面，使水離子濃度差增大，形成電位差。圖2中1 050～1 080段電位差較大，呈明顯的電性異常，故具備了采用自然電位法圈定火區邊界的地球物理前提。

圖2 D12線自然電位剖面曲線圖

磁異常：當煤層自燃時產生高溫，使煤層頂底板巖石受熱變質，形成含鐵磁性礦物的燒變巖，溫度降低后保留較強的熱剩磁。圖3中1 020～1 070段磁異常幅值較大，相對背景場呈明顯的異常，故具備了采用高精度磁法進行火區探測的地球物理前提。

圖3 D11線磁測ΔT剖面曲線圖

溫度異常：地下煤層燃燒產生的熱量，一方面沿裂隙(裂縫)向地表逸出，一方面通過巖石的熱傳導作用在柔膜壁形成熱異常區，與周圍形成熱反差。圖4中8號～10號橫貫之間溫度較高，相對其它地段呈明顯的熱異常，故具備了采用熱紅外測溫法進行火區探測的地球物理前提。

綜合物探：煤層燃燒引起地球物理特征變化，使工區范圍內具備了利用綜合物探方法(同位素測氡、自然電位、高精度磁法、熱紅外測溫)進行火區探測的地球物理前提。

2 測網布設及資料處理

2.1 測網布設

根據地面實際情況，本次工作地面測線呈南北向布設，測網基本網度為20 m×10 m，即線距20 m，點距10 m，在陷落柱附近網度加密至10 m×10 m。井下沿進風順槽(8號～13號橫貫之間)布設一條測線，測點間距10 m，測網布設如圖4所示。

圖4 勘探測網布置示意圖

2.2 資料整理及處理

每天磁測結束后，將GSM-19T質子磁力儀中的數據傳輸至計算機，用自帶程序將觀測數據進行日變校正，處理結束后，打印出Τ剖面曲線。

自然電位經野外實測，每個測點都詳細記錄，使不極化電極充分與地表接觸后，再開始測量，最后形成自然電位剖面。

測溫工作利用紅外線測溫儀測量紅外線輻射的強度就能得到被測物體表面的溫度，形成測溫剖面。

測氡工作依據野外規范，每6 min測1個物理點，用surfer軟件生成各測氡曲線，縱軸表示3 min儀器捕獲氡元素的量數，橫軸表示該測線測點號。測氡觀測數據經儀器通訊傳輸至計算機后，生成剖面曲線。

所有物探資料處理基本無人為誤差，精度高，工作及時，提高了工作效率。

3 資料解釋

資料解釋過程中始終遵循由點到線、由線到面的原則，資料解釋工作中充分利用現有的地質資料，并緊密結合野外實地調查結果，及時分析已測資料，統計各種電性參數，研究各參數與異常的對應關系。

3.1 同位素測氡異常解釋成果

圖5 氡氣濃度等值線暨火燒范圍推斷成果平面圖

煤層燃燒產生的氡氣隨裂隙與塌陷區運移到地表，此處出現氡氣濃度高值區(相對氡氣濃度值)，由此大致圈定火區范圍，如圖5所示。

本次勘探區受煤層埋深、裂隙發育諸多因素影響，所以測氡為相對氡氣濃度值，一般>30 N/3 min的區域為異常區范圍，結合平剖圖推斷擬火區范圍邊界，圖5中粗虛線圈定異常范圍，圖中橫軸為測線號，縱軸為測點號。

3.2 地面高精度磁測異常解釋成果

根據剖面分析和解釋原則，對全區磁測曲線進行逐條分析。測區內煤層較厚，采空區煤層燃燒后形成的燒變巖存有熱剩磁性引起的磁異常，異常范圍較寬、變化規律。磁測ΔT平剖圖存在正負磁異常，與地面調查結合，正異常為大棚、房子等障礙物干擾影響所致；通過收集井下著火現況，負異常推斷為工作面采空區造成頂板坍塌余留的煤層著火后形成熱剩磁所致。圖6中本探測區域熱剩磁形成時的磁化方向相對于障礙物干擾引起的異常相反，為負異常。再者，煤層燃燒后形成的熱剩磁強度較大，以及煤層上部覆蓋層較大，約480 m左右，因此ΔT選擇-40nT為閾值，圖6中粗虛線圈定區域，圖中橫軸為測線號，縱軸為測點號，推斷為煤層燃燒范圍。

圖6 磁測ΔT等值線暨火燒范圍推斷成果平面圖

3.3 自然電位法異常解釋成果

通過平剖圖與等值線平面圖，掌握火區過濾電場的電位變化特征及不同電位差的幅值變化，進而判識當地下煤層無火時，電位差值幅值小；當地下煤層有火時，則電位差幅值將發生較大變化，表現為梯度變化大。根據電位差剖面、等值線平面圖和野外調查，圈出火區范圍，圖7中粗虛線圈定區域，圖中橫軸為測線號，縱軸為測點號。其中北部較大范圍異常區及南部邊界異常區為地表房屋、金屬大棚等建筑物影響所致。

圖7 自然電位等值線暨火燒范圍推斷成果平面圖

3.4 熱紅外測溫異常解釋成果

地下煤層燃燒產生的熱量，一方面沿裂隙(裂縫)逸出，一方面通過巖石的熱傳導作用在柔膜壁形成熱異常區，與周圍形成熱反差，利用紅外線測溫儀測量紅外線輻射的強度就能得到被測物體表面的溫度，從而探測擬火區范圍內的溫度異常，確定火區的范圍。圖8中8號～10號橫貫之間溫度異常較大，推斷為火區范圍。

另外，井下在3～4處煙氣點直接進行熱紅外測溫，溫度約為23～25 ℃。說明煤層采空區著火點在8號～10號橫貫之間形成較高能量的擴散，造成此段溫度值較高。

圖8 井下熱紅外測溫曲線圖

3.5 綜合解釋成果

圖9為3種探測手段綜合解釋異常區重疊，通過地面、井下調查、通風系統等情況，而且采空區內陷落柱巖性不可能燃燒，把推斷火區范圍朝陷落柱以南收緊，使推斷火區范圍更科學更合理，圖10中填充部分為推斷火區范圍。

圖9 綜合物探解釋圖

由于工作面7號橫貫以西為煤層采空區，放頂之后造成頂板坍塌，形成巖層破碎、裂隙，造成采空區內放射性元素、水分子的運移，從而利用物探手段可以查明采空區內火區范圍。礦方提供引起火源的信息為：10號橫貫以西靠近柔膜壁采空區內存在一陷落柱，依據了解，之前工作面對于此陷落柱周圍30 m范圍未放頂煤層，當煤層處于高溫高壓、多種因素的環境下易燃燒，推測為此次著火的原因。

依據井下熱紅外測溫的數值曲線可分析得出，8號～13號橫貫溫度異常變化范圍為18.7～20.5 ℃，說明采空區內火源離W1309進風順槽柔膜壁較遠。如若火源離柔膜壁近，那么熱能通過介質傳導，溫度梯度會呈較大變化。通過礦方采取井下探火孔，分別為W1309進風順槽Ⅱ鉆孔、W1309回風順槽2號孔，竣工成果為Ⅱ鉆孔13.5 m停鉆后鉆孔處冒煙、2號孔73 m停鉆后未見煙氣，如圖10所示，同時驗證了火源處于陷落柱周邊，為物探推斷火區范圍提供有力的佐證。

圖10 綜合分析成果圖

4 結論

(1)煤礦火源探測與大面積的煤層自燃形成的火燒區探測不同，其范圍較小，火燒程度相對較弱，從而其產生的物性異常幅值較弱，探測難度較大。

(2)通過此次采用同位素測氡法、地面高精度磁法、自然電位法和井下熱紅外測溫法對火源探測，結合后期驗證情況，認為該4種方法各有優缺點：同位素測氡法異常位置與實際狀況基本吻合，但施工效率慢；地面高精度磁法精度較高，但受地面各種障礙物影響較大，施工條件要求較高；自然電位法受火燒深度影響較大，且成果與實際異常位偏差較大；井下熱紅外測溫法異常明顯，但對火源中心位置不能很好地把控。

(3)利用綜合物探方法對煤礦井下火源的探測基本可行，不同的施工條件可以有針對性地選擇合適的施工方法。