露天煤礦井工采空區(qū)火區(qū)磁法探測(cè)研究

王 禹 宋子嶺 劉 峰

(1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西省太原市，030031；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧省阜新市，123000；3.中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西省朔州市，036006)

安家?guī)X礦是我國特大型露天煤礦，境界內(nèi)分布著井工開采后已經(jīng)閉井的后東煤礦和白西溝煤礦，均采用房柱式開采法一次采全高，回采率偏低，煤炭損失嚴(yán)重。2個(gè)礦井的開采資料不全而且本身有越界開采現(xiàn)象，造成現(xiàn)有資料與井下實(shí)際位置不對(duì)應(yīng)。井工礦開采形成的塌陷具有隱蔽性，且空巷內(nèi)滯留大量易燃、易爆、有毒氣體(如CO、CH4)。露天礦山工程推進(jìn)和延深中存在以下潛在的風(fēng)險(xiǎn)：開采煤層采空區(qū)的塌陷易造成設(shè)備、人員陷入，造成傷害事故；采空區(qū)殘煤自燃，給其上巖石臺(tái)階的鉆孔、爆破作業(yè)帶來風(fēng)險(xiǎn)，而且導(dǎo)致炸藥單耗高，影響露天礦剝采效益；自燃造成的高溫可能燙傷作業(yè)人員、引起汽車輪胎自燃、降低設(shè)備壽命等。為規(guī)避各種危害，確保安全生產(chǎn)，需要對(duì)露天礦境界內(nèi)井工采空區(qū)(火區(qū))進(jìn)行采前探測(cè)，對(duì)于露天煤礦井工殘煤復(fù)采、安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

磁法是目前應(yīng)用于煤火勘探最為廣泛的方法，由于火區(qū)的磁異常形態(tài)客觀地反映了燒變巖特征和自燃邊界的異常特征，可有效圈定煤層火區(qū)邊界[2]。隱蔽的高溫區(qū)域埋深信息反演困難，難以準(zhǔn)確推斷。鑒于此，利用鉆探驗(yàn)證磁法圈定的火區(qū)邊界，合理確定火區(qū)埋深。

1 磁法勘探區(qū)域位置與測(cè)線布置

1.1 礦田的開發(fā)現(xiàn)狀

安家?guī)X礦的礦山工程于1997年11月開始建設(shè)，原設(shè)計(jì)能力為10.00 Mt/a，擴(kuò)建后的生產(chǎn)能力為20.00 Mt/a。目前在本礦南部有2個(gè)井工煤礦生產(chǎn)，分別為東易煤礦和平朔安家?guī)X西易有限公司，均采用斜井開拓，走向長(zhǎng)壁回采；瓦斯含量少，屬于低瓦斯礦；井下水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，一般無水，頂板易管理。

1.2 區(qū)域地層

(1)區(qū)域地層與地質(zhì)構(gòu)造。礦田位于寧武煤田北部，基巖為古老的變質(zhì)巖系。地層基本上是一個(gè)向南東方向傾斜的單斜，中部地層平緩，東部構(gòu)造較西部復(fù)雜，礦田東部揭露的斷層共20條，甚至多為高角度的正斷層[3]。

(2)可采煤層。礦田含煤地層為石炭系太原組及二疊系山西組，山西組地層平均厚度為49.90 m。太原組地層平均厚度為90.37 m，含煤10層，煤層總厚度為32.38 m，主采煤層為4#、9#、11#煤層。4#煤層厚度較大，埋深較淺，在北部受小窯采空區(qū)影響部分自燃。

1.3 磁法勘探區(qū)域位置與測(cè)線布置

勘探區(qū)位于安家?guī)X礦區(qū)內(nèi)，坐標(biāo)為南北71000～72500 m，東西11000～13000 m，區(qū)域面積約3 km2，如圖1所示。由于資料不清，對(duì)于采空區(qū)上部覆蓋層厚度超過35 m的疑似區(qū)域，進(jìn)行火區(qū)磁測(cè)勘探。采剝?cè)O(shè)備及電纜調(diào)整布置至50 m的警戒范圍外。

圖1 礦區(qū)磁法勘探區(qū)示意圖

探測(cè)區(qū)采用矩形測(cè)網(wǎng)，網(wǎng)度為50 m×20 m，測(cè)線方位為南北方向。

2 勘探原理與方法

2.1 磁法勘探火區(qū)的原理

由于煤田地層是沉積形成的，可以假設(shè)它為板狀體，地層的層序狀態(tài)可以看作為水平或者近水平[4]。地層中的含鐵礦物在燒變之后有可能轉(zhuǎn)化為磁鐵礦，如果有斷裂等構(gòu)造貫通煤層時(shí)，造成氧氣流入使其燃燒更甚[5-8]。在燃燒過程中煤火溫度一般都在800℃以上，煤層火區(qū)圍巖受到強(qiáng)烈的高溫烘烤而形成燒變巖，燒變之后的部分巖層表面光澤，質(zhì)地堅(jiān)硬，這種現(xiàn)象屬于熱剩磁現(xiàn)象，燒變之后含鐵礦物具有高磁化率。其機(jī)制是圍巖從居里點(diǎn)溫度(約770℃以上)逐漸冷卻到居里點(diǎn)以下時(shí)所顯現(xiàn)的磁性。由于熱剩磁作用導(dǎo)致與周圍巖石之間有較明顯的磁性差異。該過程具有高磁化過程，其磁化率常見值為1286π×10-6SI制單位，一般表現(xiàn)為正磁異常(見圖2)。磁異常曲線體現(xiàn)的特征：含煤區(qū)未經(jīng)磁化的磁場(chǎng)背景平穩(wěn)，而由于熱剩磁形成的火區(qū)則表現(xiàn)出明顯磁異常[9]，這是煤層火區(qū)邊界位置的解釋依據(jù)。

2.2 磁法探測(cè)技術(shù)應(yīng)用

磁法探測(cè)的應(yīng)用條件是磁測(cè)體必須與圍巖有較明顯的磁性差異；磁異常應(yīng)在磁力儀觀測(cè)精度范圍內(nèi)；磁異常能夠從干擾背景中分辨出來而不失真，或能夠直接消除干擾因素。

圖2 煤層火區(qū)磁異常示意圖注：△H日-水平磁場(chǎng)強(qiáng)度響應(yīng)曲線；△Z日-垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度響應(yīng)曲線；△T-總強(qiáng)度磁異常曲線，曲線形態(tài)沒有明顯規(guī)律[10]

磁法探測(cè)的依據(jù)：國家地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地面高精度磁測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0071-93)，國家石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地面磁法勘探技術(shù)規(guī)程》(SY/T 5771-2004)。物探網(wǎng)布設(shè)采用三大常用坐標(biāo)系之一的北京54坐標(biāo)系(BJZ54)，橫軸墨卡托投影，中央子午線為112°30′，按1.5°分帶；平面精度為±1cm+1ppm，高程精度為±2cm+1ppm。

2.3 磁法探測(cè)工作方法

2.3.1 儀器性能測(cè)定試驗(yàn)

試驗(yàn)選用GSM-19T型質(zhì)子磁力儀(加拿大產(chǎn))，為有效發(fā)揮儀器性能，達(dá)到試驗(yàn)精度和工程精度要求，測(cè)量前做好準(zhǔn)備工作，并進(jìn)行儀器的噪聲水平、一致性等試驗(yàn)，如有明顯系統(tǒng)誤差和觀測(cè)均方誤差達(dá)不到設(shè)計(jì)精度的儀器，應(yīng)查明原因，必須重新進(jìn)行調(diào)節(jié)和檢驗(yàn)[11]。

磁法探測(cè)試驗(yàn)期間的日變臺(tái)站布置于露天礦臺(tái)階平盤的平穩(wěn)磁場(chǎng)內(nèi)，安排在干擾較小的時(shí)間段測(cè)試，有效日變觀測(cè)取其平均值，作為本區(qū)的基本場(chǎng)T0，其基本場(chǎng)值為：54343.15 nT。

2.3.2 野外磁法探測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)整理

(1)日變改正。剔除測(cè)點(diǎn)無效數(shù)據(jù)，利用專用軟件自動(dòng)改正。

FT=F觀-F日

(1)

式中：FT——日變后的磁力值，nT；

F觀——日變觀測(cè)磁力值，nT；

F日——日變改正值，nT。

(2)地磁場(chǎng)的正常梯度改正和高度改正。采用國際地磁參考場(chǎng)(IGRF)2010模型提供的高斯系數(shù)，計(jì)算工區(qū)地磁場(chǎng)T0值，取1 nT的間隔繪制T0等值線圖，以此圖做正常場(chǎng)梯度改正。

野外磁測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過日變、正常場(chǎng)緯度改正、高度改正等之后，繪制出全區(qū)ΔT磁異常平剖圖見圖3。采用Kriging網(wǎng)格化原始磁異常數(shù)據(jù)，得到全區(qū)ΔT磁異常等值線圖見圖4。

圖3 工區(qū)高精度磁測(cè)ΔT異常平剖圖

圖4 工區(qū)高精度磁測(cè)ΔT異常等值線圖

3 磁異常數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換

3.1 重磁位場(chǎng)頻率域轉(zhuǎn)換原理

對(duì)重磁異常進(jìn)行量化分析、解釋之前，需進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理和類型轉(zhuǎn)換。如濾除干擾、分量換算、導(dǎo)數(shù)換算、高度延拓等[12]，其目的是讓進(jìn)行的相應(yīng)研究特征更明顯。它既可以在空間域內(nèi)做，也可以在波數(shù)域內(nèi)做[13-16]。空間域內(nèi)重磁位場(chǎng)的各種處理和轉(zhuǎn)換是下面的褶積形式[17]：

(2)

式中：Δga(x,y)、Δgb(x,y)——轉(zhuǎn)換前、后的位場(chǎng)異常；

φ(x,y)——空間域內(nèi)位場(chǎng)異常轉(zhuǎn)換和處理的權(quán)函數(shù)，亦稱為濾波脈沖響應(yīng)函數(shù)。

在空間域里進(jìn)行的位場(chǎng)處理和轉(zhuǎn)換非常復(fù)雜，測(cè)點(diǎn)的高差會(huì)產(chǎn)生偏差。本工區(qū)由于礦山工程剝離，原始地形已形成臺(tái)階，主要在臺(tái)階平盤上測(cè)試，不需要進(jìn)行地形改正，淺部和深部場(chǎng)異常吻合的都比較好?？稍诓〝?shù)域內(nèi)進(jìn)行迭代計(jì)算，解釋參數(shù)大為減少。

利用傅氏變換的褶積定理，上述褶積關(guān)系在波數(shù)域內(nèi)就轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的乘積關(guān)系：

Δgb(u,v)=Δga(u,v)·φ(u,v)

(3)

式中：Δga(u,v)、Δgb(u,v)——Δga(x,y)、Δgb(x,y)的波譜;

u,v——x、y方向上的圓波數(shù)；

φ(u,v)——位場(chǎng)異常轉(zhuǎn)換和處理權(quán)函數(shù)的波譜，亦稱為濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)[12]。

采用式(3)的數(shù)據(jù)處理方式極大地減少了計(jì)算量，而且這種方式的優(yōu)勢(shì)是所有位場(chǎng)異常的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換都具有明確對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)φ(u,v)，有利于提高解釋的可靠性。

3.2 磁異?；虻卮艠O

由于地磁場(chǎng)方向是變化的，斜磁化所產(chǎn)生的磁異常方向也是變化的。一般情況下，當(dāng)與垂直地面的地磁場(chǎng)進(jìn)行垂直磁化時(shí)，磁異常的形態(tài)與場(chǎng)源對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單，磁異常的極大值就產(chǎn)生在垂直磁化的方向上[18]，產(chǎn)生磁異常的點(diǎn)即場(chǎng)源位置。目前化磁極主要在波數(shù)域中實(shí)現(xiàn)，換算前后僅改變磁化強(qiáng)度的方向，而大小不變，簡(jiǎn)化磁異常的比對(duì)過程。在波數(shù)域里，化磁極轉(zhuǎn)換計(jì)算的頻率響應(yīng)函數(shù)φ(u,v)為：

(4)

式中：u、v——沿x、y軸方向的波數(shù)；

q0、q1——原測(cè)量分量方向及原磁化方向上一階導(dǎo)數(shù)的頻率響應(yīng)。

通過查詢IGRF相應(yīng)參數(shù)，該工區(qū)的區(qū)域磁偏角-5.3°，磁傾角58.7°，以此為參數(shù)對(duì)ΔT異常進(jìn)行化極處理，為簡(jiǎn)化磁異常的比對(duì)，消除斜磁化的影響[19]?；瘶O后的異常與實(shí)際觀察記錄可能有偏差。在異常描述推斷中均可以在原始磁異常基礎(chǔ)上進(jìn)行上延、匹配濾波等數(shù)據(jù)處理[20]。

3.3 向上延拓

向上延拓是為了壓制淺層地質(zhì)因素或干擾的數(shù)據(jù)處理方法，是從淺層干擾背景中分辨出深部地質(zhì)因素的影響，突出其深部地質(zhì)因素相對(duì)產(chǎn)生的重磁異常。因此，在一定范圍內(nèi)通過向上延拓轉(zhuǎn)換頻率響應(yīng)函數(shù)，可以揭示相應(yīng)深度的場(chǎng)源或地質(zhì)信息。向上延拓轉(zhuǎn)換計(jì)算的頻率響應(yīng)函數(shù)φ(u,v)為：

(5)

式中：h——要延拓的高度。

為了實(shí)現(xiàn)位場(chǎng)的分離，利用磁異常向上延拓的方法獲得區(qū)域場(chǎng)，即磁測(cè)原始異常減去區(qū)域異常(背景場(chǎng))以求取局部異常。這里根據(jù)實(shí)際情況以磁測(cè)工區(qū)原始磁異常ΔT向上延拓600 m為例以突出深部異常，便于提取局部異常，如圖5、圖6所示。

圖5 工區(qū)ΔT上延600 m磁異常圖

3.4 場(chǎng)的分離—匹配濾波法

從波譜角度分析，區(qū)域場(chǎng)以低頻成分為主，局部場(chǎng)以高頻成分為主[21]。采用提取不同波數(shù)成分的場(chǎng)就可以完成區(qū)域場(chǎng)與局部場(chǎng)的分離。匹配濾波法是常用的分離異常的方法，其數(shù)據(jù)處理過程是先確定匹配濾波算子W1、W2：

(6)

(7)

式中：B——物性參數(shù)；

b——加權(quán)系數(shù)；

H——場(chǎng)源深度，m；

h——上頂埋深，m；

r——徑向波譜。

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的波譜乘以因子W1和W2匹配濾波算子就可以分別獲得深部源和淺部源各自的異常場(chǎng)。從匹配濾波因子式(6)、式(7)可知，為應(yīng)用匹配濾波方法須通過徑向?qū)?shù)功率譜先求得H、h、b、B等參數(shù)值。

圖6 去除上延600m背景場(chǎng)剩余磁異常圖

根據(jù)礦區(qū)其他采空區(qū)埋深情況推斷，測(cè)區(qū)內(nèi)的采空區(qū)埋深相對(duì)較淺，因此其周圍的燒變巖產(chǎn)生的磁異常屬于淺源場(chǎng)，需要提取相應(yīng)的淺源場(chǎng)以更精準(zhǔn)地確定火燒區(qū)范圍。應(yīng)用匹配濾波法對(duì)磁異常進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成淺源場(chǎng)和深源場(chǎng)的濾波分離。即根據(jù)原始ΔT磁異常，進(jìn)行傅立葉數(shù)據(jù)變換，簡(jiǎn)化比對(duì)過程。求其徑向?qū)?shù)功率譜，如圖7所示。

由功率譜曲線低頻成分的斜率可以求得平均埋深H=96 m，進(jìn)一步確定匹配濾波參數(shù)(H=96 m，h=29 m)，相應(yīng)地提取波數(shù)域的淺源場(chǎng)(圖8)和深源場(chǎng)(圖9)，最后經(jīng)傅氏反變換轉(zhuǎn)化為空間域的值，從而達(dá)到不同頻率場(chǎng)分離的目的[22]。從圖8中可以看出淺源磁異常與ΔT磁異常相比，局部異常更加突出，更有利于圈定火燒區(qū)范圍。

4 磁測(cè)數(shù)據(jù)解釋

磁異常的特征主要決定異常區(qū)的形狀、走向、埋深等要素。

圖7 工區(qū)匹配濾波能譜圖

4.1 疑似火區(qū)范圍推斷

通過高精度磁測(cè)，繪制出野外磁測(cè)19個(gè)磁異常點(diǎn)分布見圖10。工區(qū)內(nèi)共圈出明顯異常區(qū)4個(gè)(M1～M4)，分析如下所述。

M1異常區(qū)：位于西北部，由1、6、5點(diǎn)圈定，異常斷續(xù)近南北向狹長(zhǎng)分布，異常極大值為50 nT(18、5線)，正、負(fù)異常跳躍變化，呈鋸齒形分布，北部出現(xiàn)大面積負(fù)異常，疑似火區(qū)埋藏淺，異常強(qiáng)度降低。

M2異常區(qū)：位于西南部，由2、3、4、8、19點(diǎn)圈定，異常分布近似南北轉(zhuǎn)為向西帶狀延申。異常極大值為90 nT(35線)，東北部出現(xiàn)大面積負(fù)異常埋深較淺，磁場(chǎng)變化不大，疑似火區(qū)連續(xù)。

圖8 淺源場(chǎng)異常圖(h=29 m)

M3異常區(qū)：位于中部，由12、10、7、9、11、14、13點(diǎn)圈定，異常近似東北向轉(zhuǎn)為東南向帶狀延申。異常極大值為50 nT(37、38線)，40、41測(cè)線南、北兩端出現(xiàn)較大負(fù)異常，埋藏出露較淺。

M4異常區(qū)：位于東部，由15、16、17、18點(diǎn)圈定，異常呈現(xiàn)柱狀分布。異常極大值為80 nT(57線)，兩側(cè)無負(fù)異常說明埋藏較深。

將測(cè)區(qū)內(nèi)的現(xiàn)有火區(qū)進(jìn)行圖層堆疊。圖3與圖10對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在M1位置發(fā)現(xiàn)探測(cè)異常與記錄位置有東西偏移，這是由于對(duì)1#火區(qū)在地表采用了泡沫滅火的原因，1#區(qū)域磁法探測(cè)實(shí)測(cè)可信度相對(duì)較低。在2#、3#、4#區(qū)域能夠感受到地面溫度較高或者有蒸汽冒出，與疑似火區(qū)(M2、M3、M4區(qū)域)的位置與高磁異常對(duì)應(yīng)較好，規(guī)律性較強(qiáng)，故在2#、3#、4#區(qū)域野外探測(cè)記錄可信度較高。

圖10 工區(qū)磁法探測(cè)異常點(diǎn)(火區(qū))分布圖

4.2 異常區(qū)埋深解釋

通過磁測(cè)數(shù)據(jù)匹配濾波計(jì)算出異常場(chǎng)的功率譜，然后由低頻成分求斜率確定平均埋深為43.2 m。

4.3 鉆探驗(yàn)證

在露天礦山爆破鉆孔中，預(yù)先有針對(duì)性地選擇一些鉆孔作為驗(yàn)證孔，鉆孔在隨后的爆破作業(yè)中加以利用，可以降低磁法探測(cè)成本。收集驗(yàn)證孔的資料，進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸一化處理[23]，火區(qū)平均埋深推算為44.6 m。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，磁測(cè)方法對(duì)異常平面范圍的圈定準(zhǔn)確；對(duì)于異常區(qū)深度的解釋往往與鉆探驗(yàn)證有一定出入。

5 結(jié)論

(1)安家?guī)X礦開采境界內(nèi)，由于井工采空區(qū)的存在以及位置、范圍的不確定，且空巷內(nèi)殘煤極易自燃形成火區(qū)，容易造成設(shè)備、人員傷害事故，降低露天開采效益。

(2)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，運(yùn)用磁法對(duì)安家?guī)X礦井工采空區(qū)的平面位置圈定準(zhǔn)確，疑似火區(qū)輔助以鉆孔驗(yàn)證異常區(qū)深度，合理有效確定火區(qū)垂直位置，二者互為補(bǔ)充能夠滿足露天礦山工程推進(jìn)和延深發(fā)展的要求。

(3)由于磁化不均勻，產(chǎn)生的剩磁不一樣。磁法探測(cè)對(duì)火區(qū)深度的解釋與鉆探驗(yàn)證有些偏差。磁法探測(cè)對(duì)于無磁性的火燒區(qū)尚無法確定。

(4)采用磁法探測(cè)采空區(qū)火區(qū)是一種經(jīng)濟(jì)、快速、行之有效的方法之一。對(duì)于露天復(fù)采井工不規(guī)則殘煤規(guī)避采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)和安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。