鄂爾多斯煤田火區(qū)磁異常隨深度變化規(guī)律研究

張辛亥，程望收，李勛廣，苗于惠，竇 凱，朱 輝，趙 斌，陳 飛，楊少雄

（1.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司 凱達煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

煤田火區(qū)范圍的圈定及其演化規(guī)律是對煤火進行高效治理的前提條件。煤巖通過高溫處理后的磁性變化規(guī)律為磁法探測提供理論依據(jù)，因此近年來關(guān)于高溫煤巖磁異常特征及應(yīng)用磁法有效探測煤田火災(zāi)范圍的研究越來越多[1-2]。但隱蔽火源探測仍然是個難題，目前，一般情況下高溫燃燒會引起磁異常，磁異常規(guī)律是磁法探測的基礎(chǔ)，不同煤層高溫下引起物理化學(xué)變化不同，產(chǎn)生磁異常規(guī)律不同[3-5]。

國內(nèi)外已開展了不同溫度下砂巖、粉砂巖、泥巖等不同巖性、不同鐵質(zhì)礦物含量的巖石樣品的磁化率的現(xiàn)場測量和實驗室研究[6]。Hooper學(xué)者通過大量磁化率測量實驗發(fā)現(xiàn)燒變巖和正常巖之間的磁化率具有顯著的差異，提出大多數(shù)巖石的磁化率與其鐵磁性物質(zhì)的含量成正比[7]。鄧軍等指出探測煤田火區(qū)最有效的途徑就是磁法[8]。Beiki等提出可以利用磁場模量的梯度張量計算歸一化磁源強度方法來估計磁性目標體的位置[9]。張辛亥通過實驗表明煤比巖石和煤矸石的磁化率在較高的溫度下更高，更敏感[10]。目前，尚未將燃燒前后煤巖磁性的變化規(guī)律和現(xiàn)場煤田火區(qū)探測到的磁異常規(guī)律結(jié)合起來分析。為此，對在不同狀態(tài)以及不同溫度下引起煤巖磁場發(fā)生變化的原因、機理、規(guī)律進行探究。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

物體的質(zhì)量磁化率是單位磁場強度在單位質(zhì)量物體上產(chǎn)生的磁矩，可表示為：

式中：χ為物體的質(zhì)量磁化率，m3/kg；k為物體的磁化率；ρ為物體的密度，kg/m3。

當(dāng)試樣置于兩磁極中間，其在豎直方向所受的磁場力f可表示為：

式中：u0為真空磁導(dǎo)率，u0=4π×10-7N/A2；χg為樣品物質(zhì)比磁化，m3/kg；δ為樣品松散密度，kg/m3；S為樣品橫截面積，m2；H1、H2為樣品兩端最高和最低磁場強度，A/m。

當(dāng)樣品足夠長時，H2≈0，

樣品在磁場中增加的質(zhì)量為

式中：△m為樣品在磁場中的質(zhì)量增加值，kg；g為重力加速度，g=9.80 m/s2。

由于豎直方向只受安培力和重力，所以樣品在磁場中增加的重力就是所受的磁場力，由式（3）、式（4）可得：

式中：m為樣品質(zhì)量（m=IδS），kg；I為樣品長度，m。

從式（5）可知，I、g、m均為已知常數(shù)，通過改變H1的值，測出△m大小，便可以計算出χg的值。

1.2 實驗設(shè)備及方法

主要試驗設(shè)備包括改良古埃型磁測儀、精密電子天平、馬弗爐，制備樣品的設(shè)備包括顎式破碎機、振篩機、標準套篩、球磨機等，古埃型磁化率測量儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 古埃型磁化率測量儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the Gu’ai type magnetic susceptibility measuring instrument

先將所選煤樣以及巖石樣品利用顎式破碎機、振篩機、標準套篩、球磨機破碎、研磨、篩選出2組相同粒徑（0.9～3.0 mm）的煤巖樣品，第1組放置在實驗室室溫（25℃）的環(huán)境中，將其他7組放置在加熱爐中對其進行溫控加熱（溫度分別控制在100、200、300、400、500、600、700℃）達到實驗要求的溫度后，在保持恒溫的基礎(chǔ)上再繼續(xù)加熱30 min，然后按要求取出加熱處理后的煤樣品并將其置于室溫中。根據(jù)實驗步驟，將8組煤樣放入樣品管中，用磁天平在0.5 T的磁感應(yīng)強度下測量其磁化率，在測量過程中加熱另1組，每50°C記錄1次數(shù)據(jù)。

1.3 實驗結(jié)果分析

升溫煤及燒變煤磁化率與溫度的關(guān)系如圖2。在25～250℃的范圍內(nèi)，升溫煤和燒變煤的磁化率變化趨勢相對相似，兩者都隨溫度的升高而逐漸增加，且升溫煤磁化率增長速率略高。在250～350℃的溫度范圍內(nèi)，升溫煤的磁化率迅速增加，在350°C時達到最大值；在這個升溫過程中，燒變煤的磁化率比升溫煤增長速率低很多，但仍處于增長階段。在350～500℃時，升溫煤的磁化率迅速下降，在500℃時下降到負值；此階段，燒變煤的磁化率在增長率變小的情況下依然呈增加趨勢。最終，在500～700℃的溫度范圍內(nèi)燒變煤保持前期的穩(wěn)定趨勢，升溫煤變成弱磁性體，隨溫度而波動，總體變化不大。

圖2 升溫煤及燒變煤磁化率與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature-increasing coal and burnt coal susceptibility and temperature

為了進一步研究溫度對煤巖磁性磁化率影響內(nèi)在機理，實驗對常溫下和經(jīng)過不同溫度灼燒過的煤巖組分利用（XRD-7000型，X-射線衍射儀）做進一步檢測。將煤試樣破碎并研磨為粒徑200目（75 μm），分別對2種試樣進行加熱，加熱溫度范圍為室溫到700℃，空氣環(huán)境，每100℃1個試樣點，每個試樣恒溫加熱40 min。加熱器是馬弗爐，在實驗開始之前先對加熱儀器進行預(yù)熱，達到實驗所需的溫度后，將樣品在恒溫下加熱40 min，然后將加熱后的樣品放置在空氣進行冷卻。

常溫煤的衍射圖譜如圖3，圖中θ為衍射角。由圖3可知，實驗中煤的礦物成分主要為方解石（GaCO3）、石英（SiO2）和高嶺土（Al2Si2O5（OH）4），衍射最高峰礦物質(zhì)為方解石，含有少量的赤鐵礦（Fe2O3）和黃鐵礦（FeS2）。

500℃與700℃加熱處理后煤的衍射圖譜如圖4。由圖3和圖4可以看出，經(jīng)過500℃加熱處理后試樣中原衍射角位置的赤鐵礦衍射峰高有所增加，其他衍射角位置出現(xiàn)了新的赤鐵礦和黃鐵礦，表明在500℃恒溫加熱及冷卻至室溫的過程中，磁化率的升高主要由于赤鐵礦和黃鐵礦含量的增加引起。對比在700℃和500℃的恒溫下加熱的產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)有部分黃鐵礦不復(fù)存，這是由于300～500℃范圍內(nèi)，煤中的無機礦物質(zhì)在升溫過程中的種類和含量變化是磁性變化的主要影響因素，是巖石中菱鐵礦、針鐵礦等在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦，是這個階段煤巖磁化率急劇增長的主要原因。

圖3 常溫煤的衍射圖譜Fig.3 Diffraction pattern of normal temperature coal

圖4 500℃與700℃加熱處理后煤的衍射圖譜Fig.4 Diffraction patterns of coal after heat treatment at 500℃and 700℃

磁化率在整個測試過程中顯示出清晰的峰值，初步判斷出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因很可能是在這個過程中有礦物某種或多種礦物質(zhì)變成了磁鐵礦。對于這種情況，有3種解釋：①磁黃鐵礦在加熱到500℃左右時轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦，但在巖石X射線衍射實驗中并未出現(xiàn)磁黃鐵礦，所有這種現(xiàn)象不會發(fā)生；②Hopkinson效應(yīng)，即多疇磁鐵礦顆粒中疇壁的活性增強和數(shù)目增多，或是單疇顆粒磁矩活動能力的增強使試樣磁化率發(fā)生變化；③巖石中的鐵磁性礦物在加熱過程中分解或轉(zhuǎn)化形成強磁性礦物，如赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦，由于磁赤鐵轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦是在有氧條件下發(fā)生的，而本實驗是在絕氧條件下，所以這種解釋的可能性也不大。試樣在600℃左右磁性基本達到最低值，說明試樣中含有磁鐵礦，而沒有赤鐵礦，因此，525℃左右磁化率出現(xiàn)峰值是由于多疇磁鐵礦的疇壁活性增強和數(shù)目增多引起，或單疇顆粒磁距活性增強導(dǎo)致，隨著溫度的升高達到磁鐵礦的居里溫度后，磁化率迅速降低。

2 磁異常正演數(shù)學(xué)模型建立

在對磁異常的探測中，磁偶極子是一種常用的磁性目標模型，故在對煤田火區(qū)的探測中，可以將著火區(qū)域或者高溫區(qū)域視為無數(shù)個分子磁偶極子[11]。

磁偶極子可以看成由許多無限小的磁體元組成，對每1個無限小的磁體元d v而言它在P點的磁位可表示為：

可求得磁偶極子的磁位的表達式：

式中：U為磁位，J；r為真空磁偶極子到空間一點的矢徑，m。

對磁偶極子的磁位進行積分：

式中：v為M的積分區(qū)；M為磁矩，A·m2。

M=（mx，my，mz），把磁偶極子所包含的所有磁體元的磁位積分求和，可得到所有磁化體在P點的磁位積分表達式：

3 獲取磁異常正演計算

3.1 煤田火區(qū)磁異常物理模型

假設(shè)煤田火區(qū)磁異常區(qū)域為中心溫度600℃的長方體模型，其x軸、y軸和z軸方向的長度分別為a、b、c，其中（x0，y0，z0）為中心坐標點，（ξ，ζ，η）為長方體所在位置的坐標點，（x，y，z）為觀測點的坐標點[12]，長方體的引力Fv為：

對式（11）進行二階求導(dǎo)，并作積分將其代入到下式中得到磁異總場強T（x，y，z）。

設(shè)長方體的磁性參數(shù)和幾何參數(shù)為：a=5；b=4；c=3，其中心點的坐標為（0，0，h），即煤田火區(qū)的埋深h設(shè)為50 m，探測平面區(qū)域X為（-200，200）；Y為（-200，200），每0.5 m 1個測點，探測平面的高度設(shè)為0，磁矩M統(tǒng)一設(shè)置為1 000 A·m2。

整理后可得：

式中：k1=sin D sin2I；k2=sin2I cos D；k3=cos I2sin2D；k4=cos I2cos D2；k5=cos I2sin D2；k6=-sin I2；D為磁傾角，（°）；I為磁偏角，（°）。

3.2 結(jié)果分析

對磁異常T（x，y，z）而言，在探測范圍的煤田區(qū)域其地磁場的I、D分別為60°、-10°。根據(jù)式（14）利用Matlab編寫代碼進行三重積分仿真得到的在不同埋深情況下的磁異常總場強度三維等值線圖如圖5。

圖5 火源不同埋深磁場強度三維等值線圖Fig.5 Three-dimensional contour diagrams of magnetic field intensity at different depths of fire source

煤田火區(qū)磁異常體的埋深分別為50、60、70、80、90、100、200、300 m時磁異常總場強度即磁異常模量的變化如圖6。隨著異常體埋深的增大，目標體表現(xiàn)出來的磁場強度的極值在不斷地減小；而且到接近異常體的范圍時強度的突變率也在不斷的減小；磁異常發(fā)生突變的范圍隨煤田火區(qū)埋藏深度的增加而不斷的向四周擴展。磁性目標體表現(xiàn)出來的磁異常強度總體呈現(xiàn)出埋深越淺異常強度越大且越向中心聚交，埋深越大，異常強度越小且越向四周擴散；當(dāng)埋深大于300 m是磁異常強度很難確定，煤田火區(qū)也就很難判斷。

圖6 不同埋深情況下的磁異常強度Fig.6 Magnetic anomaly strength at different burial depths

3.3 現(xiàn)場實測驗證

在準東鐵路公溝隧道附近對已經(jīng)產(chǎn)生高溫和冒煙的半坡，使用GPS定位結(jié)合磁法探測進行現(xiàn)場探測。

在鐵路旁邊坡高出鐵路約10 m的第1個平行于鐵路臺布置25個測點，在高出鐵路20 m的第2個平臺設(shè)置25個測點，在高出鐵路20 m的第3個平臺布置25個測點，這些測點之間的間隔都是10 m，在山體西北的平臺邊緣設(shè)置25個測點采用α磁力儀測定100個測點的磁場強度，對數(shù)據(jù)進行處理，準東鐵路公溝隧道處的磁異常區(qū)剖面圖如圖7。

圖7 準東鐵路公溝隧道處的磁異常區(qū)剖面圖Fig.7 Sectional view of the magnetic anomaly zone at the Gonggou tunnel of the Zhundong Railway

在第1個平臺布置的25個測點中，前10個測點探測的數(shù)據(jù)變化很小，第11～第16個測點磁場強度明顯。磁場強度變化明顯的這些測點正好在冒煙周圍，證明此處磁異常與煤自然產(chǎn)生高溫有關(guān)。在第2個平臺和第3個平臺進行探測時同樣發(fā)現(xiàn)在冒煙地帶周圍磁場強度變化明顯，且變化率與第1個平臺相比較而言逐漸減小，說明地下高溫區(qū)域在地面上所變現(xiàn)出來的磁場強度與其深度有關(guān)系。

4 結(jié)論

1）隨著煤田火區(qū)埋深的增大，目標體表現(xiàn)出來的磁場強度的極值在不斷地減小；而且到接近異常體的范圍時強度的突變率也在不斷的減小。

2）埋深較淺的煤田火區(qū)其磁異常剖面狹窄且尖銳，埋深較深的磁性體其磁異常寬闊且平緩。磁異常發(fā)生突變的范圍隨煤田火區(qū)埋藏深度的增加而不斷的向四周擴展。

3）仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)在煤田發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域埋深大于300 m時所表現(xiàn)出來的磁異常強度很小，這就說明在深度大于300 m時，煤火區(qū)域位置很難確定。