多煤層疊加火燒區邊界解釋技術應用

沈福斌，王施智，萬兆昌

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

在陜北侏羅紀煤田中，絕大部分煤礦沿溝谷和一些近地表煤層都有自燃現象，且多煤層重疊自燃的現象普遍存在。因此，有效地解決煤田自燃問題，關系到我國的社會經濟發展問題，具有重要的現實意義[1-3]。最早由陜西省煤田地質局物探測量隊將磁法勘探應用在陜北侏羅紀煤田神木北部礦區普查項目煤層自燃邊界的圈定中，取得了明顯的效果，并先后應用到紅柳林井田、張家峁井田、檸條塔井田、海灣井田、活雞兔井田(火區)的精查勘探中。但由于現場狀況及各種方法本身的限制，使得多煤層疊加火燒區邊界的圈定存在一定的誤差[4-6]。

1 燒變巖磁性特征

因煤層的頂、底板巖石中含有大量的黃鐵礦(FeS2)和菱鐵礦(FeCO3)結核或薄膜。當煤層自燃時其頂底圍巖受高溫烘烤，巖石中的鐵質礦物在高溫條件下，隨著燒變巖的形成大部分轉變成鐵磁性礦物(Fe3O4)。巖石中的鐵磁性物質在地磁場中從高溫(居里點)冷卻時將獲得很強的磁性，這種磁稱為熱剩磁。巖石在地磁場作用下從高溫至居里點降到常溫的過程稱為弱場冷卻，燒變巖中強磁性體的形成，就是在弱場冷卻的過程中實現的，它的磁化方向與地磁場方向相同。一般來說，巖石、煤層中鐵質礦物越多、自燃溫度越高，形成的燒變巖磁性就越強[7-9]。據統計陜北煤田中未燒變各類巖石磁性微弱，剩磁強度(Jr)常見值一般在90×10-3A/M單位以下，磁化率(K)常見值一般在144π×10-6SI單位以下。燒變巖磁性一般較強，以剩磁為主。燒變巖磁性不均勻，剩磁強度和方向變化大，最小變化范圍幾百至幾萬×10-3A/M單位，常見值一般變化范圍在(75～7 500)×10-3A/M單位。磁化率變化范圍約在(0～10 000)×10-6SI單位，常見值一般變化范圍在(20～3 500)×10-6SI單位。

影響燒變巖磁性的因素，主要是煤層頂、底板及夾矸中鐵質礦物的成分、數量和煤層自燃時的溫度，還與礦物的結構、顆粒大小、形狀、分布的均勻程度等有關[10-12]。鐵質礦物的大小、結構及分布越不均勻，燒變巖的磁性也就越不穩定。多煤層疊加燒變巖磁異常曲線幅值較大，異常形態呈波狀(鋸齒狀)變化，起始異常曲線幅值相對較小，幅值的絕對值不到100 nT，緊接著異常曲線斜率突然變大，出現高峰異常，一般情況下，燒變巖的埋深不同，其峰值亦存在差異，即埋深淺峰值大，反之，峰值小。

2 多煤層疊加火燒區理論模型

陜北侏羅紀煤田地層平緩，主要可采煤組為1#～5#，每組煤厚在2～10 m，層間距一般為20～40 m。各組煤層均有自燃現象，主要在煤層頂板位置形成10～40 m厚的燒變巖，呈水平板狀或半無限臺階狀磁性體。各井田中2層煤層重疊自燃的情況最為普遍，且大部分是上層煤厚，形成的燒變巖磁性比下層煤燒變巖強。部分地段上層煤較薄或因燒變巖受剝蝕，則上層燒變巖磁性相對較弱。陜北煤田中也有3層煤層重疊自燃的現象，但較為少見。根據燒變巖磁性體空間組合關系及其相對強弱變化的情況，可將陜北煤田多煤層重疊自燃的地質模型類型，即多層燒變巖磁性體疊加組合的模型類型歸納為7類,如圖1所示。其中，2層煤自燃，其延伸的距離大致相同，即自燃形成的2層燒變巖長度大致相等；2層煤自燃，上層燒變巖厚、磁性強，且煤層自燃延伸的距離較長，此種類型最為普遍；2層煤自燃，上層燒變巖較薄，磁性較弱，但煤層自燃延伸的距離較下層要長，此種類型也較常見；2層煤自燃，上層煤自燃延伸的距離較下層短；3層煤自燃，煤層越淺，其自燃延伸的距離越短；3層煤自燃，中間煤層的自燃延伸距離最短；3層煤自燃，煤層越淺，其自燃延伸的距離越長，此種類型較為普遍。

圖1 燒變巖磁性體重疊類型

3 多煤層疊加火燒區馬奎特反演法

3.1 基本原理及分類

3.1.1 基本原理

磁異常解釋中常規的選擇法是將實測異常與假定的已知模型體產生的理論異常進行比較，選擇符合程度最好的模型體作為解釋結果。其優點是充分利用了全部實測異常值，而不僅限于利用個別特征點上的異常值，這樣對實測異常剖面的背景長度不嚴格。對選擇的地質模型各參數(如模型位置、體積大小、磁化強度及方向等)給定初值，快速計算理論異常，并與實測異常對比，用兩者的偏差平方和來衡量擬合精度。如精度未達到預先規定的值，則修改地質體參數，重新計算擬合。如此反復直至精度達到要求為止，此時模型體的各參量即為解釋結果。

3.1.2 馬奎特法磁參數反演方法分類

組合棱柱馬奎特法反演：根據初步定性分析解釋將n個組合棱柱體放置到最佳位置，并給定初值后代入模型體參量和觀測點坐標的函數式(1)中，求地表m個測點上產生的磁場，進行迭代反演。其原理是給定地下n個模型的初值，迭代求解每個模型的位置、大小、磁化強度和磁化方向。根據最終求出符合精度要求的各模型參數大小，判定地下磁性體賦存位置。

模型體參量和觀測點坐標的函數

T=f(x，y，z；b1，b2，…，bn)

(1)

式中，T為地質體模型的理論異常；x，y，z為觀測點坐標；b1，b2，…，bn，bn為模型體產狀和物性等參數，其個數為n。

剖分單元馬奎特法反演：將下半空間可能有磁性體的域內，用剖分單元法將域劃分為有限多個規則體單元，當坐標選定，體積劃分后，給定磁化強度和方向初值，則地下有限個單元在地表m個測點上產生的磁場即可代入式(1)求得。將結果代入式(2)即變為求增量δ0的馬奎特法反演磁化強度和磁化方向。其原理就是固定地下n個體積單元的大小和位置，迭代求解每個體積單元的磁參數，根據最終求得符合精度要求的磁參數大小，判定地下磁性體賦存位置和磁性強弱及磁化方向。地下剖分單元可以是任意三度體或二度體(主要取決于(1)式)，根據陜北磁性體特點，目前選用二度棱柱體進行反演。

馬奎特法校正值計算方式

δ0=(A+λ·I)/g0(λ>0)

(2)

式中，δ0為校正向量；A為矩陣；λ為用來控制修改量大小的任意正數；I為單位矩陣；g0為列向量。

3.2 磁性體模型反演與分析

3.2.1 反演結果

針對上述多煤層重疊自燃的7種類型，設計了各種疊加磁性體模型，現采用馬奎特組合棱柱反演進行分析。假設模型均為二度棱柱體，2層剖面長為300 m、3層為400 m，點距10 m，迭代次數為40，磁化強度及方向的單位分別為10-3A/m、度，模型量距單位均為m，擬合均方誤差單位為nT，如圖2所示。

圖2 磁性體模型反演結果

3.2.2 反演結果

第1類疊加磁性體模型：上下兩層形態、大小基本一致，近似為一層，曲線擬合均方誤差為±0.03 nT，模型厚度相對誤差為2.8%，反演效果好。

第2類疊加磁性體模型：上層比下層寬、磁性比下層強，剩磁強度的比值為4/3，擬合均方差分別為±0.02 nT，最大相對誤差為剩磁強度誤差(1.5%)，下層最大相對誤差為寬度誤差(26.2%)，兩層磁性體擬合的中心位置一致。

第3類疊加磁性體模型：上層寬下層窄，上層比下層磁性弱，擬合均方誤差±0.09 nT，上層最大相對誤差為厚度誤差(7%)，下層最大相對誤差為厚度誤差(6.1%)。可見上層和下層磁性體擬合位置較好，但體積和磁化強度有一定的等效關系，體積大磁化強度則小，反之亦然。

第4類疊加磁性體模型：上層窄，下層寬，擬合均方誤差±0.04 nT，上層厚度誤差2.7%，下層厚度誤差18.7%，寬度誤差2.7%。兩層磁性體擬合中心位置一致，磁化方向一致。

第5類疊加磁性體模型：上層1塊，中層2塊，下面4塊，反演擬合均方誤差為±0.0 4nT，上層埋深相對誤差4.3%，中層寬度相對誤差6.7%，厚度相對誤差16.7%，下層寬度相對誤差2.6%。由擬合結果分析，中層磁性體擬合誤差大，但完全可滿足實際解釋精度。

第6類疊加磁性體模型：上層4塊，中層2塊，下層4塊，擬合均方誤差±0.06 nT，上層擬合厚度誤差7%，中層寬度誤差6.2%，下層寬度誤差2.5%。

第7類疊加磁性體模型：上層4塊，中層2塊，下層1塊，擬合均方誤差為±0.1 nT，上層厚度誤差7%，中層埋深誤差2.6%，下層寬度誤差2.7%，磁化方向絕對誤差6.2°。

從上述7類磁性體模型反演擬合結果可以看出，誤差較小、反演擬合較好。但在實際工作中，由于上層燃燒較充分，磁性體較強，對下層磁性體有屏蔽作用，因此解釋下層磁性體的位置時，應輔助其它已知地質資料進行綜合分析，解釋精度會更高。

4 綜合應用及成果修正

4.1 綜合應用

該剖面橫穿N357、N587、N591及N594號鉆孔，據N357、N587及N591鉆孔揭露，2-2號煤層厚度分別為4.73 m、4.5 m及5.1 m，其頂板均為燒變巖，N594鉆孔揭露，2-2號煤層厚度為9.19 m，其頂板未發現燒變巖。另據N357鉆孔揭露，3-1號煤層已經全部燃燒。由已知資料，測區大部分地段2-2號煤燒變巖較厚，磁性強且不均勻，3-1號煤燒變巖磁性相對較弱，屬于多煤層疊加自燃的第2種類型。實測磁異常曲線呈大幅度的負值異常，幅值最大可達-150 nT。根據實測曲線形態和反演結果，如圖3所示，2-2號煤層火燒邊界位于20號點附近，3-1號煤層火燒邊界位于13號點附近。反演解釋的煤層自燃邊界位置與已知鉆孔揭露一致。

圖3 實測磁異常曲線反演解釋成果

4.2 成果修正

4-2號煤層自燃邊界修正成果如圖4所示。由圖4可知，實測磁異常梯度變化較緩，幅值較小，但是曲線類型基本一致。相鄰曲線對比有一定規律，便于資料解釋，加之有實測磁測剖面、8-3、ZK1、ZK2號鉆孔及巷道揭露資料控制，故解釋成果較可靠。

圖4 煤層自燃邊界修正成果

5 結論

(1)通過在陜北煤田的試驗工作，結合收集以往的物探資料，修正了以往煤層火燒邊界成果，結果表明在進行多煤層疊加自燃邊界的解釋方法研究上取得了較好的效果。

(2)馬奎特反演法對多煤層重疊自燃的7類模型磁異常曲線均能適用，解釋成果與實際揭露吻合；采用馬奎特反演法在對以往物探解釋成果進行修正時效果明顯，避免了幾十萬噸煤炭資源的損失；馬奎特反演法在進行資料解釋時，受地形影響較小，且無論是單煤層自燃區還是多層煤重疊自燃均有很好的效果。

(3)在進行下層煤自燃邊界解釋時，應結合各煤層的埋深，各燒變巖的厚度和剩磁強度、方向等情況，解釋精度會更高。