基于電?磁法聯合勘探的火燒區范圍及富水性的預測

閆順尚 ，王 玲 ，董方營 ，劉 曉 ，呂曉磊

(1.山東省煤田地質局第五勘探隊,山東 濟南 250100；2.山東科技大學 地球科學與工程學院,山東 青島 266590；3.神華國能集團沙吉海煤礦,新疆 塔城 834400)

地球物理勘探已成為礦區水文地質調查的主要手段之一，目前常用的有三維地震勘探、高精度磁測、瞬變電磁法、高密度電法、地球物理測井等[1-6]。然而任何一種勘探手段都有其各自的優缺點和適用條件，僅靠單一方法往往不能滿足精度要求[7-8]。因此，在充分認識勘探區物性特征的基礎上，采用多種物探手段從多角度進行分析研究已成為一種必然趨勢。

我國西北煤礦區分布著大面積火燒巖體，具有點多面廣、燃燒速度快等特點。煤層自燃后圍巖經高溫烘烤出現變形、坍塌等現象，巖體孔隙、裂隙發育，富水性增強[9-10]。火燒區范圍及其富水程度成為威脅煤礦安全開采的兩大關鍵因素[11]。此外，火燒區含水層作為特殊含水體，水文地質條件復雜，勘探難度較大[12]。以往多采用單一物探方法進行勘探，未能精確探查火燒區水文地質特征。因此，采用有效手段對火燒區進行勘探，查明其分布范圍及富水情況具有重要現實意義。

基于此，本研究組合一套高精度磁測?瞬變電磁?高密度電法聯合使用的高精度勘探方法，并將其應用于新疆沙吉海一號火燒區邊界及富水性勘探中，精確查明火燒區范圍及其富水情況，為煤礦的治理工程提供準確的物探資料，以期為今后類似地質條件地區火燒區勘查提供實踐依據。

1 研究區概況

研究區在新疆沙吉海一號井田火燒區內，位于準噶爾盆地西北緣，隸屬于和布克賽爾蒙古自治縣，中心地理坐標為東經86°30′33″，北緯46°35′20″。構造上位于和什托洛蓋復式向斜的北翼，庫倫鐵布克背斜的南翼，斷裂構造簡單。地層分區屬西準噶爾分區瑪依力山小區，地層由老到新依次為中生界侏羅系西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)，新生界古近系烏倫古河組(E2-3w)和第四系全新統?上更新統(Q3-4pl)組成。侏羅系巖層呈單斜狀產出，傾向SE，傾角7°～28°，自東向西逐漸變陡。含水層主要分布在頭屯河組和西山窯組內，以砂巖孔隙裂隙水為主，整體富水性相對較弱。

西山窯組是主要含煤地層，分為下、中、上3 個含煤段(J2x1、J2x2、J2x3)，其中編號煤層有18 層，自下而上依次為B1?B18，目前主要開采B10煤。B10煤為全區可采的穩定厚煤層，結構簡單，平均厚度6.88 m，下距B9煤層平均5.02 m，上距B11煤層平均36.19 m。研究區北部B9、B10、B11煤層燃燒后，沿NE?SW 向連續發育火燒巖帶，火燒深度103.00～128.40 m，厚度25.40 m。巖層受高溫烘烤后裂隙率增大，土質變松軟，導水性增強。

2 勘探方法及質量控制

2.1 方法和儀器

本研究采用3 種物探方法相互結合，方法及應用原理如圖1 所示。高精度磁測得到ΔT等值線圖用來推測火燒區邊界并與先前圈定的邊界做對比；瞬變電磁法得到視電阻率?深度剖面圖和電阻率異常平面圖與高密度電測深剖面結合，用于B10煤層富水性異常區域圈定；物探成果綜合分析，用來判定指導火燒區邊界和富水異常區驗證鉆孔的設計位置。瞬變電磁法和高精度磁測的測線都沿NW 向布置，測線及測點編號為由SW 向NE 方向逐漸增大，其中高精度磁測僅在勘探區西南側1 160 線以西布置。各勘探線及測點布置如圖2 所示。

圖1 電?磁法聯合勘探物探方法Fig.1 Geophysical prospecting method of combined Electrical-Magnetic exploration

圖2 新疆沙吉海一號井田野外施工布置Fig.2 Field construction layout of No.1 well field in Shajihai,Xinjiang

瞬變電磁法采用加拿大產PROTEM47 瞬變電磁儀，使用最大有效發射電流3.3 A，頻率25 Hz 進行觀測；高精度磁測選用高精度PMG-1 型質子磁力儀；高密度電法采用N 系列高密度電法儀，布置方式為溫納裝置。測量工作開始前均進行儀器性能檢測和相關實驗工作。

2.2 質量控制

物探結果質量主要依據《煤炭電法勘探規范》[13]和《地面瞬變電磁法技術規程》[14]的規定，通過專項質量檢查進行控制，質量檢查點(約為總數的5%)相對均勻分布于整個工作區。瞬變電磁質量檢查點100 個，其中A 級精度約占92.4%，B 級精度約占7.6%。高精度磁測質量檢查點40 個，磁測總均方誤差≤1.7 nT，滿足設計精度要求。本次高密度電法精度按A 級要求執行，系統質量檢查總均方相對誤差為3.85%。因此，本次物探野外觀測數據可靠，精度達到要求，滿足規范要求。

3 測區地球物理條件

3.1 巖體地?電條件

電法勘探的基本原理是利用目標地質體和圍巖之間存在的電性差異進行反演。根據以往電法勘探資料，通常情況下研究區泥巖、粉砂巖、細砂巖、煤層電阻率值依次增高。地層水平方向上局部地段富水性較差時，導電性變差，表現為相對高阻異常；當火燒區內存在充水空洞，火燒巖破碎或裂隙含水時，巖體導電性變強，使電阻率明顯低于圍巖，表現為相對低阻異常[15-16]。該區視電阻率具有隨深度加深而增大的特點，分層明顯，中、深部地電條件較好，具備瞬變電磁和高密度電法勘探的地球物理前提。因此，通過對比水平方向上巖層視電阻率值差異與變化情況，找出電阻率異常分布形態，并結合已有地質資料進行分析，可以查明研究區水文地質特征。

3.2 巖體磁性差異

研究區B9、B10、B11煤層燃燒后，頂底板及其夾矸受到強烈的高溫烘烤后形成燒變巖體，巖層中的鐵質礦物(赤鐵礦、黃鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦等)大部分轉變成磁性礦物[17-18]。在燒變巖冷卻過程中，產生熱剩磁，具有熄滅帶上磁異常最強，從熄滅帶到燃燒帶磁異常逐漸減弱的特征[19]。礦區以往磁性參數測定結果詳見表1。燒變巖的磁化率(K) 變化極不均勻，分別為78～9 263、47～1 055、92～426 10?64πSI；而非燒變碎屑巖類K值很小且變化范圍較小為3～96、2～13、25～84 10?64πSI。因此，燒變巖具有明顯的磁異常特征，且各地段磁化率變化較大，表現為極不均勻的燒變程度。研究區內火燒巖與非火燒巖體的磁性差異較大，具備磁法勘探地球物理條件。

表1 研究區磁性參數統計Table 1 Statistics of magnetic parameters

4 結果與分析

4.1 高精度磁測等值線分析

圖3 為研究區ΔT等值線圖。全區測點中ΔTmin=?570.6 nT、ΔTmax=875.8 nT，總體上中部磁異常強度較大，異常明顯，南部磁異常強度較小且較平緩。ΔT曲線在平面上有多個異常中心，有時一個異常有多個強度很高的峰值，異常形態整體上多呈獨立的突起；在剖面上呈多峰異常“鋸齒狀”跳躍形態(圖4、圖5)，說明受近地表燒變巖不均勻磁化、多層煤燃燒等因素影響，異常源磁性極不均勻，頂端出露或埋深不大。從整體來看，磁異常走向NE，在工作區中部有一條明顯磁異常梯度帶，落差較大，分析為火燒邊界線。新推斷火燒邊界線與之前基本一致，僅在部分地段略有南移，說明火燒區范圍基本未變。

圖3 新疆沙吉海一號井田ΔT 等值線Fig.3 The ΔT contour map of No.1 well field in Shajihai,Xinjiang

4.2 物探綜合成果分析

為了更好地查明研究區內火燒富水情況，本著物探方法相互結合相互驗證的原則，選取4 條2 種或3 種方法完全重合的區域進行對比分析解釋，為驗證鉆孔位置設計及B10煤富水區圈定提供必要依據。

圖4 表明高精度磁測在980 號點以北ΔT>120 nT(ΔTmax=216 nT)，明顯為高磁異常，且梯度變化較大；以南磁異常變化較平緩，分析為火燒區邊界反映，與原磁測邊界基本一致，部分地段向南發生較小移動。瞬變電磁斷面顯示，在840～1 200 號點之間B10煤層賦存深度整體呈低阻反映。火燒區邊界以北低阻反映更明顯且視電阻率等值線變化較紊亂，推斷為火燒富水區。通過G2 線高密度斷面圖可以看出，整體反映與瞬變電磁基本一致，驗證性較好，建議在S3 和S4 位置設計驗證鉆孔。

圖4 840 線物探勘查綜合成果Fig.4 Comprehensive results of line 840 geophysical prospecting

圖5 顯示高精度磁測在980 號點以北ΔT>120 nT(ΔTmax=819 nT)，高磁異常明顯，且梯度變化較大，為火燒區邊界反映，與原磁測邊界基本一致。瞬變電磁斷面上860～1 120 號點之間，B10煤賦存深度整體呈低阻反映，在火燒區邊界附近低阻反映最明顯，且視電阻率等值線變化較紊亂，推斷為火燒富水區。對比G3 線高密度斷面圖，從整體來看，瞬變電磁法和高密度電法勘探的低阻區都集中在左側；另外，瞬變電磁法低阻異常區主要集中在地面以下100 m 范圍以內，與高密度電法低阻異常深度也基本一致。這表明兩種物探方法反演結果基本一致，驗證性相對較好，建議在S5 和S6 位置設計驗證鉆孔。

圖5 1 560 線物探勘查綜合成果Fig.5 Comprehensive results of line 1 560 geophysical prospecting

圖6 為擬設計S1 和S2 鉆孔經過的物探測線。結果顯示G1 高密度測線上S1 鉆孔下部主要為低阻反映，與200 線瞬變電磁斷面異常基本一致；S2 鉆孔下部主要為相對高阻反映，與280 線瞬變電磁斷面反映基本一致。

圖6 200 線和280 線物探綜合成果Fig.6 Comprehensive results of geophysical prospecting on line 200 and line 280

圖7 為擬設計S9 和S10 鉆孔經過的物探測線。在瞬變電磁斷面上1 140～1 240 號點之間B10煤層賦存深度呈低阻反映，推斷為火燒富水區。G7 線高密度斷面圖表明整體反映與瞬變電磁基本一致。B10煤層賦存深度火燒富水區范圍如圖所示，兩種方法結果基本一致，驗證性較好。

圖7 2 600 線物探勘查綜合成果Fig.7 Comprehensive results of line 2 600 geophysical prospecting

4.3 B10 煤順層切片分析

正常情況下同一巖層的視電阻率差異較小，但當某一地段巖體裂隙發育充水時，其視電阻率偏低，因此在一定程度上能夠反映富水情況。通過對比同一層位視電阻率值的變化情況，認識地層的含水狀況。為查明B10煤附近火燒富水情況，分析其水力聯系，利用B10煤底板等高線抽取每個測點煤層及上下方等間距的視電阻率值，繪制順煤層視電阻率等值線圖，推測含水層的富水特征。

4.3.1富水區劃分原則

(1) 遵循相對低阻異常原則，參考電阻率值圈定，通過組合低阻異常閉合圈來確定富水區。

(2) 富水區在視電阻率斷面等值線圖上出現較明顯的低阻、變形，呈凹陷等形狀；順層切片圖上多個低阻異常閉合圈呈長條狀連續發育的特征。

(3) 通過對斷面圖、順層切片低阻異常值大小分析，結合原始曲線、地面位置、電線干擾等情況對低阻異常區去偽存真。

4.3.2成果解譯及分析

含煤地層富水性差時，視電阻率等值線表現為高阻閉合、半閉合圈；富水性好時表現為低阻閉合、半閉合圈，且變化較紊亂。根據以往地質、水文地質特征和積水區特征等資料，結合視電阻率等值線的扭曲、強度、梯度變化特征，對物探結果進行靜態和定性解釋。圖8 為B10煤切片綜合推斷成果圖，可以看出研究區B10煤層附近分布若干個大小、形狀各異的低阻閉合圈。結合礦區以往實際經驗，以視電阻率小于15 Ω·m 圈出9 個低阻異常區，分別編號為Y1?Y9。

圖8 B10 煤切片綜合解釋成果Fig.8 Comprehensive inference results of B10 coal slices

B10煤切片圖分析表明，整體上研究區內火燒富水性較弱。富水區主要集中在火燒區南部邊界及以南區域，視電阻率值基本小于15 Ω·m，低阻異常明顯。與先前圈定富水區相比，范圍整體變小并向南移動，重合部分主要集中在南部火燒邊界附近。這可能是由于近年來B10煤層開采，導致南部地下水位明顯下降，地下水沿地層傾向徑流的結果。隨著礦井開采、地下水徑流以及豐枯水期的變化，可能造成火燒富水面積不同程度變化及移動，水文地質條件隨之發生變化。因此，煤層開采過程中應注意這些條件變化對火燒區富水情況的影響，防止突水事故發生。事實上，受電法低阻屏蔽效應的影響，各層低阻異常在縱向上相互影響，因此富水區研究還應充分結合視電阻率深度斷面圖及地質情況綜合分析。此外，該區地層傾角較大，利用順層切片圖分析富水區情況時應加以考慮。

5 結論

a.通過高精度磁測結果，在研究區西部新推斷了火燒區邊界，與原勘探邊界基本一致，僅有部分地段向南較小移動，為劃分火燒富水區提供條件。

b.在B10煤層附近，整體圈定了9 個火燒富水區，分別編號為Y1?Y9。研究區總體富水性較弱，富水區主要集中在火燒區南部邊界及以南區域。受礦區煤層開采排水影響，地下水沿地層傾向徑流，導致富水區范圍整體變小并向南移動。

c.高精度磁測圈定火燒區邊界，瞬變電磁法、高密度電法聯合確定火燒富水情況。3 種方法相互結合、互為補充，能夠精準探查火燒區范圍及其富水情況。該方法可以為相似地質條件的礦區水文地質探查工作提供借鑒。