航空磁法測量在新疆某煤礦火燒區圈定中應用效果分析

徐維 張洲春 趙才生

摘 要：為積極響應國家政策，整合利用資源，貫徹安全生產的基本原則，測區煤層自燃、形成火燒區，對井巷建設存在安全隱患，測區煤層因構造作用傾角較大，為查明測區內火燒區范圍、埋深及空間展布狀態，采用航空磁法測量物探方法查明火燒區范圍、埋深及空間分布特征，初步圈定兩層煤存在火燒現象，分別為下5、下10煤層，通過歐拉反演大致確定火燒區深度范圍，航空磁法測量在本區取得了良好的勘查成果。

關鍵詞：煤礦;航空磁法測量;火燒區;歐拉三維反演

中圖分類號：P631 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）9-0059-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.012

Application Effect Analysis of Aeromagnetic Survey in Delineation of Burning Area of a Coal Mine in Xinjiang

XU Wei1? ? ZHANG Zhouchun1? ? ZHAO Caisheng2

（1.Team 149， Gansu Coalfield Geology Bureau，Lanzhou 730020，China;

2. Gansu Jingyuan Coal & Electricity Co.， Ltd.，Baiyin 730900，China）

Abstract： In order to actively respond to national policies， integrate and utilize resources， and implement the basic principles of safe production， the spontaneous combustion of coal seams in the survey area forms a fire area， which has potential safety hazards for shaft and roadway construction. The dip angle of coal seams in the survey area is large due to tectonic action. In order to find out the scope， buried depth and spatial distribution of the fire area in the survey area， aeromagnetic survey geophysical method is used to find out the scope， buried depth and spatial distribution characteristics of the fire area， It is preliminarily delineated that there is burning phenomenon in two layers of coal， namely lower 5 and lower 10 coal seams. The depth range of the burning area is roughly determined through Euler inversion. Aeromagnetic survey has achieved good exploration results in this area.

Keywords： coal mine;aeromagnetic survey;fire area; Euler 3D inversion

0 引言

新疆庫車市某煤礦地處天山南麓山前坳陷帶北緣，庫-拜煤田東部，境內煤炭資源豐富，賦存條件好，煤質優良。礦區共含有6層可采煤層，分別為下2、下4、下5、下7、下10和下12煤層，煤類主要以45號氣煤、43號氣煤、25焦煤、1/3焦煤為主，其次為不黏煤。以往在測區做了地質調查，發現下5、下10煤層地表存在火燒現象，但未查明對其火燒區范圍、埋深及空間分布特征，因調查區地形切割劇烈，航空磁法對測量查明火燒區空間分布特征具有重要意義。

1 測區地質及地球物理特征

1.1 地質概況

井田位于尤勒包古孜背斜南翼，含煤地層傾角60°～85°，呈急傾單斜構造，具有北部陡、南部緩、淺部陡、深部緩、兩端陡、中間緩的特點，地層由老至新依次為上三疊統黃山街組（T3h），深水湖相沉積，巖性以灰黃、灰綠色、黃綠色粉砂巖、泥巖、細砂巖呈不等厚互層為主;下侏羅統塔里奇克組（J1t），河流-湖泊相含煤碎屑巖建造，由多個河流-湖泊相沉積旋回構成，巖性以灰白色砂巖、灰色粉砂巖為主，含煤15層，其中可采煤層6層;下侏羅統阿合組（J1a），河流相不含煤的粗碎屑巖沉積，為灰白色、淺灰黃色中、粗砂巖，具有大型斜層理;中侏羅統克孜努爾組下段（J2k1），淺灰色粉細砂巖、粗砂巖組合，夾有薄層炭質泥巖;第四系全新統沖洪積層（Qhalp）和第四系全新統人工堆積（Qhs）。

1.2 地球物理特征

為了解工作區巖石物性特征，對工作區分布的主要巖石進行了測定，依據規范，主要巖礦石物性標本大于30塊，進行算術平均值（[σ]）的計算，測定巖石磁化率統計結果見表1，上三疊統黃山街組（T3h）、下侏羅統塔里奇克組（J1t）、下侏羅統阿合組（J1a）的磁化率較低，平均值為18×10-5～35×10-5 SI;燒變巖略高，平均值為711×10-5 SI;勘查區物性較為容易區分，可以滿足分辨火燒區條件。

2 工作技術與參數設置

航空磁測采用加泰科的專利產品GTK-RF-M300無人機航磁系統，該系統以大疆M300 RTK作為平臺，高精度銣光泵磁力儀和磁通門磁力儀作為磁力儀探頭。日變站采用捷克Satisgeo KT-6磁化率儀，進行日變數據采集。

2.1 儀器性能校驗

在工區選擇一處磁場平穩而又不受人文干擾場影響的地方，對投入生產的所有儀器進行噪聲水平測定，噪聲均方誤差為±0.2 nT;探頭一致性測定，測量差值的變化為（23.4-23.9） nT，滿足差值小于0.5 nT的要求。所有儀器噪聲水平基本滿足工作需要。

2.2 日變站及飛行高度選擇

日變站應布在磁場平穩地段，且開闊平坦、周圍無人文干擾，工作便利。以日變站為中心，向東、南、西、北和垂向上方向1 m、2 m距離處進行快速穩定測量。從測量結果可以看出，日變站2 m范圍內磁場平穩，各個方向上磁場變化較小，最大變化為-0.84 nT，滿足不超過航磁測量總精度1.0 nT的要求。

飛行高度經試驗選擇，試驗飛行高度為80 m、120 m，通過對比發現，在飛行高度80 m和120 m時，對火燒區都具有明顯的磁異常，但是對于煤5和煤10火燒區分辨率有差異，飛行高度為120 m，較80 m的疊加異常明顯，對兩層火燒區分辨不明顯，本次采用飛行高度80 m。

3 數據處理

航空磁測數據處理使用專業數據處理軟件Geosoft Oasis Montaj及Mapgis6.7。主要包括數據的校正、改正、測線數據調平、數據定位與網格化變換以及化極[1]。

3.1 航空磁測數據的修正處理

航空磁測數據修正處理的目的主要是求取航空磁測ΔT。ΔT是地磁場相對變化量，是磁場總強度（航磁儀實測值）與正常地磁場總強度的模量差。

3.2 日變改正

地面日變測量與每架次飛行測量同步進行，經檢查日變數據正常，數據采集期間未發生磁暴。日變磁力儀噪聲水平差于光泵磁力儀，地面磁日變測量做非線性濾波后用于日變改正。

3.3 正常梯度改正與高度改正

地球正常磁場校正也稱國際地磁參考場校正或水平梯度校正，實質是求實測磁場總強度值與國際地磁參考場值的差的運算過程。

正常梯度改正利用國際地磁參考場IGRF2010.0模型提供的高斯系數進行正常梯度改正。

計算磁場總強度T0及梯度值，如式（1）。

[T0=X2+Y2+Z2=H2+Z2]? （1）

式中：T0為總基點地磁場總強度，nT;X為地磁場強度水平x方向分量，nT;Y為地磁場強度水平y方向分量，nT;H為地磁場強度水平強度，nT;Z為地磁場強度的垂向分量，nT。

高度改正公式為式（2）。

[ΔT高=3T0R（Hi-H0）]? ?（2）

式中：ΔT高為高度改正值，nT;T0為總基點地磁場總強度實測值，nT;H0為總基點的高程，m;Hi為第i個測點的高程，m。

磁異常（ΔT）值按式（3）計算。

[ΔT=T觀-ΔT日+ΔT正+ΔT高-T0] （3）

式中：ΔT高為高度改正值，nT;ΔT日為日變改正值，nT;T0為總基點地磁場總強度實測值，nT;T觀為地磁場總強度實測值，nT。

3.4 歐拉三維反演

歐拉反褶積法是一種能夠利用重磁網格數據來確定地質體位置（邊界）和深度的自動化計算方法，這種方法的優點是不需要已知地質信息的控制。位場和其梯度與場源之間的聯系可以通過歐拉齊次方程表示，場源的不同形狀即地質構造的差異則表現為方程的齊次程度，也就是地質構造指數。地質構造指數或齊次程度實質上表現了場隨離開場源距離的衰減率。為了給下一步地質鉆探工作提供建設性意見和有用信息，采用定位歐拉反褶積方法[2]。

4 資料推斷解釋

4.1 地質特征

測區地層走向近東西向，地層傾角較大，在70°左右，地形切割劇烈，南北高差達300 m，大部分區域基巖出露，有大致三條南北向沖溝第四系洪積層覆蓋，在測區西南部，有東西向沖溝，地層從南往北依次是侏羅系下統阿合組，巖性為灰白色、淺灰黃色中、粗砂巖;侏羅系下統塔里奇克組，巖性為灰白色砂巖，灰色粉砂巖，泥巖;勘查區北部有兩條地表可見的火燒區條帶，從地表觀察，南部火燒區寬度為60 m左右，北側火燒區為30 m左右。

4.2 航空磁測特征

已有資料顯示，正常煤層從自燃到熄滅過程中，可能存在一個熄滅帶[3]，在熄滅帶上觀測到的熱剩磁異常反而最強，從熄滅帶到燃燒帶觀測到的磁異常逐漸減弱，用磁法探測火區實際上主要反映的是熄滅帶的范圍，燃燒帶較之略深一些，這給磁法準確劃分煤層自燃邊界帶來一定難度[4]。在解釋工作中，一般是將實際解釋煤層自燃邊界位置由理論解釋點向未燒區偏移，偏移量要視煤層厚度而定[5]。

全區磁場背景值由南向北呈緩慢遞增，磁場等值線近東西向，符合地層走向，在工區東北部磁場變為正值，此交界線為侏羅系和三疊系巖性分界線，勘查區分析出兩個條帶狀磁異常，編號分別為M1、M2，異常M1、M2為燒變巖引起的異常，根據2.5D反演模型和地質相對應，推測異常體應該為二度板狀體，傾向朝南，延伸100～200 m;兩個不規則異常編號為M3、M4，推測由人文干擾引起，干擾有居住區及礦區建筑物（見表2）。通過航空磁測磁異常分布結合巖石物性分析，測區火燒區地表火已滅。

對測區磁異常M1、M2進行歐拉三維反演，根據解析磁異常大致深度如表3所示。火燒區深度最小值為12.37 m，磁異常值為195 nT，最大值為142.8 m，磁異常值為657.82 nT，推測測區下5煤層和下10煤層火燒區深度大部分在200 m之內。歐拉三維反演極值點為28，反演深度為88.32 m，在此處布設驗證鉆孔ZK01，ZK01為直孔，在孔深88.45 m處提取巖性為燒變巖，成果可靠。

5 結論

①測區內分析出火燒區兩條，對應高磁異常，為條帶狀，對應地質為下5、下10煤層。

②測區下10煤層火燒區深度整體較下5煤層火燒區深，通過歐拉三維反演分析，下10煤層火燒區最深為142.8 m，下5煤層火燒區最深為88.32 m。

③測區火燒區形態和埋深基本確定，火燒區深部不均，應與地質條件及地形相關。

④火燒區形態走向基本與煤層一致，局部存在燒空現象。

⑤經鉆孔驗證，測區航空磁測成果可靠。

參考文獻：

[1] 邵振魯.煤田火災磁、電異常演變特征及綜合探測方法研究[D].徐州：中國礦業大學，2017.

[2] 張季生，高銳，李秋生，等.歐拉反褶積與解析信號相結合的位場反演方法[J].地球物理學報，2011（6）：1634-1641.

[3] 宋學昌.易自燃煤層條帶復采面掘進中綜合防滅火技術實踐[J].中州煤炭，2010（6）：112-113.

[4] 宋吾軍，王雁鳴，邵振魯.高密度電法與磁法探測煤田火區的數值模擬[J].煤炭學報，2016（4）：899-908.

[5] 朱曉穎，于長春，熊盛青，等.磁法在煤火探測中的應用[J].物探與化探，2007（2）：115-119.