航空磁法測量在新疆某煤礦火燒區(qū)圈定中應(yīng)用效果分析

徐維 張洲春 趙才生

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

關(guān)鍵詞：煤礦;航空磁法測量;火燒區(qū);歐拉三維反演

中圖分類號：P631 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(nèi)煤炭資源豐富，賦存條件好，煤質(zhì)優(yōu)良。礦區(qū)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(qū)做了地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)下5、下10煤層地表存在火燒現(xiàn)象，但未查明對其火燒區(qū)范圍、埋深及空間分布特征，因調(diào)查區(qū)地形切割劇烈，航空磁法對測量查明火燒區(qū)空間分布特征具有重要意義。

1 測區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地質(zhì)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(gòu)造，具有北部陡、南部緩、淺部陡、深部緩、兩端陡、中間緩的特點(diǎn)，地層由老至新依次為上三疊統(tǒng)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(xì)砂巖呈不等厚互層為主;下侏羅統(tǒng)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(gòu)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(tǒng)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(tǒng)克孜努爾組下段（J2k1），淺灰色粉細(xì)砂巖、粗砂巖組合，夾有薄層炭質(zhì)泥巖;第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Qhalp）和第四系全新統(tǒng)人工堆積（Qhs）。

1.2 地球物理特征

為了解工作區(qū)巖石物性特征，對工作區(qū)分布的主要巖石進(jìn)行了測定，依據(jù)規(guī)范，主要巖礦石物性標(biāo)本大于30塊，進(jìn)行算術(shù)平均值（[σ]）的計(jì)算，測定巖石磁化率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，上三疊統(tǒng)黃山街組（T3h）、下侏羅統(tǒng)塔里奇克組（J1t）、下侏羅統(tǒng)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(qū)物性較為容易區(qū)分，可以滿足分辨火燒區(qū)條件。

2 工作技術(shù)與參數(shù)設(shè)置

航空磁測采用加泰科的專利產(chǎn)品GTK-RF-M300無人機(jī)航磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(jìn)行日變數(shù)據(jù)采集。

2.1 儀器性能校驗(yàn)

在工區(qū)選擇一處磁場平穩(wěn)而又不受人文干擾場影響的地方，對投入生產(chǎn)的所有儀器進(jìn)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(yīng)布在磁場平穩(wěn)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(jìn)行快速穩(wěn)定測量。從測量結(jié)果可以看出，日變站2 m范圍內(nèi)磁場平穩(wěn)，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(jīng)試驗(yàn)選擇，試驗(yàn)飛行高度為80 m、120 m，通過對比發(fā)現(xiàn)，在飛行高度80 m和120 m時，對火燒區(qū)都具有明顯的磁異常，但是對于煤5和煤10火燒區(qū)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(qū)分辨不明顯，本次采用飛行高度80 m。

3 數(shù)據(jù)處理

航空磁測數(shù)據(jù)處理使用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件Geosoft Oasis Montaj及Mapgis6.7。主要包括數(shù)據(jù)的校正、改正、測線數(shù)據(jù)調(diào)平、數(shù)據(jù)定位與網(wǎng)格化變換以及化極[1]。

3.1 航空磁測數(shù)據(jù)的修正處理

航空磁測數(shù)據(jù)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(qiáng)度（航磁儀實(shí)測值）與正常地磁場總強(qiáng)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(jìn)行，經(jīng)檢查日變數(shù)據(jù)正常，數(shù)據(jù)采集期間未發(fā)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(shí)質(zhì)是求實(shí)測磁場總強(qiáng)度值與國際地磁參考場值的差的運(yùn)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(shù)進(jìn)行正常梯度改正。

計(jì)算磁場總強(qiáng)度T0及梯度值，如式（1）。

[T0=X2+Y2+Z2=H2+Z2]? （1）

式中：T0為總基點(diǎn)地磁場總強(qiáng)度，nT;X為地磁場強(qiáng)度水平x方向分量，nT;Y為地磁場強(qiáng)度水平y(tǒng)方向分量，nT;H為地磁場強(qiáng)度水平強(qiáng)度，nT;Z為地磁場強(qiáng)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(diǎn)地磁場總強(qiáng)度實(shí)測值，nT;H0為總基點(diǎn)的高程，m;Hi為第i個測點(diǎn)的高程，m。

磁異常（ΔT）值按式（3）計(jì)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(diǎn)地磁場總強(qiáng)度實(shí)測值，nT;T觀為地磁場總強(qiáng)度實(shí)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(wǎng)格數(shù)據(jù)來確定地質(zhì)體位置（邊界）和深度的自動化計(jì)算方法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要已知地質(zhì)信息的控制。位場和其梯度與場源之間的聯(lián)系可以通過歐拉齊次方程表示，場源的不同形狀即地質(zhì)構(gòu)造的差異則表現(xiàn)為方程的齊次程度，也就是地質(zhì)構(gòu)造指數(shù)。地質(zhì)構(gòu)造指數(shù)或齊次程度實(shí)質(zhì)上表現(xiàn)了場隨離開場源距離的衰減率。為了給下一步地質(zhì)鉆探工作提供建設(shè)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(zhì)特征

測區(qū)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(dá)300 m，大部分區(qū)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(qū)西南部，有東西向沖溝，地層從南往北依次是侏羅系下統(tǒng)阿合組，巖性為灰白色、淺灰黃色中、粗砂巖;侏羅系下統(tǒng)塔里奇克組，巖性為灰白色砂巖，灰色粉砂巖，泥巖;勘查區(qū)北部有兩條地表可見的火燒區(qū)條帶，從地表觀察，南部火燒區(qū)寬度為60 m左右，北側(cè)火燒區(qū)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(qiáng)，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(qū)實(shí)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(zhǔn)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(shí)際解釋煤層自燃邊界位置由理論解釋點(diǎn)向未燒區(qū)偏移，偏移量要視煤層厚度而定[5]。

全區(qū)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(qū)東北部磁場變?yōu)檎担私唤缇€為侏羅系和三疊系巖性分界線，勘查區(qū)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(jù)2.5D反演模型和地質(zhì)相對應(yīng)，推測異常體應(yīng)該為二度板狀體，傾向朝南，延伸100～200 m;兩個不規(guī)則異常編號為M3、M4，推測由人文干擾引起，干擾有居住區(qū)及礦區(qū)建筑物（見表2）。通過航空磁測磁異常分布結(jié)合巖石物性分析，測區(qū)火燒區(qū)地表火已滅。

對測區(qū)磁異常M1、M2進(jìn)行歐拉三維反演，根據(jù)解析磁異常大致深度如表3所示。火燒區(qū)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(qū)下5煤層和下10煤層火燒區(qū)深度大部分在200 m之內(nèi)。歐拉三維反演極值點(diǎn)為28，反演深度為88.32 m，在此處布設(shè)驗(yàn)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(jié)論

①測區(qū)內(nèi)分析出火燒區(qū)兩條，對應(yīng)高磁異常，為條帶狀，對應(yīng)地質(zhì)為下5、下10煤層。

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

③測區(qū)火燒區(qū)形態(tài)和埋深基本確定，火燒區(qū)深部不均，應(yīng)與地質(zhì)條件及地形相關(guān)。

④火燒區(qū)形態(tài)走向基本與煤層一致，局部存在燒空現(xiàn)象。

⑤經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，測區(qū)航空磁測成果可靠。

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