高精度磁法在張家峁煤礦煤層火燒區探測中的應用

張 池

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西 榆林 719316)

0 引言

張家峁井田范圍內各煤層發育有大面積的火燒區，為神府煤田燒變巖最具有代表性的礦井[1]，井田北部、東部、南部甚至西部均有各煤層的燒變巖露頭，燒變巖水害對礦井安全和正常生產的威脅較大，長期以來，燒變巖水害一直是張家峁煤礦防治水工作的一個重點。由于張家峁煤礦地面存在一處水庫，對于礦井安全存在極大隱患，水庫水存在燒變巖裂隙導通至煤礦的可能。而且對于接續的15207、15208這2個工作面的采掘布設影響較大。此外，由于工作面5-2煤層頂板為4-2煤層火燒區，回采后會直接導通4-2煤層火燒區燒變巖含水層，含水層中的水直接涌入井下將嚴重威脅5-2煤層的安全生產。因此，需對4-2煤層火燒區進行探測，圈定其邊界位置，為工作面安全掘進和回采工作提供技術資料。在以往的火燒邊界探查中，優先選用高精度磁法查明煤層火燒區的邊界，這種方法在新疆和山西等煤炭開采區域均得到了很好的應用[2-3]，利用磁法勘探也可以探測并圈定深部隱伏火燒區的范圍[4-5]。

因此，應用高精度磁法探測張家峁煤礦4-2煤層火燒邊界，并與之前的火燒邊界進行對比。本次高精度磁法勘查是以燒變巖石的磁性差異為基礎，勘探內各類未燒巖石磁性微弱；煤層頂底板巖石中雖含有大量黃鐵礦結核，但其磁性亦較弱。當煤層自燃時產生高溫，使煤層頂底板巖石受熱變質，從而形成含鐵磁性礦物的燒變巖，溫度降低后，保留較強的熱剩磁，磁化率及剩余磁化強度均較高[6-8]。區域地質資料表明，測區內無火成巖侵入，也未發現強磁性礦床，故本區磁異常主要為燒變巖的反映，這是利用磁法探查燒變區的物理前提和基礎。

1 高精度磁法探測方法

1.1 高精度磁法探查燒變巖設計

高精度磁法探測是指磁測總誤差≤5 nT的磁測工作，其原理與常規磁法勘探一致，也是利用巖(礦)石之間的磁性差異所引起的磁場變化，通過測量分析目標體磁異常分布規律，得到地下目標體的位置、產狀等特征，從而達到對地下目標體的勘探目的[9-10]。為了實現對4-2煤層燒變巖的精確探測，本次高精度磁法測線布設基本沿地層走向布設，測網密度為20 m×5 m，即線距20 m，點距5 m；共完成測線54條，磁法坐標點9 573個，復查點(約3%)288個，總物理點約9 861個，控制面積0.93 km2。

1.2 資料處理

日變資料整理:首先將每天的日變數據傳入計算機，檢查當天日變是否存在磁暴和干擾，確定無問題時，提供下一步數據處理利用。同時填寫日驗收記錄表。

磁測資料整理:把儀器所記錄的數據導入計算機，并對儀器存儲號等進行100%復核。將每個臺班儀器所記錄的數據，當天由室內人員進行100%的檢查、整理；刪除野外已經確定的廢點數據，同時填寫日驗收記錄表。

日變改正:每個臺班當日記錄檢查無誤后，利用當天的日變數據由專用計算機程序進行日變改正。

確定磁場值：對于進行重復觀測的測點，求取經日變改正后的算數平均值，作為本測點的磁場值。并將每個測點的磁場值與對應測量資料對接，方可進行下一步數據處理。

正常梯度改正：采用國際地磁參考場IGRF 2005.0的高斯系數進行正常地磁場計算。利用每個測點的坐標，用計算機專有程序計算出每個測點的正常地磁場，并以此來計算水平梯度的變化值，作為水平梯度改正系數。以總基點處的正常地磁場梯度值為零。位于總基點以北，改正系數取負；位于總基點以南，改正系數取正；按照水平梯度改正值進行改正。最后輸出結果，即進行ΔT值的計算。磁測數據處理流程如圖1所示。

圖1 磁測數據處理流程

2 資料解釋分析

2.1 資料解釋

首先逐條分析各測線的ΔT曲線圖，研究區內異常場、背景場與實測曲線的對應關系，結合地面調查資料，確定火燒區邊界。再將斷面成果展布到平面，充分利用已知地質資料及調查資料，將各參數圖進行綜合對比，最終繪制煤層火燒區邊界。根據以往陜北煤田磁法勘探圈定火燒邊界的工作經驗知，區內各煤層頂底板巖石中，一般含有數量不等、粒度不一的鐵質礦物。當煤層自燃時，上覆巖石受到高溫烘烤，其中的鐵質礦物成分發生化學變化，形成含鐵磁性礦物成分的燒變巖。當巖石冷卻后，燒變巖就保留有較強的熱剩磁。由鐵磁性物質的剩磁理論知，巖石燒變后所獲磁性的強弱，與煤層自燃時燃燒程度及其對巖石的烘烤溫度的高低有關。煤層自燃時，巖石所獲溫度愈接近居里點，冷卻后，燒變巖所保留的熱剩磁就愈強；反之則愈弱。因煤層自燃程度受自然條件的控制，如煤層厚度、煤質，上覆地層厚度，巖石裂隙是否發育，水文地質等，加之不同地段，不同層位的巖石鐵質礦物含量不一，故煤層在不同地段自燃后所形成燒變巖的磁性強弱不同，實測磁異常極不規則，形態各異。

2.2 結果分析

圖2為本區17線和19線的ΔT剖面曲線圖?？梢钥闯觯?條測線的磁異常曲線在橫向距離0～870 m之間變化范圍較小，ΔT值均在0～30 nT范圍內，曲線較圓滑，分析認為該段范圍為正常地層磁異常曲線的特征反映；而在橫向距離870 m以后曲線特征表現為高角度上揚，ΔT值急劇增大，2條測線均有反映，說明該段地層存在強剩磁異常且異?？煽啃暂^高。結合礦區鉆孔資料，從磁異常剖面曲線圖中可看出，原生地層與火燒區的ΔT值差異明顯。在正常地層區域ΔT值較小且相對穩定，而在燒變巖的區域，ΔT值明顯增大，而且曲線存在明顯的峰值異常，且異常梯度變化較大。圖3為本次探測的磁異常平面圖，其值的高低基本可以反映勘探區域內的火燒情況。圖中“白色-淺灰色”填充地段磁異常強度較小，分析為正常地層磁異常區域；“深灰色-黑色”填充地段磁異常強度較大，分析為煤層燒變異常區。可以看出，在測區西北部區域，大面積呈現“白色-淺灰色”填充的大范圍區域，該區域等值線變化均勻，無明顯的高磁異常存在，且該區域內有7-4號鉆孔，此處鉆孔在終孔深度范圍內未見燒變區，與磁法探測結果吻合，故分析認為該段范圍內無煤層燒變情況。在測區東南部，磁異常值較高且等值線呈梯度變化且變化較密集，分析為煤層火燒的特征反映。在燒變異常區內，填充顏色變化不均勻，應與煤層燃燒程度、上部巖層受烘烤程度及其埋深有關系。根據地質資料和鉆孔實際揭露地層資料，認為其主要反映的是4-2煤層的燒變情況。

圖2 不同測線ΔT剖面曲線示意

圖3 磁異常平面

2.3 4-2煤層火燒區邊界綜合推斷結果

結合剖面曲線圖、磁異?；瘶O平面圖、地質和鉆孔資料，各煤層原火燒區邊界圖和瞬變電磁法成果資料，推斷的4-2煤層火燒區邊界成果如圖4所示。圖中粗實曲線為本次推斷的火燒區邊界，虛線為原火燒區邊界線。經統計，推斷的4-2煤層燒變區邊界與原邊界延伸趨勢大致相似，局部存在重合和相交的區域，但仍有部分區域存在差異，最大處約110 m。鑒于本次勘探過程中可供參考的已知資料較之前有所增加，且磁法測點密度較大，所以本次推斷的4-2煤層火燒區邊界在精度上要大于原火燒區邊界。

圖4 推斷4-2煤層火燒邊界

3 水文地質鉆探驗證

根據野外實地踏勘情況，姬中奎等[6]采用水庫水位流量響應法，不僅確定了常家溝水庫水是郭家墕沖溝出水點的來源，而且確定了常家溝水庫北岸水庫水與4-2煤層燒變巖有直接的接觸關系。為了進一步驗證分析結果，進行了水文地質鉆探，如圖5、6所示。T2鉆孔孔深100 m，T3鉆孔孔深96.91 m，T4鉆孔孔深95.60 m，見表1。3個鉆孔在施工過程中全部出現了漏失，T3孔漏失最嚴重，T2、T3和T4號鉆孔位于煤層燒變異常區，未發現4-2煤層，但均在4-2煤層位置發現了燒變巖。

表1 探查孔鉆孔深度

圖5 水文地質鉆孔平面布置

圖6 水文地質鉆孔結構

4 結論

(1)從探測結果來看，煤層火燒區磁異常明顯，探測成果可靠。磁法探測煤層火燒區邊界具有獨特的優勢，當加密測點時，可精確探測出火燒區的邊界。磁法在探測火燒區范圍效果較好，但出現多層燒變巖時，難以確定磁異常所在的層位。

(2)通過高精度磁法查明的4-2煤層火燒區，對之前的4-2煤層火燒邊界重新進行了修正，為后面實施的常家溝水庫應急除險工程提供了重要的技術資料。