磁法技術在探測煤礦燒變區邊界的應用研究

姜 濤

（中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安）

引言

新疆呼圖壁縣白楊河礦區某礦井田含煤地層為中侏羅統西山窯組下段，含煤7 層，編號自上而下為3 號至9 號煤層，其中全區可采煤層4 層，即5 號、6 號、7 號、8 號煤層。根據已有地質資料顯示，煤礦井田南部煤層露頭處有火燒區分布，火燒區邊界及積水情況不明。按照《煤礦防治水細則》相關要求，煤層燒變區邊界及富水情況不明區域，應當堅持有掘必探等原則，采取井上下結合的鉆探、物探、化探等綜合技術手段進行探查。因此，為保障礦井安全生產，須對上述煤層采空區和燒變區的邊界及富水情況進行探查。本文采用磁法技術探查井田南部5 號煤層燒變區邊界，為后期相關工作開展奠定基礎。

1 井田地質概況

1.1 井田地層

本區位于天山北麓烏魯木齊山前坳陷帶內，準噶爾盆地南緣煤田西部井田內，出露地層由老至新為侏羅系西山窯組（J2x）及第四系。

（1）中侏羅統西山窯組（J2x）：在井田的大部分區域有出露，是主要含煤地層，其所含煤層露頭大部分為火燒。

（2）第四系全新統（Q4pal）：分布于沖溝之中，主要為現代河床沖洪積礫石層，其特征為灰白色、土灰色，礫狀結構，礫石與少量砂混雜堆積，礫石成份主要為砂巖、鈣質粉砂巖、燒變巖、巖漿巖，礫石礫徑一般為0.2～0.6 m，分選差，圓狀～次圓狀，個別為棱角狀，無膠結，礫石間充填物為砂和少量泥質，厚10～15 m，與下伏地層呈沖刷接觸。

1.2 煤層

本區含煤地層為中侏羅統西山窯組下段（J2x1），含可采及局部可采煤層7 層，編號自上而下為3、4、5、6、7、8、9 號煤層，全區可采煤層4 層，即5、6、7、8 號煤層。煤層平均總厚40.52 m，含煤系數為7.8%。煤層地表露頭均已自燃火燒。與本次探查研究相關5 號煤層特征描述如下，煤層相對位置關系見圖1。5 號煤層：井田范圍內該煤層地表已火燒。據本礦及鄰區白楊溝煤礦資料，煤層厚度為7.43～14.00 m，本礦石門見煤厚度為12.56 m，局部含一層夾矸，頂板巖性為泥巖、粉砂巖，底板巖性為粗砂巖、粉砂巖、泥巖。層位穩定，屬穩定煤層。

圖1 煤層相對位置示意

2 地球物理特征

煤系地層為沉積地層，一般情況下煤層變質程度低，煤層區域地磁強度相較其他巖層差異性較小。在煤層發生自燃后，溫度超過一定程度后，在燃燒過后煤層頂底板伴生的黃鐵礦和菱鐵礦等物質受熱變質到溫度恢復正常后，能形成有一定磁性的燒變巖層，保留熱剩磁，其磁化強度和磁化率是燃燒變質前的幾倍乃至幾十倍，形成的磁異常值明顯的磁性差異，利用上述差異是磁法探測的地球物理特性[1-2]。

3 磁法探查技術

磁法探查技術是利用磁力儀探測地層磁性差異變化的地球物理方法。已知的地磁六要素非互相獨立，在確定三個要素的前提下可以求解其他要素并計算得到該處地磁總場強度。通常情況下儀器觀測得到的地磁場強度包括大陸磁場、地球以外的如太陽風暴等原因引起的磁場、隨時間變化的地磁場、在地質因素如煤層燒變和鐵礦石等其他磁性礦物富集區域引起的磁場。一般來說隨時間變化的地磁場可以進行日變校正，磁異常解釋時用以抵消時間變化而引起的磁場變化。通常磁法探查用磁力儀觀測的是地磁總場值[4]。

本次在新疆呼圖壁縣某煤礦磁法探查燒變區邊界研究中，使用的測量儀器為加拿大先達利（SCINTREX）公司生產的ENVI PRO 質子磁力儀，其測量功能豐富，其中包括較先進的磁力儀/磁梯度儀（ENVI MAG/ENVI GRAD）測量和甚低頻（ENVI VLF）測量。測線布置走向垂直于煤層原火燒區邊界，線距20 m、點距10 m。設計測線56 條，各測線長度相同，測線編號由北向南逐漸增大，測線布置見圖2。

圖2 磁法工作布置示意

4 資料處理與解釋

4.1 數據處理

（1）數據預處理：該階段主要工作位根據已搜集掌握的地質資料和現場干擾源分布情況，對明顯優于噪聲引起的地磁總場變化的測點從數據中剔除，再進行全區網格化處理，最大限度消除環境噪聲帶來的解釋誤差。

（2）化極處理：該階段工作主要是在消除地磁總場隨時間變化帶來的差異后，將斜磁化條件下的磁異常值計算得到垂直磁化方向的磁異常，使得數據解釋的基準一致[3]。

（3）磁異常的方向求導：此階段處理的目的為，在日變校正得到數據基礎上對得到的磁異常值（ΔT）進行0°、45°、90°、135°及垂直方向求導計算，用以壓制區域背景噪聲，突出磁異常值。

4.2 資料解釋

本次煤層燒變區范圍探查成果解釋工作以處理得到的數據為基礎，首先對每條測線的磁異常值進行剖面曲線分析。再對全區化極及求導過后的數據進行平面成圖。最終對比單條剖面曲線和磁異常值總平面圖，結合搜集的鉆孔等地質資料研究判別煤層燒變區邊界[5]。

受不同地層巖性和地層厚度特征變化，得到的磁異常值會存在局部區域出現一定的強弱變化。在熟悉鉆孔地質資料和現場環境條件的情況下，對得到的原始曲線再進行沿拓處理分析。綜上，本區域磁場數據處理后結合已有地質資料分析可得到測區內的磁異常值（ΔT）大致可分為兩類[6]：（1）背景場：探查區內正常含煤地層的剩余磁異常值基本穩定，多集中在±300nT 之間，可作為正常背景場。（2）強磁異常：確定300nT 與-300nT 的為磁異常邊界值，大于300nT 與小于-300nT 的區域應為燒變區域，且隨燒變區內巖層受高溫、燃燒變質程度的增加，磁異常值增加，即燒變巖變質影響層位較厚；經對全區各測線磁異常曲線圖的分類，結合5 塊模型組合反演和瞬變電磁法探測成果對磁異常邊界進行了推斷。在磁異常值斷面圖中，煤系沉積地層△T（磁異常值）與5號煤層燒變后△T 數值變化特征顯著。已知正常煤系地層磁異常值△T 穩定變化，數值小，剖面曲線反映官話，磁異常數據點分布相對均一，在沒有外在噪聲和地球外太陽風暴等因素影響下，不會出現磁異常值的突變。當存在煤層燒變時，該區域磁異常值△T 值相較正常地層幅值變化劇烈，一般表現為磁異常值絕對值的突增，出現無規律的跳變。下列選取測區內具有代表性的測線磁異常剖面曲線圖進行分析，圖3 中橫軸為沿測線方向的橫向水平距離（單位為：m），縱軸為計算處理后的磁異常值的幅值大小變化，數據點顯示如圖3 中藍色圓點，磁異常剖面曲線圖作為資料處理的依據，也是解釋成果的來源。現對代表性測線磁異常剖面曲線分析如下：

圖3 不同測線磁異常剖面曲線

如圖3，其中圖3（a）為選取測線的相對位置關系，圖3（b）為45 線磁異常剖面曲線，橫向距離240～500 m 之間的△T 值集中在-200～+200nT 范圍內，曲線較光滑，數據點分布均勻，為正常地層磁異常曲線。橫向距離在250 m 處△T 曲線出現跳變，△T 值首先跳變為662nT，持續增大至最大的3219nT，磁異常的持續增大特征表明該處有異于正常地層的強剩磁異常存在，隨后磁異常值逐漸轉正出現正負交替的強磁異常現象，跳變段主要集中在橫向距離的150～170 m 之間。這種正負交替的強磁異常現象標明此處地層剩磁性較強，且磁化方向不均一，與煤層燒變巖剩磁性規律吻合。圖3（c）為23 線磁異常剖面曲線，磁異常變化特征與45 線類似。橫向距離410～520 m 之間的△T 值集中在0～+200nT 范圍內，曲線較光滑，數據點分布均勻，為正常地層磁異常曲線；橫向距離在390 m 處△T 曲線出現急劇變大的現象，△T 值首先跳變為-300nT，后持續增大至負的最大值-590nT，在橫向距離280～300 m 之間逐漸轉正出現正負交替的強磁異常現象，這種正負交替的強磁異常現象標明此處地層剩磁性較強，且磁化方向不均一，與煤層燒變巖剩磁性規律吻合。綜合解釋上述磁異常變化為煤層燒變的綜合反映。

5 平面解釋

一般來說磁異常大小變化與煤層燒變后的磁化強度成正比關系，隨煤層燒變巖體積增大而增加，體積相當時，磁異常值隨目標體的埋深增大而出現異常值的減弱變化，且曲線梯度小，異常范圍表現出加寬趨勢。本次5 號煤層燒變區邊界最終成果的綜合推斷解釋過程中，主要結合了每條磁異常剖面曲線圖和各煤層底板等高線圖、5 號煤層原火燒區邊界圖和部分其他地質資料。

推斷的5 煤層火燒區邊界成果如圖4 所示，圖中紅色粗實曲線為本次推斷的火燒區邊界，洋紅色實線為原火燒區邊界線。經統計，本報告推斷的5 煤層火燒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，但絕大部分區域存在差異，最大處達到了約140 m左右。鑒于本次磁法探測過程中可供參考的已知資料較之前探測有所增加，且磁法測點密度較大，所以本次推斷的5 煤層火燒區邊界在精度上要大于原火燒區邊界。

圖4 5 號煤層燒變區邊界綜合解釋推斷

6 結論

（1）通過磁法勘查技術研究，以新疆呼圖壁縣某礦為例，查明了勘查區內5 號煤層的燒變區邊界分布情況，解釋的煤層燒變區邊界與以往普查階段結果精度有較大提高。

（2）使用磁法能夠對煤層燒變區邊界實現有效探測，其效果顯著，是可以在煤層古燒變區邊界探查中值得推廣的技術手段。