煤層自燃區隱蔽火源的綜合地球物理探測應用

馬子鈞，楊海燕，李文宇，許云磊，赫云蘭，劉卓明，李 鵬，黃 赳

(1.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學(北京) 煤炭精細勘探與智能開發全國重點實驗室，北京 100083；4.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；5.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

煤層自燃是煤體分子結構中的活性基團與氧氣發生物理化學反應而形成的一個非常復雜的動態過程[1-3]。合適的通風供氧通道是煤層自燃的必備條件之一，當煤體的氧化放熱速率超過散熱速率時，煤體溫度不斷上升直至引起煤層自燃。自燃著火點及其分布范圍識別一直是困擾煤礦企業生產的技術難題，因此，找準火區燃燒中心并確定燒空區和垮落帶是煤火探測的主要任務[4]。針對煤層隱蔽火源探測問題，相繼發展出了測溫法[5]、遙感探測法[6]以及地球化學方法[7-8]，在一定程度上解決了相應地質問題。在地球物理探測方面，由于不同煤體(火燒煤、烘烤煤和正常煤)之間以及破碎帶和圍巖間均具有明顯的物性差異[9-11]，為火燒區地質雷達和電(磁)法探測應用提供了物理前提。

煤系為沉積地層，巖石以沉積巖為主，在物探成果圖中一般顯示為橫向連續的電阻率分布。而供氧通道往往與破碎帶、孔隙和裂隙發育有關，通道的電性依賴于內部填充物的性質，在不同階段呈現出不同的電阻率特征。為了研究自燃著火點及其分布特征，筆者以內蒙古烏海市公烏素露天礦區為研究對象，在地面冒煙區部署物探測線，采用地質雷達和圓錐型瞬變電磁法識別地下自然著火區位置，以期揭示火區物探異常特征，為火區范圍圈定以及著火規律分析提供依據。

1 煤田火區地球物理探測物性基礎

內蒙古烏海市公烏素礦區地質結構較為清楚，煤系為沉積地層，地層傾角較為平緩；礦區巖石以碎屑沉積巖為主，呈層狀結構。在煤層和矸石自燃發展過程中，自燃區域圍巖裂隙發育為煤層自燃提供了合適的通風供氧通道。孔隙通道的電性大小依賴于孔內填充物，當孔隙內充滿了空氣時其電性相對煤層和圍巖為高阻反映，若填充了水和其他導電物質時則呈現明顯的低阻特征。其他地區煤礦火區動態監測研究顯示，在燒變巖區燃燒后裂隙進一步發育，導電性相應增強，燃燒區至燒變巖之間表現為高導到低導的過渡地段[12]。

沉積巖巖石電阻率隨溫度升高而降低，這種變化與層間水的電阻率降低有關，其規律滿足經驗公式[13]：

式中:θ和θ0為不同時間的巖石溫度，℃；ρ0為θ0時的電阻率，Ω?m；ρ為θ時由式(1)計算的電阻率，Ω?m。

為了獲得電阻率隨溫度變化的相對趨勢，引入歸一化系數K，令其為：

則通過分析K值特征即可得到電阻率的相對變化規律。圖1 為θ0=18℃時的K值曲線，K值隨溫度的升高而逐漸下降，表明相對于18℃時的電阻率，巖石電阻率隨溫度不斷下降。這種規律在直流電阻率法和瞬變電磁法火區探測應用中也得到體現[4,9,14]，為采用以電性為基礎的地球物理探測提供了物性前提。

2 工作方法

2.1 地質雷達

在地質行業中，地質雷達(GPR)被廣泛應用于礦山地質構造及其裂隙探測。該方法以地下介質介電性差異為基礎，采用發射天線(Transmission，T)向地下發射高頻電磁波，電磁波在地下介質介電常數差異面上產生反射和投射，反射波和直達波由接收(Reception，R)天線接收(圖2)。電磁波的衰減常數和傳播常數與工作頻率有關，對于不同的地下電磁參數，探測深度也不同，頻率越低則探測深度越大。當煤層高溫區的電導率降低時，不會出現明顯反射界面，而且反射波形比較凌亂[15-17]。

圖2 地質雷達探測原理Fig.2 Schematic diagram showing a ground penetrating radar survey

本文研究中地質雷達探測采用美國GSSI 公司的SIR4000 系統主機、100 MHz 天線以及RADAN 數據處理軟件(圖3)。

圖3 地質雷達儀器設備Fig.3 Ground penetrating radar equipment

2.2 圓錐型瞬變電磁法

圓錐型瞬變電磁法(CSTEM) 是近年來產生的新方法，在天線形式上將多匝重疊小回線提升為圓錐型收發一體式天線，只要使圓錐型場源高度變為0 m、線圈半徑相同，該場源就變回了多匝小回線(圖4)，因此，可以將多匝小回線看作這種場源的一種特殊形式[18-19]。該方法理論以小線圈瞬變電磁理論為基礎，其互感系數僅為多匝小回線的1/9，較大地提升了橫向分辨率并減小淺部“盲區”，尤其在裝置穩定性和工作效率方面具有較大優勢[20]。

圖4 圓錐型瞬變電磁探測原理Fig.4 Schematic diagram showing a conical source-based transient electromagnetic survey

本文研究中圓錐型瞬變電磁探測采用TERRA TEM24 型瞬變電磁儀，數據采集時選用儀器內置MK3_Standard 時間序列，采樣時間范圍從0.003 6 ms到93.184 4 ms，共83 個采樣窗口，疊加32 次。天線裝置為圓錐型發收一體式天線，天線頂底半徑分別為0.5 和1.0 m，高0.5 m(圖5)。

圖5 圓錐型瞬變電磁天線Fig.5 Antenna used in the conical source-based transient electromagnetic method

在資料處理階段，雖然圓錐型天線的關斷時間較傳統的多匝線圈短，但關斷時間校正仍然能有效提升早期和中期段有效數據質量。在將感應電位轉換為視電阻率之前，在整個采樣時間范圍內對關斷時間進行校正，校正系數F為[20]：

式中：t為采樣延時；t0為關斷時間。

在關斷時間校正以后，采用下式計算各測點數據的視電阻率[21]：

式中：ρa為視電阻率；μ為磁導率；S和S0分別為發射和接收線圈面積；V(t)為感應電位；I為電流。

3 測線布置

物探測線設計如圖6 所示，共設計5 條地質雷達測線，測線編號分別為L1，L2，L3，L4 和L5。其中，測線L1 和L2 長151 m，測線L3 長180 m，測線L4 長95 m，測線L5 長88 m。圓錐型瞬變電磁測線與地質雷達測線重合，點距4 m，線距5 m，其中測線L1 有37 個測量點，測線L2 有37 個測量點，測線L3 有44個測量點，測線L4 有24 個測量點，測線L5 有23 個測量點。

圖6 物探測線布置示意Fig.6 Layout of geophysical survey lines

圖7 為測量環境示意圖，該測區環境較為復雜。地表觀測得知，測區覆蓋多個緩坡、陡坡和斷崖，為著火通道與空氣接觸提供了條件。測區左側有大片冒煙區，在施工時有水罐車澆水滅火。在L1 到L4 測線左端均觀察到多個冒煙點，形成冒煙區。

圖7 測量環境示意Fig.7 Survey environment of the study area

4 探測結果分析

研究區巖石以碎屑沉積巖為主，呈層狀結構，地層傾角較為平緩。隨著露天礦轉入深凹開采階段，高陡邊坡急劇涌現，在同一條地球物理測線上不同深度的邊坡階梯所反映出的物性會有所差異。煤層燒變巖經受高溫燒結，巖石內部原有空隙水被燒干，內部結構也產生一定重構，導致巖石電性發生變化。因此，在資料解釋階段，根據不同邊坡階梯呈現出的電阻率差異，分區進行電阻率的橫向和縱向比較。在不同的邊坡臺階下，原巖區和燒結區電阻率差異較大，資料解釋時結合地表觀測情況，根據各臺階下方電阻率的相對差異來圈定異常。由于地表碎石較為松散，地面冒煙點與地下著火通道的垂向方位可能不存在嚴格的對應關系，即煤層燃燒產生的煙霧向上沿松散層擴散，冒煙區的位置間接反映出地下著火通道的大致范圍。

原巖區和燒結區的物性穩定性較為連續，其頂界面在雷達影像中呈現出較為明顯的反射同相軸，在圓錐型瞬變電磁成果中則體現為橫向連續的電阻率分布。從L1?L3 測線地質雷達和圓錐型瞬變電磁探測成果圖(圖8) 可 以 看 出，L1 線 的0～100 m 段、L2 線的0～112 m 段以及L3 線的0～136 m 段均呈現出高阻反應，整體上電阻率橫向連續性較好，同時雷達影像同相軸較為清晰，該處應為原巖區的反映。

圖8 L1?L3 測線物探成果Fig.8 Outcomes of the ground penetrating radar surveys and conical source-based transient electromagnetic surveys of survey lines L1–L3

與原巖相比，燒變巖巖體裂隙、空隙發育，煤火燃燒作用形成破碎帶和疏松脫空現象，反映在地質雷達影像圖中多為因雷達波多次反射而出現的同相回波弱且不連續等特征，在圓錐型瞬變電磁擬斷面圖上則會出現電阻率等值線的下凹、錯斷以及電阻率值的突變等規律。該特征在圖8 中也得到反映，在L1 線的84～88 m 和100～128 m、L2 線的76～88 m 和128～164 m以及L3 線的16～36 m 和112～124 m 分別呈現低阻或中低阻異常，且電阻率連續性較差，在對應的雷達影像中也出現多次反射現象，呈現出破碎帶或疏松脫空的響應特征。

即使在推測的原巖區內視電阻率擬斷面也出現了等值線下凹情況，下凹和其他破碎帶位置與地面觀測到的冒煙點基本吻合，因此相鄰測線間的低阻凹陷區極有可能存在著火通道。

為了建立地下著火通道間的聯系，繪制出圓錐型瞬變電磁視電阻率切片，如圖9 所示。綜合5 條測線可以看出，研究區左端電性整體較為穩定，為穩定原巖的高阻反應，從地表至地下反映出層狀分布的地質特征。在測線L1?L3 的中部均反映出中低阻，并出現相似的等值線錯斷特征，與測線左端相比該處高程落差近4 m，電性分布較為復雜，呈現出破碎帶的反應，從L1 線到L3 線電阻率不斷升高，可能和燃燒程度有關。測線最右端高程最低，與測線左端相比該處高程落差近6 m，是否為燒結區還需要進一步探明。

圖9 圓錐型瞬變電磁視電阻率切片Fig.9 Apparent resistivity slices from conical source-based transient electromagnetic surveys

通過與地面冒煙位置比較，結合5 條線的異常特征，可以推測出4 條地下著火通道，通道的中心位置分別為：①L3 線0 m → L4 線8 m → L5 線20 m，②L1線40 m → L2 線36 m → L3 線28 m，③L1 線90 m →L2 線88 m → L3 線124 m，④L1 線126 m → L2 線130 m → L3 線160 m。在推測的4 條地下著火通道中，①、②和④通道已經得到揭露，地面冒煙區范圍與地下通道之間具有較好的對應關系；而③通道為隱伏通道，地面沒有出現冒煙點，是否為燒結所致仍待進一步確認。

5 結論

a.煤層自燃區識別結果表明，綜合圓錐型瞬變電磁和地質雷達兩種方法，可以對潛在自燃著火點位置及著火范圍進行有效識別，為著火區范圍的圈定以及著火規律的分析提供依據。

b.原巖區和燒結區的物性穩定性較為連續，其頂界面在雷達影像中呈現出較為明顯的反射同相軸，在瞬變電磁成果中則體現為橫向連續的電阻率分布。著火區地下通道主要由孔洞裂隙發育、巖體破碎等因素造成，反映在地質雷達剖面中為同相回波弱且不連續，以及出現多次反射，在瞬變電磁擬斷面中則顯示出一定的電阻率橫向差異，使視電阻率等值線發生下凹或錯斷。

c.相鄰測線中顯示的鄰近冒煙通道在地下有較強的連通性，具有隱伏特征，地表覆蓋層的致密程度決定了地表的冒煙點位置。因此，在火燒區地球物理資料解釋中，需要在分析測區整體電性規律的基礎上，分區研究測線局部范圍內的物性變化，以界定原巖和燒變巖中物探異常的分布規律。