高精度磁法在張家峁煤礦煤層火燒區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

張 池

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719316)

0 引言

張家峁井田范圍內(nèi)各煤層發(fā)育有大面積的火燒區(qū)，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(duì)礦井安全和正常生產(chǎn)的威脅較大，長(zhǎng)期以來(lái)，燒變巖水害一直是張家峁煤礦防治水工作的一個(gè)重點(diǎn)。由于張家峁煤礦地面存在一處水庫(kù)，對(duì)于礦井安全存在極大隱患，水庫(kù)水存在燒變巖裂隙導(dǎo)通至煤礦的可能。而且對(duì)于接續(xù)的15207、15208這2個(gè)工作面的采掘布設(shè)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(qū)，回采后會(huì)直接導(dǎo)通4-2煤層火燒區(qū)燒變巖含水層，含水層中的水直接涌入井下將嚴(yán)重威脅5-2煤層的安全生產(chǎn)。因此，需對(duì)4-2煤層火燒區(qū)進(jìn)行探測(cè)，圈定其邊界位置，為工作面安全掘進(jìn)和回采工作提供技術(shù)資料。在以往的火燒邊界探查中，優(yōu)先選用高精度磁法查明煤層火燒區(qū)的邊界，這種方法在新疆和山西等煤炭開(kāi)采區(qū)域均得到了很好的應(yīng)用[2-3]，利用磁法勘探也可以探測(cè)并圈定深部隱伏火燒區(qū)的范圍[4-5]。

因此，應(yīng)用高精度磁法探測(cè)張家峁煤礦4-2煤層火燒邊界，并與之前的火燒邊界進(jìn)行對(duì)比。本次高精度磁法勘查是以燒變巖石的磁性差異為基礎(chǔ)，勘探內(nèi)各類(lèi)未燒巖石磁性微弱；煤層頂?shù)装鍘r石中雖含有大量黃鐵礦結(jié)核，但其磁性亦較弱。當(dāng)煤層自燃時(shí)產(chǎn)生高溫，使煤層頂?shù)装鍘r石受熱變質(zhì)，從而形成含鐵磁性礦物的燒變巖，溫度降低后，保留較強(qiáng)的熱剩磁，磁化率及剩余磁化強(qiáng)度均較高[6-8]。區(qū)域地質(zhì)資料表明，測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)火成巖侵入，也未發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁性礦床，故本區(qū)磁異常主要為燒變巖的反映，這是利用磁法探查燒變區(qū)的物理前提和基礎(chǔ)。

1 高精度磁法探測(cè)方法

1.1 高精度磁法探查燒變巖設(shè)計(jì)

高精度磁法探測(cè)是指磁測(cè)總誤差≤5 nT的磁測(cè)工作，其原理與常規(guī)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(chǎng)變化，通過(guò)測(cè)量分析目標(biāo)體磁異常分布規(guī)律，得到地下目標(biāo)體的位置、產(chǎn)狀等特征，從而達(dá)到對(duì)地下目標(biāo)體的勘探目的[9-10]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)4-2煤層燒變巖的精確探測(cè)，本次高精度磁法測(cè)線布設(shè)基本沿地層走向布設(shè)，測(cè)網(wǎng)密度為20 m×5 m，即線距20 m，點(diǎn)距5 m；共完成測(cè)線54條，磁法坐標(biāo)點(diǎn)9 573個(gè)，復(fù)查點(diǎn)(約3%)288個(gè)，總物理點(diǎn)約9 861個(gè)，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(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，檢查當(dāng)天日變是否存在磁暴和干擾，確定無(wú)問(wèn)題時(shí)，提供下一步數(shù)據(jù)處理利用。同時(shí)填寫(xiě)日驗(yàn)收記錄表。

磁測(cè)資料整理:把儀器所記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，并對(duì)儀器存儲(chǔ)號(hào)等進(jìn)行100%復(fù)核。將每個(gè)臺(tái)班儀器所記錄的數(shù)據(jù)，當(dāng)天由室內(nèi)人員進(jìn)行100%的檢查、整理；刪除野外已經(jīng)確定的廢點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)填寫(xiě)日驗(yàn)收記錄表。

日變改正:每個(gè)臺(tái)班當(dāng)日記錄檢查無(wú)誤后，利用當(dāng)天的日變數(shù)據(jù)由專(zhuān)用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行日變改正。

確定磁場(chǎng)值：對(duì)于進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)，求取經(jīng)日變改正后的算數(shù)平均值，作為本測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)值。并將每個(gè)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)值與對(duì)應(yīng)測(cè)量資料對(duì)接，方可進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理。

正常梯度改正：采用國(guó)際地磁參考場(chǎng)IGRF 2005.0的高斯系數(shù)進(jìn)行正常地磁場(chǎng)計(jì)算。利用每個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，用計(jì)算機(jī)專(zhuān)有程序計(jì)算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的正常地磁場(chǎng)，并以此來(lái)計(jì)算水平梯度的變化值，作為水平梯度改正系數(shù)。以總基點(diǎn)處的正常地磁場(chǎng)梯度值為零。位于總基點(diǎn)以北，改正系數(shù)取負(fù)；位于總基點(diǎn)以南，改正系數(shù)取正；按照水平梯度改正值進(jìn)行改正。最后輸出結(jié)果，即進(jìn)行ΔT值的計(jì)算。磁測(cè)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 磁測(cè)數(shù)據(jù)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(cè)線的ΔT曲線圖，研究區(qū)內(nèi)異常場(chǎng)、背景場(chǎng)與實(shí)測(cè)曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合地面調(diào)查資料，確定火燒區(qū)邊界。再將斷面成果展布到平面，充分利用已知地質(zhì)資料及調(diào)查資料，將各參數(shù)圖進(jìn)行綜合對(duì)比，最終繪制煤層火燒區(qū)邊界。根據(jù)以往陜北煤田磁法勘探圈定火燒邊界的工作經(jīng)驗(yàn)知，區(qū)內(nèi)各煤層頂?shù)装鍘r石中，一般含有數(shù)量不等、粒度不一的鐵質(zhì)礦物。當(dāng)煤層自燃時(shí)，上覆巖石受到高溫烘烤，其中的鐵質(zhì)礦物成分發(fā)生化學(xué)變化，形成含鐵磁性礦物成分的燒變巖。當(dāng)巖石冷卻后，燒變巖就保留有較強(qiáng)的熱剩磁。由鐵磁性物質(zhì)的剩磁理論知，巖石燒變后所獲磁性的強(qiáng)弱，與煤層自燃時(shí)燃燒程度及其對(duì)巖石的烘烤溫度的高低有關(guān)。煤層自燃時(shí)，巖石所獲溫度愈接近居里點(diǎn)，冷卻后，燒變巖所保留的熱剩磁就愈強(qiáng)；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(zhì)，上覆地層厚度，巖石裂隙是否發(fā)育，水文地質(zhì)等，加之不同地段，不同層位的巖石鐵質(zhì)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(qiáng)弱不同，實(shí)測(cè)磁異常極不規(guī)則，形態(tài)各異。

2.2 結(jié)果分析

圖2為本區(qū)17線和19線的ΔT剖面曲線圖?？梢钥闯?，2條測(cè)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(nèi)，曲線較圓滑，分析認(rèn)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(xiàn)為高角度上揚(yáng)，ΔT值急劇增大，2條測(cè)線均有反映，說(shuō)明該段地層存在強(qiáng)剩磁異常且異?？煽啃暂^高。結(jié)合礦區(qū)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(qū)的ΔT值差異明顯。在正常地層區(qū)域ΔT值較小且相對(duì)穩(wěn)定，而在燒變巖的區(qū)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(cè)的磁異常平面圖，其值的高低基本可以反映勘探區(qū)域內(nèi)的火燒情況。圖中“白色-淺灰色”填充地段磁異常強(qiáng)度較小，分析為正常地層磁異常區(qū)域；“深灰色-黑色”填充地段磁異常強(qiáng)度較大，分析為煤層燒變異常區(qū)?？梢钥闯?，在測(cè)區(qū)西北部區(qū)域，大面積呈現(xiàn)“白色-淺灰色”填充的大范圍區(qū)域，該區(qū)域等值線變化均勻，無(wú)明顯的高磁異常存在，且該區(qū)域內(nèi)有7-4號(hào)鉆孔，此處鉆孔在終孔深度范圍內(nèi)未見(jiàn)燒變區(qū)，與磁法探測(cè)結(jié)果吻合，故分析認(rèn)為該段范圍內(nèi)無(wú)煤層燒變情況。在測(cè)區(qū)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(qū)內(nèi)，填充顏色變化不均勻，應(yīng)與煤層燃燒程度、上部巖層受烘烤程度及其埋深有關(guān)系。根據(jù)地質(zhì)資料和鉆孔實(shí)際揭露地層資料，認(rèn)為其主要反映的是4-2煤層的燒變情況。

圖2 不同測(cè)線ΔT剖面曲線示意

圖3 磁異常平面

2.3 4-2煤層火燒區(qū)邊界綜合推斷結(jié)果

結(jié)合剖面曲線圖、磁異常化極平面圖、地質(zhì)和鉆孔資料，各煤層原火燒區(qū)邊界圖和瞬變電磁法成果資料，推斷的4-2煤層火燒區(qū)邊界成果如圖4所示。圖中粗實(shí)曲線為本次推斷的火燒區(qū)邊界，虛線為原火燒區(qū)邊界線。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，推斷的4-2煤層燒變區(qū)邊界與原邊界延伸趨勢(shì)大致相似，局部存在重合和相交的區(qū)域，但仍有部分區(qū)域存在差異，最大處約110 m。鑒于本次勘探過(guò)程中可供參考的已知資料較之前有所增加，且磁法測(cè)點(diǎn)密度較大，所以本次推斷的4-2煤層火燒區(qū)邊界在精度上要大于原火燒區(qū)邊界。

圖4 推斷4-2煤層火燒邊界

3 水文地質(zhì)鉆探驗(yàn)證

根據(jù)野外實(shí)地踏勘情況，姬中奎等[6]采用水庫(kù)水位流量響應(yīng)法，不僅確定了常家溝水庫(kù)水是郭家墕沖溝出水點(diǎn)的來(lái)源，而且確定了常家溝水庫(kù)北岸水庫(kù)水與4-2煤層燒變巖有直接的接觸關(guān)系。為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果，進(jìn)行了水文地質(zhì)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(jiàn)表1。3個(gè)鉆孔在施工過(guò)程中全部出現(xiàn)了漏失，T3孔漏失最嚴(yán)重，T2、T3和T4號(hào)鉆孔位于煤層燒變異常區(qū)，未發(fā)現(xiàn)4-2煤層，但均在4-2煤層位置發(fā)現(xiàn)了燒變巖。

表1 探查孔鉆孔深度

圖5 水文地質(zhì)鉆孔平面布置

圖6 水文地質(zhì)鉆孔結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

(1)從探測(cè)結(jié)果來(lái)看，煤層火燒區(qū)磁異常明顯，探測(cè)成果可靠。磁法探測(cè)煤層火燒區(qū)邊界具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)加密測(cè)點(diǎn)時(shí)，可精確探測(cè)出火燒區(qū)的邊界。磁法在探測(cè)火燒區(qū)范圍效果較好，但出現(xiàn)多層燒變巖時(shí)，難以確定磁異常所在的層位。

(2)通過(guò)高精度磁法查明的4-2煤層火燒區(qū)，對(duì)之前的4-2煤層火燒邊界重新進(jìn)行了修正，為后面實(shí)施的常家溝水庫(kù)應(yīng)急除險(xiǎn)工程提供了重要的技術(shù)資料。