綜合物探在煤礦井下火源探測(cè)中的嘗試

王慧明，張奮軒，劉江賓，趙 輝

(1.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000；2.陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，由于種種原因引起煤層燃燒的突發(fā)事件時(shí)有發(fā)生，尤其在高瓦斯礦井煤層的持續(xù)燃燒會(huì)釀成特大事故，帶來(lái)不可估量的損失。為了防止事故的發(fā)生，需要在最短的時(shí)間內(nèi)對(duì)煤層燃燒區(qū)進(jìn)行治理，這就需要準(zhǔn)確了解火源的中心位置及范圍。因此，對(duì)火源中心位置及范圍探測(cè)方法的選擇顯得尤為重要。

在發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)部煤層燃燒后，運(yùn)用綜合物探方法(地面采用同位素測(cè)氡法、地面高精度磁法、自然電位法、井下熱紅外測(cè)溫法)，地面、井下相結(jié)合，多種方法綜合解釋，最終確定了火源中心位置及范圍，給火源的治理提供了有利的依據(jù)，防止了事故的發(fā)生。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

地層：該井田內(nèi)由鉆孔揭露的地層從老到新依次為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)，二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、第三系上新統(tǒng)(N2)、第四系(Q)。

煤層：井田內(nèi)主要煤層有3#煤層、9#煤層、15#煤層，本次探測(cè)的是3#煤層工作面。3#煤層位于山西組下部，下距9#煤層55.72～79.70 m，平均58.04 m。煤層厚5.15～8.44 m，平均厚6.71 m。含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0～5層，一般1～2層，以距底板約1.20 m左右的一層夾矸較為穩(wěn)定(平均厚度0.27 m)。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、深灰色粉砂巖。該煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度變化不大，屬穩(wěn)定型煤層。

1.2 地球物理特征

氡氣異常：地下煤炭自燃勢(shì)必造成高溫高壓的環(huán)境，由于自燃區(qū)頂部存在著大量的裂隙，在上升的水蒸氣作用下，勢(shì)必加快氡氣向上運(yùn)移的速度，在地表形成較高的氡氣異常。圖1中1 030～1 060段氡氣值較高，相對(duì)兩側(cè)存在明顯的氡氣異常區(qū)域，與背景值形成較大差異，故具備了采用同位素測(cè)氡法圈定火區(qū)邊界地球物理前提。

圖1 D9線測(cè)氡剖面曲線圖

自然電位異常：由于煤層采空造成其頂部形成較大的裂隙，當(dāng)?shù)叵旅簩尤紵龝r(shí)，隨同吸附巖層中的水離子，通過(guò)巖層中的孔隙、裂隙或破碎帶擴(kuò)散到地面，使水離子濃度差增大，形成電位差。圖2中1 050～1 080段電位差較大，呈明顯的電性異常，故具備了采用自然電位法圈定火區(qū)邊界的地球物理前提。

圖2 D12線自然電位剖面曲線圖

磁異常：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)，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。圖3中1 020～1 070段磁異常幅值較大，相對(duì)背景場(chǎng)呈明顯的異常，故具備了采用高精度磁法進(jìn)行火區(qū)探測(cè)的地球物理前提。

圖3 D11線磁測(cè)ΔT剖面曲線圖

溫度異常：地下煤層燃燒產(chǎn)生的熱量，一方面沿裂隙(裂縫)向地表逸出，一方面通過(guò)巖石的熱傳導(dǎo)作用在柔膜壁形成熱異常區(qū)，與周圍形成熱反差。圖4中8號(hào)～10號(hào)橫貫之間溫度較高，相對(duì)其它地段呈明顯的熱異常，故具備了采用熱紅外測(cè)溫法進(jìn)行火區(qū)探測(cè)的地球物理前提。

綜合物探：煤層燃燒引起地球物理特征變化，使工區(qū)范圍內(nèi)具備了利用綜合物探方法(同位素測(cè)氡、自然電位、高精度磁法、熱紅外測(cè)溫)進(jìn)行火區(qū)探測(cè)的地球物理前提。

2 測(cè)網(wǎng)布設(shè)及資料處理

2.1 測(cè)網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)地面實(shí)際情況，本次工作地面測(cè)線呈南北向布設(shè)，測(cè)網(wǎng)基本網(wǎng)度為20 m×10 m，即線距20 m，點(diǎn)距10 m，在陷落柱附近網(wǎng)度加密至10 m×10 m。井下沿進(jìn)風(fēng)順槽(8號(hào)～13號(hào)橫貫之間)布設(shè)一條測(cè)線，測(cè)點(diǎn)間距10 m，測(cè)網(wǎng)布設(shè)如圖4所示。

圖4 勘探測(cè)網(wǎng)布置示意圖

2.2 資料整理及處理

每天磁測(cè)結(jié)束后，將GSM-19T質(zhì)子磁力儀中的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，用自帶程序?qū)⒂^測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行日變校正，處理結(jié)束后，打印出Τ剖面曲線。

自然電位經(jīng)野外實(shí)測(cè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)都詳細(xì)記錄，使不極化電極充分與地表接觸后，再開(kāi)始測(cè)量，最后形成自然電位剖面。

測(cè)溫工作利用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量紅外線輻射的強(qiáng)度就能得到被測(cè)物體表面的溫度，形成測(cè)溫剖面。

測(cè)氡工作依據(jù)野外規(guī)范，每6 min測(cè)1個(gè)物理點(diǎn)，用surfer軟件生成各測(cè)氡曲線，縱軸表示3 min儀器捕獲氡元素的量數(shù)，橫軸表示該測(cè)線測(cè)點(diǎn)號(hào)。測(cè)氡觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)儀器通訊傳輸至計(jì)算機(jī)后，生成剖面曲線。

所有物探資料處理基本無(wú)人為誤差，精度高，工作及時(shí)，提高了工作效率。

3 資料解釋

資料解釋過(guò)程中始終遵循由點(diǎn)到線、由線到面的原則，資料解釋工作中充分利用現(xiàn)有的地質(zhì)資料，并緊密結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查結(jié)果，及時(shí)分析已測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)各種電性參數(shù)，研究各參數(shù)與異常的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.1 同位素測(cè)氡異常解釋成果

圖5 氡氣濃度等值線暨火燒范圍推斷成果平面圖

煤層燃燒產(chǎn)生的氡氣隨裂隙與塌陷區(qū)運(yùn)移到地表，此處出現(xiàn)氡氣濃度高值區(qū)(相對(duì)氡氣濃度值)，由此大致圈定火區(qū)范圍，如圖5所示。

本次勘探區(qū)受煤層埋深、裂隙發(fā)育諸多因素影響，所以測(cè)氡為相對(duì)氡氣濃度值，一般>30 N/3 min的區(qū)域?yàn)楫惓^(qū)范圍，結(jié)合平剖圖推斷擬火區(qū)范圍邊界，圖5中粗虛線圈定異常范圍，圖中橫軸為測(cè)線號(hào)，縱軸為測(cè)點(diǎn)號(hào)。

3.2 地面高精度磁測(cè)異常解釋成果

根據(jù)剖面分析和解釋原則，對(duì)全區(qū)磁測(cè)曲線進(jìn)行逐條分析。測(cè)區(qū)內(nèi)煤層較厚，采空區(qū)煤層燃燒后形成的燒變巖存有熱剩磁性引起的磁異常，異常范圍較寬、變化規(guī)律。磁測(cè)ΔT平剖圖存在正負(fù)磁異常，與地面調(diào)查結(jié)合，正異常為大棚、房子等障礙物干擾影響所致；通過(guò)收集井下著火現(xiàn)況，負(fù)異常推斷為工作面采空區(qū)造成頂板坍塌余留的煤層著火后形成熱剩磁所致。圖6中本探測(cè)區(qū)域熱剩磁形成時(shí)的磁化方向相對(duì)于障礙物干擾引起的異常相反，為負(fù)異常。再者，煤層燃燒后形成的熱剩磁強(qiáng)度較大，以及煤層上部覆蓋層較大，約480 m左右，因此ΔT選擇-40nT為閾值，圖6中粗虛線圈定區(qū)域，圖中橫軸為測(cè)線號(hào)，縱軸為測(cè)點(diǎn)號(hào)，推斷為煤層燃燒范圍。

圖6 磁測(cè)ΔT等值線暨火燒范圍推斷成果平面圖

3.3 自然電位法異常解釋成果

通過(guò)平剖圖與等值線平面圖，掌握火區(qū)過(guò)濾電場(chǎng)的電位變化特征及不同電位差的幅值變化，進(jìn)而判識(shí)當(dāng)?shù)叵旅簩訜o(wú)火時(shí)，電位差值幅值??；當(dāng)?shù)叵旅簩佑谢饡r(shí)，則電位差幅值將發(fā)生較大變化，表現(xiàn)為梯度變化大。根據(jù)電位差剖面、等值線平面圖和野外調(diào)查，圈出火區(qū)范圍，圖7中粗虛線圈定區(qū)域，圖中橫軸為測(cè)線號(hào)，縱軸為測(cè)點(diǎn)號(hào)。其中北部較大范圍異常區(qū)及南部邊界異常區(qū)為地表房屋、金屬大棚等建筑物影響所致。

圖7 自然電位等值線暨火燒范圍推斷成果平面圖

3.4 熱紅外測(cè)溫異常解釋成果

地下煤層燃燒產(chǎn)生的熱量，一方面沿裂隙(裂縫)逸出，一方面通過(guò)巖石的熱傳導(dǎo)作用在柔膜壁形成熱異常區(qū)，與周圍形成熱反差，利用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量紅外線輻射的強(qiáng)度就能得到被測(cè)物體表面的溫度，從而探測(cè)擬火區(qū)范圍內(nèi)的溫度異常，確定火區(qū)的范圍。圖8中8號(hào)～10號(hào)橫貫之間溫度異常較大，推斷為火區(qū)范圍。

另外，井下在3～4處煙氣點(diǎn)直接進(jìn)行熱紅外測(cè)溫，溫度約為23～25 ℃。說(shuō)明煤層采空區(qū)著火點(diǎn)在8號(hào)～10號(hào)橫貫之間形成較高能量的擴(kuò)散，造成此段溫度值較高。

圖8 井下熱紅外測(cè)溫曲線圖

3.5 綜合解釋成果

圖9為3種探測(cè)手段綜合解釋異常區(qū)重疊，通過(guò)地面、井下調(diào)查、通風(fēng)系統(tǒng)等情況，而且采空區(qū)內(nèi)陷落柱巖性不可能燃燒，把推斷火區(qū)范圍朝陷落柱以南收緊，使推斷火區(qū)范圍更科學(xué)更合理，圖10中填充部分為推斷火區(qū)范圍。

圖9 綜合物探解釋圖

由于工作面7號(hào)橫貫以西為煤層采空區(qū)，放頂之后造成頂板坍塌，形成巖層破碎、裂隙，造成采空區(qū)內(nèi)放射性元素、水分子的運(yùn)移，從而利用物探手段可以查明采空區(qū)內(nèi)火區(qū)范圍。礦方提供引起火源的信息為：10號(hào)橫貫以西靠近柔膜壁采空區(qū)內(nèi)存在一陷落柱，依據(jù)了解，之前工作面對(duì)于此陷落柱周圍30 m范圍未放頂煤層，當(dāng)煤層處于高溫高壓、多種因素的環(huán)境下易燃燒，推測(cè)為此次著火的原因。

依據(jù)井下熱紅外測(cè)溫的數(shù)值曲線可分析得出，8號(hào)～13號(hào)橫貫溫度異常變化范圍為18.7～20.5 ℃，說(shuō)明采空區(qū)內(nèi)火源離W1309進(jìn)風(fēng)順槽柔膜壁較遠(yuǎn)。如若火源離柔膜壁近，那么熱能通過(guò)介質(zhì)傳導(dǎo)，溫度梯度會(huì)呈較大變化。通過(guò)礦方采取井下探火孔，分別為W1309進(jìn)風(fēng)順槽Ⅱ鉆孔、W1309回風(fēng)順槽2號(hào)孔，竣工成果為Ⅱ鉆孔13.5 m停鉆后鉆孔處冒煙、2號(hào)孔73 m停鉆后未見(jiàn)煙氣，如圖10所示，同時(shí)驗(yàn)證了火源處于陷落柱周邊，為物探推斷火區(qū)范圍提供有力的佐證。

圖10 綜合分析成果圖

4 結(jié)論

(1)煤礦火源探測(cè)與大面積的煤層自燃形成的火燒區(qū)探測(cè)不同，其范圍較小，火燒程度相對(duì)較弱，從而其產(chǎn)生的物性異常幅值較弱，探測(cè)難度較大。

(2)通過(guò)此次采用同位素測(cè)氡法、地面高精度磁法、自然電位法和井下熱紅外測(cè)溫法對(duì)火源探測(cè)，結(jié)合后期驗(yàn)證情況，認(rèn)為該4種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：同位素測(cè)氡法異常位置與實(shí)際狀況基本吻合，但施工效率慢；地面高精度磁法精度較高，但受地面各種障礙物影響較大，施工條件要求較高；自然電位法受火燒深度影響較大，且成果與實(shí)際異常位偏差較大；井下熱紅外測(cè)溫法異常明顯，但對(duì)火源中心位置不能很好地把控。

(3)利用綜合物探方法對(duì)煤礦井下火源的探測(cè)基本可行，不同的施工條件可以有針對(duì)性地選擇合適的施工方法。