磁法測(cè)量在煤火燒區(qū)圈定中的應(yīng)用范文

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《煤》2018年第1期

【摘要】因特殊的煤層賦存條件，新疆尤其是阜康地區(qū)煤田每年均存在大量自燃發(fā)火現(xiàn)象。查明火燒區(qū)范圍，并采取措施進(jìn)行滅火治理可產(chǎn)生極大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。本文在生產(chǎn)勘探中采用高精度磁法測(cè)量，對(duì)煤礦火燒區(qū)的范圍及深度進(jìn)行了圈定，經(jīng)鉆探驗(yàn)證，其吻合度較高。

【關(guān)鍵詞】磁法測(cè)量；煤田火燒區(qū)；應(yīng)用探究

由于特殊的煤層賦存條件，新疆地區(qū)煤田火災(zāi)極易發(fā)生，新疆目前共有44處煤田火災(zāi)，火區(qū)面積達(dá)992萬(wàn)m2，年燃煤損失量達(dá)552萬(wàn)t，火區(qū)威脅儲(chǔ)量477億t，年排放溫室氣體CO2達(dá)到1238萬(wàn)t。煤田火燒區(qū)的存在，給煤礦勘探、建井、開(kāi)采帶來(lái)一定危害，造成煤炭資源的損失及對(duì)環(huán)境的影響，如何利用地球物理勘探手段，結(jié)合煤層煤質(zhì)等特征，開(kāi)展火燒區(qū)的研究成為重要的研究?jī)?nèi)容。本文以阜康地區(qū)某礦為例，在其生產(chǎn)勘探過(guò)程中采用磁法測(cè)量技術(shù)手段進(jìn)行了煤火燒區(qū)范圍及深度的圈定。

1火燒區(qū)探測(cè)方法研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外煤礦自燃火區(qū)火源探測(cè)方法主要有電阻率探測(cè)法、高光譜遙感技術(shù)、氡氣探測(cè)法、紅外探測(cè)法以及磁法勘探法等多種方法。同時(shí)，需要對(duì)上述探測(cè)方法進(jìn)行勘查、調(diào)查等綜合分析，并進(jìn)行驗(yàn)證，以獲得精確的結(jié)果，從而規(guī)劃各個(gè)自燃區(qū)域的位置情況，能有效提高火燒區(qū)儲(chǔ)量探測(cè)的精準(zhǔn)性，為安全生產(chǎn)工作提供了保障。通常情況下，當(dāng)煤層存在自燃情況時(shí)，主要是在人工或自然環(huán)境的影響下，為煤層自燃提供了發(fā)生、擴(kuò)大的條件，以體現(xiàn)煤田火區(qū)的這一過(guò)程。使得煤田發(fā)生風(fēng)化氧化、增溫、燃燒、熄滅等幾個(gè)階段，也形成了各個(gè)相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，從而形成了溫度異常場(chǎng)。在此環(huán)境下，煤層及其周?chē)蔫F磁物質(zhì)發(fā)生了溫度異變，其磁性也發(fā)生了明顯的變化。根據(jù)變化現(xiàn)象可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，其磁性會(huì)衰弱，但溫度穩(wěn)定在350℃左右時(shí)，磁性會(huì)穩(wěn)步增加，并最終穩(wěn)定下來(lái)。另外，若煤層燃燒結(jié)束后，其溫度會(huì)逐漸降低，但磁性會(huì)得到增強(qiáng)，直至磁性穩(wěn)定。近年來(lái)，許多學(xué)者利用上述理論，基于煤層自燃條件下燒變巖石磁場(chǎng)對(duì)于火區(qū)的指示特征，在磁場(chǎng)異常反演方面做了大量的研究工作。而針對(duì)阜康煤礦區(qū)煤層自燃特性，趙蕻等基于勘探資料、煤層煤質(zhì)資料等，研究了煤層自燃、圍巖燒變等特征，分析了控制自燃的主要因素。結(jié)果表明：煤自燃后性質(zhì)明顯變化，圍巖形成燒變巖；構(gòu)造發(fā)育，地下水補(bǔ)給徑流差，煤孔裂隙發(fā)育且厚度大，容易發(fā)生自燃。

2煤層自燃及燒變巖特征分析

煤的自燃傾向性是用來(lái)區(qū)分和衡量不同煤層發(fā)生危險(xiǎn)程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是對(duì)礦井煤層自然發(fā)火采取不同的針對(duì)性措施進(jìn)行有效管理的主要依據(jù)。煤自燃傾向性等級(jí)共分為三類(lèi)，即Ⅰ類(lèi)（容易自燃）、Ⅱ類(lèi)（自燃）和Ⅲ類(lèi)（不易自燃）。以每克干煤在常溫（30℃）、常壓（1.013×105Pa）下吸氧量作為分類(lèi)的主要指標(biāo)。通過(guò)生產(chǎn)勘探采集的11件樣品，進(jìn)行了全硫和吸氧量分析，礦區(qū)各主要可采煤層以Ⅰ類(lèi)容易自燃及Ⅱ類(lèi)易自燃煤層為主。礦區(qū)內(nèi)含煤地層侏羅系下統(tǒng)八道灣組中的A4煤層因自燃火燒嚴(yán)重，地表上沿東西向分布于該煤層地表露頭位置，形成寬150~200m的燒變巖帶，且橫貫全區(qū)，向兩端延伸至礦區(qū)外。區(qū)內(nèi)燒變巖巖性具有以下特征：（1）通常情況下，煤層在經(jīng)過(guò)火燒后，會(huì)呈現(xiàn)黑褐色或灰褐色松散或膠結(jié)在一起的物質(zhì)。該物質(zhì)的透水性能、含水性能等顯著增強(qiáng)，但在其物質(zhì)上存在明顯的火燒殘留現(xiàn)象。同時(shí),這些殘留部分中，絕大多數(shù)都分布在火燒底界面或燒變巖的中間部分。由于該物質(zhì)受到高溫烘烤的影響，僅存留了部分煤層特點(diǎn)，原有煤層的理化性能已經(jīng)發(fā)生了改變，給勘探工作帶來(lái)了一定的難度。（2）煤層圍巖在經(jīng)歷火燒后，其理化性質(zhì)也發(fā)生了明顯的變化，導(dǎo)致其呈現(xiàn)褐色、淺紅色、黑褐色等熔狀物質(zhì)。同時(shí)，煤層圍巖的原始狀態(tài)發(fā)生了根本性改變，無(wú)法探測(cè)其真實(shí)形態(tài)。且這種熔狀物質(zhì)存在堅(jiān)硬、致密、氣孔發(fā)育等特點(diǎn)，一般作用在煤層的直接頂或底板上。（3）與煤層圍巖火燒不同的是，經(jīng)過(guò)火燒烘烤的圍巖并未出現(xiàn)太大的改變，其表面仍為灰白色、淺紅色、棕紅色，且絕大多數(shù)煤層圍巖的原始狀態(tài)保存較好，很容易辨別。但其理化性能也發(fā)生了一定程度的改變，相比于原巖來(lái)說(shuō)，火燒烘烤后的圍巖更加致密、堅(jiān)硬。之所以會(huì)發(fā)生這種情況，是因?yàn)閹r層在火燒烘烤的作用下，其裂隙呈現(xiàn)發(fā)育情況，使其具備良好的貯水性和透水性。同時(shí)，該巖層遠(yuǎn)離火源也是主要因素，受到火燒的影響較小。

3地球物理參數(shù)特征

一般情況下，煤層圍巖中有很多的礦質(zhì)資源，包括菱鐵礦、黃鐵礦等，但磁性物質(zhì)較少，煤層磁性較弱，磁化率低。一旦煤層出現(xiàn)自燃情況時(shí)，圍巖在高溫影響下，會(huì)發(fā)生化學(xué)、物理變化，部分礦石形成了燒變巖，且?guī)в需F磁性（圖1）。而溫度下降后，燒變巖中存有一定的熱剩磁，其磁化率比之前提高了幾十倍不止，使得煤層自燃前后出現(xiàn)了磁性差異。因此，在勘測(cè)磁的變化曲線(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤層處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其磁性比較穩(wěn)定，而火燒區(qū)則可測(cè)到明顯磁異常。

4火燒區(qū)范圍的確定

本次高精度磁法測(cè)量工作使用的儀器裝備為GSM-19T型質(zhì)子磁力儀共3臺(tái)。測(cè)網(wǎng)由南北向的勘探線(xiàn)控制，所有磁測(cè)線(xiàn)平行勘探線(xiàn)，勘探線(xiàn)、測(cè)線(xiàn)測(cè)點(diǎn)用手持GPS測(cè)定。礦區(qū)內(nèi)共布設(shè)測(cè)線(xiàn)53條，點(diǎn)距為10m，線(xiàn)距為50m，網(wǎng)度為10m×50m。工作區(qū)位于正在開(kāi)發(fā)的煤礦上，地表有大量的廠房、鉆塔施工設(shè)施及工程設(shè)施和其它鐵質(zhì)類(lèi)物品，且滅火用的材料為就地取材的黃土加燒變巖粉粒，給磁測(cè)工作帶來(lái)了極大的影響。為消除地表鐵質(zhì)類(lèi)物品的影響，應(yīng)用MAGS2.0軟件對(duì)ΔT值化極處理后進(jìn)行了100m的上延，基本消除了地表各種因素的影響。經(jīng)數(shù)據(jù)整理、預(yù)處理以及資料的轉(zhuǎn)換、處理與正反演可知，工作區(qū)南部地表有大量燒變巖出露，呈帶狀分布，與地層走向一致。ΔTmin＝-2706.24nT，ΔTmax=4717.33nT，總體上磁異常強(qiáng)度大。經(jīng)ΔT等值線(xiàn)圖、ΔT上延100m等值線(xiàn)圖、ΔT剖面平面圖進(jìn)行綜合解釋?zhuān)茢喑鲈诠ぷ鲄^(qū)內(nèi)有大面積的火燒區(qū)，ΔT上延100m等值線(xiàn)圖中的0值范圍內(nèi)推定為火燒區(qū)，其中又分為兩部分，Ⅰ區(qū)肯定為火燒區(qū)，Ⅱ區(qū)可能有淺部的火燒現(xiàn)象，深部則沒(méi)有。選擇兩條有代表性的剖面進(jìn)行反演，結(jié)合ΔT上延100m等值線(xiàn)圖，綜合分析認(rèn)為，火燒區(qū)的走向?yàn)檎龞|西向，火燒區(qū)的傾向以40~45°的傾角向南延伸，呈板狀，厚度為30~50m；到中部為兩層火燒層，層間相互平行。用經(jīng)驗(yàn)切線(xiàn)法對(duì)代表性剖面進(jìn)行深度反演，火燒層是以薄板狀且走向無(wú)限延伸存在，其傾向上中心埋深為65.6m。

5啟示及建議

通過(guò)上述分析可知，筆者對(duì)新疆阜康煤田火燒區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行了探究，在升溫的影響下，巖石比原巖的磁性有所下降。但溫度升高至350℃左右時(shí)，巖石的磁性會(huì)明顯增強(qiáng)，并最終呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢(shì)。由此可知，在煤田火燒區(qū)范圍內(nèi)，火燒區(qū)的巖石與燒變巖存在明顯的磁異常現(xiàn)象，可通過(guò)磁異常變化情況來(lái)探究煤田火燒區(qū)的大致范圍。另外，筆者還對(duì)燒變巖的性質(zhì)進(jìn)行了探究，煤層及其圍巖經(jīng)歷的火燒情況不同，其理化性能也發(fā)生了不同程度的改變。當(dāng)其經(jīng)歷過(guò)火燒后，原巖的顏色、理化性能發(fā)生了根本的改變，無(wú)法探測(cè)原始狀態(tài)。而經(jīng)歷過(guò)火燒烘烤的圍巖，并沒(méi)有太大的改變，仍舊可以辨別。雖然可以確定巖石與原巖的變化情況，但在實(shí)際分析上還存在很多問(wèn)題，主要是因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造資料不足，會(huì)影響勘探結(jié)果的精準(zhǔn)性。6結(jié)論經(jīng)過(guò)磁法測(cè)量，大致圈定了阜康地區(qū)某煤礦火燒區(qū)的范圍及深度。經(jīng)后期鉆探驗(yàn)證，與磁法測(cè)量成果基本吻合，可達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)的目的，說(shuō)明在火燒區(qū)的圈定中使用磁法手段是完全可行的。

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作者：張利松1；楊峰利1；李應(yīng)發(fā)2 單位：1..重慶一三六地質(zhì)隊(duì)，2.重慶市能源投資集團(tuán)有限公司