楊彥成

（寧夏回族自治區(qū)煤田地質(zhì)局第二勘查院，寧夏 銀川750011）

煤層自燃是煤田的主要災(zāi)害之一，它嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)以及礦區(qū)居民的健康，同時(shí)也浪費(fèi)了大量的煤炭資源。如何有效地圈定出煤層燃燒的空間位置（包括平面位置、范圍及縱向埋深），是采取針對(duì)性滅火施工的前提。經(jīng)過多年實(shí)踐，同位素測(cè)氡法是探測(cè)火區(qū)平面位置及范圍的有效方法之一，但其無法正面直觀地對(duì)火區(qū)的燃燒深度做出判斷，因此需要結(jié)合其他有效手段針對(duì)火區(qū)燃燒深度進(jìn)行輔助探查。筆者選擇瞬變電磁法針對(duì)煤火燃燒深度進(jìn)行輔助探查，獲得了良好的效果。

1 同位素測(cè)氡和瞬變電磁法基本原理

1.1 同位素測(cè)氡法

沉積巖層中均含有不同程度的放射性元素，一般情況下，隨著巖層中巖石粒度的變細(xì)、巖層顏色的變深，放射性元素的含量逐漸增大。因而煤系地層中的泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤矸石中放射性元素的含量相對(duì)較高。其中23892U、23290Th、23592U等放射性元素經(jīng)衰變后，均產(chǎn)生一代原子序數(shù)為86的氣態(tài)元素子體氡氣Rn（22286Rn）、釷射氣Th（22086Rn）和錒射氣Ac（21986Rn），其中釷射氣和錒射氣的半衰期很短，而氡氣的半衰期則較長(zhǎng)（3.825d）。

氡氣在巖層中的運(yùn)移，受巖層中的孔隙度、溫度、壓力、地下水等諸多因素的控制。當(dāng)其它條件相近時(shí)，氡氣的遷移是與巖層的破碎程度、裂隙的發(fā)育情況，溫度和壓力成正相關(guān)關(guān)系。煤層燃燒時(shí)，巖層的孔隙度會(huì)增大，溫度和壓力升高，燃燒煤層所產(chǎn)生的其它氣體如CO、CO2、SO2以及熱蒸汽等向上拖拽，氡氣的運(yùn)移數(shù)量和速度明顯增加；因而在火區(qū)的上方就會(huì)形成氡氣的濃度相對(duì)的高值區(qū)。用在地表測(cè)量氡氣衰變后產(chǎn)生的γ射線計(jì)數(shù)值的大小，就可圈定火區(qū)的范圍，推斷煤層的燃燒狀況。

活性炭測(cè)氡的原理：同位素測(cè)氡法采用活性炭為媒介進(jìn)行測(cè)量（又稱“活性炭測(cè)氡”）：氡是非極性單原子分子，活性炭是一種非極性的強(qiáng)吸附劑，當(dāng)這兩種物質(zhì)的分子或原子相互接近時(shí)，由于電力轉(zhuǎn)動(dòng)和核振動(dòng)，發(fā)生電子和核之間的相對(duì)位移而產(chǎn)生瞬時(shí)偶極。這種情況的不斷重復(fù)使分子之間始終存在色散力，活性炭對(duì)氡的吸附正是色散力起主要作用。

將活性炭吸附器埋置于地下一定深度，通過試驗(yàn)確定活性炭所吸附氡量達(dá)到最大值即與周圍環(huán)境中的氡濃度達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡。取出活性炭吸附器，運(yùn)用專門的γ能譜測(cè)量?jī)x測(cè)量γ總計(jì)數(shù)，從而確定氡氣濃度值的高低。

1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是地球物理探測(cè)的主要手段之一，通過向地下發(fā)射電磁波激勵(lì)地下目標(biāo)，接收其產(chǎn)生的二次場(chǎng)，確定被測(cè)目標(biāo)的物理參數(shù)。

瞬變電磁法測(cè)量的工作過程分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。當(dāng)發(fā)射回線中通以階躍電流，發(fā)射電流突然中斷，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱為一次磁場(chǎng)，一次磁場(chǎng)在周圍傳播過程中，遇到地下地質(zhì)體，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流，由于二次電流隨時(shí)間變化，因而在其周圍又產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，稱為二次磁場(chǎng)。二次場(chǎng)的大小與地下地質(zhì)體的電性有關(guān)：低阻地質(zhì)體的感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較慢,二次場(chǎng)電壓較大;高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較快,二次場(chǎng)電壓較小。根據(jù)二次場(chǎng)衰減的特征,可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等,從而可以解決如斷層、陷落柱、采空區(qū)、燃燒區(qū)等地質(zhì)問題。

作為目標(biāo)地質(zhì)體，地下燃燒煤層相對(duì)周圍正常煤層在電性上呈現(xiàn)高阻特征，這是因?yàn)楫?dāng)煤層出現(xiàn)高溫燃燒現(xiàn)象，煤層內(nèi)的水分被蒸發(fā)，其體積逐漸減小，煤層內(nèi)往往會(huì)出現(xiàn)裂隙甚至出現(xiàn)燒空和塌陷，這些都是造成高阻特征的因素。

瞬變電磁所觀測(cè)的原始數(shù)據(jù)是各測(cè)點(diǎn)的各個(gè)測(cè)道的瞬時(shí)感應(yīng)電壓,通過計(jì)算,轉(zhuǎn)換成視電阻率、視深度等參數(shù)。將其繪制成瞬變電磁多測(cè)道電壓剖面圖、瞬變電磁視電阻率擬斷面圖來確定地下火區(qū)位置及其深度。

2 應(yīng)用實(shí)例

新疆某勘查區(qū)內(nèi)出露地層自下而上有三疊系中上統(tǒng)小泉溝群、侏羅系下統(tǒng)八道灣組（J1b）及第四系（Q）。其中，八道灣組為一套河湖泥炭沼澤相碎屑巖沉積，是主要的含煤地層，在礦區(qū)呈近東西向展布。厚度560～650 m。含可采煤層6層，不可采煤層5層?？刹擅簩雍穸?.97～26.31m，平均累計(jì)厚度為37.08m。可采煤層自上而下為：四號(hào)、五號(hào)、六號(hào)、七號(hào)、八號(hào)及九號(hào)煤層。其中七號(hào)煤層為巨厚煤層，層位穩(wěn)定，分布廣泛，占全區(qū)煤層總資源量/儲(chǔ)量的78%，為主采煤層；四號(hào)、八號(hào)煤層厚度、層位穩(wěn)定，亦為全區(qū)可采煤層；五號(hào)、六號(hào)煤層為較穩(wěn)定的大部分可采用煤層。該區(qū)地表標(biāo)高一般在1000m～1140m之間。七號(hào)煤層位于六號(hào)煤層之下，是該段主要的可采煤層，也是工區(qū)內(nèi)最主要的煤層。該煤層厚度大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含或極少有夾矸，全區(qū)穩(wěn)定。全區(qū)多個(gè)控煤點(diǎn)煤層厚為19.67～56.07m，平均25.12m。煤層頂板為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及砂礫巖。底板為粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖。該煤層距上部六號(hào)煤層30～65m，煤層在地表已基本火燒。據(jù)生產(chǎn)井資料，礦井部分采區(qū)因煤層燒變而停止開采。

根據(jù)礦方提供的開采資料，選擇在勘查區(qū)中部由生產(chǎn)資料揭示的已知火區(qū)的上部布設(shè)了試驗(yàn)線（SY），試驗(yàn)線走向?yàn)榻媳毕颍怪庇诿簩幼呦?，試?yàn)線的地表?xiàng)l件相對(duì)較好，無明顯干擾源。同位素測(cè)氡法及瞬變電磁法在該試驗(yàn)線上均進(jìn)行了探查試驗(yàn)。試驗(yàn)線平面位置示意圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)線平面位置圖

圖中陰影部分為已知火區(qū)的平面投影位置，主要燃燒煤層為七號(hào)煤層，煤層南傾，傾角約25°。根據(jù)生產(chǎn)資料揭示，已知火區(qū)底層標(biāo)高為+875，巷道內(nèi)該處煤層發(fā)生燒變，成焦炭狀，且有滲水現(xiàn)象，因此終止拓進(jìn)，該位置對(duì)應(yīng)地表有明顯的高溫現(xiàn)象。

2.1 曲線分析

圖2為試驗(yàn)線同位素測(cè)氡曲線圖，點(diǎn)號(hào)280～330段為已知火區(qū)位置，該段的氡值曲線出現(xiàn)高值異常，由600個(gè)計(jì)數(shù)值突然拉高至800個(gè)計(jì)數(shù)值，變化幅度很大，是比較典型的火區(qū)反映特征；試驗(yàn)線上其他各測(cè)點(diǎn)處的測(cè)氡計(jì)數(shù)值均在600左右，且上下浮動(dòng)較小，曲線變化平緩，與已知火區(qū)處有著明顯的區(qū)別，為正常區(qū)反映特征。

圖2 SY線同位素測(cè)氡曲線

圖3為試驗(yàn)線瞬變電磁法多測(cè)道電壓剖面，點(diǎn)號(hào)280～330位置處電壓曲線變化較大，表現(xiàn)為低壓異常，是火區(qū)的反映特征，該處與已知火區(qū)位置相符。

圖3瞬變電磁法多測(cè)道電壓剖面

圖4為試驗(yàn)線瞬變電磁法視電阻率等值線擬斷面，由圖可知，七號(hào)煤層在300號(hào)點(diǎn)左右視電阻率等值線表現(xiàn)為明顯的高阻閉合圈特征，分析認(rèn)為是火區(qū)的反映特征，該處高阻異常的下線標(biāo)高為+880，與實(shí)際火區(qū)底部標(biāo)高基本相符。

圖4 SY線視電阻率擬斷面

2.2 應(yīng)用效果

通過以上實(shí)驗(yàn)情況可知，同位素測(cè)氡法和瞬變電磁法兩種物探方法在已知火區(qū)上的反映特征都很明顯，解釋結(jié)果相互吻合并與已知資料相符。說明采用同位素測(cè)氡法和瞬變電磁法探測(cè)煤層火區(qū)位置效果明顯。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果，應(yīng)用兩種物探方法對(duì)全測(cè)區(qū)進(jìn)行了勘查，通過對(duì)勘查資料的分析統(tǒng)計(jì)，煤層火區(qū)和正常地層符合一下物性特征。

同位素測(cè)氡法：火區(qū)異常區(qū)測(cè)氡計(jì)數(shù)值均在650個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)/3min以上跳動(dòng)，在測(cè)氡曲線上通常表現(xiàn)為高值異常的梯度突變；正常區(qū)測(cè)氡計(jì)數(shù)值大多在650個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)/3min以下變化，表現(xiàn)在測(cè)氡曲線上為低氡值較平緩的波動(dòng)。

瞬變電磁法：火區(qū)在多測(cè)道電壓剖面圖上多表現(xiàn)為 “低電壓異?！?，個(gè)別有“上下蹦跳”現(xiàn)象；正常地層在多測(cè)道電壓剖面上表現(xiàn)為“相對(duì)高電壓的平緩曲線”?；饏^(qū)在視電阻率等值線擬斷面圖上的表現(xiàn)為“高阻圈閉”、“高阻梯度異?！被颉案咦璋肴﹂]”等，變化范圍在55～200Ω·m；正常地層在視電阻率等值線擬斷面圖上表現(xiàn)為“相對(duì)低阻、相對(duì)低阻閉合圈或半閉合圈、等值線連續(xù)呈平緩狀分布”等特征，變化范圍在 25～55Ω·m。

以上述物性統(tǒng)計(jì)成果為指導(dǎo)，對(duì)全測(cè)區(qū)物探資料進(jìn)行了解釋，解釋出各煤層火區(qū)的平面位置、燃燒深度及范圍，解釋成果經(jīng)過鉆孔驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)90%以上。

3 結(jié)論

通過采用同位素測(cè)氡和瞬變電磁法兩種物探方法相結(jié)合，探測(cè)煤田火區(qū)的平面位置、燃燒深度及范圍邊界，取得了良好的效果，說明這是一個(gè)煤田火區(qū)勘查行之有效的物探方法組合，且具有投資小，施工簡(jiǎn)單，資料處理解釋方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，可以為煤礦開拓和安全生產(chǎn)提供及時(shí)可靠的火區(qū)資料。

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