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磁法测量在煤火烧区圈定中的应用

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《煤》2018年第1期

【摘要】因特殊的煤层赋存条件,新疆尤其是阜康地区煤田每年均存在大量自燃发火现象。查明火烧区范围,并采取措施进行灭火治理可产生极大的社会和经济效益。本文在生产勘探中采用高精度磁法测量,对煤矿火烧区的范围及深度进行了圈定,经钻探验证,其吻合度较高。

【关键词】磁法测量;煤田火烧区;应用探究

由于特殊的煤层赋存条件,新疆地区煤田火灾极易发生,新疆目前共有44处煤田火灾,火区面积达992万m2,年燃煤损失量达552万t,火区威胁储量477亿t,年排放温室气体CO2达到1238万t。煤田火烧区的存在,给煤矿勘探、建井、开采带来一定危害,造成煤炭资源的损失及对环境的影响,如何利用地球物理勘探手段,结合煤层煤质等特征,开展火烧区的研究成为重要的研究内容。本文以阜康地区某矿为例,在其生产勘探过程中采用磁法测量技术手段进行了煤火烧区范围及深度的圈定。

1火烧区探测方法研究现状

目前,国内外煤矿自燃火区火源探测方法主要有电阻率探测法、高光谱遥感技术、氡气探测法、红外探测法以及磁法勘探法等多种方法。同时,需要对上述探测方法进行勘查、调查等综合分析,并进行验证,以获得精确的结果,从而规划各个自燃区域的位置情况,能有效提高火烧区储量探测的精准性,为安全生产工作提供了保障。通常情况下,当煤层存在自燃情况时,主要是在人工或自然环境的影响下,为煤层自燃提供了发生、扩大的条件,以体现煤田火区的这一过程。使得煤田发生风化氧化、增温、燃烧、熄灭等几个阶段,也形成了各个相对应的区域,从而形成了温度异常场。在此环境下,煤层及其周围的铁磁物质发生了温度异变,其磁性也发生了明显的变化。根据变化现象可知,当温度升高时,其磁性会衰弱,但温度稳定在350℃左右时,磁性会稳步增加,并最终稳定下来。另外,若煤层燃烧结束后,其温度会逐渐降低,但磁性会得到增强,直至磁性稳定。近年来,许多学者利用上述理论,基于煤层自燃条件下烧变岩石磁场对于火区的指示特征,在磁场异常反演方面做了大量的研究工作。而针对阜康煤矿区煤层自燃特性,赵蕻等基于勘探资料、煤层煤质资料等,研究了煤层自燃、围岩烧变等特征,分析了控制自燃的主要因素。结果表明:煤自燃后性质明显变化,围岩形成烧变岩;构造发育,地下水补给径流差,煤孔裂隙发育且厚度大,容易发生自燃。

2煤层自燃及烧变岩特征分析

煤的自燃倾向性是用来区分和衡量不同煤层发生危险程度的一项重要指标,也是对矿井煤层自然发火采取不同的针对性措施进行有效管理的主要依据。煤自燃倾向性等级共分为三类,即Ⅰ类(容易自燃)、Ⅱ类(自燃)和Ⅲ类(不易自燃)。以每克干煤在常温(30℃)、常压(1.013×105Pa)下吸氧量作为分类的主要指标。通过生产勘探采集的11件样品,进行了全硫和吸氧量分析,矿区各主要可采煤层以Ⅰ类容易自燃及Ⅱ类易自燃煤层为主。矿区内含煤地层侏罗系下统八道湾组中的A4煤层因自燃火烧严重,地表上沿东西向分布于该煤层地表露头位置,形成宽150~200m的烧变岩带,且横贯全区,向两端延伸至矿区外。区内烧变岩岩性具有以下特征:(1)通常情况下,煤层在经过火烧后,会呈现黑褐色或灰褐色松散或胶结在一起的物质。该物质的透水性能、含水性能等显著增强,但在其物质上存在明显的火烧残留现象。同时,这些残留部分中,绝大多数都分布在火烧底界面或烧变岩的中间部分。由于该物质受到高温烘烤的影响,仅存留了部分煤层特点,原有煤层的理化性能已经发生了改变,给勘探工作带来了一定的难度。(2)煤层围岩在经历火烧后,其理化性质也发生了明显的变化,导致其呈现褐色、浅红色、黑褐色等熔状物质。同时,煤层围岩的原始状态发生了根本性改变,无法探测其真实形态。且这种熔状物质存在坚硬、致密、气孔发育等特点,一般作用在煤层的直接顶或底板上。(3)与煤层围岩火烧不同的是,经过火烧烘烤的围岩并未出现太大的改变,其表面仍为灰白色、浅红色、棕红色,且绝大多数煤层围岩的原始状态保存较好,很容易辨别。但其理化性能也发生了一定程度的改变,相比于原岩来说,火烧烘烤后的围岩更加致密、坚硬。之所以会发生这种情况,是因为岩层在火烧烘烤的作用下,其裂隙呈现发育情况,使其具备良好的贮水性和透水性。同时,该岩层远离火源也是主要因素,受到火烧的影响较小。

3地球物理参数特征

一般情况下,煤层围岩中有很多的矿质资源,包括菱铁矿、黄铁矿等,但磁性物质较少,煤层磁性较弱,磁化率低。一旦煤层出现自燃情况时,围岩在高温影响下,会发生化学、物理变化,部分矿石形成了烧变岩,且带有铁磁性(图1)。而温度下降后,烧变岩中存有一定的热剩磁,其磁化率比之前提高了几十倍不止,使得煤层自燃前后出现了磁性差异。因此,在勘测磁的变化曲线时发现,当煤层处于稳定状态时,其磁性比较稳定,而火烧区则可测到明显磁异常。

4火烧区范围的确定

本次高精度磁法测量工作使用的仪器装备为GSM-19T型质子磁力仪共3台。测网由南北向的勘探线控制,所有磁测线平行勘探线,勘探线、测线测点用手持GPS测定。矿区内共布设测线53条,点距为10m,线距为50m,网度为10m×50m。工作区位于正在开发的煤矿上,地表有大量的厂房、钻塔施工设施及工程设施和其它铁质类物品,且灭火用的材料为就地取材的黄土加烧变岩粉粒,给磁测工作带来了极大的影响。为消除地表铁质类物品的影响,应用MAGS2.0软件对ΔT值化极处理后进行了100m的上延,基本消除了地表各种因素的影响。经数据整理、预处理以及资料的转换、处理与正反演可知,工作区南部地表有大量烧变岩出露,呈带状分布,与地层走向一致。ΔTmin=-2706.24nT,ΔTmax=4717.33nT,总体上磁异常强度大。经ΔT等值线图、ΔT上延100m等值线图、ΔT剖面平面图进行综合解释,推断出在工作区内有大面积的火烧区,ΔT上延100m等值线图中的0值范围内推定为火烧区,其中又分为两部分,Ⅰ区肯定为火烧区,Ⅱ区可能有浅部的火烧现象,深部则没有。选择两条有代表性的剖面进行反演,结合ΔT上延100m等值线图,综合分析认为,火烧区的走向为正东西向,火烧区的倾向以40~45°的倾角向南延伸,呈板状,厚度为30~50m;到中部为两层火烧层,层间相互平行。用经验切线法对代表性剖面进行深度反演,火烧层是以薄板状且走向无限延伸存在,其倾向上中心埋深为65.6m。

5启示及建议

通过上述分析可知,笔者对新疆阜康煤田火烧区的实际情况进行了探究,在升温的影响下,岩石比原岩的磁性有所下降。但温度升高至350℃左右时,岩石的磁性会明显增强,并最终呈现稳定的趋势。由此可知,在煤田火烧区范围内,火烧区的岩石与烧变岩存在明显的磁异常现象,可通过磁异常变化情况来探究煤田火烧区的大致范围。另外,笔者还对烧变岩的性质进行了探究,煤层及其围岩经历的火烧情况不同,其理化性能也发生了不同程度的改变。当其经历过火烧后,原岩的颜色、理化性能发生了根本的改变,无法探测原始状态。而经历过火烧烘烤的围岩,并没有太大的改变,仍旧可以辨别。虽然可以确定岩石与原岩的变化情况,但在实际分析上还存在很多问题,主要是因为地质构造资料不足,会影响勘探结果的精准性。6结论经过磁法测量,大致圈定了阜康地区某煤矿火烧区的范围及深度。经后期钻探验证,与磁法测量成果基本吻合,可达到指导生产的目的,说明在火烧区的圈定中使用磁法手段是完全可行的。

参考文献

[1]新疆煤田灭火工程局.新疆维吾尔自治区第三次煤田火区普查报告[R].2009.

[2]李金良,张友谊.浅谈煤矿火源探测技术.煤矿开采[J].2006,8:86~91

[3]张秀山.磁法探测煤层自燃火区[J].煤田地质与勘探,1980(6):43~48.

[4]万兆昌.用综合物探方法圈定多煤层自燃发火边界[A].煤田地球物理岩性勘探技术文集[C].北京:煤炭工业出版社,1996:237~246.

[5]刘岩波,付向科,郭政学.磁法勘探在探测煤层火烧区中的应用[J].中州煤炭,2014,220(4):96~98,103.

[6]董守华,李志聃.多边形ΔT最优化反演圈定火烧区[J].煤田地质与勘探,1996(1):42.

作者:张利松1;杨峰利1;李应发2 单位:1..重庆一三六地质队,2.重庆市能源投资集团有限公司

煤杂志责任编辑:张雨    阅读:人次