煤田火灾探测技术总结及钻探验证分析
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[摘 要]煤火探测是地球物理勘探面临的新课题。以最新的火区探测实例为基础，运用的探测方法主要有磁法、自然电位法和高密度电阻率法，总结了煤火异常的地球物理特征，并对火区的探测结论进行钻探验证分析。
[关键词]煤田火灾；煤火；探测；磁法；自然电位法；高密度电阻率法
中图分类号：TD75 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0026-02
1 绪论
煤田火灾危害极大，煤炭燃烧不仅对煤炭储量造成巨大损失，而且破坏地表水土、向大气中释放大量有毒有害气体。煤火治理一直是人类面临的巨大挑战，治理工程投入巨大，而煤火探测是煤火治理的关键。煤火探测的主要内容为推断高温异常区的深度和规模，探测结果的准确性直接影响到后续施工设计的可行性及施工过程中人员和设备的安全。
论文以最新的一个火区探测实例为基础，进行了磁法、自然电位法和高密度电阻率法共3种物探方法的工作，总结了煤火的地球物理特征，分析了3种物探方法的探测特性，对3种物探方法进行了对比，并对火区的探测结论进行钻探验证分析。
2 火区探测实例
2.1 区域地层、构造
位于和什托洛盖凹陷东段，出露的地层主要有古生界的泥盆系、石炭系，中生界的侏罗系，新生界的第三系及第四系。褶皱和断裂构造较发育，构造线的方向与和什托洛盖凹陷延长方向一致，褶皱构造是华力西后期形成的山间沉积凹陷经燕山运动的改造破坏而成。地层产状为：走向250°～255°，倾向160°～165°，倾角39°～45°。
2.2 燃烧煤层及顶底板岩层特征
主要燃烧的是下侏罗统西山窑组下含煤段（J2x1）的B6煤层，煤层厚度3.36～7.67m，平均6.42m。
顶板为粉砂岩，工程分类为次坚石，厚度31.1～73.0m；底板岩为砂岩、泥岩、炭质泥岩，工程分类为普坚石，厚度27.8～79.4m。
2.3 高温异常区的地球物理特征
2.3.1 温度异常
温度升高是煤层燃烧释放热量最直接的表现。煤田火灾中的温度异常表现为高温异常。温度异常分布形式包括地表和地下，地表温度异常可被红外成像仪和热电偶测温仪观测。
2.3.2 自然电位异常
煤层燃烧会形成氧化还原环境，高温区域聚集正电荷，高温区域外部聚集负电荷。如果高温区域位于地下浅部位，在地表测线上的高温区域表现为正电位，其他区域表现为负电位；如果高温区域位于地下较深部位，在地表测线上的高温区域表现为负电位，其他区域表现为正电位。燃烧区域深度超出一定范围或者燃烧一段时间后，这种电性差异会表现微弱甚至没有异常表现。
2.3.3 磁异常
煤系地层顶底板中赋存着大量的铁矿物成份（赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿、菱铁矿），这些铁矿物磁性微弱，而在煤层燃烧的作用下形成了大面积烧变岩体，冷却过程中，烧变岩中的小磁畴会按照大地磁场重新排列，从而产生较强的磁性。
2.3.4 电阻率异常
对燃烧区或高温区而言，燃烧区一般为非金属物质，严格地说非金属物质都是半导体，在此类物质中，传导电流是由受激进入导带的电子迁移引起的，激发的能量来自热扰动，因此非金属材料的电阻率一般随温度的升高而降低，而相对于围岩来说反映为低阻。并且煤层在燃烧过程中形成燃烧场，场的中央由于燃烧形成水蒸气，表现为相对于原始地层的低阻异常。燃烧过的场会变得疏松多空，在蒸汽散失后表现为高阻。对于塌陷区和采空区，电阻率表现为高阻，若充水则表现为低阻。
2.4 方法选择及野外工作技术
2.4.1 方法选择
基于地球物理特性差异，选择自然电位法、磁法、高密度电阻率法进行火区的燃烧情况勘探。
2.4.2 设备配置
2.5 野外施工方法与技术
物探线布设均匀覆盖火区范围，与煤层走向垂直，方向为近南北向。物探线线距50m，点距5m。其中磁法、自然电位法各11条，高密度电阻率法5条。
2.6 物探资料处理和解释
在煤田火区勘探中，确定火区燃烧范围和深度是勘探工作的主要目的。火区范围和深度的确定主要依据自然电位和磁异常曲线，野外勘探采集的数据，经过室内资料处理之后得到如图1所示，从上到下分别为磁异常曲线、自然电位异常曲线和地形剖面图，横坐标原点位于物探线北端点，火区煤层向南倾，故资料解释时从北向南看曲线，结合自然电位异常曲线，取磁异常曲线靠近无异常1/3处定为煤层燃烧的分界点，煤层露头到分界点的区域即为物探线上的煤层燃烧范围。磁法解释有1/2法、1/3法和1/5法，具体运用哪种方法要结合自然电位曲线来选择，不同的火区具有不同的特征。
其他剖面线的异常曲线解释以此类推，得到火区整体解释成果。根据各条剖面线解释结果，在火区平面图上展布，结合火区所处地形等情况，划定火区的燃烧区域（图2）。
图3为高密度电阻率法在火区中的反演结果，结果显示130～160m处地下14～29m处显示高阻异常，视电阻率值远远大于100Ωqm，推断为火烧高温区域。
3 物探方法对比分析及钻探验证
钻探位置分布图如图4红色点所示。由图4和相应钻孔测温数据分析可知，高温异常区域主要位于5线～9线之间区域，横向分布约150m，沿物探线方向分布范围从5线到9线由小到大变化，最大处约40m。
按物探线号将不同物探方法解释结论对比结果，并将异常位置附近的钻孔测温数据整理，如表2所示。
对比分析可知，高温区域主要位于5线到9线之间，根据5、6、7、8线分析，钻探最深位置穿过物探解释的最大深度位置，测量到的高温位置位于最大深度之上，相比自然电场法和磁法，高密度电阻率法的解释结论与钻探深度吻合。4线解释的高温异常位置附近没有钻探验证，但是根据现场情况调查，4线位置附近往西没有钻孔，而是采取鱼鳞坑方式注水降温，4线高密度电阻率法解释深度16m，相比东边其他物探线解释异常深度较浅，因此高密度电阻率法解释深度是合理的。9、10、11线自然电场法和磁法解释深度比钻探验证深度大，而此方法是将火区内煤层倾角取某个固定值，实际情况中煤层产状往往是变化的，因此这种方法对解释深度的精度影响较大。综合分析可知，利用高密度电阻率法解释成果确定高温区域深度是可靠的。4、5、6、7、8线由高密度电阻率法推断的高温异常区域如表3所示。
22号钻孔最高温度73℃，位于划定的火区范围之外，因此火区边界的划定是可靠的。
从钻孔测温数据还可以分析得出，高温区域由西往东是逐渐变深的，而且高温异常体的温度分布是不均匀的，甚至是没有规律的，这可能与煤层产状、煤质、围岩矿物成分及分布情况和燃烧过程中通风通道结构等因素有关系。另外，可以分析得出燃烧是从地表向地下蔓延的，如30#钻孔钻探描述如表4所示：
4 结论
相比自然电场法和磁法，高密度电阻率法的解释结论与钻探深度更吻合；对于燃烧中期的煤层，自然电场法、磁法和高密度电阻率法解释成果吻合且准确；磁法和自然电位法在确定火区边界上具有优势，而高密度电阻率法在确定火源深度上更准确；高温异常体内的温度分布不均匀，变化规律不明显。建议对地质条件（主要是指地形和煤层产状）复杂的火区采用多种物探方法相互验证分析。
参考文献
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