物探技術主要指磁、電、放射性、重力、地震等方法用于勘探地質目標的技術。近年來, 隨著物探方法理論、計算機軟硬件技術、儀器研制與更新等方面飛速發展, 物探在軍事、重大工程建設的選址、環境評價與綜合治理決策、土質評價、考古等許多新領域獲得應用。今后隨著國民經濟飛速發展, 資源、災害和環境問題越來越突出, 物探將發揮更大的作用。

 

  地下煤層自燃, 是指埋藏在地下的煤層因自燃或人為因素引燃后, 逐步蔓延發展形成規模較大的煤田火災(簡稱煤火)。地下煤層自燃是一種自然災害, 美國、澳大利亞等世界上許多國家都存在著嚴重的煤田火災問題。我國也是地下煤層自燃災害十分嚴重的國家, 在我國北方煤田自燃的現象已有很長的歷史, 國家每年損失近百萬噸的煤炭資源。煤火不僅造成大量煤炭資源的損失, 同時也破壞了生態環境, 造成大氣污染, 影響了煤田火區人民群眾生產和生活質量。

 

  近年來, 世界各國在治理地下煤火方面作了大量的工作, 但是地下煤火的分布和發展狀態十分復雜多變, 而有效地探測煤火的分布位置、燃燒狀態、埋深和供氧通道等信息一直是世界性難題。

 

  2003年, 中國和德國兩國政府啟動了科技合作項目——— “中國北方煤火探測、滅火與監測新技術研究”項目, 2004 年, 國家高科技發展計劃(863)啟動了“地下煤層自燃遙感與地球物理探測關鍵技術研究”課題, 2003年, 中國地質調查局啟動了“物探技術在新領域的應用研究”項目。這些項目的開展為物探技術在煤火探測新領域的技術發展提供了物質保障和技術進步的基礎, 也取得了較好的科技成果。

 

  1 內蒙古烏達火區概況

 

  內蒙古烏達煤礦區是煤火探測主要研究區。烏達煤田處于鄂爾多斯盆地西緣, 屬華北石炭、二疊系煤田。烏達煤田燃燒時間長, 面積廣, 損失大, 環境污染嚴重。從1978年烏達礦區的蘇海圖煤礦井下采空區出現火區以來, 至2005年初, 共形成16個火區, 火區總面積達到349.6 萬m2 。目前, 由于缺乏必要的滅火工程以及廢舊小煤窯巷道不斷被發展中的煤火相互貫通, 烏達煤田煤層自燃趨勢仍在繼續擴大。

 

  2 室內分析測試

 

  地下煤層自燃經歷了升溫、持續高溫、降溫等過程, 靠近煤層的頂底板、矸石等巖石也經歷了同樣的過程。這一過程中巖石物性變化直接關系到物探能否探測煤火的依據問題。

 

  研究過程中, 對18塊巖石樣品跟蹤測定了在無氧、有氧條件下加、降溫過程中的磁性變化, 對10塊巖石樣品跟蹤測定加溫過程中的電阻率變化, 野外將未燒變巖石放入高溫裂隙中模擬煤火自燃加、降溫過程并測量加溫前后的磁性變化, 野外燒變巖露頭磁性測定, 鉆孔取樣測定地下燒變巖磁性。

 

  試驗室磁性跟蹤測定方法:將烏達煤層頂底板巖樣加工成2 cm×2 cm的立方體, 在室溫下測得樣品的磁化率和磁化強度, 之后把這些樣品放入到加熱儀器中加熱到所需要的溫度, 再把這些樣品放在地磁場里降溫至室溫, 分別測定其磁化率和剩余磁化強度。

 

  選擇巖樣新鮮面, 抽取直徑6 mm、高度30 mm的圓柱, 在中國科學院地球化學研究所地球深部物質與流體作用實驗室完成高溫條件下的電阻率測定2。

 

  結果表明, 巖石標本加溫到500 ℃后的磁性顯著增強了, 可達原值的幾十倍甚至上千倍(野外實測剩磁最大達3.14 A/m, 磁化率最大達30 000 ×10-5 SI), 增強的原因是產生了新的強磁性礦物(磁鐵礦等)。燒變巖剩磁方向基本與區域地磁場一致, 無反磁化現象。石英砂巖樣品加溫到500 ℃后,隨溫度增加電阻率呈降低趨勢, 在900 ℃左右電阻率趨近于零。

 

  在系統分析了上述自燃區巖石物性特征基礎上, 認為在地下煤層自燃的形成階段, 由于圍巖溫度較低(小于200 ～ 300 ℃), 一般不會形成明顯的磁異常, 但多數情況下可能出現電阻率升高或異常;在地下煤層自燃的發展階段, 隨著溫度的不斷升高(大于500 ℃), 燒變巖體的形成可能出現磁異常和低電阻率異常;在煤火熄滅階段, 退溫后的燒變巖可引起較強的磁異常。

 

  3 野外物探測量

 

  在烏達地區開展了磁法、地面磁化率測量、氡氣、米測溫、高分辨地電阻率、高密度電法、四道伽馬能譜、瞬變電磁法等地面物探方法的測量工作。各個方法剖面橫跨了煤田著火區、無火區及熄滅區, 并在重點火區塊連續進行了3 年磁法和伽馬能譜監測, 獲得了火區燃燒發展引起物理場變化的詳細資料。

 

  首次使用國際先進的直升機吊艙式磁、電磁系統在內蒙烏達完成了1∶5 000大比例尺煤火探測工作。直升機吊艙系統由于測量儀器探頭平均離地高度僅為49 m, 獲得的航空物探異常與地面物探測量結果對應較好, 在一定程度上可以取代地面磁、電法測量, 減少了煤火區開展物探工作的危險性, 提高了勘查速度, 因此在煤火勘探工作方面具很好的應用前景。

 

  野外航磁異常踏勘結果表明, 航磁異常與火區相關性可達71%以上。通過航磁、航電資料對比分析, 可識別出地球物理前提較好的地下煤層自燃的異常。通常, 同時出現航磁異常和航電異常時, 該類異常由地下煤層自燃引起的可能性最大, 燃燒的規模較大且可能還在燃燒之中;當只有高電阻率異常而無航磁異常時, 可能是地下煤層燃燒時間不長且規模較小, 尚未達到形成燒變巖以致引起磁異常的階段, 但也可能是其他地質原因引起;當只有航磁異常而無高電阻率異常時, 有可能是地下煤火已經熄滅且恢復到常溫狀態。如果和ASTER等遙感資料提取的熱異常信息進行綜合對比分析, 則識別煤火異常的效果更佳。

 

  對同一火區, 采用不同時間的磁法測量, 根據磁異常特征的變化可以探測地下煤層自燃的發展趨勢。

 

  4 反演解釋方法

 

  以航磁、航電、地面物探資料為基礎, 進行了磁場的2度半多邊形人機聯作反演、三維反演、頻率域場的功率譜計算、水平梯度極大值、電法的電性體反演、放射性的氡氣深度反演方法等確定地下燃燒體的位置、深度及分布范圍的研究, 開展了地面磁法水平梯度和垂直梯度方法圈定火點邊界試驗。

 

  通過對試驗區物探資料的綜合解釋, 初步建立了地下煤層自燃不同階段的異常解釋模式, 為快速查明地下煤層自燃的分布情況及燃燒狀態提供了新的手段。

 

  經鉆孔驗證磁反演結果, ZK01對應的地磁反演深度為13 m, 鉆孔遇到燒變巖深度為14 m;ZK04對應地磁反演的深度為26 ～ 27 m, 鉆孔遇到燒變巖深度為24 m。航磁由于GPS測高誤差的影響, 反演精度低于地磁結果。

 

  5 鉆探驗證

 

  在烏達礦區完成了5 處鉆孔取樣工作, 獲得了地下燒變巖頂深、燃燒狀態、磁性特征等資料。布設的鉆孔位于煤田的無火區、著火區和熄滅區。圖3為鉆孔位置與航空ρs、ΔT、地磁疊合比較。鉆孔勘探結果與室內推斷結果基本吻合:①無磁和高視電阻率異常, 但有氡氣異常, 鉆探證明存在熱異常, 如ZK02;②高磁和低視電阻率異常, 鉆探證明死火區或無火區, 如ZK03、ZK04、ZK05(圖3);③有磁和高視電阻率異常, 鉆探證明有火, 且存在熱異常,如ZK01。燒變巖頂深計算誤差小于20%。

 

  6 結論建議

 

  (1)采用物探方法能夠實現地下煤田著火點有效探測。空中以直升機吊艙式磁、電磁系統完成火區勘查;地面以高精度地面磁法為主, 輔以氡氣測量、電法、地面米測溫等方法完成地下煤層自燃探測工作。

 

  (2)建議在我國開展煤田著火狀況調研工作,并選擇合適地區開展航空物探火區勘測工作, 為火區滅火和監測提供基礎資料。