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(zhì)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(fā)展, 物探在軍事、重大工程建設的選址、環(huán)境評價與綜合治理決策、土質(zhì)評價、考古等許多新領域獲得應用。今后隨著國民經(jīng)濟飛速發(fā)展, 資源、災害和環(huán)境問題越來越突出, 物探將發(fā)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(fā)展形成規(guī)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(xiàn)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(tài)環(huán)境, 造成大氣污染, 影響了煤田火區(qū)人民群眾生產(chǎn)和生活質(zhì)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(fā)展狀態(tài)十分復雜多變, 而有效地探測煤火的分布位置、燃燒狀態(tài)、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(jiān)測新技術研究”項目, 2004 年, 國家高科技發(fā)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(zhì)調(diào)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(fā)展提供了物質(zhì)保障和技術進步的基礎, 也取得了較好的科技成果。

 

  1 內(nèi)蒙古烏達火區(qū)概況

 

  內(nèi)蒙古烏達煤礦區(qū)是煤火探測主要研究區(qū)。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(huán)境污染嚴重。從1978年烏達礦區(qū)的蘇海圖煤礦井下采空區(qū)出現(xiàn)火區(qū)以來, 至2005年初, 共形成16個火區(qū), 火區(qū)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(fā)展中的煤火相互貫通, 烏達煤田煤層自燃趨勢仍在繼續(xù)擴大。

 

  2 室內(nèi)分析測試

 

  地下煤層自燃經(jīng)歷了升溫、持續(xù)高溫、降溫等過程, 靠近煤層的頂?shù)装?、矸石等巖石也經(jīng)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(jù)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?shù)装鍘r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(zhì)與流體作用實驗室完成高溫條件下的電阻率測定2。

 

  結(jié)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(chǎn)生了新的強磁性礦物(磁鐵礦等)。燒變巖剩磁方向基本與區(qū)域地磁場一致, 無反磁化現(xiàn)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(tǒng)分析了上述自燃區(qū)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(shù)情況下可能出現(xiàn)電阻率升高或異常;在地下煤層自燃的發(fā)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(xiàn)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(qū)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(qū)、無火區(qū)及熄滅區(qū), 并在重點火區(qū)塊連續(xù)進行了3 年磁法和伽馬能譜監(jiān)測, 獲得了火區(qū)燃燒發(fā)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(tǒng)在內(nèi)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(tǒng)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(jié)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(qū)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(jié)果表明, 航磁異常與火區(qū)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(xiàn)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(guī)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(guī)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(zhì)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(jīng)熄滅且恢復到常溫狀態(tài)。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(qū), 采用不同時間的磁法測量, 根據(jù)磁異常特征的變化可以探測地下煤層自燃的發(fā)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(lián)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(qū)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(tài)提供了新的手段。

 

  經(jīng)鉆孔驗證磁反演結(jié)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(jié)果。

 

  5 鉆探驗證

 

  在烏達礦區(qū)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(tài)、磁性特征等資料。布設的鉆孔位于煤田的無火區(qū)、著火區(qū)和熄滅區(qū)。圖3為鉆孔位置與航空ρs、ΔT、地磁疊合比較。鉆孔勘探結(jié)果與室內(nèi)推斷結(jié)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(qū)或無火區(qū), 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(jié)論建議

 

  (1)采用物探方法能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)完成火區(qū)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(diào)研工作,并選擇合適地區(qū)開展航空物探火區(qū)勘測工作, 為火區(qū)滅火和監(jiān)測提供基礎資料。