综合物探方法在煤层自燃区勘探方面的应用

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摘 要：在局部区域煤田边缘、煤层浅部地带及废弃煤窑采空区内存在煤层自燃现象。煤层自燃不仅浪费了煤炭资源，还产生大量SO2、CO、CO2等有害气体，给大气环境、森林植被等造成严重破坏，同时也诱发各种地质灾害。为查明山西洪洞某废弃煤窑内是否存在煤层自燃区，对该区进行了同位素测氡法、磁法、自然电位法等三种物探方法的综合勘探。通过处理解释，圈定出煤层自燃区1处，经钻探验证吻合较好，为进一步治理煤层自燃区提供了依据。

关键词：煤层自燃区；同位素测氡法；磁法；自然电位法

0 引言

山西洪洞某废弃煤矿附近，地面岩石裂隙中发现冒烟、温度较高等现象，并散发刺鼻性气味，疑为煤层自燃造成。在搜集了相关的地质资料及现场踏勘的基础上，采用同位素测氡法、磁法、自然电位法进行了煤层自燃区综合勘探，取得了很好的效果。

1 煤层自燃区特征

烘烧后的上覆岩层放射性强度和活度随温度升高而增强，沿岩层中的裂隙向上运移，在地表形成高氡值异常区，可利用同位素测氡法探测岩层烧变前后的放射性差异。

同时，煤层在燃烧过程中，由于高温和地磁场的作用，铁质矿物经氧化还原及“弱场冷却”的物理化学变化，产生了较强的“热剩磁”，相应的岩层形成了具有较强磁性的烧变岩，使烧变岩与围岩产生明显的磁性差异，利用磁参数测量可以探测煤层燃烧范围及烧变岩范围。

此外，煤层发生自燃时，由于上覆岩层受到高温烘烤，岩层中水份丧失，煤层燃烧后形成的空洞造成上覆岩石塌陷、变形、裂缝，导电性变弱；在煤火的高温作用下，岩层中的导电离子、电子重新排列，在煤火燃烧区上方形成“高电位”异常场。煤层燃烧前后的导电性差异为自然电位法圈定煤层自燃区提供了地球物理前提。

2 工作原理及施工方法

2.1同位素测氡法

铀系的衰变产物氡属放射性惰性气体。铀在衰变过程中，可衰变成其子元素—放射性元素氡，同时放出α射线。通过测量α粒子的浓度，可测定相应的氡气浓度值。当存在自燃煤层时，由于地下火区产生的温度、压力等变化，氡及其同位素向上迁移的速率，均比地下无热源时氡及其同位素迁移速率快。所以，煤层自燃区顶部的氡气浓度高于无热源区的氡气浓度。

2.2磁法

岩石本身磁性微弱，甚至无磁性。当煤层自燃时，受高温作用的影响，煤层顶底板岩石受热变质，温度降低后保留了较强的热剩磁，使其磁性变强。测量每个测点的磁场强度，再综合整个勘探区磁测数据，可以圈定出异常区。勘探结果所反映的磁异常，即为煤层自燃后所形成的相对较高的磁异常，因此异常形态较客观地反映了其烧变岩赋存特征和自燃边界的异常特征。

2.2.1基点选择

在测区附近磁场稳定的正常场内选取了一个独立基点。基点位于正常磁场中、磁场的水平梯度和垂直梯度变化较小，附近没有磁性干扰物和人为干扰。

2.2.2日变观测

日变站选择在正常场内，周围磁性干扰小，10m以内磁场梯度变化于2nT/m。

2.2.3数据采集

工作观测参数为地磁场总场强度。磁测工作采用基点—测点—基点的测量方式，即每个闭合观测单元始于基点，终于基点。在野外观测中，操作员对有怀疑的点均进行了补测追踪，以保证观测质量及磁异常的完整。

2.3自然电位法

煤层燃烧时，上部会形成氧化带，下部缺氧形成还原带，致使上部煤层带正电，下部煤层带负电，围岩顶底板则相反，这样就形成了自电回路（产生自然电场）。同时，高温向周围扩散，使氧化区成为吸水区，周围岩层裂隙水不断向火区渗透，使得带电离子富集，形成耦合场，并使裂隙水获得很强的矿化度，形成带电离子的导电溶液。因此，可以通过自然电位的异常形态来确定煤层自燃区的边界。

3 资料解释

3.1断面解释

3.1.1同位素测氡法

图中横坐标为测点，纵坐标为氡气浓度值。可以看出，420～740段氡气浓度值较高（大于9N/60sec），推断为异常区。

3.1.2磁法、自然电位法

在460～660段，自然电位法△U剖面曲线上电位值较高，△U值在10mv以上，高值异常明显；在此段中，磁法△T剖面曲线上表现为高峰值异常，△T值大于-20nT。

图1 综合剖面曲线图

Figure 1 Comprehensive profile curve

3.2平面解释

3.2.1同位素测氡法

通过对各条测氡曲线异常带的划定、生成同位素氡气浓度分布平面图，氡气浓度变化范围为（2～13）N/60sec，将氡气浓度较高的区域（大于9N/60sec，图中紫色部分）划定为异常区。

图2 同位素氡气浓度分布平面等值线图

Figure 2 Isotopic radon concentration distribution contour map

3.2.2磁法资料分析解释

△T平面剖面图上，出现1处相对高值异常T；同样，在△T平面等值线图上，△T变化范围约为（-200～90）nT，也出现了1处相对高值异常，此处△T大于-20nT，解释为磁异常区。

3.2.3自然电位法资料分析解释

△U平面剖面图上，出现1处高值异常；同样，在△U平面等值线图上，△U变化范围约为（-40～30）mV，也出现1处高值异常，△U值在10mv以上，是△U平均值的1～3倍，解释此处为电位异常区。

通过本次勘探工作，圈定出了1处煤层自燃区。

物探施工结束后，对圈定的煤层自燃区进行了打钻验证，钻孔位置如图所示。2个钻孔均验证了煤层自燃情况。

4 结论

利用同位素测氡法、磁法、自然电位法等三种物探方法勘查洪洞某处煤层自燃区，不同方法从不同角度获取的地球物理参数所反映的地质信息基本一致，达到了相互补充、相互映证的目的。表明多种方法组合勘查煤层自燃区是合理、有效的。

参考文献

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作者简介：杨阳（1989-），男，山西晋中人，2011年毕业于中南大学地球信息科学与技术专业，物探助理工程师，现从事煤田地质勘探工作（电法方向）。