基于电−磁法联合勘探的火烧区范围及富水性的预测

闫顺尚 ，王 玲 ，董方营 ，刘 晓 ，吕晓磊

(1.山东省煤田地质局第五勘探队,山东 济南 250100；2.山东科技大学 地球科学与工程学院,山东 青岛 266590；3.神华国能集团沙吉海煤矿,新疆 塔城 834400)

地球物理勘探已成为矿区水文地质调查的主要手段之一，目前常用的有三维地震勘探、高精度磁测、瞬变电磁法、高密度电法、地球物理测井等[1-6]。然而任何一种勘探手段都有其各自的优缺点和适用条件，仅靠单一方法往往不能满足精度要求[7-8]。因此，在充分认识勘探区物性特征的基础上，采用多种物探手段从多角度进行分析研究已成为一种必然趋势。

我国西北煤矿区分布着大面积火烧岩体，具有点多面广、燃烧速度快等特点。煤层自燃后围岩经高温烘烤出现变形、坍塌等现象，岩体孔隙、裂隙发育，富水性增强[9-10]。火烧区范围及其富水程度成为威胁煤矿安全开采的两大关键因素[11]。此外，火烧区含水层作为特殊含水体，水文地质条件复杂，勘探难度较大[12]。以往多采用单一物探方法进行勘探，未能精确探查火烧区水文地质特征。因此，采用有效手段对火烧区进行勘探，查明其分布范围及富水情况具有重要现实意义。

基于此，本研究组合一套高精度磁测−瞬变电磁−高密度电法联合使用的高精度勘探方法，并将其应用于新疆沙吉海一号火烧区边界及富水性勘探中，精确查明火烧区范围及其富水情况，为煤矿的治理工程提供准确的物探资料，以期为今后类似地质条件地区火烧区勘查提供实践依据。

1 研究区概况

研究区在新疆沙吉海一号井田火烧区内，位于准噶尔盆地西北缘，隶属于和布克赛尔蒙古自治县，中心地理坐标为东经86°30′33″，北纬46°35′20″。构造上位于和什托洛盖复式向斜的北翼，库伦铁布克背斜的南翼，断裂构造简单。地层分区属西准噶尔分区玛依力山小区，地层由老到新依次为中生界侏罗系西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)，新生界古近系乌伦古河组(E2-3w)和第四系全新统−上更新统(Q3-4pl)组成。侏罗系岩层呈单斜状产出，倾向SE，倾角7°～28°，自东向西逐渐变陡。含水层主要分布在头屯河组和西山窑组内，以砂岩孔隙裂隙水为主，整体富水性相对较弱。

西山窑组是主要含煤地层，分为下、中、上3 个含煤段(J2x1、J2x2、J2x3)，其中编号煤层有18 层，自下而上依次为B1−B18，目前主要开采B10煤。B10煤为全区可采的稳定厚煤层，结构简单，平均厚度6.88 m，下距B9煤层平均5.02 m，上距B11煤层平均36.19 m。研究区北部B9、B10、B11煤层燃烧后，沿NE−SW 向连续发育火烧岩带，火烧深度103.00～128.40 m，厚度25.40 m。岩层受高温烘烤后裂隙率增大，土质变松软，导水性增强。

2 勘探方法及质量控制

2.1 方法和仪器

本研究采用3 种物探方法相互结合，方法及应用原理如图1 所示。高精度磁测得到ΔT等值线图用来推测火烧区边界并与先前圈定的边界做对比；瞬变电磁法得到视电阻率−深度剖面图和电阻率异常平面图与高密度电测深剖面结合，用于B10煤层富水性异常区域圈定；物探成果综合分析，用来判定指导火烧区边界和富水异常区验证钻孔的设计位置。瞬变电磁法和高精度磁测的测线都沿NW 向布置，测线及测点编号为由SW 向NE 方向逐渐增大，其中高精度磁测仅在勘探区西南侧1 160 线以西布置。各勘探线及测点布置如图2 所示。

图1 电−磁法联合勘探物探方法Fig.1 Geophysical prospecting method of combined Electrical-Magnetic exploration

图2 新疆沙吉海一号井田野外施工布置Fig.2 Field construction layout of No.1 well field in Shajihai,Xinjiang

瞬变电磁法采用加拿大产PROTEM47 瞬变电磁仪，使用最大有效发射电流3.3 A，频率25 Hz 进行观测；高精度磁测选用高精度PMG-1 型质子磁力仪；高密度电法采用N 系列高密度电法仪，布置方式为温纳装置。测量工作开始前均进行仪器性能检测和相关实验工作。

2.2 质量控制

物探结果质量主要依据《煤炭电法勘探规范》[13]和《地面瞬变电磁法技术规程》[14]的规定，通过专项质量检查进行控制，质量检查点(约为总数的5%)相对均匀分布于整个工作区。瞬变电磁质量检查点100 个，其中A 级精度约占92.4%，B 级精度约占7.6%。高精度磁测质量检查点40 个，磁测总均方误差≤1.7 nT，满足设计精度要求。本次高密度电法精度按A 级要求执行，系统质量检查总均方相对误差为3.85%。因此，本次物探野外观测数据可靠，精度达到要求，满足规范要求。

3 测区地球物理条件

3.1 岩体地−电条件

电法勘探的基本原理是利用目标地质体和围岩之间存在的电性差异进行反演。根据以往电法勘探资料，通常情况下研究区泥岩、粉砂岩、细砂岩、煤层电阻率值依次增高。地层水平方向上局部地段富水性较差时，导电性变差，表现为相对高阻异常；当火烧区内存在充水空洞，火烧岩破碎或裂隙含水时，岩体导电性变强，使电阻率明显低于围岩，表现为相对低阻异常[15-16]。该区视电阻率具有随深度加深而增大的特点，分层明显，中、深部地电条件较好，具备瞬变电磁和高密度电法勘探的地球物理前提。因此，通过对比水平方向上岩层视电阻率值差异与变化情况，找出电阻率异常分布形态，并结合已有地质资料进行分析，可以查明研究区水文地质特征。

3.2 岩体磁性差异

研究区B9、B10、B11煤层燃烧后，顶底板及其夹矸受到强烈的高温烘烤后形成烧变岩体，岩层中的铁质矿物(赤铁矿、黄铁矿、菱铁矿、褐铁矿等)大部分转变成磁性矿物[17-18]。在烧变岩冷却过程中，产生热剩磁，具有熄灭带上磁异常最强，从熄灭带到燃烧带磁异常逐渐减弱的特征[19]。矿区以往磁性参数测定结果详见表1。烧变岩的磁化率(K) 变化极不均匀，分别为78～9 263、47～1 055、92～426 10−64πSI；而非烧变碎屑岩类K值很小且变化范围较小为3～96、2～13、25～84 10−64πSI。因此，烧变岩具有明显的磁异常特征，且各地段磁化率变化较大，表现为极不均匀的烧变程度。研究区内火烧岩与非火烧岩体的磁性差异较大，具备磁法勘探地球物理条件。

表1 研究区磁性参数统计Table 1 Statistics of magnetic parameters

4 结果与分析

4.1 高精度磁测等值线分析

图3 为研究区ΔT等值线图。全区测点中ΔTmin=−570.6 nT、ΔTmax=875.8 nT，总体上中部磁异常强度较大，异常明显，南部磁异常强度较小且较平缓。ΔT曲线在平面上有多个异常中心，有时一个异常有多个强度很高的峰值，异常形态整体上多呈独立的突起；在剖面上呈多峰异常“锯齿状”跳跃形态(图4、图5)，说明受近地表烧变岩不均匀磁化、多层煤燃烧等因素影响，异常源磁性极不均匀，顶端出露或埋深不大。从整体来看，磁异常走向NE，在工作区中部有一条明显磁异常梯度带，落差较大，分析为火烧边界线。新推断火烧边界线与之前基本一致，仅在部分地段略有南移，说明火烧区范围基本未变。

图3 新疆沙吉海一号井田ΔT 等值线Fig.3 The ΔT contour map of No.1 well field in Shajihai,Xinjiang

4.2 物探综合成果分析

为了更好地查明研究区内火烧富水情况，本着物探方法相互结合相互验证的原则，选取4 条2 种或3 种方法完全重合的区域进行对比分析解释，为验证钻孔位置设计及B10煤富水区圈定提供必要依据。

图4 表明高精度磁测在980 号点以北ΔT>120 nT(ΔTmax=216 nT)，明显为高磁异常，且梯度变化较大；以南磁异常变化较平缓，分析为火烧区边界反映，与原磁测边界基本一致，部分地段向南发生较小移动。瞬变电磁断面显示，在840～1 200 号点之间B10煤层赋存深度整体呈低阻反映。火烧区边界以北低阻反映更明显且视电阻率等值线变化较紊乱，推断为火烧富水区。通过G2 线高密度断面图可以看出，整体反映与瞬变电磁基本一致，验证性较好，建议在S3 和S4 位置设计验证钻孔。

图4 840 线物探勘查综合成果Fig.4 Comprehensive results of line 840 geophysical prospecting

图5 显示高精度磁测在980 号点以北ΔT>120 nT(ΔTmax=819 nT)，高磁异常明显，且梯度变化较大，为火烧区边界反映，与原磁测边界基本一致。瞬变电磁断面上860～1 120 号点之间，B10煤赋存深度整体呈低阻反映，在火烧区边界附近低阻反映最明显，且视电阻率等值线变化较紊乱，推断为火烧富水区。对比G3 线高密度断面图，从整体来看，瞬变电磁法和高密度电法勘探的低阻区都集中在左侧；另外，瞬变电磁法低阻异常区主要集中在地面以下100 m 范围以内，与高密度电法低阻异常深度也基本一致。这表明两种物探方法反演结果基本一致，验证性相对较好，建议在S5 和S6 位置设计验证钻孔。

图5 1 560 线物探勘查综合成果Fig.5 Comprehensive results of line 1 560 geophysical prospecting

图6 为拟设计S1 和S2 钻孔经过的物探测线。结果显示G1 高密度测线上S1 钻孔下部主要为低阻反映，与200 线瞬变电磁断面异常基本一致；S2 钻孔下部主要为相对高阻反映，与280 线瞬变电磁断面反映基本一致。

图6 200 线和280 线物探综合成果Fig.6 Comprehensive results of geophysical prospecting on line 200 and line 280

图7 为拟设计S9 和S10 钻孔经过的物探测线。在瞬变电磁断面上1 140～1 240 号点之间B10煤层赋存深度呈低阻反映，推断为火烧富水区。G7 线高密度断面图表明整体反映与瞬变电磁基本一致。B10煤层赋存深度火烧富水区范围如图所示，两种方法结果基本一致，验证性较好。

图7 2 600 线物探勘查综合成果Fig.7 Comprehensive results of line 2 600 geophysical prospecting

4.3 B10 煤顺层切片分析

正常情况下同一岩层的视电阻率差异较小，但当某一地段岩体裂隙发育充水时，其视电阻率偏低，因此在一定程度上能够反映富水情况。通过对比同一层位视电阻率值的变化情况，认识地层的含水状况。为查明B10煤附近火烧富水情况，分析其水力联系，利用B10煤底板等高线抽取每个测点煤层及上下方等间距的视电阻率值，绘制顺煤层视电阻率等值线图，推测含水层的富水特征。

4.3.1富水区划分原则

(1) 遵循相对低阻异常原则，参考电阻率值圈定，通过组合低阻异常闭合圈来确定富水区。

(2) 富水区在视电阻率断面等值线图上出现较明显的低阻、变形，呈凹陷等形状；顺层切片图上多个低阻异常闭合圈呈长条状连续发育的特征。

(3) 通过对断面图、顺层切片低阻异常值大小分析，结合原始曲线、地面位置、电线干扰等情况对低阻异常区去伪存真。

4.3.2成果解译及分析

含煤地层富水性差时，视电阻率等值线表现为高阻闭合、半闭合圈；富水性好时表现为低阻闭合、半闭合圈，且变化较紊乱。根据以往地质、水文地质特征和积水区特征等资料，结合视电阻率等值线的扭曲、强度、梯度变化特征，对物探结果进行静态和定性解释。图8 为B10煤切片综合推断成果图，可以看出研究区B10煤层附近分布若干个大小、形状各异的低阻闭合圈。结合矿区以往实际经验，以视电阻率小于15 Ω·m 圈出9 个低阻异常区，分别编号为Y1−Y9。

图8 B10 煤切片综合解释成果Fig.8 Comprehensive inference results of B10 coal slices

B10煤切片图分析表明，整体上研究区内火烧富水性较弱。富水区主要集中在火烧区南部边界及以南区域，视电阻率值基本小于15 Ω·m，低阻异常明显。与先前圈定富水区相比，范围整体变小并向南移动，重合部分主要集中在南部火烧边界附近。这可能是由于近年来B10煤层开采，导致南部地下水位明显下降，地下水沿地层倾向径流的结果。随着矿井开采、地下水径流以及丰枯水期的变化，可能造成火烧富水面积不同程度变化及移动，水文地质条件随之发生变化。因此，煤层开采过程中应注意这些条件变化对火烧区富水情况的影响，防止突水事故发生。事实上，受电法低阻屏蔽效应的影响，各层低阻异常在纵向上相互影响，因此富水区研究还应充分结合视电阻率深度断面图及地质情况综合分析。此外，该区地层倾角较大，利用顺层切片图分析富水区情况时应加以考虑。

5 结论

a.通过高精度磁测结果，在研究区西部新推断了火烧区边界，与原勘探边界基本一致，仅有部分地段向南较小移动，为划分火烧富水区提供条件。

b.在B10煤层附近，整体圈定了9 个火烧富水区，分别编号为Y1−Y9。研究区总体富水性较弱，富水区主要集中在火烧区南部边界及以南区域。受矿区煤层开采排水影响，地下水沿地层倾向径流，导致富水区范围整体变小并向南移动。

c.高精度磁测圈定火烧区边界，瞬变电磁法、高密度电法联合确定火烧富水情况。3 种方法相互结合、互为补充，能够精准探查火烧区范围及其富水情况。该方法可以为相似地质条件的矿区水文地质探查工作提供借鉴。