磁法技术在探测煤矿烧变区边界的应用研究

姜 涛

（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安）

引言

新疆呼图壁县白杨河矿区某矿井田含煤地层为中侏罗统西山窑组下段，含煤7 层，编号自上而下为3 号至9 号煤层，其中全区可采煤层4 层，即5 号、6 号、7 号、8 号煤层。根据已有地质资料显示，煤矿井田南部煤层露头处有火烧区分布，火烧区边界及积水情况不明。按照《煤矿防治水细则》相关要求，煤层烧变区边界及富水情况不明区域，应当坚持有掘必探等原则，采取井上下结合的钻探、物探、化探等综合技术手段进行探查。因此，为保障矿井安全生产，须对上述煤层采空区和烧变区的边界及富水情况进行探查。本文采用磁法技术探查井田南部5 号煤层烧变区边界，为后期相关工作开展奠定基础。

1 井田地质概况

1.1 井田地层

本区位于天山北麓乌鲁木齐山前坳陷带内，准噶尔盆地南缘煤田西部井田内，出露地层由老至新为侏罗系西山窑组（J2x）及第四系。

（1）中侏罗统西山窑组（J2x）：在井田的大部分区域有出露，是主要含煤地层，其所含煤层露头大部分为火烧。

（2）第四系全新统（Q4pal）：分布于冲沟之中，主要为现代河床冲洪积砾石层，其特征为灰白色、土灰色，砾状结构，砾石与少量砂混杂堆积，砾石成份主要为砂岩、钙质粉砂岩、烧变岩、岩浆岩，砾石砾径一般为0.2～0.6 m，分选差，圆状～次圆状，个别为棱角状，无胶结，砾石间充填物为砂和少量泥质，厚10～15 m，与下伏地层呈冲刷接触。

1.2 煤层

本区含煤地层为中侏罗统西山窑组下段（J2x1），含可采及局部可采煤层7 层，编号自上而下为3、4、5、6、7、8、9 号煤层，全区可采煤层4 层，即5、6、7、8 号煤层。煤层平均总厚40.52 m，含煤系数为7.8%。煤层地表露头均已自燃火烧。与本次探查研究相关5 号煤层特征描述如下，煤层相对位置关系见图1。5 号煤层：井田范围内该煤层地表已火烧。据本矿及邻区白杨沟煤矿资料，煤层厚度为7.43～14.00 m，本矿石门见煤厚度为12.56 m，局部含一层夹矸，顶板岩性为泥岩、粉砂岩，底板岩性为粗砂岩、粉砂岩、泥岩。层位稳定，属稳定煤层。

图1 煤层相对位置示意

2 地球物理特征

煤系地层为沉积地层，一般情况下煤层变质程度低，煤层区域地磁强度相较其他岩层差异性较小。在煤层发生自燃后，温度超过一定程度后，在燃烧过后煤层顶底板伴生的黄铁矿和菱铁矿等物质受热变质到温度恢复正常后，能形成有一定磁性的烧变岩层，保留热剩磁，其磁化强度和磁化率是燃烧变质前的几倍乃至几十倍，形成的磁异常值明显的磁性差异，利用上述差异是磁法探测的地球物理特性[1-2]。

3 磁法探查技术

磁法探查技术是利用磁力仪探测地层磁性差异变化的地球物理方法。已知的地磁六要素非互相独立，在确定三个要素的前提下可以求解其他要素并计算得到该处地磁总场强度。通常情况下仪器观测得到的地磁场强度包括大陆磁场、地球以外的如太阳风暴等原因引起的磁场、随时间变化的地磁场、在地质因素如煤层烧变和铁矿石等其他磁性矿物富集区域引起的磁场。一般来说随时间变化的地磁场可以进行日变校正，磁异常解释时用以抵消时间变化而引起的磁场变化。通常磁法探查用磁力仪观测的是地磁总场值[4]。

本次在新疆呼图壁县某煤矿磁法探查烧变区边界研究中，使用的测量仪器为加拿大先达利（SCINTREX）公司生产的ENVI PRO 质子磁力仪，其测量功能丰富，其中包括较先进的磁力仪/磁梯度仪（ENVI MAG/ENVI GRAD）测量和甚低频（ENVI VLF）测量。测线布置走向垂直于煤层原火烧区边界，线距20 m、点距10 m。设计测线56 条，各测线长度相同，测线编号由北向南逐渐增大，测线布置见图2。

图2 磁法工作布置示意

4 资料处理与解释

4.1 数据处理

（1）数据预处理：该阶段主要工作位根据已搜集掌握的地质资料和现场干扰源分布情况，对明显优于噪声引起的地磁总场变化的测点从数据中剔除，再进行全区网格化处理，最大限度消除环境噪声带来的解释误差。

（2）化极处理：该阶段工作主要是在消除地磁总场随时间变化带来的差异后，将斜磁化条件下的磁异常值计算得到垂直磁化方向的磁异常，使得数据解释的基准一致[3]。

（3）磁异常的方向求导：此阶段处理的目的为，在日变校正得到数据基础上对得到的磁异常值（ΔT）进行0°、45°、90°、135°及垂直方向求导计算，用以压制区域背景噪声，突出磁异常值。

4.2 资料解释

本次煤层烧变区范围探查成果解释工作以处理得到的数据为基础，首先对每条测线的磁异常值进行剖面曲线分析。再对全区化极及求导过后的数据进行平面成图。最终对比单条剖面曲线和磁异常值总平面图，结合搜集的钻孔等地质资料研究判别煤层烧变区边界[5]。

受不同地层岩性和地层厚度特征变化，得到的磁异常值会存在局部区域出现一定的强弱变化。在熟悉钻孔地质资料和现场环境条件的情况下，对得到的原始曲线再进行沿拓处理分析。综上，本区域磁场数据处理后结合已有地质资料分析可得到测区内的磁异常值（ΔT）大致可分为两类[6]：（1）背景场：探查区内正常含煤地层的剩余磁异常值基本稳定，多集中在±300nT 之间，可作为正常背景场。（2）强磁异常：确定300nT 与-300nT 的为磁异常边界值，大于300nT 与小于-300nT 的区域应为烧变区域，且随烧变区内岩层受高温、燃烧变质程度的增加，磁异常值增加，即烧变岩变质影响层位较厚；经对全区各测线磁异常曲线图的分类，结合5 块模型组合反演和瞬变电磁法探测成果对磁异常边界进行了推断。在磁异常值断面图中，煤系沉积地层△T（磁异常值）与5号煤层烧变后△T 数值变化特征显著。已知正常煤系地层磁异常值△T 稳定变化，数值小，剖面曲线反映官话，磁异常数据点分布相对均一，在没有外在噪声和地球外太阳风暴等因素影响下，不会出现磁异常值的突变。当存在煤层烧变时，该区域磁异常值△T 值相较正常地层幅值变化剧烈，一般表现为磁异常值绝对值的突增，出现无规律的跳变。下列选取测区内具有代表性的测线磁异常剖面曲线图进行分析，图3 中横轴为沿测线方向的横向水平距离（单位为：m），纵轴为计算处理后的磁异常值的幅值大小变化，数据点显示如图3 中蓝色圆点，磁异常剖面曲线图作为资料处理的依据，也是解释成果的来源。现对代表性测线磁异常剖面曲线分析如下：

图3 不同测线磁异常剖面曲线

如图3，其中图3（a）为选取测线的相对位置关系，图3（b）为45 线磁异常剖面曲线，横向距离240～500 m 之间的△T 值集中在-200～+200nT 范围内，曲线较光滑，数据点分布均匀，为正常地层磁异常曲线。横向距离在250 m 处△T 曲线出现跳变，△T 值首先跳变为662nT，持续增大至最大的3219nT，磁异常的持续增大特征表明该处有异于正常地层的强剩磁异常存在，随后磁异常值逐渐转正出现正负交替的强磁异常现象，跳变段主要集中在横向距离的150～170 m 之间。这种正负交替的强磁异常现象标明此处地层剩磁性较强，且磁化方向不均一，与煤层烧变岩剩磁性规律吻合。图3（c）为23 线磁异常剖面曲线，磁异常变化特征与45 线类似。横向距离410～520 m 之间的△T 值集中在0～+200nT 范围内，曲线较光滑，数据点分布均匀，为正常地层磁异常曲线；横向距离在390 m 处△T 曲线出现急剧变大的现象，△T 值首先跳变为-300nT，后持续增大至负的最大值-590nT，在横向距离280～300 m 之间逐渐转正出现正负交替的强磁异常现象，这种正负交替的强磁异常现象标明此处地层剩磁性较强，且磁化方向不均一，与煤层烧变岩剩磁性规律吻合。综合解释上述磁异常变化为煤层烧变的综合反映。

5 平面解释

一般来说磁异常大小变化与煤层烧变后的磁化强度成正比关系，随煤层烧变岩体积增大而增加，体积相当时，磁异常值随目标体的埋深增大而出现异常值的减弱变化，且曲线梯度小，异常范围表现出加宽趋势。本次5 号煤层烧变区边界最终成果的综合推断解释过程中，主要结合了每条磁异常剖面曲线图和各煤层底板等高线图、5 号煤层原火烧区边界图和部分其他地质资料。

推断的5 煤层火烧区边界成果如图4 所示，图中红色粗实曲线为本次推断的火烧区边界，洋红色实线为原火烧区边界线。经统计，本报告推断的5 煤层火烧区边界与原边界延伸趋势大致相似，局部存在重合和相交的区域，但绝大部分区域存在差异，最大处达到了约140 m左右。鉴于本次磁法探测过程中可供参考的已知资料较之前探测有所增加，且磁法测点密度较大，所以本次推断的5 煤层火烧区边界在精度上要大于原火烧区边界。

图4 5 号煤层烧变区边界综合解释推断

6 结论

（1）通过磁法勘查技术研究，以新疆呼图壁县某矿为例，查明了勘查区内5 号煤层的烧变区边界分布情况，解释的煤层烧变区边界与以往普查阶段结果精度有较大提高。

（2）使用磁法能够对煤层烧变区边界实现有效探测，其效果显著，是可以在煤层古烧变区边界探查中值得推广的技术手段。