综合物探方法在烧变岩裂隙探查中的应用

赵 辉，周旭光，王 辉

（陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710000）

0 引 言

煤层在自燃过程中，上部岩层受到高温烘烤，在磁性和电性等方面发生了显著变化，为电、磁法提供了应用的地球物理前提。由于煤层自燃区在燃烧时间、燃烧程度、对围岩的影响、裂隙发育、富水性等存在较大差异，使得烧变岩的物性反映也呈现出较大差异，因此选择适合有效的探测技术手段，是探查煤层自燃区的关键。自20 世纪90 年代以来，祁明星、刘洪福、万兆昌等分别将高精度磁法、测氡法及电阻率测深法应用到煤层自燃边界的圈定中，取得了一定的效果[1-3]。2017 年沈福斌等人[4]在神南矿区火烧区探查技术研究中，分析了高精度磁法、测氡法、瞬变电磁法及电阻率测深法对煤层自燃边界的应用效果。但上述方法主要针对煤层自燃边界及富水性的划分，而对煤层烧变岩裂隙的探查和研究相对较少。

本次探查陕北杨伙盘煤矿浅部烧变岩的裂隙发育情况，探查工作以高精度磁法为主、高密度电法为辅，划分烧变岩裂隙相对发育的区域，最后采用钻探对上述两种物探方法圈定的成果进行验证。地面高精度磁法在以往煤田普查及精查项目煤层自燃边界的圈定中，取得了良好的效果；高密度电法同常规电阻率剖面法、测深法相比，既能提供探测地质体在某一深度沿水平方向的变化趋势，也能反映地质体沿垂直方向不同深度电性的变化情况，能较好地反映煤层附近的电性变化情况，在工程勘查中应用较为广泛；上述两种物探方法数据处理解释的研究也较为成熟。

1 测区概况

杨伙盘煤矿位于陕西省神木县店塔镇，属陕北侏罗纪煤田神府矿区新民开采区。该煤矿始建于1995 年5 月，1998 年建成验收后停产。2005 年恢复生产，2006 年进行产业升级改造，生产规模为400 万t/a，批准开采2-2煤、3-1层、3-2煤、4-3煤和5-1煤。2016 年开始进行煤电一体化项目建设。而本次探查区为杨伙盘煤电一体化项目的电厂厂址区，其位于杨伙盘煤矿井田的东南部，如图1 所示。目的任务是为电厂厂址稳定性评价及后期烧变岩的治理提供可靠的地质依据。

图1 相对位置示意图Fig.1 Relative position diagram

测区地表大部分被第四系、新近系沉积物覆盖，由于遭受长期的风化剥蚀，煤层与基岩广泛裸露于沟谷之中。地层由老至新为侏罗系下统富县组、侏罗系中统延安组、新近系上新统保德组、第四系全新统河流冲积层和风积沙层。地层总体为走向北东- 南西，倾向北西的单斜构造。共有3-1、4-3、5-1三层可采煤层，其中3-1煤层大部区域已自燃，仅在中东部仍有少量赋存。

2 技术思路及工作方法

一般来说，煤层露头附近，覆盖较薄、通风供氧条件好，煤层自燃充分，烧变岩获得的磁性相对较大，随着煤层埋藏深度的增大，通风条件变差，煤层自燃程度逐渐减弱，烧变岩获得的磁性随之变小。反映到磁测曲线上，从烧变岩段到正常煤层段，曲线呈缓慢变低趋势，且曲线相对圆滑；至正常煤层段，曲线变化幅度较小，近似水平状。同时笔者注意到，测区的磁测曲线在高磁向低磁的变化过过程中，出现锯齿状或尖刺状的相对低磁或磁性倒转现象，结合地面踏勘和钻孔资料综合分析认为，出现这种现象的原因（不包括地面存在电磁干扰源的情况） 主要有2 个：一是煤层露头附近，烧变岩遭风化剥蚀，磁性体规模变小，同时部分烧变岩垮落，从而导致磁性变弱或磁性倒转；二是烧变岩具有一定埋深的地段，烧变程度高、裂隙相对发育，部分岩层陷落或崩塌，但受空间限制，烧变岩磁性方向虽发生变化，但变化较小，从而导致实测磁性强度降低。根据这一特点，并结合地形地质资料，可实现对烧变岩裂隙发育区的判定。

煤层未发生自燃前，地层沉积层序稳定，地层电性呈稳定变化特征。煤层燃烧后，导致围岩的裂隙构造发育，当地层中存在含水区时，相对正常煤层段呈现低视电阻率异常反映；不含水时，相对正常煤层则表现为高视电阻率异常反映的特征。根据测区的水文及地形地质资料可知，测区地下水的主要补给来源是大气降水，而测区地势高耸，地层倾向北西，利于烧变岩及附近岩层水向北西处的沟谷地段进行排泄，烧变岩的水量极其微弱，因此烧变岩裂隙在电性上较围岩表现为明显的高阻反映。

据此，选择了高精度磁法和高密度电法两种物探方法。高精度磁法测网密度40 m×10 m(线距40 m、点距10 m)，设备采用GSM-19T 质子磁力仪。为了便于成果资料的对比分析，高密度电法与高精度磁法测线进行重合布设，测网密度120 m×5 m（线距120 m、点距5 m），设备采用DUK-2A 高密度电法测量系统。

3 数据处理及解释

高精度磁法数据处理采用GEMlinkw 软件进行日变改正和正常梯度的改正。最终利用改正后的ΔT 值进行成图分析解释。其计算公式为：

式中：Tc 为测点实测值；ΔTr 为日变改正值；ΔTz 为正常梯度改正值；ΔTg 为高度改正值；To为基点场值。

高密度电法处理先采用BTRC 程序进行数据的编辑、圆滑、静态校正，再利用Res2dinv 程序加载地形文件进行数据的正、反演计算。最终使用反演后的视电阻率数据进行成图分析解释。

图2 为高精度磁法C24 线综合解释剖面图。从磁测曲线可以看出，正常煤层段曲线变化平稳，数值在20 nT 左右变化。煤层自燃段以负值异常为主，最大约-300 nT，局部出现幅值较高的正异常。结合地形地质及地面调查推断煤层自燃边界位于200 点。60～100 点，该段3-1煤层已自燃，地表部分烧变岩风化垮落；根据190 点附近BK01 钻孔揭露，该孔3-1煤部分自燃。断面解释成果与钻孔揭露及地面调查基本一致。120～150 点，曲线出现锯齿状的相对低的正磁异常，分析其为烧变岩裂隙发育地段。

图2 高精度磁法C24 线综合解释剖面图Fig.2 Comprehensive interpretation profile of high precision magnetic method C24 line

图3 为C56 线磁法综合解释剖面图。由磁测曲线可以看出，正常煤层段曲线变化平稳，数值在+20 nT 左右变化；煤层自燃段以正值异常为主，幅值最大约+200 nT。局部出现幅值略低的正异常。结合地形地质及钻孔资料推断煤层自燃边界位于330 点。在100～120 m、140～170 m 及200～240 点，曲线出现锯齿状的相对低的正磁异常，分析其为烧变岩裂隙发育地段。

图3 高精度磁法C56 线磁法综合解释剖面图Fig.3 Comprehensive interpretation profile of high precision magnetic method C56 line

在此基础上，采用高密度电法对异常范围进行核验和进一步的控制。为了更好的分析烧变岩与正常煤层的电性特征，此次垂直电、磁法测线方向加测了一条纵剖面暨D0-60 线（410 点） 高密度电法剖面，成果如图4 所示。

图4 高密度电法D0- 60 线（410 点） 综合解释剖面Fig.4 Comprehensive interpretation profile of high density electrical method D0-60 line(410 point)

由等视电阻率断面（图4 上） 可以看出，该断面纵向上由浅到深视电阻率逐步增大趋势；横向上，各地层视电阻率等值线变化平缓；电性变化特征与地质规律基本吻合。该剖面3-1煤层附近，视电阻率数值在200～500 Ω·m 变化，结合烧变岩段的Sn25 孔、BK03 孔及Sn30 孔资料可知，钻孔附近烧变岩裂隙不发育，且有少量泥砂充填。而BK02 孔、ZK03 孔及Sn14 孔为正常煤层，综合分析认为该剖面烧变岩裂隙不发育。

图5 为D56 线高密度电法综合解释剖面示意图，该剖面与磁法C56 线剖面重合。由D56 线等视电阻率断面可以看出，10～120 点及160～270点，视电阻率等值线呈明显的高阻隆起或圈闭状，数值在500～1 600 Ω·m，高于围岩视电阻率，与高精度磁测圈定范围基本一致，分析该段为烧变岩裂隙异常。根据220 点附近ZK02 钻孔揭露，该孔烧变岩较破碎、裂隙较为发育。异常的电性反映与钻孔资料相吻合。

图5 高密度电法D56 线综合解释剖面图Fig.5 Comprehensive interpretation profile of high density electrical method D56 line

依据上述分析解释原则，以磁测ΔT 剖面及视电阻率等值线断面变化特征结合地质及钻孔资料，对异常区域进行综合分析推断，最终形成综合物探成果，如图6 所示。可以看出，2 种物探方法所推断的烧变岩裂隙发育区基本重合，最终圈定了S1、S2 两个烧变岩裂隙发育区。

图6 综合物探成果平面图Fig.6 Comprehensive geophysical exploration results plane

为了验证综合物探成果，在全区共施工了6 个钻孔。ZK01 孔、ZK02 孔、BK01 孔及BK03 孔布设在烧变岩区，ZK03 孔及BK02 孔布置在正常煤层区。据钻孔揭露，ZK01 孔、ZK02 孔及BK03 孔烧变岩厚度分别为13、28 和10 m；BK01 孔煤层部分自燃，残留煤厚约2 m，烧变岩厚度约1.5 m。其中ZK01 孔及ZK02 孔存在约10 cm 左右的裂隙，其内有少量泥砂充填物或无充填物；同时也存在部分塌陷裂隙，且多属张开裂隙，延伸方向杂乱，隙宽0.5～1 cm，最宽约5 cm。BK03 孔存在约5 cm左右的裂隙，有泥砂或方解石充填物。BK01 孔未发现明显的裂隙。物探解释成果与钻孔揭露情况基本一致。

4 结 语

通过高精度磁法和高密度电法对陕北杨伙盘煤矿浅部烧变岩裂隙的综合探查，分析解释了烧变岩裂隙发育区，并经钻探验证，说明高精度磁法和高密度电法是探查浅部烧变岩裂隙发育区的一种有效手段。在以往磁法解释煤层自燃边界方法理论的基础上，采用高磁异常中的相对低磁和磁性的反向特征来解释烧变岩裂隙的发育情况，取得了良好的地质效果，为磁法探查煤层烧变岩裂隙发育区提供有益的借鉴。