综合物探手段在矿区火区勘探中的应用

综合物探手段在矿区灭火勘探中的应用2【摘要】：通过综合物探技术在煤矿火区探测的关键技术和方法的研究，结合钻探验证、对比分析和综合研究，解决了普通物探在矿区灭火勘探的误差较大、探测不明，疑似点较多的问题。研究证明，使用自然电位法、高精度磁法、瞬变电磁与高密度视电阻率法等综合物探手段，准确圈定矿区火区分布范围，计算火区面积，完成矿区火区勘探，减少钻探勘探钻孔的布置，降低火区勘探成本，为灭火工程提供决策依据。【关键词】：火区、自然电位法、高精度磁法、瞬变电磁与高密度视电阻率法0引言新疆是我全国重要的煤炭资源基地，同时又是煤田火灾最为严重的省区，目前全疆在燃煤田火区仍有42处，总面积900多万m2，每年因燃烧损失煤炭资源约10Mt，排放二氧化碳及其它有害气体约18Mt，火区威胁煤炭资源储量约477亿t。为了能采取有效的方法进行灭火，同时消除灭火中存在的安全隐患，探明火区分布范围及火烧深度，提出该实施方案。本研究建立于煤层自燃环境条件分析、煤田火区物理学和动力学机理等研究基础上，重点探讨自然电位法、高精度磁法、瞬变电磁与高密度视电阻率法等综合物探手段在矿区灭火勘探中的应用，并建立了综合物探技术的地下煤炭火区探测体系，总结了综合物探探测矿区火区的技术和方法。通过综合物探技术在煤矿火区探测的关键技术和方法的研究，解决普通物探在矿区灭火勘探的误差较大、探测不明，疑似点较多的问题。为快速进行煤田火区勘探、实现灭火的早期预测预报提出新的技术手段。1工程概况新疆豫焦能源有限公司三源、成鑫煤矿位于乌鲁木齐市米东区沙沟矿区,距米东区14km，距乌鲁木齐市约34km。可采煤层群同属于八道湾向斜结构，煤层走向62°—70°，煤层倾角平均为80°，各煤层均为自燃煤层，自然发火期3-6个月。由于前期小窑多年开采，导致矿井地表塌陷、采空区煤层自燃严重，出现大面积明火，形成了煤田火区。煤火燃烧形成大量的燃烧空洞，使地表发生较大规模、不规则下沉，形成地表破碎带和塌陷区。因火区发生、发展过程中造成地表自然环境的改变，给当地人民生产和生活环境造成了极大的破坏。干旱、土壤沙化、缺水、烧变岩到处分布、岩石崩塌、烟雾弥漫，植被稀少等成为火区特有景象。煤层在自燃过程中不停地向大气中释放多种有毒有害气体，对大气环境造成直接破坏。（见图1.1）。矿区范围内在80-90年代由数十对小煤窑在浅部长达近20年的仓储式开采，随时间推移，经过的雨水冲刷，近年来地面形成不规则状塌陷坑，塌陷坑通过裂隙直接与井下沟通，冒烟形成火区，并有大面积采空区未塌实现象。如采用常规性煤田灭火手段，极易造成人员及设备坠入采空图1.1火区、采空区地表图区的事故发生。通过对三源、成鑫煤矿火区进行勘探，证实了矿区有大小火区8处，燃烧深度变化范围为+820－+690高程范围内，火区燃烧面积为316513m2，火区已吞噬煤炭资源量16.7Mt，现因火区冻结煤炭资源量38Mt。2主要技术与方法2.1磁法利用煤系地层顶底板中赋存着大量的含铁矿物成分，这些铁矿物在不受高温作用时表现为弱磁性，当燃烧后温度下降时，在磁场的作用下磁畴的矫顽性很容易随着磁场方向而重新排列起来，此时为强磁性。按照磁法工作勘探线间距为20m，测点间距为10m，矿区从西部三源矿区西边界开始布设测线至东部成鑫矿区东部边界结束。矿区内各测线磁测曲线相似，正异常值较高，一般在2000nT以上，最高磁异常达到+7548.4nT，在正异常两侧均出现负异常反应，异常值不大，一般在-1000至-2000nT之间，最低磁异常-1895.1nT，磁性差异明显（见图2.1）。图2.1磁法剖面图火区异常呈现出西深东浅、西宽东窄的反应；在剖面线上的磁异常主要是由火区燃烧和烧变岩所引起。2.2自然电场利用煤层在燃烧过程中发生着氧化还原反应，在火区就形成了一个氧化还原电场，这样就形成了上部煤层为正点，下部煤层为负电，其周围岩层顶底板就形成了一个自然电场回路。根据煤层这一物理特性，按照工作勘探线间距为20m，测点间距为10m设线布点，测定“正在燃烧的煤层其自然电位值为正异常，其周围地层的自然电位值为负异常。”圈定火区范围。全区最大正自电异常值为△zmax=180.35mv，最小负自电异常值为△zmin-36.76mv。一般以90--100mv为主。总体上自电异常变化较大，异常集中，以负异常居多，但异常整体形态与煤层烧变岩走向一致。整体异常为南边高异常，北边低异常。异常从矿区西边开始至测线80线结束，自电差异明显。火区异常呈现出西深东浅、西宽东窄的反应；在剖面线上的自电异常主要是由火区燃烧所引起。一般ΔT值表现为自电异常的开始的位置对应为火区南边界，然后自电异常开始下降到波谷最低值为火区结束的位置（见图2.2）。图2.2自然电场平面图2.3高密度电阻率测深工作与瞬变电磁利用在地球物理探测中，岩层中的水对电导率和介电常数的影响很大，即使存在极少量的水对岩层的电导率和介电常数产生决定性的影响。因此水的电导率随着温度的升高而增大。测得“不含水的地层即半导体，视电阻率值随温度的升高而降低，也就是正在燃烧的干燥煤层为低阻电阻率。含水的地层，视电阻率值随温度的升高而增大”。在分析研究的基础上对资料进行初步的定性及定量解释，资料解释本着从已知到未知，从点到线到面，再从面到线到点的解释原则。先定性后定量，在掌握好各地层参数的情况下通过与地质钻探结合，先定性分析后在分析的基础上用采用计算机正反演拟合及人工量板法配合定量解释。探测70m以浅塌陷、采空区的分布范围（见图2.3）。测区高密度的主要特征为异常走向与煤层走向一致，倾角反应清晰。整个工作区高阻异常较多，特别是浅表层，在水平深度-15米的平面图上反应的比较明显，最大高阻异常335Ω.m，高阻区域稳定；区内低阻异常多呈带状或串珠状分布,引起高阻反应的地质体包括活火区、煤层以及不充水的火烧区和采空区；能引起低阻反应的地质体包括含水层、泥岩、粉砂岩以及充水的火烧区和采空区；划分电性与地质体的对应关系，要仔细研究收集到的地质和水文资料结合物探数据分析研究。图2.3高密度电阻率剖面图3钻探解释验证3.1钻孔布置为了验证上述研究提取的煤火信息是否正确客观，项目组进行钻探勘探验证，在成鑫和三源煤矿之间选择5号和6号重点火区进行钻探勘察。首先在综合物探勘探选择具有代表性的火区作为验证点，读取地理坐标，输入GPS-RTK中，利用矿区图根点控制测量，找到相应点位，打钻验证。钻探工程采用勘查线布置系统，工作区共布设2条勘查线，每条勘查线上各布设5个钻孔，钻孔布置按照地质三类三型，确定行距150m,间距按照煤层实际位置，分煤层布置，对火区深度、采空区标高进行验证控制。表3.1钻孔布置设计表序号孔号设计孔深（m）施工目的终孔层位天顶角样品采集1ZK101110验证火区深度、45-5煤层45-5底板0°煤样、岩土样2ZK102150验证火区深度、45-4煤层、采空区深度采空区0°煤样、岩土样3ZK103150验证火区深度、45-1煤层、采空区深度采空区0°煤样、岩土样4ZK104140验证火区深度、43煤层、采空区深度采空区0°煤样、岩土样5ZK105140验证火区深度、41、43煤层、采空区深度采空区0°煤样、岩土样6ZK20190验证火区深度、45-5煤层45-5底板0°煤样、岩土样7ZK202150验证火区深度、45-4煤层、采空区深度采空区0°煤样、岩土样8ZK203145验证火区深度、45-1煤层、采空区深度采空区0°煤样、岩土样9ZK204140验证火区深度、43煤层、采空区深度采空区0°煤样、岩土样10ZK205140验证火区深度、43、41煤层、采空区深度采空区0°煤样、岩土样3.2验证结果钻孔ZK101、201达到设计范围，取芯完整，测井未发现火区、采空区；钻孔ZK102、103、104、202、203、204在施工到50-110m深度发生不同程度掉钻现象，取芯破碎，全部为火烧石碎屑，测井为火烧区、采空区；钻孔ZK105、205取芯全部为火烧石,测井深度110m-140m钻孔存在积水现象，未发现采空区。与物探成果“在成鑫和三源煤矿之间5号和6号火区，桩号70-245米，标高从地表到+740m之间，电阻率在60-100Ω·m之间，推测是45号煤层火烧遗留下的空塘。在桩号200-245米，标高+690到+710m之间，存在一个较明显的低阻区，是明显的地层充水反应，推测是火烧区底部的积水”，基本吻合。经过钻探勘探验证，充分证明使用自然电位法、高精度磁法、瞬变电磁与高密度视电阻率法等综合物探手段，进行矿区火区勘探是可行的，可以准确圈定矿区火区分布范围，计算火区面积，为煤矿火区勘探和灭火工程提供了强有力的技术手段。4结论通过本项目研究，确定三源、成鑫煤矿火区宽度31m-276m左右，长度1695m左右，火区燃烧深度为43m—136m，变化在+820m－+690m高程范围之内，火区总面积为316513m2，为三源、成鑫煤矿灭火工程提供最基础的勘探成果，可根据不同地点和火区情况采取相应的针对措施进行灭火处理，可解围火区燃烧及威胁煤炭资源38Mt,减排二氧化碳13.36Mt,二氧化硫4.08万t，氧氮化合物3.62万t；同时可以避免在地下探测不明的情况下的进行地表剥离、覆盖和灌浆而造成的浪费；另外，又可以杜绝因地下采空区的存在导致突然塌陷，从而造成人、财、物的损失和事故的发生。研究证明，使用自然电位法、高精度磁法、瞬变电磁与高密度视电阻率法等综合物探手段，准确圈定矿区火区分布范围，计算火区面积，完成矿区火区勘探，减少钻探勘探钻孔的布置，降低火区勘探成本，为灭火工程提供决策依据，另外可以监测火区发展趋势，预测预报新火区的形成。参考文献：［1］钱桂兰等.《普通物探》.地质出版社，2007年［2］刘君.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用.科技情报开发与经济.2005年16期［3］郭恩惠等.综合物探探测煤矿采空塌陷区.煤田地质与勘探.1997年05期［4］罗周全等.采空区精密探测技术应用研究.金属矿采矿科学技术前沿论坛论文集.2006年［5］刘海生.高密度电法在探测煤矿地下采空区中的应用研究.太原理工大学.2006年