李建超
中水北方探测设计研究有限责任公司 天津 300222
摘 要∶我国是煤田火区比较严重的国家，煤层自燃既造成煤炭资源损失和地面塌陷等生态环境问题，又向空气中释放大量CO、SO2等有害气体和颗粒物，使靠近煤炭产地的居民居住区的空气质量雪上加霜，也对煤矿开采造成较大的安全隐患。由于自然点通常存在在地表之下，而地表热异常通常又不明显，因此具有隐蔽性，很难发现。本文论述了在山西某煤矿采用地面高精度磁测的物探方法，通过离散数据网格化和化极处理，准确的圈定煤矿火区，证明了地面高精度磁测在煤田火区探测中的有效性。
关键词∶地面高精度磁测；离散数据网格化；化极；火区
0 前言
工作区位于山西省原平市西北，行政区划隶属原平市长梁沟镇管辖。区内采煤历史较为悠久，煤矿东部沿煤层露头有老窑开采，主要开采5号煤层，老窑大部分塌陷。井田地形山脊、沟谷相间，井田内有两道沟横过，最高点位于井田西南，海拔1990m；最低点位于井田北部沟底，海拔1690m，相对高差300m，地形起伏较大，地形切割严重，属中山区。
该露天煤矿目前整改区已完成大面积的剥离工作；工作区目前暂未开展剥离工作。本次探测工作针对工作区开展。
1 火区探测地球物理依据
磁场变化是煤火发展过程中一个极其重要的特征。磁场变化对燃烧区变化具有直接“指示”作用，对烧过区的烧变岩剩磁具有“记忆”作用。磁场的观测又不受岩石裂隙和构造变化的影响。因此，采用高精度磁力观测方法，有助于研究火区的小区域、弱异常变化、不规则异常源。煤层燃烧后，顶底板围岩中的黄铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿等成分受高温作用后产生磁性物质，形成具有磁性的烧变岩体。
井田区内主要为太原组的砂岩、泥岩，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，使煤层顶底板岩石受热变质，形成了含暗色铁磁性矿物较多的烧变岩，温度降低后保留了较强的热剩磁，使其磁性变强。
火区经过高温烘烤的岩体与正常围岩的磁性特征上存在较明显的差异，这是本次物探磁测工作的理论基础和物理前提，也是本次进行解译的根本依据。
2 应用实例
2.1 含煤地层
本矿田内含煤地层为二叠系下统山西组(P1s)及石炭系上统太原组（C3t），主要为太原组地层。
山西组地层为灰色砂质泥岩、灰黑色泥岩、炭质泥岩及薄煤层和砂岩组成，地层平均厚度45m，含一层煤线，以K2砂岩与太原组分界。
太原组煤系地层平均厚82.13m左右，岩性为黑色、灰黑色泥岩、砂质泥岩及石英砂岩夹煤层，含煤4层，自上而下为2、3、4、5号煤层。2、5号煤层为矿田内稳定可采煤层；3号煤层为局部可采煤层；4号煤以煤线赋存不可采。
2.2 资料处理
磁测资料解释推断的基本任务，就是依据磁异常特征、岩矿石磁性资料和地质及其它物化探资料，正确判断引起磁异常的地质体的性质，并确定其空间位置和几何参数，同时结合地质规律，对地质构造和异常分布做出相应的结论。
将各种地质、物探资料综合起来，进行详细的对比和研究，按由已知到未知的原则，总结已知地质条件下的物探异常的特征和规律，然后利用这些特征和规律，结合解释地区的具体情况，对磁异常进行解释推断。
2.3 异常研究
从工作区ΔT化极等值线平面图（见图1）可以看出：
工作区ΔT化极磁力等值线较平缓，磁场值变化幅度较小，磁场异常值一般在-180～20nT之间变化，主要呈现低磁、弱磁的磁性特征。经过磁场化极后，磁场分区特征明显，西南部主要呈现负磁异常特征，磁场值在0nT以下，局部等值线梯度稍大；东北部主要呈现正磁异常特征，磁场值在0nT以上，局部梯度变化稍大。
以工作区沉积地层分布特征及磁场分布的主体形态，幅值变化以及走向分布特征的明显差异作为分区的基本依据，将区内磁场从西向东分出两个个不同特征的磁场区，即：①西部负值低缓磁场区；②东部正值低缓磁场区。
1、西部负值低缓磁场区
面积约占整个工作区的五分之三。区内整体表现为负值磁场，磁场值一般在-180～0nT之间变化，磁场走向特征不明显，磁力等值线较为平缓，总体磁场梯度变化不大，磁场值呈现自西至东方向逐渐升高的趋势；化极处理后，区内磁异常整体幅值降低，西部磁场由化极前正负低缓磁场分布特征转换为整体负磁异常分布特征，表明工作区西部整体地层呈弱磁特征；经ΔT化极后不同高度上延后，该异常仍然呈现负磁场特征，表明该异常在空间上向下具有较大的延深。
2. 东部正值低缓磁场区
面积约占到整个工作区的五分之二。区内整体表现为平缓正值磁场，磁场值一般在0～-20nT之间变化，磁场走向主要呈现北北西向分布特征，磁力等值线稀疏平缓，总体磁场梯度变化不大，局部异常有一定梯度变化；化极处理后，区内磁场值略有下降；经ΔT化极后不同高度上延后，磁场异常值变化范围不大，磁力等值线北北西向特征明显，表明该区域受深部沉积地层及浅部不均匀地质体综合影响，综合反映了工作区内沉积地层的磁性特征和走向分布特征。
煤层自燃时，煤层上下底板经高温烘烤，其磁性表现为高磁特征。因此，局部煤层采空区形成后的磁性特征较原始沉积地层表现为低磁、负磁的局部闭合磁场，这些局部磁性差异为判别煤层采空区提供了解释依据。
根据以上解释原则，在工作区圈定了5处火区，分别为C1、C2、C3、C4、C5，这些火区主要与局部高值磁异常相对应。
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3 结论
通过对磁异常火区推断解释图的定性分析，对工作区的火区进行了圈定，工圈定火区异常范围5处，分别为C1、C2、C3、C4、C5。通过本区磁法探测火区的研究，大致确定在煤层火烧区上的磁异常特点存在共性。地面高精度磁测这种物探方法具有效率高、成本低、工期短等特点，在火烧区探测上也具有有效性，因此地面高精度磁测应是煤田火烧区探测的首选方法。
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