同位素测氡法与瞬变电磁法相结合探测煤田火区燃烧位置
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作者: 杨彦成
【摘 要】利用同位素测氡法来探查煤田煤层自燃的位置及范围，是目前煤田火区勘查工作中常用的方法，但对于煤火燃烧深度的确定，往往很难做出准确判断。利用煤层燃烧后物性上的变化，采用同位素测氡法结合瞬变电磁法，以实际应用为例，确定煤火燃烧的准确位置。
【关键词】煤田火区勘查；同位素测氡法；瞬变电磁法；燃烧深度
煤层自燃是煤田的主要灾害之一，它严重威胁着煤矿的安全生产以及矿区居民的健康，同时也浪费了大量的煤炭资源。如何有效地圈定出煤层燃烧的空间位置（包括平面位置、范围及纵向埋深），是采取针对性灭火施工的前提。经过多年实践，同位素测氡法是探测火区平面位置及范围的有效方法之一，但其无法正面直观地对火区的燃烧深度做出判断，因此需要结合其他有效手段针对火区燃烧深度进行辅助探查。笔者选择瞬变电磁法针对煤火燃烧深度进行辅助探查，获得了良好的效果。
1 同位素测氡和瞬变电磁法基本原理
1.1 同位素测氡法
沉积岩层中均含有不同程度的放射性元素，一般情况下，随着岩层中岩石粒度的变细、岩层颜色的变深，放射性元素的含量逐渐增大。因而煤系地层中的泥岩、炭质泥岩及煤矸石中放射性元素的含量相对较高。其中23892U、23290Th、23592U等放射性元素经衰变后，均产生一代原子序数为86的气态元素子体氡气Rn（22286Rn）、钍射气Th（22086Rn）和锕射气Ac（21986Rn），其中钍射气和锕射气的半衰期很短，而氡气的半衰期则较长（3.825d）。
氡气在岩层中的运移，受岩层中的孔隙度、温度、压力、地下水等诸多因素的控制。当其它条件相近时，氡气的迁移是与岩层的破碎程度、裂隙的发育情况，温度和压力成正相关关系。煤层燃烧时，岩层的孔隙度会增大，温度和压力升高，燃烧煤层所产生的其它气体如CO、CO2、SO2以及热蒸汽等向上拖拽，氡气的运移数量和速度明显增加；因而在火区的上方就会形成氡气的浓度相对的高值区。用在地表测量氡气衰变后产生的γ射线计数值的大小，就可圈定火区的范围，推断煤层的燃烧状况。
活性炭测氡的原理：同位素测氡法采用活性炭为媒介进行测量（又称“活性炭测氡”）：氡是非极性单原子分子，活性炭是一种非极性的强吸附剂，当这两种物质的分子或原子相互接近时，由于电力转动和核振动，发生电子和核之间的相对位移而产生瞬时偶极。这种情况的不断重复使分子之间始终存在色散力，活性炭对氡的吸附正是色散力起主要作用。
将活性炭吸附器埋置于地下一定深度，通过试验确定活性炭所吸附氡量达到最大值即与周围环境中的氡浓度达到一个相对平衡。取出活性炭吸附器，运用专门的γ能谱测量仪测量γ总计数，从而确定氡气浓度值的高低。
1.2 瞬变电磁法
瞬变电磁法是地球物理探测的主要手段之一，通过向地下发射电磁波激励地下目标，接收其产生的二次场，确定被测目标的物理参数。
瞬变电磁法测量的工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中通以阶跃电流，发射电流突然中断，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场，一次磁场在周围传播过程中，遇到地下地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。二次场的大小与地下地质体的电性有关：低阻地质体的感应二次场衰减速度较慢，二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰减的特征，可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，从而可以解决如断层、陷落柱、采空区、燃烧区等地质问题。
作为目标地质体，地下燃烧煤层相对周围正常煤层在电性上呈现高阻特征，这是因为当煤层出现高温燃烧现象，煤层内的水分被蒸发，其体积逐渐减小，煤层内往往会出现裂隙甚至出现烧空和塌陷，这些都是造成高阻特征的因素。
瞬变电磁所观测的原始数据是各测点的各个测道的瞬时感应电压，通过计算，转换成视电阻率、视深度等参数。将其绘制成瞬变电磁多测道电压剖面图、瞬变电磁视电阻率拟断面图来确定地下火区位置及其深度。
2 应用实例
新疆某勘查区内出露地层自下而上有三叠系中上统小泉沟群、侏罗系下统八道湾组（J1b）及第四系（Q）。其中，八道湾组为一套河湖泥炭沼泽相碎屑岩沉积，是主要的含煤地层，在矿区呈近东西向展布。厚度560～650 m。含可采煤层6层，不可采煤层5层。可采煤层厚度0.97～26.31m，平均累计厚度为37.08m。可采煤层自上而下为：四号、五号、六号、七号、八号及九号煤层。其中七号煤层为巨厚煤层，层位稳定，分布广泛，占全区煤层总资源量/储量的78%，为主采煤层；四号、八号煤层厚度、层位稳定，亦为全区可采煤层；五号、六号煤层为较稳定的大部分可采用煤层。该区地表标高一般在1000m～1140m之间。
七号煤层位于六号煤层之下，是该段主要的可采煤层，也是工区内最主要的煤层。该煤层厚度大，结构简单，不含或极少有夹矸，全区稳定。全区多个控煤点煤层厚为19.67～56.07m，平均25.12m。煤层顶板为粉砂岩、粉砂质泥岩及砂砾岩。底板为粉砂岩、炭质泥岩、细粒砂岩。该煤层距上部六号煤层30～65m，煤层在地表已基本火烧。据生产井资料，矿井部分采区因煤层烧变而停止开采。
根据矿方提供的开采资料，选择在勘查区中部由生产资料揭示的已知火区的上部布设了试验线（SY），试验线走向为近南北向，垂直于煤层走向，试验线的地表条件相对较好，无明显干扰源。同位素测氡法及瞬变电磁法在该试验线上均进行了探查试验。试验线平面位置示意图见图1。
图中阴影部分为已知火区的平面投影位置，主要燃烧煤层为七号煤层，煤层南倾，倾角约25°。根据生产资料揭示，已知火区底层标高为+875，巷道内该处煤层发生烧变，成焦炭状，且有渗水现象，因此终止拓进，该位置对应地表有明显的高温现象。 2.1 曲线分析
图2为试验线同位素测氡曲线图，点号280～330段为已知火区位置，该段的氡值曲线出现高值异常，由600个计数值突然拉高至800个计数值，变化幅度很大，是比较典型的火区反映特征；试验线上其他各测点处的测氡计数值均在600左右，且上下浮动较小，曲线变化平缓，与已知火区处有着明显的区别，为正常区反映特征。
图3为试验线瞬变电磁法多测道电压剖面，点号280～330位置处电压曲线变化较大，表现为低压异常，是火区的反映特征，该处与已知火区位置相符。
图4为试验线瞬变电磁法视电阻率等值线拟断面，由图可知，七号煤层在300号点左右视电阻率等值线表现为明显的高阻闭合圈特征，分析认为是火区的反映特征，该处高阻异常的下线标高为+880，与实际火区底部标高基本相符。
2.2 应用效果
通过以上实验情况可知，同位素测氡法和瞬变电磁法两种物探方法在已知火区上的反映特征都很明显，解释结果相互吻合并与已知资料相符。说明采用同位素测氡法和瞬变电磁法探测煤层火区位置效果明显。
根据实验成果，应用两种物探方法对全测区进行了勘查，通过对勘查资料的分析统计，煤层火区和正常地层符合一下物性特征。
同位素测氡法：火区异常区测氡计数值均在650个计数点/3min以上跳动，在测氡曲线上通常表现为高值异常的梯度突变；正常区测氡计数值大多在650个计数点/3min以下变化，表现在测氡曲线上为低氡值较平缓的波动。
瞬变电磁法：火区在多测道电压剖面图上多表现为“低电压异常”，个别有“上下蹦跳”现象；正常地层在多测道电压剖面上表现为“相对高电压的平缓曲线”。火区在视电阻率等值线拟断面图上的表现为“高阻圈闭”、“高阻梯度异常”或“高阻半圈闭”等，变化范围在55～200Ω・m；正常地层在视电阻率等值线拟断面图上表现为“相对低阻、相对低阻闭合圈或半闭合圈、等值线连续呈平缓状分布”等特征，变化范围在25～55Ω・m。
以上述物性统计成果为指导，对全测区物探资料进行了解释，解释出各煤层火区的平面位置、燃烧深度及范围，解释成果经过钻孔验证，准确率达90%以上。
3 结论
通过采用同位素测氡和瞬变电磁法两种物探方法相结合，探测煤田火区的平面位置、燃烧深度及范围边界，取得了良好的效果，说明这是一个煤田火区勘查行之有效的物探方法组合，且具有投资小，施工简单，资料处理解释方便快捷等优点，可以为煤矿开拓和安全生产提供及时可靠的火区资料。
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[责任编辑：邓丽丽]
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