地下煤层自燃地球物理信息提取的应用效果分析 航空物探地下煤层自燃探测效果分析

综上所述，我们认为采用频率域功率谱可视化磁异常深度计算方法可快速确定煤火点埋深，采用磁水平梯度模方法可快速圈定烧变岩体范围，可视化二维、三维磁反演方法可确定烧变岩的埋深、大小及产状。采用氡气深度反演方法可大致确定燃烧区范围及煤火点埋深，采用磁法与氡气深度反演结果相结合可预测煤火燃烧的发展趋势。这些方法都是结合乌达煤田火区实际需要提出的实用方法，也可以推广到其他火区勘探中。

1.煤层自燃边界信息

根据磁异常特征可以圈出烧变岩体分布范围，地面氡气、地表温度场测量结果可以圈出正在燃烧火区范围。根据电法视电阻率断面图异常范围，结合电性及地质资料分析可以圈出剖面不同深度火区范围。

2.煤层自燃深度信息

根据煤层自燃地质模型，煤层自燃后紧靠煤燃烧点顶底板会变成具有磁性的烧变岩体。该烧变岩体的厚度与着火点温度及燃烧时间有关。若能计算出烧变岩体的顶深和底深，则此烧变岩体接近燃烧点边界的厚度中心即是煤层着火点的深度。实际工作中，通过对磁异常的定量解释，使用功率谱法快速给出烧变岩体顶深及中心深度，从宏观了解煤层自燃深度现状；而后通过剖面切线法给定烧变岩体埋深初值，应用三维自动反演快速确定重点异常区内烧变岩体地下分布形态；最后通过人机联做三维反演给出重点异常区内地下磁性体三维展布特征；结合区内地质资料，提取出火区分布范围及着火点深度等信息。

以乌达煤火区为例，在地磁测量区域内，主要分布有两个磁异常（东西相距100m左右）。应用功率谱法计算西部、东部两个磁性体顶深结果分别是21m和41m，中心深度77m；地磁三维反演得出的磁性体顶深分别为18m、31m；底深25m、51m。根据此区南侧100m左右的钻井资料，发生自燃的9层煤西部埋深19～25m，煤层东倾6°左右，东比西深10～20m。从这一结果看，采用磁法计算磁性体顶深误差小于30%。

另外，还可采用地面热红外测量和测氡法直接反演获得地下煤火的燃烧深度和大致范围。

由于乌达试验区地下煤火条件具有多煤层燃烧和采用长臂式综合开采工艺遗留的复合采空区，导致热源的空间结构异常复杂。因此，从地面测量结果得出非常准确的深度位置是不现实的。如果结合现场地质条件和现场热源体（如煤层，具有可燃性的岩石等）分析，可以初步确定获得热源的重心位置，推断地下煤层燃烧体的空间位置和范围。

3.煤层自燃状态信息

煤层自燃主要可分为自燃、燃烧发展、熄灭三个阶段。

自燃开始阶段，无磁异常，温度增高，可能出现氡异常、电性异常。统计乌达测区航空物探资料视电阻率高、无磁异常的区域共有10 处，发现其中五处有热红外异常，可认为这些是刚开始燃烧火区。其他五处高电阻率异常区，可能为岩性或其他因素引起，目前尚无资料证明。

燃烧发展阶段，有磁异常、电异常、热红外异常和放射性异常。若电异常位于磁异常边部，电异常中心区域即为煤层燃烧区域，磁异常与电异常中心连线且指向电异常方向即为火区发展方向。

熄灭阶段，有磁异常、无电性异常体。统计乌达测区航空物探资料中出现有磁异常、无视电阻率异常的区域共有5处。其中4处无热红外异常，可认为是煤层自燃已经结束，温度降为常温，围岩磁性保存，视电阻率恢复常温条件下电阻率。

（一）航磁测量结果的初步解释
图4⁃1⁃2是乌达地区航磁ΔT磁场图。由图可见，该区的磁场总体上表现为较为平静的区域背景磁场，且具有北东高，西南低的变化趋势。在此背景之上叠加有两条近南北向的弧形升高磁异常带以及其他一些零星分布的局部异常。
平静的区域磁场系由该区广泛分布的无磁、弱磁性砂岩等沉积地层及煤层引起。由于煤田地区地质构造、地层分布较为单一，故磁场面貌反映较为平静。
近南北向的弧形升高磁异常带与地下煤火区分布大体相吻合。这类磁异常大都为形态规整的正异常或正负伴生的异常，且负值一般位于异常的北侧。经与煤田地质图及煤火区分布图对比分析，航磁异常带与煤火区分布范围基本吻合。在地面圈出的16个地下煤火区内，均有航磁异常分布。共分布有48个较为孤立的航磁异常，其中36个异常位于火区内，12个位于火区的边部，说明地下煤火区（燃烧过的烧变岩，以及正在燃烧的煤层及围岩）地下介质磁性升高，而在远离煤田区的升高磁异常大多与地表人文干扰体有关。

图4-1-2 内蒙乌达地区航磁ΔT平面图

红色表示磁场强度高，蓝色表示磁场强度低，蓝色实线表示地面勘查圈定的煤火区，C1～C32为磁异常编号
为了进一步分析航磁异常与地下煤层燃烧的对应关系，评价航磁方法探测煤火的效果，2005年选取了21个航磁异常（图4⁃1⁃2中的C01～C32）进行了地面踏勘检查。检查时对孤立的正磁异常以异常中心为中心，对正负伴生的磁异常以梯度带为中心，在一定范围内对煤层燃烧情况进行描述。实地检查发现，21处磁异常中，15处与煤层燃烧有关，其中正在燃烧的煤层有9处，煤层燃烧已经熄灭的有6处。另外5处磁异常与人文活动有关，其中3处由工厂设施引起，2处由燃烧煤矸石堆引起；1处是C13号异常，该异常西侧煤层在燃烧，正对异常上方无着火痕迹，异常东翼有两处废井口有烧过痕迹，推测正对异常下方地下煤层曾经燃烧过，现已经熄灭。本次地面检证结果见表4⁃1⁃1。

表4-1-1 航磁异常与煤层燃烧相关性地面检查结果

图4⁃1⁃3图示了编号为C14的磁异常检查情况，燃烧煤层与磁异常中心位置非常接近。在离C14异常较远处发现一处煤层正在燃烧，见图中“火08”处，其GPS记录的位置正好与一处未编号的磁异常中心相对应。类似的情况还有不少，多表现为燃烧煤层位置与磁异常中心或正负梯度带处相对应，这说明燃烧煤层能引起航磁异常反映。也有例外，检查中发现一处煤层燃烧点，却无磁异常反映。这说明要引起航磁异常，煤层燃烧还得有一定的时间和规模，一般需达到烧变岩形成阶段及以后。

图4-1-3 航磁遥感地检综合图（着火点处）

1—正磁场等值线；2—零磁场等值线；3—负磁场等值线；4—异常检查点及磁异常编号
图4⁃1⁃4图示了编号为C11的死火点处磁异常检查情况。燃烧熄灭的煤层位于正负磁异常的梯度带上。在离异常检查中心较远处发现了一处死火点，图中“死火09”处，其位置正好位于一弱磁异常中心处。类似的情况其他地方也有，说明死火点也能引起航磁异常反映。

图4-1-4 航磁遥感地检综合图（死火点处）

1—正磁场等值线；2—零磁场等值线；3—负磁场等值线；4—异常检查点及磁异常编号
图4⁃1⁃5图示了编号为C06的楼群干扰点处磁异常检查情况。从图中可看出，通过高分辨率遥感图像能清楚地判断出引起磁异常的原因，从而消除干扰磁异常。

图4-1-5 航磁遥感地检综合图（干扰点处）

1—正磁场等值线；2—零磁场等值线；3—负磁场等值线；4—异常检查点及磁异常编号
根据对三类磁源体与航磁异常对应关系的分析来看，具有一定规模的燃烧煤层及燃烧已熄灭煤层均能引起航磁异常。在消除建筑群等引起的干扰磁异常后（这类异常大部分可用遥感图像来区分），航磁异常与煤层燃烧有很好的相关性。即航磁异常能很好地指示煤层燃烧信息，用航磁方法来探测煤火是有效的。
（二）航空电磁测量结果的初步解释
图4⁃1⁃6为23250 Hz航空电磁实虚分量转换的视电阻率图，图中红色表示高视电阻率，蓝色表示低视电阻率。由图可见，高视电阻率主要分布于测区中部、东北部和东南部分。东北部及南东部的高视电阻率分布可能与砂岩地层分布和基岩裸露的山体有关，而测区中部的高视电阻率区明显受测区中部几条弧型断裂的控制，分布范围与乌达煤田煤层范围相一致。本区位于乌达煤田南北向展布的向斜构造西翼东部，煤层较多，地表分布为致密的中粗砂岩。根据电性特征分析，致密的中粗砂岩及煤层电阻率较高，推断该高电阻率分布区整体上与砂岩、煤层分布有关，而此区域内出现的相对高阻异常区与地面勘查圈定地下煤火区基本吻合。与此类似，在测区中部高视电阻率区西部的一条相对高阻带与地面勘查圈定的地下煤火区也吻合较好，说明地下煤层自燃会出现高电阻率。

图4-1-6 内蒙古乌达地区23250Hz电磁转换视电阻率平面图

图中红色表示高电阻率，蓝色表示低电阻率；黑色实线为断裂构造，蓝色实线表示地面勘查圈定的煤火区
为进一步说明视电阻率异常与煤层自燃之间的关系，我们分析了表4⁃1⁃1 中野外检查为着火区（煤层、矸石堆）和熄灭区对应的视电阻率值特征。这个特征主要指检查点所在区域内视电阻率值是相对高还是相对低。统计结果见表4⁃1⁃2。

表4-1-2 视电阻率异常与煤层自燃关系

从表4⁃1⁃2可以看出，该区绝大多数煤火区，无论着火区还是熄灭火区均出现了高视电阻率异常值，只有C13号异常区（熄灭）出现低异常值。
根据上述结果并结合本区电性特征资料，我们认为正在燃烧区（温度高于500℃）煤及砂岩会出现电阻率低值，但根据本区煤层燃烧特点，这样的区域相对较小，产生的视电阻率异常值也不会太大，空中的航电仪器难以探测到。煤层燃烧的上部岩层及附近煤层由于温度升高（小于200℃），电阻率会成倍增大。根据地面热红外资料，这样的区域相对很大。因此，着火点及其附近电阻率会增大。若熄灭点温度仍很高，也会出现电阻率高异常。据此推断，C11磁异常区对应的低电阻率区可能是煤层燃烧（获得磁性）已经结束很久，温度降为常温（电阻率值降低）的区域。再进一步，若是视电阻率高异常区位于磁异常边部，就可推断为煤层自燃着火点位置。
（三）航空电磁、磁剖面异常综合分析
为进一步探讨航空电磁、磁异常与地下煤层自燃的关系，选择L2220线对航磁和电磁异常进行了定量反演，见图4⁃1⁃7。与此同时德国地调局（BGR）G.Schaumann博士采用BGR开发的软件进行了带地形的定量反演，见图4⁃1⁃8。
在该剖面1800m、3200m、4800m处存在明显的航磁异常，其中4800m处的负异常系位于南部的五虎山矿部建筑引起的航磁异常的伴生负异常。在1800m、3200m处的航磁异常对应电磁响应低，转换的视电阻率值分别出现大于60Ω·m或几百欧·米的异常，经过地面查证，二者均为已知的地下煤火区。在范围6000～7000m，出现的视电阻率高值异常系出露的基岩引起。其他单一的弱磁异常或高阻电磁异常，为地下具有磁性介质以及高阻无磁性的介质所引起。
通过定量解释，可得出如下初步结论：
（1）在视电阻率断面1800m处存在一个宽度约100m，从地表向下延深约20m的相对高阻体，视电阻率值60 Ω·m左右。航磁异常正演剖面上存在一个顶深约15m的磁性体，范围与上述高阻体基本吻合。据地质资料，该区主要分布有9＃、10＃、12＃煤层，9＃埋深约19m，12＃煤层距地表54～64m，现已探明9＃、10＃煤层正在燃烧。
推断该磁性高阻体系地下煤火的反映，其范围较小是由于该区煤火区范围相对较小，煤火燃烧时间相对较短。
（2）在视电阻率断面3200m处存在一个宽度约150～200m，从地表向下延深约35m的相对高阻体，视电阻率值大于300 Ω·m，在对应位置反演出的磁性体分布特征与高阻体基本吻合。该区煤火区范围相对较大，为典型的燃烧时间较长的火区。如图4⁃1⁃8，可见在剖面2000～4500m处，在该高阻体的下方，还分布有一个厚度约70m的层状高阻体。据Ⅱ号勘探线已知区9＃、10＃、12＃煤层总厚度约35～45m，与此厚度类似，推断为地下煤层引起；且在剖面3200m着火处与上述高阻体相连。由于深部尚未出现磁性体，表明该区煤层仅在浅部燃烧。

图4-1-7 内蒙古乌达地区L2220线综合解释剖面图

图中ΔT表示磁场强度；PQ表示电磁虚分量；PI表示电磁实分量；RES表示不同频率反演得出的视电阻率；下部彩色图由电磁实虚分量计算的电阻率深度断面；最下部剖面为航磁异常反演出的磁性体分布
（四）地下煤层自燃航空物探异常的识别与干扰异常的剔除方法
由前面的分析可知，在乌达煤田分布有明显的航磁和电磁异常。引起这些异常的原因是多种多样的，航电异常的成因相对更复杂。
通过对航磁、电磁测量的综合分析，通常可以排除其他非煤火原因引起的单一磁或电磁异常，较为有效地圈定煤火区的范围。在煤田区域范围内，当地下介质具有磁性高，并同时表现为高阻特征时，通常为地下煤火的反映。但是，要有效地识别地下煤层自燃引起的异常，剔除干扰异常仍需要结合高分辨率遥感图像和测区内地质资料等来进行综合分析以及地面踏勘。
可以采取下述方法进行异常的快速评价与解释：
（1）采用高分辨率遥感图像资料，剔除地表建筑物、矸石堆等人文干扰引起的航磁异常和电磁异常。
（2）结合区内地质资料和遥感资料，对航空物探异常进行定性解释，可初步区分煤火引起的异常及基岩等非煤层自燃引起的异常。
（3）对航磁、航电资料对比分析，进一步识别出地球物理前提较好的地下煤层自燃异常。通常，同时出现航磁异常和航电异常时，该类异常由地下煤层自燃引起的可能性最大，燃烧的规模较大且可能还在燃烧之中。当只有高电阻率异常而无航磁异常时，可能是地下煤层燃烧时间不长且规模较小，尚未达到形成烧变岩以致引起磁异常的阶段；也可能是其他地质原因引起。当只有航磁异常而无高电阻率异常时，有可能是地下煤火已经熄灭且恢复到常温状态。如果和ASTER等遥感资料提取的热异常信息进行综合对比分析，识别煤火异常的效果更佳。

图4-1-8 内蒙古乌达地区L2220线综合解释剖面图

（G.Schaumann计算）
（4）对经过上述综合分析筛选的异常进行地面踏勘检查。在野外踏勘过程中，在异常范围内观察地表特征异常，如裂缝冒烟、过火痕迹等判断是否存在地下煤层自燃；或者进行地表红外线测温，根据温度异常判断是否存在地下煤层自燃。同时进行路线地质踏勘，为异常解释提供依据。
（5）在踏勘的基础上，对重点航磁和航电异常进行定量计算，反演地下煤火点的深度、延伸、分布范围等信息，甚至可以大致推断地下煤火燃烧的发展趋势。
（6）开展地面物探方法的精细测量与验证。
（7）钻探验证。

（一）地下煤层自燃遥感和地球物理探测基础指标
（1）煤田地表区域热异常，数据获取平台为多时相夜间卫星热红外遥感，基本图件为煤田地表遥感热异常图。可与高空间分辨率遥感图像进行复合。为对比分析，制图放大比例尺可为1：10万～1：1万。
（2）卫星热异常靶区地面特征点、剖面和区段的温度参数，数据获取平台为航空高光谱热红外成像仪、地面高分辨率热红外成像仪，基本图件为1：5000地面温度异常图（航空）或地面热红外成像温度异常图。
（3）与煤田煤火有关的地表烧变岩、喷出物、芒硝、硫磺、土壤和植被等高光谱异常，数据获取平台为航天（空）高光谱遥感和地面波谱仪，基本图件为1：5000或1：1万高光谱异常图。
（4）地球物理探测异常，数据获取平台为直升机航磁、航电测量系统，基本图件为航磁、航电异常图，制图比例尺为1：1万，重点灭火区编制1：5000三维航磁、航电反演成果图。
（5）航磁、航电异常靶区地面特征剖面，区域的地磁、氡气、米测温、放射性、电磁场参数异常，基本图件为1：5000磁、氡气、电磁异常、米测温图像（或剖面异常图）。
（二）地下煤层自燃遥感和地球物理探测解释（译）成果指标
（1）地面烧变岩、燃烧中心（喷射物质型）、燃烧裂隙、燃烧系统的分布、面积，数据获取平台为高空间分辨率卫星遥感，成果图件为1：1万地表燃烧系统和烧变岩解译分布图。
（2）地下燃烧体的深度、状态、位置及空间展布范围，数据获取平台为1：5000～1：10000直升机航磁、航电测量；重点火区的地面磁法、测氡法和电法测量，成果图件为1：1万～1：5000地下燃烧体分布图和电法电阻率反演断面图。
（3）地下煤层自燃区的分布、状态、埋深及其变化，主要信息源为多时相卫星（航空）热红外遥感（温度）异常、地面热红外成像温度异常、遥感高光谱异常、地表燃烧系统与烧变岩解译分布图及磁、电磁、氡气异常反演的地下燃烧体分布图。成果图件为1：1万火区分布、状态、埋深及其变化趋势图。

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