基于高精度磁测扫面结合二维地震剖面的自燃煤层勘探方法研究

基于高精度磁测扫面结合二维地震剖面的自燃煤层勘探方法研究

0综合采集技术的应用近年来，对煤矿开采、燃烧和无矿区域等特殊地质现象进行了大量研究。目前，采用了多方法进行地质调查、勘探、自然水位、土壤测量、文物测量、红外测量、磁强测量、地震勘探等。其中，综合土壤调查方法和方法相对简单、直观、快速，能够取得良好的地质效果。在陕北煤田,普遍存在可采煤层自燃的情况,主采煤层的自燃将直接影响煤炭储量的计算及开发利用,因此查明煤层自燃区的边界及分布情况是本次勘探的的主要目的。神府矿区石窑店井田位于陕北侏罗纪煤田的中部,储量巨大、煤层稳定、埋藏适中、结构简单。井田为黄土丘陵沟壑地貌单元,自然和风成沙丘分布比较密集。本井田可采煤层较多,煤层间距较小,2-2号煤层埋藏较浅,沿沟边出露区大部分自燃,且多被黄土和风成沙丘覆盖。1处理工艺地层石窑店井田位于华北地台鄂尔多斯台向斜陕北斜坡的背部,基底为前震旦系结晶岩系。井田内地层由老到新依次为三叠系上统永坪组,侏罗系下统富县组,中统延安组,新生界新近系上新统,第四系。井田内含煤地层为侏罗系中统延安组,其中可采煤层6层,主要可采煤层3层,由上而下分别为2-2、3-2、5-2。其中2-2煤层赋存于延安组第四段的中下部,多分布于梁峁上,露头多已自燃,平均厚度2.71m,结构简单,一般不含夹矸;3-2煤层位于延安组第三段的中部,煤层平均厚度2.17m,煤层结构简单,上距2-2煤层平均42.21m;5-2煤层位于延安组第一段的中上部,煤层平均厚度2.74m,煤层结构简单,上距3-2煤层平均37m。2地球物理特征2.1主岩质在热作用下的磁化率此次勘查工作做了详细的磁参数测定,对煤、泥岩、砂岩和烧变岩等岩石进行了系统的标本采集和测定,测定和统计结果见表1。煤层上下围岩中的泥岩、砂岩或泥砂岩互层,一般含有大量的菱铁矿及黄铁矿结核,磁性微弱或无磁性。但煤层自燃时,岩石受到高温烘烤,其中铁质成分发生物理化学变化,形成磁性物质,并且保留有较强的剩磁,其磁化率和剩余磁化强度常见值一般为烧变前的几倍甚至几十倍,与原岩相比较存在着明显的磁性异常,其剩磁强度最大可达20560(10-3A/m)。磁异常特征在剖面曲线上表现为:正常含煤区磁异常低缓且平稳,而自燃区则有明显磁异常,异常尖锐,呈锯齿状变化,为高精度磁测勘查煤层自然边界提供了磁性前提条件。2.2煤层反射波组的形成煤层在燃烧过程中,煤层上、下部围岩由于高温烘烤而形成烧变岩,岩体破碎、裂隙发育,呈现明显的低速度特征,煤层性质发生了改变,破坏或改变了煤层与围岩的波阻抗差异,和正常煤层分布区相比较而言,难于形成明显、波组稳定与连续特征的煤层反射波组。在煤层自燃分布区地震时间剖面上的反射波特征:反射波突然消失或尖灭,品质变差,变得杂乱无章。二维地震勘探可以根据煤层反射波出现的上述异常解释和圈定出煤层火烧区的边界,确定煤层自燃的埋藏深度。3煤层自适应界面空间分布特征在石窑店井田煤层自燃勘查中,采取了综合物探技术手段进行,采用了“放射状”不规则网格高精度磁测扫面和二维地震剖面相结合勘查技术方案。以期准确的圈定煤层自燃边界的空间分布特征:自燃煤层埋深、平面分布形态和范围。“放射状”高精度磁测的测线垂直于已知煤层自燃边界的走向(图1),共布设10条(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10);二维地震勘探布设5条勘探线(D2、D4、D6、D8、D10),于磁法剖面重合。3.1高精度磁强测量方法3.1.1野外观测系统(1)基点(日变站)选择。基点选在勘探区附近磁场变化平稳的地段,在基点作十字短剖面及探头高度试验,在半径2.0m,高差0.5m时,磁场变化最大量为1.6nT,满足规范要求。(2)日变站观测。此次高精度日变站与基点合并,日变站观测时间间隔为30s,开机时间比开工时间早10min,关机时间比收工时间晚10min。(3)测点观测。野外测线测点一般情况下进行一次读数,对突变点或异常进行两次读数;野外闭合观测单元均在12h以内;野外测线端点仍在异常场内时,记录测点附近地质特征并延长,保证每条测线磁异常特征的完整。(3)质量检查。野外工作质量检查采用“一同三不同”的方法进行,即同一点位、不同仪器、不同时间、不同操作员进行检查。此次高精度磁测完成高精度磁测剖面32.57km,检查点均匀分布全区,野外观测均方根误差为:ε=±1.47nT,满足规范要求。3.1.2日变、高程、正常场正时程序(1)基点改正。在基点上选择磁场变化最平稳的时间,早晨5-6时进行日变观测,读数间隔20s,采集数据120个,取基本均值作为本区T0值。(2)日变观测。每日的日变数据进行5点圆滑后方用于磁测资料的日变改正工作。(3)高程改正。利用基点磁场强度T0值计算工区磁场垂直梯度为Th=0.0256nT/m,然后利用测量成果进行高度改正,经检查高度改正均方误差ε=±0.041nT。(4)正常场改正。根据规范附录B中的中国际地磁场参考模型计算其正常梯度Tx=0.048nT/m,利用测量成果进行正常场改正,经检查正常场改正误差ε=±0.032nT。3.2二维地震勘探方法3.2.1观测系统及激发方法根据该区勘探目的,结合井田内2-2号煤层自燃情况分布特征,并通过各种试验后,最终确定本次二维地震勘探观测系统采用48道接收,道间距10m,中间激发,覆盖次数12次,激发采用浅井炮激发,井深3~5m,药量1.0~1.5kg,雷管采用地震勘探专用瞬发管。完成二维地震剖面长度15.62km。3.2.2地表一致性波场净化处理本次二维地震资料处理过程着重进行了以下环节:(1)初至折射静校正处理。确保所拾取的初至折射波必须来自于全区能够连续追踪的同一层,以建立精确的近地表模型。通过处理后初至波平滑顺畅,校正效果明显。(2)波场净化处理。通过波场净化处理后,面波、声波及其它随机干扰波得到了有效的去除,目的层反射波组更加清晰、突出。(3)地表一致性处理。在地表一致性振幅补偿的基础上,选用合适的反褶积方法和参数使剖面的分辨率提高。通过系统测试最终选择地表一致性预测反褶积,反褶积步长选择12ms。完成了在炮域,接收点域、共偏移距域的地表一致性预测,同时压缩了子波,提高了分辨率及信噪比。野外采集资料经整理、处理后,对资料采用了多种方法进行分析解释,主要利用磁法剖面图和二维地震时间剖面图进行分析解释。4煤层二十七日开环结果及分析以本次勘探的D2、D4线为例:从D2线磁法ΔT剖面图(图2)上可以看出,测线在100~225点,磁异常明显,均表现出高ΔT异常,呈锯齿状变化,局部梯度较陡,ΔT值最大在90nT左右,推断解释为煤层自燃区。而从225~300点,磁异常曲线变化平缓且稳定,ΔT异常值一般在12nT左右,说明该地段煤层未发生自燃现象。从D4线磁法ΔT剖面图(图3)上可以看出,从100~198点均表现出高ΔT异常,ΔT值最大在95nT左右,推断解释为煤层自燃区;而从198~250点,磁异常比较平缓,ΔT异常值一般在9nT左右,说明该地段煤层未发生自燃现象。从D2线二维地震时间剖面图(图4)上可以看出,剖面总体波组连续性较好,能量中-强,但是2-2号煤层反射波组在CDP1~120号地震反射波组凌乱,波组品质变差,甚至消失,推断解释为2-2号煤层自燃区。3-2、5-2号煤层由于受到2-2号煤层自燃影响,导致反射波组连续性变差,初步解释3-2、5-2号煤层未发生自燃现象。D2线时间剖面在CDP122号点2-2号煤层反射波时间为130ms,该区平均速度为3000m/s,通过对地震时间剖面进行时深转换,预测该自燃区为2-2号煤层自燃,深度195m左右。从D4线二维地震时间剖面图(图5)上可以看出,剖面总体波组连续性较好,能量较强,波形稳定,但是2-2号煤层反射波组在CDP1~80号地震反射波组凌乱,波组品质变差,甚至消失,推断解释为煤层自燃区。3-2、5-2号煤层由于受到2-2号煤层自燃影响,导致反射波组连续性变差,初步解释3-2、5-2号煤层未发生自燃现象。D4线时间剖面在CDP83号点2-2号煤层反射波时间为128ms,该区平均速度为3000m/s,通过对地震时间剖面进行时深转换,预测该自燃区为2-2号煤层自燃,深度192m左右。综上所述,高精度磁测与二维地震勘查资料的对比和分析,两种物探方法的异常特征明显,推断解释的煤层自燃区的范围和边界吻合较好。5异常边界验证为了验证该区所圈定自燃边界是准确性和可靠性,在D2线高精度磁异常段布设了精测短剖面,进行煤层自燃区异常边界精确定位。在异常边界布设了两个钻孔H5、H6进行对孔验证(图6),两孔相距80m。其中H5钻孔2-2号煤层完整,埋深203.75m,H6钻孔在186.5m处见烧变岩,验证结果与二维地震和高精度磁测异常解释的边界和埋藏深度吻合较好,埋深误差8.75m,效果明显。说明选择的物探勘查方法技术组合是有效的,综合分析和研究成果是合理的。6井田煤层二十七日开圈定此次石窑店井田煤层自燃区勘查工作中,采用的“放射状”不规则网格高精度磁测扫面和骨架二维地震剖面相结合勘查技术方案是有效的,合理的,取得了良好的地质勘查效果,比较准确的圈定了井田煤层自燃区的空间分布特征:煤层自燃