王志励，林金波，刘丽娟，邵 鹏

（1.浙江省水文地质工程地质大队，浙江 宁波 315000；2.江西省煤田地质局 测绘大队，江西 南昌 330001）

煤的自燃不仅造成资源的严重浪费，也对生态环境造成很大的负面影响，直接威胁到煤矿的安全开采。因此，如何快速有效圈定自燃火区的范围已成了煤矿地质勘探工作的一个重要任务。一直以来，国内外众多学者及科研单位对煤矿地下火区开展了大量的研究工作，但是至今还没有一种通用的方法。如磁法探测适用于火源温度较高的封闭火区，但对于温度≤100℃的火区应用效果不是非常理想。测温仪表与测温传感器联合测温法受煤导热性能的影响，在探测深度上受到很大的限制。最近，很多学者对火区自然地物热红外发射率光谱特征进行分析，通过遥感技术实现火区自然地物信息的提取（如地物类型识别、特征地物的判读等），进而确定火源位置和范围〔1〕，但是碍于地表比辐射率参数的差异，未进行全面广泛的推广。刘鸿福团队采用活性炭测氡法结合其它物探方法在内蒙、山西等地的煤矿进行地下火区探测，证明了活性炭测氡法在探测地下火区的有效性〔2〕。本文尝试运用小回线瞬变电磁法结合活性炭测氡法对大同某地下火区进行探测，小回线瞬变电磁法具有探测深度大、分辨率高、不受静态效应影响等优点，克服了火区地表干燥，接地条件差的限制，有效地对自燃区的范围、深度进行了圈定，说明了小回线瞬变电磁法在探测煤矿地下火区中是可行的。

1 小回线瞬变电磁法的基本原理

小回线瞬变电磁法（small loop circle line transient e-lectromagnetic method）是一种利用电磁感应定律探测地下地电信息的地球物理勘探方法。通过观测二次磁场随时间的变化率来解释地下不同深度的空间结构和地质体的电性参数等信息。在瞬变过程的早期，主要是高频成分，由于集肤效应，涡流主要集中于浅表层，因此早期的电磁场主要反映浅表层的地质体信息；瞬变过程的中、晚期，频域中的高频成分逐渐衰减，低频成分作用相对明显，因此中、晚期的电磁场主要反映深部地质体的信息。

小回线瞬变电磁法回线-中心探头装置的感应电动势公式：

式中：μ0为磁导率；I为发射电流；α为发射回线半径；r为场点至发射中心的距离；J1为第一类Bessel函数；λ为积分变量；Rn为n层大地表面的反射系数。

由式子可以看出，大、小回线信号强度随发射时间的延长而增大。一般TEM 在大回线时，发射的电流大约为10A，而小回线需要1200A 左右的电流达到与大回线相当强度的信号。

目前TEM 视电阻率计算方法是把实际测量值置于均匀大地、相同的装置条件下而求出理想状态的均匀半空间的电阻率。换言之，在对小尺寸的地质体勘查时，由于观测的视电阻率值本身就很小，这样就不能忽略数据采集误差。小回线装置恰好解决了这一问题：发射、接收线圈同步移动，不存在电阻率换算所带来的误差，这样就使小回线装置大大提高了瞬变电磁法的探测精度和分辨率。

小回线瞬变电磁法是以介质的电磁性差异为物理基础来解决有关问题的〔4〕。主要是根据火区位置比较干燥，表现出高电阻率的特征，而火区上方受下部烘烤，裂隙水形成水蒸气在上方富集，介质相对潮湿，显示出低电阻率特征，这就为在该区开展物探工作提供了依据。

2 探测实例与应用效果分析

2.1 工作区概况

工作区处于山西大同西南侧，地势相对平缓，总体切割不深。区内地层主要出露有奥陶纪中世峰峰组（O2f）、石炭纪中世本溪组（C2b）、上世太原组（C3t）、二叠纪下世山西组（P1s）、侏罗纪下世永定庄组（J1y）、侏罗纪中世大同组（J2d）、云岗组（J2y）、第四纪中、上更新世（Q2+3）。含煤地层为侏罗纪煤系和石炭二叠纪煤系，其中侏罗纪可采煤层有2＃、3＃、4＃、8＃、9＃、11＃、12＃、14＃、15＃煤9层。

2.2 探测结果与分析

为了能对测氡结果进行有效的确定分析，有必要对工作区内的氡背景值进行了解。在正常区选作了一条试验线，由S1线活性炭测氡剖面（见图1）分析可知，区内氡值背景在700个计数／3min附近。

图2为18＃测线活性炭测氡异常剖面，可以看出剖面线1＃～13＃点氡值曲线异常跳跃明显，最高值为1000个计数／3min左右，均值也在700个计数／3 min以上，为地下煤层自燃造成的氡异常；而14＃～17＃点氡值曲线呈水平状，均值都在700 个计数／3 min以下，应为正常区域。图5为研究区氡异常平面等值线图，图中可以看到明显的高氡值异常带，计数率为700次／3min等值线圈定的范围为地下火区的位置，其它区域为正常区。

图3为18＃测线瞬变电磁多测道剖面图。从图中可以看出剖面线1＃～13＃点中期多测道曲线略向下弯曲，显示出高视电阻率特性；而在过13＃点后（14＃～17＃点）曲线开始上翘，表现出低视电阻率特性。这就较好地显示了火区范围一直延伸到13＃点附近。结合18＃测线瞬变电磁视电阻率剖面图分析（见图4），剖面图1＃～13＃点视电阻率值明显高于14＃～17＃点，埋深大致在30～60m 深度处。

对比小回线瞬变电磁法与活性炭测氡法测量结果，两者均有效反映了地下火区的存在，高视电阻率与高氡值异常对应较好，视电阻率剖面高视电阻率异常清晰地表明了自燃区的空间位置及规模。

图1 S1线活性炭测氡剖面

图2 18线活性炭测氡剖面

图3 瞬变电磁18线多测道剖面

图4 瞬变电磁18线视电阻率剖面

图5 勘探区氡异常平面等值线

3 结语

比较小回线瞬变电磁法与活性炭测氡法测量结果，两者均对地下火区范围进行了有效的圈定；小回线瞬变电磁法更是对自燃区的空间位置进行了确认。因此，开展小回线瞬变电磁法来探测煤矿地下火区是一种较为有效的方法。

但是，由于物探方法选择的原因，对于自燃区是否为多煤层自燃还是单层煤层自燃引起，本次工作未能进行有效辨别。因此，在后期煤层自燃治理时，还需进行激发极化法来确认。

〔1〕夏 军，塔西甫拉提，特依拜，等.煤田火区自然地物热红外发射率光谱测量及其特征〔J〕.煤炭学报，2012，12（37）：2053-2058.

〔2〕刘鸿福，白春明，舒祥泽，等.用测氡技术探测煤矿地下火区的研究〔J〕.煤炭学报，1997，22（4）：402-405.

〔3〕阴建康，闫 述，陈明生.瞬变电磁法小发射回线探测装置及其应用〔J〕.煤田地质与勘探，2007，35（3）：66-68.

〔4〕成剑文.瞬变电磁法在煤矿应用中的研究〔D〕.山西：太原理工大学，2007.