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陕北煤田新老火区的磁测特性及灭火措施
发布时间:2021-11-03   点击量:2669    分享到:


摘要

煤田火烧区的存在,给勘探、建井、开矿和环境带来一定的危害,通过对陕北煤田火烧区区域构造和煤层火烧区磁性特征的分析研究,利用磁测圈定出新老火区的分布,推测出煤层地下燃烧情况,并采取多种手段对火烧区的预防治理,达到了一定的灭火效果,挽回诸多经济损失。

1.前言

陕西是煤炭资源大省,尤其陕西北部赋存着大量的煤炭资源,但由于干旱少雨等环境因素,在沟谷煤层出露部位经阳光强烈照射,煤层出现氧化发热自燃现象,直接影响了储量的准确估算及后期开采,所以在煤田勘探工作中,查明火烧区的范围及有效治理是很有必要的。

2.测区地质、地层、构造

本测区属侏罗纪煤田地层区划属华北区鄂尔多斯盆地分区中生代后期,受燕山运动的影响,陕北区域东部抬升,地层遭受强烈剥蚀,鄂尔多斯台向斜东翼陕北斜坡上,为北西向倾斜的单斜构造,产状较平缓,倾角左右,地质构造简单,没有大的构造断裂。地层从老至新为:三叠系上统永坪组(T3y),侏罗系中统延安组(J2y),第三系(N2)及第四系(Q4)。其中延安组(J2y)为主要煤系地层。

本测区延安组以陆源碎屑沉积岩、浅灰白色中细粒砂岩为主,其次为灰色粉砂岩、砂质泥岩和泥岩,少有粗碎屑岩。另外夹有一定具有经济意义的可燃有机岩—煤、碳质泥岩和油页岩薄层,另有极少量的内源沉积岩,主要有石灰岩、泥灰岩、菱铁矿、黄铁矿。

3.井田现状和可采煤层

3.1 井田煤层

井田内延安组煤系地层自下而上分为一~五段,每段各含一个煤组,自上而下编为1~5号煤组,本矿区范围内主要为1-2上1-22-2四层可采煤层,底板标高分别为:1115-1120m、1065-1075m和1040-1050m。其中1-1煤层位于延安组第五段上部,仅在测区东南侧有厚度为1m的煤层存在;1-2上煤层位于延安组第五段中上部,分布于测区的南部,平均厚度3.55m;1-2煤层位于延安组第五段中部,在测区大部分可采,平均厚度9.41m,厚度变化不大,规律性明显,结构较简单,不含夹矸,属稳定型煤层;2-2煤层位于延安组第四段中部,全部可采,平均厚度4.75m,厚度变化不大,规律性明显,结构较简单,属稳定型煤层。

3.2井田开采现状

井田地势为南高北低,北侧紧邻河道,东北部河道处有村庄(见图1),下部煤层未开采,中北部保留有小面积的原始地貌,其余地方地表都已被被剥离,东西两部分均已揭露到1-2煤层底板,西南部有两块小面积已露采至2-2煤层。井田内1-2上煤和2-2煤都存在不同程度的明火区,共五处,主要由热红外遥感圈定出范围,其中火1为揭露煤层火,火2和火3主要为矸石堆火,火4和火5主要为揭露煤层火和采空区火。

 图片2.png

1  井田内煤层开采现状

4.测区地球物理特征

通过对井田出露地表和钻孔得到的火烧岩、粘土、砂岩、砂泥岩进行磁参数测定,得到了该区磁物性参数资料(表1)。

1  区内磁物性参数测定统计表

岩性

标本块数

磁化率(单位:π×10-6 SI

剩余磁化强度(单位:10-3A/m

变化范围

平均值

变化范围

平均值

粘土

33

40.02120.0

1001.0

42.01003.0

580.0

砂岩

35

0.0205.6

128.7

0113.5

75.8

泥岩

36

0.0215.3

133.5

0117.8

77.1

火烧岩

41

79.04360.6

1379.4

88.01894.7

789.0

井田地表绝大部分被第四系黄土和沙层覆盖;粘土在靠近河道处出露地表,具一定磁性,成为本次磁测工作的主要干扰源;砂岩、泥岩本身磁性微弱,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,这是识别边界的重要特征。

5.磁法在新老火区的特征

5.1 磁法在火烧区的勘探原理

煤层自燃过程中,煤层及围岩中铁、磷等物质发生复杂的化学变化,煤层顶底板随着煤层燃烧以后温度的降低,冷却以后形成烧变岩,烧变岩温度降低后保留了较强的热剩磁,其烧变岩和正常围岩具有了明显的磁性差异,磁法勘探正是利用这一明显的磁性差异,来解决煤层自燃后火烧范围的。

5.2煤层烧变与磁异常分析

煤层在燃烧的过程中,煤层上覆岩石受到高温烘烤,由于高温和地磁场的作用,铁质矿物经氧化还原及弱场冷却的物理化学变化,产生了较强的热剩磁,相应的岩层形成了具有较强磁性的烧变岩,使烧变岩与围岩产生明显的磁性差异,利用磁参数测量可以圈出煤层火区燃烧范围,也会在磁异常中有所反应。

煤层的顶、底板原岩中含有大量的黄铁矿及菱铁矿结核,但含矿原岩磁性较微弱,磁化率(K)值一般很小。通过资料收集了解本次区为火烧区,当煤层过火后,煤层顶、底板的原岩受到高温烘烤,其中的铁质矿物成分发生化学变化,从而形成含铁磁性矿物的烧变岩。温度降低后,就保留较强的热剩磁,其磁化率(K)和剩余磁化强度(Jr)的常见值一般为燃烧变质前的数倍至数十倍,从而形成了明显的磁性差异,相应的岩层形成了具有较强磁性的烧变岩,使烧变岩与围岩产生明显的磁性差异。

另外,未燃烧煤层磁性非常弱或无磁性,部分燃烧的煤层和正在燃烧的煤层磁性也很小,而熄灭的烧变岩磁性最强,因此,用磁法勘探火烧区实际上反映的是发火带到熄灭带的范围。

5.3新老火区磁性特征

磁异常成果解释结果,由T等值线图可以看出(图2),整体为正中高磁异常;东北角为负高磁异常,为正常煤层;中间未开挖区为正中高磁异常;其余正高磁异常主要由老烧变岩所致。

图片3.png 

2  磁法解释图

21个钻孔验证,其中ZK3131721共四个钻孔有火烧现象,其余孔均为正常煤层,综合考虑下勾绘出煤层自然边界,推测圈定出火烧区7处,其中死火区4处,活火区3处,磁法异常区9处,具体分析如下:

死活区(即老火区):SH1为正高磁异常,最高为864 nT,地表为原始地貌第四系覆盖物,未见工程开挖治理,可见多处裂缝,塌陷区有热气冒出,磁场值向上延拓50米后,该异常基本消失,主要由早期1-2煤层自燃形成的烧变岩引起;SH2为正中高磁异常,最高为562 nT,地表大部分为第四系覆盖层,未见工程开挖治理,无明显火烧特征,成因同于SH1SH3为正中高磁异常,最高为358nT,地表已全部工程开挖治理,形成了落差5m的阶梯状陡崖,主要由早期1-2煤层自燃形成的烧变岩引起;SH4磁测值除零星几处高值外都为正的中磁异常,最高为600nT,地表为1-2煤层底板,北部为后期转运来的烧变岩,上层覆盖有较厚的黄沙,未见明显火烧现象,南部表现为条带状中高磁异常,主要由堆积的烧变岩引起。

活火区(即新火区,正在燃烧)HH1为正中高磁异常,最高为980 nT,地表已开挖治理,见煤层燃烧,多处裂缝及塌陷区有热气冒出,异常南部与火4重合,磁场值向上延拓50米后,该异常仍然存在,主要由1-2煤层自燃形成的烧变岩引起,异常边界为火烧过渡带;HH2为正中高磁异常,最高为676 nT。地表被开挖治理,见煤层燃烧,位于火5北部,磁场值向上延拓50米后,该异常值降低但范围变大,推测该火烧烘烤向西南蔓延,异常东部为1-2煤层自燃形成的烧变岩;HH3为正中高磁异常,磁测值北高南低,最高为384 nT,推测由陡坎边煤层出露而烧变形成的弱磁性烧变岩引起,与火4南部相吻合;

磁异常区: YC1为负低磁异常,最小为-1135nT,地表多为村庄和耕地,零星的正磁异常为铁器及房屋等干扰造成,煤层不存在自燃和开采;YC2YC3YC4YC5YC6YC7都为正高磁异常,最大值为642969 nT,均由地表堆放的烧变岩所致;YC8为正中高磁异常,最高为434 nT,北紧火5,向东为工程开挖的分界线,地表可见数排未见爆破的钻孔,属于待爆破开挖区,由地层松散及浅部岩层烧变所致;YC9为正中高磁异常,最大为359 nT,地表已被开挖揭露,表层岩石松散破碎,并覆盖有大量烧变岩碎屑残留。

综上所述,新老火区都为正高磁异常,不同之处为老火区磁异常值极高,并且成片状,对磁场值进行上沿处理后,规模较小的老火区磁异常会减弱甚至消失,而规模较大的老火区不会有太大变化;新火区整体为高磁异常,但磁场值高低参差不齐,零星伴有中磁特征,这与煤层的燃烧进度和程度不同有很大的关系,故而要区分新老火区仅通过磁测之外,还需结合其他资料进行甄别处理。

6. 煤田火烧区的形成及灭火措施

6.1煤田火烧区成因

按照必要条件分为三个要素:①充足的空气(氧化助燃),②适当的高温(聚热大于散热),③充足的时间(形成火区全部过程)

按照形成因素可分为三方面:①地理环境,陕北煤田属于中温带干旱大陆性季风气候,而又属西风带日照充足四季分明气候多变温差较大气温偏寒雨少不匀春多风沙夏季多雨冬季受干燥而寒冷的变性极地大陆性气团控制,形成低湿、寒冷、降水稀少的气候特点,这些因素加快了出露煤层吸热氧化自燃的速度,是形成煤田火烧区的主要原因。

②自然因素,干旱半干旱区岩层和裸露的煤层经风化大量吸热,煤层颗粒孔隙内部原保留有部分CO2 ,当温度上升达到临界温度时,煤颗粒孔隙间的 CO2 借热浮力作用挣脱于煤层,煤颗粒之间又获得外部新的空气补给,当内存温度达到一定高温 ( 80℃以上),聚热温度大于散热温度时,就可以引起煤本身快速增温而燃烧,并释放出一定数量的CO2 气体,森林因久旱、干燥、少雨而产生自然火灾,雷电激化也会引起自燃,荒漠地表腐殖植土氧化自热燃烧,都会引起煤燃烧,这种火灾从古至今都有发生。

③人为因素,从人类钻木取火开始到现代的矿井和露天采矿,都存在着人为火灾的因素。现代煤矿发生的火灾,主要是生产管理上的问题,如开采方法不当,不能及时通风、排尘、井下火点不能及时熄灭等因素引发了矿内瓦斯暴炸,引起煤层燃烧。西北是煤田火灾多发区, 究其原因不仅与西北地区自然地理气候环境有关,而且与人的管理不善也有关。

6.2灭火方法

火区灭火现场条件可选择适当的灭火方法:①沙土压埋法,成本低、效果较好,②水土冲填法,③水冲降温法,④山脊火区暴破剥离法,⑤巷道隔离法,⑥液体二氧化碳灭火法,⑦冷弹高压膨胀灭火法(适用井下采区)。

灭火效果:井田内火4和火51-22-2两层煤自燃,防治前着火规模很大,防治时先后采用爆破剥离、沙土压埋、沙土压埋和水冲降温发等处理方法,地表明火被全部控制,再者由于水源方便,长期进行浇灌降温,效果尤为明显,因受地区限制,黄土极少,仅用沙子覆盖住了明火口,其内部仍存在阴燃,密封效果欠佳;火2和火3主要为2-2煤露采后自燃,规模小,采用了沙土压埋法,效果好;由于火1处在井田边界的西侧陡坎处,位置高,灭火成本较大,暂无治理。

7. 结论

1、磁测基本划定了煤田新老火区边界线,通过钻孔进一步验证了火区边界的可靠性,作者认为,利用磁测方法是确定煤田火烧区边界的一种简单、方便、有效方法之一。

2、磁测在区分煤田新老火区上效果较为明显,但受地形地质条件、煤层的燃烧进度和程度等影响,明确区分的话还需其他资料进而甄别。

3、在煤田火区防治方面,要采用多种方法结合的手段进行,必会达到一定的防治效果,挽回大量的经济损失,

【参考文献】:

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[2]陈小龙 高精度磁测在陕北煤田火烧区的应用 [J].陕西地质,2013,12(2).

[3]张秀山. 新疆煤田火烧区特征及其勘探灭火问题的探讨 [J].西北地质 2001,34(1).