胡文广 雷鸣 李戍
中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 河北保定 071051
摘 要：准确而有效地确定煤层自燃区范围是煤矿安全生产亟待解决的一个难题。根据煤层自燃区岩石的物性差异，结合地质资料，采用了α卡法和自然电场法相结合的综合物探方法来圈定煤层自燃区范围。结果表明应用α卡法和自然电场法确定煤层自燃区具有明显的地质效果。
关键词：煤层自燃区；α卡法；自然电场法；异常；综合物探
0 引 言
煤层自燃区是指地下煤层发生自燃现象的地区。煤层自燃不仅对国家煤炭资源造成重大损失，而且还严重地污染空气，影响当地的经济发展和生态环境。为了有效治理煤层自燃，就必须了解自燃煤层的范围及其自燃的发展方向。目前煤层自燃区勘探方法主要有遥感、钻探、巷探、物探、化探等，其中物探方法以其低成本、高效率、可进行面积性勘探而受到广泛的重视[ 1 ]。根据各地煤层自燃的不同特点，许多学者应用相应的物探方法确定煤层自燃区的范围，取得了大量而明显的成果[ 2-3 ]。
1 煤层自燃的特征和探测方法
煤层自燃，是煤层内某些自燃物质在一定条件下发生物理化学变化，聚积大量热量，最终导致发火的一种自然现象。 煤层自燃主要受自然地理和气候环境、低的煤变质程度以及丝炭化组分的高含量等因素影响，且丝炭化物质的高含量是煤层自燃的关键和导火物质。煤层自燃后，上覆顶板岩石常因火烧而发生颜色、成分、结构、构造和物性的变化，形成了不同于原岩的自燃“变质”岩——烧变岩。与原岩比较，烧变岩密度减小，孔隙度显著增加[ 4 ]。
实际工作中，常采用物探方法对煤层自燃的位置进行准确的探测。常用的物探方法有微重力法勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探以及放射性勘探（如α卡法）等。
本文选择α卡法和自然电场法为例，介绍综合物探在某煤矿煤层自燃区探测上良好的应用效果。
2 探测煤层自燃区的α卡法和自然电场法
2.1α卡法
α卡法是一种放射性勘探方法，属于α径迹测量，是一种累计法测氡技术。α卡是一种用对氡的衰变子体具有强吸附力的材料（聚酯镀铝薄膜或自身带静电的材料）制成的卡片，将其放在倒置的杯子里，埋在地下聚集土壤中氡子体的沉淀物。数小时后取出卡片，在现场用α辐射仪测量卡片上沉淀物放出的α射线强度，即能发现微弱的放射性异常[ 5 ]。
当煤层自燃时，氡气的溶解度随温度的升高而降低，大大提高了氡气由下向上迁移的数量。氡气不断聚集，形成放射性元素的富集。烧变岩孔隙度大且裂隙多，为氡气的运移提供了良好的条件。煤层燃烧到一定程度，顶板支撑不住而产生塌落，其破碎程度大于正常地层，破碎范围内氡气运移的通道更为理想。再考虑到地温的差异、地压的差别、地下水的对流作用等，大大增加了上覆岩层的透气能力，将在自燃煤层上方形成一股向上运移的氡气气流。因此，在煤层自燃区上方地表将出现放射性氡气异常高值。
2.2自然电场法
在氧化还原作用、地下水渗透作用、扩散作用以及岩石颗粒吸附作用的条件下，地下岩、矿石周边自然形成的电场，称为自然电场。自然电场法观测的是地下目标地质体与其围岩之间的电化学电场。野外资料表明，电化学电场通常在地表能引起的自然电位值在几十到几百毫伏之间。常用的自然电场法观测方式是电位观测，观测时将N极置于远离目标地质体且电场稳定的正常场区内，M极沿测线逐点移动并观测自然电位值的大小。根据实测的自然电位值，可以绘制自然电位剖面图、自然电位平面剖面图或自然电位平面等值线图[ 5 ]。
煤层自燃是一个氧化过程，周围岩层中的裂隙水不断向煤层自燃区渗透，形成了带电离子的导电溶液，在该过程中将产生氧化还原电场，在地表就能观测到自然电场的分布。一般而言，煤层自燃区上方地表出现自然电位异常高值。
3 应用实例
3.1α卡法和自然电场法野外工作方法
在工区共进行了10条测线的α卡法和自然电场法野外数据采集工作。
α卡法使用HFS-1型辐射仪，挖坑深度40 cm，埋杯时间大于4h。测线距为10m，测点距为10m，测网密度为10×10m。
自然电场法使用DDC-8电子自动补偿仪。在α卡法各测点上均进行了自然电场法的观测工作。
3.2异常解释
对所有的α卡法实测数据进行必要的整理（如圆滑去除随机干扰等），绘制α射线强度脉冲读数剖面图、α射线强度脉冲读数平面剖面图和α射线强度脉冲读数平面等值线图。
对自然电场法实测数据进行必要的整理，然后绘制自然电位剖面图、自然电位平面剖面图和自然电位平面等值线图。
选取10号测线α射线强度脉冲读数剖面图（图1）和10号测线自然电位剖面图（图2），说明α卡法和自然电场法对煤层自燃区良好的探测效果。
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图1中，α卡法10号测线上70到100m段α射线强度脉冲读数显示为放射性异常高值，读数均在190以上，最大值为252，出现在测线80m处；而测线上0m到60m段和110m到160m段，α射线强度脉冲读数显示为放射性异常低值，读数均在100左右，反映为背景值。根据放射性异常可以推断10号测线70到100m段地下可能存在煤层自燃。
图2中，自然电场法10号测线上60到100m段显示为自然电位异常高值，该段五个测点自然电位值均在130mV以上，其中在80m处出现自然电位最大值为273mV；测线上0m到50m段和110m到160m段，多数测点自然电位值在100mV左右，表现为背景值。根据自然电位异常可以推断该测线60到100m段地下可能存在煤层自燃。
由图1和图2可以看出，10号测线α卡法和自然电场法对煤层自燃位置的判断是一致的。工作区α射线强度脉冲读数平面等值线图显示的煤层自燃区在地表上的投影位置和范围，与自然电位平面等值线图显示的该煤层自燃区的位置和范围基本相同。根据物探方法的解释成果，在10号测线80m处布置ZK5进行钻探验证。岩芯资料表明，深度从40. 5m开始，地层出现杂乱无章的现象，无正常规律可循，与反演解释的板状体顶面埋深基本相符。钻探结果证实了α卡法和自然电场法解释的正确性与验证性。
4 结 论
（1）煤层自燃区上出现α射线强度脉冲读数高值和自然电位高值，是本工作区探测煤层自燃区的地球物理前提。
（2）采用α卡法和自然电场法相结合的手段，在满足地球物理前提的条件下确定煤层自燃区在地表的投影位置，其结论是可靠的。
（3）应尽可能地收集工作区地质、钻孔资料，根据煤层自燃区所具有的多种物性差异，开展综合物探工作，相互配合相互验证，增强反演的约束条件，确保反演方法的有效性和反演结果的合理性。
参考文献：
[1] 熊盛青，陈斌，于长春，等．地下煤层自然遥感与地球物理探测技术[M]，北京：地质出版社，2006．
[2] 杨永明．综合物探手段在煤田灭火中的应用 [J]．中国煤田地质，2004，16（4）：55-56．
[3] 万兆昌，祁明星，陈双喜．综合物探圈定多煤层自燃边界 [J]．中国煤田地质，1996，8（2）：53-56．
[4] 侯恩科，陈培亨．神府煤田煤层自燃研究[J]．西安矿业学院学报，1993，18（2）：137-142．
[5] 傅良魁．应用地球物理教程 — 电法 放射性 地热 [M]．北京：地质出版社，1991．