关键词：地球物理勘探方法；新疆煤田火区勘探；自然电位法；高分辨电阻率法；、瞬变电磁法；高密度电法；磁法勘探；老窑采空区
由于新疆地区气候干燥少雨，加之小煤窑的滥采滥挖使新疆大面积煤田火区非常严重，据统计新疆地区共有煤田火区42处之多，火区燃烧面积达82.6平方公里。在煤田火区发生的同时引发了许多地质灾害和环境灾害：常见的有斜坡岩土体地质灾害（包括崩塌、滑坡）；地面变形地质灾害；矿井地质灾害；空气环境灾害等类型。中国是世界上煤田火区最为严重的国家之一，据统计仅新疆地区每年因煤田火区所损失的煤炭资源达一千万吨，直接经济损失达10亿元人民币。由于煤田火区的发生，引发或加重了其他自然灾害所造成的经济损失更是无法估算，因此依靠现代科学技术，多学科跨部门联合攻关，全面系统深入地开展煤田火区勘察的研究，对保护人民生命财产安全，减轻地质灾害损失，实现社会经济的持续发展具有非常重要的意义。
1煤层燃烧后及其围岩具备的地球物理特性
1.1自然电位的地球物理特性
煤层从氧化自热到燃烧是一个氧化过程，在火区上观测到的自燃电场是氧化——还原电场。当煤层燃烧时本身处于高温中，在高温作用下加速了上部煤层的氧化，形成了氧化带，而下部煤层由于缺氧，就不可能有氧化现象，也就是还原带，因此上部煤层就会带正电，下部煤层就会带负电，其周围岩层顶底板就形成了自然电场回路。
1.2视电阻率法的地球物理特性
严格的说地层属于非金属，也就是半导体。在这类物质中，传导电流是受激进入导带的电子迁移引起的，被激发的能量来自热扰动。因此非金属材料的电阻率一般随温度的升高而降低。在地球物理勘探中，岩层中的水对电导率和介电常数的影响很大，即使存在极少量的水对岩层的电导率和介电常数产生决定性的影响。因此水的电导率随温度的升高而增大。综上所述：“不含水的地层即半导体，视电阻率值随温度的升高而降低，也就是正在燃烧的干燥煤层一般为低阻电阻率。含水的地层，视电阻率值随温度的升高而增大”。
老窑采空区：视环境而定，一般在相对缺水的地区，老窑采空区基本未充水，我们知道空气的电导率为无穷大，是绝缘体，因此在这种环境下解释时高阻我们可以界定为老窑采空区。反之在雨水较多的地区或潜水位以下的老窑采空区，一般是充水的，我们知道纯净水是不导电的，但有矿物质溶于水时，水就变成良导体了，因此在这种环境下解释时低阻我们可以界定为老窑采空区。
1.3礠法勘探的地球物理特性
煤系地层顶底板中赋存着大量的含铁矿物成分（赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿、菱铁矿）。这些铁矿物在不受高温作用时是弱磁性，而在煤层自燃的高温作用下，铁磁性铁矿物的娇顽力随着温度的升高而减少，而铁矿中的磁畴将不在按大地磁场的顺序排列，此时为负异常。当燃烧以后温度下降时，在磁场的作用下磁畴的娇顽性很容易随着磁场方向而重新排列起来，此时为强磁性。从上述的原理中我们可以总结出以下结论：“没有燃烧的煤层，其磁场值为大地磁场（正常磁场）。正在燃烧的煤层，其磁场值为负异常。燃烧以后的煤层，其磁场值为正异常”。
2地球物理方法在煤田火区勘察中的应用
煤田火区地球物理勘察，从基本原理来说仍是勘测地下介质的某些物理特性（密度、电导率、磁化率、电阻率、自然电位、弹性、介电常数、放射性和地温等）的差异，探测的可靠性主要也取决于目标与周围环境物理特性的对比度、目标的埋深及盖层的特性等。
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2.1电法勘探
电法勘探是当前解决煤田火区勘察中煤层燃烧深度；煤田火区面积；地下采空区；地下高温区和煤层燃烧发展趋势等问题的重要勘探方法。它利用煤层和周围岩层之间电磁学及电化学性质的差异，通过观测和研究建立人工或天然存在的电磁场空间和时间分布规律，来勘察地质目标和解决地质问题。在煤田火区勘察中，电法勘探是使用频率最高、应用面最广和解决问题较好的方法。
2.2.1自然电位法
这种方法是利用煤层的燃烧在燃烧区形成了一个相对稳定的氧化——还原电场。当煤层燃烧时本身处于高温中，在高温作用下加速了上部煤层的氧化，形成了氧化带，而下部煤层由于缺氧，就不可能有氧化现象，也就是还原带，因此上部煤层就会带正电，下部煤层就会带负电，其周围岩层顶底板就形成了自然电场回路。我们在燃烧煤层上就可观测到氧化还原电场值，用这种方法来圈定煤田火区范围；界定煤层燃烧深度；煤层燃烧的发展趋势和施工时注水的水流方向。
2.1.2高分辨视电阻率法
这种方法是使用温纳装置中的单极、偶极装置，并且在测量电极不变的情况下，不断改变供电电极的距离，从而达到重复覆盖的目的，使地下异常体得以突显。利用这种方法可以确定地下采空区和地下高温区的位置；判断煤层燃烧发展趋势和断层、裂缝的垂向延伸及倾向。高分辨率电阻率法也是一种直流电法，其基本原理和常规直流电法一致，主要不同点是其装置不同，它是以单极―偶极装置为基础，通过密集的测点，对地下每一分析分辨单元进行多次覆盖，从而达到探测地下洞体和其他孤立异常体的目的。其基本装置，高分辨率电阻率法的主要特点如下：
（1）、高分辨电阻率法的纵横向分辨率都很高，对高电阻率或低电阻率的反应都很明显，因此很适合空洞探测。
（2）、高分辨率电阻率法的缺点是受电极接地电阻影响较大，因此测量过程中务必要处理好电极接地状况。
2.2磁法勘探
磁法勘探是利用煤系地层及其围岩在高温作用下磁场值发生变化，就是利用岩层的磁性异常来圈定煤田火区范围；界定煤层燃烧深度；描述煤层燃烧的发展趋势。一般来说这些岩层在不受高温作用时是弱磁性，而在煤层自燃的高温作用下，铁磁性铁矿物的娇顽力随着温度的升高而减少，在磁场的作用下磁畴的娇顽性很容易随着磁场方向而重新排列起来。而岩层在高温作用下发生了质的变化，形成了大面积烧变岩，多数烧变岩结构破碎，颜色多为褐色和黄红色，形成大面积塌陷，于是在温度冷却过程中将会在煤层顶底板中获得很强的磁性，从而使烧变岩体成为磁性岩体，所观测到的是一个强磁反应。
3.目前存在的问题
目前在煤田火区地球物理勘察中应特别注意以下几个方面的问题。
⑴以往对煤田火区的勘察，多是在发生火灾以后被动的、应急的进行工作，缺乏超前性、全面性、预见性，缺少总体控制。
⑵在煤田火区勘察中，除了查清影响火区形成和发展的主要因素外，还应注意查明诱发火灾的次要因素。并将某些次要因素在特定环境条件下转化为主要因素。
⑶一般来说，大部分用于矿产勘察的地球物理方法同样可以用于煤田火区勘察。但是煤田火区具有地质构造复杂、地形起伏悬殊以及被测目标几何尺寸相对较小（如空洞、燃烧区、断层破碎带）等特性，因此具体方法、技术指标和工作方式有所不同。为适应煤田火区勘察的需要，必须对现有的地球物理方法和技术作适当的改变。
结束语：煤田火区的地球物理勘探是一个前景十分广阔的领域，但还需要更多的实践和探索，不断提高技术水平，扩大应用范围，提高勘探水平。
论文作者:卿上坤
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第23期
论文发表时间:2020/1/9
标签：煤层论文; 煤田论文; 电阻率论文; 采空区论文; 磁场论文; 岩层论文; 地球物理论文; 《工程管理前沿》2019年第23期论文;