摘要
煤层被风化或氧化后，会破坏煤质并造成煤炭资源的浪费，同时更给煤矿的安全生产带来隐患，探测煤层风氧化带范围具有重要意义。本文总结了煤层风氧化带的物理及电性特征，简要叙述了瞬变电磁法 （TEM）的原理及特点，并以山西石新煤业的勘探工程为例，介绍了瞬变电磁法探测煤层风氧化带的方法。研究表明，煤层被风氧化后，引起二次场电位、电阻率值这两个电性参数产生异常特征，根据这些异常特征可以有效探测煤层风氧化带范围。通过工程实例证明，利用瞬变电磁法探测煤层风氧化带的范围是可行有效的。
Abstract
After coal seam is weathered or oxidized, the coal quality will be destroyed, resulting in the waste of coal resources, and it will also bring hidden dangers to the safety production of coal mines. It is of great significance to detect the range of weathered or oxidized zones in coal seams. This paper summarizes the physical and electrical characteristics of weathered or oxidized zones in coal seams, and briefly introduces the method of transient electro‐magnetic method (TEM) in detecting weathered or oxidized zones in coal seams by taking a case study of Shanxi Shixin Coal Mine as an example. The research found that, after a coal seam is weathered or oxidized, two electrical parameters such as secondary field potential and resistivity will produce abnormal characteristics, according to which the range of the weathered or oxidized zones in coal seams can be effectively detected. The engineering example proves that it is feasible and effective to use TEM to detect the range of weathered or oxidized zones in coal seams.
0 引言
深埋于地壳中的煤层可能随着地壳运动暴露于地表或埋于地壳浅层。煤层的许多物理和化学特征由于温度、气体、水和生物活性的变化而改变，这些受影响的区域通常被称为风化区。在风化过程中，除了水的溶解外，还发生氧化作用，这些区域通常称为氧化带。煤层的风化带和氧化带通常被统称为风氧化带。
煤层风氧化带一般发育在露头或浅埋区。受地形、岩层性质和结构、水文地质条件等因素的影响，风氧化带的深度可能不同（王林中和刘子港， 2014；崔兆帮等，2015；占文锋和王强，2016；杨高峰，2019；于建华等，2023）。煤层风氧化带会影响煤层的有效开采，造成经济损失和资源浪费。此外，煤层的风氧化作用还会引起自燃、瓦斯和煤尘爆炸、烟雾中毒和人员伤亡。
目前探测煤层风化和氧化带的方法包括声波测井、井下高密度电法、井下地震调查和钻井。声波测井法中，声波从发射探头发出后，用声波测井记录下来穿过地层和接收探头之间的时差。时差的变化反映了煤层的致密程度，可以探测煤层的风化带和氧化带。这种方法容易受到以下几个因素的影响：当钻孔孔径改变时，膨胀段的声波时差减小，导致时差曲线出现假异常；当煤层厚度变化时，声速测井仪对小于井距的薄层分辨率较差；如果地层松散或裂缝发育，则地层吸收声波能量过多，导致周期跳变在声速曲线上表现为不规则跳变（尤冬菊和黄自军， 2015）。井下高密度电法技术测量的是煤层风化带和氧化带的电性差异，但该方法在煤矿巷道中使用时对周围环境的要求较高（张卜文，2011；黄晓容， 2014）。地震勘探中，地震波在煤系地层中产生和接收，受松散表面层吸收和煤系高速层屏蔽作用的影响较小；另一方面，巷道工作环境复杂，风氧化带分布不均匀，增加了该方法的难度。例如，当煤层厚度变化较大，煤层顶底板起伏较大时，地震剖面中普遍存在间歇性短轴反射波群。波群的连续性往往难以跟踪，经常出现杂乱的反射波（单蕊和李元杰，2014； 占文锋等，2015；黄晓容，2016）。最后，钻探方法作为一种直接探测方法，可以有效地揭示风氧化带的成分、深度和程度；但其成本高，测网稀疏，难以精确定位小面积的风氧化带。因此，钻探方法并不适合大规模实施（程建远和石显新，2013；Lotus，2014）。
瞬变电磁法（TEM）是解决地质问题的常用方法，其提供一种有效的方法来测量电磁场的空间或时间分布（Cai et al.，2017；Chen，2017；曹创华等， 2019；Fu et al.，2019；Qin et al.，2019；Guo et al.， 2020；石亮平等，2023）。瞬变电磁法具有场源灵活、方法多样、过程稳定、效率高等优点（李明星， 2019），使得该方法已成为探测油气（Cairns et al.， 1996；Anton et al.，2010；Meyer et al.，2016）、金属和非金属矿物（于景邨等，2007；Chen et al.，2010；As‐ ten and Duncan，2012；Xue et al.，2014，2020；高卫富等，2016；智庆全等，2016；王庆乙等，2021）的重要方法，并已广泛应用于地质构造研究（Hisatoshi et al.，2011；伍军杰等，2020）和地热勘探（Tohru et al.， 1998；成学光和高鹏飞，2011；底青云等，2019；Zhu et al.，2022）等领域。然而，将瞬变电磁法应用于煤层风氧化带探测的研究尚属少数。
本研究分析了瞬变电磁法探测氧化煤层的有效性，阐述了煤层风氧化带的形成机理和地质、地球物理特征，简要说明了数据处理步骤。结合山西石新煤矿的实测数据，验证了瞬变电磁法在煤层风氧化带探测中的效果是令人满意的。
1 方法技术
1.1 煤层风氧化带的形成
煤的风化和氧化的过程涉及复杂的物理和化学过程，如冻结、熔融和干湿变化（Gayle et al.， 1984）。在冻结过程中，当冰体体积的增加迫使解冻的水进一步进入煤中时，煤的裂缝可能会延伸和扩大。当煤被加热到一定温度时开始局部熔化，随着温度升高，熔化比例逐步增加，到某一温度时全部熔融。这种逐渐熔融的过程，使煤产生变形、软化和流动，力学强度大幅度减小。此外，煤在干湿交替过程中的物理分解是由于体积变化不等的内应力造成的，这是由于水在煤颗粒的外部比内部吸收和释放得快。干湿过程产生的裂缝在冻结和解冻时进一步延伸和扩大，冻结和熔融迫使水进入可能发生干湿变化的新区域（史正景等，2008；赵剑等，2024）。
风氧化带形成的主要化学原因是煤层顶板强水循环条件和煤层构造周围裂隙的作用。地表水将氧气和二氧化碳输送到地球表面。在地下水的浸出作用下，煤层的碳酸盐岩和硫酸盐岩（如 CaCO3、MgCO3、CaSO4和 MgSO4）溶解，水质以 HCO3-Ca·Mg或 SO4·HCO3-Ca·Mg为主。剩余的泥质矿物在地应力作用下被压实，成为浅黄色或棕褐色的砂、黏土和石灰岩的混合物，呈层状分布（Liu et al.， 2020；赵婷婷等，2024）。
1.2 煤层风氧化带的物理特征
风氧化煤层的地质特征是通过风化和氧化后发生的物理化学变化来描述的，物质特征、结构特征、地质特征和地球物理特征上的变化可总结如下：
1.2.1 物质特征
煤层在风化和氧化作用下，整体性被破坏，进入塑性状态并伴有脆性破坏。风氧化带内部形成裂缝通道，形成液体循环通道。在大气降水和地表水源的补给下，水分可沿裂隙通道进入，导致风化煤和氧化煤含水率增加。煤层氧化后，随着含水率的增加，表面疏水性降低，疏水性增大（柴辉婵和李文平，2014）。
由于风成煤表面基团的破坏，碳原子和氧原子的含量降低。原子含量还可能因埋藏深度的不同而有所不同。不同程度风氧化煤的内外结构变化不同；导致氧原子含量极低，颜色由深黑色变为褐色（风的氧化程度由弱到强）。风氧化煤中碳原子含量高于表面碳原子含量，内部氧原子含量低于表面氧原子含量，风氧化煤内部的风氧化程度弱于表面。随着深度的增加，风成氧化煤的性质逐渐趋于稳定，从而接近正常煤的性质（刘芳晓，2016；Xue and Yu，2017）。
1.2.2 结构特征
风化煤具有泥土光泽，呈棕色，微塑性，有吸水性和光滑性，触感柔软，质量均匀，遇水变黏滑，不易燃。氧化煤光泽暗淡或弱，颜色为深褐色，粉状破碎，疏松，有钙质膜，并有外生裂隙。氧化煤失去了烟煤的光泽和暗淡的颜色，而风化煤的颜色由黑色变为棕色，泥质含量增加，密度增加，严重者变成黏土。此外，黏土和煤基黏土的密度仍然存在差异。黏土的密度为 1.9~2.2 g/cm3，煤源黏土的密度为1.6~2.0 g/cm3。
石新煤矿位于山西省古交市（图1），地理坐标为：东经112°15'02″~112°17'03″，北纬37°52'20″~37° 53'40″。该煤矿的工作人员在采掘过程中发现 2号煤层部分区域顶板缺失，顶板随截煤而脱落，支护困难。对 284运输巷道 A 点的 2号煤层顶板进行钻探，在钻至 2.8 m时，观察到滴水、岩石软化等现象，因此认为2号煤层顶板存在风氧化带（图2）。随后，在 A点巷道侧壁钻取岩心样品（图3）。岩心样品由黑色变为灰色，呈暗沉状，煤中有黏土碎屑，与稀盐酸发生剧烈反应；岩块呈角砾状，岩心湿润松散，遇水浑浊（图4）。
此外，在石新煤矿还进行了 TEM 探测工作，以评价 TEM 探测煤层风氧化带的效果（详见“工程实例分析”）。
1.2.3 工程地质特征
1）力学强度降低
本文对石新煤矿的多组正常煤样和风化煤样进行了力学试验，得出了以下结果：
（1）与正常煤样相比，风化煤样的抗压和抗拉能力减弱（图5）。煤层及其顶板中含有一些黏土矿物，当煤层风氧化时，黏土矿物抗变形能力减弱，塑性增加，形成大量裂缝，降低了煤层的承载能力。宏观性能表明，风化煤层抗压抗拉能力明显下降 （李文超，2020）。
图1石新煤矿位置示意图
（2）风化程度越高，岩体破碎程度越高，强度值降低越大（表1）。随着煤层风化程度的增加，煤颗粒之间的联系进一步减弱。煤颗粒和黏土矿物颗粒之间也存在类似的关系，导致煤从原来的致密结构转变为松散的多孔结构。此外，分布在煤颗粒与黏土矿物颗粒之间的小孔隙可以在煤层内部发育成较大的孔隙。颗粒之间的连接方式发生变化，连通性和空隙率增加。从宏观上看，风氧化煤层的岩石结构将逐渐成为土体的连续结构。
表1不同风化程度下煤样的物理力学性能比较
图2284运输巷道顶板
图3284运输巷道位置
图4A点钻孔正常煤、风化煤和氧化煤的外观特征
图5风化煤和正常煤样品的抗压和抗拉强度
2）饱和吸水率增加
（1）煤样的饱和吸水率随着风化程度的增加而增加。此外，风化后煤样越容易吸水，膨胀率越高。
（2）未风化煤样浸入水中后不变形。随着风化过程的进行，煤的饱和吸水率增大。崩解类型为破裂-破碎-淤积（表2）。
表2风化煤样饱和吸水率的统计
1.2.4 地球物理特征
煤层一般具有层状分布的特征，沿水平方向电性相对均匀，而在垂直方向逐渐变化。与顶板和地板的岩层相比，煤的电阻率相对较高，但随着煤的风化和氧化程度的增加，其电阻率和密度减小。相反，随着风化和氧化程度的增加，自然伽马振幅呈增加趋势。
由于风化煤中页岩含量增加，其地球物理特征主要表现为低电阻率、低密度、高自然伽马幅值。氧化煤的主要特征是电阻率和密度略高于风化煤，但低于正常煤。自然伽马的振幅同样处于正常煤和风化煤之间（图6）（孙伟涛和胡莹，2018）。
为了验证研究区煤层的电性特征，本文对石新煤矿的正常煤样、风化煤样和氧化煤样进行了电阻率测试。
当煤层致密完整时，煤层电阻率较高，为 80~160 Ω·m，平均为120 Ω·m（表3）。随着煤层风氧化程度的增加，电阻率呈下降趋势。氧化煤的电阻率为50~110 Ω·m，平均为80 Ω·m，比正常煤的电阻率小 34% 左右；风化煤的电阻率为 10~60 Ω·m，平均为35 Ω·m，比正常煤的电阻率小约71%。从这些结果可以推断，风化和氧化程度越深，电阻率越低。这为利用电磁法探测煤层风氧化带提供了地球物理前提。
图6风化煤、氧化煤和正常煤的地球物理测井特征比较（据孙伟涛等和胡莹，2018修改）
表3不同煤样电阻率的比较
1.3 瞬变电磁法方法技术
1.3.1 方法选择依据
目前用于煤层风氧化带探测的方法可以指示煤层风氧化带的特征和范围；然而，这些方法在检测的准确性方面存在局限性。瞬变电磁法作为一种时域电磁感应法，探测的是对低电阻率目标更为敏感的纯电磁场异常。一般来说，风氧化带的电阻率低于煤层（此处将煤层定义为高电阻率围岩），可以认为是瞬变电磁法探测的目标对象。通过探测低阻异常，可以准确探测煤层风氧化带的范围（Li et al.，2016；Yang et al.，2022）。与其他方法相比，瞬变电磁法在提高煤层风氧化带异常区的探测精度方面具有明显的优势。
1.3.2 数据处理方法
由于 TEM 探测得到的数据是视电阻率和二次场电位，无法直接进行后续处理，因此需要将“视电阻率-时间”关系转化为“视电阻率-深度”关系，从而确定目标煤层所对应的目标测道，以绘制目标层的电阻率切片图和目标测道的二次场电位等值线图（陈明生和许洋鋮，2017）。具体的处理步骤如下 （Efthimios and Michael，2000；Li et al.，2015）：
（1）瞬态响应计算：将阶跃脉冲电流的产生下瞬变电磁法数据传输到计算机，磁感应强度垂直分量BZ（t）及其随时间变化率 的瞬态响应可表示为：
(1)
(2)
(3)
式（1）～（3）中，μ 为均匀导电半空间的磁导率 （取4π×10-7 h/m），m为发射磁矩m=NIS，N为发射回路匝数，I为发射电流（A），S为回路面积（m2），r为收发距离（m），ρ为均匀接地介质的电阻率（Ω·m），t为瞬态延迟（μs），erf（z）为误差函数，其表达式为：
对式（3）进行如下变换：
(4)
将式（4）代入式（2）右侧，可得：
(5)
进一步的定义如下：
(6)
(7)
然后，可以计算：
(8)
(9)
式（8）、（9）中，FB（Z）为磁感应强度 BZ（t）垂直分量的核函数，FD（Z）为磁感应强度BZ（t）垂直分量随时间的变化率 的核函数。
（2）视电阻率计算：利用磁感应强度 BZ（t）垂直分量与观测时间 t 随时间的变化率 ，计算视电阻率为：
(10)
（3）时深转换：根据中华人民共和国国家法规 《地面磁性源瞬变电磁法技术规范》（DZ/T 0187-2016）第5.6.3部分的公式：
(11)
式（11）中，H 为探测深度（m），可由观测时间 t 和视电阻率 ρτ（t）计算得到。将式（9）和式（11）同时结合，可将“视电阻率-时间”关系转化为“视电阻率-深度”关系，从而推断出目标煤层对应的目标测道。
（4）提取各测点目标测道的二次场电位值，并利用该数据绘制等高线图。
（5）采用基于 OCCAM 算法的 TEM-1D 软件对数据进行反演。将目标煤层的电阻率沿煤层切成薄片，得到目标煤层的电阻率切片图。
（6）根据试验确定的异常值分类标准，结合已知资料，在目标测道二次场电位等高线图和目标煤层电阻率切片图上圈定异常范围。
2 工程实例分析
为了评价瞬变电磁法探测煤层风氧化带的效果，在石新煤矿进行了瞬变电磁法探测试验。将石新煤矿整个矿区作为勘探区，勘探面积6.3 km2。布设了61条TEM测线，测线的线距为40 m，点距为20 m（图3）。
2.1 试验工作
使用Zonge公司的GDP-32II多功能工作站进行 TEM工作。发射参数为：发射线圈尺寸为160 m×160 m，发射电流为8A，发射线圈匝数为1。接收参数为：与GDP-32II配套的接收探头采来集数据，其等效采集面积为10000 m2 ，数据采样延迟时间为220 μs。
方法有效性试验位置选择在 137 线，以区分煤层风氧化带与正常煤层的电性差异（图7）。地质资料显示，该测线东部（1350~1500 段）存在煤层风氧化带，且存在风氧化带与正常煤层的交界点。
图7试验线137线位置示意图
根据 1.3.2节所述的数据处理方法，选择第 5测道作为目标测道。试验线137线的多测道二次场电位剖面图和电阻率等值线图如图8所示。在多测道二次场电位剖面图中，1360~1600 段存在电位高值异常区，其电位值大于 10060 μV/a（图8a中绿色网格区域）。结合地质资料可以看出，1360~1600段的电位高值异常与风氧化带相对应；因此，笔者将电位值 10060 μV/a 作为二次场电位高异常阈值，该阈值比正常电位值平均值（约7000 μV/a）高约43%。
同时可以发现，1360~1600 段存在明显的电阻率低值异常区，其电阻率值小于55 Ω·m（图8b中的灰色网格区域）。结合地质资料可以看出，1360~1600 段的电阻率低值异常与风氧化带相对应；因此，将电阻率值 55 Ω·m作为电阻率异常阈值，该值比正常电阻率值平均值（80 Ω·m）小约 31%。可以看出，瞬变电磁法能够有效地探测风氧化煤层的范围。
此外，在 137 线中部 640~820 段也存在一处电阻率低值异常区，但这一段异常区与 1360~1600 段异常区的特征有所不同。640~820段的电阻率低异常等值线与其下方的深部地层相连接，而 1360~1600 段的电阻率低值异常区仅存在于地层浅部。因此，推断640~820段产生电阻率低值异常的原因，可能为2号煤层的底板岩层富含水引起。
图8137线多测道二次场电位剖面图（a）和电阻率等值线图（b）
2.2 应用效果
本文绘制了第 5 测道二次场电位等值线图和 2 号煤层电阻率切片图（图9），得出煤层风化带和氧化带具有高电位和低电阻率两种电性特征。
勘探区二次场电位为 9940~10130 μV/A。试验结果表明，二次场电位大于异常阈值10600 μV/A的区域为高电位异常区。圈定了勘探区东部和中部两个高电位异常区域，其中东部异常区域较大（图9a中的灰色线条区域）。
勘探区电阻率整体变化较大，电阻率值为 15~155 Ω·m。将电阻率值小于异常阈值 50 Ω·m 的区域划分为低阻异常区。圈定了勘探区东、西两个低阻异常区域，其中东部异常区域较大（图9b中的灰色线条区域）。
根据二次场电位和电阻率特征，结合已知地质资料，推断东部异常区为煤层风氧化带。
2.3 验证结果
地下巷道揭露的煤层风氧化带与 TEM 数据得到的结果基本一致，最小误差约为 0.6 m，最大误差约为5.4 m（图10和表4）。
表4巷道揭露与TEM数据探测的误差统计
图9第5测道二次场电位等值线图（a）与2号煤层电阻率切片图（b）
图10巷道揭露和TEM数据得到的煤层风氧化带
3 结论
基于本研究的理论和工程案例分析，可以得出以下结论：
（1）风氧化带的电阻率值比正常煤的电阻率值至少小 40%，测井资料可以用来评价煤层的物性特征。这为瞬变电磁工作的发展提供了指导，减少了工作盲目性。
（2）煤层经风氧化后，具有“高电位值（比正常值大50%）、低电阻率（比正常值小45%）”的电性。
（3）在石新煤矿利用瞬变电磁法识别煤层风氧化带范围，为煤矿安全生产提供了地质依据。地下开挖数据证实了瞬变电磁法探测煤层风氧化带的准确性，最大误差为14 m。