本發(fā)明屬于煤炭資源地下開采技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種煤層頂板完整性探測及其控制方法，尤其是一種適用于厚煤層上分層無序開采條件下形成的間隔式“混合頂板”完整性探測及其控制方法。
背景技術(shù)：
煤炭是我國的基礎(chǔ)能源和重要原料，占我國化石能源資源的90％以上，是穩(wěn)定、經(jīng)濟、自主保障程度最高的能源。煤炭在一次能源消費中的比重將逐步降低，但在相當(dāng)長時期內(nèi)，煤炭的主體能源地位不會變化。目前，我國煤炭工業(yè)已進(jìn)入“四期并存”(需求增速放緩期、過剩產(chǎn)能消化期、環(huán)境制約強化期、結(jié)構(gòu)調(diào)整攻堅期)的發(fā)展階段。由于我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)短時期內(nèi)很難改變，因此建設(shè)集約、安全、高效、綠色的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系，保障國家能源供應(yīng)安全，促進(jìn)社會經(jīng)濟健康穩(wěn)定發(fā)展，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
目前，我國大部分衰老礦井均面臨資源枯竭的窘迫，急需后續(xù)的接替資源或進(jìn)行企業(yè)轉(zhuǎn)型。在此期間，如何維持礦井的穩(wěn)定生產(chǎn)，解決龐大的單位職工日常生活問題，穩(wěn)定礦區(qū)社會的和諧發(fā)展，是眾多衰老礦井不得不面對的現(xiàn)實難題。由于衰老建礦時間較長、以往開采技術(shù)條件落后及周邊小煤窯掠奪性開采等多種歷史因素，使得礦井煤炭資源采出率很低，導(dǎo)致礦井常規(guī)的可采資源迅速枯竭，丟棄了大量的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，特別是厚煤層開采時該問題更加突出。例如，具體到山西晉城礦區(qū)，該區(qū)域厚煤層分布較廣，但受限于當(dāng)時的開采技術(shù)條件，絕大部分礦井開采初期大都采用刀柱式、房柱式及小條帶等多種混合方法開采厚煤層上分層煤炭資源，而將大量的厚煤層下分層煤炭資源擱置。厚煤層上分層的這種無序開采，直接導(dǎo)致厚煤層下分層“混合頂板”(由厚煤層上分層開采后遺留的大小不一的煤柱及形狀不規(guī)則的老空區(qū)垮落矸石組成)的形成。
黨的十八大報告明確提出“...必須堅持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策，堅持可持續(xù)發(fā)展...加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會...”政策。因此，對厚煤層下分層棄滯煤炭資源進(jìn)行復(fù)采回收，提高煤炭資源采出率，延長礦井剩余服務(wù)年限，是衰老礦井走可持續(xù)發(fā)展道路的重要途徑。而在對厚煤層下分層布置長壁綜采工作面復(fù)采回收前，必須要保證下分層上部的間隔式“混合頂板”處于完整穩(wěn)定狀態(tài)，否則易導(dǎo)致工作面開采過程中發(fā)生嚴(yán)重的大面積冒頂事故。
目前在工作面頂板完整性工程實踐方面，常見的現(xiàn)場探測方法主要有：鉆孔窺視法、淺層地震法、地質(zhì)雷達(dá)法等?，F(xiàn)有常見方法往往存在工程量巨大、易受地質(zhì)環(huán)境影響及探測效果差等缺點，尤其是無法準(zhǔn)確確定煤層頂板中的局部破碎帶具體位置及其分布范圍，嚴(yán)重影響了頂板完整性控制措施的實施效果，故亟需發(fā)明一種有效的厚煤層下分層“混合頂板”完整性探測及其控制方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種準(zhǔn)確有效的厚煤層下分層“混合頂板”完整性探測及其控制方法。
技術(shù)方案：本發(fā)明的厚煤層下分層“混合頂板”完整性探測及其控制方法：根據(jù)厚煤層上分層開采后老空區(qū)圍巖變形破壞特征，采用高密度電法、氡氣探測法、電磁波ct法的地球物理化學(xué)綜合探測方法，對厚煤層下分層“混合頂板”的完整性進(jìn)行準(zhǔn)確探測，確定厚煤層下分層“混合頂板”中局部破碎帶的具體位置及其分布范圍，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計局部破碎帶的注漿加固方案，確定合理的注漿加固材料，并對厚煤層下分層“混合頂板”中的局部破碎帶實施超前預(yù)注漿和滯后固化注漿。
有益效果：本發(fā)明創(chuàng)造性地將高密度電法、氡氣探測法和電磁波ct法三種方法相融合，能夠準(zhǔn)確地探測出局部破碎帶的具體位置和分布范圍，并能有針對性地對該區(qū)域進(jìn)行合理的注漿加固控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可操作性強，效率高，針對性強，對類似的煤層頂板條件具有廣泛的實用性和推廣性。
附圖說明
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明的一個實施例的現(xiàn)場工作示意圖。
圖中：1-厚煤層上分層；2-厚煤層下分層；3-老空區(qū)；4-探測區(qū)域；5-煤柱；6-電極測線；7-電極測點；8-氡氣測線；9-氡氣測點；10-電磁波發(fā)射器；11-電磁波接收器；12-探杯；13-累積測氡儀；14-電磁波層析成像儀；15-直流電法儀；16-usb數(shù)據(jù)線；17-移動工作站；18-局部破碎帶；19-超前預(yù)注漿區(qū)域；20-垮落矸石。
具體實施方式
為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
一種厚煤層下分層“混合頂板”完整性探測及其控制方法，步驟如下：根據(jù)厚煤層上分層開采后老空區(qū)圍巖變形破壞特征，采用高密度電法、氡氣探測法、電磁ct法的地球物理化學(xué)綜合探測方法，對厚煤層下分層“混合頂板”的完整性進(jìn)行準(zhǔn)確探測，確定厚煤層下分層“混合頂板”中局部破碎帶的具體位置及其分布范圍，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計局部破碎帶的注漿加固方案，確定合理的注漿加固材料，并對厚煤層下分層“混合頂板””中的局部破碎帶實施超前預(yù)注漿和滯后固化注漿。
具體步驟如下：
1)厚煤層上分層開采后老空區(qū)圍巖變形破壞特征分析：根據(jù)厚煤層上分層以往開采活動情況和采礦地質(zhì)資料，分析厚煤層上分層開采后老空區(qū)圍巖變形破壞特征，確定出厚煤層下分層“混合頂板”所需的探測區(qū)域；
2)高密度電法：在確定的探測區(qū)域內(nèi)，垂直厚煤層下分層工作面推進(jìn)方向間隔一段距離布置一條電極測線，在所有電極測線上間隔一段距離布置一個電極測點；待所有電極測線和電極測點布置完畢后，采用直流電法儀對所有電極測點進(jìn)行探測，并通過usb數(shù)據(jù)線將探測數(shù)據(jù)傳輸至移動工作站中進(jìn)行反演生成探測區(qū)域的視電阻率剖面圖；根據(jù)生成的視電阻率剖面圖，圈定出探測區(qū)域內(nèi)的多個老空區(qū)范圍；其中，所述電極測線的間距為20m；所述電極測點的間距為2m；所述直流電法儀可選為dzd-6a多功能電法儀；
3)氡氣探測法：在圈定的多個老空區(qū)范圍內(nèi)，垂直厚煤層下分層工作面推進(jìn)方向間隔一段距離布置一條氡氣測線，在所有氡氣測線上間隔一段距離布置一個氡氣測點；將累積測氡儀的探杯倒置埋設(shè)于氡氣測點下方30cm處的地表土壤中，間隔4h后將探杯取出迅速放入累積測氡儀中進(jìn)行脈沖計數(shù)并存儲測量數(shù)據(jù)；待所有氡氣測點完成測量工作后，通過usb數(shù)據(jù)線將測量數(shù)據(jù)傳輸至移動工作站中繪制氡氣濃度變化三維曲線圖；根據(jù)繪制的氡氣濃度變化三維曲線圖，確定出頂板不完全垮落的矸石未壓實老空區(qū)；其中，所述氡氣測線的間距為10～20m；所述氡氣測點的間距為5～10m；所述累積測氡儀可選為cd-1/kz-d02α杯測氡儀；
4)電磁波ct法：在確定的頂板不完全垮落的矸石未壓實老空區(qū)范圍內(nèi)，沿老空區(qū)走向方向在其側(cè)面一端打孔放置3個電磁波發(fā)射器，在對應(yīng)的另一端打孔放置3個電磁波接收器，然后垂直老空區(qū)走向方向每隔30m，在其與側(cè)面平行的截面兩邊，分別布置同樣位置的3個電磁波發(fā)射器和3個電磁波接收器，并將電磁波接收器與電磁波層析成像儀連接；待所有電磁波測量工作完成后，通過usb數(shù)據(jù)線將測量數(shù)據(jù)傳輸至移動工作站中繪制電磁波能量二維介質(zhì)分布圖像；根據(jù)繪制的電磁波能量二維介質(zhì)分布圖像，測定出該區(qū)域內(nèi)局部破碎帶的具體位置及其分布范圍；其中，所述電磁波發(fā)射器間距為1m，最頂部電磁波發(fā)射器位于厚煤層上分層邊界下1m處；所述電磁波接收器間距為1m，最頂部電磁波接收器位于厚煤層上分層邊界下1m處；所述電磁波層析成像儀可選為ewct-1電磁波ct成像儀；
5)局部破碎帶注漿加固控制：待所有的現(xiàn)場探測工作完成后，綜合分析高密度電法、氡氣探測法和電磁波ct法三種方法的探測結(jié)果，在此基礎(chǔ)上，從現(xiàn)場施工及經(jīng)濟成本角度考慮，優(yōu)化設(shè)計局部破碎帶的注漿加固方案為超前預(yù)注漿和滯后固化注漿，并進(jìn)一步確定合理的注漿加固材料分別為zkd高水速凝材料和普通水泥單漿液；所述超前預(yù)注漿的方式是超前厚煤層下分層工作面50m提前對局部破碎帶進(jìn)行臨時注漿加固；所述滯后固化注漿的方式是隨著厚煤層下分層工作面不斷向前推進(jìn)，對超前預(yù)注漿區(qū)域進(jìn)行二次強化注漿加固；采用超前預(yù)注漿和滯后固化注漿的好處是既可以對厚煤層下分層“混合頂板”中的局部破碎帶進(jìn)行有效控制，又可以保證厚煤層下分層工作面的正常開采，節(jié)約了大量的現(xiàn)場施工時間，提高了工作面的開采效率。
在圖1所示實施例中，混合頂板由厚煤層上分層1開采后遺留的煤柱5和老空區(qū)3的垮落矸石20組成。其“混合頂板”完整性探測及其控制方法步驟如下：
首先，根據(jù)厚煤層上分層1以往開采活動情況和采礦地質(zhì)資料，分析厚煤層上分層1開采后老空區(qū)3圍巖變形破壞特征，確定出厚煤層下分層2“混合頂板”所需的探測區(qū)域4。
其次，在確定的探測區(qū)域4內(nèi)，垂直厚煤層下分層2工作面推進(jìn)方向布置電極測線6，測線間距為20m，每條電極測線6上布置電極測點7，測點間距為2m；采用直流電法儀15對所有電極測點7進(jìn)行探測，并通過usb數(shù)據(jù)線16將探測數(shù)據(jù)傳輸至移動工作站17中進(jìn)行反演生成探測區(qū)域4的視電阻率剖面圖；根據(jù)生成的視電阻率剖面圖，圈定出探測區(qū)域4內(nèi)的多個老空區(qū)3范圍。
再次，在圈定的多個老空區(qū)3范圍內(nèi)，垂直厚煤層下分層2工作面推進(jìn)方向間隔10～20m布置一條氡氣測線8，在所有氡氣測線8上間隔5～10m布置一個氡氣測點9，將累積測氡儀13的探杯12倒置埋設(shè)于氡氣測點9下方30cm處的地表土壤中，間隔4h后將探杯12取出迅速放入累積測氡儀13中進(jìn)行脈沖計數(shù)并存儲測量數(shù)據(jù)，累積測氡儀13為cd-1/kz-d02α杯測氡儀；待所有氡氣測點9完成測量工作后，通過usb數(shù)據(jù)線16將測量數(shù)據(jù)傳輸至移動工作站17中繪制氡氣濃度變化三維曲線圖；根據(jù)繪制的氡氣濃度變化三維曲線圖，確定出頂板不完全垮落的矸石未壓實老空區(qū)3。
之后，在頂板不完全垮落的矸石未壓實老空區(qū)3范圍內(nèi)，沿老空區(qū)3走向方向在其側(cè)面豎直方向上每隔1m分別布置3個電磁波發(fā)射器10和3個電磁波接收器11，其中最頂部電磁波發(fā)射器10和電磁波接收器11均位于厚煤層上分層1邊界下1m處；垂直老空區(qū)3走向方向與側(cè)面平行每隔30m也同樣布置相同位置的3個電磁波發(fā)射器10和3個電磁波接收器11，所有電磁波測量工作完成后，通過usb數(shù)據(jù)線16將測量數(shù)據(jù)傳輸至移動工作站17中繪制電磁波能量二維介質(zhì)分布圖像；根據(jù)繪制的電磁波能量二維介質(zhì)分布圖像，測定出該區(qū)域內(nèi)局部破碎帶18的具體位置及其分布范圍。
最后，綜合分析高密度電法、氡氣探測法和電磁波ct法三種方法的探測結(jié)果，在此基礎(chǔ)上，從現(xiàn)場施工及經(jīng)濟成本角度考慮，優(yōu)化設(shè)計局部破碎帶18的注漿加固方案為超前預(yù)注漿和滯后固化注漿；超前預(yù)注漿的方式是采用zkd高水速凝材料超前厚煤層下分層2工作面50m提前對局部破碎帶18進(jìn)行臨時加固；滯后固化注漿的方式是隨著厚煤層下分層2工作面不斷向前推進(jìn)，采用普通水泥單漿液對超前預(yù)注漿區(qū)域19進(jìn)行二次強化加固。
本發(fā)明引入的“高密度電法”、“氡氣探測法”、“電磁波ct法”是一套完整的從老空區(qū)探測到矸石未壓實老空區(qū)探測最后到局部破碎帶具體位置及其分布范圍探測的綜合性技術(shù)，是從整體到局部的一項適用性強、準(zhǔn)確度極高、銜接性密切的新型綜合探測體系，最后的對局部破碎帶的控制處理也得益于此體系，使其可以以最短的耗時，最小的工程量，最準(zhǔn)確地實現(xiàn)注漿加固目的。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所做出任何簡單修改和同等變化，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。