本发明属于煤炭资源地下开采技术领域，涉及一种煤层顶板完整性探测及其控制方法，尤其是一种适用于厚煤层上分层无序开采条件下形成的间隔式“混合顶板”完整性探测及其控制方法。
背景技术：
煤炭是我国的基础能源和重要原料，占我国化石能源资源的90％以上，是稳定、经济、自主保障程度最高的能源。煤炭在一次能源消费中的比重将逐步降低，但在相当长时期内，煤炭的主体能源地位不会变化。目前，我国煤炭工业已进入“四期并存”(需求增速放缓期、过剩产能消化期、环境制约强化期、结构调整攻坚期)的发展阶段。由于我国以煤炭为主的能源结构短时期内很难改变，因此建设集约、安全、高效、绿色的现代煤炭工业体系，保障国家能源供应安全，促进社会经济健康稳定发展，具有十分重要的战略意义。
目前，我国大部分衰老矿井均面临资源枯竭的窘迫，急需后续的接替资源或进行企业转型。在此期间，如何维持矿井的稳定生产，解决庞大的单位职工日常生活问题，稳定矿区社会的和谐发展，是众多衰老矿井不得不面对的现实难题。由于衰老建矿时间较长、以往开采技术条件落后及周边小煤窑掠夺性开采等多种历史因素，使得矿井煤炭资源采出率很低，导致矿井常规的可采资源迅速枯竭，丢弃了大量的优质煤炭资源，特别是厚煤层开采时该问题更加突出。例如，具体到山西晋城矿区，该区域厚煤层分布较广，但受限于当时的开采技术条件，绝大部分矿井开采初期大都采用刀柱式、房柱式及小条带等多种混合方法开采厚煤层上分层煤炭资源，而将大量的厚煤层下分层煤炭资源搁置。厚煤层上分层的这种无序开采，直接导致厚煤层下分层“混合顶板”(由厚煤层上分层开采后遗留的大小不一的煤柱及形状不规则的老空区垮落矸石组成)的形成。
党的十八大报告明确提出“...必须坚持节约资源和保护环境的基本国策，坚持可持续发展...加快建设资源节约型、环境友好型社会...”政策。因此，对厚煤层下分层弃滞煤炭资源进行复采回收，提高煤炭资源采出率，延长矿井剩余服务年限，是衰老矿井走可持续发展道路的重要途径。而在对厚煤层下分层布置长壁综采工作面复采回收前，必须要保证下分层上部的间隔式“混合顶板”处于完整稳定状态，否则易导致工作面开采过程中发生严重的大面积冒顶事故。
目前在工作面顶板完整性工程实践方面，常见的现场探测方法主要有：钻孔窥视法、浅层地震法、地质雷达法等。现有常见方法往往存在工程量巨大、易受地质环境影响及探测效果差等缺点，尤其是无法准确确定煤层顶板中的局部破碎带具体位置及其分布范围，严重影响了顶板完整性控制措施的实施效果，故亟需发明一种有效的厚煤层下分层“混合顶板”完整性探测及其控制方法。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处而提供一种准确有效的厚煤层下分层“混合顶板”完整性探测及其控制方法。
技术方案：本发明的厚煤层下分层“混合顶板”完整性探测及其控制方法：根据厚煤层上分层开采后老空区围岩变形破坏特征，采用高密度电法、氡气探测法、电磁波ct法的地球物理化学综合探测方法，对厚煤层下分层“混合顶板”的完整性进行准确探测，确定厚煤层下分层“混合顶板”中局部破碎带的具体位置及其分布范围，在此基础上，优化设计局部破碎带的注浆加固方案，确定合理的注浆加固材料，并对厚煤层下分层“混合顶板”中的局部破碎带实施超前预注浆和滞后固化注浆。
有益效果：本发明创造性地将高密度电法、氡气探测法和电磁波ct法三种方法相融合，能够准确地探测出局部破碎带的具体位置和分布范围，并能有针对性地对该区域进行合理的注浆加固控制。与现有技术相比，本发明可操作性强，效率高，针对性强，对类似的煤层顶板条件具有广泛的实用性和推广性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的一个实施例的现场工作示意图。
图中：1-厚煤层上分层；2-厚煤层下分层；3-老空区；4-探测区域；5-煤柱；6-电极测线；7-电极测点；8-氡气测线；9-氡气测点；10-电磁波发射器；11-电磁波接收器；12-探杯；13-累积测氡仪；14-电磁波层析成像仪；15-直流电法仪；16-usb数据线；17-移动工作站；18-局部破碎带；19-超前预注浆区域；20-垮落矸石。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一种厚煤层下分层“混合顶板”完整性探测及其控制方法，步骤如下：根据厚煤层上分层开采后老空区围岩变形破坏特征，采用高密度电法、氡气探测法、电磁ct法的地球物理化学综合探测方法，对厚煤层下分层“混合顶板”的完整性进行准确探测，确定厚煤层下分层“混合顶板”中局部破碎带的具体位置及其分布范围，在此基础上，优化设计局部破碎带的注浆加固方案，确定合理的注浆加固材料，并对厚煤层下分层“混合顶板””中的局部破碎带实施超前预注浆和滞后固化注浆。
具体步骤如下：
1)厚煤层上分层开采后老空区围岩变形破坏特征分析：根据厚煤层上分层以往开采活动情况和采矿地质资料，分析厚煤层上分层开采后老空区围岩变形破坏特征，确定出厚煤层下分层“混合顶板”所需的探测区域；
2)高密度电法：在确定的探测区域内，垂直厚煤层下分层工作面推进方向间隔一段距离布置一条电极测线，在所有电极测线上间隔一段距离布置一个电极测点；待所有电极测线和电极测点布置完毕后，采用直流电法仪对所有电极测点进行探测，并通过usb数据线将探测数据传输至移动工作站中进行反演生成探测区域的视电阻率剖面图；根据生成的视电阻率剖面图，圈定出探测区域内的多个老空区范围；其中，所述电极测线的间距为20m；所述电极测点的间距为2m；所述直流电法仪可选为dzd-6a多功能电法仪；
3)氡气探测法：在圈定的多个老空区范围内，垂直厚煤层下分层工作面推进方向间隔一段距离布置一条氡气测线，在所有氡气测线上间隔一段距离布置一个氡气测点；将累积测氡仪的探杯倒置埋设于氡气测点下方30cm处的地表土壤中，间隔4h后将探杯取出迅速放入累积测氡仪中进行脉冲计数并存储测量数据；待所有氡气测点完成测量工作后，通过usb数据线将测量数据传输至移动工作站中绘制氡气浓度变化三维曲线图；根据绘制的氡气浓度变化三维曲线图，确定出顶板不完全垮落的矸石未压实老空区；其中，所述氡气测线的间距为10～20m；所述氡气测点的间距为5～10m；所述累积测氡仪可选为cd-1/kz-d02α杯测氡仪；
4)电磁波ct法：在确定的顶板不完全垮落的矸石未压实老空区范围内，沿老空区走向方向在其侧面一端打孔放置3个电磁波发射器，在对应的另一端打孔放置3个电磁波接收器，然后垂直老空区走向方向每隔30m，在其与侧面平行的截面两边，分别布置同样位置的3个电磁波发射器和3个电磁波接收器，并将电磁波接收器与电磁波层析成像仪连接；待所有电磁波测量工作完成后，通过usb数据线将测量数据传输至移动工作站中绘制电磁波能量二维介质分布图像；根据绘制的电磁波能量二维介质分布图像，测定出该区域内局部破碎带的具体位置及其分布范围；其中，所述电磁波发射器间距为1m，最顶部电磁波发射器位于厚煤层上分层边界下1m处；所述电磁波接收器间距为1m，最顶部电磁波接收器位于厚煤层上分层边界下1m处；所述电磁波层析成像仪可选为ewct-1电磁波ct成像仪；
5)局部破碎带注浆加固控制：待所有的现场探测工作完成后，综合分析高密度电法、氡气探测法和电磁波ct法三种方法的探测结果，在此基础上，从现场施工及经济成本角度考虑，优化设计局部破碎带的注浆加固方案为超前预注浆和滞后固化注浆，并进一步确定合理的注浆加固材料分别为zkd高水速凝材料和普通水泥单浆液；所述超前预注浆的方式是超前厚煤层下分层工作面50m提前对局部破碎带进行临时注浆加固；所述滞后固化注浆的方式是随着厚煤层下分层工作面不断向前推进，对超前预注浆区域进行二次强化注浆加固；采用超前预注浆和滞后固化注浆的好处是既可以对厚煤层下分层“混合顶板”中的局部破碎带进行有效控制，又可以保证厚煤层下分层工作面的正常开采，节约了大量的现场施工时间，提高了工作面的开采效率。
在图1所示实施例中，混合顶板由厚煤层上分层1开采后遗留的煤柱5和老空区3的垮落矸石20组成。其“混合顶板”完整性探测及其控制方法步骤如下：
首先，根据厚煤层上分层1以往开采活动情况和采矿地质资料，分析厚煤层上分层1开采后老空区3围岩变形破坏特征，确定出厚煤层下分层2“混合顶板”所需的探测区域4。
其次，在确定的探测区域4内，垂直厚煤层下分层2工作面推进方向布置电极测线6，测线间距为20m，每条电极测线6上布置电极测点7，测点间距为2m；采用直流电法仪15对所有电极测点7进行探测，并通过usb数据线16将探测数据传输至移动工作站17中进行反演生成探测区域4的视电阻率剖面图；根据生成的视电阻率剖面图，圈定出探测区域4内的多个老空区3范围。
再次，在圈定的多个老空区3范围内，垂直厚煤层下分层2工作面推进方向间隔10～20m布置一条氡气测线8，在所有氡气测线8上间隔5～10m布置一个氡气测点9，将累积测氡仪13的探杯12倒置埋设于氡气测点9下方30cm处的地表土壤中，间隔4h后将探杯12取出迅速放入累积测氡仪13中进行脉冲计数并存储测量数据，累积测氡仪13为cd-1/kz-d02α杯测氡仪；待所有氡气测点9完成测量工作后，通过usb数据线16将测量数据传输至移动工作站17中绘制氡气浓度变化三维曲线图；根据绘制的氡气浓度变化三维曲线图，确定出顶板不完全垮落的矸石未压实老空区3。
之后，在顶板不完全垮落的矸石未压实老空区3范围内，沿老空区3走向方向在其侧面竖直方向上每隔1m分别布置3个电磁波发射器10和3个电磁波接收器11，其中最顶部电磁波发射器10和电磁波接收器11均位于厚煤层上分层1边界下1m处；垂直老空区3走向方向与侧面平行每隔30m也同样布置相同位置的3个电磁波发射器10和3个电磁波接收器11，所有电磁波测量工作完成后，通过usb数据线16将测量数据传输至移动工作站17中绘制电磁波能量二维介质分布图像；根据绘制的电磁波能量二维介质分布图像，测定出该区域内局部破碎带18的具体位置及其分布范围。
最后，综合分析高密度电法、氡气探测法和电磁波ct法三种方法的探测结果，在此基础上，从现场施工及经济成本角度考虑，优化设计局部破碎带18的注浆加固方案为超前预注浆和滞后固化注浆；超前预注浆的方式是采用zkd高水速凝材料超前厚煤层下分层2工作面50m提前对局部破碎带18进行临时加固；滞后固化注浆的方式是随着厚煤层下分层2工作面不断向前推进，采用普通水泥单浆液对超前预注浆区域19进行二次强化加固。
本发明引入的“高密度电法”、“氡气探测法”、“电磁波ct法”是一套完整的从老空区探测到矸石未压实老空区探测最后到局部破碎带具体位置及其分布范围探测的综合性技术，是从整体到局部的一项适用性强、准确度极高、衔接性密切的新型综合探测体系，最后的对局部破碎带的控制处理也得益于此体系，使其可以以最短的耗时，最小的工程量，最准确地实现注浆加固目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。