虎維岳，趙春虎,3，呂漢江

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077；3.陜西省“四主體一聯(lián)合”黃河流域中段礦區(qū)(煤礦)生態(tài)環(huán)境保護與修復校企聯(lián)合研究中心，陜西 西安 710077)

華北型煤田煤層底板巖溶水害問題突出，注漿治理是煤層底板巖溶承壓水害防治的主要技術(shù)手段。其基本原理是將煤層底板的導、含水巖層注漿改造和加固成隔水層，達到增加煤層底板隔水層厚度，提升巖層綜合阻水能力，防止底板巖溶突水造成的水害問題。近年來隨著大能力定向?qū)便@進技術(shù)與裝備的快速發(fā)展，煤層底板注漿改造與加固從井下局部治理向井上下聯(lián)合、區(qū)域化治理轉(zhuǎn)變，形成了以注漿治理鉆孔施工條件、層位選取、鉆進工藝等為主要影響因素的超前區(qū)域治理的一般模式及其選擇準則[1]，建立了不同注漿孔結(jié)構(gòu)(垂直與水平)[2-3]、不同裂隙性質(zhì)(水平與傾斜、光滑與粗糙等)[4-5]、不同漿液類型(牛頓、賓漢姆流體等)[6]的漿液擴散理論模型，開展了水泥、黏土和粉煤灰基等注漿材料及其在不同配比條件下漿液強度、時變性、結(jié)石率等試驗研究[7-9]。超前區(qū)域注漿治理技術(shù)已大范圍應用于煤田底板巖溶水害的防治，在我國華北地區(qū)煤層底板厚層灰?guī)r水治理[10]、東部地區(qū)薄層灰?guī)r水治理[11-12]展開了大量的工程實踐，并在2018年頒布的《煤礦防治水細則》就提出了“當承壓含水層的補給水源充沛，不具備疏水降壓和帷幕注漿的條件時，可以采用地面區(qū)域治理，或者局部注漿加固底板隔水層、改造含水層的方法”的建議，進一步推動了超前區(qū)域注漿技術(shù)推廣與應用。

煤層底板巖溶水害區(qū)域注漿治理效果涉及到治理區(qū)水文地質(zhì)條件、注漿材料、注漿工藝、工程布置等多方面的因素影響。注漿治理的層位選取、注漿鉆孔空間布置、注漿壓力確定、注漿材料選擇、擬改造含水層的水文地質(zhì)特征等是科學開展底板巖溶水害超前區(qū)域注漿治理的基礎(chǔ)，超前區(qū)域注漿治理應用條件、材料、工藝相關(guān)研究的系統(tǒng)性仍顯不足，對于支撐高效開展超前區(qū)域治理技術(shù)應用存在局限。筆者從區(qū)域注漿治理技術(shù)礦井水文地質(zhì)基本原理出發(fā)，分析了煤層底板巖溶水害超前區(qū)域注漿治理主要應用模式，以及影響超前區(qū)域注漿改造治理效果主要因素，并根據(jù)注漿過程中有效注漿壓力與漿液擴散范圍的衰減規(guī)律，以消除注漿盲區(qū)為目標，提出了注漿孔高效布孔模式，以期為進一步指導超前區(qū)域高效治理技術(shù)應用提供科學依據(jù)。

1 煤層底板水害超前區(qū)域注漿治理的基本原理與主要模式

1.1 基本原理

我國華北型煤田主采的石炭-二疊紀煤層直接覆蓋在中奧陶統(tǒng)巨厚灰?guī)r之上，煤層下伏主要地層包括石炭-二疊系太原組薄層灰?guī)r與泥巖互層，本溪組鋁土質(zhì)泥巖，奧陶系巨厚層峰峰組、馬家溝組灰?guī)r地層。大量實踐表明，華北型煤田煤層底板突水威脅主要來自奧陶系灰?guī)r(簡稱，奧灰)含水層和碳-二疊系太原組灰?guī)r(簡稱，太灰)含水層，高承壓奧灰含水層地下水通過煤層底板導水構(gòu)造(裂隙、斷層、陷落柱等)、煤層采動導水裂隙直接進入采掘空間，或通過巖層裂隙、導水構(gòu)造“接力”進入太原組薄層灰?guī)r含水層后間接進入采掘空間，從而引起煤層底板突水，由此可見，太原組灰?guī)r含水層一般為中間層或傳導層，而奧灰?guī)r溶含水層是根本充水含水層。將煤層底板巖層中發(fā)育的導水通道(裂隙、斷層、陷落柱等)或薄層灰?guī)r含水層，通過注漿治理進行切斷或改造，增加煤層底板隔水層厚度，提升煤層底板巖層綜合阻水能力，是超前區(qū)域注漿治理煤層底板巖溶水害的基本原理。

1.2 主要模式

我國華北型石炭-二疊紀煤層底板以太原組薄層灰?guī)r、泥巖、砂巖互層結(jié)構(gòu)為主，基底為巨厚奧陶系或寒武系灰?guī)r，大多數(shù)區(qū)域奧陶系灰?guī)r頂部存在風化充填帶，具備一定的隔水性能。且不同礦區(qū)煤層底板巖層結(jié)構(gòu)、太原組薄層灰?guī)r層數(shù)、厚度等均有一定差異，其超前區(qū)域注漿治理的模式不同，主要涉及以下幾個方面：

(1) 煤層底板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)因素。主要包括煤層底板含、隔水巖層空間結(jié)構(gòu)，煤層與奧灰充水含水層間距，充水含水層水壓等因素，注漿改造與加固后的相對隔水層厚度應滿足突水系數(shù)小于0.06 MPa/m。

(2) 開采因素。注漿治理的層位須在煤層底板采動破壞深度以下，超前區(qū)域治理是工作面回采前的水害主動防控技術(shù)，當注漿治理層位距煤層底板距離較小，則注漿改造或加固層易被煤層開采擾動破壞，注漿治理達不到加固隔水層或改造含水層的目的。

(3) 鉆進成孔性與漿液擴散因素。泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟巖層本身為相對隔水層，巖層空隙性差，孔中漿液在隔水巖層中難以擴散，因此，一般選擇空隙性強的灰?guī)r含水層、砂巖含水層進行注漿治理。

(4) 邊界條件因素。超前區(qū)域治理以形成一定厚度的面狀阻水層為目標，一般采用水泥基、黏土基、粉煤灰基漿液，在高注漿壓力驅(qū)動下漿液在厚度大、垂向裂隙發(fā)育的巖層中運移時，漿液擴散在垂向上難以控制，存在無效漿液消耗量大，經(jīng)濟合理性相對不足等問題。因此，受注層位頂、底板以發(fā)育有相對隔水的限制層為宜。

綜合以上因素，目前我國針對煤層底板巖溶水害主要形成了薄層灰?guī)r和厚層灰?guī)r2 種注漿治理模式。

1) 薄層灰?guī)r注漿治理模式

如圖1a 所示，煤層下伏的薄層灰?guī)r含水層頂?shù)装寰鶠橄鄬Ω羲貙?，在對薄層灰?guī)r注漿治理過程中，漿液易在頂?shù)捉鐑?nèi)順層擴散，較之厚層灰?guī)r而言，薄層灰?guī)r頂?shù)装宓南鄬Ω羲貙涌梢种茲{液在垂向上無效擴散，其注漿治理效率一般較高。因此，超前區(qū)域注漿治理工程中常以太原組灰?guī)r為注漿優(yōu)先選擇層位，采用地面定向鉆孔或井下定向鉆孔，將煤層底板的一個或多個薄層灰?guī)r進行注漿，將薄層灰?guī)r含水層改造成相對隔水巖層，使改造后的h1+h2巖層滿足隔水層厚度要求，以增強煤層底板與巨厚奧灰含水層之間的阻水能力，形成典型的薄層灰?guī)r超前區(qū)域注漿治理模式。

2) 厚層灰?guī)r注漿治理模式

當煤層底板未發(fā)育薄層灰?guī)r，或薄層灰?guī)r地層位于煤層開采底板破壞帶內(nèi)，又或者主采煤層距離奧灰含水層較近時，即煤層與奧灰之間的全部巖層厚度不能滿足高承壓奧灰水害防治要求時，在綜合考慮開采擾動、鉆井成孔性、漿液擴散性等基礎(chǔ)上，一般選擇奧灰頂部巖層為注漿改造層，采用地面定向鉆孔或井下定向鉆孔，將厚層的奧灰頂部部分巖層注漿改造為相對隔水層(圖1b)，使改造后的h1+h2巖層滿足隔水層厚度要求，以增加煤層底板與巨厚奧灰含水層之間的相對隔水巖層的整體厚度，形成厚層灰?guī)r超前區(qū)域注漿治理模式。

圖1 超前區(qū)域注漿治理的主要應用模式Fig.1 Main application modes of grouting treatment

2 超前區(qū)域注漿治理效果主要影響因素

2.1 受注巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)

地層的滲透性能是影響漿液擴散能力的主要影響因素，控制受注層滲透性能主要因素有孔隙度、隙寬、連通性、限制邊界以及地層的靜水壓力等。

1) 空隙連通性

超前區(qū)域注漿改造的巖層空隙一般處于飽水狀態(tài)，漿液的注入過程就是對原來充滿空隙的水的置換過程[4]，漿液在裂隙(孔隙) 中的運動與地下水有著密切的關(guān)系?？障吨凶⑷霛{液的多少由3 部分空間組成，包括裂隙中排走水的體積(VW)、水的壓縮體積(VP)以及裂隙的擴張體積(VE)。假設(shè)總注入量為V時，有：

如圖2 所示，由于水的壓縮系數(shù)非常小，在實際注漿工程中水的壓縮體積VP可以忽略不計。裂隙體積VE的擴張，則是來自于巖層固體骨架的劈裂，在地層裂隙a 中的水壓pW與裂隙圍巖施加于裂隙的閉合壓力pr(一般是指覆巖自重應力)是相當?shù)?，即pw＝pr，因此，注漿壓力要大于受注層上覆圍巖自重應力，裂隙劈裂才可能產(chǎn)生VE，而這在實際工程中很難達到?？梢姡严稊U張體積VE在注漿工程設(shè)計中也可以忽略不計。

圖2 飽水裂隙巖體受力情況Fig.2 Stress of water saturated fractured rock mass

由此可見，對實際的飽水裂隙巖體注漿時，吃漿量的大小主要取決于裂隙中原有水排出體積的大小VW(實際是漿液置換出水的體積大小)，即地層的可注性條件取決于在注漿壓力作用下充填于裂隙中水的排走(置換)條件。因此，注漿參數(shù)的設(shè)計也將很大程度上取決于受注裂隙中水的排出條件。

如圖3 所示，常見的裂隙(空隙)有孤立存在的盲裂隙或網(wǎng)絡(luò)狀溝通的連通型裂隙。

在盲裂隙中注漿時，由于盲裂隙與其他裂隙之間不存在切穿關(guān)系，其中的地下水相對封閉而無法排出，即VW=0，則吃漿量幾乎為零，注漿充填飽水盲裂隙是不可行的(圖3a)。可見，受注巖層中存在漿水置換條件的連通型空隙網(wǎng)絡(luò)是注漿改造的基本條件(圖3b)。

圖3 受注層水平裂隙類型Fig.3 Horizontal fissure types of grouting strata

2) 裂隙開度

裂隙開度是指巖石結(jié)構(gòu)面縫隙緊密的程度，是描述巖體節(jié)理、裂隙大小。經(jīng)典的流體運移立方定律認為，流體在單一光滑裂隙中運動的單寬流量與裂隙寬的立方成正比[13-14]：

式中：q為裂隙內(nèi)的流體單寬流量；g為重力加速度；b為等效水力隙寬；μg為流體黏度；J為裂隙內(nèi)的水力梯度。由式(2)可知，當流體性質(zhì)一定時，隙寬越大，注漿量越大。

3) 裂隙粗糙性

式(2)的立方定律描述的滲流規(guī)律，是以裂隙面光滑平直無任何充填為前提，但在實際地質(zhì)條件中，裂隙并非平整的寬縫(圖4)，而是帶有粗糙度、瓶頸阻塞、迂曲現(xiàn)象的復雜裂縫[15]。

圖4 裂隙粗糙度與迂曲度Fig.4 Sketch of rough and zigzag of the fracture

由于裂隙的復雜性和空間分布的無序特征，常用裂隙的粗糙程度表征，主要可歸納為3 類表征方法：凸起高度表征法、節(jié)理粗糙度表征法和分維數(shù)表征法[16-17]。N.Barton 等[18]通過大量試驗分析，在立方定律中引入了節(jié)理粗糙度(JRC)這一修正系數(shù)：

由式(3)可知，單裂縫單寬注漿量與節(jié)理粗糙度系數(shù)JRC 負相關(guān)，這是由于裂隙粗糙程度越高，單裂縫比表面積越大，則黏滯能力越強，注漿擴散能力越小。

4) 孔隙水的承壓性

連通型裂隙是指區(qū)域裂隙網(wǎng)絡(luò)溝通、地下水運移流動暢通的裂隙。如圖5 所示，在對連通型裂隙B 注漿時，漿液要進入裂隙，則必須排走(置換)裂隙中的水，而排走裂隙中的水，則必須使裂隙中的水產(chǎn)生流動的動力條件。

圖5 開啟性裂隙注漿Fig.5 Sketch of grouting process in open fracture

圖5 中單個裂隙在注漿壓力為p時的受力條件為：

式中：γ為水的容重；f為漿液和水在裂隙(單寬)中流動時的綜合阻力系數(shù)；(l1+l2)為裂隙封閉段的總長度，其中l(wèi)1為水平段長度，l2為傾斜段長度；h為傾斜裂隙段的垂向長。

可見，漿液要進入裂隙，注漿壓力需克服漿液在裂隙中流動時的綜合阻力f(l1+l2)以及靜水壓力γh。

綜上分析可知，通過技術(shù)工程措施進一步提升受注層空隙介質(zhì)的連通性、空隙結(jié)構(gòu)的開度，以及克服受注層靜水壓力的能力是提高超前區(qū)域注漿治理效果的重要方面，水壓致裂工藝在增強巖層空隙開啟程度和空隙間連通性方面具有優(yōu)勢，基于水平定向鉆孔的高壓預裂與注漿結(jié)合工藝具有較好的應用前景。

2.2 注漿材料

目前常見的注漿材料主要有水泥漿、黏土漿、水泥黏土漿、水泥-水玻璃漿，為保證漿液有較好的擴散范圍，注漿工程采用的注漿材料和易性好，凝結(jié)時間長，擴散范圍廣，一般為牛頓流體。漿液在孔隙和裂隙中流動特性主要取決于漿液材料的粒度、黏滯性、時變性以及結(jié)石率等特性。

1) 粒度

目前，華北型煤田超前區(qū)域注漿治理以水泥基材料為主，國內(nèi)外許多專家針對普通硅酸鹽水泥的可注性進行了系統(tǒng)研究，眾多試驗證實了裂隙開度的空間變化對于漿液流動有著很大影響[19-20]，當裂隙開度大于最小開度時，漿液才會進入裂隙，開度越小，漿液在裂縫內(nèi)遷移能力越強，其最小可注入裂隙開度約為水泥顆粒粒徑的3 倍[21]。注漿工程中為了解決普通硅酸鹽水泥由于顆粒粒徑偏大無法注入微裂隙的問題，通過采用超細水泥減小水泥顆粒粒徑來提高水泥漿液的可注性，是提高注漿治理效果的主要措施。另外，試驗發(fā)現(xiàn)，僅依靠減小水泥顆粒粒徑來達到微裂隙注漿的目的是不夠的，由于超細水泥顆粒間的比表面積較大，發(fā)生水化反應后顆粒間團聚現(xiàn)象尤為明顯[22]，降低了漿液的可注性。而較小粒度分布的水泥漿液比大粒度分布以及極小粒度分布的水泥漿液具有更強的滲透性，這是因為過大的顆粒會堵塞流動通道，而過小的水泥顆粒由于表面黏聚力過大更易發(fā)生絮凝，形成大的團塊從而導致堵塞，水泥粒徑分布范圍較小時有助于漿液流動，且動態(tài)注漿比靜態(tài)注漿更能有效地將漿液注入到裂隙中[23]。

2) 黏滯性

漿液在地層中的運動規(guī)律和地下水的運動規(guī)律非常相似，一般屬于層流，不同之處是漿液具有更強的黏度。漿液的流變性反映的正是漿液在外力作用下的流動性，漿液的流動性越好，漿液流動過程中壓力損失就越小，漿液在巖土體中的擴散就更容易。反之，漿液流動過程中壓力損失大，漿液不易擴散。如式(2)-式(4)，漿體的黏度越小，表征流體的流動性越強，則遷移擴散的能力越強。

文獻[24]中開展了不同配比下水泥漿液、水泥-粉煤灰漿液、水泥-粉煤灰-黏土漿液的黏度試驗，得到3 種漿液黏度隨不同水灰比增加均降低的變化規(guī)律，且通過極差分析得到水灰比是影響漿液黏度的主要因素，摻合料組分對復合漿液黏度影響比較小。因此，實際工程應用中可通過控制漿液水灰比控制漿液黏度，實現(xiàn)漿液流動的控制。

3) 時變性

注漿漿液以滲透的方式進入裂隙，和巖層膠凝成一體，時變性是顆粒型漿液(如石灰、水泥、細水泥等)的典型特征，即漿液黏度為變值，漿液黏度隨時間發(fā)生變化，眾多試驗研究發(fā)現(xiàn)，漿液黏度與時間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系[25]：

文獻[26]通過正交試驗研究了P.O 42.5 水泥水灰比1.5∶1.0、環(huán)境溫度為15℃條件下漿液黏度與時間的數(shù)值關(guān)系式為：

式中：μ(t)為t時刻水泥漿液的黏度，Pa·s；μ0為漿液的初始黏度，Pa·s；t為漿液攪拌時間，s；a為與漿液、介質(zhì)孔隙率有關(guān)的參數(shù)，s-1，可由試驗獲得。

可見漿液拌合運移過程中黏度隨時間越來越大，低時變性漿體材料具有更好的擴散能力。

4) 結(jié)石能力

結(jié)石率即為結(jié)石體體積與漿液體積的百分比。結(jié)石率是影響注漿效果的重要因素，結(jié)石率高的漿液對巖體裂隙填充率也高，能夠提高注漿封堵效率，節(jié)省注漿材料，結(jié)石率低會造成巖體裂隙填充率低，注漿效果較差。從圖6 所知，水泥漿液結(jié)石率與水灰比呈負相關(guān)關(guān)系，且隨著水灰比增加，結(jié)石率降低速率減小[27]。

圖6 水泥漿液結(jié)石率隨水灰比變化曲線Fig.6 Variation curve of cement slurry rate with water-cement ratio

試驗發(fā)現(xiàn)，結(jié)石體物理力學性質(zhì)也隨水灰比的增加而降低，原因在于不同水灰比水泥漿液在結(jié)石過程中形成的微觀結(jié)構(gòu)特征不同。當水灰比較大時，結(jié)石體中水分較多，在水分析出后會形成較大空洞，結(jié)石體力學強度相對較低，而滲透性較強；當水灰比較小時，結(jié)石體中水分較少，結(jié)構(gòu)密實[28]，結(jié)石體力學強度相對較高，而滲透性較差。工程實例表明，漿液的結(jié)石率及泌水性大小對漿液的充填效果影響較大。當水灰比一定時，隨著粉煤灰摻入量的逐漸增加，漿液的結(jié)石率逐漸增大，尤其是文獻[29]通過試驗發(fā)現(xiàn)，當水灰比為 1∶1時，漿液的結(jié)石率基本都達到 80%以上，當粉煤灰摻入量大于 50%后，漿液結(jié)石率高達 90%以上，可見通過調(diào)整水灰比是控制注漿治理效果的重要途徑。

煤層底板巖溶水害注漿治理是以增強巖層阻水能力為核心目的，對注漿結(jié)石體的強度一般要求不高。綜合對注漿材料的物性分析，在經(jīng)濟合理條件下采用粒度小、球磨度高(光滑性好，不易團聚)、漿體黏滯性與時變性低、結(jié)石率高的注漿材料及其配比是提高超前區(qū)域注漿治理效果的重要方面，而超細水泥基[30](顆粒小、強度高等)、超細粉煤灰基[31](顆粒小、光滑性好、黏滯性低等)、超細煤矸石基(性價比高)材料，以及抗?jié)B激發(fā)劑、微膨脹型等材料在增強漿體擴散能力與抗?jié)B性能方面具有研發(fā)與推廣價值。

2.3 注漿壓力

如圖7 所示，注漿壓力是克服流動阻力f(h3+l1)、地下水靜水壓力(γhw)驅(qū)動漿液擴散的基本力學條件。

以圖7 中A點為水平段起點(l1=0)，由式(4)可以得出定向注漿孔在水平段某點的有效注漿壓力pe為：

圖7 水平注漿孔注漿布置Fig.7 Grouting diagram of horizontal grouting hole

式中：p0為注漿孔孔口壓力表讀數(shù)；γg為漿體的容重；h3為注漿孔孔口與水平段間的垂直距離；hw為受注層的靜水壓力水柱高度。

由式(7)可知，在受注層水文地質(zhì)條件、注漿材料確定的條件下，注漿壓力p0越大，有效注漿壓力pe越大，則驅(qū)動漿液擴散范圍越大，可見增加注漿治理工程中的孔口注漿壓力是提升注漿治理能力的一個重要措施。

2.4 注漿孔空間布置

研究與工程實踐表明[32]，鉆孔水平段方位的優(yōu)化需綜合考慮斷層走向、褶皺軸跡分布、注漿目的層傾向、地應力最大主應力方向等因素。一是鉆孔水平段優(yōu)勢方位以平面上與斷層、褶皺軸部跡線橫向大角度相交為主，盡可能溝通垂向斷層和褶皺軸部裂隙；二是次優(yōu)勢方向為盡量小角度與注漿目的層傾向相交，使順層近水平鉆孔與更多的層間結(jié)構(gòu)面接觸；三是為了與較多的天然裂隙導通，水平段方位避免與最大水平主應力方向平行。

2.5 注漿方式

將裂隙含水層改造為相對隔水層實際是漿液驅(qū)替裂隙中水體的過程，按漿液在垂向裂隙中擴散形態(tài),一般可將水平孔注漿進程分為低壓充填—升壓滲透—高壓劈裂3 個時段[33]，在工程實踐中形成了“梯度增壓注漿控制工藝”[32]，對探查到的各類構(gòu)造裂隙、巖溶空隙尤其是大型隱伏垂向?qū)ǖ?，依?jù)漿液運移過程進行高效注漿治理。

另外，單個定向孔采用前進式分段注漿方式進行注漿，而為了保障多個定向孔組成的集束型定向孔群注漿效率與效果，實踐形成了“由外到內(nèi)注漿”“跳孔注漿”“相鄰錯位注漿”等高效注漿方式[34-35]。其中

“由外到內(nèi)注漿”為先注外部定向孔，形成外圍約束，抑制無序擴散。采取“跳孔注漿”可以逐步實現(xiàn)約束注漿、檢驗前序注漿擴散范圍，使注漿漿液達到緊密壓實。當必須對相鄰定向孔同時進行注漿或鉆進等施工時，采用“錯位注漿”方式，可有效避免孔間竄漿，降低相鄰定向孔鉆進施工影響，以提高群孔注漿治理效率。

3 超前區(qū)域注漿漿液擴散與布孔方式

3.1 有效注漿壓力衰減與漿液擴散

目前，華北型煤田煤層底板水害治理常用的注漿孔主要采用水平段平行分支孔布置模式，注漿治理工程設(shè)計鉆孔布設(shè)間距以最大不超過 2 倍的漿液擴散半徑為原則，進行等間距布孔(圖8)。

圖8 長距離平行分支注漿孔漿液擴散Fig.8 Schematic diagram of slurry diffusion in long-distance parallel branch grouting holes

從前文有效注漿壓力公式(7)可以看出，假設(shè)注漿工程為定壓力注漿過程(p0為定值)，受注層空隙性均質(zhì)各向同性，漿液在鉆孔和裂隙中流動時的綜合阻力系數(shù)f、含水層靜水壓力γhw均為定值，則注漿過程中水平段隨著鉆孔延伸，由于漿液在鉆孔和裂隙中流動時受到鉆孔和巖層孔隙綜合阻力的抑制，水平孔中沿程有效注漿壓力pe逐步遞減(圖9a)，在水平段某處后會產(chǎn)生靜力平衡，則有效注漿壓力為0，難以形成“柱形”的漿液擴散形態(tài)，而在水平段形成“錐形”的漿液擴散范圍(圖9b)，當平行分支孔間距過大或水平段較長時，孔間易形成較大范圍的注漿盲區(qū)，則注漿治理水害效果較低，當平行分支孔間距過小，會出現(xiàn)漿液擴散范圍的重疊，降低單孔治理效率。

圖9 水平注漿孔水平段注漿壓力與擴散半徑Fig.9 Schematic diagram of grouting pressure and diffusion radius in horizontal section of horizontal grouting hole

可見，超前區(qū)域注漿治理工程設(shè)計須兼顧治理效果與經(jīng)濟合理的最佳孔間距和孔長，而注漿鉆孔的間距和長度要充分考慮水平孔中沿程有效注漿壓力衰減引起的漿液擴散衰減問題，須根據(jù)受注層地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、注漿材料、漿液擴散阻力等因素科學計算和設(shè)計。

3.2 高效布孔模式

針對傳統(tǒng)平行分支孔間距過大可能造成的注漿孔間盲區(qū)問題，充分結(jié)合受注層水文地質(zhì)特征、注漿工藝，根據(jù)水平段有效注漿壓力逐步線性遞減規(guī)律，為最大程度消除注漿盲區(qū)，提出以下3 種超前區(qū)域治理高效布孔模式。

(1) 長距離錯位平行分支孔模式(圖10a)，根據(jù)前文分析得出的注漿孔水平段有效注漿壓力衰減規(guī)律與漿液“錐形”擴散形態(tài)，在施工1 序分支孔注漿治理的基礎(chǔ)上，在對側(cè)錯位施工2 序孔開展注漿治理，即在2 個序次注漿孔的水平段末端形成交叉重疊區(qū)域，使對側(cè)2 個注漿孔“錐形”擴散范圍形成互補，以消除注漿盲區(qū)。

圖10 注漿水平段分支孔平面布置Fig.10 Plane layout of branch holes in horizontal section of grouting hole

(2) 長距離逆向互補弧形分支孔模式(圖10b)，充分依靠定向鉆進能力，根據(jù)注漿孔水平段注漿漿液“錐形”擴散形態(tài)，兩序孔均以弧形施工各分支孔水平段與開展注漿治理，即水平段的相鄰“弧”形鉆孔的間距逐步減少，使?jié){液擴散范圍始終能夠覆蓋相鄰2 個注漿孔間距，以消除注漿盲區(qū)。

(3) 短距離羽狀分支孔模式(圖10c)，各定向主孔水平段平行施工，根據(jù)注漿孔水平段有效注漿壓力衰減規(guī)律，為了保障有效注漿壓力，以“羽”狀分段施工短距離分支注漿孔，且主孔沿程分支孔的間距逐步加密，使?jié){液擴散范圍始終能夠覆蓋相鄰2 個分支注漿孔間距，以保障注漿擴散范圍全覆蓋，進一步提高注漿效果與效率。

4 結(jié) 論

a.針對華北型煤田煤層底板巖溶水害防治，從煤層底板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)因素、開采因素、鉆進成孔性與漿液擴散因素、邊界條件因素，提出了針對華北型煤田煤層底板薄層灰?guī)r與厚層灰?guī)r水害的2 種超前區(qū)域注漿治理應用模式。

b.影響超前區(qū)域注漿治理效果主要因素有受注層地質(zhì)介質(zhì)結(jié)構(gòu)、注漿材料、注漿鉆孔布局以及注漿參數(shù)等幾個方面。為提高超前區(qū)域注漿治理效果，一是在注漿巖層結(jié)構(gòu)控制方面，可通過工程措施進一步提升受注層空隙介質(zhì)的連通性、空隙結(jié)構(gòu)開啟性以及克服受注層靜水壓力的能力；二是在經(jīng)濟合理原則上采用粒度小、球磨度高、漿體黏滯性與時變性低、結(jié)石率高的注漿材料；三是要充分考慮注漿鉆孔的間距、孔長以及多個鉆孔在空間上的分布與走向，減少漿液沿程遷移阻力和漿液擴散盲區(qū)，提高超前區(qū)域注漿治理效果。

c.煤層底板承壓含水層水害區(qū)域注漿治理工程布置應關(guān)注受注巖層水動力分布、構(gòu)造分布關(guān)系，以及不同布孔方式下注漿壓力衰減引起的漿液擴散盲區(qū)等問題。根據(jù)水平段有效注漿壓力逐步遞減規(guī)律，為最大程度消除注漿盲區(qū)，提出長距離錯位平行分支孔、長距離逆向互補弧形分支孔、短距離羽狀分支孔等3類注漿孔高效布孔模式，以提高注漿效果與效率。