董書寧，劉其聲，王 皓，郭小銘，柳昭星，鄭士田，南生輝，劉建林，趙 兆，石志遠

(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重點實驗室，陜西 西安 710077)

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國華北型石炭–二疊紀煤田煤層受底板巖溶水害威脅的煤炭資源儲量高達570 億t。煤層底板高承壓含水層水害已經(jīng)成為新時期我國煤炭資源安全高效開采的主要制約因素[1]。目前，采用注漿技術對底板隔水層加固和含水層改造是煤層底板水害防治的主要手段[2]。

以往煤層底板含水層注漿改造一直采用常規(guī)直孔注漿，但由于鉆孔鉆遇含水層孔段較短，需要布置較為密集的鉆孔來達到改造目的[3-6]，而且必須依托井巷工程實施[7]。同時，注漿工藝也面臨注漿盲區(qū)大、目標位置不準確、注漿效果差等問題，使巷道掘進過程中水害難以高效探查與治理。2008 年，董書寧等[8]首次提出利用水平定向鉆孔進行煤層底板注漿加固的理念，發(fā)明煤層底板注漿加固水平定向鉆孔的施工方法，大幅增加有效注漿孔段長度，提高鉆孔揭露裂隙帶、含水體面積，減小注漿盲區(qū)，提高注漿改造效率[9]。另外，利用水平定向鉆注漿可擴大單孔探查或注漿面積，減少鉆進機械搬運工程，降低鉆探工程對礦井生產(chǎn)進度影響，對煤層底板進行超前探查和治理[10]。

2011 年，中煤科工西安研究院(集團)有限公司(簡稱西安研究院)首次將水平定向鉆技術引入到煤層底板水害超前注漿治理中，在河南能化集團趙固一礦11151 工作面成功完成現(xiàn)場底板注漿加固試驗。隨后，超前區(qū)域治理理念在河北邯邢礦區(qū)、安徽淮北礦區(qū)煤層底板水害治理中大面積推廣應用，并迅速發(fā)展到斷層、陷落柱等導水構造治理，形成了集超前區(qū)域探查與面狀治理于一體的煤層底板水害超前區(qū)域治理技術[11-12]。該技術先后在河北峰峰礦區(qū)九龍、陜西焦坪礦區(qū)桑樹坪[13]、安徽淮北礦區(qū)朱莊等煤礦[14]成功應用，并進一步推廣至安徽皖北[15]和淮南[16]、山東黃河北[17]、河北邯邢[18]、河南焦作[19]等大水礦區(qū)，取得了良好的治理效果，使水平定向鉆技術廣泛應用于礦井水害防治工程[20]。但在工程實踐中，普遍面臨水平定向鉆孔漿液運移規(guī)律不明、鉆遇隱伏導水通道判識與治理難度高、注漿效果檢驗技術不可靠等問題，且井下定向鉆機鉆進能力無法滿足高強度、高水壓灰?guī)r含水層鉆進和安全需求。

因此，針對上述問題，筆者聚焦水平孔漿液運移規(guī)律、超前區(qū)域注漿改造模式和分類標準、灰?guī)r地層水平定向鉆高效鉆進工藝、隱伏導水通道超前判識治理、底板水害超前治理關鍵參數(shù)控制工藝、注漿效果檢驗與評價等方面進行深入研究，形成煤層底板水害超前區(qū)域治理技術體系，以期為現(xiàn)場工程實踐提供重要的理論和技術支撐。

1 煤礦底板水害超前區(qū)域治理理念與技術體系

針對華北型煤田煤層底板石炭–二疊系太原組薄層灰?guī)r或奧陶系灰?guī)r(簡稱奧灰)巖溶含水層突水威脅，突破常規(guī)井下直孔注漿的“被動式”局部工作面防治理念，采用水平定向鉆從地面或井下對底板巖溶含水層進行超前區(qū)域(多個工作面)注漿改造，實現(xiàn)底板水害的“主動式”防治。該技術有效避免了井下施工位置限制和影響采掘作業(yè)等問題，通過多個工作面整體超前治理實現(xiàn)了水文地質條件的區(qū)域性改變，避免了井下局部單個工作面改造后的繞流現(xiàn)象。

煤層底板超前區(qū)域治理技術涉及采礦工程、水文地質、工程地質、鉆探工程等專業(yè)學科，是一項復雜的系統(tǒng)工程，面臨眾多技術難題，包括注漿層位選擇、灰?guī)r地層水平孔高效鉆進工藝、隱伏導水通道判識、關鍵注漿參數(shù)控制工藝、注漿效果評價技術等，必須進行超前區(qū)域注漿治理改造模式、水平孔傾斜裂隙漿液擴散規(guī)律、注漿效果評價方法等理論研究，開發(fā)相關關鍵技術，才能為煤層底板超前區(qū)域治理提供理論和技術支撐。西安研究院經(jīng)過近10 年的研究開發(fā)和工程實踐，創(chuàng)建了煤層底板水害超前區(qū)域治理的理論框架和關鍵技術(圖1)。具體包括煤層底板水害超前區(qū)域治理模式分類和選擇準則，實現(xiàn)超前區(qū)域的精準治理；形成灰?guī)r地層水平定向鉆高效鉆進工藝和隱伏導水通道超前判識治理技術，實現(xiàn)堅硬灰?guī)r地層鉆孔施工和隱伏通道的精準探查和治理；形成底板水害超前治理關鍵參數(shù)控制工藝，實現(xiàn)超前區(qū)域治理關鍵注漿參數(shù)的科學確定；提出多指標的注漿效果定性與定量相結合的檢驗與評價方法。

圖1 煤層底板超前區(qū)域治理理論框架與技術體系Fig.1 Theoretical framework and technical system of advanced regional control coal seam floor

2 煤礦底板水害超前區(qū)域治理關鍵技術

2.1 治理模式分類和選擇準則

2.1.1 模式分類

現(xiàn)階段，我國煤層底板水害超前區(qū)域治理工程已經(jīng)形成了定向鉆進、常規(guī)鉆進、徑向射流結合的施工方式，及薄層太原組灰?guī)r和厚層奧陶系灰?guī)r的含水層治理模式，其具體定義為以底板水害防治與帶壓開采為目標，考慮基礎水文地質條件、治理區(qū)地面施工條件、治理層位選擇和鉆孔鉆進方式，從工程施工方案選擇角度構建技術可靠、經(jīng)濟合理的注漿治理技術與方案的組合體系[21-22]。

1) 指 標

超前區(qū)域治理模式分類指標包括施工位置、層位選擇、鉆進方式。其中施工位置可選取地面鉆孔施工結合地面漿液、井下鉆孔施工結合地面漿液、井下鉆孔施工結合井下漿液3 種配置方案；改造層位包括太原組薄層灰?guī)r含水層和奧陶系巨厚灰?guī)r含水層；鉆進方式包括定向鉆進和徑向射流2 種鉆進方式。

2) 模 式

采用交叉分類原則對各指標進行交叉組合分類，當3 個指標連接形成閉合環(huán)路徑時，可提煉形成治理模式，據(jù)此得到5 種超前區(qū)域治理模式(表1)。

表1 超前區(qū)域治理注漿改造模式[21]Table 1 Advanced regional control grouting transformation mode[21]

3) 亞類模式

定向鉆進過程中利用側向分支孔可形成4 種鉆孔布設形態(tài)，包括掃帚狀(S1)、魚骨狀(S2)、梳狀(S3)、叉狀(S4)；徑向射流在治理層位利用射流工藝可形成梅花狀(S5)布孔形態(tài)。另外，根據(jù)鉆孔探查情況采用不同注漿材料，常見超前區(qū)域注漿材料包括碎石骨料(G1)、河沙骨料(G2)、粉煤灰(G3)、水泥(G4)。根據(jù)超前區(qū)域探查改造模式結合施工設計中鉆孔形態(tài)、注漿材料分類，可綜合確定治理模式亞類(表2)。

2.1.2 模式選擇準則

根據(jù)前文內(nèi)容，可得到各判識指標選擇標準：(1)地面有施工條件優(yōu)先考慮地面施工；(2) 煤層埋深大于800 m 時地面施工鉆探成本高，優(yōu)先考慮井下施工；(3)煤層底板所承受水壓大于6 MPa 時，井下孔口裝置難以保障施工安全，必須選用地面施工；(4)煤層埋深小于240 m 時，地面定向鉆孔施工難以實現(xiàn)造斜，優(yōu)先考慮地面徑向射流；(5)煤層底板有薄層灰?guī)r地層結構，優(yōu)先考慮改造薄層灰?guī)r；(6)薄層、厚層灰?guī)r頂部改造后需滿足突水系數(shù)的要求。依據(jù)該選擇準則體系，建立煤層底板灰?guī)r含水層超前區(qū)域探查改造模式選擇流程(圖2)。

圖2 超前區(qū)域治理模式選擇流程Fig.2 Mode selection process of advanced regional control

2.2 超前注漿定向鉆孔高效鉆進工藝

煤層底板超前注漿加固定向鉆孔鉆進時需要綜合采用螺旋鉆桿回轉鉆進、穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進和螺桿鉆具隨鉆測量定向鉆進等多種耦合工藝[23]。定向鉆孔施工時按鉆孔結構及施工工藝的不同可分為套管段施工、目的層位與套管之間層段施工、定向造斜段施工和透孔鉆進施工等。鉆進時，首先采用螺旋鉆桿回轉鉆進工藝進行套管段施工，成功下入套管并試壓合格；然后采用穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進工藝鉆至目的層位，使鉆孔傾角略為增加，以減少后期定向鉆進傾角調整難度；再使用螺桿鉆具隨鉆測量定向鉆進完成定向造斜段和穩(wěn)斜段施工，使鉆孔按設計軌跡在目的巖層中延伸直至達到設計要求。

2.2.1 套管段

套管部位鉆孔施工采用回轉鉆進成孔工藝，為確保套管順利下入孔內(nèi)，要求鉆孔軌跡平直，孔內(nèi)沉渣少，為此可采用螺旋鉆進工藝配套穩(wěn)定組合鉆具和取心鉆進工藝技術進行套管段施工。

2.2.2 回轉鉆進段

如果目的層位與套管之間巖層堅硬且較穩(wěn)定，為縮短造斜段的距離，確保鉆孔軌跡平滑可在回轉鉆進階段利用穩(wěn)定器組合鉆具實施鉆孔造斜；如果目的層位與套管之間巖層不穩(wěn)定，鉆進過程中需盡量縮短此段的鉆孔長度，為此需對鉆孔進行保直鉆進。

2.2.3 定向鉆進

井下硬巖層定向鉆進過程中，造斜率是軌跡控制過程中衡量底部導向鉆具組合造斜能力的重要指標，也是實施導向鉆進工藝的重要依據(jù)。井下定向鉆進普遍采用單彎螺桿馬達，其配套的導向鉆具長度較短、剛性較大、變形較小，可采用幾何法計算煤礦井下導向鉆具造斜率。

井下硬巖定向鉆進軌跡控制宜采用復合定向鉆進工藝。在鉆進過程中鉆桿柱“有滑有轉”，以回轉穩(wěn)斜鉆進為主、滑動造斜鉆進為輔，典型軌跡控制方法如圖3 所示，當實鉆軌跡與設計軌跡之間偏差達到一定值后，調整孔底螺桿馬達造斜工具的指向(即工具面)、滑動給進，連續(xù)造斜改變鉆孔前進方向，獲得理想鉆孔姿態(tài)參數(shù)后回轉穩(wěn)斜鉆進，在水平面和垂直剖面內(nèi)控制實鉆軌跡圍繞設計軌跡延伸。

圖3 復合定向鉆進軌跡控制原理Fig.3 Composite directional drilling trajectory control principle

2.3 隱伏導水通道超前判識治理技術

煤層底板隱伏導水通道是發(fā)生底板突水事故的主要因素之一，也是超前區(qū)域治理過程中的主要治理對象。綜合采用鉆進過程中巖屑錄井、鉆時錄井、鉆液漏失量、壓水試驗、隨鉆伽馬、注漿參數(shù)等判識指標，能夠驗證地面物探疑似通道并在區(qū)域上探查隱伏導水通道發(fā)育情況，形成鉆進過程中隱伏導水通道判識的主要指標、變化規(guī)律、通道類型等，科學判識通道導水性，為超前區(qū)域治理提供基礎依據(jù)。

2.3.1 類型與特征

基于淮北、淮南、黃河北、邢臺等華北型煤田礦區(qū)各礦井揭露的隱伏導水構造情況的分析和總結，得到礦井隱伏導水通道特征為：類型多樣，且呈現(xiàn)隱伏斷層、陷落柱及裂隙等構造類型組合出水事故特征；褶曲軸部裂隙相對發(fā)育，含水層富水性強，隔水層相對薄弱；多發(fā)育于煤層底板，發(fā)育層位低，位置不明，充填較松散、膠結差，導水性較好；隱蔽性好，可探測性差等。

華北型煤田開采主要受斷層、陷落柱和巖溶裂隙構造的充水影響，根據(jù)巖溶含水層特征及鉆探過程中所能探查的構造精度、種類和性質，可得到隱伏導水通道分類，即巖溶裂隙，包括封閉溶隙、弱連通溶隙、強連通溶隙；斷層，包括隔水斷層、弱導水斷層、導水斷層；陷落柱，包括全充水強導水型、邊緣充水導水型、不導水(微弱導水)陷落柱。

2.3.2 判識指標

隱伏導水通道的存在是造成煤層底板突水事故的主要因素之一，是超前區(qū)域治理的主要對象。對我國多個礦區(qū)超前區(qū)域治理鉆探、注漿成果進行統(tǒng)計，總結出巖屑錄井、鉆時錄井、沖洗液消耗量、壓水試驗、注漿參數(shù)和隨鉆伽馬6 個隱伏導水通道的判識指標。其中，巖屑錄井和鉆時錄井用于判識構造通道發(fā)育情況，沖洗液消耗量、壓水試驗和注漿參數(shù)用于判識通道的導水性，隨鉆伽馬作為孔內(nèi)地球物理探查方法，對所判識的隱伏導水通道進行驗證和預判。

分析隱伏導水通道判識指標得到，定向鉆進過程中，巖屑錄井共有3 種曲線類型，即巖屑漸變型(巖屑-Ⅰ型)、巖屑突變無巖爆型(巖屑-Ⅱ型)、巖屑突變有巖爆型(巖屑-Ⅲ型)；鉆時錄井曲線共有3 種曲線類型，即鉆時漸變型(鉆時-Ⅰ型)、鉆時突變未放空型(鉆時-Ⅱ型)、鉆時突變放空型(鉆時-Ⅲ型)。根據(jù)不同構造形態(tài)特征得到灰?guī)r含水層中判識指標的多元組合(表3)。

表3 多元信息通道判識組合Table 3 Combination of multiple information channel identification

2.3.3 判識方法

根據(jù)我國現(xiàn)階段主要治理區(qū)鉆孔施工揭露情況統(tǒng)計，確定“沖洗液消耗量中鉆液漏失量大于30 m3/h，壓水試驗滲透率大于10 Lu，單位注漿量大于10 t/m”可作為地層通道導水性判識標準?；诙嘁蛩亟⒕C合判識標準，對通道的導水性能進行分區(qū)，得出不同構造類型的導水性能類型。根據(jù)上述3 因素進行通道導水性分區(qū)，可分為8 個小區(qū)(圖4)。

圖4 通道導水性判識分類方法Fig.4 Identification and classification method of channel conductivity

2.4 底板水害超前治理關鍵參數(shù)控制工藝

由于煤層底板巖溶裂隙含水層超前區(qū)域注漿具有隱蔽性特征，注漿實踐中缺少對漿液擴散的有效控制，致使存在施工周期長、注漿量大、注漿效果不可靠等問題?；诔皡^(qū)域注漿特點，關鍵注漿參數(shù)控制結合受注地層特征、注漿材料、漿液性能、漿液擴散規(guī)律[24]、底板注漿改造要求和工藝等因素，系統(tǒng)分析注漿材料及漿液選配和調控、注漿終結標準、鉆孔布置間距和方向、注漿控制因素等[25]。

(1) 奧陶系灰?guī)r頂部垂向滲透性存在明顯差異，存在滲透性隨深度增加而增大的變化趨勢；細觀空隙的總數(shù)量中以閉合裂隙和微張裂隙數(shù)量占比為主，兩者開度均值分別穩(wěn)定在120 和420 μm，寬張裂隙和中張裂隙在總裂隙面積中占主要比例，具有較好的貫通性和延展性；在奧灰頂部超前區(qū)域注漿過程中可采用水泥?粉煤灰漿液或水泥?黏土漿液進行“墊底式”充填注漿，再采用顆粒較細小的水泥漿液對微小裂隙和閉合裂隙進行升壓注漿和劈裂注漿[26-28]。

(2) 水泥漿液、水泥?粉煤灰漿液、水泥?黏土漿液的凝結時間主控因素為水玻璃摻量，黏度的主控因素分別為水玻璃摻量、水灰比、水灰比，結石率的主控因素分別為水灰比、水灰比、水玻璃摻量，強度的主控因素為水灰比；根據(jù)各因素極差大小進行排序，得到各因素對實驗結果的敏感性，由大到小為：裂隙開度>裂隙傾角>水灰比>注漿壓力，即裂隙開度對漿液擴散距離影響程度高于裂隙傾角，漿液水灰比高于注漿壓力[29-31]。

(3) 關于注漿壓力、穩(wěn)壓時間和鉆孔間距確定，可通過分析不同條件下水平孔傾斜單裂隙漿液擴散距離特征曲線，得到不同漿液水灰比、受注地層條件和注漿壓力下的漿液擴散距離，結合注漿設備額定工作能力約束，得到符合注漿設備工作能力的水平孔間距，同時也得到對應鉆孔間距的注漿壓力和穩(wěn)壓時間，通過與巖體起裂壓力對比可得到合理的注漿終結壓力，最后得到對應穩(wěn)壓時間和水平注漿孔間距的注漿終結壓力標準，該標準能夠滿足注漿設備能力和水平注漿孔間距要求，也可有效保證注漿覆蓋范圍和注漿效果[32]。

(4) 水平分支孔布設方向可根據(jù)受注地層地應力方向盡量保持鉆孔軌跡與最大主應力方向垂直、與最小主應力方向平行。注漿過程中漿液擴散可根據(jù)漿液性能和擴散距離敏感性特征通過調控漿液水灰比、注漿壓力和注漿時間達到注漿終結壓力和穩(wěn)壓時間標準。

綜合上述控制因素和原則，結合底板超前區(qū)域注漿工藝和要求，形成煤層底板水害超前區(qū)域治理關鍵注漿參數(shù)控制技術(圖5)[33]。

圖5 煤層底板水害超前區(qū)域治理關鍵注漿參數(shù)控制技術[25]Fig.5 Key grouting parameter control technology for advanced regional control of water damage in coal seam floor[25]

2.5 檢驗與評價

注漿效果評價為煤層底板超前區(qū)域治理技術的重要組成部分。準確地進行注漿效果評價，不但可以有效保證礦井采掘安全，還可為超前區(qū)域治理工程布設提供指導，進一步優(yōu)化注漿孔布設及注漿工藝。

2.5.1 定性評價方法

灰色關聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)方法之一，已廣泛應用于經(jīng)濟學、社會學和環(huán)境等各個領域。它的基本思想是根據(jù)2 個數(shù)據(jù)序列幾何形狀的相似性來確定它們之間的關系度。根據(jù)幾何形狀建立了關系分析模型[34]，斷線之間的幾何形狀越近，關系度就越大?；疑P聯(lián)分析可綜合注漿量、鉆井液漏失量、伽馬值、水溫、平均滲透率、注漿段長度等多種注漿因素，通過關聯(lián)、分組、綜合評分進行效果檢驗。具體注漿中分析和整理注漿點的注漿量、鉆井液漏失量、伽馬值、水溫、平均滲透率、注漿段長度、奧灰含水層水壓和隔水層厚度等數(shù)據(jù)，并灰色關聯(lián)度計算，通過各個參數(shù)的灰色關聯(lián)度確定其評價結果的權重。然后計算得到突水風險評估的綜合權重系數(shù)、綜合分數(shù)并完成突水風險評價圖。

2.5.2 定量評價標準

注漿效果檢查方法有鉆探、物探和注漿特征分析法等，主要以定性評價方法為主。而以沖洗液消耗量、鉆孔涌水量、滲透率和改造層厚度4 個指標為研究對象，可建立超前區(qū)域治理技術的注漿效果定量評價分析方法[35]。

根據(jù)多個礦區(qū)注漿改造施工技術經(jīng)驗，當沖洗液消耗量為均勻消耗時，且消耗量不大于1 L/(min·m)，表明注漿效果良好；根據(jù)多個礦區(qū)注漿改造施工技術經(jīng)驗，當井下檢查孔為均勻出水且每鉆進100 m 段內(nèi)涌水量小于5 m3/h 時，表明注漿效果良好；當每個層段的滲透率均不大于1 Lu 時，表明注漿效果良好。在地層結構預測準確的前提下，只要軌跡偏差、注漿結束標準均滿足設計要求時，且在該注漿層段內(nèi)，滲透率、鉆孔涌水量、沖洗液消耗量均達到注漿良好標準時，表明改造層厚度達到設計要求。

2.5.3 孔中物探檢驗設備及配套工藝

電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖石、礦物電性參數(shù)(電阻率、介電常數(shù)等)不同，對電磁波能量的吸收有一定差異，電阻率較低的巖石、礦物具有較大的吸收作用。另外，伴隨著斷裂構造或空洞所出現(xiàn)的界面，能夠對電磁波產(chǎn)生折射、反射等作用，也會造成電磁波能量的損耗。因此，可研究各種巖層及地質構造對電磁波傳播的影響(包括吸收、反射、二次輻射等作用)所造成的各種異常進行地質解釋，從而判識地質構造?；谏鲜鲈?，為實現(xiàn)注漿效果檢驗，制造了孔中無線電波透視裝備，其工作原理如圖6 所示。

圖6 孔中無線電波透視工作原理Fig.6 Working principle of radio wave perspective in a hole

發(fā)射機是孔中電磁波透視儀的建場設備，供出穩(wěn)定、具有較強功率且符合本安要求的電磁波信號是發(fā)射機的主要技術指標。接收機接收的信號范圍為納伏到微伏級，按探測設計要求可選擇接收探測頻率信號。接收機由模擬板、控制板、電源板和面板組成，接收機采用本安型防爆設計，孔中接收天線采用多級放大設計，使孔中接收信號通過天線放大處理，實現(xiàn)電磁波信號的高性能接收。具體檢驗鉆孔可在工作面巷道底板施工定向鉆，采取“一對二”施工方式，具體施工方式如圖7 所示。

圖7 鉆桿送入過程中孔中電磁波透視施工布置Fig.7 Construction arrangement of electromagnetic wave perspective in hole during drill pipe feeding

2.5.4 綜合檢驗技術

超前區(qū)域治理工程中可采用孔間電磁波透視儀對前一注漿序次進行效果檢驗并補充分支孔進行及時補充注漿。在治理完成后，綜合單個鉆孔漏失量、注漿量、水溫、平均滲透率等指標，采用關聯(lián)分析、綜合評分定性評價整個治理區(qū)注漿效果。在孔間物探確定的漿液充填較差區(qū)、定性評價的注漿效果較差區(qū)施工井下注漿效果檢查鉆孔，評價注漿效果，并對效果較差區(qū)域進行補充注漿，由此形成了注漿效果檢驗綜合評價裝備技術體系(圖8)。

圖8 井下注漿效果綜合檢驗Fig.8 Comprehensive inspection of downhole grouting effect

3 工程應用

桑樹坪煤礦位于陜西渭南，地表為山峁溝谷地貌，主采二疊系山西組3 號煤和石炭系太原組11 號煤，其中11 號煤距底板奧陶系灰?guī)r含水層近，受奧灰水害威脅極為嚴重(圖9)。地面高程+430～+750 m，平均為+590 m；煤層埋深240～560 m，平均為400 m；奧灰頂界面高程+140～+210 m，平均為+175 m；奧灰含水層水位+380 m；底板與奧灰含水層間距16.5～21.5 m，承受最大水壓為1.23 MPa，最大突水系數(shù)0.072 MPa/m。3105 工作面實測底板破壞深度14.8 m，最小有效隔水層厚度僅有1.7 m。工作面回采面臨極為嚴重的底板奧灰含水層突水威脅。

圖9 桑樹坪煤礦 3105 工作面煤層底板地層結構Fig.9 Schematic diagram of stratum structure of coal seam floor in working face 3105 in Sangshuping Coal Mine

3.1 治理模式選取

由于煤層底板無薄層太原組灰?guī)r，因此改造層位選擇奧陶系灰?guī)r頂部峰峰組風化充填帶。由于3105 工作面及周邊對應地表為山峁溝谷地貌，溝壑縱橫鉆機進場施工難度高，且民事協(xié)調難度大，賠青費用高。因此，3105 工作面區(qū)域治理不具備地面施工條件；另外，煤層底板所承受奧灰含水層最大水壓為1.23 MPa，小于井下鉆孔安全施工6 MPa 的要求，確定區(qū)域治理鉆孔施工采用井下定向鉆進方式。綜合分析，3105 工作面采用C2S1D1 井下厚層灰?guī)r定向鉆孔改造模式進行煤層底板含水層超前區(qū)域治理。

3.2 治理關鍵參數(shù)

基于工程成本和漿液性能考慮，注漿過程中主要采用水灰比相對較大的水泥漿液進行注漿，因此，在參數(shù)計算過程中采用牛頓型水泥漿液參數(shù)。在注漿過程中孔口注漿壓力與受注地層裂隙注漿點處的有效壓力存在中間流動過程的動力損失，計算公式見下式，因此，通過計算轉換可得到有效注漿壓力。

式中：p1為作用到灌漿段中點上的實際壓力；p為孔口處壓力表顯示的壓力；ps為漿液自重產(chǎn)生的壓力；pξ為漿液在流經(jīng)自壓力表至灌漿段中點一段路程上的流動損失。

根據(jù)超前區(qū)域注漿改造范圍將水平分支鉆孔間距設置為40 m，基于水平孔傾斜單裂隙牛頓型流體擴散控制方程，計算得到桑樹坪煤礦底板奧灰超前區(qū)域治理中注漿時間下限，其注漿改造試算參數(shù)見表4。

表4 桑樹坪煤礦超前區(qū)域注漿改造試算參數(shù)Table 4 Trial calculation parameters of grouting transformation in advanced regional control of Sangshuping Coal Mine

經(jīng)過計算得到6 000 s 內(nèi)不同水灰比下漿液擴散距離變化曲線(圖10)。根據(jù)水平分支孔間距40 m，為保證注漿效果，水灰比為1∶1 的漿液注漿時間不能低于3 800 s，水灰比為2∶1 的漿液注漿時間不能低于3 200 s，水灰比為3∶1 的漿液注漿時間不能低于2 600 s。

圖10 不同水灰比漿液擴散距離隨時間變化曲線Fig.10 Variation curve of grout diffusion distance with time for different water-cement ratios

3.3 工程布設與應用效果

改造層位為進入奧灰層位后23～31 m，平均27 m；孔深660 m；三開裸孔段孔徑96 mm。工作面回采前在井下巷道施工鉆場，沿工作面走向布設定向鉆孔14 個，鉆孔平面投影間距約40 m，垂直深度位于奧陶系灰?guī)r頂面以下15～20 m，對于揭露的奧灰含水層出水位置采用下行式注漿方式，具體鉆孔布設如圖11所示。

圖11 桑樹坪煤礦3105 工作面超前區(qū)域治理鉆孔布設Fig.11 Drilling pattern of advanced regional control in working face 3105 in Sangshuping Coal Mine

工作面回采揭露表明，采用井下超前區(qū)域治理模式有效探查并改造了煤層底板含水層的富水位置，保障了工作面安全。

4 展 望

隨著煤礦開采深度增加，煤炭開采面臨底板高壓巖溶含水層水害威脅愈發(fā)嚴重，為華北型煤田煤層底板超前區(qū)域治理工作提出了新的要求：

(1) 深部煤層底板巖溶含水層突水機理。煤層底板突水機理是指導底板超前區(qū)域治理層位和模式選擇的依據(jù)。以往廣泛應用的底板突水系數(shù)對于深部煤層底板突水評價適用性較差，目前其他突水機理研究成果尚未有效揭示深部煤層采動過程中底板應力、裂隙和水壓等影響因素的耦合致災機制，而采動過程中應力狀態(tài)轉換、水壓損傷、裂隙通道起裂等變化存在相互影響和制約，如何揭示其內(nèi)在關系是底板突水機理研究發(fā)展的重要方向。

(2) 煤礦底板導水通道超前精準探查。由于煤層底板灰?guī)r巖溶裂隙分布的非均質性特征，利用水平定向鉆實現(xiàn)導水通道精準探查是實現(xiàn)超前區(qū)域治理中 “有的放矢、精準可控注漿”的基礎。而導水通道精準探查需采用物探、鉆探和化探等手段，綜合判識。因此如何利用物探、鉆探、化探相結合的技術手段，實現(xiàn)采前、采中分階段全面精準探查，準確判識潛在導水通道的分布范圍、充填結構、導水性能等，實現(xiàn)導水通道的智能化精準判識，將是底板導水通道超前精準探查研究的重要方向。

(3) 煤層底板超前區(qū)域治理。現(xiàn)階段煤層底板超前區(qū)域治理技術相對成熟，但注漿材料、漿液配比、注漿壓力、注漿時間、注漿量等關鍵注漿參數(shù)選取的智能化水平仍存在不足，如何實現(xiàn)注漿參數(shù)隨受注地層空隙性、導水性、滲透性等特征而智能化調控是超前區(qū)域治理技術發(fā)展的方向。

5 結論

a.基于注漿改造過程中鉆孔施工位置、注漿層位選擇和鉆進方式，建立了5 種超前區(qū)域注漿改造主模式，確定了各類模式的確定方法和準則。結合注漿材料、鉆孔布設形態(tài)，形成超前區(qū)域注漿改造亞類劃分。

b.形成了煤層底板超前注漿加固定向鉆孔螺旋鉆桿回轉鉆進、穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進和螺桿鉆具隨鉆測量定向鉆進等多種鉆進方式耦合的鉆進工藝。

c.確定了沖洗液消耗量中鉆液漏失量大于30 m3/h，壓水試驗滲透率大于10 Lu，單位注漿量大于10 t/m的地層通道導水性判識標準，得出了不同構造類型的導水性能類型，實現(xiàn)了通道導水性分區(qū)。

d.分析了注漿材料及漿液選配和調控、注漿終結標準、鉆孔布置間距和方向、注漿控制因素等，提出了基于受注地層特征、注漿材料、漿液性能、漿液擴散規(guī)律、底板注漿改造要求和工藝等因素的超前注漿漿液擴散控制工藝。

e.提出了基于沖洗液消耗量、鉆孔涌水量、滲透率和改造層厚度4 個指標的超前區(qū)域注漿效果定量評價分析方法及基于灰色關聯(lián)度分析的注漿效果檢驗定性評價方法，開發(fā)了井下水平定向鉆孔的孔間電磁波透視儀，形成了底板灰?guī)r超前注漿效果檢驗綜合評價裝備技術體系。