煤層底板水害區(qū)域注漿治理影響因素分析與高效布孔方式

虎維岳，趙春虎,3，呂漢江

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(hù)與修復(fù)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(wèn)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(dǎo)、含水巖層注漿改造和加固成隔水層，達(dá)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(wèn)題。近年來(lái)隨著大能力定向?qū)便@進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(kuò)散理論模型，開(kāi)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(qiáng)度、時(shí)變性、結(jié)石率等試驗(yàn)研究[7-9]。超前區(qū)域注漿治理技術(shù)已大范圍應(yīng)用于煤田底板巖溶水害的防治，在我國(guó)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(kāi)了大量的工程實(shí)踐，并在2018年頒布的《煤礦防治水細(xì)則》就提出了“當(dāng)承壓含水層的補(bǔ)給水源充沛，不具備疏水降壓和帷幕注漿的條件時(shí)，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(jìn)一步推動(dòng)了超前區(qū)域注漿技術(shù)推廣與應(yīng)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(xué)開(kāi)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(yīng)用條件、材料、工藝相關(guān)研究的系統(tǒng)性仍顯不足，對(duì)于支撐高效開(kāi)展超前區(qū)域治理技術(shù)應(yīng)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(yīng)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(guò)程中有效注漿壓力與漿液擴(kuò)散范圍的衰減規(guī)律，以消除注漿盲區(qū)為目標(biāo)，提出了注漿孔高效布孔模式，以期為進(jìn)一步指導(dǎo)超前區(qū)域高效治理技術(shù)應(yīng)用提供科學(xué)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(guó)華北型煤田主采的石炭-二疊紀(jì)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(shí)踐表明，華北型煤田煤層底板突水威脅主要來(lái)自?shī)W陶系灰?guī)r(簡(jiǎn)稱，奧灰)含水層和碳-二疊系太原組灰?guī)r(簡(jiǎn)稱，太灰)含水層，高承壓奧灰含水層地下水通過(guò)煤層底板導(dǎo)水構(gòu)造(裂隙、斷層、陷落柱等)、煤層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙直接進(jìn)入采掘空間，或通過(guò)巖層裂隙、導(dǎo)水構(gòu)造“接力”進(jìn)入太原組薄層灰?guī)r含水層后間接進(jìn)入采掘空間，從而引起煤層底板突水，由此可見(jiàn)，太原組灰?guī)r含水層一般為中間層或傳導(dǎo)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(dǎo)水通道(裂隙、斷層、陷落柱等)或薄層灰?guī)r含水層，通過(guò)注漿治理進(jìn)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(guó)華北型石炭-二疊紀(jì)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(fēng)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(gè)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(duì)隔水層厚度應(yīng)滿足突水系數(shù)小于0.06 MPa/m。

(2) 開(kāi)采因素。注漿治理的層位須在煤層底板采動(dòng)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(dòng)防控技術(shù)，當(dāng)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(kāi)采擾動(dòng)破壞，注漿治理達(dá)不到加固隔水層或改造含水層的目的。

(3) 鉆進(jìn)成孔性與漿液擴(kuò)散因素。泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟巖層本身為相對(duì)隔水層，巖層空隙性差，孔中漿液在隔水巖層中難以擴(kuò)散，因此，一般選擇空隙性強(qiáng)的灰?guī)r含水層、砂巖含水層進(jìn)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(biāo)，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(dòng)下漿液在厚度大、垂向裂隙發(fā)育的巖層中運(yùn)移時(shí)，漿液擴(kuò)散在垂向上難以控制，存在無(wú)效漿液消耗量大，經(jīng)濟(jì)合理性相對(duì)不足等問(wèn)題。因此，受注層位頂、底板以發(fā)育有相對(duì)隔水的限制層為宜。

綜合以上因素，目前我國(guó)針對(duì)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?duì)隔水地層，在對(duì)薄層灰?guī)r注漿治理過(guò)程中，漿液易在頂?shù)捉鐑?nèi)順層擴(kuò)散，較之厚層灰?guī)r而言，薄層灰?guī)r頂?shù)装宓南鄬?duì)隔水地層可抑制漿液在垂向上無(wú)效擴(kuò)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(gè)或多個(gè)薄層灰?guī)r進(jìn)行注漿，將薄層灰?guī)r含水層改造成相對(duì)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(qiáng)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(dāng)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(kāi)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(shí)，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(shí)，在綜合考慮開(kāi)采擾動(dòng)、鉆井成孔性、漿液擴(kuò)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(duì)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(duì)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(yīng)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(kuò)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(guò)程就是對(duì)原來(lái)充滿空隙的水的置換過(guò)程[4]，漿液在裂隙(孔隙) 中的運(yùn)動(dòng)與地下水有著密切的關(guān)系。空隙中注入漿液的多少由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(kuò)張?bào)w積(VE)。假設(shè)總注入量為V時(shí)，有：

如圖2 所示，由于水的壓縮系數(shù)非常小，在實(shí)際注漿工程中水的壓縮體積VP可以忽略不計(jì)。裂隙體積VE的擴(kuò)張，則是來(lái)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(yīng)力)是相當(dāng)?shù)?，即pw＝pr，因此，注漿壓力要大于受注層上覆圍巖自重應(yīng)力，裂隙劈裂才可能產(chǎn)生VE，而這在實(shí)際工程中很難達(dá)到?？梢?jiàn)，裂隙擴(kuò)張?bào)w積VE在注漿工程設(shè)計(jì)中也可以忽略不計(jì)。

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(jiàn)，對(duì)實(shí)際的飽水裂隙巖體注漿時(shí)，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(shí)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(jì)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(jiàn)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(shí)，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(duì)封閉而無(wú)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(jiàn)，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(kāi)度

裂隙開(kāi)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(yùn)移立方定律認(rèn)為，流體在單一光滑裂隙中運(yùn)動(dòng)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(dāng)流體性質(zhì)一定時(shí)，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(wú)任何充填為前提，但在實(shí)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(fù)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(fù)雜性和空間分布的無(wú)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(guò)大量試驗(yàn)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(fù)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(qiáng)，注漿擴(kuò)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(yùn)移流動(dòng)暢通的裂隙。如圖5 所示，在對(duì)連通型裂隙B 注漿時(shí)，漿液要進(jìn)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(dòng)的動(dòng)力條件。

圖5 開(kāi)啟性裂隙注漿Fig.5 Sketch of grouting process in open fracture

圖5 中單個(gè)裂隙在注漿壓力為p時(shí)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(dòng)時(shí)的綜合阻力系數(shù)；(l1+l2)為裂隙封閉段的總長(zhǎng)度，其中l(wèi)1為水平段長(zhǎng)度，l2為傾斜段長(zhǎng)度；h為傾斜裂隙段的垂向長(zhǎng)。

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

綜上分析可知，通過(guò)技術(shù)工程措施進(jìn)一步提升受注層空隙介質(zhì)的連通性、空隙結(jié)構(gòu)的開(kāi)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(qiáng)巖層空隙開(kāi)啟程度和空隙間連通性方面具有優(yōu)勢(shì)，基于水平定向鉆孔的高壓預(yù)裂與注漿結(jié)合工藝具有較好的應(yīng)用前景。

2.2 注漿材料

目前常見(jiàn)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(kuò)散范圍，注漿工程采用的注漿材料和易性好，凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，擴(kuò)散范圍廣，一般為牛頓流體。漿液在孔隙和裂隙中流動(dòng)特性主要取決于漿液材料的粒度、黏滯性、時(shí)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(guó)內(nèi)外許多專家針對(duì)普通硅酸鹽水泥的可注性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，眾多試驗(yàn)證實(shí)了裂隙開(kāi)度的空間變化對(duì)于漿液流動(dòng)有著很大影響[19-20]，當(dāng)裂隙開(kāi)度大于最小開(kāi)度時(shí)，漿液才會(huì)進(jìn)入裂隙，開(kāi)度越小，漿液在裂縫內(nèi)遷移能力越強(qiáng)，其最小可注入裂隙開(kāi)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(wú)法注入微裂隙的問(wèn)題，通過(guò)采用超細(xì)水泥減小水泥顆粒粒徑來(lái)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅依靠減小水泥顆粒粒徑來(lái)達(dá)到微裂隙注漿的目的是不夠的，由于超細(xì)水泥顆粒間的比表面積較大，發(fā)生水化反應(yīng)后顆粒間團(tuán)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(qiáng)的滲透性，這是因?yàn)檫^(guò)大的顆粒會(huì)堵塞流動(dòng)通道，而過(guò)小的水泥顆粒由于表面黏聚力過(guò)大更易發(fā)生絮凝，形成大的團(tuán)塊從而導(dǎo)致堵塞，水泥粒徑分布范圍較小時(shí)有助于漿液流動(dòng)，且動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律和地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常相似，一般屬于層流，不同之處是漿液具有更強(qiáng)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(dòng)性，漿液的流動(dòng)性越好，漿液流動(dòng)過(guò)程中壓力損失就越小，漿液在巖土體中的擴(kuò)散就更容易。反之，漿液流動(dòng)過(guò)程中壓力損失大，漿液不易擴(kuò)散。如式(2)-式(4)，漿體的黏度越小，表征流體的流動(dòng)性越強(qiáng)，則遷移擴(kuò)散的能力越強(qiáng)。

文獻(xiàn)[24]中開(kāi)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(yàn)，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(guò)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(duì)復(fù)合漿液黏度影響比較小。因此，實(shí)際工程應(yīng)用中可通過(guò)控制漿液水灰比控制漿液黏度，實(shí)現(xiàn)漿液流動(dòng)的控制。

3) 時(shí)變性

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

文獻(xiàn)[26]通過(guò)正交試驗(yàn)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(shí)間的數(shù)值關(guān)系式為：

式中：μ(t)為t時(shí)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(shí)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(yàn)獲得。

可見(jiàn)漿液拌合運(yùn)移過(guò)程中黏度隨時(shí)間越來(lái)越大，低時(shí)變性漿體材料具有更好的擴(kuò)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(duì)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(huì)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(fù)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，結(jié)石體物理力學(xué)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(guò)程中形成的微觀結(jié)構(gòu)特征不同。當(dāng)水灰比較大時(shí)，結(jié)石體中水分較多，在水分析出后會(huì)形成較大空洞，結(jié)石體力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低，而滲透性較強(qiáng)；當(dāng)水灰比較小時(shí)，結(jié)石體中水分較少，結(jié)構(gòu)密實(shí)[28]，結(jié)石體力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較高，而滲透性較差。工程實(shí)例表明，漿液的結(jié)石率及泌水性大小對(duì)漿液的充填效果影響較大。當(dāng)水灰比一定時(shí)，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(xiàn)[29]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水灰比為 1∶1時(shí)，漿液的結(jié)石率基本都達(dá)到 80%以上，當(dāng)粉煤灰摻入量大于 50%后，漿液結(jié)石率高達(dá) 90%以上，可見(jiàn)通過(guò)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(qiáng)巖層阻水能力為核心目的，對(duì)注漿結(jié)石體的強(qiáng)度一般要求不高。綜合對(duì)注漿材料的物性分析，在經(jīng)濟(jì)合理?xiàng)l件下采用粒度小、球磨度高(光滑性好，不易團(tuán)聚)、漿體黏滯性與時(shí)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(xì)水泥基[30](顆粒小、強(qiáng)度高等)、超細(xì)粉煤灰基[31](顆粒小、光滑性好、黏滯性低等)、超細(xì)煤矸石基(性價(jià)比高)材料，以及抗?jié)B激發(fā)劑、微膨脹型等材料在增強(qiáng)漿體擴(kuò)散能力與抗?jié)B性能方面具有研發(fā)與推廣價(jià)值。

2.3 注漿壓力

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

以圖7 中A點(diǎn)為水平段起點(diǎn)(l1=0)，由式(4)可以得出定向注漿孔在水平段某點(diǎn)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(dòng)漿液擴(kuò)散范圍越大，可見(jiàn)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(gè)重要措施。

2.4 注漿孔空間布置

研究與工程實(shí)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(yīng)力最大主應(yīng)力方向等因素。一是鉆孔水平段優(yōu)勢(shì)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(shì)方向?yàn)楸M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(dǎo)通，水平段方位避免與最大水平主應(yīng)力方向平行。

2.5 注漿方式

將裂隙含水層改造為相對(duì)隔水層實(shí)際是漿液驅(qū)替裂隙中水體的過(guò)程，按漿液在垂向裂隙中擴(kuò)散形態(tài),一般可將水平孔注漿進(jìn)程分為低壓充填—升壓滲透—高壓劈裂3 個(gè)時(shí)段[33]，在工程實(shí)踐中形成了“梯度增壓注漿控制工藝”[32]，對(duì)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(yùn)移過(guò)程進(jìn)行高效注漿治理。

另外，單個(gè)定向孔采用前進(jìn)式分段注漿方式進(jìn)行注漿，而為了保障多個(gè)定向孔組成的集束型定向孔群注漿效率與效果，實(shí)踐形成了“由外到內(nèi)注漿”“跳孔注漿”“相鄰錯(cuò)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(wú)序擴(kuò)散。采取“跳孔注漿”可以逐步實(shí)現(xiàn)約束注漿、檢驗(yàn)前序注漿擴(kuò)散范圍，使注漿漿液達(dá)到緊密壓實(shí)。當(dāng)必須對(duì)相鄰定向孔同時(shí)進(jìn)行注漿或鉆進(jìn)等施工時(shí)，采用“錯(cuò)位注漿”方式，可有效避免孔間竄漿，降低相鄰定向孔鉆進(jìn)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(kuò)散與布孔方式

3.1 有效注漿壓力衰減與漿液擴(kuò)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(jì)鉆孔布設(shè)間距以最大不超過(guò) 2 倍的漿液擴(kuò)散半徑為原則，進(jìn)行等間距布孔(圖8)。

圖8 長(zhǎng)距離平行分支注漿孔漿液擴(kuò)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(guò)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(dòng)時(shí)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(guò)程中水平段隨著鉆孔延伸，由于漿液在鉆孔和裂隙中流動(dòng)時(shí)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(huì)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(kuò)散形態(tài)，而在水平段形成“錐形”的漿液擴(kuò)散范圍(圖9b)，當(dāng)平行分支孔間距過(guò)大或水平段較長(zhǎng)時(shí)，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(dāng)平行分支孔間距過(guò)小，會(huì)出現(xiàn)漿液擴(kuò)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(kuò)散半徑Fig.9 Schematic diagram of grouting pressure and diffusion radius in horizontal section of horizontal grouting hole

可見(jiàn)，超前區(qū)域注漿治理工程設(shè)計(jì)須兼顧治理效果與經(jīng)濟(jì)合理的最佳孔間距和孔長(zhǎng)，而注漿鉆孔的間距和長(zhǎng)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(kuò)散衰減問(wèn)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(kuò)散阻力等因素科學(xué)計(jì)算和設(shè)計(jì)。

3.2 高效布孔模式

針對(duì)傳統(tǒng)平行分支孔間距過(guò)大可能造成的注漿孔間盲區(qū)問(wèn)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(zhǎng)距離錯(cuò)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(kuò)散形態(tài)，在施工1 序分支孔注漿治理的基礎(chǔ)上，在對(duì)側(cè)錯(cuò)位施工2 序孔開(kāi)展注漿治理，即在2 個(gè)序次注漿孔的水平段末端形成交叉重疊區(qū)域，使對(duì)側(cè)2 個(gè)注漿孔“錐形”擴(kuò)散范圍形成互補(bǔ)，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(zhǎng)距離逆向互補(bǔ)弧形分支孔模式(圖10b)，充分依靠定向鉆進(jìn)能力，根據(jù)注漿孔水平段注漿漿液“錐形”擴(kuò)散形態(tài)，兩序孔均以弧形施工各分支孔水平段與開(kāi)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(kuò)散范圍始終能夠覆蓋相鄰2 個(gè)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(kuò)散范圍始終能夠覆蓋相鄰2 個(gè)分支注漿孔間距，以保障注漿擴(kuò)散范圍全覆蓋，進(jìn)一步提高注漿效果與效率。

4 結(jié) 論

a.針對(duì)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(kāi)采因素、鉆進(jìn)成孔性與漿液擴(kuò)散因素、邊界條件因素，提出了針對(duì)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(yīng)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(gè)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(guò)工程措施進(jìn)一步提升受注層空隙介質(zhì)的連通性、空隙結(jié)構(gòu)開(kāi)啟性以及克服受注層靜水壓力的能力；二是在經(jīng)濟(jì)合理原則上采用粒度小、球磨度高、漿體黏滯性與時(shí)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(zhǎng)以及多個(gè)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(kuò)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(yīng)關(guān)注受注巖層水動(dòng)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(kuò)散盲區(qū)等問(wèn)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(zhǎng)距離錯(cuò)位平行分支孔、長(zhǎng)距離逆向互補(bǔ)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。