底板改造注浆工程最优设计模式研究

1底板改造注浆工程最优设计模式研究生产技术科摘要：煤层底板改造预注浆工程设计，从经验设计发展到方格网辅助设计，进而结合水文地质分区分析，探索性构建底板改造预注浆工程最优设计模式，以22002背拉工作面为试点，创新性地提出了水文正异常与负异常的设计验证理论，从理论与实践上形成了全新便捷、高效、节约的设计理念与设计模式。关键词：底板；预注浆工程；最优设计引言青云煤矿实施底板改造注浆工程以来，成功地消除了底板太灰水害威胁。实施底板改造的关键是工作面底板注浆工程设计，过去按方格网法编制设计，其设计存在一定的不足，既不能随地质和水文地质条件变化优化钻场布局，又不能有效优化钻孔设计并提供针对性异常验证；而“圆交圆”布孔法虽然布孔均匀，但没有充分考虑区段水文地质和不同含水层的富水性差异变化情况，工程存在较大的浪费空间；而注浆工程最优设计模式，则达到了“简单准确快速、规避盲目设计、防治水害隐患”的设计目的。1最优设计模式1.1“圆切圆”布孔设计原理最优设计模式是将“圆切圆”布孔设计原理与水文地质分区分析相结合，按照注浆扩散半径、数学地质原理均匀合理布置钻场与钻孔；进而利用已掌握地质资料，依据不同块段水文地质条件的差异，在水平方向上合理调整钻场与钻孔的布置密度，在垂直方向上根据不同含水层层位采用“深孔”和“中深孔”相结合的交替布孔方法，以达到最优化底板注浆工程设计目的。其布孔设计原理重在按照注浆扩散半径均匀布置钻场及钻孔，并充分利用其数学地质原理合理布孔设计。1.2水文地质分区分析方法根据二维、三维地震勘探与地面钻探资料，结合工作面已揭露水文地质数据分析，总结发现工作面区段范围内的水文地质条件差异。根据其水文地质条件的差异性有选择地按照水文地质分区分析成果实施最优化工程设计，既可充分利用水文地质分析手段减少钻孔数量，合理降低钻探预注浆改造成本，又可与物探成果结合达到最优化探查、验证注浆的效果，以最小的探注钻孔成本投入来获取最大化的注浆工程改造技术成果。本设计模式在22002背拉工作面进行了试点，效果良好。22最优设计模式工作方法2.1设计方法的应用关键“圆切圆”设计法的技术关键：能够应用“圆切圆”初步完成钻孔设计平面布置图；分析确认工作面隔水层厚度、含水层厚度、各含水层间距以及岩层倾角等参数；在钻孔设计平面布置图上综合分析并绘制工作面煤层底板等高线图；在钻孔设计平面图上测量出钻孔平距，测算钻场底板标高、钻场底板处的煤层底板标高、钻孔落底处的煤层底板标高等参数。底板注浆初步设计完成后，水文地质分区综合分析成为关键：确认地下水径流差异，确认地下水单位涌水量、渗透系数较大的地段；确认是否存在导水的断裂构造破碎带或较大落差的断层，根据水压与断层落差增加破碎区段的底板注浆改造垂深，根据已揭露各含水层富水性调整区段的底板注浆改造垂深；分析确认是否存在水文地质异常分区；要先按照“圆切圆”法尽可能少的布孔，为提高水文地质勘探程度提供必要的施工准备，为进一步补孔设计进行注浆改造效果验证留下足够的施工空间与技术条件；再按照水文地质分区分析法确认水文异常调整底板注浆工程设计。2.2最优设计模式的优化策略快捷高效优化注浆工程设计先按照“圆切圆”布孔；再确认边界钻场位置与钻场间距；进而修订完善煤层底板等高线；随后输入计算参数测算钻孔参数；最后根据水文勘探程度确定水文地质分区，实施不同的注浆工程改造对策，以达到有效实施注浆工程的目的。最优化设计模式如图1所示。工作面宽度浆液扩散半径钻场平距钻场处底板高程确认钻场位置与间距钻孔落底底板高程底板改造垂深菱形网设计构绘钻孔布局修订底板等高线EXCEL函数测算钻孔参数上图校正水文地质分区分析水文分析异常图1底板注浆加固最优化设计模式流程图3（1）钻场布局优化钻场布局优化包括钻场间距优化与钻场初始位置优化。钻场间距优化主要考虑“圆切圆”线间距的倍数、钻机的施工性能、钻孔的偏斜程度。而“圆切圆”线间距45m，选用钻机最佳施工性能是110～170m，钻孔偏斜程度与钻孔施工深度、钻孔与岩层的夹角、钻进进尺与钻机给进速度等因素有关。90m钻场间距布局太短，单个钻场钻孔数太少；180m钻场间距布局太宽，致使部分钻孔施工深度过长，从钻探施工偏斜上难以达到均匀落点的施工目的；综合确定钻场间距为135m。（2）钻孔布局优化钻孔布局优化主要是指钻孔的有效注浆覆盖面积要尽可能大，原则上不能出现钻探盲区或遗漏未探测到的导水性构造。图2所示，在注浆扩散半径相同的条件下，“圆切圆”布置的钻孔有效注浆覆盖面积最大，即可以用最少的钻孔覆盖最大的探测面积与注浆范围。按30m注浆扩散半径测算分析：方格网设计单孔有效覆盖面积约1800m2，“圆交圆”设计单孔有效覆盖面积约2338m2，“圆切圆”设计单孔有效覆盖面积约2826m2。（a）方格网法（b）“圆交圆”法（c）“圆切圆”法图2三种布孔设计的注浆扩散半径示意图（3）水文地质分区优化遇水文地质异常时要及时采取针对性探测手段，以验证其差异性，确定适宜的补孔设计。通常关注的只是水文地质负异常，事实上，水文地质异常包括正异常与负异常。正异常是指水文地质条件局部趋向简单化，易于注浆改造的情形。负异常是指水文地质条件局部趋向复杂化，难于注浆改造的情形。正异常要充分利用物探手段与前期地质资料进行精准的综合分析，在确定水文地质条件趋向简单化后可适当放大注浆半径，或采取重点区、可疑区、正常区分区处置。一般情况下，重点区或可疑区实施底板注浆改造，以验证确认分析效果；正常区减少验证钻孔数量。负异常是综合分析物探成果、钻探与注浆数据、掘进收集的断裂构造等，看是否存在施工作业盲区、水文地质异常、断裂构造活化等情形。负异常要在原有设计基础上，先考虑调整原钻孔设计参数，再考虑补孔设计验证，以防患于未然。实施负异常补孔设4计，要做好4项技术异常验证：①断裂构造是否导水性；②物探异常区是否导水性；③钻探与注浆施工参数异常区是否导水性；④拟改造含水层或改造区段是否存在作业盲区。因破裂地段与完整地段安全隔水层厚度不同，异常对策也不同，要根据破裂地段或异常对策拟改造安全隔水层厚度实施补孔设计，以达到预期改造目的。2.3最优设计模式的工作内容（1）确认“圆切圆”布局方法。根据浆液扩散半径与工作面宽度确认“圆切圆”布局，以“圆切圆”中心点为钻孔落底的平面位置；要求钻孔中心距离顺槽巷道的外边界距离约14～16m，有效注浆范围完全覆盖拟回采工作面采空区范围，以保证不出现底板注浆改造边界盲区。（2）确认钻场优化布局。确认顺槽的边界钻场位置与钻场间距，以选择“圆切圆”中心距的整数倍为宜；考虑到ZDY系列液压钻机的施工性能与钻孔施工偏斜程度等情况，以3倍“圆切圆”中心距即135m平距作为钻场间距为宜；均匀展布钻场，边界钻场位置要便于切眼安装与停采回撤等注浆改造。（3）构绘钻孔布局。依据确定的钻场与钻孔终孔落底的平面位置设计钻孔；根据拟改造工作面“圆切圆”布置图，结合钻机性能与钻场位置合理选择钻孔布置的钻场。钻孔布置在平面上采用放射状展布，以斜孔为主，在剖面上长短结合，使钻孔揭露的含水层段尽量长，尽量与断层、裂隙垂直或斜交，穿过多个含水层。（4）修订完善煤层底板等高线，获取准确的设计参数。随掘进进度，根据实际揭露煤层底板标高，及时修订煤层底板等高线，完善设计，并根据修订完善的等高线获取钻孔设计计算数据。即利用现有地质资料修订完善煤层底板等高线，并量取钻孔的方位角与平距，测算钻场与钻孔落底位置的煤层底板等高线高程，并测算底板改造垂直深度。（5）应用EXCEL表格函数运算功能自动生成钻孔参数。在工作面参数已知的情况下，采用式（一）、式（二），利用EXCEL的函数计算功能自动生成，即可得到拟改造工作面设计的钻孔参数表。Harctan/chkhhz（）cosα公式（一）arctancekhhz公式（二）式中：γ——钻孔倾角，°；H——煤层底板改造垂直深度，m；α——岩层倾角，°；5z——钻孔平距，m；hch——钻场处煤层底板标高，m；hk——钻孔落底处煤层底板标高，m。（6）校正调整钻孔参数。由于钻孔设计值在施工现场只能反馈表达为整数值，且尽可能使钻孔参数能够反映施工实际，故其它参数要尽可能选用精确度较高的参数值；而测算出的钻孔方位角、钻孔倾角与钻孔深度要选用整数值。一是要将测算的整数值参数填图校正，以准确调整钻孔参数，看调整后的参数能否符合原输入参数数据；二是要将测算出的数据进行技术分析，看是否能够满足施工需要，对于不理想的参数值要进行钻孔参数调整；三是要尽可能保证钻孔布孔的疏密结合，解决钻孔分布均匀问题，尽可能有效控制施工作业区域。尽量剔除并调整钻孔倾角12～42°与钻孔深度100～185m范围外的钻孔。（7）水文地质分区分析。初步分析拟改造工作面地质构造发育特点，视不同勘探时期对底板构造的探测结果，确认是否存在正异常或负异常，然后根据其地质异常特点分析将其钻孔控制参数输入EXCEL表格测算调整设计参数值，探测结果为强导水构造的，需要增加钻孔改造密度与钻孔改造垂深；探测结果为一般导水构造或异常验证的，先遵循以上要求执行；探测结果或相邻水文分析确认地下水径流差的，在不改变钻孔改造垂深的情况下适当减少钻孔密度，进而达到“优化设计、安全高效、钻探注浆材料节约”施工目的。（8）底板改造期间参数适时调整工作面底板改造期间，根据已掌握的地质资料，在水平方向上进一步调整钻孔的布置密度；在保证安全隔水层厚度的前提下，在垂直方向上根据不同含水层层位采用“深孔”和“中深孔”相结合的交替布孔方法。如22002工作面根据前期底板改造实际揭露，结合工作面L8灰岩层位岩溶裂隙不发育，富水性较弱的特点，经矿技术人员研究决定将底板改造层位由最初的L8灰岩调整为L9灰岩底部2～3m，但在中间巷两侧80m范围及构造发育区域仍改造至L8灰岩含水层。3最优设计模式应用评价3.1最优设计模式与其它方法布孔对比评价青云煤矿将最优设计模式应用于22002背拉工作面底板注浆工程设计，对比原方格网设计在2703工作面，“圆交圆”设计在2903等工作面，就可以发现最优设计模式与其它设计方法的优劣（见表1）。6表1最优设计模式与其他设计方法对比分析表项目最优设计模式圆交圆设计方格网设计钻孔布局密度/个（10万m2）35.442.855.6理论单孔有效覆盖面积/m2282623381800水文分析优化即对水文负异常优化，又对水文正异常优化只考虑对水文负异常验证随机考虑难以优化制作时间24h/10000m224h/10000m25d/10000m2技术可行性高较高一般安全可靠程度极高高一般后期补孔对比少量补孔补孔较多补孔多3.2具体应用效果对比评价22002和2703、2903工作面均为二水平工作面，可以明显看出底板注浆改造设计方法的差异性效果。22002工作面施工钻孔单孔平均覆盖面积最大2826m2；消除每万吨煤炭资源水害威胁所需设计的钻孔数最少1.90孔；消除每万吨煤炭资源水害威胁所施工钻探进尺最少280m。4技术经济效益与青云煤矿同类型其他工作面比较，采用最优设计模式，钻场优化幅度最大，钻孔设计最少，钻探探测控制范围最优，节约了钻探与注浆的材料损耗，减少了人力资源与物资成本投入。仅22002工作面可节约2组钻场，与其他工作面相比，改造面积大而钻探进尺较少；其单孔有效覆盖面积显著增大。按青云煤矿每年底板注浆改造的工作面测算：每年可节省钻孔数量128个，考虑到钻孔材料和人工成本，以及钻场措施工程施工成本，则每年至少节省580万元。5结语（1）将数理知识与水文地质相结合，构建了“最优设计模式”技术理论，提出了“水文正异常与负异常”的新概念，明确了水文负异常的四项异常验证，解决了底板注浆改造技术的应用疑难问题；全新的设计理念，便于推广应用，还对其他矿井的类似技术管理有深远的借鉴意义；（2）在地下水资源方面，实现保水开采，减少地下水向外排放，保护了日益匮乏的地下水资源；（3）水文地质分区分析与“圆切圆”法结合后，实现防治水技术管理超前谋划，提前做好了安全防范，减少了补孔设计验证