1. 引言
在我国华北地区的煤炭开采活动中，高承压含水层所构成的水文地质隐患尤为突出。目前，底板突水已成为煤矿生产中一种重要的灾害类型[1] [2]。随着煤矿开采向深部持续延伸，工作面底板灰岩突水的发生几率显著上升[3] [4]。实践表明，在多种防治方法中，采用底板注浆技术是阻断突水途径、控制水害发生的一种高效手段[5]-[7]。在传统的煤层底板含水层加固工程中，普遍采用垂直钻孔注浆工艺。但方法存在一定局限性[8]-[10]，而地面定向近水平钻孔钻进[11] [12]融合了定向钻进与常规注浆钻孔技术，通过在地面部署定向钻机，先后完成直孔段与造斜段施工，使钻孔精准进入目标治理层位，并转为顺岩层走向钻进。董书宁等提出了将水平定向钻探技术应用于煤层底板的创新思路，可扩大对裂隙带和含水构造的揭露范围，提升底板注浆改造的整体效果与效率[13]-[15]。
以临涣煤矿八采区底大巷施工区域1086工作面为背景，采用地面定向钻孔超前区域治理技术，选取10煤底板太原组二灰和三灰岩层作为目标加固层位。通过现场试验，对比分析了治理前后10煤底板钻孔透水率的变化，进行了治理效果的验证与评估。在实施过程中，通过对10煤层底板潜在的导水通道及储水空间进行注浆加固，巷道盾构机安全掘进和后续工作面底板水害的防治提供了有效保障，显著降低了突水风险。
2. 水文地质条件及主要水害
2.1. 水文地质概况
八采区位于矿井西翼，地层整体呈单斜构造，断层较为发育，褶曲形态以宽缓型为主。主要开采煤层为7、8、9、10煤层，煤层倾角一般介于5˚~25˚之间。断裂构造以北东向及近南北向的斜切正断层为主，构造复杂区主要分布于勘探线LJ2与LJ4之间的骑路周断层、大吴家断层与周吴断层一带，以及LJ5至LJ8之间小断层密集发育的区域；其余区域构造相对简单。
太原组灰岩顶部的一灰至四灰含水层与10煤底板的间距为40.17~61.40 m，平均为50.12 m。该段地层上部以砂岩与泥岩互层为主，下部主要由泥岩和粉砂岩组成，局部夹有少量中、细砂岩，整体隔水性能较好。仅在局部受断层影响构造带，岩层厚度有所减薄；随着采掘工程向深部延伸，加之高地压及高承压含水层的作用，其隔水性可能出现弱化。
钻孔揭露太原组地层总厚度为128.16~134.47 m，其中灰岩累计厚度为49.70~66.68 m。太原组一灰厚度为1.85~3.65 m，平均厚度2.19 m；二灰厚度为3.23~4.30 m，平均厚度3.94 m；三灰厚度为1.49~11.50 m，平均厚度7.13 m；四灰厚度为10.52~12.00 m，平均厚度11.26 m；一灰至四灰灰岩平均总厚度为26.53 m。奥灰含水层与10煤底板的间距约为143.2~199.0 m。底板灰岩含水层分布如表1和图1所示。底板高承压灰岩水可能在采掘活动扰动与垂向导水通道共同作用下涌入工作面，从而诱发突水事故。
Table 1. Statistics of drilling exposure of limestone aquifers 1-4 (Partial)
表1. 钻探揭露1-4灰统计表(部分)
孔号 |
厚度(m) |
一灰 |
二灰 |
三灰 |
四灰 |
DG1-1 |
2.14 |
3.99 |
8.67 |
10.52 |
DG1-4 |
2.14 |
3.85 |
|
|
DG1-6 |
2.11 |
4.30 |
|
|
DG1-10 |
3.65 |
3.97 |
8.64 |
12.00 |
DG1-11 |
2.16 |
3.87 |
11.50 |
|
DG1-14 |
2.19 |
3.23 |
5.36 |
|
DG1-15 |
1.85 |
|
|
|
DG1-17 |
2.09 |
4.34 |
1.49 |
|
Figure 1. Schematic diagram of the floor limestone aquifer
图1. 底板灰岩含水层示意图
太原组一灰至四灰岩溶裂隙发育不均一，垂向上，二灰、三灰和四灰厚度及岩溶裂隙发育程度高于一灰，且浅部较深部灰岩裂隙发育；横向上则呈现无规律分布。五灰至八灰埋藏较深，距离主采煤层较远，岩溶裂隙不发育，水动力条件较弱，对煤层开采影响相对较小。根据太原组含水层(组) (一至四灰、五至八灰)抽(注)水试验，其单位涌水量为0.000001603~0.438 L/(s·m)，渗透系数为0.0000392~1.129 m/d，富水性为弱~中等。据2021-观3孔资料显示一灰至四灰最高水位27.08 m，最低水位−274.75 m；五灰至八灰最高水位在2023-观8孔为−45.20 m，最低水位−75.17 m。该含水层富水性空间分异显著，表现为地面长观孔水位差异较大，井下探查孔出水量相差较大，局部区域水压可达7.75 MPa，说明太原组灰岩含水层组具有高承压弱富水性。太原组含水层主要通过层间径流以及与奥灰含水层在接触带区域发生水力联系。此外，在二叠系底部砂岩裂隙含水层与太原组之间隔水层较薄的地段，亦可能存在局部互补关系。
奥灰含水层岩性以浅灰色至灰色中厚层至巨厚层白云质灰岩和石灰岩为主，具细晶质结构，方解石自形程度较高，常见豹皮状构造。顶部见少量黄铁矿结核，岩体质地致密、性能、成分不均。浅部岩溶裂隙较发育，可见小型溶洞。
根据2021-观2孔和2022-观1孔抽水试验结果，单位涌水量为0.00858~0.04428 L/(s·m)，渗透系数为0.0293~0.124 m/d，显示该区域富水性较弱。然而，结合Ⅲ6孔(童亭)抽水试验数据(单位涌水量0.131 L/(s·m)，渗透系数1.07 m/d)以及童亭背斜3线水源勘探孔数据(单位涌水量11.29 L/(s·m)，渗透系数17.92 m/d)，反映出区域奥灰含水层富水性具有显著的不均一性，局部富水性极强。根据地面奥灰含水层长观孔水位监测数据(2016-观3孔，六采区，2023年10月1日，水位−21.50 m；2020-观5孔，海孜风井，同期水位−41.21 m；2022-观1孔，八采区，同期水位−41.71 m)，最高水压可达9.80 MPa，奥灰含水层同样具有高水压特征。因此，奥灰含水层组具有高承压弱富水的特点。
2.2. 底板灰岩水害
临涣矿八采区底大巷主要受底板太原组灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层的突水威胁。其中，太原组灰岩含水层以静储量为主，补给条件有限，补给来源相对不足。采区直接充水水源主要为煤层顶底板砂岩裂隙水，间接充水水源为太原组灰岩岩溶裂隙水。该太灰含水层岩溶裂隙发育不均一，整体富水性较弱，但局部水压可达7.75 MPa。针对上述水文地质条件，防治水工作总体遵循“疏水降压开采”的原则。在10煤层底板布置井巷工程时，所留设的隔水岩柱厚度必须大于安全阈值。对于特殊地段，如掘进过程中遇断层导致煤层与太灰含水层对口接触，或二者间距显著缩小的情况，必须采取针对性的防治措施，如疏水降压或注浆加固，以保障掘进安全。
巷道下距奥灰含水层为143.2~199.0 m，奥灰含水层存在高水压，局部富水极强的特点，太原组灰岩底部为本溪组铝质泥岩，致密性脆，具有一定的隔水性能，且具有一定的阻隔奥灰突水效果。利用奥灰水位计算安全隔水层厚度，根据安全隔水层厚度计算公式如下：
(1)
式中：t为安全隔水层厚度m；L为巷道底板宽度m，取8.53m；r为底板隔水层的平均重度MN/m3，取0.027；Kp为底板隔水层的抗拉强度MPa，取0.4；P隔水层底板承受的水头压力MPa，取9.80 MPa；
根据公式计算，安全隔水层厚度为28.7 m。四灰底板至奥灰顶板的距离为94.15 m，而奥灰顶界面至巷道底板界面的实际厚度为153 m，远大于《煤矿防治水细则》规定的安全隔水层厚度。因此，该段岩体能够有效抵抗奥灰高承压水头压力，避免奥灰水突破底板涌入矿井巷道或工作面，从而保障安全生产。综上可知，八采区矿井水害主要受太原组灰岩含水层影响。
3. 地面超前区域水害治理
为应对临涣矿八采区1086工作面底大巷面临的底板灰岩水害威胁，基于补充地质与水文地质勘探结果，该巷道邻近灰岩含水层，施工期间需严格执行“两探”(即物探与钻探)措施。若采用井下定向钻或常规钻探方法进行探查，不仅易造成井下交叉、平行作业，带来安全隐患，且其施工效率难以满足盾构巷道安全、高效、连续掘进的要求。因此，最终确定采用地面定向钻探技术，对八采区底大巷工程区域实施超前探查与综合治理。
3.1. 治理设计
为有效控制八采区底大巷施工期间的底板灰岩水害，本次治理工作设定以下两项主要目标与任务：第一，采用地面定向钻探技术，对大巷施工底板区域内的地质异常体及导水通道进行精细探查；第二，针对所发现的导水通道与储水空间实施注浆加固，以消除灰岩水害威胁，确保巷道实现安全高效连续掘进。
通过施工地面定向钻孔，可对断层破碎带及灰岩岩溶裂隙开展超前预注浆充填，从而有效封堵潜在导水通道与储水空间，降低巷道掘进期间的突水风险。同时，高压注浆能够加固断层破碎带与灰岩含水层，提高围岩的整体强度和稳定性，降低支护难度，为盾构机安全高效推进创造有利条件。
底板含水层注浆治理的核心在于使浆液在底大巷影响区域内实现均匀扩散与有效覆盖。基于“由外到内、分序加密、围堵结合”的工程原则，并结合目的层的渗透性与透水率，将注浆孔间距设定为60 m，有效扩散半径控制为30 m，以确保治理效果、经济性与施工安全。
在平面范围内，治理区域覆盖巷道中心线及其两侧各30 m范围；在剖面上，则对巷道底板以下不小于30 m的区段进行超前探查与注浆加固。治理总长度约1760 m，治理面积约0.11 km²。遵循“全面覆盖，不留遗憾”的设计理念[16]，在八采区底大巷治理区内共布置D1与D2两个地面定向钻孔组。各孔组采用“一主孔多分支”的扇状发散结构，包括一个主孔及若干分支孔，重点针对三维地震识别出的地质构造与潜在的导水通道等关键区域。具体钻孔轨迹如图2所示。
Figure 2. Arrangement plan of borehole group D1 and D2
图2. D1和D2孔组钻孔布置方案设计
在评价注浆效果及判断岩层裂隙发育程度时，钻孔注浆量是最直观的判别指标。太原组灰岩含水层顶部一灰至四灰与10煤底板的平均间距为50.12 m，满足区域治理后对突水系数的控制要求。一灰至四灰灰岩平均厚度为24.32 m，裂隙发育程度较高，具备良好的可注性。由图1可知，一灰与二灰厚度较薄，三灰厚度为7.13 m，介于二者之间且较四灰为薄，符合地面顺层钻孔技术对地层条件的要求。综合以上因素，将二灰与三灰层位确定为地面区域治理的目的层。
3.2. 治理施工
本治理工程共布置2个地面定向孔组D1与D2，包含8个分支孔，每个孔组设1个机动孔。采用孔口密闭止浆与静压分序分段下行式注浆工艺。在三开段钻进过程中，执行以下注浆控制标准：当漏失量≥5 m3/h时，立即进行压水试验并实施注浆加固；当漏失量<5 m3/h时，每钻进200 m进行一次压水试验，若30分钟内孔口压力达到静水压力的1.5倍，则继续钻进，否则需进行注浆处理；此外，每钻进300 m必须进行一次系统注浆；三开段钻遇断层破碎带时，一律进行注浆加固。
根据周边钻孔水位变化情况确定注浆终压，原则上孔口终压达到静水压力1.5倍(≮15 MPa)，终量≯52 L/min，稳定时间≮30 min。各分支孔终孔注浆结束后，根据注浆量大小，必要时扫至孔底，带钻具分段注浆封孔。
注浆材料选用P.O 42.5级水泥与清水配制，浆液比重在1.20~1.60范围内由小至大动态调整，标准见表2。前期以稀浆探查为主，中后期根据孔口压力响应逐步提高浆液浓度。施工过程中注浆压力控制合理，未对矿井正常生产造成影响。
Table 2. Cement consumption and specific gravity for 1 m3 of grout at different water-cement ratios
表2. 不同水灰比情况下制1 m3浆水泥用量及比重表
序号 |
水灰比 |
水(kg) |
水泥(kg) |
比重(g/cm3) |
1 |
1:1 |
756 |
756 |
1.51 |
2 |
1.1:1 |
773 |
703 |
1.48 |
3 |
1.2:1 |
788 |
657 |
1.44 |
4 |
1.3:1 |
801 |
616 |
1.42 |
5 |
1.4:1 |
813 |
581 |
1.39 |
6 |
1.5:1 |
823 |
549 |
1.37 |
7 |
1.6:1 |
832 |
520 |
1.35 |
8 |
1.7:1 |
841 |
494 |
1.33 |
9 |
1.8:1 |
848 |
471 |
1.32 |
10 |
1.9:1 |
855 |
450 |
1.30 |
11 |
2:1 |
861 |
431 |
1.29 |
八采区底大巷地面区域探查治理工程累计完成2孔组8分支孔的施工，共实施注浆32次。设计注浆量为5000 t，实际注浆量为3593.60 t，低于设计值。其中，D1孔组注浆16次，累计注水泥2084.60 t，注浆孔口终压为15.0~17.5 MPa，各钻孔单位注浆量分别为：D1-1孔0.69 t/m、D1-3孔0.71 t/m、D1-2孔0.42 t/m、D1机动孔0.31 t/m；D2孔组注浆16次，累计注水泥1509 t，注浆孔口终压为15.1~16.6 MPa，各钻孔单位注浆量分别为：D2-1孔0.46 t/m、D2-3孔0.32 t/m、D2-2孔0.31 t/m、D2机动孔0.27 t/m。注浆量分布情况如图3所示。
Figure 3. Grout volume of branch holes in borehole groups D1 and D2
图3. D1和D2孔组各分支孔注浆量
施工顺序遵循“先外后内、围堵结合”的原则，即优先对两侧钻孔进行注浆，再处理中心线区域钻孔。该工艺旨在形成封闭的注浆帷幕，有效控制浆液扩散路径，提升整体治理效果。由图3可见，D1孔组按D1-1→D1-3→D1-2→D1机动孔顺序施工。位于巷道外帮外侧30 m范围内的先期钻孔D1-1与D1-3注浆量较大，而后期沿巷道中心线施工的D1-2与D1机动孔注浆量显著减小，表明前期外围注浆已有效封堵主要导水通道。同样，D2孔组按D2-1→D2-3→D2-2→D2机动孔顺序施工，其外帮外侧先施工的D2-1与D2-3注浆量较大，后续中心区域钻孔注浆量逐步降低，进一步验证了外围注浆对通道封堵的有效性。
注浆量直接反映岩溶裂隙的空间体积与连通性。通过对D1与D2孔组不同深度注浆量数据进行统计与可视化制图(图4)，可识别岩溶发育程度及其空间展布，进而分析其是否受地质构造控制。
Figure 4. Grouting volume per meter for different injection sections of branch holes in borehole group D1 and D2
图4. D1和D2孔组各分支孔不同受注段注浆量
结合图3与图4分析可知，D1孔组中先注浆的D1-1和D1-3钻孔注浆量较大，主要分布于巷道两侧外帮外围，后注浆的D1-2钻孔和D1机动孔注浆量较小，钻孔为巷道中心线位置。根据钻孔施工顺序注浆量逐渐减小，说明注浆效果较好。D1-1钻孔在一到三灰岩层总体注浆量由大到小，但一灰段注浆量显著偏高；D1-2钻孔在一~二灰段受先注浆钻孔的影响，注浆量小，在二~三灰段注浆量也由大到小，说明随着深度的增加，灰岩层的岩溶发育程度变差。D1-3钻孔在一灰受先注浆钻孔影响，注浆量较小，在二灰~三灰层注浆量由大到小，但三灰段注浆量显著偏高，经地质资料核实，三灰层附近发育DF10-10断层。
D2孔组的注浆量主要集中于巷道外帮外侧的D2-1钻孔(该孔组首个施工钻孔)，D2-1和D2-3钻孔的注浆量都随孔深增大逐渐减小，注浆层位涵盖一灰至三灰，地层可注性逐渐降低，灰岩岩溶发育程度变差。沿巷道中心线施工的D2-2钻孔受先逐渐钻孔影响在一~二灰注浆量小，说明注浆效果较好，但在三灰段注浆量异常偏高，经分析判定该异常与DF18-172断层的影响密切相关。综上所述，随着注浆段深度不断增加，注浆量逐渐减小，显示出灰岩岩溶发育也逐渐变差，同时地质构造也是注浆量大小主要控制的关键因素之一。
4. 水害治理效果评价
注浆治理前后岩体透水率的变化，是评价浆液封堵效果与岩体渗透性改善的关键指标。D1与D2孔组累计完成压水试验67次，其中在注浆前后分别进行了40次有效对比试验。基于现场压水试验数据，对比分析了八采区底大巷区域水害治理前后各钻孔透水率的变化情况，结果如图5所示。
Figure 5. Lugeon values of packer tests for branch holes in borehole groups D1 and D2
图5. D1和D2孔组各分支孔压水试验透水率
根据图5所示数据，各钻孔在注浆治理后透水率均显著下降：D1-1由0.0161 Lu降至0.0029 Lu，D1-3由0.0178 Lu降至0.003 Lu，D1-2由0.0171 Lu降至0.003 Lu，D1机动孔由0.0168 Lu降至0.004 Lu；D2-1由0.0108 Lu降至0.0025 Lu，D2-3由0.0106 Lu降至0.0026 Lu，D2-2由0.011 Lu降至0.0027 Lu，D2机动孔由0.011 Lu降至0.0025 Lu。治理后透水率较治理前普遍下降一个数量级，表明注浆工程有效降低了岩体渗透性，为极微透水岩层。
结合图3与图4进一步分析，D1-3钻孔注浆量最大，且其注前透水率也高于其他钻孔，说明该分支孔所在区域岩体破碎程度较高，裂隙发育充分，具备良好的储水与导水条件，属于八采区底大巷底板范围内的富水异常区，因而成为注浆加固的重点区段。D1与D2孔组注浆治理前后透水率的具体降幅如图6所示。
Figure 6. Reduction in water permeability rate of branch holes in borehole group D1 and D2, pre- and post-grouting
图6. D1和D2孔组各分支孔注浆前后透水率降幅
根据图6数据，各钻孔透水率在注浆治理后降幅显著：D1-1降幅81.99%，D1-3降幅83.15%，D1-2降幅82.46%，D1机动孔降幅76.19%；D2-1降幅76.85%，D2-3降幅75.47%，D2-2降幅75.45%，D2机动孔降幅77.27%。其中，D1-1、D1-3和D1-2钻孔的透水率降低幅度均超过80%，表明注浆效果显著；D1机动孔及D2孔组各钻孔的透水率降幅介于75%~80%之间，虽略低于前者，仍属于有效改良范围。
整体而言，所有钻孔透水率均有明显下降，未出现改善不显著的情况，说明注浆过程中未破坏原有岩体结构或产生新的导水通道。综上所述，通过地面定向钻孔区域治理，太原组上段二灰与三灰含水层已被有效改造为等效隔水层，实现了底板水害防治的预期目标。
压水试验是定量获取岩体渗透性参数的经典方法，但仍存在局限性。其结果仅反映钻孔周边有限范围的渗透特性，而实际岩体渗透性由于岩溶发育程度和地层构造的不同常呈显著空间异质性，单纯依赖该离散钻孔数据易漏判关键水文构造，导致区域渗流场误判。为弥补其在空间代表性与长期动态评估上的不足，巷道施工时加强包括水压及流量的地下水监测，通过持续采集多源数据，评估治理工程长期性能与稳定性，为渗控效果评价提供更全面可靠的依据。
5. 结论
1) 研究区太原组灰岩总厚度为49.70~66.68 m。一灰平均厚度2.19 m；二灰平均厚度3.94 m；三灰平均厚度7.13 m；四灰平均厚度11.26 m；一灰至四灰灰岩平均总厚度为26.53 m。灰岩含水层组具高承压、弱富水特征。岩溶发育呈现显著的非均一性，随着灰岩层埋藏深度的增加，岩溶发育逐渐变差，这一差异主要受灰岩层位与构造控制。断裂系统为岩溶发育提供了优势通道，是导致注浆量空间分异的关键因素。
2) 通过D1、D2孔组不同深度注浆量数据的统计分析与可视化制图，该区域注浆量分布受地质构造因素控制。施工遵循“先外后内、围堵结合”的原则，形成较好的围堵墙，有效控制浆液扩散路径，提升整体治理效果。依据注浆前后岩体透水率变化可知，含水层经注浆处理后渗透性显著降低。同时，随注浆量增加，后续分支孔的初始注浆压力较先期钻孔明显提高，这一现象表明注浆改造效果良好，围岩稳定性得到有效提升。上述注浆成果为巷道盾构安全掘进及工作面底板水害防治提供了有效技术保障，显著降低了突水风险。