永夏矿区实施底板改造预注浆工程以来，成功地消除了底板太灰含水层高压水害威胁。实施底板改造的关键是工作面底板预注浆工程设计，过去按经验或方格网法编制设计，其设计存在一定的不足;既不能随地质变化优化钻场布局，又不能有效优化钻孔设计，更不能提供针对性异常验证。而预注浆工程最优设计模式，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。最优设计模式是普遍实施底板改造预注浆工程的最优设计方法，将菱形网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，重新确定钻场与钻孔布置密度，以达到最优化底板预注浆工程设计目的。
1最优设计模式
1.1菱形网布孔设计原理
菱形网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，充分利用其数学地质原理合理布孔设计。煤层底板预注浆工程技术主要是通过构建钻场、布置钻孔，实施钻探预注浆，充填底板薄层灰岩含水层的裂隙，从而大大减弱含水层的赋水性能并切断其补给通道，使受注含水层被改造为相对隔水层或弱含水层，同时增强煤层底板隔水层的强度，降低工作面底板出水的可能性，实现工作面安全回采。目前其施工技术经验已经逐步成熟，而如何优化底板预注浆工程设计，使其设计目的更加实用高效，执行上有可操作性、管控上有可评价性，已经成为影响底板预注浆改造工程质量的主要因素。
1.2水文地质分区分析
根据二维、三维地震勘探与地面钻探资料，结合邻近工作面探注钻孔水文地质数据分析，不难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预注浆工程改造技术成果。
2最优设计模式工作方法
2.1设计方法的应用关键
菱形网设计法的技术关键:能够应用菱形网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。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;分析确认是否存在水文地质异常分区;分析确认除以上情况外有较大把握确认或已确认煤层底板破坏较小的区段，要先按照菱形网法尽可能少地布孔，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预注浆工程设计。
2.2最优设计模式的优化策略
快捷高效优化预注浆工程设计先按照菱形网布孔;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，实施不同的预注浆工程改造对策，以达到有效实施预注浆工程的目的。最优化设计模式如图1所示。(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菱形网线间距的倍数、钻机的施工性能、钻孔的偏斜程度。而菱形网线间距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。钻场初始位置确定不得距离边界过近，主要考虑钻场布置的均匀性，考虑底板注浆改造的安全性，钻场初始位置与中间位置不得布置在构造发育处，钻场初始位置选择还要考虑切眼与停采回撤位置施工钻孔的适宜性，以确保工作面安装与回撤时的安全性。(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，菱形网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，菱形网设计单孔有效覆盖面积约2338m2。(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，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;无论采取何种处置对策，均不得减小底板注浆改造垂深。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。实施负异常补孔设计，要做好4项技术异常验证:①断裂构造是否导水性补孔验证;②物探异常区是否导水性补孔验证;③钻探与注浆施工参数异常区是否导水性补孔验证;④拟改造含水层或改造区段是否存在作业盲区补孔验证。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)确认菱形网布局方法根据浆液扩散半径与工作面宽度确认菱形网布局，以菱形网格点为钻孔落底的平面位置;并通过旋转不同的角度调整菱形网来确认适宜的菱形网格布孔控制落点。要求钻孔中心距离两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两顺槽的边界钻场位置与钻场间距，以选择菱形网格距的整数倍为宜;考虑到MKD-5S型钻机的施工性能与钻孔施工偏斜程度等情况，以3倍菱形网格距即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;根据拟改造工作面菱形网布置图，每个交叉点处为所定钻孔终孔落底的平面位置;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原则上选择掘进工作面修订完善的煤层底板等高线进行设计，随掘进进度及时修订煤层底板等高线完善设计，并根据修订完善的煤层底板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(其中钻场位置煤层底板等高线高程暂时作为钻场地板高程)，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(1)、式(2)，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。(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EX-CEL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。
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新桥煤矿将最优设计模式应用于2605工作面底板预注浆工程设计，对比原方格网设计在2604、2601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)。
3.2具体应用效果对比评
价2601、2604、2605等工作面均在北六采区，且属于同一水文地质单元，可以明显看出底板注浆改造设计方法的差异性效果。2605工作面施工钻孔单孔平均覆盖面积最大2581m2;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技术经济效益与新桥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2605工作面可节约1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比方格网扩大了538m2。按新桥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64个，每年至少节省320万元。
4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菱形网法结合后，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;(4)简化了底板注浆改造理论认识，只要掌握基本的电脑绘图软生物医学论文件，会运用EXCEL中的函数运算关系，就能熟练实施底板预注浆工程设计;提高了设计的速度和质量，提升了工作面底板注浆改造安全效果，实现了安全生产。
作者：王钦东 单位：永煤集团股份有限公司
