CN111980622A - 煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆孔浆液扩散控制方法 - Google Patents
煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆孔浆液扩散控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆孔浆液扩散控制方法，其首先分析受注地层奥灰顶部裂隙几何参数、水文地质条件、注浆改造强度要求和注浆材料粒度分布特征，分析水泥基浆液物理力学性质和影响因素敏感性，然后构建水平孔倾斜裂隙浆液扩散控制模型，并利用水泥基浆液性能和浆液扩散控制模型分析水泥基浆液水固比选配标准和调控原则，最后基于设备额定注浆能力和区域改造范围要求，利用浆液控制模型得到水平分支孔不布置间距、注浆终结压力和注浆稳压时间等注浆终结参数标准，在注浆施工过程中通过调控浆液水固比、注浆终结压力和注浆稳压时间便可得到满足水平分支孔间距的浆液扩散距离，从而实现对浆液扩散的有效控制。
Description
技术领域
本发明涉及矿山井下等地下工程水害防治的技术领域，尤其涉及 一种煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆孔浆液扩散控制方法。
背景技术
随着煤炭资源大规模开发利用，作为我国重要煤炭生产基地的华 北型煤田，其上组煤开采殆尽，大多数煤矿正在或已转入下组煤开采， 而煤层下部富水性强的奥陶系灰岩含水层对煤层开采构成了严重突 水威胁，而随着地面水平定向钻技术的成熟，其在矿山井下底板水害 防治领域得到广泛应用，许多矿区(如峰峰矿区、邢台矿区、肥城矿 区等)采用地面水平定向钻技术对奥陶系灰岩顶部进行超前区域注浆， 增加了煤层下部的隔水层厚度，从而实现下组煤的安全开采。该技术 有效缓解了煤层底板高承压水的突水威胁，但由于奥陶系灰岩含水层 厚度较大，注浆过程中的浆液扩散控制问题成为制约奥灰顶部超前区 域注浆治理工程工期、成本和效果的关键。主要原因在于奥陶系灰岩 顶部水平注浆孔浆液扩散距离计算缺少理论依据，缺少基于奥陶系灰 岩裂隙几何参数、不同水固比浆液性能、奥陶系灰岩顶部区域改造要 求的水泥基浆液选配原则和调控工艺。在注浆设计和施工过程中，水 平注浆分支孔间距布置、水泥基浆液水固比、注浆终结稳压时间和注 浆终结压力等重要参数选择呈现经验性和盲目性特点。因此，无法实 现对浆液扩散距离的有效控制，其中水平孔布置间距密集或稀疏，注 浆终结时间、注浆终结稳定压力和浆液水固比过大或过小势必带来成 本提高或注浆效果差的问题，从而给煤层底板超前区域注浆改造工程 带来了工期过长、注浆量过大、注浆效果不可靠等瓶颈问题。
而华北型煤田区域内的奥陶系灰岩溶形态有溶蚀裂隙、溶洞、蜂 窝状溶孔、陷落柱等，而以溶蚀裂隙最为发育，是地下水赋存、运移 的主要通道，因此，浆液在奥陶系灰岩顶部岩体中主要是在裂隙中运 移。现有研究中所建立的裂隙岩体浆液扩散流体力学模型均是基于垂 向注浆孔与水平裂隙相交的基础上研究的浆液在水平裂隙中辐射扩 散规律，并且均忽略了浆液自身重力影响。鲜有针对奥陶系灰岩含水 层顶部裂隙水平注浆孔浆液扩散控制模型的研究和探讨，更缺少基于 水平分支孔间距布置、水泥基浆液水固比、注浆终结稳压时间和注浆 终结压力等参数的奥灰顶部水平注浆孔浆液扩散控制方法的研究。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计， 综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤层底板 奥陶系灰岩顶部水平注浆孔浆液扩散控制方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆 孔浆液扩散控制方法，其能克服现有技术中存在的问题，提供一种包 含水平分支孔间距布置、注浆终结稳压时间、注浆终结稳定压力和水 泥基浆液选配原则的煤层底板奥陶系灰岩顶部水平孔注浆浆液扩散 控制方法，实现地面水平定向钻分支孔间距布置、注浆终结稳压时间、 注浆终结稳定压力和水泥基浆液选配原则等重要参数的科学选择和 设计，达到奥陶系灰岩顶部超前区域治理工程在注浆工期、注浆效果 和工程成本方面的有效控制。
为实现上述目的，本发明公开了一种煤层底板奥陶系灰岩顶部水 平注浆孔浆液扩散控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：利用激光粒度分析仪对底板水害超前区域治理的注浆材 料进行粒度分布特征分析；
步骤二：对底板水害超前区域的受注地层裂隙进行分析，以确定 其原生裂隙几何参数，从而得到不同注浆阶段所需的注浆材料条件；
步骤三：对不同水固比水泥基浆液进行物理和力学性质试验，基 于底板含水层注浆改造或加固强度的要求来确定符合条件的水泥基 浆液水固比；
步骤四：通过正交试验，确定水泥基浆液物理力学性质敏感性排 序，并根据不同水固比浆液的性质对浆液扩散半径的影响不同，确定 底板水害超前区域注浆浆液扩散控制的水泥基浆液水固比的调控原 则；
步骤五：构建煤层底板奥灰含水层水平注浆孔倾斜单裂隙浆液扩 散距离控制模型；
步骤六：依据步骤五得到注浆终结压力和注浆稳压时间对应下的 浆液扩散距离，且根据奥灰含水层顶部注浆改造空间范围大小和注浆 设备额定工作能力，得到满足区域注浆范围要求和设备能力的水平分 支孔合理布置间距，在注浆施工过程中通过调控浆液水固比、注浆压 力和注浆稳压时间便可得到满足水平分支孔间距的浆液扩散距离，从 而实现对浆液扩散的有效控制。
其中：步骤一中所述注浆材料包含水泥、粉煤灰和粘土。
其中：步骤二中通过显微CT扫描技术对底板水害超前区域的受 注地层裂隙的几何参数进行量化分析，得到其原生裂隙几何参数，从 而得到充填注浆阶段、升压注浆阶段及劈裂注浆阶段所需的注浆材料 条件。
其中：在步骤五中构建过程如下：
沿平行和垂直倾斜裂隙方向分别建立x轴和y轴，裂隙开度为 2h，水平注浆孔与裂隙交叉点为坐标0点，裂隙与水平孔夹角为α， 静水压力为p0，当粘度为常量时，即对于牛顿流体，纳威-斯托克斯 向量方程可简化为公式(1)：
结合单位质量力在浆液运动中的作用效果，可得x轴方向的单位 质量力分量为
首先对水平注浆孔下方裂隙中的浆液扩散情况(即x＜0)进行 推导分析：
gradp为表面压力p在空间3个方向的偏微分量，其沿x方向的 分量为
将公式(5)、(6)及压力梯度、单位质量力分量代入公式(4) 可得到纳维-斯托克斯向量方程在x方向的标量方程为公式(4)：
另外，连续性方程是基于质量守恒定律建立的质量平衡方程，则 定常流动和不可压缩流体的运动的连续性方程为公式(5)：
设浆液仅沿x方向流动，在z轴方向为无限延展，所以浆液在z 方向流速变化为0，在y方向宽度以外流速变化为0，结合公式(5) 得：
根据浆液为定常流假设，可得：
由此可将x方向纳维-斯托克斯方程(4)可转化为公式(6)：
根据浆液侧壁为无滑移边界假设可得边界条件y＝±h,u＝0；
根据该边界条件对公式(6)进行积分求解得到公式(7)：
由此得到倾斜裂隙中浆液流动截面的平均速度为公式(8)：
此时水平注浆孔裂隙相交的孔口处注浆压力为p1，其进入裂隙后 经过压力衰减最后与静水压力平衡，因此浆液沿着水平注浆孔以下裂 隙内扩散距离Lx时的浆液锋面压力为p0，即达到静水压力p0，可得 边界条件为公式(9)：
则公式(8)可转化为公式(10)：
同理，可得水平注浆孔上方裂隙中浆液截面平均流速为公式(11)：
基于浆液在倾斜单裂隙中扩散的平均速度(即公式(11))，可得 裂隙截面浆液流量；
当x＜0，对于牛顿流体的水平注浆孔以下裂隙为公式(12)：
单位时间段内注入裂隙的浆液量应等于该时段内增大扩散半径r 所需要的浆液量，因此有公式(13)：
将公式(12)带入公式(13)可得公式(14)：
同理，可得到水平注浆孔以上裂隙(当x＞0)时的注浆时间为 公式(15)：
通过对注浆时间的控制方程的变换可得不含注浆量的单裂隙浆 液扩散距离控制方程为公式(16)；
6μL2±ρgsinαb2tL-(p1-p0)b2t-6μr0 2＝0 (16)，
其中，取“+”为水平注浆孔上方裂隙，取“-”为水平注浆孔下方裂 隙；μ为浆液粘度；L为浆液在裂隙中的扩散距离；r0为钻孔半径；ρ 为浆液容重；t为注浆时间；b为裂隙开度；α为裂隙与注浆孔夹角； p1为注浆孔与裂隙交叉处压力；p0为静水压力。
通过上述内容可知，本发明的煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆 孔浆液扩散控制方法具有如下效果：
1、形成了基于受注地层原生裂隙开度、注浆材料粒度分布特征、 不同水固比水泥基浆液物理力学性能、奥陶系灰岩顶部含水层注浆改 造承压要求、浆液扩散距离的水泥基浆液选配方法和调控原则，能够 为奥灰顶部超前区域注浆改造中水泥基浆液水固比选取和调控提供 科学的方案和原则，从而实现基于水泥基浆液性能的奥灰顶部超前区 域注浆浆液扩散控制工艺；
2、构建了基于浆液自重、静水压力、注浆压力、裂隙与注浆孔 夹角、浆液粘度和密度、裂隙开度等主要影响因素的水平孔倾斜裂隙 浆液扩散距离控制方程，能够计算得到不同注浆压力、浆液水固比、 裂隙开度、裂隙与注浆孔夹角等因素下的裂隙岩体水平注浆孔浆液扩 散距离，实现了不同工况下浆液水固比、注浆终结压力、注浆终结稳 压时间、水平分支孔间距等重要注浆参数的确定，能够对超前区域注 浆改造设计和过程控制提供科学指导，实现底板水害超前区域注浆治 理过程中浆液扩散的有效控制。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明中水平注浆孔倾斜裂隙浆液的受力示意图。
图2显示了本发明中奥灰顶部峰峰组八段浆液扩散距离计算曲 线。
图3显示了本发明中不同水固比下浆液扩散距离随时间变化曲 线。
具体实施方式
本发明具体涉及一种煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆孔浆液 扩散控制方法，其可包括如下步骤：
步骤一：利用激光粒度分析仪对底板水害超前区域治理的注浆材 料进行粒度分布特征分析，所述注浆材料包含水泥、粉煤灰和粘土， 以为后续注浆提供基础信息。
步骤二：对底板水害超前区域的受注地层裂隙进行分析，以确定 其原生裂隙几何参数，从而得到不同注浆阶段所需的注浆材料条件， 具体而言，可通过显微CT扫描技术对底板水害超前区域的受注地层 裂隙的几何参数进行量化分析，得到其原生裂隙几何参数，从而得到 充填注浆阶段、升压注浆阶段及劈裂注浆阶段所需的注浆材料条件。
步骤三：对不同水固比水泥基浆液(可包含水泥浆液、水泥-粉 煤灰浆液、水泥-粘土浆液)进行物理(凝结时间、结石率、粘度、 比重)和力学(抗折强度、抗压强度)性质试验，基于底板含水层注 浆改造或加固强度的要求来确定符合条件的水泥基浆液水固比。
步骤四：通过正交试验，通过水固比、固相比、水玻璃参量和奥 灰顶部水化学类型等因素确定水泥基浆液物理力学性质敏感性排序， 并根据不同水固比浆液的粘度、比重、凝结时间等性质对浆液扩散半 径的影响不同，确定底板水害超前区域注浆浆液扩散控制的水泥基浆 液水固比的调控原则。
步骤五：构建煤层底板奥灰含水层水平注浆孔倾斜单裂隙浆液扩 散距离控制模型，其中浆液的要求如下：(1)浆液的运动是连续的； (2)浆液是各向同性的流体且不可压缩的，容重和粘度在流动过程 中保持不变；(3)浆液侧壁满足无滑移边界；(4)裂隙上、下表面满 足无滑移边界条件，即上、下表面处浆液流动速度为0；(5)裂隙开 度均匀分布；(6)浆液扩散方式为完全驱替扩散，不考虑浆水相界面 处水与浆液的混合。
参见图1为水平注浆孔倾斜平行裂隙浆液受力示意，根据上述要 求，浆液在流动过程中受质量力、表面压力、浆液粘性阻力，其中表 面压力包括注浆压力和静水压力。为便于分析，沿平行和垂直倾斜裂 隙方向分别建立x轴和y轴，裂隙开度为2h，水平注浆孔与裂隙交 叉点为坐标0点，裂隙与水平孔夹角为α，静水压力为p0。
当粘度为常量时，即对于牛顿流体，纳威-斯托克斯向量方程可 简化为公式(1)：
公式(1)左边为浆液质量微团在力的作用下产生的加速度，右 边第一项为单位质量力，第二项为压力梯度产生的表面力，第三项为 浆液粘度产生的摩擦力。
结合单位质量力在浆液运动中的作用效果，可得x轴方向的单位 质量力分量为
首先对水平注浆孔下方裂隙中的浆液扩散情况(即x＜0)进行 推导分析。
gradp为表面压力p在空间3个方向的偏微分量，其沿x方向的 分量为
将公式(5)、(6)及压力梯度、单位质量力分量代入公式(4) 可得到纳维-斯托克斯向量方程在x方向的标量方程为公式(4)：
另外，连续性方程是基于质量守恒定律建立的质量平衡方程，则 定常流动和不可压缩流体的运动的连续性方程为公式(5)：
由于浆液沿着倾斜裂隙流动，根据假设浆液仅沿x方向流动，在 z轴方向为无限延展，所以浆液在z方向流速变化为0，在y方向宽 度以外流速变化为0，结合公式(5)得：
根据浆液为定常流假设，可得：
由此可将x方向纳维-斯托克斯方程(4)可转化为公式(6)：
根据浆液侧壁为无滑移边界假设可得边界条件：
y＝±h,u＝0
根据该边界条件对公式(6)进行积分求解得到公式(7)：
由此得到倾斜裂隙中浆液流动截面的平均速度为公式(8)：
此时水平注浆孔裂隙相交的孔口处注浆压力为p1，其进入裂隙后 经过压力衰减最后与静水压力平衡，因此浆液沿着水平注浆孔以下裂 隙内扩散距离Lx时的浆液锋面压力为p0，即达到静水压力p0，可得 边界条件为公式(9)：
则公式(8)可转化为公式(10)：
同理，可得水平注浆孔上方裂隙中浆液截面平均流速为公式(11)：
基于浆液在倾斜单裂隙中扩散的平均速度(即公式(11))，可得 裂隙截面浆液流量。
当x＜0，对于牛顿流体的水平注浆孔以下裂隙为公式(12)：
单位时间段内注入裂隙的浆液量应等于该时段内增大扩散半径r 所需要的浆液量，因此有公式(13)：
将公式(12)带入公式(13)可得公式(14)：
同理，可得到水平注浆孔以上裂隙(当x＞0)时的注浆时间为 公式(15)：
通过对注浆时间的控制方程的变换可得不含注浆量的单裂隙浆 液扩散距离控制方程为公式(16)。
6μL2±ρgsinαb2tL-(p1-p0)b2t-6μr0 2＝0 (16)
(取“+”为水平注浆孔上方裂隙，取“-”为水平注浆孔下方裂隙；μ 为浆液粘度；L为浆液在裂隙中的扩散距离；r0为钻孔半径；ρ为浆 液容重；t为注浆时间；b为裂隙开度；α为裂隙与注浆孔夹角；p1为注浆孔与裂隙交叉处压力；p0为静水压力)
步骤六：依据步骤五中公式(16)得到注浆终结压力和注浆稳压 时间对应下的浆液扩散距离，而以该条件下的浆液扩散距离作为水平 分支孔布置间距是保证注浆效果的关键，并且根据奥灰含水层顶部注 浆改造空间范围大小和注浆设备额定工作能力，可得到满足区域注浆 范围要求和设备能力的水平分支孔合理布置间距，在注浆施工过程中 通过调控浆液水固比、注浆压力和注浆稳压时间便可得到满足水平分 支孔间距的浆液扩散距离，从而实现对浆液扩散的有效控制。
本发明的发明人在邯邢矿的具体应用中，先基于显微CT扫描分 析得到某矿奥灰顶部地层空隙发育特征细观上以裂隙中闭合裂隙和 微张裂隙数量占比最大，开度均值稳定在120μm和420μm，中张裂 隙和宽张裂隙数量占比相对较少，但具有较好延展性，结合水泥、粉 煤灰和粘土等材料粒度特征：水泥粒径以3-32μm颗粒含量为主，粘 土粒径以25～140μm颗粒含量为主，粉煤灰粒径以12～140μm颗粒含 量为主。因此，可在注浆过程中先利用含有较大颗粒的水泥-粘土浆 液和水泥-粉煤灰浆液进行铺地注浆，而后采用水泥浆液进行微裂隙 充填。
后采取邯邢矿区奥灰顶部含水层地下水水样进行水化学分析，总 结邯邢矿区奥灰顶部地下水化学类型特征。采用正交试验设计方法， 根据L16(45)正交表，对纯水泥浆液、水泥-粉煤灰浆液、水泥-粘 土浆液在不同水平水玻璃参量(0％、2％、5％、8％)、固相比(水泥- 粉煤灰浆液为80:20、70:30、60:40、50:50，水泥-粘土浆液为95:5、 90:10、85:15、80:20)、水固比(0.6:1、0.8:1、1:1、2:1、3:1)和不 同奥灰顶部地下水化学类型(HCO3-Ca·Mg、SO4-Ca·Mg、Cl·SO4-Ca·Na、 Cl·SO4-Ca·Na)等因素下，进行浆液性能试验，经过试验得到水泥浆 液、水泥-粉煤灰浆液、水泥-粘土浆液物理力学性质敏感性排序。通 过敏感性分析得到：水泥基浆液(水泥浆液、水泥-粉煤灰浆液、水 泥-粘土浆液)结石体强度主控因素为水固比，凝结时间主控因素为 水玻璃参量，结石率主控因素为水固比和水玻璃参量，粘度和比重的 主控因素均为水固比。
再依据邯邢矿区某矿底板承受10MPa水压对浆液水固比进行筛 选，以得到满足注浆改造强度要求的浆液配比。浆液结石体抗拉强度 应满足静水压力作用在岩层上产生的拉应力，而作用在底板岩层上的 静水压力可视为均布载荷，即为轴向正应力，因此根据格里菲斯理论， 其产生的抗拉强度约为静水压力的1/10，即为1MPa。由于试验测得 的轴心抗拉强度误差较大，因此，根据浆液结石体抗折强度与抗拉强 度的关系计算得到浆液结石体抗拉强度，从而与静水压力产生的拉应 力进行比对筛选得到满足强度要求的配比浆液。基于水泥基浆液结石 率和凝结时间特性，结合奥灰含水层顶部改造要求和水文地质条件，得到水泥基浆液的适用性配比。
然周通过固定其他参数，改变浆液水固比，利用公式(16)对不 同水固比浆液扩散距离进行试算，选取参数见表2，得到不同水固比 下浆液扩散距离变化特征(如图3)。
表2不同水固比下浆液扩散距离计算参数
参见图3可知，不同水固比下浆液扩散距离随着注浆时间的增加 而增大，但增加速率随时间增加而降低；同一时刻，浆液扩散距离随 着水固比增大而增大，且增大幅度随时间而增加，说明较大水固比对 浆液扩散距离影响更加明显，因此对于低压注浆阶段，当注浆时间持 续较长时应及时降低浆液水固比，以限制浆液扩散距离随时间的持续 增大，使注浆压力达到终结压力。
其中，邯邢矿区某矿产能210万t/a，采深大于1000m，奥陶系 灰岩水位+115m，-850m水平4号煤保护层开采受奥灰水承压达 9.5～11.3MPa，达到了《煤矿防治水规定》的突水系数上限0.1MPa/m， 因此对奥陶系灰岩顶部峰峰组八段采用超前区域注浆改造，以实现4 号煤层的安全开采。
基于工况参数，取奥灰含水层静水压力为11.3MPa；为保证注浆 效果，裂隙开度选用微张裂隙进行计算，其开度设定为0.0002m；由 于现场浆液水固比常控制在1:1～3:1，因此采用1:1水泥浆液进行计算； 注浆压力分别为1.5倍、2.0倍、2.5倍和3.0倍静水压力；为便于取 得浆液扩散范围的垂向距离，裂隙倾角采用90°。计算结果如图3 所示。
根据注浆泵额定注浆压力和注浆管路压力耐受性等，一般控制终 压稳定时间在30～35min范围，由图2和图3可知，注浆压力在1.5～3.0 倍静水压力变化范围内，注浆时间30min时浆液扩散距离在钻孔上方 裂隙中为23.10m、32.95m、46.88m、在下方裂隙中为24.50m、34.35m、 48.28m。因此采用1.5倍静水压力为注浆终压时钻孔分支孔水平间距 不大于46.20m，分支孔与奥灰顶界面间距不大于23.10m；采用2.0 倍静水压力为注浆终压时钻孔分支孔水平间距不大于65.90m，分支 孔与奥灰顶界面间距不大于32.95m；采用3.0倍静水压力为注浆终压 时钻孔分支孔水平间距不大于93.76m，分支孔与奥灰顶界面间距不大于46.88m。根据区域注浆改造范围大小可具体确定水平分支孔的 数量。
由此可见，本发明的方法构建了基于浆液自重、静水压力、注浆 压力、裂隙与注浆孔夹角、浆液粘度和密度、裂隙开度等主要影响因 素的水平孔倾斜单裂隙浆液扩散距离控制方程，能够计算得到不同注 浆压力、浆液水固比、裂隙开度、裂隙与注浆孔夹角等因素下的裂隙 岩体水平注浆孔浆液扩散距离，实现了不同工况下浆液水固比、注浆 终结压力、注浆终结稳压时间、水平分支孔间距等重要注浆参数的确 定，能够对超前区域注浆改造设计和过程控制提供科学指导，实现底 板水害超前区域注浆治理过程中浆液扩散的有效控制。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本 发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附 图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的 作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的 范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (4)
1.一种煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆孔浆液扩散控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：利用激光粒度分析仪对底板水害超前区域治理的注浆材料进行粒度分布特征分析；
步骤二：对底板水害超前区域的受注地层裂隙进行分析，以确定其原生裂隙几何参数，从而得到不同注浆阶段所需的注浆材料条件；
步骤三：对不同水固比水泥基浆液进行物理和力学性质试验，基于底板含水层注浆改造或加固强度的要求来确定符合条件的水泥基浆液水固比；
步骤四：通过正交试验，确定水泥基浆液物理力学性质敏感性排序，并根据不同水固比浆液的性质对浆液扩散半径的影响不同，确定底板水害超前区域注浆浆液扩散控制的水泥基浆液水固比的调控原则；
步骤五：构建煤层底板奥灰含水层水平注浆孔倾斜单裂隙浆液扩散距离控制模型；
步骤六：依据步骤五得到注浆终结压力和注浆稳压时间对应下的浆液扩散距离，且根据奥灰含水层顶部注浆改造空间范围大小和注浆设备额定工作能力，得到满足区域注浆范围要求和设备能力的水平分支孔合理布置间距，在注浆施工过程中通过调控浆液水固比、注浆压力和注浆稳压时间便可得到满足水平分支孔间距的浆液扩散距离，从而实现对浆液扩散的有效控制。
2.如权利要求1所述的煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆孔浆液扩散控制方法，其特征在于：步骤一中所述注浆材料包含水泥、粉煤灰和粘土。
3.如权利要求1所述的煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆孔浆液扩散控制方法，其特征在于：步骤二中通过显微CT扫描技术对底板水害超前区域的受注地层裂隙的几何参数进行量化分析，得到其原生裂隙几何参数，从而得到充填注浆阶段、升压注浆阶段及劈裂注浆阶段所需的注浆材料条件。
4.如权利要求1所述的煤层底板奥陶系灰岩顶部水平注浆孔浆液扩散控制方法，其特征在于：在步骤五中构建过程如下：
沿平行和垂直倾斜裂隙方向分别建立x轴和y轴，裂隙开度为2h，水平注浆孔与裂隙交叉点为坐标0点，裂隙与水平孔夹角为α，静水压力为p0，当粘度为常量时，即对于牛顿流体，纳威-斯托克斯向量方程可简化为公式(1)：
结合单位质量力在浆液运动中的作用效果，可得x轴方向的单位质量力分量为
首先对水平注浆孔下方裂隙中的浆液扩散情况(即x＜0)进行推导分析：
gradp为表面压力p在空间3个方向的偏微分量，其沿x方向的分量为
将公式(2)、(3)及压力梯度、单位质量力分量代入公式(1)可得到纳维-斯托克斯向量方程在x方向的标量方程为公式(4)：
另外，连续性方程是基于质量守恒定律建立的质量平衡方程，则定常流动和不可压缩流体的运动的连续性方程为公式(5)：
设浆液仅沿x方向流动，在z轴方向为无限延展，所以浆液在z方向流速变化为0，在y方向宽度以外流速变化为0，结合公式(5)得：
根据浆液为定常流假设，可得：
由此可将x方向纳维-斯托克斯方程(4)可转化为公式(6)：
根据浆液侧壁为无滑移边界假设可得边界条件y＝±h,u＝0；
根据该边界条件对公式(6)进行积分求解得到公式(7)：
由此得到倾斜裂隙中浆液流动截面的平均速度为公式(8)：
此时水平注浆孔裂隙相交的孔口处注浆压力为p1，其进入裂隙后经过压力衰减最后与静水压力平衡，因此浆液沿着水平注浆孔以下裂隙内扩散距离Lx时的浆液锋面压力为p0，即达到静水压力p0，可得边界条件为公式(9)：
则公式(8)可转化为公式(10)：
同理，可得水平注浆孔上方裂隙中浆液截面平均流速为公式(11)：
基于浆液在倾斜单裂隙中扩散的平均速度(即公式(11))，可得裂隙截面浆液流量；
当x＜0，对于牛顿流体的水平注浆孔以下裂隙为公式(12)：
单位时间段内注入裂隙的浆液量应等于该时段内增大扩散半径r所需要的浆液量，因此有公式(13)：
将公式(12)带入公式(13)可得公式(14)：
同理，可得到水平注浆孔以上裂隙(当x＞0)时的注浆时间为公式(15)：
通过对注浆时间的控制方程的变换可得不含注浆量的单裂隙浆液扩散距离控制方程为公式(16)；
6μL2±ρgsinαb2tL-(p1-p0)b2t-6μr0 2＝0 (16)，
其中，取“+”为水平注浆孔上方裂隙，取“-”为水平注浆孔下方裂隙；μ为浆液粘度；L为浆液在裂隙中的扩散距离；r0为钻孔半径；ρ为浆液容重；t为注浆时间；b为裂隙开度；α为裂隙与注浆孔夹角；p1为注浆孔与裂隙交叉处压力；p0为静水压力。
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