中關鐵礦掘進巷道綜合防治水技術研究

何 磊,張連恒,張彥科,張少雨,黃 屹

(1.中冶礦山施工工程技術中心，北京 100176；2.中國華冶科工集團有限公司,北京 100176；3.湖北三疊礦業投資有限公司，武漢 430000)

中關鐵礦為一埋藏較深的隱伏礦體，礦體走向長2000m，寬300～1000m，埋深300～800m，主要礦體均賦存于巖漿巖與中奧陶系灰巖的接觸帶及其附近灰巖裂隙中，礦床水文地質條件復雜。礦區內主要含水巖組是灰巖類裂隙含水巖組，其次是第四系松散物孔隙(上層滯水)含水巖組。灰巖段以下的閃長巖段為相對隔水層。礦床埋藏較深，含水層奧陶系中統石灰巖為其直接頂板，該含水層厚度大、分布廣，富水性強，礦區地下水具有豐富的動、靜儲量。中關鐵礦當前進行-260m水平開拓，因掘進巷道涌水量大，對施工安全威脅巨大。目前采用50m超前鉆孔探水，施工進度緩慢。為提高巷道掘進速度，同時避免突水事故的發生，結合地質條件研究針對中關鐵礦奧灰水的防治技術極為必要。

1 防治水總體方案

中關鐵礦主井、北風井掘進水平采用物探、鉆孔超前探測綜合方法進行超前預報。物探方法[1-2]采用地質雷達探測為主、紅外探水儀為輔的綜合探測手段，超前鉆孔探測采用Φ60鉆頭，鉆孔深度10～50m。物探方法預報掌子面前方富水可能性較小時，采用5m短距離鉆探后掘進，當預報掌子面前方富水可能性較大時，進行鉆孔長探，并根據靜水壓力等參數實施注漿。技術路線如圖1所示。

圖1 中關鐵礦防治水路線圖

2 綜合超前地質預報

在掘進前，首先應用地質雷達、紅外探水儀進行超前探測。以北風井-260m水平掘進工作面、主井-260m水平副井聯絡巷掌子面為試驗探測工作面。經過探測、數據處理，得到地質雷達及紅外探測的結果如圖2～5所示。

圖2 北風井掘進巷道掌子面地質雷達探測圖像

圖3 副井聯絡巷道掌子面地質雷達探測圖像

圖4 北風井掘進巷道紅外探測結果

圖5 副井聯絡巷道紅外探測結果

北風井-260m水平掘進工作面地質雷達探測圖像(圖2)顯示，掌子面前方4～15m區間，雷達反射信號強烈，低頻，振幅明顯，為巖體富水特征。通過紅外探測結果顯示，越接近掌子面紅外輻射場強越高，最大差值達到55μw/cm2，高于一般認為的安全值15μw/cm2數倍。因此，掌子面前方巖體富水，采用超前鉆孔探水。通過鉆探前方巖體裂隙發育，構成導水通道，與綜合地質預報結論相符。

主井-260m水平副井繞道掘進工作面地質雷達探測結果如圖3，可見掌子面前方僅6～10m區域見雷達反射波，低頻信號不明顯，預計為節理裂隙發育段。紅外探測結果顯示，巷道內紅外輻射場強差異不明顯，最大差值不超過15μw/cm2，預計掌子面前方富水可能性較小，采用短掘短探方式。經5m超前鉆孔探測及開挖驗證，結果與預報相符。以長孔鉆探占用掌子面10天計算，通過綜合超前地質預報節省了鉆探時間，提高了施工進度，從而帶來較好的經濟效益。

通過近4個月的綜合超前地質預報應用，對各掘進工作進行的預報結果分析發現，每月預報前方無水的掌子面有2～3個。根據當前平均每天3天進尺，以單個工作面節省長探孔施工10天計算，每月可提高進尺60～90m。

3 鉆孔探水及注漿堵水工藝

3.1 鉆孔布置

鉆孔按放射狀布置，終孔位置超出巷道斷面輪廓線以外，幫距為6～8m。直巷中鉆孔深度50m，遇彎道則為30m，保持15m超前距循環。探水孔數量根據現場實際情況進行調整，布置9～13個。布置1個中心孔，方向與巷道中心線平行。3個頂孔，4個邊孔，3個底孔，與巷道邊線成2～8°夾角(段長按50m考慮)。探孔段越短，探水孔角度越大。北風井-260m水平掘進工作面探水鉆孔布置示意圖見圖6。圖7為鉆孔施工現場。

圖6 探水鉆孔布置示意圖

圖7 超前探孔施工現場

3.2 注漿參數

3.2.1 注漿壓力

注漿終壓取靜水壓力的2～3倍，經測試靜水壓為2.6MPa，注漿終壓取5.2～7.8MPa。

3.2.2 注漿漿液

注漿漿液采用單液水泥漿，水泥選用P.042.5號普通硅酸鹽水泥，漿液濃度0.5∶1～1∶1，如孔內吸漿量大，長時間不升壓，可在水泥漿中加三乙醇胺與氯化鈉混合液。

3.3 鉆孔及注漿堵水工序

探水注漿施工工序為：施工準備——開孔、固定孔口管——澆筑止漿墻(首次探水注漿時澆筑止漿墻，其后保證探水鉆孔超前距離符合要求)——耐壓試驗——鉆進探水孔——注漿。完成施工準備工作后的工序如以下方面所示。

3.3.1 澆筑止漿墻

首次探水注漿時或當需要澆筑止漿墻時，及時進行止漿墻澆筑，施工完畢灑水養護3～7天，經試壓合格后即可使用。

3.3.2 鉆孔定位及開孔

開孔用ф120mm鉆頭鉆進，鉆進深度3.0m，埋入ф108×3500×5mm無縫鋼管，埋深3.0m，外露0.5m。孔口和套管口間的環狀空隙用水泥砂漿和速凝劑封閉密實，其中插入1根細管，用于觀察注漿情況。可在注漿預埋管周圍打注4～6根錨桿，用盤條或8#鐵絲固定注漿管。

水泥砂漿凝固后,從套管口向內注入水泥漿,同時觀察比較細管內情況，待水泥從細管溢出后，可緩停注漿，3～5min后再注。水泥漿穩定流出后，停止注漿。

試壓壓力為靜水水壓的2.5倍，延續時間不少于30min。如發現鉆場及鉆孔周圍有滲水、跑水現象，要停止試壓，繼續注水泥漿，直至試壓合格。

3.3.3 耐壓試驗

固定套管水泥凝固48h后，用鉆頭掃孔至5m處，退出鉆具，孔口管外安裝高壓閘閥，接通高壓水試壓。試壓壓力不低于注漿終壓(約為靜水壓2.5倍)，延續時間不少于30min。試壓過程要有詳細記錄，并有專人檢查套管外及鉆場附近的情況，如發現鉆場及鉆孔周圍有滲水、跑水等現象，要停止試壓，繼續注水泥漿固管，直至試壓合格。

3.3.4 探水孔鉆進

試壓合格后，安裝閥門、測壓表及防突水裝置后，改用ф60mm鉆頭鉆進至終孔。鉆進前必須安裝防突水裝置、孔口閥、泄水閥。鉆進時定期檢查鉆孔內的巖粉及沉渣，并要經常沖孔，確保孔底干凈，防止發生埋鉆卡鉆等事故，定期進行現場編錄。鉆機運轉時，注意孔內出水情況，若水量增大，應停止鉆進，關閉泄水閥。在防突閥的保護下，抽出鉆桿，關閉孔口閥，實施注漿。

3.3.5 注漿

注漿堵水前，要做壓注水試驗，并現場測定水量及水壓。注漿前要用注漿泵向注漿孔內再作一次注(壓)水，壓入量為鉆孔與管路體積之和的3～5倍。其作用是沖洗并檢查注漿泵、注漿管路，檢查注漿孔中是否通暢，有無堵塞現象，并沖洗受注層裂隙，以利注漿。

壓水結束后，如壓水情況和原壓水試驗無變化時，可根據單位吸水量選擇合適的漿液開始注漿。否則要重新進行正規壓水試驗。注漿過程中要觀察井下是否跑漿，所注鉆孔水位是否異常，有無串漿現象。要根據注漿情況，隨時按注漿設計要求調整漿液配比及注漿延續時間。如鉆孔屬于逐步正常升壓，則應連續注漿，直至達到結束標準。

注漿達到結束標準后，要持續15～20min以上方可停止注漿，以保證質量。然后立即向孔內壓清水，壓水量略大于鉆孔體積與管路體積之和，其目的在于沖洗注漿泵、管路，把孔中漿液壓入受注層中，使堵水材料充分利用，減少浪費。

3.3.6 掃孔檢查

探水注漿結束后，待漿液凝固24h后重新進行掃孔鉆進，將探水孔鉆至設計深度，如果在掃孔復鉆過程中又出現涌水，則重復進行上述工序，直至將涌水封堵住。對無水孔需鉆孔注漿封堵。

3.4 實施效果

在北風井掘進掌子面采用探孔注漿工藝，5#、7#、8#、11#孔在分別鉆進至5～7m時出現不同程度的涌水，單孔涌水量5～10m3/h。經注漿堵水，漿液滲透工作面前方50m內區域導水裂隙效果較好，在掘進施工中掌子面基本無涌水，見少量的滲水淋水。

4 結論

通過地質分析法、地質雷達、紅外探測方法進行的超前地質預報，和超前鉆孔注漿堵水形成的綜合防治水技術的試驗及應用，得到如下結論。

1) 地質分析法、地質雷達和紅外探測法聯合探測可大大提高物探方法進行井下掘進巷道超前地質預報的精度，探水成功率達80%以上。

2) 綜合超前地質預報技術的應用減少了超前鉆探，巷道掘進進尺平均每月提高60m以上，創造了較好的經濟效益。

3) 本文探孔注漿工藝的應用對封堵裂隙水具有良好的效果，實現了巷道掘進掌子面涌水量小于3m3/h的目標。

[1] 齊甦．隧道地質超前預報技術與應用[M]．北京：氣象出版社，2010．

[2] 王正成，譚巨剛，孔祥春,等.地質雷達在隧道超前預報中的應用[J].鐵道建筑，2005(2):9-10.

[3] 羅利銳,劉志剛,陳文濤,等.紅外探測技術在海底隧道地質預報中的應用[J].地下空間與工程學報，2010(8):775-781.