中关铁矿掘进巷道综合防治水技术研究

何 磊,张连恒,张彦科,张少雨,黄 屹

(1.中冶矿山施工工程技术中心，北京 100176；2.中国华冶科工集团有限公司,北京 100176；3.湖北三叠矿业投资有限公司，武汉 430000)

中关铁矿为一埋藏较深的隐伏矿体，矿体走向长2000m，宽300～1000m，埋深300～800m，主要矿体均赋存于岩浆岩与中奥陶系灰岩的接触带及其附近灰岩裂隙中，矿床水文地质条件复杂。矿区内主要含水岩组是灰岩类裂隙含水岩组，其次是第四系松散物孔隙(上层滞水)含水岩组。灰岩段以下的闪长岩段为相对隔水层。矿床埋藏较深，含水层奥陶系中统石灰岩为其直接顶板，该含水层厚度大、分布广，富水性强，矿区地下水具有丰富的动、静储量。中关铁矿当前进行-260m水平开拓，因掘进巷道涌水量大，对施工安全威胁巨大。目前采用50m超前钻孔探水，施工进度缓慢。为提高巷道掘进速度，同时避免突水事故的发生，结合地质条件研究针对中关铁矿奥灰水的防治技术极为必要。

1 防治水总体方案

中关铁矿主井、北风井掘进水平采用物探、钻孔超前探测综合方法进行超前预报。物探方法[1-2]采用地质雷达探测为主、红外探水仪为辅的综合探测手段，超前钻孔探测采用Φ60钻头，钻孔深度10～50m。物探方法预报掌子面前方富水可能性较小时，采用5m短距离钻探后掘进，当预报掌子面前方富水可能性较大时，进行钻孔长探，并根据静水压力等参数实施注浆。技术路线如图1所示。

图1 中关铁矿防治水路线图

2 综合超前地质预报

在掘进前，首先应用地质雷达、红外探水仪进行超前探测。以北风井-260m水平掘进工作面、主井-260m水平副井联络巷掌子面为试验探测工作面。经过探测、数据处理，得到地质雷达及红外探测的结果如图2～5所示。

图2 北风井掘进巷道掌子面地质雷达探测图像

图3 副井联络巷道掌子面地质雷达探测图像

图4 北风井掘进巷道红外探测结果

图5 副井联络巷道红外探测结果

北风井-260m水平掘进工作面地质雷达探测图像(图2)显示，掌子面前方4～15m区间，雷达反射信号强烈，低频，振幅明显，为岩体富水特征。通过红外探测结果显示，越接近掌子面红外辐射场强越高，最大差值达到55μw/cm2，高于一般认为的安全值15μw/cm2数倍。因此，掌子面前方岩体富水，采用超前钻孔探水。通过钻探前方岩体裂隙发育，构成导水通道，与综合地质预报结论相符。

主井-260m水平副井绕道掘进工作面地质雷达探测结果如图3，可见掌子面前方仅6～10m区域见雷达反射波，低频信号不明显，预计为节理裂隙发育段。红外探测结果显示，巷道内红外辐射场强差异不明显，最大差值不超过15μw/cm2，预计掌子面前方富水可能性较小，采用短掘短探方式。经5m超前钻孔探测及开挖验证，结果与预报相符。以长孔钻探占用掌子面10天计算，通过综合超前地质预报节省了钻探时间，提高了施工进度，从而带来较好的经济效益。

通过近4个月的综合超前地质预报应用，对各掘进工作进行的预报结果分析发现，每月预报前方无水的掌子面有2～3个。根据当前平均每天3天进尺，以单个工作面节省长探孔施工10天计算，每月可提高进尺60～90m。

3 钻孔探水及注浆堵水工艺

3.1 钻孔布置

钻孔按放射状布置，终孔位置超出巷道断面轮廓线以外，帮距为6～8m。直巷中钻孔深度50m，遇弯道则为30m，保持15m超前距循环。探水孔数量根据现场实际情况进行调整，布置9～13个。布置1个中心孔，方向与巷道中心线平行。3个顶孔，4个边孔，3个底孔，与巷道边线成2～8°夹角(段长按50m考虑)。探孔段越短，探水孔角度越大。北风井-260m水平掘进工作面探水钻孔布置示意图见图6。图7为钻孔施工现场。

图6 探水钻孔布置示意图

图7 超前探孔施工现场

3.2 注浆参数

3.2.1 注浆压力

注浆终压取静水压力的2～3倍，经测试静水压为2.6MPa，注浆终压取5.2～7.8MPa。

3.2.2 注浆浆液

注浆浆液采用单液水泥浆，水泥选用P.042.5号普通硅酸盐水泥，浆液浓度0.5∶1～1∶1，如孔内吸浆量大，长时间不升压，可在水泥浆中加三乙醇胺与氯化钠混合液。

3.3 钻孔及注浆堵水工序

探水注浆施工工序为：施工准备——开孔、固定孔口管——浇筑止浆墙(首次探水注浆时浇筑止浆墙，其后保证探水钻孔超前距离符合要求)——耐压试验——钻进探水孔——注浆。完成施工准备工作后的工序如以下方面所示。

3.3.1 浇筑止浆墙

首次探水注浆时或当需要浇筑止浆墙时，及时进行止浆墙浇筑，施工完毕洒水养护3～7天，经试压合格后即可使用。

3.3.2 钻孔定位及开孔

开孔用ф120mm钻头钻进，钻进深度3.0m，埋入ф108×3500×5mm无缝钢管，埋深3.0m，外露0.5m。孔口和套管口间的环状空隙用水泥砂浆和速凝剂封闭密实，其中插入1根细管，用于观察注浆情况。可在注浆预埋管周围打注4～6根锚杆，用盘条或8#铁丝固定注浆管。

水泥砂浆凝固后,从套管口向内注入水泥浆,同时观察比较细管内情况，待水泥从细管溢出后，可缓停注浆，3～5min后再注。水泥浆稳定流出后，停止注浆。

试压压力为静水水压的2.5倍，延续时间不少于30min。如发现钻场及钻孔周围有渗水、跑水现象，要停止试压，继续注水泥浆，直至试压合格。

3.3.3 耐压试验

固定套管水泥凝固48h后，用钻头扫孔至5m处，退出钻具，孔口管外安装高压闸阀，接通高压水试压。试压压力不低于注浆终压(约为静水压2.5倍)，延续时间不少于30min。试压过程要有详细记录，并有专人检查套管外及钻场附近的情况，如发现钻场及钻孔周围有渗水、跑水等现象，要停止试压，继续注水泥浆固管，直至试压合格。

3.3.4 探水孔钻进

试压合格后，安装阀门、测压表及防突水装置后，改用ф60mm钻头钻进至终孔。钻进前必须安装防突水装置、孔口阀、泄水阀。钻进时定期检查钻孔内的岩粉及沉渣，并要经常冲孔，确保孔底干净，防止发生埋钻卡钻等事故，定期进行现场编录。钻机运转时，注意孔内出水情况，若水量增大，应停止钻进，关闭泄水阀。在防突阀的保护下，抽出钻杆，关闭孔口阀，实施注浆。

3.3.5 注浆

注浆堵水前，要做压注水试验，并现场测定水量及水压。注浆前要用注浆泵向注浆孔内再作一次注(压)水，压入量为钻孔与管路体积之和的3～5倍。其作用是冲洗并检查注浆泵、注浆管路，检查注浆孔中是否通畅，有无堵塞现象，并冲洗受注层裂隙，以利注浆。

压水结束后，如压水情况和原压水试验无变化时，可根据单位吸水量选择合适的浆液开始注浆。否则要重新进行正规压水试验。注浆过程中要观察井下是否跑浆，所注钻孔水位是否异常，有无串浆现象。要根据注浆情况，随时按注浆设计要求调整浆液配比及注浆延续时间。如钻孔属于逐步正常升压，则应连续注浆，直至达到结束标准。

注浆达到结束标准后，要持续15～20min以上方可停止注浆，以保证质量。然后立即向孔内压清水，压水量略大于钻孔体积与管路体积之和，其目的在于冲洗注浆泵、管路，把孔中浆液压入受注层中，使堵水材料充分利用，减少浪费。

3.3.6 扫孔检查

探水注浆结束后，待浆液凝固24h后重新进行扫孔钻进，将探水孔钻至设计深度，如果在扫孔复钻过程中又出现涌水，则重复进行上述工序，直至将涌水封堵住。对无水孔需钻孔注浆封堵。

3.4 实施效果

在北风井掘进掌子面采用探孔注浆工艺，5#、7#、8#、11#孔在分别钻进至5～7m时出现不同程度的涌水，单孔涌水量5～10m3/h。经注浆堵水，浆液渗透工作面前方50m内区域导水裂隙效果较好，在掘进施工中掌子面基本无涌水，见少量的渗水淋水。

4 结论

通过地质分析法、地质雷达、红外探测方法进行的超前地质预报，和超前钻孔注浆堵水形成的综合防治水技术的试验及应用，得到如下结论。

1) 地质分析法、地质雷达和红外探测法联合探测可大大提高物探方法进行井下掘进巷道超前地质预报的精度，探水成功率达80%以上。

2) 综合超前地质预报技术的应用减少了超前钻探，巷道掘进进尺平均每月提高60m以上，创造了较好的经济效益。

3) 本文探孔注浆工艺的应用对封堵裂隙水具有良好的效果，实现了巷道掘进掌子面涌水量小于3m3/h的目标。

[1] 齐甦．隧道地质超前预报技术与应用[M]．北京：气象出版社，2010．

[2] 王正成，谭巨刚，孔祥春,等.地质雷达在隧道超前预报中的应用[J].铁道建筑，2005(2):9-10.

[3] 罗利锐,刘志刚,陈文涛,等.红外探测技术在海底隧道地质预报中的应用[J].地下空间与工程学报，2010(8):775-781.