何 磊,張連恒,張彥科,張少雨,黃 屹

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

中關(guān)鐵礦為一埋藏較深的隱伏礦體，礦體走向長(zhǎng)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?guī)r的接觸帶及其附近灰?guī)r裂隙中，礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜。礦區(qū)內(nèi)主要含水巖組是灰?guī)r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?；?guī)r段以下的閃長(zhǎng)巖段為相對(duì)隔水層。礦床埋藏較深，含水層奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r為其直接頂板，該含水層厚度大、分布廣，富水性強(qiáng)，礦區(qū)地下水具有豐富的動(dòng)、靜儲(chǔ)量。中關(guān)鐵礦當(dāng)前進(jìn)行-260m水平開(kāi)拓，因掘進(jìn)巷道涌水量大，對(duì)施工安全威脅巨大。目前采用50m超前鉆孔探水，施工進(jìn)度緩慢。為提高巷道掘進(jìn)速度，同時(shí)避免突水事故的發(fā)生，結(jié)合地質(zhì)條件研究針對(duì)中關(guān)鐵礦奧灰水的防治技術(shù)極為必要。

1 防治水總體方案

中關(guān)鐵礦主井、北風(fēng)井掘進(jìn)水平采用物探、鉆孔超前探測(cè)綜合方法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。物探方法[1-2]采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)為主、紅外探水儀為輔的綜合探測(cè)手段，超前鉆孔探測(cè)采用Φ60鉆頭，鉆孔深度10～50m。物探方法預(yù)報(bào)掌子面前方富水可能性較小時(shí)，采用5m短距離鉆探后掘進(jìn)，當(dāng)預(yù)報(bào)掌子面前方富水可能性較大時(shí)，進(jìn)行鉆孔長(zhǎng)探，并根據(jù)靜水壓力等參數(shù)實(shí)施注漿。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 中關(guān)鐵礦防治水路線圖

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在掘進(jìn)前，首先應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水儀進(jìn)行超前探測(cè)。以北風(fēng)井-260m水平掘進(jìn)工作面、主井-260m水平副井聯(lián)絡(luò)巷掌子面為試驗(yàn)探測(cè)工作面。經(jīng)過(guò)探測(cè)、數(shù)據(jù)處理，得到地質(zhì)雷達(dá)及紅外探測(cè)的結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 北風(fēng)井掘進(jìn)巷道掌子面地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像

圖3 副井聯(lián)絡(luò)巷道掌子面地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像

圖4 北風(fēng)井掘進(jìn)巷道紅外探測(cè)結(jié)果

圖5 副井聯(lián)絡(luò)巷道紅外探測(cè)結(jié)果

北風(fēng)井-260m水平掘進(jìn)工作面地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像(圖2)顯示，掌子面前方4～15m區(qū)間，雷達(dá)反射信號(hào)強(qiáng)烈，低頻，振幅明顯，為巖體富水特征。通過(guò)紅外探測(cè)結(jié)果顯示，越接近掌子面紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)越高，最大差值達(dá)到55μw/cm2，高于一般認(rèn)為的安全值15μw/cm2數(shù)倍。因此，掌子面前方巖體富水，采用超前鉆孔探水。通過(guò)鉆探前方巖體裂隙發(fā)育，構(gòu)成導(dǎo)水通道，與綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論相符。

主井-260m水平副井繞道掘進(jìn)工作面地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果如圖3，可見(jiàn)掌子面前方僅6～10m區(qū)域見(jiàn)雷達(dá)反射波，低頻信號(hào)不明顯，預(yù)計(jì)為節(jié)理裂隙發(fā)育段。紅外探測(cè)結(jié)果顯示，巷道內(nèi)紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)差異不明顯，最大差值不超過(guò)15μw/cm2，預(yù)計(jì)掌子面前方富水可能性較小，采用短掘短探方式。經(jīng)5m超前鉆孔探測(cè)及開(kāi)挖驗(yàn)證，結(jié)果與預(yù)報(bào)相符。以長(zhǎng)孔鉆探占用掌子面10天計(jì)算，通過(guò)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)節(jié)省了鉆探時(shí)間，提高了施工進(jìn)度，從而帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)近4個(gè)月的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用，對(duì)各掘進(jìn)工作進(jìn)行的預(yù)報(bào)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，每月預(yù)報(bào)前方無(wú)水的掌子面有2～3個(gè)。根據(jù)當(dāng)前平均每天3天進(jìn)尺，以單個(gè)工作面節(jié)省長(zhǎng)探孔施工10天計(jì)算，每月可提高進(jìn)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(huán)。探水孔數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，布置9～13個(gè)。布置1個(gè)中心孔，方向與巷道中心線平行。3個(gè)頂孔，4個(gè)邊孔，3個(gè)底孔，與巷道邊線成2～8°夾角(段長(zhǎng)按50m考慮)。探孔段越短，探水孔角度越大。北風(fēng)井-260m水平掘進(jìn)工作面探水鉆孔布置示意圖見(jiàn)圖6。圖7為鉆孔施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖6 探水鉆孔布置示意圖

圖7 超前探孔施工現(xiàn)場(chǎng)

3.2 注漿參數(shù)

3.2.1 注漿壓力

注漿終壓取靜水壓力的2～3倍，經(jīng)測(cè)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(hào)普通硅酸鹽水泥，漿液濃度0.5∶1～1∶1，如孔內(nèi)吸漿量大，長(zhǎng)時(shí)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?yàn)椋菏┕?zhǔn)備——開(kāi)孔、固定孔口管——澆筑止?jié){墻(首次探水注漿時(shí)澆筑止?jié){墻，其后保證探水鉆孔超前距離符合要求)——耐壓試驗(yàn)——鉆進(jìn)探水孔——注漿。完成施工準(zhǔn)備工作后的工序如以下方面所示。

3.3.1 澆筑止?jié){墻

首次探水注漿時(shí)或當(dāng)需要澆筑止?jié){墻時(shí)，及時(shí)進(jìn)行止?jié){墻澆筑，施工完畢灑水養(yǎng)護(hù)3～7天，經(jīng)試壓合格后即可使用。

3.3.2 鉆孔定位及開(kāi)孔

開(kāi)孔用ф120mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)深度3.0m，埋入ф108×3500×5mm無(wú)縫鋼管，埋深3.0m，外露0.5m?？卓诤吞坠芸陂g的環(huán)狀空隙用水泥砂漿和速凝劑封閉密實(shí)，其中插入1根細(xì)管，用于觀察注漿情況。可在注漿預(yù)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(nèi)注入水泥漿,同時(shí)觀察比較細(xì)管內(nèi)情況，待水泥從細(xì)管溢出后，可緩?fù)Ｗ{，3～5min后再注。水泥漿穩(wěn)定流出后，停止注漿。

試壓壓力為靜水水壓的2.5倍，延續(xù)時(shí)間不少于30min。如發(fā)現(xiàn)鉆場(chǎng)及鉆孔周圍有滲水、跑水現(xiàn)象，要停止試壓，繼續(xù)注水泥漿，直至試壓合格。

3.3.3 耐壓試驗(yàn)

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(xù)時(shí)間不少于30min。試壓過(guò)程要有詳細(xì)記錄，并有專人檢查套管外及鉆場(chǎng)附近的情況，如發(fā)現(xiàn)鉆場(chǎng)及鉆孔周圍有滲水、跑水等現(xiàn)象，要停止試壓，繼續(xù)注水泥漿固管，直至試壓合格。

3.3.4 探水孔鉆進(jìn)

試壓合格后，安裝閥門、測(cè)壓表及防突水裝置后，改用ф60mm鉆頭鉆進(jìn)至終孔。鉆進(jìn)前必須安裝防突水裝置、孔口閥、泄水閥。鉆進(jìn)時(shí)定期檢查鉆孔內(nèi)的巖粉及沉渣，并要經(jīng)常沖孔，確保孔底干凈，防止發(fā)生埋鉆卡鉆等事故，定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編錄。鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，注意孔內(nèi)出水情況，若水量增大，應(yīng)停止鉆進(jìn)，關(guān)閉泄水閥。在防突閥的保護(hù)下，抽出鉆桿，關(guān)閉孔口閥，實(shí)施注漿。

3.3.5 注漿

注漿堵水前，要做壓注水試驗(yàn)，并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水量及水壓。注漿前要用注漿泵向注漿孔內(nèi)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(wú)堵塞現(xiàn)象，并沖洗受注層裂隙，以利注漿。

壓水結(jié)束后，如壓水情況和原壓水試驗(yàn)無(wú)變化時(shí)，可根據(jù)單位吸水量選擇合適的漿液開(kāi)始注漿。否則要重新進(jìn)行正規(guī)壓水試驗(yàn)。注漿過(guò)程中要觀察井下是否跑漿，所注鉆孔水位是否異常，有無(wú)串漿現(xiàn)象。要根據(jù)注漿情況，隨時(shí)按注漿設(shè)計(jì)要求調(diào)整漿液配比及注漿延續(xù)時(shí)間。如鉆孔屬于逐步正常升壓，則應(yīng)連續(xù)注漿，直至達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

注漿達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，要持續(xù)15～20min以上方可停止注漿，以保證質(zhì)量。然后立即向孔內(nèi)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(fèi)。

3.3.6 掃孔檢查

探水注漿結(jié)束后，待漿液凝固24h后重新進(jìn)行掃孔鉆進(jìn)，將探水孔鉆至設(shè)計(jì)深度，如果在掃孔復(fù)鉆過(guò)程中又出現(xiàn)涌水，則重復(fù)進(jìn)行上述工序，直至將涌水封堵住。對(duì)無(wú)水孔需鉆孔注漿封堵。

3.4 實(shí)施效果

在北風(fēng)井掘進(jìn)掌子面采用探孔注漿工藝，5#、7#、8#、11#孔在分別鉆進(jìn)至5～7m時(shí)出現(xiàn)不同程度的涌水，單孔涌水量5～10m3/h。經(jīng)注漿堵水，漿液滲透工作面前方50m內(nèi)區(qū)域?qū)严缎Ч^好，在掘進(jìn)施工中掌子面基本無(wú)涌水，見(jiàn)少量的滲水淋水。

4 結(jié)論

通過(guò)地質(zhì)分析法、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)方法進(jìn)行的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，和超前鉆孔注漿堵水形成的綜合防治水技術(shù)的試驗(yàn)及應(yīng)用，得到如下結(jié)論。

1) 地質(zhì)分析法、地質(zhì)雷達(dá)和紅外探測(cè)法聯(lián)合探測(cè)可大大提高物探方法進(jìn)行井下掘進(jìn)巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的精度，探水成功率達(dá)80%以上。

2) 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用減少了超前鉆探，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺平均每月提高60m以上，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3) 本文探孔注漿工藝的應(yīng)用對(duì)封堵裂隙水具有良好的效果，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)掌子面涌水量小于3m3/h的目標(biāo)。

[1] 齊甦．隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：氣象出版社，2010．

[2] 王正成，譚巨剛，孔祥春,等.地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)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(cè)技術(shù)在海底隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010(8):775-781.