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某矿斜坡道探治水方案研究 ① 孟军良， 曹玉涛， 庞 博 （河北钢铁集团滦县常峪铁矿有限公司， 河北 滦县 ０６３７０１） 摘 要 对某铁矿斜坡道探治水工程进行了优化研究，在探治水过程中，结合围岩地质条件和施工环境，在设备选型、探水施工、注 浆方案上不断调整，并在施工组织上进行了改进，实现了探孔、注浆同时作业，逐步形成了一套成熟的施工方案，提高了探治水效 率，注浆效果良好。 关键词 斜坡道； 探水； 治水； 注浆； 铁矿山 中图分类号 ＴＤ７４５文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１５．０３．００８ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１５）０３－００３１－０３ Ｓｃｈｅｍｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｒａｍｐ ｉｎ Ａｎ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｍｉｎｅ ＭＥＮＧ Ｊｕｎ⁃ｌｉａｎｇ， ＣＡＯ Ｙｕ⁃ｔａｏ， ＰＡＮＧ Ｂｏ （Ｃｈａｎｇｙｕ Ｉｒｏｎ Ｏｒｅ Ｃｏ Ｌｔｄ ｉｎ Ｌｕａｎ Ｃｏｕｎｔｙ， Ｈｅｂｅｉ Ｉｒｏｎ ＆ Ｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｌｕａｎ Ｃｏｕｎｔｙ ０６３７０１， Ｈｅｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｍｐ ｉｎ ａｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｆｏｒ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｉｍｅｓ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ， ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ， ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｆｏｒ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｌｌ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂｅｉｎｇ ｗｅｌｌ ｏｒｇａｎｉｚｅｄ， ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｃａｎ ｂｅ ｏｐｅｒａｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ａ ｆｉｘｅｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｒｏｎ ｍｉｎｅ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｐｒｏｖｅｎ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ ａ ｇｏｏｄ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｒａｍｐ； ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ； ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｇｒｏｕｔｉｎｇ； ｉｒｏｎ ｍｉｎｅ 某矿斜坡道－６０～－２００ ｍ 工程全长 １ ０８５ ｍ，掘进 断面 ４．４ ｍ ４．２ ｍ， 平均坡度 １２％，围岩节理裂隙发 育，水文地质条件复杂，含水丰富。 在主巷掘进至 ３６０ ｍ 时，巷道出水裂隙明显增多，探水作业单孔涌水 量最高达 １８０ ｍ３／ ｈ，治水工序占用时间较长。 据统 计，该矿 ２０１３ 年上半年累计完成 ８ 次探治水，月平均 探治水时间占施工时间的 ４５％，严重影响到巷道的施 工进度。 为了加快探治水速度，达到理想的治水效果，该矿 在探治水工作中进行了大量尝试，并对探治水方案进 行改进，确保巷道快速、安全掘进。 １ 设备选型 该矿斜坡道工程探水孔施工要使用潜孔钻机，设 备选型要考虑到钻机工作面场地的要求，适用的岩石 硬度范围，并且要求设备操作性好，故障率低。 在斜坡 道工程探水施工中经过多次钻孔尝试，更换了 ３ 种型 号钻机，最终决定使用 ２ 台 ＱＺＪ１００Ｂ 气动马达潜孔钻 机。 这种钻机的优点是搬运方便，分解最大部件质量 １００ ｋｇ，适用性强，对地形没有特殊要求，适用岩石硬 度 ｆ＝８～１６，故障率较低。 考虑到设备的大小、注浆压力、注浆流量、设备故 障率等因素，该矿斜坡道工程探水施工钻孔出水量大， 静水压力也随着巷道深度增加而逐渐加大，因此要求 注浆设备应具备流量大、压力高、出现故障容易维护的 特点，目前该矿采用的是 ２ＴＧＺ－Ⅱ型高压注浆泵，同 时备用 １ 台 ２ＴＧＺ－Ⅰ型高压注浆泵，注浆效果较好。 注浆设备具体参数见表 １。 表 １ 注浆设备参数 型号 电机功率 ／ ｋＷ 缸径 ／ ｍｍ 最大流量 ／ （Ｌｍｉｎ －１ ） 最大压力 ／ ＭＰａ 质量 ／ ｔ 长 ／ ｍ 宽 ／ ｍ 高 ／ ｍ ２ＴＧＺ－Ⅰ２２８４１４０１６１．２５ ２．００ １．００ ０．７５ ２ＴＧＺ－Ⅱ３０１００２４０１６１．４０ ２．００ １．００ ０．７５ ①收稿日期 ２０１４－１２－２０ 作者简介 孟军良（１９７２－），男，河北无极人，硕士，高级工程师，主要研究方向为通风排水、采矿技术。 第 ３５ 卷第 ３ 期 ２０１５ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３５ №３ Ｊｕｎｅ ２０１５ ２ 探治水方案选择 由于该矿斜坡道缺少详细的地质资料，揭露的水 文地质条件较复杂，施工中坚持“有掘必探，先探后 掘”的原则，在探治水初期，斜坡道探治水一直采取长 探长掘的方式，即每次探治水 ５０ ｍ，掘进 ５０ ｍ，但这种 方式存在一定盲目性，在巷道地质条件较好段浪费时 间长。 目前地下导水构造的探查技术有两种，即物探 和钻探，探査应以“物探先行”为原则，即在钻孔探水 前先采用物探手段，对围岩地质条件做出预判，进而采 取合理的治水方案，节省探治水时间［１］。 因此该矿引进了物探设备，选用的是 ＴＲＴ６０００ 水 文地质超前探测系统，应用了地震层析成像及全息岩 土成像技术，工作原理是通过人工锤击发射地震波，地 震波在岩体中传播时遇到具有不同震动特性的区间界 面时，部分地震波能量将产生反射，仪器通过收集反射 波进行处理、成像，反映出围岩结构的变化。 绝大多数 地质结构异常及岩性变化，在地震信号可及的距离范 围内，均可形成可探测的地震反射，勘查结果全面、直 观。 图 １ 是巷道 ７５１～８６１ ｍ 处物探三维立体图。 a b 图 １ 物探结果 （ａ） 侧视图； （ｂ） 俯视图 根据物探结果，探水施工方案可以进行调整，如果 巷道前方无地质结构异常变化，说明岩石完整性较好， 如图 １（ａ）所示，巷道前方 ０～４１ ｍ 处，围岩条件较好， 无明显裂隙，可采取短探短掘方案，即在掘进打眼过程 中，利用爆孔钻机沿着巷道轮廓线打 ５ 个 ４．５ ｍ 深的 浅孔。 若探水孔未出水，则正常进行掘进作业，爆破长 度 １．８～２．０ ｍ；若钻孔出水，则根据具体情况进行浅孔 注浆，注浆后进行复查，达到要求后进行掘进作业。 如果物探结果表明巷道前方地质情况复杂，可能 存在断层破碎带，这就要求采用潜孔钻机进行深孔探 水，并根据裂隙特点制定合理的施工方案。 如图 １（ｂ） 所示，在巷道前方 ４１ ｍ 后，地质条件开始变差，围岩裂 隙发育，且巷道右帮裂隙更为密集，在施工过程中易出 现较大涌水，应采用长探方式，提前进行注浆封堵。 ３ 探孔施工优化 ３．１ 探水孔布置 采用钻孔探水时，应根据水压大小，岩石的硬度、 厚度和节理发育特点来确定钻孔的位置、方向、数目、 每次钻进的深度、探孔超前距离等参数。 该矿斜坡道 所遇岩石为石英砂岩，厚层状，属坚硬岩，顺层裂隙和 垂直张性断裂发育，且导水性好，补给源为上部风化基 岩段裂隙水，水量充沛，压力较大。 由于巷道围岩坚 硬，并不破碎，探孔如果没有穿过裂隙，往往探不到水， 达不到治水的目的，给巷道掘进施工带来安全隐患。 为了能使探孔较好的穿过含水裂隙，该矿技术人员对 巷道围岩倾角和裂隙产状进行了统计，发现岩层倾向 和巷道前进近乎一致，倾角大于巷道坡度，裂隙多斜切 巷道，发育没有固定规律。 针对上述情况，在该矿斜坡 道工程围岩破碎段，探水孔布置采用帷幕方式，设计 ７ 个探水孔、１ 个检查孔，孔径 ７６ ｍｍ，探水孔角度沿巷 道中心线外偏 ２ ～４，孔距 １．５～４．０ ｍ。 在注浆方案 中，要求钻孔设计中使用三维软件绘制，以此清晰展现 钻孔和巷道之间的位置关系，以便使钻孔布置达到最 佳效果，具体见图 ２～３。 22 12 3242 62 72 52 02 图 ２ 工作面探水孔布置 81, 图 ３ 探水孔与巷道空间位置关系 ３．２ 探水孔长度选择 探水工序开始后，首先要向斜坡道下运输设备、注 浆材料，搭建注浆平台，接风水管路，然后安装钻孔注 浆设备，下孔口管，探水结束后还要将这些设备运回地 ２３矿 冶 工 程第 ３５ 卷 面进行养护和检修，清理巷道，才能进行掘进施工，这 些过程占用时间较长，平均用时１２ ｈ，所以每次探治水 长度不宜过短。 此外，钻机的钻进效率随着钻孔深度 加大逐步降低，需要通过钻孔试验，掌握该型号钻机在 不同孔深时的钻进效率，来选择设计钻孔长度。 该矿 使用的钻机在工作中钻孔深度与钻进速度关系如图 ４ 所示。             7 6 5 4 3 2 1 0 E1;,m h-1 E1,m 图 ４ 探水孔钻孔速度与钻进深度关系 探治水平均速度 Ｖ 的计算公式为 Ｖ ＝ Ｌ ｔ ＋ Ｔ ＋ １２ 式中 Ｌ 为探治水长度，ｍ；Ｔ 为注浆时间，ｈ，取经验数 值，平均每米注浆需要 １．１ ｈ；ｔ 为探水长度 Ｌ 下钻孔所 用时间，ｈ，每 ５ ｍ 为一段，按平均速度计算累计用时。 经过计算，探水长度选择 ６０ ｍ 时，探水施工效率 较高。 ３．３ 探水注浆施工方式 在探水孔施工上，该矿采用 ２ 台钻机同时钻进， 钻、注平行作业的施工组织模式。 在孔口管布置好后， 立刻安装架设第 １ 台钻机，让其先工作，然后在其对角 的孔位安装第 ２ 台钻机，尽量保持 ２ 台钻机间隔最远， 并且钻进深度相差保持在 ５ ｍ（防水岩柱），若第 １ 台 钻机钻孔出水大于 １０ ｍ３／ ｈ 后，第 ２ 台钻机停止钻进， 进行注浆。 在注浆开始后，若第 ２ 台钻机钻孔未出现 跑浆现象，则可继续钻进其它探水孔，钻进深度保持与 出水孔位置相差 ５ ｍ，实现钻孔、注浆平行作业，节省 探治水时间。 这样安排还考虑到了探水孔被水泥浆封堵后扫孔 的速度远大于在围岩中钻孔的速度，所以发生串浆后， 扫孔所用时间对正常注浆进度影响较小。 ４ 注浆施工 ４．１ 注浆方法改进 该矿斜坡道探水中揭露的出水点多为延伸距离较 长的裂隙，导水性强，注浆要求是浆液扩散形成的帷幕 可保障巷道安全通过。 普通单液浆在注浆过程中注浆 压力上升缓慢，水泥浆随水流扩散距离较远，而直接采 用双液浆会导致浆液凝固速度过快，达不到理想的扩 散半径。 该矿经过多次试验，最终采用预处理法注浆， 可以提高注浆效率。 所谓预处理法，就是在注浆之前， 先向孔内压注稀释的水玻璃溶液（浓度２０～２５ Ｂｅ），以 提高浆液的可注性，注浆施工的顺序是压水→压稀释 水玻璃→压入不少于水玻璃的水→注浆。 由于水玻璃 注入岩石裂隙后，对裂隙面有极大的润滑作用，能提高 岩层的浆液吸收能力，而后注入的水泥浆在裂隙中与 水玻璃相遇后可加快凝固时间，这样就可将浆液的扩 散半径控制在合理范围，节省注浆量和注浆时间。 实 践证明这种方法可减少注浆量 １／３ 左右，注浆工期也 大大缩短，通过巷道施工揭露裂隙情况来看，封堵效果 较好，单条裂隙渗水量均小于 ０．８ ｍ３／ ｈ。 ４．２ 注浆结束标准 为保证注浆效果，减少注浆量，对注浆结束判断要 遵守以下 ３ 个标准 １） 注浆量结束标准［２］。 根据设计的注浆扩散半 径计算岩体注浆所需浆液总量， 其计算公式为 Ｑ ＝ πＲ２Ｌｎαη 式中 Ｑ 为单孔注浆量，ｍ３；Ｒ 为浆液扩散半径，取 ４ ｍ； Ｌ 为注浆长度，ｍ，根据出水点位置确定；ｎ 为地层裂 隙，取 ２％～４％；α 为浆液在裂隙中充填系数，取 ０．３～ ０．９；η 为浆液消耗率，取 １．１。 ２） 注浆压力结束标准。 注浆压力应克服涌水压 力和地层阻力，根据以往经验，注浆压力应为 Ｐ＝ Ｐ０＋ （２～４）ＭＰａ，其中 Ｐ０为静水压力，该段巷道静水压力 为 １．０ ＭＰａ，注浆终压应大于 ３ ＭＰａ。 所以当注浆压力 达到该值且稳定 ０．５ ｈ 后，即认为注浆压力达到了结 束标准。 ３） 吸浆率结束标准［３］。 当注浆压力达到设计终 压时，单液浆注入量为 ４０～６０ Ｌ／ ｍｉｎ，双液浆注入量为 ６０～１２０ Ｌ／ ｍｉｎ，并且维持注浆终压 １０～１５ ｍｉｎ 即可结 束注浆。 在注浆过程中这 ３ 个标准往往不会同时达到，若 注浆压力和吸浆率达到了结束标准，可以结束注浆。 如果注浆量已经达到标准，注浆压力未达到终压，这时 注浆浆液要改用双液浆，或增加双液浆水玻璃浓度，使 注浆压力达到设计终压，维持稳定后，结束注浆。 ５ 结 语 巷道治水应选择合适的探水注浆设备，由物探手 段辅助，根据围岩地质条件合理布置探水孔，保证钻孔 能够穿过导水裂隙，灵活制定探水方案。在注浆治水 （下转第 ３６ 页） ３３第 ３ 期孟军良等 某矿斜坡道探治水方案研究 增大，剪切应变增量最大值也在逐渐增大，并逐渐趋于 稳定，最大值分布的区域逐渐增大，都集中在坡脚处， 而且剪切应变增量的形状趋于一致。 ３ 结 论 １） 边坡三维方向长度越小，边坡安全系数越大， 随着三维方向长度增大，安全系数逐渐降低并最终趋 于定值。 ２） 当边坡三维方向长度小于边坡高度时，安全系 数下降明显，边坡的三维效应影响明显；当边坡三维方 向长度不小于边坡高度时，安全系数变化不大，边坡的 三维效应影响减弱。 参考文献 ［１］ 何忠明，张 力，王 玲，等． 通平高速公路路堑高边坡稳定性综 合评价［Ｊ］． 矿冶工程，２０１４（１）６－８． ［２］ 郑颖人，赵尚毅． 岩土工程极限分析有限元法及其应用［Ｊ］． 土木 工程学报，２００５，３８（１）９２－１０４． ［３］ 郑颖人，赵尚毅， 张鲁渝． 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施工探孔和注浆过程中要加强施工组织管理，合理安 排平行作业，减少探治水时间。 该矿斜坡道工程通过 采取上述措施，探治水效果良好，缩短了施工工期，施 工安全和进度都得到了保障。 参考文献 ［１］ 王剑峻． 基建矿井巷道施工防探水方案研究［Ｊ］． 中国矿山工程， ２０１４，４３（１）３９－４３． ［２］ 张飞龙，吴国强，孙 波． 井巷过断层注浆堵水技术应用［Ｃ］∥第 七届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集，２０１２６４－７８． ［３］ ＧＢ ５０６５３－２０１１， 有色金属矿山井巷工程施工规范［Ｓ］． 􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎 􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞 􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞 􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞 􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀦞 􀦞 􀦞 􀦞 中国知网版权声明 本刊已许可中国学术期刊（光盘版）电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式 复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。 该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付。 作者向本刊提交 文章发表的行为即视为同意本刊上述声明。 矿冶工程编辑部 ２０１５ 年 ６ 月 ６３矿 冶 工 程第 ３５ 卷