鐵路隧道壁后煤層自燃滅火關(guān)鍵技術(shù)研究

段春生

(山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 034000)

0 引 言

陰塔至火山鐵路專用線火山隧道(以下簡稱“火山隧道”)位于山西省忻州市河曲縣境內(nèi)的黃河?xùn)|岸階地上，設(shè)計(jì)起訖里程DK27+709段～DK28+416段，全長707 m，最大埋深95 m。隧址區(qū)西臨黃河和S249省道韓河線40～300 m，東臨貓兒溝露天煤礦約700 m，北側(cè)距火山村約900 m，南側(cè)距陽元頭村和貓兒溝露天煤礦排土場約1 200 m?；鹕剿淼乐胁康墓盎€以上，穿越了河?xùn)|煤田河曲礦區(qū)的8#煤層及小煤礦部分巷道(這一區(qū)域的8#煤層厚6～10 m)，該段階地不發(fā)育，溝壑發(fā)育，多呈“V”型，基巖裸露，巖體破碎，相對(duì)高差393 m，地勢總體為北高南低、東高西低，海拔高度在847.30～1 056.70 m，屬中低山區(qū)。由于隧址區(qū)附近有貓兒溝露天煤礦、沙灣煤礦，以及眾多私采小煤窯形成的采空區(qū)，地下煤層自燃等影響顯著。

2021年11月，火山隧道病害整治隊(duì)伍在隧道DK28+089段～DK28+139段施工鉆孔時(shí)，發(fā)現(xiàn)該處襯砌出現(xiàn)明顯病害，孔內(nèi)有明火噴出，進(jìn)一步探測后發(fā)現(xiàn)隧道入口380～430 m處均存在異常高溫段，且地表裂縫發(fā)育并伴有煙氣冒出，明顯的著火區(qū)距離隧道發(fā)火段直線距離141 m。

為有效防控復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)小煤礦火勢蔓延對(duì)鐵路隧道結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成的嚴(yán)重威脅，制定了以施工地面措施孔充填礦用大骨料隔離材料構(gòu)筑隧道隔離條帶為主的火區(qū)治理方案，提出了鐵路隧道壁后煤層自燃滅火關(guān)鍵技術(shù)工藝，為類似地質(zhì)條件下隧道火災(zāi)防治提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒與技術(shù)支持。

1 隧道自燃發(fā)火原因分析

1.1 地質(zhì)原因

火山隧道隧址區(qū)內(nèi)基巖出露，區(qū)內(nèi)賦存地層由新至老主要為第四系、第三系、三疊系、二疊系、石炭系和奧陶系。隧道洞身穿越的地層主要為上古生界石炭系上統(tǒng)太原組煤系地層，二疊系下統(tǒng)山西組砂頁巖煤系地層及下石盒子組，新生界第四系松散堆積物，隧洞通過砂巖、泥巖、泥巖夾煤層，泥質(zhì)頁巖、煤層、黃土等。

火山隧道隧址區(qū)域處于強(qiáng)烈隆起斷、褶構(gòu)造區(qū)外圍，即晉西平緩隆起拱形構(gòu)造區(qū)，受黃河所形成的構(gòu)造體系影響，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺、斷層發(fā)育。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造總體為單斜構(gòu)造，地層走向?yàn)镹NE-NE，各地層厚薄不均且產(chǎn)狀平緩，傾角1°～2°，西部傾角較東部傾角略大。煤層屬河?xùn)|煤田埋深較淺，自上而下主要為8#煤層、9#煤層、11#煤層、12#煤層和13#煤層，共5個(gè)可采煤層。

1.2 采空區(qū)分布

隧道隧址區(qū)小煤礦采空區(qū)眾多，均為巷柱式開采，多處穿過煤層和老窯采空區(qū)及運(yùn)輸巷道，穿越煤層厚6～10 m，位于隧道拱部附近，周圍有采空區(qū)分布。根據(jù)現(xiàn)有資料查實(shí)，火山隧道壁后基本情況如下所述。

1) DK27+825段～DK27+904.7段采空區(qū)底板位于隧道起拱線兩側(cè)1 m以上，采空區(qū)高3～5 m，寬10～30 m；施工期間在隧道拱圈兩側(cè)設(shè)置漿砌片石石墻，拱頂空洞采用干砌片石回填，采空巷道用漿砌片石封堵，其余采空區(qū)域未作處理。

2) DK28+145.5段～DK28+216段揭露四條巷道和一處采空區(qū)，隧道與主巷道基本正交，與其余三條斜交，其中兩條巷道因煤層滑動(dòng)封閉，另兩條巷道正在開采，采空區(qū)及巷道具體位置和規(guī)模不詳。 施工期間在隧道拱圈兩側(cè)外0.5 m處設(shè)置頂寬2.0 m，底寬2.0 m的漿砌片石石墻，拱圈上部空洞回填1.0 m厚干砌片石及2.0 m厚棄渣，其余采空區(qū)域未作處理。

3) DK28+029段處存在一處采空區(qū)，情況不詳，施工期間未做處理。

4) DK28+244段處邊墻開挖施工時(shí)，揭露煤層距拱頂約0.5 m，爆破開挖時(shí)震塌頂部而揭露采空區(qū)，施工期間未做處理。

1.3 地表裂縫

1) 1995年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧址區(qū)共有7條地面裂縫，最大縫寬10 cm，最長約150 m。

2) 2004年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地表裂縫最大縫寬40 cm，裂縫相互交錯(cuò)，出露巖石被切成塊狀，地表形成長約80 m、寬約20 m的塌陷盆地，最大塌陷深度約0.5 m。

3) 2013年地表裂縫最大縫寬40～60 cm，裂縫相互交錯(cuò)，把巖石切成塊狀，形成不穩(wěn)定巖體，在地表形成長約80 m、寬約20 m的塌陷盆地，最大塌陷深度約1.0 m。

4) 2020年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地表裂縫最大縫寬超過約1.0 m，裂縫相互交錯(cuò)，出露巖石被切成塊狀。

5) 隧址區(qū)附近露天煤礦采用爆破開采工藝，進(jìn)一步加劇隧道地表裂縫增多，裂隙發(fā)育。

2 隧道襯砌外隱蔽火源探測

2.1 溫度檢測法

利用礦用本安型紅外熱成像儀[1-2](型號(hào)為YRH700)對(duì)隧道襯砌表面溫度進(jìn)行掃描，初步圈定高溫異常區(qū)域，紅外熱成像掃描部分圖像如圖1所示。

圖1 部分區(qū)域紅外熱成像掃描圖片F(xiàn)ig.1 Infrared thermal imaging scan pictures of some area

圖2為火山隧道病害地段襯砌表面溫度測量數(shù)據(jù)用溫度分布圖。由圖2可知，高溫區(qū)域集中在400～425 m之間，405 m測點(diǎn)附近溫度高達(dá)82.6 ℃，初步圈定了隧道高溫異常區(qū)段范圍。

圖2 測點(diǎn)溫度分布圖Fig.2 Temperature distribution of measuring points

同時(shí)，在襯砌內(nèi)部10 cm深處沿隧道走向方向均勻安設(shè)溫度傳感器(安設(shè)區(qū)間范圍為300～450 m，每處溫度傳感器間隔5 m)，以便準(zhǔn)確掌握襯砌溫度的動(dòng)態(tài)變化過程。溫度監(jiān)測結(jié)果表明，一方面火山隧道403～415 m段火情得到遏制；另一方面，外圍隱蔽火源有逐步向420 m走向位置以外延伸、蔓延趨勢。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測法

為配合后續(xù)注漿充填，輔助地面鉆孔布置，采取地質(zhì)雷達(dá)法[3-5]對(duì)隧道襯砌左幫、右?guī)?～5 m范圍內(nèi)的空洞分別進(jìn)行了探測，探測范圍覆蓋隧道走向370～425 m區(qū)段。探測結(jié)果顯示，370～425 m段襯砌左幫、右?guī)? m范圍內(nèi)存在大量體積不一的小窯開采破壞區(qū)或火燒空洞區(qū)，為后續(xù)地面鉆孔針對(duì)性布置提供了技術(shù)支撐。

2.3 鉆探法

采取鉆探法[6-7]對(duì)前期隧道襯砌表面溫度掃描、地質(zhì)雷達(dá)空區(qū)探測進(jìn)行了驗(yàn)證。累計(jì)施工各類地面鉆孔42個(gè)(觀測孔兼做后續(xù)注漿孔)，其中實(shí)體孔8個(gè)，其余均見空或見充填材料，累計(jì)進(jìn)尺3 359 m。鉆孔施工過程如圖3所示，通過在鉆探孔中安裝熱敏電阻測溫導(dǎo)線，得到鉆探孔終孔溫度，鉆探結(jié)果表明，沿隧道走向390～430 m之間的區(qū)域鉆探孔溫度較高。

圖3 鉆孔施工過程Fig.3 Drilling construction process

3 隔離條帶構(gòu)筑與現(xiàn)場施工過程

3.1 總體技術(shù)方案

結(jié)合河?xùn)|煤田煤層埋藏賦存淺、局部強(qiáng)隆起斷褶構(gòu)造區(qū)地質(zhì)特征與鐵路隧道結(jié)構(gòu)安全的特殊要求，火區(qū)治理堅(jiān)持“以液氮為掩護(hù)，以加密布置地面措施孔與高強(qiáng)度注漿充填為主，以隔離火區(qū)為目的”的技術(shù)原則。

2021年12月04日—2022年01月25日，火山隧道火區(qū)治理經(jīng)歷初期地面液氮直注、中期邊注漿隔離邊液氮直注掩護(hù)、后期強(qiáng)化注漿等過程，在此期間累計(jì)注液氮3 219.925 t，累計(jì)注漿液672.6 t。

3.2 礦用大骨料充填材料性能檢測

實(shí)驗(yàn)裝置由加熱器、罐體、溫度傳感器、氣體采集器組成[8-11]，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)方法如下所述。

1) 選用火山隧道附近礦區(qū)煤樣，經(jīng)破碎篩分得到粒徑為0.6～1.0 cm煤樣。

2) 稱取800 g煤樣放入煤樣罐中(煤樣罐頂部鉆有直徑約為5 mm的孔洞)，借助于煤樣罐頂部孔洞實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場地表漏風(fēng)條件的模擬，使用抽氣泵對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中煤樣罐內(nèi)氣體進(jìn)行采集，采氣口位于煤樣罐頂部，通過加熱器加熱1 h(煤樣溫度達(dá)到350 ℃)，將水、硅酸鈉、聚合物凝膠、新型大骨料固化充填隔離材料分四組實(shí)驗(yàn)投入加熱后的煤樣中，用溫度計(jì)記錄罐體內(nèi)部溫度，并用氣相色譜法提取氣體分析組分。

3) 取氣并在加入滅火劑后0 min、2 min、4 min、6 min、8 min、10 min、15 min、20 min、30 min與60 min記錄煤內(nèi)溫度。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental setup

在各組實(shí)驗(yàn)初期階段，煤樣中加入水或聚合物凝膠后，溫度下降最快，隨后注水煤樣溫度下降速率減慢。分析可知，水的滲透性優(yōu)于其他三種防滅火材料，可迅速滲入煤樣粒徑間縫隙中，對(duì)煤樣進(jìn)行冷卻，并蒸發(fā)吸熱。注水煤樣在中期及后期的降溫過程中主要依靠水分的蒸發(fā)，同時(shí)，煤樣繼續(xù)氧化放熱，所以溫度下降速率減慢。其他三種防滅火材料在滅火進(jìn)程中，逐漸滲入煤樣粒徑縫隙，對(duì)煤樣粒徑進(jìn)行包裹，起到隔絕氧氣的效果，抑制煤樣氧化的作用。礦用大骨料在持水性能方面優(yōu)于另外兩種材料，初始游離水含量低，煤樣初始溫度下降速率較低；當(dāng)?shù)竭_(dá)10 min后，注入新型大骨料的煤樣溫度下降速率最大，其次是硅酸鈉、聚合物凝膠，這與防滅火材料的抑制煤樣氧化性能有關(guān)。新型大骨料在10 min后能夠有效地包裹煤樣顆粒，使其與氧氣隔絕，并能吸熱降溫，同時(shí)降低煤分子表面活性，在防火降溫性能方面，優(yōu)于另外兩種材料。

圖5為CO濃度隨時(shí)間變化圖，圖6為煤樣溫度隨時(shí)間變化圖。由圖5和圖6可知，使用礦用大骨料注入煤樣后，CO濃度下降速率明顯高于其他材料，而在煤樣中注入水時(shí)，CO濃度初期下降很快，然后下降速率大幅減慢，礦用大骨料對(duì)降低煤體CO析出最有效，說明其防火滅火性能最好，能較好地抑制煤與氧氣的復(fù)合，同時(shí)結(jié)合該材料自身凝結(jié)后具備1.5 MPa的抗壓強(qiáng)度，對(duì)于火山隧道充填隔離具有較強(qiáng)的適用性。

圖5 CO濃度隨時(shí)間變化Fig.5 Variation of CO concentration with time

圖6 煤樣溫度隨時(shí)間變化Fig.6 Temperature variation with time

通過上述實(shí)驗(yàn)可知，本次防滅火使用的礦用無機(jī)堆積隔離充填材料具有堿度低、耐酸耐腐蝕、早期強(qiáng)度高、體積微膨脹等特性，并具有穩(wěn)定性好、滲透性強(qiáng)、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、黏結(jié)性好、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。使用后既能起到降溫封堵裂隙，又快速黏結(jié)加固地層，同時(shí)還不會(huì)增加隧道載重負(fù)荷。

3.3 隔離條帶構(gòu)筑與現(xiàn)場施工

整套注漿系統(tǒng)由3臺(tái)雙液液壓泵(兩用一備)、攪拌桶(4個(gè))、柴油發(fā)電機(jī)3臺(tái)(兩用一備)、鍋爐2臺(tái)(用于冬季施工水加熱用途)及供水車若干臺(tái)等組成。截至1月25日，累計(jì)充填礦用大骨料無機(jī)充填材料672 t，形成充填體積約3 024 m3，初步構(gòu)筑了403～415 m間隧道中心線3 m左右隔離條帶。各孔注漿量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 鉆孔注漿統(tǒng)列表Table 1 List of drilling grouting systems

4 效果檢驗(yàn)

4.1 溫度

通過階段性高強(qiáng)度注漿充填，隧道襯砌表面溫度基本穩(wěn)定在33 ℃以下，初步控制了火情，隔離了襯砌外明火，通過注漿穩(wěn)定隧道近距離周邊煤巖體結(jié)構(gòu)，隧道表面溫度變化情況如圖7～圖9所示。

圖7 拱頂測點(diǎn)溫度隨天數(shù)變化Fig.7 Dome measuring point temperature

圖8 左側(cè)5 m測點(diǎn)溫度隨天數(shù)變化Fig.8 Temperature of 5 m measuring pointon the left side of the vault

圖9 右側(cè)5 m測點(diǎn)溫度隨天數(shù)變化Fig.9 Temperature of 5 m measuring pointon the right side of the vault

4.2 氣體

截至2022年1月25日，通過地面觀測孔取樣化驗(yàn)，隧道周圍火區(qū)內(nèi)CO氣體最高濃度降至9 ppm，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 地面觀測孔取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Sampling and testing data of ground observation holes

5 結(jié) 論

經(jīng)治理，隧道周邊火區(qū)火勢最終得到控制，隧道內(nèi)襯砌溫度明顯下降并維持在穩(wěn)定區(qū)域，治理效果顯著，為下一步隧道病害加固治理及后期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為類似條件(鐵路隧道穿煤層采空區(qū))火災(zāi)治理提供了成功的滅火治理經(jīng)驗(yàn)。

1) 火山隧道重點(diǎn)治理的403～415 m區(qū)段，襯砌表面溫度穩(wěn)定在33 ℃以下，鉆孔CO氣體檢測濃度最低降至9 ppm，從總體上看，火情得到了有效遏制。

2) 現(xiàn)場應(yīng)用表明，礦用大骨料無機(jī)充填材料對(duì)于強(qiáng)隆起斷褶構(gòu)造區(qū)鐵路隧道滅火是適用的，具有較強(qiáng)的示范意義。

3) 地表裂縫回填封堵是治理火災(zāi)的基礎(chǔ)工作，對(duì)隧道的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響深遠(yuǎn)，需長期堅(jiān)持。

4) 隧道建設(shè)單位應(yīng)吸取本次事故教訓(xùn)，強(qiáng)化隧道壁后充填封堵密實(shí)工作，不留空隙，保證隧道整體安全。