關虎沖隧道棄渣場灌漿自燃防治技術

王志愿

(中鐵二十局集團有限公司湖南工程指揮部，湖南 長沙 410007)

0 引言

關虎沖隧道位于湖南省懷化市辰溪縣境內，為雙洞單向四車道交通隧道，設計速度:100 km/h，左線全長4 918 m，右線全長4 970 m。溆懷高速公路10 合同段關虎沖隧道棄渣場位于隧道北部，辰溪縣火馬沖鎮境內。棄渣場占地54 867 m2，約83 畝，關虎沖隧道懷化端實際共產生棄渣481 034 m3，現棄渣場有虛方棄渣約57 萬m3。關虎沖隧道的部分巖層為含硫的炭質頁巖，具有一定的發熱量，在經過一定時間的低溫氧化后能引起自燃。2013年6 月，7 月份偶見棄渣場有煙霧，10 月份后棄渣煙霧有所增加，尤其是在下雨過后，煙霧更多，同時棄渣表面有溫度升高的現象。

為了治理關虎沖棄渣場的自燃問題，消除棄渣自燃對周圍環境的影響，開展棄渣場自燃防治工作。棄渣場自燃的情況在國內外均非常罕見，但是煤礦的矸石山自燃出現較多，根據矸石山自燃防治的方法結合關虎沖棄渣場自燃的情況，選擇“降溫—滅火—封堵”的灌漿防滅火方法進行自燃防治。

1 灌漿基本情況

灌漿可以用于煤巖、棄渣自燃發火前的預防措施，也可以作為自燃發火后的滅火措施。由于其材料的經濟性和操作相對簡單，灌漿也成為自燃防治的一個主要手段［1，2］。灌漿就是將水和不燃性固體材料(粘土、石灰、粉煤灰等)按一定比例制成泥漿，利用高度差(靜壓)或者泥漿泵(動壓)通過鉆孔或管路送至可能發生自燃的地點，泥漿中的固體物沉淀下來，部分水排出。泥漿的作用是:1)將自燃的石塊包裹起來，隔絕它與空氣的接觸;2)固體物充填于石塊縫隙之間，從而增加嚴密性，減少漏風;3)對于已經自熱或自燃的石塊有冷卻散熱作用。注漿的效果及其經濟性，在很大程度上決定于泥漿材料的選擇、制備、輸送和注漿方法。

2 泥漿固體材料的選擇

用于制備泥漿的固體材料應滿足下列要求:1)加入少量的水就能制成泥漿;2)滲入性強;3)盡可能小的收縮量;4)易于脫水;5)不含環境可燃物和催化劑;6)便于開采、運輸和制備［3，4］。為此最好選用含砂量不超過30%的砂質粘土，或者脫水性好的砂子和滲入性強的粘土制成，其中砂子含量按體積計不得超過10%。根據關虎沖隧道棄渣場的具體情況，選取棄渣場附近的粘土為主要制備泥漿的固體材料。由于關虎沖隧道棄渣場巖塊中含有硫、煤等成分，燃燒生成SO2和CO2等酸性氣體，為了防止其對空氣和土壤的污染，采用石灰乳漿對其進行中和，同時反應生成CaSO4，也起到固硫的作用。石灰乳漿和粘土混合還可以增加粘土的粘結性。

此前在煤矸石自燃的防治灌漿過程中，在滅火漿液中添加了低濃度的NaOH，它和CO2與SO2等氣體反應的生成物數量甚小，難以起到隔氧的作用。在濃度為10%的石灰乳中，添加2%的NaOH，堿當量增加不到20%，而滅火材料費用要增加數倍以上。和煤矸石不同，根據關虎沖隧道棄渣的顆粒塊度情況來看，棄渣顆粒塊度較為一致，在同等堆積條件下，棄渣的孔隙率要大于煤矸石。因此其滲透效果和自燃防治措施效果要優于矸石山，因此在本設計中采用的石灰乳漿不添加NaOH。

3 漿液的水固比選擇

漿液的水固比是反映漿液濃度的指標，是指漿液中水與固體漿材的體積之比。水固比的大小影響著注漿的效果和漿液的輸送。漿液的水固比越小，則漿液濃度越大，其粘度、穩定性和致密性也越大，包裹遺煤隔離氧氣的效果也越好，但同時流散范圍也越小，輸漿管路容易堵塞;水固比大，則輸送相同體積的土所用的水量大，包裹和隔絕效果較差，同時造成大量漿液的漏流和浪費［5］。漿液的水固比應根據漿液的輸送距離，灌漿方式及灌漿材料和季節等因素通過試驗確定。根據本項目的實際情況進行分類，見表1。

4 棄渣自燃灌漿防滅火施工

4.1 灌漿防滅火方法

灌漿防滅火措施主要針對關虎沖棄渣場南部有黑色硅炭質頁巖的區域進行。灌漿分為鉆孔注漿、埋管注漿和灑漿三種方式。針對關虎沖隧道棄渣場的實際情況，灌漿方法采用灑漿和鉆孔注漿兩種方式。灑漿主要針對棄渣表面及淺部的煤巖石塊，鉆孔注漿主要針對棄渣內部自燃程度較高的區域。灑漿之前在棄渣場頂部和側邊使用袋裝粘土堆0.5 m 左右的圍水帶防止漿液沿邊緣流失，同時還要用木樁對自燃程度較高的區域進行定位，方便鉆孔注漿施工，見圖1。

表1 漿液配比

圖1 棄渣場示意圖

灑漿進行兩次，第一次噴灑采用濃度較小的石灰漿液，主要目的是為了讓漿液能夠滲透入棄渣內部對內部進行冷卻降溫，同時石灰水溶液對內部的酸性成分進行中和;第二次灑漿采用濃度較大的石灰和粘土混合液進行噴灑漫灌，使得棄渣內部的孔隙堵塞，隔絕空氣。在進行表面噴灑漿液之后再進行鉆孔注漿。

4.2 灑漿施工

使用泥漿泵對棄渣表面及邊坡進行漿液噴灑，灑漿過程中應留意漿液滲透、煙氣溫度變化等情況。漿液滲透主要看漿液滲透速度以及邊坡有無漏漿現象。當漿液滲透速度較快在表面無殘留或有漏漿情況出現，應適當降低水固比，增加漿液的粘稠度。待表面噴灑初步降溫后進行鉆孔注漿。

在粘土袋圍水墻施工完成后，再用粘土堵嚴其中的孔洞，然后進行噴灑作業。噴灑分兩步進行:第一次使用水固比(10∶1)的純石灰溶液進行大面積噴灑。第二次噴灑采用濃度較大的石灰和粘土混合液(水固比見表1)，對棄渣頂部和側邊進行噴灑漫灌。在噴灑漫灌施工中采用鉆機向下施工深1 m、間距1 m 的導流鉆孔，從而使漿液更好的滲透至棄渣內部。

鉆機采用ZM-1.8T 煤炭地面鉆機(見圖2):轉速:520 r/min;轉矩:28 N·m;孔徑:38 mm～45 mm;功率:1.8 kW;電壓:380 V;電流:4.5 A。灑漿施工的兩步措施在對某區域進行操作連接使用。第一次使用10%石灰乳噴灑后，1 d～2 d 內對該區域進行第二次灑漿，防止時間太久，棄渣內部冷卻的巖石又開始自燃，降低自燃防治的效果。

4.3 鉆孔注漿施工

為了實現關虎沖棄渣場自燃防治與經濟性的最優效果，鉆孔注漿主要針對棄渣場自燃程度較高的區域。自燃程度較高區域主要是棄渣表面析出有黃色硫單質或有集中煙氣冒出的區域，尤其是有青煙冒出的區域。因此在進行第一次漿液噴灑前應在自燃程度明顯的區域使用木樁進行定位，將木樁插入自燃程度較高區域的中心位置，以方便注漿鉆孔的實施。鉆孔用工程鉆機或電煤鉆完成。為防止鉆孔注漿進入棄渣內部高溫區域反應過于激烈，鉆孔注漿應先從自燃區域的周圍進行施工，再進行自燃區域中心的鉆孔注漿。鉆孔注漿鉆孔深度1.8 m 左右，鉆孔施工完成后鉆具可兼作注漿管。在自燃程度較高區域鉆孔間距1 m，在該區域的周圍鉆孔間距為1 m～2 m，見圖3。

圖2 鉆孔設備

圖3 棄渣場側邊進行灌漿措施示意圖

5 注意事項

1)施工單位在施工前應對施工人員進行相應的安全及操作培訓工作，同時制定現場安全文明施工措施并嚴格執行;2)由于棄渣場西邊有當地采石場的炸藥庫，因此在灌漿過程中應注意消防安全，同時安排灌漿施工先從離炸藥庫距離近的區域開始，從而對棄渣場其他區域形成更遠的保護距離;3)由于棄渣場自燃釋放CO 和SO2等有毒有害氣體，施工時應做好施工人員的安全防護工作，配備必要的防護用品，同時盡量避免在有毒煙氣中停留。

［1］楊占軍，肖 平.撫順西露天礦內排土場防滅火技術的研究及應用［J］.煤礦安全，2002，33(7) :33-34.

［2］楊懷玉，張青松.注漿滅火技術在內排土場防滅火中的應用［J］.煤礦安全，2013，39(11) :100-102.

［3］王昭旅.粉煤灰注漿防滅火［J］.煤炭科學技術，1991，7(30) :22-27.

［4］王 砂.內蒙古土石山區高速公路水土保持研究［D］.北京:北京林業大學，2013.

［5］孫寶杰.注漿防滅火技術規范不合理性分析［J］.露天采煤技術，2002(4) :19-20.