鐵路隧道壁后煤層自燃滅火關鍵技術研究

2022-08-16 03:31:06段春生

中國礦業 2022年8期

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的黃河東岸階地上，設計起訖里程DK27+709段～DK28+416段，全長707 m，最大埋深95 m。隧址區西臨黃河和S249省道韓河線40～300 m，東臨貓兒溝露天煤礦約700 m，北側距火山村約900 m，南側距陽元頭村和貓兒溝露天煤礦排土場約1 200 m。火山隧道中部的拱基線以上，穿越了河東煤田河曲礦區的8#煤層及小煤礦部分巷道(這一區域的8#煤層厚6～10 m)，該段階地不發育，溝壑發育，多呈“V”型，基巖裸露，巖體破碎，相對高差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。由于隧址區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，地下煤層自燃等影響顯著。

2021年11月，火山隧道病害整治隊伍在隧道DK28+089段～DK28+139段施工鉆孔時，發現該處襯砌出現明顯病害，孔內有明火噴出，進一步探測后發現隧道入口380～430 m處均存在異常高溫段，且地表裂縫發育并伴有煙氣冒出，明顯的著火區距離隧道發火段直線距離141 m。

為有效防控復雜地質構造區小煤礦火勢蔓延對鐵路隧道結構安全構成的嚴重威脅，制定了以施工地面措施孔充填礦用大骨料隔離材料構筑隧道隔離條帶為主的火區治理方案，提出了鐵路隧道壁后煤層自燃滅火關鍵技術工藝，為類似地質條件下隧道火災防治提供了經驗借鑒與技術支持。

1 隧道自燃發火原因分析

1.1 地質原因

火山隧道隧址區內基巖出露，區內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太原組煤系地層，二疊系下統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，泥質頁巖、煤層、黃土等。

火山隧道隧址區域處于強烈隆起斷、褶構造區外圍，即晉西平緩隆起拱形構造區，受黃河所形成的構造體系影響，區域地質構造復雜，褶皺、斷層發育。隧址區地質構造總體為單斜構造，地層走向為NNE-NE，各地層厚薄不均且產狀平緩，傾角1°～2°，西部傾角較東部傾角略大。煤層屬河東煤田埋深較淺，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個可采煤層。

1.2 采空區分布

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

1) DK27+825段～DK27+904.7段采空區底板位于隧道起拱線兩側1 m以上，采空區高3～5 m，寬10～30 m；施工期間在隧道拱圈兩側設置漿砌片石石墻，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，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封閉，另兩條巷道正在開采，采空區及巷道具體位置和規模不詳。施工期間在隧道拱圈兩側外0.5 m處設置頂寬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，其余采空區域未作處理。

3) DK28+029段處存在一處采空區，情況不詳，施工期間未做處理。

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

1.3 地表裂縫

1) 1995年調查發現，隧址區共有7條地面裂縫，最大縫寬10 cm，最長約150 m。

2) 2004年調查發現，地表裂縫最大縫寬40 cm，裂縫相互交錯，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，把巖石切成塊狀，形成不穩定巖體，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年調查發現，地表裂縫最大縫寬超過約1.0 m，裂縫相互交錯，出露巖石被切成塊狀。

5) 隧址區附近露天煤礦采用爆破開采工藝，進一步加劇隧道地表裂縫增多，裂隙發育。

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](型號為YRH700)對隧道襯砌表面溫度進行掃描，初步圈定高溫異常區域，紅外熱成像掃描部分圖像如圖1所示。

圖1 部分區域紅外熱成像掃描圖片Fig.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據用溫度分布圖。由圖2可知，高溫區域集中在400～425 m之間，405 m測點附近溫度高達82.6 ℃，初步圈定了隧道高溫異常區段范圍。

圖2 測點溫度分布圖Fig.2 Temperature distribution of measuring points

同時，在襯砌內部10 cm深處沿隧道走向方向均勻安設溫度傳感器(安設區間范圍為300～450 m，每處溫度傳感器間隔5 m)，以便準確掌握襯砌溫度的動態變化過程。溫度監測結果表明，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 地質雷達探測法

為配合后續注漿充填，輔助地面鉆孔布置，采取地質雷達法[3-5]對隧道襯砌左幫、右幫3～5 m范圍內的空洞分別進行了探測，探測范圍覆蓋隧道走向370～425 m區段。探測結果顯示，370～425 m段襯砌左幫、右幫5 m范圍內存在大量體積不一的小窯開采破壞區或火燒空洞區，為后續地面鉆孔針對性布置提供了技術支撐。

2.3 鉆探法

采取鉆探法[6-7]對前期隧道襯砌表面溫度掃描、地質雷達空區探測進行了驗證。累計施工各類地面鉆孔42個(觀測孔兼做后續注漿孔)，其中實體孔8個，其余均見空或見充填材料，累計進尺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線，得到鉆探孔終孔溫度，鉆探結果表明，沿隧道走向390～430 m之間的區域鉆探孔溫度較高。

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

3 隔離條帶構筑與現場施工過程

3.1 總體技術方案

結合河東煤田煤層埋藏賦存淺、局部強隆起斷褶構造區地質特征與鐵路隧道結構安全的特殊要求，火區治理堅持“以液氮為掩護，以加密布置地面措施孔與高強度注漿充填為主，以隔離火區為目的”的技術原則。

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

3.2 礦用大骨料充填材料性能檢測

實驗裝置由加熱器、罐體、溫度傳感器、氣體采集器組成[8-11]，如圖4所示。實驗方法如下所述。

1) 選用火山隧道附近礦區煤樣，經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現對現場地表漏風條件的模擬，使用抽氣泵對實驗過程中煤樣罐內氣體進行采集，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驗投入加熱后的煤樣中，用溫度計記錄罐體內部溫度，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記錄煤內溫度。

圖4 實驗裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental setup

在各組實驗初期階段，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，水的滲透性優于其他三種防滅火材料，可迅速滲入煤樣粒徑間縫隙中，對煤樣進行冷卻，并蒸發吸熱。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，同時，煤樣繼續氧化放熱，所以溫度下降速率減慢。其他三種防滅火材料在滅火進程中，逐漸滲入煤樣粒徑縫隙，對煤樣粒徑進行包裹，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；當到達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。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，同時降低煤分子表面活性，在防火降溫性能方面，優于另外兩種材料。

圖5為CO濃度隨時間變化圖，圖6為煤樣溫度隨時間變化圖。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，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合，同時結合該材料自身凝結后具備1.5 MPa的抗壓強度，對于火山隧道充填隔離具有較強的適用性。

圖5 CO濃度隨時間變化Fig.5 Variation of CO concentration with time

圖6 煤樣溫度隨時間變化Fig.6 Temperature variation with time

通過上述實驗可知，本次防滅火使用的礦用無機堆積隔離充填材料具有堿度低、耐酸耐腐蝕、早期強度高、體積微膨脹等特性，并具有穩定性好、滲透性強、凝結時間可調、黏結性好、抗壓強度高等優點。使用后既能起到降溫封堵裂隙，又快速黏結加固地層，同時還不會增加隧道載重負荷。

3.3 隔離條帶構筑與現場施工

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