關(guān)虎沖隧道棄渣場(chǎng)灌漿自燃防治技術(shù)

王志愿

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司湖南工程指揮部，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

關(guān)虎沖隧道位于湖南省懷化市辰溪縣境內(nèi)，為雙洞單向四車道交通隧道，設(shè)計(jì)速度:100 km/h，左線全長(zhǎng)4 918 m，右線全長(zhǎng)4 970 m。溆懷高速公路10 合同段關(guān)虎沖隧道棄渣場(chǎng)位于隧道北部，辰溪縣火馬沖鎮(zhèn)境內(nèi)。棄渣場(chǎng)占地54 867 m2，約83 畝，關(guān)虎沖隧道懷化端實(shí)際共產(chǎn)生棄渣481 034 m3，現(xiàn)棄渣場(chǎng)有虛方棄渣約57 萬m3。關(guān)虎沖隧道的部分巖層為含硫的炭質(zhì)頁巖，具有一定的發(fā)熱量，在經(jīng)過一定時(shí)間的低溫氧化后能引起自燃。2013年6 月，7 月份偶見棄渣場(chǎng)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(shí)棄渣表面有溫度升高的現(xiàn)象。

為了治理關(guān)虎沖棄渣場(chǎng)的自燃問題，消除棄渣自燃對(duì)周圍環(huán)境的影響，開展棄渣場(chǎng)自燃防治工作。棄渣場(chǎng)自燃的情況在國(guó)內(nèi)外均非常罕見，但是煤礦的矸石山自燃出現(xiàn)較多，根據(jù)矸石山自燃防治的方法結(jié)合關(guān)虎沖棄渣場(chǎng)自燃的情況，選擇“降溫—滅火—封堵”的灌漿防滅火方法進(jìn)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(fā)火前的預(yù)防措施，也可以作為自燃發(fā)火后的滅火措施。由于其材料的經(jīng)濟(jì)性和操作相對(duì)簡(jiǎn)單，灌漿也成為自燃防治的一個(gè)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(dòng)壓)通過鉆孔或管路送至可能發(fā)生自燃的地點(diǎn)，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(yán)密性，減少漏風(fēng);3)對(duì)于已經(jīng)自熱或自燃的石塊有冷卻散熱作用。注漿的效果及其經(jīng)濟(jì)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(yīng)滿足下列要求:1)加入少量的水就能制成泥漿;2)滲入性強(qiáng);3)盡可能小的收縮量;4)易于脫水;5)不含環(huán)境可燃物和催化劑;6)便于開采、運(yùn)輸和制備［3，4］。為此最好選用含砂量不超過30%的砂質(zhì)粘土，或者脫水性好的砂子和滲入性強(qiáng)的粘土制成，其中砂子含量按體積計(jì)不得超過10%。根據(jù)關(guān)虎沖隧道棄渣場(chǎng)的具體情況，選取棄渣場(chǎng)附近的粘土為主要制備泥漿的固體材料。由于關(guān)虎沖隧道棄渣場(chǎng)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(duì)空氣和土壤的污染，采用石灰乳漿對(duì)其進(jìn)行中和，同時(shí)反應(yīng)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(jié)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(yīng)的生成物數(shù)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(dāng)量增加不到20%，而滅火材料費(fèi)用要增加數(shù)倍以上。和煤矸石不同，根據(jù)關(guān)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(yōu)于矸石山，因此在本設(shè)計(jì)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(biāo)，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(wěn)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(shí)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(shí)造成大量漿液的漏流和浪費(fèi)［5］。漿液的水固比應(yīng)根據(jù)漿液的輸送距離，灌漿方式及灌漿材料和季節(jié)等因素通過試驗(yàn)確定。根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)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(duì)關(guān)虎沖棄渣場(chǎng)南部有黑色硅炭質(zhì)頁巖的區(qū)域進(jìn)行。灌漿分為鉆孔注漿、埋管注漿和灑漿三種方式。針對(duì)關(guān)虎沖隧道棄渣場(chǎng)的實(shí)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(duì)棄渣表面及淺部的煤巖石塊，鉆孔注漿主要針對(duì)棄渣內(nèi)部自燃程度較高的區(qū)域。灑漿之前在棄渣場(chǎng)頂部和側(cè)邊使用袋裝粘土堆0.5 m 左右的圍水帶防止?jié){液沿邊緣流失，同時(shí)還要用木樁對(duì)自燃程度較高的區(qū)域進(jìn)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(chǎng)示意圖

灑漿進(jìn)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(nèi)部對(duì)內(nèi)部進(jìn)行冷卻降溫，同時(shí)石灰水溶液對(duì)內(nèi)部的酸性成分進(jìn)行中和;第二次灑漿采用濃度較大的石灰和粘土混合液進(jìn)行噴灑漫灌，使得棄渣內(nèi)部的孔隙堵塞，隔絕空氣。在進(jìn)行表面噴灑漿液之后再進(jìn)行鉆孔注漿。

4.2 灑漿施工

使用泥漿泵對(duì)棄渣表面及邊坡進(jìn)行漿液噴灑，灑漿過程中應(yīng)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(xiàn)象。當(dāng)漿液滲透速度較快在表面無殘留或有漏漿情況出現(xiàn)，應(yīng)適當(dāng)降低水固比，增加漿液的粘稠度。待表面噴灑初步降溫后進(jìn)行鉆孔注漿。

在粘土袋圍水墻施工完成后，再用粘土堵嚴(yán)其中的孔洞，然后進(jìn)行噴灑作業(yè)。噴灑分兩步進(jìn)行:第一次使用水固比(10∶1)的純石灰溶液進(jìn)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(duì)棄渣頂部和側(cè)邊進(jìn)行噴灑漫灌。在噴灑漫灌施工中采用鉆機(jī)向下施工深1 m、間距1 m 的導(dǎo)流鉆孔，從而使?jié){液更好的滲透至棄渣內(nèi)部。

鉆機(jī)采用ZM-1.8T 煤炭地面鉆機(jī)(見圖2):轉(zhuǎn)速:520 r/min;轉(zhuǎn)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(duì)某區(qū)域進(jìn)行操作連接使用。第一次使用10%石灰乳噴灑后，1 d～2 d 內(nèi)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行第二次灑漿，防止時(shí)間太久，棄渣內(nèi)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(shí)現(xiàn)關(guān)虎沖棄渣場(chǎng)自燃防治與經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)效果，鉆孔注漿主要針對(duì)棄渣場(chǎng)自燃程度較高的區(qū)域。自燃程度較高區(qū)域主要是棄渣表面析出有黃色硫單質(zhì)或有集中煙氣冒出的區(qū)域，尤其是有青煙冒出的區(qū)域。因此在進(jìn)行第一次漿液噴灑前應(yīng)在自燃程度明顯的區(qū)域使用木樁進(jìn)行定位，將木樁插入自燃程度較高區(qū)域的中心位置，以方便注漿鉆孔的實(shí)施。鉆孔用工程鉆機(jī)或電煤鉆完成。為防止鉆孔注漿進(jìn)入棄渣內(nèi)部高溫區(qū)域反應(yīng)過于激烈，鉆孔注漿應(yīng)先從自燃區(qū)域的周圍進(jìn)行施工，再進(jìn)行自燃區(qū)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(qū)域鉆孔間距1 m，在該區(qū)域的周圍鉆孔間距為1 m～2 m，見圖3。

圖2 鉆孔設(shè)備

圖3 棄渣場(chǎng)側(cè)邊進(jìn)行灌漿措施示意圖

5 注意事項(xiàng)

1)施工單位在施工前應(yīng)對(duì)施工人員進(jìn)行相應(yīng)的安全及操作培訓(xùn)工作，同時(shí)制定現(xiàn)場(chǎng)安全文明施工措施并嚴(yán)格執(zhí)行;2)由于棄渣場(chǎng)西邊有當(dāng)?shù)夭墒瘓?chǎng)的炸藥庫，因此在灌漿過程中應(yīng)注意消防安全，同時(shí)安排灌漿施工先從離炸藥庫距離近的區(qū)域開始，從而對(duì)棄渣場(chǎng)其他區(qū)域形成更遠(yuǎn)的保護(hù)距離;3)由于棄渣場(chǎng)自燃釋放CO 和SO2等有毒有害氣體，施工時(shí)應(yīng)做好施工人員的安全防護(hù)工作，配備必要的防護(hù)用品，同時(shí)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(nèi)排土場(chǎng)防滅火技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.煤礦安全，2002，33(7) :33-34.

［2］楊懷玉，張青松.注漿滅火技術(shù)在內(nèi)排土場(chǎng)防滅火中的應(yīng)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(xué)技術(shù)，1991，7(30) :22-27.

［4］王 砂.內(nèi)蒙古土石山區(qū)高速公路水土保持研究［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2013.

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