关虎冲隧道弃渣场灌浆自燃防治技术

王志愿

(中铁二十局集团有限公司湖南工程指挥部，湖南 长沙 410007)

0 引言

关虎冲隧道位于湖南省怀化市辰溪县境内，为双洞单向四车道交通隧道，设计速度:100 km/h，左线全长4 918 m，右线全长4 970 m。溆怀高速公路10 合同段关虎冲隧道弃渣场位于隧道北部，辰溪县火马冲镇境内。弃渣场占地54 867 m2，约83 亩，关虎冲隧道怀化端实际共产生弃渣481 034 m3，现弃渣场有虚方弃渣约57 万m3。关虎冲隧道的部分岩层为含硫的炭质页岩，具有一定的发热量，在经过一定时间的低温氧化后能引起自燃。2013年6 月，7 月份偶见弃渣场有烟雾，10 月份后弃渣烟雾有所增加，尤其是在下雨过后，烟雾更多，同时弃渣表面有温度升高的现象。

为了治理关虎冲弃渣场的自燃问题，消除弃渣自燃对周围环境的影响，开展弃渣场自燃防治工作。弃渣场自燃的情况在国内外均非常罕见，但是煤矿的矸石山自燃出现较多，根据矸石山自燃防治的方法结合关虎冲弃渣场自燃的情况，选择“降温—灭火—封堵”的灌浆防灭火方法进行自燃防治。

1 灌浆基本情况

灌浆可以用于煤岩、弃渣自燃发火前的预防措施，也可以作为自燃发火后的灭火措施。由于其材料的经济性和操作相对简单，灌浆也成为自燃防治的一个主要手段［1，2］。灌浆就是将水和不燃性固体材料(粘土、石灰、粉煤灰等)按一定比例制成泥浆，利用高度差(静压)或者泥浆泵(动压)通过钻孔或管路送至可能发生自燃的地点，泥浆中的固体物沉淀下来，部分水排出。泥浆的作用是:1)将自燃的石块包裹起来，隔绝它与空气的接触;2)固体物充填于石块缝隙之间，从而增加严密性，减少漏风;3)对于已经自热或自燃的石块有冷却散热作用。注浆的效果及其经济性，在很大程度上决定于泥浆材料的选择、制备、输送和注浆方法。

2 泥浆固体材料的选择

用于制备泥浆的固体材料应满足下列要求:1)加入少量的水就能制成泥浆;2)渗入性强;3)尽可能小的收缩量;4)易于脱水;5)不含环境可燃物和催化剂;6)便于开采、运输和制备［3，4］。为此最好选用含砂量不超过30%的砂质粘土，或者脱水性好的砂子和渗入性强的粘土制成，其中砂子含量按体积计不得超过10%。根据关虎冲隧道弃渣场的具体情况，选取弃渣场附近的粘土为主要制备泥浆的固体材料。由于关虎冲隧道弃渣场岩块中含有硫、煤等成分，燃烧生成SO2和CO2等酸性气体，为了防止其对空气和土壤的污染，采用石灰乳浆对其进行中和，同时反应生成CaSO4，也起到固硫的作用。石灰乳浆和粘土混合还可以增加粘土的粘结性。

此前在煤矸石自燃的防治灌浆过程中，在灭火浆液中添加了低浓度的NaOH，它和CO2与SO2等气体反应的生成物数量甚小，难以起到隔氧的作用。在浓度为10%的石灰乳中，添加2%的NaOH，碱当量增加不到20%，而灭火材料费用要增加数倍以上。和煤矸石不同，根据关虎冲隧道弃渣的颗粒块度情况来看，弃渣颗粒块度较为一致，在同等堆积条件下，弃渣的孔隙率要大于煤矸石。因此其渗透效果和自燃防治措施效果要优于矸石山，因此在本设计中采用的石灰乳浆不添加NaOH。

3 浆液的水固比选择

浆液的水固比是反映浆液浓度的指标，是指浆液中水与固体浆材的体积之比。水固比的大小影响着注浆的效果和浆液的输送。浆液的水固比越小，则浆液浓度越大，其粘度、稳定性和致密性也越大，包裹遗煤隔离氧气的效果也越好，但同时流散范围也越小，输浆管路容易堵塞;水固比大，则输送相同体积的土所用的水量大，包裹和隔绝效果较差，同时造成大量浆液的漏流和浪费［5］。浆液的水固比应根据浆液的输送距离，灌浆方式及灌浆材料和季节等因素通过试验确定。根据本项目的实际情况进行分类，见表1。

4 弃渣自燃灌浆防灭火施工

4.1 灌浆防灭火方法

灌浆防灭火措施主要针对关虎冲弃渣场南部有黑色硅炭质页岩的区域进行。灌浆分为钻孔注浆、埋管注浆和洒浆三种方式。针对关虎冲隧道弃渣场的实际情况，灌浆方法采用洒浆和钻孔注浆两种方式。洒浆主要针对弃渣表面及浅部的煤岩石块，钻孔注浆主要针对弃渣内部自燃程度较高的区域。洒浆之前在弃渣场顶部和侧边使用袋装粘土堆0.5 m 左右的围水带防止浆液沿边缘流失，同时还要用木桩对自燃程度较高的区域进行定位，方便钻孔注浆施工，见图1。

表1 浆液配比

图1 弃渣场示意图

洒浆进行两次，第一次喷洒采用浓度较小的石灰浆液，主要目的是为了让浆液能够渗透入弃渣内部对内部进行冷却降温，同时石灰水溶液对内部的酸性成分进行中和;第二次洒浆采用浓度较大的石灰和粘土混合液进行喷洒漫灌，使得弃渣内部的孔隙堵塞，隔绝空气。在进行表面喷洒浆液之后再进行钻孔注浆。

4.2 洒浆施工

使用泥浆泵对弃渣表面及边坡进行浆液喷洒，洒浆过程中应留意浆液渗透、烟气温度变化等情况。浆液渗透主要看浆液渗透速度以及边坡有无漏浆现象。当浆液渗透速度较快在表面无残留或有漏浆情况出现，应适当降低水固比，增加浆液的粘稠度。待表面喷洒初步降温后进行钻孔注浆。

在粘土袋围水墙施工完成后，再用粘土堵严其中的孔洞，然后进行喷洒作业。喷洒分两步进行:第一次使用水固比(10∶1)的纯石灰溶液进行大面积喷洒。第二次喷洒采用浓度较大的石灰和粘土混合液(水固比见表1)，对弃渣顶部和侧边进行喷洒漫灌。在喷洒漫灌施工中采用钻机向下施工深1 m、间距1 m 的导流钻孔，从而使浆液更好的渗透至弃渣内部。

钻机采用ZM-1.8T 煤炭地面钻机(见图2):转速:520 r/min;转矩:28 N·m;孔径:38 mm～45 mm;功率:1.8 kW;电压:380 V;电流:4.5 A。洒浆施工的两步措施在对某区域进行操作连接使用。第一次使用10%石灰乳喷洒后，1 d～2 d 内对该区域进行第二次洒浆，防止时间太久，弃渣内部冷却的岩石又开始自燃，降低自燃防治的效果。

4.3 钻孔注浆施工

为了实现关虎冲弃渣场自燃防治与经济性的最优效果，钻孔注浆主要针对弃渣场自燃程度较高的区域。自燃程度较高区域主要是弃渣表面析出有黄色硫单质或有集中烟气冒出的区域，尤其是有青烟冒出的区域。因此在进行第一次浆液喷洒前应在自燃程度明显的区域使用木桩进行定位，将木桩插入自燃程度较高区域的中心位置，以方便注浆钻孔的实施。钻孔用工程钻机或电煤钻完成。为防止钻孔注浆进入弃渣内部高温区域反应过于激烈，钻孔注浆应先从自燃区域的周围进行施工，再进行自燃区域中心的钻孔注浆。钻孔注浆钻孔深度1.8 m 左右，钻孔施工完成后钻具可兼作注浆管。在自燃程度较高区域钻孔间距1 m，在该区域的周围钻孔间距为1 m～2 m，见图3。

图2 钻孔设备

图3 弃渣场侧边进行灌浆措施示意图

5 注意事项

1)施工单位在施工前应对施工人员进行相应的安全及操作培训工作，同时制定现场安全文明施工措施并严格执行;2)由于弃渣场西边有当地采石场的炸药库，因此在灌浆过程中应注意消防安全，同时安排灌浆施工先从离炸药库距离近的区域开始，从而对弃渣场其他区域形成更远的保护距离;3)由于弃渣场自燃释放CO 和SO2等有毒有害气体，施工时应做好施工人员的安全防护工作，配备必要的防护用品，同时尽量避免在有毒烟气中停留。

［1］杨占军，肖 平.抚顺西露天矿内排土场防灭火技术的研究及应用［J］.煤矿安全，2002，33(7) :33-34.

［2］杨怀玉，张青松.注浆灭火技术在内排土场防灭火中的应用［J］.煤矿安全，2013，39(11) :100-102.

［3］王昭旅.粉煤灰注浆防灭火［J］.煤炭科学技术，1991，7(30) :22-27.

［4］王 砂.内蒙古土石山区高速公路水土保持研究［D］.北京:北京林业大学，2013.

［5］孙宝杰.注浆防灭火技术规范不合理性分析［J］.露天采煤技术，2002(4) :19-20.