铁路隧道壁后煤层自燃灭火关键技术研究

段春生

(山西省晋神能源有限公司，山西 忻州 034000)

0 引 言

阴塔至火山铁路专用线火山隧道(以下简称“火山隧道”)位于山西省忻州市河曲县境内的黄河东岸阶地上，设计起讫里程DK27+709段～DK28+416段，全长707 m，最大埋深95 m。隧址区西临黄河和S249省道韩河线40～300 m，东临猫儿沟露天煤矿约700 m，北侧距火山村约900 m，南侧距阳元头村和猫儿沟露天煤矿排土场约1 200 m。火山隧道中部的拱基线以上，穿越了河东煤田河曲矿区的8#煤层及小煤矿部分巷道(这一区域的8#煤层厚6～10 m)，该段阶地不发育，沟壑发育，多呈“V”型，基岩裸露，岩体破碎，相对高差393 m，地势总体为北高南低、东高西低，海拔高度在847.30～1 056.70 m，属中低山区。由于隧址区附近有猫儿沟露天煤矿、沙湾煤矿，以及众多私采小煤窑形成的采空区，地下煤层自燃等影响显著。

2021年11月，火山隧道病害整治队伍在隧道DK28+089段～DK28+139段施工钻孔时，发现该处衬砌出现明显病害，孔内有明火喷出，进一步探测后发现隧道入口380～430 m处均存在异常高温段，且地表裂缝发育并伴有烟气冒出，明显的着火区距离隧道发火段直线距离141 m。

为有效防控复杂地质构造区小煤矿火势蔓延对铁路隧道结构安全构成的严重威胁，制定了以施工地面措施孔充填矿用大骨料隔离材料构筑隧道隔离条带为主的火区治理方案，提出了铁路隧道壁后煤层自燃灭火关键技术工艺，为类似地质条件下隧道火灾防治提供了经验借鉴与技术支持。

1 隧道自燃发火原因分析

1.1 地质原因

火山隧道隧址区内基岩出露，区内赋存地层由新至老主要为第四系、第三系、三叠系、二叠系、石炭系和奥陶系。隧道洞身穿越的地层主要为上古生界石炭系上统太原组煤系地层，二叠系下统山西组砂页岩煤系地层及下石盒子组，新生界第四系松散堆积物，隧洞通过砂岩、泥岩、泥岩夹煤层，泥质页岩、煤层、黄土等。

火山隧道隧址区域处于强烈隆起断、褶构造区外围，即晋西平缓隆起拱形构造区，受黄河所形成的构造体系影响，区域地质构造复杂，褶皱、断层发育。隧址区地质构造总体为单斜构造，地层走向为NNE-NE，各地层厚薄不均且产状平缓，倾角1°～2°，西部倾角较东部倾角略大。煤层属河东煤田埋深较浅，自上而下主要为8#煤层、9#煤层、11#煤层、12#煤层和13#煤层，共5个可采煤层。

1.2 采空区分布

隧道隧址区小煤矿采空区众多，均为巷柱式开采，多处穿过煤层和老窑采空区及运输巷道，穿越煤层厚6～10 m，位于隧道拱部附近，周围有采空区分布。根据现有资料查实，火山隧道壁后基本情况如下所述。

1) DK27+825段～DK27+904.7段采空区底板位于隧道起拱线两侧1 m以上，采空区高3～5 m，宽10～30 m；施工期间在隧道拱圈两侧设置浆砌片石石墙，拱顶空洞采用干砌片石回填，采空巷道用浆砌片石封堵，其余采空区域未作处理。

2) DK28+145.5段～DK28+216段揭露四条巷道和一处采空区，隧道与主巷道基本正交，与其余三条斜交，其中两条巷道因煤层滑动封闭，另两条巷道正在开采，采空区及巷道具体位置和规模不详。 施工期间在隧道拱圈两侧外0.5 m处设置顶宽2.0 m，底宽2.0 m的浆砌片石石墙，拱圈上部空洞回填1.0 m厚干砌片石及2.0 m厚弃渣，其余采空区域未作处理。

3) DK28+029段处存在一处采空区，情况不详，施工期间未做处理。

4) DK28+244段处边墙开挖施工时，揭露煤层距拱顶约0.5 m，爆破开挖时震塌顶部而揭露采空区，施工期间未做处理。

1.3 地表裂缝

1) 1995年调查发现，隧址区共有7条地面裂缝，最大缝宽10 cm，最长约150 m。

2) 2004年调查发现，地表裂缝最大缝宽40 cm，裂缝相互交错，出露岩石被切成块状，地表形成长约80 m、宽约20 m的塌陷盆地，最大塌陷深度约0.5 m。

3) 2013年地表裂缝最大缝宽40～60 cm，裂缝相互交错，把岩石切成块状，形成不稳定岩体，在地表形成长约80 m、宽约20 m的塌陷盆地，最大塌陷深度约1.0 m。

4) 2020年调查发现，地表裂缝最大缝宽超过约1.0 m，裂缝相互交错，出露岩石被切成块状。

5) 隧址区附近露天煤矿采用爆破开采工艺，进一步加剧隧道地表裂缝增多，裂隙发育。

2 隧道衬砌外隐蔽火源探测

2.1 温度检测法

利用矿用本安型红外热成像仪[1-2](型号为YRH700)对隧道衬砌表面温度进行扫描，初步圈定高温异常区域，红外热成像扫描部分图像如图1所示。

图1 部分区域红外热成像扫描图片Fig.1 Infrared thermal imaging scan pictures of some area

图2为火山隧道病害地段衬砌表面温度测量数据用温度分布图。由图2可知，高温区域集中在400～425 m之间，405 m测点附近温度高达82.6 ℃，初步圈定了隧道高温异常区段范围。

图2 测点温度分布图Fig.2 Temperature distribution of measuring points

同时，在衬砌内部10 cm深处沿隧道走向方向均匀安设温度传感器(安设区间范围为300～450 m，每处温度传感器间隔5 m)，以便准确掌握衬砌温度的动态变化过程。温度监测结果表明，一方面火山隧道403～415 m段火情得到遏制；另一方面，外围隐蔽火源有逐步向420 m走向位置以外延伸、蔓延趋势。

2.2 地质雷达探测法

为配合后续注浆充填，辅助地面钻孔布置，采取地质雷达法[3-5]对隧道衬砌左帮、右帮3～5 m范围内的空洞分别进行了探测，探测范围覆盖隧道走向370～425 m区段。探测结果显示，370～425 m段衬砌左帮、右帮5 m范围内存在大量体积不一的小窑开采破坏区或火烧空洞区，为后续地面钻孔针对性布置提供了技术支撑。

2.3 钻探法

采取钻探法[6-7]对前期隧道衬砌表面温度扫描、地质雷达空区探测进行了验证。累计施工各类地面钻孔42个(观测孔兼做后续注浆孔)，其中实体孔8个，其余均见空或见充填材料，累计进尺3 359 m。钻孔施工过程如图3所示，通过在钻探孔中安装热敏电阻测温导线，得到钻探孔终孔温度，钻探结果表明，沿隧道走向390～430 m之间的区域钻探孔温度较高。

图3 钻孔施工过程Fig.3 Drilling construction process

3 隔离条带构筑与现场施工过程

3.1 总体技术方案

结合河东煤田煤层埋藏赋存浅、局部强隆起断褶构造区地质特征与铁路隧道结构安全的特殊要求，火区治理坚持“以液氮为掩护，以加密布置地面措施孔与高强度注浆充填为主，以隔离火区为目的”的技术原则。

2021年12月04日—2022年01月25日，火山隧道火区治理经历初期地面液氮直注、中期边注浆隔离边液氮直注掩护、后期强化注浆等过程，在此期间累计注液氮3 219.925 t，累计注浆液672.6 t。

3.2 矿用大骨料充填材料性能检测

实验装置由加热器、罐体、温度传感器、气体采集器组成[8-11]，如图4所示。实验方法如下所述。

1) 选用火山隧道附近矿区煤样，经破碎筛分得到粒径为0.6～1.0 cm煤样。

2) 称取800 g煤样放入煤样罐中(煤样罐顶部钻有直径约为5 mm的孔洞)，借助于煤样罐顶部孔洞实现对现场地表漏风条件的模拟，使用抽气泵对实验过程中煤样罐内气体进行采集，采气口位于煤样罐顶部，通过加热器加热1 h(煤样温度达到350 ℃)，将水、硅酸钠、聚合物凝胶、新型大骨料固化充填隔离材料分四组实验投入加热后的煤样中，用温度计记录罐体内部温度，并用气相色谱法提取气体分析组分。

3) 取气并在加入灭火剂后0 min、2 min、4 min、6 min、8 min、10 min、15 min、20 min、30 min与60 min记录煤内温度。

图4 实验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of the experimental setup

在各组实验初期阶段，煤样中加入水或聚合物凝胶后，温度下降最快，随后注水煤样温度下降速率减慢。分析可知，水的渗透性优于其他三种防灭火材料，可迅速渗入煤样粒径间缝隙中，对煤样进行冷却，并蒸发吸热。注水煤样在中期及后期的降温过程中主要依靠水分的蒸发，同时，煤样继续氧化放热，所以温度下降速率减慢。其他三种防灭火材料在灭火进程中，逐渐渗入煤样粒径缝隙，对煤样粒径进行包裹，起到隔绝氧气的效果，抑制煤样氧化的作用。矿用大骨料在持水性能方面优于另外两种材料，初始游离水含量低，煤样初始温度下降速率较低；当到达10 min后，注入新型大骨料的煤样温度下降速率最大，其次是硅酸钠、聚合物凝胶，这与防灭火材料的抑制煤样氧化性能有关。新型大骨料在10 min后能够有效地包裹煤样颗粒，使其与氧气隔绝，并能吸热降温，同时降低煤分子表面活性，在防火降温性能方面，优于另外两种材料。

图5为CO浓度随时间变化图，图6为煤样温度随时间变化图。由图5和图6可知，使用矿用大骨料注入煤样后，CO浓度下降速率明显高于其他材料，而在煤样中注入水时，CO浓度初期下降很快，然后下降速率大幅减慢，矿用大骨料对降低煤体CO析出最有效，说明其防火灭火性能最好，能较好地抑制煤与氧气的复合，同时结合该材料自身凝结后具备1.5 MPa的抗压强度，对于火山隧道充填隔离具有较强的适用性。

图5 CO浓度随时间变化Fig.5 Variation of CO concentration with time

图6 煤样温度随时间变化Fig.6 Temperature variation with time

通过上述实验可知，本次防灭火使用的矿用无机堆积隔离充填材料具有碱度低、耐酸耐腐蚀、早期强度高、体积微膨胀等特性，并具有稳定性好、渗透性强、凝结时间可调、黏结性好、抗压强度高等优点。使用后既能起到降温封堵裂隙，又快速黏结加固地层，同时还不会增加隧道载重负荷。

3.3 隔离条带构筑与现场施工

整套注浆系统由3台双液液压泵(两用一备)、搅拌桶(4个)、柴油发电机3台(两用一备)、锅炉2台(用于冬季施工水加热用途)及供水车若干台等组成。截至1月25日，累计充填矿用大骨料无机充填材料672 t，形成充填体积约3 024 m3，初步构筑了403～415 m间隧道中心线3 m左右隔离条带。各孔注浆量统计见表1。

表1 钻孔注浆统列表Table 1 List of drilling grouting systems

4 效果检验

4.1 温度

通过阶段性高强度注浆充填，隧道衬砌表面温度基本稳定在33 ℃以下，初步控制了火情，隔离了衬砌外明火，通过注浆稳定隧道近距离周边煤岩体结构，隧道表面温度变化情况如图7～图9所示。

图7 拱顶测点温度随天数变化Fig.7 Dome measuring point temperature

图8 左侧5 m测点温度随天数变化Fig.8 Temperature of 5 m measuring pointon the left side of the vault

图9 右侧5 m测点温度随天数变化Fig.9 Temperature of 5 m measuring pointon the right side of the vault

4.2 气体

截至2022年1月25日，通过地面观测孔取样化验，隧道周围火区内CO气体最高浓度降至9 ppm，详细数据见表2。

表2 地面观测孔取样化验数据Table 2 Sampling and testing data of ground observation holes

5 结 论

经治理，隧道周边火区火势最终得到控制，隧道内衬砌温度明显下降并维持在稳定区域，治理效果显著，为下一步隧道病害加固治理及后期安全稳定运行奠定了坚实基础，也为类似条件(铁路隧道穿煤层采空区)火灾治理提供了成功的灭火治理经验。

1) 火山隧道重点治理的403～415 m区段，衬砌表面温度稳定在33 ℃以下，钻孔CO气体检测浓度最低降至9 ppm，从总体上看，火情得到了有效遏制。

2) 现场应用表明，矿用大骨料无机充填材料对于强隆起断褶构造区铁路隧道灭火是适用的，具有较强的示范意义。

3) 地表裂缝回填封堵是治理火灾的基础工作，对隧道的安全稳定运行影响深远，需长期坚持。

4) 隧道建设单位应吸取本次事故教训，强化隧道壁后充填封堵密实工作，不留空隙，保证隧道整体安全。