撫順某油罐區(qū)地基土深部火區(qū)處理

劉立巖，張旭東

(1.撫順礦業(yè)集團(tuán)東巖地質(zhì)測(cè)繪勘察有限公司，遼寧撫順113008;2.遼寧工程勘察設(shè)計(jì)院，遼寧錦州121000)

1 工程概況

撫順某重點(diǎn)工程油罐區(qū)建設(shè)在露天采礦的剝離物矸石山上，回填時(shí)間40多年，分布面積廣。部分勘察鉆孔揭露的回填物3.0 m以深有不同程度的冒氣、發(fā)熱、自燃等現(xiàn)象，在其上部擬建油罐，其安全性尤為重要。為了保證其建筑物的安全，需對(duì)油罐區(qū)深部火區(qū)進(jìn)行處理，經(jīng)方案對(duì)比，采用水、粉煤灰、阻化劑壓密注漿的方法對(duì)擬建油罐區(qū)地基土深部火區(qū)進(jìn)行處理。

2 地質(zhì)條件及油母頁(yè)巖的自燃機(jī)理

2.1 勘察區(qū)的地質(zhì)條件

油罐區(qū)下部巖土層由20世紀(jì)70年代以來(lái)露天煤礦采礦剝離的矸石組成，成分主要為油母頁(yè)巖、綠色頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、煤矸石等，厚度50～70 m，密實(shí)度分布不均，部分勘察鉆孔3 m以深有不同程度的發(fā)熱、冒氣、自燃等現(xiàn)象，溫度在40℃以上?；讕r石為前震旦紀(jì)的花崗片麻巖。

2.2 油母頁(yè)巖的自燃機(jī)理

回填頁(yè)巖的自燃物主要為油母頁(yè)巖，油母頁(yè)巖是一種富含有機(jī)質(zhì)，具有微細(xì)層理，可以燃燒的細(xì)粒沉積巖，油母頁(yè)巖節(jié)理較發(fā)育，較堅(jiān)硬，普氏硬度6～8度，遇水后頁(yè)巖表面光滑，風(fēng)化后呈片狀和魚鱗狀小塊，顏色黑褐色。有機(jī)質(zhì)由復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物組成，富含脂肪烴結(jié)構(gòu)，而較少芳烴結(jié)構(gòu)，有機(jī)化合物主要有碳、氫及少量的氧、氮、硫元素組成，含油率3%～13%，油母頁(yè)巖自燃發(fā)火是本身低溫氧化的結(jié)果，自燃過(guò)程則受產(chǎn)生的氧化熱與傳導(dǎo)和對(duì)流形成的熱擴(kuò)散之間平衡狀態(tài)的制約。因此，油母頁(yè)巖的含油率、粒度、供氧條件以及周圍的濕度、溫度等對(duì)其自燃發(fā)火都有影響。油母頁(yè)巖自然發(fā)火一般分為3個(gè)階段。

(1)初級(jí)階段：由于油母頁(yè)巖巖體被破碎成巖塊，破壞了其原來(lái)的整體密封性。使大氣中的氧與其表面能充分接觸，并與其中的可燃物質(zhì)發(fā)生氧化作用，結(jié)果使排棄物內(nèi)部溫度升高。

(2)蒸餾階段：油母頁(yè)巖本身含有石油成分，由于排棄物料內(nèi)部溫度升高，產(chǎn)生蒸餾現(xiàn)象，使石油成分變成石油蒸氣，當(dāng)達(dá)到500℃以上時(shí)就開(kāi)始燃燒。

(3)燃燒階段：油母頁(yè)巖一經(jīng)燃燒，便加快了其自身蒸餾，使其燃燒越來(lái)越劇烈。在不充分供氧燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生出大量有害氣體。

油母頁(yè)巖自燃的3個(gè)要素是：存在有自燃傾向的矸石層;充足的氧氣補(bǔ)給;散熱不良，熱量得以積蓄。

3 深部火區(qū)處理方案的比較選擇

擬采用注漿的方法對(duì)深部火區(qū)進(jìn)行處理，有4種方案可供選擇，見(jiàn)表1。

表1 深部火區(qū)注漿處理方案優(yōu)缺點(diǎn)

從以上4個(gè)方案比較，方案四對(duì)于厚層狀回填頁(yè)巖來(lái)說(shuō)，容易施工，粉煤灰可填充自燃層孔隙形成一個(gè)密實(shí)封閉層，使自燃層與空氣隔絕，達(dá)到防火的目的，且粉煤灰價(jià)格低廉、用之可減少環(huán)境污染。見(jiàn)圖1。

圖1 粉煤灰漿液注漿效果圖

4 深部火區(qū)處理方案設(shè)計(jì)與施工

4.1 注漿工藝過(guò)程(圖2)

圖2 注漿工藝過(guò)程

4.2 注漿深度

根據(jù)地質(zhì)勘察鉆孔揭露的巖性特點(diǎn)，綜合分析各回填層密實(shí)程度，確定注漿深度為20 m，采用水、粉煤灰、阻化劑注漿，密閉20 m以上自燃段，使其形成密封覆蓋層，達(dá)到防火阻燃的目的。

4.3 注漿間距

第一個(gè)鉆孔以5號(hào)孔為中心，然后在其周圍隔

5 m處打4個(gè)鉆孔，具體位置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)段觀測(cè)孔

在5號(hào)孔開(kāi)始注漿，其余4個(gè)鉆孔暫時(shí)作為觀測(cè)孔，觀測(cè)有效注漿半徑及地表冒漿情況。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，確定孔距為10 m，方格形布設(shè)。在整個(gè)區(qū)域選出幾個(gè)試驗(yàn)區(qū)，打觀測(cè)孔，確定每個(gè)試驗(yàn)區(qū)的影響半徑。由于回填土的回填沒(méi)有規(guī)律，故每個(gè)試驗(yàn)區(qū)鉆孔的間距可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

4.4 注漿管制作

鉆孔施工孔徑127 mm，鉆至20 m，下 φ42 mm注漿管，注漿管根據(jù)勘察資料的可燃層實(shí)際深度打上φ10 mm的規(guī)則梅花形孔。下注漿管時(shí)，加強(qiáng)套管的固定，避免高壓注漿時(shí)發(fā)生套管被壓出傷人事件。每個(gè)注漿孔的注漿量滿足以下要求：第一個(gè)注漿孔注漿時(shí)，必須在監(jiān)測(cè)孔返漿或地面返漿時(shí)才可停止;注漿1～2天后應(yīng)再次注漿，若返漿則可停止注漿，否則應(yīng)繼續(xù)注漿。

4.5 施工設(shè)備

注漿鉆孔采用 G －2、SU －300、BXU －100、SH－30型鉆機(jī)施工。

注漿設(shè)備：高壓注漿泵選BW－250型，該注漿泵注漿壓力2～4 MPa，最大7 MPa，注漿排量90 L/min。

其他設(shè)備包括高壓注入設(shè)備、攪拌設(shè)備、潛水泵，閥門若干個(gè)及注漿管路等。

4.6 漿液制作

通過(guò)潛水泵將水抽入攪拌池，按比例加入氯化鎂與粉煤灰攪拌制成粉煤灰阻化泥漿。

4.7 注漿

粉煤灰阻化泥漿通過(guò)抽水泵抽入高壓注漿泵，注入注漿孔，連續(xù)作業(yè)，當(dāng)有地表返漿或壓力達(dá)到最大工作壓力仍無(wú)法注入漿液時(shí)，停止注漿，完成一個(gè)注漿孔的第一次注漿工作，1～2天后進(jìn)行第二次注漿。注漿初期注入1∶3的粉煤灰液，注入到一定程度后注入1∶1的粉煤灰液。

5 效果檢驗(yàn)

5.1 氣體檢驗(yàn)

從檢驗(yàn)孔中注漿前、后觀測(cè)氣體成分的變化(見(jiàn)表2)：可知注漿前、后注漿孔內(nèi)氣體變化明顯，其中以O(shè)2、C2H4、CO氣體含量變化顯著。注漿后注漿孔內(nèi)O2最高含量在9%以下，大部分注漿孔內(nèi)O2含量下降至3%～6%，說(shuō)明粉煤灰覆蓋層已經(jīng)切斷可燃層助燃?xì)怏w的供給，達(dá)到防滅火的目的。注漿孔內(nèi)CO含量較低，只N18號(hào)注漿前濃度為7×10－6，注漿后為0;C2H4含量由注漿前的最高濃度96×10－6，下降到注漿后最高濃度 20 ×10－6，這也充分說(shuō)明了通過(guò)壓注粉煤灰與阻化劑已經(jīng)對(duì)油罐區(qū)深部火區(qū)治理取得良好效果。

表2 注漿前后氣體成分對(duì)比表

5.2 注漿管溫度檢驗(yàn)

從表3上看，注漿后注漿管內(nèi)溫度下降13～32℃。

5.3 注漿后地表現(xiàn)象

地表有返漿、隆起、開(kāi)裂現(xiàn)象。

表3 注漿管內(nèi)溫度變化對(duì)比表

5.4 鉆探取心

當(dāng)完成全部鉆孔注漿后，打鉆取心，回填頁(yè)巖孔隙充滿粉煤灰，密實(shí)度增大。

6 結(jié)論及建議

通過(guò)注漿孔氣體、溫度觀測(cè)值及打鉆檢驗(yàn)，注漿效果明顯，在20 m深度內(nèi)頁(yè)巖空隙內(nèi)有粉煤灰充填物，已形成密封帶，密實(shí)度明顯增大。

雖然油罐區(qū)深部火區(qū)治理工作已經(jīng)完成，但由于火區(qū)已經(jīng)自燃多年，從地質(zhì)勘察報(bào)告及勘察鉆孔所取鉆心可以看出自燃層已經(jīng)變酥軟，缺乏承壓能力。從以上檢驗(yàn)結(jié)果上看：此次注漿效果明顯，由于原回填矸石層密實(shí)度松散不均，注漿后地表有不同程度的隆起，地基土密實(shí)度有所增加，仍不均勻，建議對(duì)注漿處理過(guò)的地基土進(jìn)行強(qiáng)夯，提高地基土均勻性及承載能力，并可形成一層更密實(shí)的防火隔離帶，達(dá)到將注漿層下部可燃頁(yè)巖與空氣相對(duì)隔絕的設(shè)計(jì)目的。

［1］ YSJ 211－92，注漿技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］ JGJ 79－2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］ MT/T 702－1997，煤礦注漿防滅火技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ 徐至鈞.高壓噴射注漿法處理地基［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［5］ 江正榮，等.建筑地基與基礎(chǔ)施工手冊(cè)(第二版)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［6］ 常建華.煤礦煤矸石山滅火技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭，2006，32(6).