劉立巖，張旭東

(1.撫順礦業(yè)集團(tuán)東巖地質(zhì)測繪勘察有限公司，遼寧撫順113008;2.遼寧工程勘察設(shè)計院，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，需對油罐區(qū)深部火區(qū)進(jìn)行處理，經(jīng)方案對比，采用水、粉煤灰、阻化劑壓密注漿的方法對擬建油罐區(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年代以來露天煤礦采礦剝離的矸石組成，成分主要為油母頁巖、綠色頁巖、炭質(zhì)頁巖、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。基底巖石為前震旦紀(jì)的花崗片麻巖。

2.2 油母頁巖的自燃機(jī)理

回填頁巖的自燃物主要為油母頁巖，油母頁巖是一種富含有機(jī)質(zhì)，具有微細(xì)層理，可以燃燒的細(xì)粒沉積巖，油母頁巖節(jié)理較發(fā)育，較堅硬，普氏硬度6～8度，遇水后頁巖表面光滑，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%，油母頁巖自燃發(fā)火是本身低溫氧化的結(jié)果，自燃過程則受產(chǎn)生的氧化熱與傳導(dǎo)和對流形成的熱擴(kuò)散之間平衡狀態(tài)的制約。因此，油母頁巖的含油率、粒度、供氧條件以及周圍的濕度、溫度等對其自燃發(fā)火都有影響。油母頁巖自然發(fā)火一般分為3個階段。

(1)初級階段：由于油母頁巖巖體被破碎成巖塊，破壞了其原來的整體密封性。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℃以上時就開始燃燒。

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

油母頁巖自燃的3個要素是：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深部火區(qū)進(jìn)行處理，有4種方案可供選擇，見表1。

表1 深部火區(qū)注漿處理方案優(yōu)缺點(diǎn)

從以上4個方案比較，方案四對于厚層狀回填頁巖來說，容易施工，粉煤灰可填充自燃層孔隙形成一個密實(shí)封閉層，使自燃層與空氣隔絕，達(dá)到防火的目的，且粉煤灰價格低廉、用之可減少環(huán)境污染。見圖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)計與施工

4.1 注漿工藝過程(圖2)

圖2 注漿工藝過程

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

第一個鉆孔以5號孔為中心，然后在其周圍隔

5 m處打4個鉆孔，具體位置如圖3所示。

圖3 試驗段觀測孔

在5號孔開始注漿，其余4個鉆孔暫時作為觀測孔，觀測有效注漿半徑及地表冒漿情況。根據(jù)觀測結(jié)果，確定孔距為10 m，方格形布設(shè)。在整個區(qū)域選出幾個試驗區(qū)，打觀測孔，確定每個試驗區(qū)的影響半徑。由于回填土的回填沒有規(guī)律，故每個試驗區(qū)鉆孔的間距可根據(jù)現(xiàn)場實(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，加強(qiáng)套管的固定，避免高壓注漿時發(fā)生套管被壓出傷人事件。每個注漿孔的注漿量滿足以下要求：第一個注漿孔注漿時，必須在監(jiān)測孔返漿或地面返漿時才可停止;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，閥門若干個及注漿管路等。

4.6 漿液制作

通過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法注入漿液時，停止注漿，完成一個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

5.1 氣體檢驗

從檢驗孔中注漿前、后觀測氣體成分的變化(見表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，這也充分說明了通過壓注粉煤灰與阻化劑已經(jīng)對油罐區(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比表

5.2 注漿管溫度檢驗

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、開裂現(xiàn)象。

表3 注漿管內(nèi)溫度變化對比表

5.4 鉆探取心

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

6 結(jié)論及建議

通過注漿孔氣體、溫度觀測值及打鉆檢驗，注漿效果明顯，在20 m深度內(nèi)頁巖空隙內(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，建議對注漿處理過的地基土進(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巖與空氣相對隔絕的設(shè)計目的。

［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(第二版)［M］.北京：中國建筑工業(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］.中國煤炭，2006，32(6).