石容丹，劉發(fā)林，朱文卿，張良平，易菲霆

（1.中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004；2.湖南警察學院，湖南 長沙 410138；3.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；4.湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙 410014）

受高速鐵路技術指標限制和秉承少占用土地的原則，工程建設中橋隧比越來越高。傳統(tǒng)的填方路基逐漸被橋梁、隧道所代替［1］。隧道開挖產生的渣土很難進行二次循環(huán)利用，因而全部成為渣土廢棄物。隧道和橋梁施工多位于山溝峽谷處，地形崎嶇，交通不便，施工技術難度大，通常情況下，施工產生的棄渣都會沿山谷堆放在建設場地周邊，從而形成大小、形狀、規(guī)模不一的棄渣場（也稱棄土場）［2?4］。棄渣是有機物和無機物的混合物，含有數(shù)量不等的金屬元素，在氧氣和水的參與下，會生成有毒有害物質，嚴重威脅著人類身體健康［5?7］。中國晚震旦?早寒武黑色巖系分布廣泛，隧道不可避免會穿越易自燃的黑色巖系，這些黑色巖系棄渣易產生自燃。因此，揭示棄渣自燃的成因對保護生態(tài)環(huán)境和防災減災非常重要［8?11］。

湘西某隧道開挖產生的棄渣經爆破后采用卡車裝運，經臨時碎石路運送至一個由三面環(huán)山的溪溝形成的棄渣場中。該棄渣場采用自然傾倒的方式排渣，露天堆放，順坡填溝。本文對該棄渣進行了顆粒分析、堆積模型試驗、自燃傾向性分析和等溫吸附測試，基于隧道棄渣場的特點和試驗結果，分別從棄渣堆積形態(tài)和粒度特征、棄渣自燃傾向性以及吸附能力等方面，探究該棄渣場的自燃成因；最后，提出了該隧道棄渣場自燃治理和生態(tài)修復的建議。

1 工程概況

湖南某隧道穿越南華紀富祿組、古城組、南沱組、震旦紀陡山沱組、燈影組、寒武紀牛蹄塘組、石牌組等黑色巖系地層，其中寒武紀牛蹄塘組在隧道中的分布最為廣泛，其次為南華紀南沱組。易自燃的地層主要為寒武系牛蹄塘組下段～晚震旦燈影組，其巖性主要為炭質板巖、含炭鐵質硅質板巖、含炭質泥巖、含炭鐵泥質微晶灰?guī)r［12］。隧道施工時產生的渣土采用自然傾倒的方式露天堆放于該隧道進口處，自然滾落形成邊坡安息角為30°～50°的斜面，坡面長度可達40～80 m。該棄渣場位于湖南省古丈縣羅依溪鎮(zhèn)西2.5 km處一個三面環(huán)山的溪溝中，該區(qū)域原為附近居民種植及耕作用地，部分為林地，場地呈近南北向橢圓形，南北長約190 m，東西寬約120 m，占地面積18 000 m2，堆渣厚度10～30 m，平均約20 m，頂部有較大的平臺，邊坡休止角為35°～45°，坡面朝向北東。棄渣場平面及剖面如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場調查了解，棄渣場自燃最先開始和自燃最明顯的區(qū)域為棄渣場臨空坡面中上部，在臨空坡面自燃發(fā)生一段時間后慢慢擴散至其他區(qū)域，坡面覆蓋大量燃燒后磚紅色棄渣，可見大量刺鼻白煙，且平臺縫隙冒煙處可見黃色～淡黃色單質硫附著于棄渣巖石表面。另外，棄渣自燃使棄渣場呈強酸性環(huán)境，促使重金屬析出，對周邊水土等生態(tài)環(huán)境造成了嚴重污染。

圖1 棄渣場平面及剖面示意圖

2 基于棄渣物化特性試驗的自燃成因分析

根據(jù)該隧道出露的里程推算，棄渣場內約混入了90 000 m3易自燃巖層，為棄渣自燃提供了必要的物質條件。棄渣場自燃過程是復雜的物理化學反應過程，通常受到內、外兩方面因素的控制。其中，棄渣自燃傾向性與吸附能力是內因，是低溫氧化性的體現(xiàn)，與棄渣的氧化能力及發(fā)生氧化時釋放的熱量強度有關；而外因則主要包括棄渣粒度和堆積方式等。本文主要從影響棄渣自燃的內、外因出發(fā)，基于棄渣物化特性，綜合分析各因素對棄渣自燃的影響，探究該棄渣場自燃成因。

2.1 棄渣自燃外因分析

2.1.1 棄渣堆積形態(tài)影響

隧道棄渣排堆過程中，由于采用一坡到底的方式，棄渣堆剖面形態(tài)呈梯形或半錐形，如圖2所示。當堆積程度增加，土方量足夠大時，利用推土機、挖土機、鏟運機和壓路機等將棄渣平整，再填滿整個溝谷，屬“順坡傾倒”。受棄渣顆粒平均粒徑、級配程度、膠結程度及填充物量影響，安息角在30°～50°之間。這種堆積方式對自燃的影響表現(xiàn)在：①斜坡暴露面大，堆積疏松，為空氣進入渣堆內部提供了條件；②安息角大時，風流動壓部分轉化為靜壓的效率提升；③斜坡中的裂隙（拉張、剪切、干縮等形成的空隙）為氧氣進入及運移提供了通道?？梢娺@種堆積形態(tài)為棄渣自燃提供了基礎的空氣流通條件。

圖2 棄渣堆的剖面形態(tài)示意圖

2.1.2 粒度分布影響

粒度大小決定了棄渣的比表面積。粒度越細，棄渣比表面積越大，易自燃棄渣暴露于空氣中的活性結構越多，氧氣復合程度加大，氧化速率增強，放熱強度增大，熱量越容易聚集，其自燃性越強。據(jù)現(xiàn)場調查，該隧道穿越不同等級的圍巖，導致棄渣物料來源于不同等級的圍巖。而不同等級圍巖的巖體破碎程度不同，其粒度分布也不同。為此，進行了不同等級圍巖產生的棄渣粒徑顆粒分析試驗，結果如圖3所示。從圖3可看出，不同圍巖等級棄渣的粒徑集中區(qū)域不同：Ⅲ級圍巖棄渣顆粒粒徑主要集中在20～60 mm，Ⅳ級圍巖棄渣顆粒粒徑主要集中在3～20 mm，Ⅴ級圍巖棄渣顆粒粒徑主要集中在1～10 mm。由于黑色巖系易燃棄渣硅質含量高、節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體較破碎，圍巖等級多為Ⅳ、Ⅴ級，其粒徑小，且分布范圍更窄，導致該棄渣具有較大的比表面積，棄渣自燃可能性增大。

圖3 不同級別圍巖棄渣粒徑累計曲線

2.1.3 粒度偏析影響

排渣過程中不同粒徑顆粒在重力及顆粒間相互作用下不斷地被分層，最終形成的堆積體粒徑分級程度高，不均勻性強，具有明顯的成層結構特征。由于該棄渣在斜坡上采取“順坡傾倒”方式通過多次排渣堆積形成，受重力作用，棄渣顆粒粒徑在垂直和傾斜方向分布皆不均勻。圖4給出了棄渣粒徑分層模型試驗結果。在垂直方向主要表現(xiàn)為細顆粒含量隨棄渣場高度增加而增加、粗顆粒含量隨高度增加而減少、大塊石基本聚集于底部；沿坡面平行的方向，斜向的分層特征主要表現(xiàn)在粗?細顆粒在沿與坡面平行方向交替聚集出現(xiàn)。粒度偏析現(xiàn)象對自燃的影響是：①使棄渣堆內部形成了空氣通道（供氧），產生煙囪效應；②提供了蓄熱環(huán)境；③使容易自燃的小粒徑棄渣發(fā)生富集。

圖4 棄渣堆積體粒徑分層特征模型試驗結果

2.2 棄渣自燃內因分析

2.2.1 棄渣自燃傾向性

自燃傾向性是棄渣發(fā)生自燃難易程度和棄渣氧化性的體現(xiàn)，是棄渣自燃的內在特性［13］。由于棄渣堆放采用“自上而下，由遠至近”的方式，棄渣堆是隧道內各地層的混雜體。為保證該棄渣場自燃傾向性分析合理性，分別在隧道內選取4件樣品（編號分別為SD1～SD4）、在棄渣場選取5件樣品（編號分別為QZ1～QZ5）用于自燃傾向性分析，結果如表1所示。由表1可知，被測試的9件樣品中，隧道內樣品均為Ⅱ類（自燃），棄渣場5件樣品中2件為Ⅱ類（自燃）、3件為Ⅲ類（不易自燃）。實際調查結果表明，該棄渣自燃最先發(fā)生的地層是下寒武統(tǒng)牛蹄塘組下段中上部，而QZ1～QZ3棄渣樣品位于震旦系燈影組中下部，本身不易自燃。另外，QZ1～QZ3取自棄渣場頂部平臺，受碾壓、風化影響，已較為破碎，部分黃鐵礦已低溫氧化，影響了吸氧量，且該棄渣從隧道至棄渣場再到實驗室測試，暴露時間過長，對自燃傾相性測試結果具有一定影響。綜合來看，該隧道晚震旦系?早寒武黑色巖系易自燃，具有較強的低溫氧化性。

表1 棄渣場及隧道內樣品工業(yè)分析及自燃傾向性

2.2.2 吸附性能

在自燃初期的低溫氧化過程中，吸附起到了重要作用，它為低溫氧化提供氧氣的同時，也為自燃提供了增溫的熱量。對湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖氣儲層進行了等溫吸附測試，結果如圖5～6所示。測試結果表明，湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色泥頁巖的Langmuir體積為1.63～7.39 cm3／g，平均3.95 cm3／g，Langmuir壓力為1.39～8.35 MPa，平均5.13 MPa，總體而言，吸附能力較強。牛蹄塘組Langmuir體積差別較大，這與比表面積、總孔隙體積、TOC、黃鐵礦含量呈正相關關系［14］，而受黏土礦物、石英含量等影響較小。低溫氧化過程中影響吸附作用的因素為比表面積和總孔隙體積，而總孔隙體積也會影響比表面積。結合湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖微電鏡掃描結果（見圖7）可知，湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖中發(fā)育殘余原生孔隙、有機質微孔隙、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔、礦物層間微裂隙和構造裂縫，且構造裂縫、有機質微孔隙和不穩(wěn)定礦物溶蝕孔是研究區(qū)頁巖基質孔裂隙的主要組成部分［15］，使得吸附能力加強，大大提高了低溫氧化性能，促成了自燃的發(fā)生。

圖5 等溫吸附Langmuir曲線

圖6 Langmuir體積與TOC、黃鐵礦含量、比表面積以及總孔隙體積的相關關系

圖7 湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖孔裂隙顯微特征

2.3 棄渣場自燃成因綜合分析

一般而言，自燃的發(fā)生需要滿足4個基本條件，即：具有低溫氧化特性的可燃物質、有利于氧氣流通的通道、有蓄熱能力以及高于燃燒的溫度?；谟绊懽匀嫉膬?、外因分析結果和影響自燃的4個基本條件，該隧道棄渣場自燃成因可解釋如下：

首先，該隧道分布最廣的巖層是晚震旦系?早寒武世形成的層狀黑色巖系，該巖系含有炭質板巖、硅質板巖、炭質泥巖等，有機質和硫化物含量高，化學性質活潑，具有較強的低溫氧化性和自燃傾向性，發(fā)熱量高，為棄渣自燃提供了物質基礎。

其次，隧道棄渣在斜坡上采用“順坡傾倒”的方式堆砌，斜坡結構非常疏松，安息角偏大，加之坡體中存在裂隙，使棄渣堆與空氣接觸面積增大；另外，受粒度偏差效應的影響，該棄渣內部形成了空氣通道（供氧），產生煙囪效應，為棄渣自燃提供了供氧條件。

再次，該棄渣粒徑較小，粒度分布范圍窄，具有較大的比表面積，且由于構造裂隙、有機質孔隙和不穩(wěn)定礦物溶蝕裂隙發(fā)育，透氣性增強，提高了空氣滲入棄渣堆內部的可能性；此外，該巖系硅質含量高，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，在空氣中露天堆放，暴露于空氣中的活性結構多，氧氣復合程度加大，氧化速率增強。

最后，粒度偏析為該棄渣場提供了蓄熱環(huán)境，微孔隙和裂隙使其吸附能力加強，為低溫氧化提供氧氣的同時也為自燃提供了增溫的熱量，熱量容易積聚，促成自燃的發(fā)生。

綜上所述，該隧道棄渣場自燃的成因是：易燃棄渣中的炭物質、硫鐵化合物和氧氣在各階段發(fā)生低溫氧化，在一定條件下產生自燃。其宏觀上的自燃發(fā)展過程如圖8所示。

圖8 該隧道棄渣自燃宏觀發(fā)展過程

3 棄渣場自燃治理建議

棄渣自燃治理不是簡單的滅火問題，棄渣場自燃治理過程中需要綜合考慮棄渣對生態(tài)環(huán)境的影響。一般而言，棄渣場自燃除了毀滅植被，還會釋放大量CO、SO2、H2S和NOx等有毒氣體，污染空氣，且大量氣體在來不及釋放的情況下還可能導致棄渣場熱爆炸?；谇笆鲎匀汲梢蚍治?，進一步從系統(tǒng)論的角度，結合實際治理情況，提出如圖9所示的棄渣場自燃治理及生態(tài)修復體系。棄渣場自燃治理是復雜的系統(tǒng)工程，極易發(fā)生復燃現(xiàn)象，建議采用火源探測、滅火、截排水及水體污染治理、復綠緊密結合的自燃治理及生態(tài)修復方案。該棄渣場自燃治理及生態(tài)修復方案各部分的相互關系及內涵為：開展火區(qū)探測，為滅火工程提供指導，為自燃棄渣場分區(qū)治理提供依據(jù)；棄渣場的滅火處理是后期治理的基礎，只有先滅火，才能消除植被恢復的高溫障礙，同時徹底滅火可進一步鞏固山體穩(wěn)定、促進生態(tài)恢復；棄渣場沒有植被，山體表面疏松，自燃生成的有毒有害物體易在水土流失過程中對周邊造成嚴重污染，因此，截排水及地表水體污染防治是生態(tài)修復的關鍵；復綠植被覆蓋可減少降水入滲，減少暴雨沖刷形成的裂縫，有效保持水土，也會防止大量淋濾液產生，降低水體污染治理難度，可減少氧氣和水分進入渣體，有效防止復燃。

圖9 基于系統(tǒng)論的棄渣場自燃治理及生態(tài)修復設計方案

4 結 論

1）湘西某隧道棄渣場巖性以晚震旦?早寒武世所形成的層狀黑色巖系為主，易燃部分為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和晚震旦系燈影組，具有較強的低溫氧化性能，為棄渣自燃提供了物質基礎。

2）該棄渣場堆填疏松，安息角偏大，且棄渣粒徑較小，粒度分布范圍窄，具有較大的比表面積，使棄渣堆與空氣接觸面積增大，加之構造裂隙、有機質孔隙和不穩(wěn)定礦物溶蝕裂隙發(fā)育，透氣性增強，提高了空氣滲入棄渣堆內部的可能性。

3）棄渣表現(xiàn)出明顯的粒度偏析現(xiàn)象，為該棄渣場提供了蓄熱環(huán)境，且微孔隙和裂隙使其吸附能力加強，為低溫氧化提供氧氣的同時也為自燃提供了增溫的熱量，導致熱量容易積聚，自燃容易發(fā)生。

4）該棄渣場自燃是復雜的物理化學反應過程，棄渣自燃傾向性和吸附能力為內因，棄渣粒度分布和堆填方式是外因。

5）從系統(tǒng)論的角度，結合實際情況，提出了采用火源探測、滅火、截排水及水體污染治理和復綠緊密結合的棄渣場自燃治理及生態(tài)修復一體化方案。