刘立岩，张旭东

(1.抚顺矿业集团东岩地质测绘勘察有限公司，辽宁抚顺113008;2.辽宁工程勘察设计院，辽宁锦州121000)

1 工程概况

抚顺某重点工程油罐区建设在露天采矿的剥离物矸石山上，回填时间40多年，分布面积广。部分勘察钻孔揭露的回填物3.0 m以深有不同程度的冒气、发热、自燃等现象，在其上部拟建油罐，其安全性尤为重要。为了保证其建筑物的安全，需对油罐区深部火区进行处理，经方案对比，采用水、粉煤灰、阻化剂压密注浆的方法对拟建油罐区地基土深部火区进行处理。

2 地质条件及油母页岩的自燃机理

2.1 勘察区的地质条件

油罐区下部岩土层由20世纪70年代以来露天煤矿采矿剥离的矸石组成，成分主要为油母页岩、绿色页岩、炭质页岩、煤矸石等，厚度50～70 m，密实度分布不均，部分勘察钻孔3 m以深有不同程度的发热、冒气、自燃等现象，温度在40℃以上。基底岩石为前震旦纪的花岗片麻岩。

2.2 油母页岩的自燃机理

回填页岩的自燃物主要为油母页岩，油母页岩是一种富含有机质，具有微细层理，可以燃烧的细粒沉积岩，油母页岩节理较发育，较坚硬，普氏硬度6～8度，遇水后页岩表面光滑，风化后呈片状和鱼鳞状小块，颜色黑褐色。有机质由复杂的高分子有机化合物组成，富含脂肪烃结构，而较少芳烃结构，有机化合物主要有碳、氢及少量的氧、氮、硫元素组成，含油率3%～13%，油母页岩自燃发火是本身低温氧化的结果，自燃过程则受产生的氧化热与传导和对流形成的热扩散之间平衡状态的制约。因此，油母页岩的含油率、粒度、供氧条件以及周围的湿度、温度等对其自燃发火都有影响。油母页岩自然发火一般分为3个阶段。

(1)初级阶段：由于油母页岩岩体被破碎成岩块，破坏了其原来的整体密封性。使大气中的氧与其表面能充分接触，并与其中的可燃物质发生氧化作用，结果使排弃物内部温度升高。

(2)蒸馏阶段：油母页岩本身含有石油成分，由于排弃物料内部温度升高，产生蒸馏现象，使石油成分变成石油蒸气，当达到500℃以上时就开始燃烧。

(3)燃烧阶段：油母页岩一经燃烧，便加快了其自身蒸馏，使其燃烧越来越剧烈。在不充分供氧燃烧时，会产生出大量有害气体。

油母页岩自燃的3个要素是：存在有自燃倾向的矸石层;充足的氧气补给;散热不良，热量得以积蓄。

3 深部火区处理方案的比较选择

拟采用注浆的方法对深部火区进行处理，有4种方案可供选择，见表1。

表1 深部火区注浆处理方案优缺点

从以上4个方案比较，方案四对于厚层状回填页岩来说，容易施工，粉煤灰可填充自燃层孔隙形成一个密实封闭层，使自燃层与空气隔绝，达到防火的目的，且粉煤灰价格低廉、用之可减少环境污染。见图1。

图1 粉煤灰浆液注浆效果图

4 深部火区处理方案设计与施工

4.1 注浆工艺过程(图2)

图2 注浆工艺过程

4.2 注浆深度

根据地质勘察钻孔揭露的岩性特点，综合分析各回填层密实程度，确定注浆深度为20 m，采用水、粉煤灰、阻化剂注浆，密闭20 m以上自燃段，使其形成密封覆盖层，达到防火阻燃的目的。

4.3 注浆间距

第一个钻孔以5号孔为中心，然后在其周围隔

5 m处打4个钻孔，具体位置如图3所示。

图3 试验段观测孔

在5号孔开始注浆，其余4个钻孔暂时作为观测孔，观测有效注浆半径及地表冒浆情况。根据观测结果，确定孔距为10 m，方格形布设。在整个区域选出几个试验区，打观测孔，确定每个试验区的影响半径。由于回填土的回填没有规律，故每个试验区钻孔的间距可根据现场实际情况进行调整。

4.4 注浆管制作

钻孔施工孔径127 mm，钻至20 m，下 φ42 mm注浆管，注浆管根据勘察资料的可燃层实际深度打上φ10 mm的规则梅花形孔。下注浆管时，加强套管的固定，避免高压注浆时发生套管被压出伤人事件。每个注浆孔的注浆量满足以下要求：第一个注浆孔注浆时，必须在监测孔返浆或地面返浆时才可停止;注浆1～2天后应再次注浆，若返浆则可停止注浆，否则应继续注浆。

4.5 施工设备

注浆钻孔采用 G －2、SU －300、BXU －100、SH－30型钻机施工。

注浆设备：高压注浆泵选BW－250型，该注浆泵注浆压力2～4 MPa，最大7 MPa，注浆排量90 L/min。

其他设备包括高压注入设备、搅拌设备、潜水泵，阀门若干个及注浆管路等。

4.6 浆液制作

通过潜水泵将水抽入搅拌池，按比例加入氯化镁与粉煤灰搅拌制成粉煤灰阻化泥浆。

4.7 注浆

粉煤灰阻化泥浆通过抽水泵抽入高压注浆泵，注入注浆孔，连续作业，当有地表返浆或压力达到最大工作压力仍无法注入浆液时，停止注浆，完成一个注浆孔的第一次注浆工作，1～2天后进行第二次注浆。注浆初期注入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 效果检验

5.1 气体检验

从检验孔中注浆前、后观测气体成分的变化(见表2)：可知注浆前、后注浆孔内气体变化明显，其中以O2、C2H4、CO气体含量变化显著。注浆后注浆孔内O2最高含量在9%以下，大部分注浆孔内O2含量下降至3%～6%，说明粉煤灰覆盖层已经切断可燃层助燃气体的供给，达到防灭火的目的。注浆孔内CO含量较低，只N18号注浆前浓度为7×10－6，注浆后为0;C2H4含量由注浆前的最高浓度96×10－6，下降到注浆后最高浓度 20 ×10－6，这也充分说明了通过压注粉煤灰与阻化剂已经对油罐区深部火区治理取得良好效果。

表2 注浆前后气体成分对比表

5.2 注浆管温度检验

从表3上看，注浆后注浆管内温度下降13～32℃。

5.3 注浆后地表现象

地表有返浆、隆起、开裂现象。

表3 注浆管内温度变化对比表

5.4 钻探取心

当完成全部钻孔注浆后，打钻取心，回填页岩孔隙充满粉煤灰，密实度增大。

6 结论及建议

通过注浆孔气体、温度观测值及打钻检验，注浆效果明显，在20 m深度内页岩空隙内有粉煤灰充填物，已形成密封带，密实度明显增大。

虽然油罐区深部火区治理工作已经完成，但由于火区已经自燃多年，从地质勘察报告及勘察钻孔所取钻心可以看出自燃层已经变酥软，缺乏承压能力。从以上检验结果上看：此次注浆效果明显，由于原回填矸石层密实度松散不均，注浆后地表有不同程度的隆起，地基土密实度有所增加，仍不均匀，建议对注浆处理过的地基土进行强夯，提高地基土均匀性及承载能力，并可形成一层更密实的防火隔离带，达到将注浆层下部可燃页岩与空气相对隔绝的设计目的。

［1］ YSJ 211－92，注浆技术规程［S］.

［2］ JGJ 79－2002，建筑地基处理技术规范［S］.

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［4］ 徐至钧.高压喷射注浆法处理地基［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［5］ 江正荣，等.建筑地基与基础施工手册(第二版)［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

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