某隧道棄渣場自燃成因分析及防治建議①

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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)，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(chǎn)生自燃。因此，揭示棄渣自燃的成因?qū)ΡＷo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(chǎn)生的棄渣經(jīng)爆破后采用卡車裝運，經(jīng)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(zhì)板巖、含炭鐵質(zhì)硅質(zhì)板巖、含炭質(zhì)泥巖、含炭鐵泥質(zhì)微晶灰?guī)r［12］。隧道施工時產(chǎn)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(diào)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(zhì)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(nèi)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(zhì)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(nèi)、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(nèi)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(nèi)、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(nèi)部提供了條件；②安息角大時，風流動壓部分轉(zhuǎn)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(diào)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(chǎn)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(zhì)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(nèi)部形成了空氣通道（供氧），產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(diào)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(nèi)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(zhì)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(zhì)微孔隙和不穩(wěn)定礦物溶蝕孔是研究區(qū)頁巖基質(zhì)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(zhì)、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?nèi)、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(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖、炭質(zhì)泥巖等，有機質(zhì)和硫化物含量高，化學性質(zhì)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(zhì)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(nèi)部形成了空氣通道（供氧），產(chǎn)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(zhì)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(nèi)部的可能性；此外，該巖系硅質(zhì)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(zhì)、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(chǎn)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。基于前述自燃成因分析，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(nèi)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(nèi)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(nèi)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。