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原文传递富H2S隧道注碱参数优化及工艺设计研究

论文题名：	富H2S隧道注碱参数优化及工艺设计研究
关键词：	H2S隧道;注碱参数;注碱工艺设计;注碱孔布置
摘要：	隧道开挖掘进过程中H2S气体逸出情况时有发生，H2S气体作为有毒有害气体对工程施工和人体健康造成严重不利影响。注碱稀释是降低隧道中H2S气体浓度的根本措施，但关于富H2S隧道注碱参数以及工艺设计的研究却严重滞后，对此本文开展了全面系统的研究，对今后类似富H2S隧道的注碱治理具有积极的参考意义。本文以硫化氢岩石为研究对象，采用自制试验装置进行了硫化氢岩石吸附H2S处理和不同参数碱液浸泡试验，运用X射线衍射技术（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱仪（EDS）、非稳态压力降落法、核磁共振成像技术对比分析了不同参数碱液浸泡硫化氢岩石前后矿物组分、微观表面以及渗透特性的变化规律，以此优选最佳碱液参数；运用COMSOLMultiphysics软件，将渗流场与化学场进行耦合，计算富H2S隧道模型，在研究了不同注碱压力、不同钻孔孔径、不同注碱钻孔初步布置工艺对碱液扩散影响范围和碱液注入量的基础上，提出了一种新型注碱群孔布置工艺，提高了注碱效率。本文的主要研究结论如下：　　（1）Ca(OH)2溶液较Na2CO3溶液对硫化氢岩石黏土矿物的溶蚀能力更强，在3%浓度Na2CO3溶液环境下，生成钠长石和方解石次生矿物沉淀的相对含量最高，这些沉淀物会堵塞孔裂隙，不仅阻止深部硫化氢岩石被Na2CO3溶液进一步溶蚀，还会阻碍H2S气体的潜在逸散，故优选3%浓度的Na2CO3溶液。　　（2）硫化氢岩石经Na2CO3溶液处理后，生成了长条形絮状沉淀物和方块形颗粒状沉淀物，新生沉淀物种类繁多为硅铝酸盐（NaAlSi3O8和Al2Si2O5(OH)4）、碳酸盐（CaCO3、MgCO3）以及氢氧化物（Al(OH)3）的混合沉淀物，硫化氢岩石经Ca(OH)2溶液处理后，生成了许多不规则方形和纺锤形沉淀物，固体沉淀物成分简单为CaCO3。H2S气体经Na2CO3溶液治理后，由原本气体状态固硫于溶液中，以HS-离子和S2-离子形式存在，经Ca(OH)2溶液治理后，由原本气体状态固硫于Ca(HS)2溶液中，均达到了治理H2S有害气体的目的。　　（3）Na2CO3溶液与Ca(OH)2溶液均会造成硫化氢岩石气相渗透率的增大，但相比之下低浓度Na2CO3溶液所导致的硫化氢岩石气相渗透率增幅最小，故优选1%~3%浓度的Na2CO3溶液。结合以上结论，确定最优碱液参数为3%浓度Na2CO3溶液。　　（4）在注碱压力驱动下，碱液在隧道围岩中流动呈现“椭球型”分布。当进行中低压方式（1MPa~10MPa）注碱时，注碱压力越大碱液渗流半径越大，而当进行高压方式（10MPa~15MPa）注碱时，提高注碱压力但碱液渗流半径的变化并非呈线性增加反而增加量逐渐减少，故在充分利用注碱压力对碱液渗流半径数值提高的基础上，同时避免过大压力对围岩造成的不利影响，使用注碱压力10MPa的中压注碱为宜。150mm钻孔孔径在饱和浓度碱液渗流半径和碱液渗流影响半径上相比90mm、110mm、130mm钻孔孔径在同等半径平均数值上最高可分别提升0.896m和0.802m，故选用150mm为最优参数。　　（5）提出一种新型注碱群孔布置工艺，在此形式下碱液渗流范围内浓度分布均匀，无“碱液空白区”出现，对比相近注碱孔数量的布置形式，碱液横向渗流影响距离增长幅度为1.44%~18.59%，碱液纵向渗流影响距离增长幅度为2.45%~8.88%，碱液注入量增长幅度为1.57%~25.64%，提高了注碱效率，使H2S治理效果达到最优。
作者：	刘益林
专业：	建筑与土木工程
导师：	张学富
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022