Газогеохимические исследования

Газогетохимические исследования при инженерно-экологических изысканиях
Ключевые слова: инженерно-геологические изыскания; инженерно-экологические
изыскания; газогетохимические исследования; оценка газогеохимической опасности грунтов;
газогенерирующие грунты; биогаз; погребенные стихийные свалки; зоны влияния полигонов
твердых бытовых отходов (ТБО).
Аннотация: статья представляет собой краткий образ задач и видов газогетохимических
исследований при инженерно-геологических изысканиях. Подчеркивается необходимость
отражения
в
новом
нормативном
документе,
который
заменит
СП
11-102-97,
усовершенствованной методики и уточненного порядка проведения этих исследований на
разных стадиях освоения территории. Указывается на необходимость уточнения критериев
оценки газогеохимической опасности грунтов для соответствующего зонирования территорий
полигонов твердых бытовых отходов.
Балакин В.А. Труфманов Е.П. , Г. Раменское Московской области.
Газогетохимические исследования занимают особое место в комплексе работ по
инженерно-геологическим изысканиям. Это связано со спецификой объекта исследований инженерно-геологических массивов или грунтовых толщ, в составе которых присутствуют
газогенерирующие грунты – грунты, содержащие примеси разлагающейся «органики». Чаще
всего это техногенные образования (насыпные грунты погребенных стихийных свалок, иловый
осадок сточных вод), представляющие собой подвижные современные геосистемы, в пределах
которых процесс литификации длительное время (десятки лет) сопровождается образованием
экологически опасного биогаза и не менее опасного фильтрата. Интерес представляют и
природные отложения (торфа и торфосодержащие грунты) в составе грунтовых массивов как
источники депонированного болотного газа (метана).
Освоение
территории
распространения
газогенерирующих
грунтов
под
строительство связано с реальной опасностью накопления биогаза в пожароопасных (по
метану, молекулярному водороду) и токсичных (по диоксиду углерода, оксида азота, серы,
сероводороду и другим компонентам) концентрациях в технических подпольях зданий и в
инженерных
коммуникациях.
Газогеохимические
исследования
в
составе
инженерно-
экологических изысканий проводятся прежде всего для соответствующей оценки пригодности
данной территории для строительства с конечной целью обеспечения безопасных условий
эксплуатации зданий и сооружений и экологически безопасных условий проживания
людей.
В настоящее время основные задачи проведения газогеохимических исследований
таковы:

оценка современного газогеохимического состояния инженерно-геологических
массивов;

оценка степени газогеохимической опасности грунтов (насыпных и природных),
вовлекаемых в процесс строительства;

принятия решения о рациональном использовании территории (участка): с
полным или частичным удалением опасных грунтов либо без вывоза газогенерирующих
грунтов и со строительством зданий на уровне «черных» отметок;

Выбор мероприятий по биогазовой защите зданий, сооружений и инженерных
коммуникаций, а также приземной атмосферы;

решение вопроса л вторичном использовании грунтов, извлекаемых на дневную
поверхность при открытии котлованов и коммуникационных траншей;

оценка эффективности выполнения мероприятий по биогазовой защите зданий и
сооружений;

контроль состояния газовой сферы подземных частей зданий, выстроенных на
газогенерирующих грунтах.
Очевидно, что для обеспечения экологически безопасных условий проживания
населения названные задачи решаются на разных этапах освоения территории распространения
газогенерирующих грунтов – от предпроектной стадии (инвестиционной или землеотвода) до
стадий проектирования, производства строительных работ, благоустройства территории и
эксплуатации зданий. Так, на этапе строительства осуществляется газогеохимический контроль
качества удаления опасных грунтов из котлованов и траншей, а также оценивается
эффективность газозащитных инженерных сооружений. К последним относятся система
газового дренажа (включающая газодренажные трещины, скважины и газоразгрузочные
колодцы) и газозащитные
экраны (роль которых могут выполнять элементы конструкций
поземных частей зданий и полимерные газозащитные покрытия, а также прослои уплотненных
глинистых грунтов в структуре грунтовой толщи, вмещающей сооружение).
Для решения поставленных задач выполняются следующие виды работ (в
зависимости от стадии освоения территории и степени ответственности возводимого объекта):

поверхностная шпуровая газовая съемка грунтовых толщ (при глубине шпуров
0,8-1,0 м, то есть при глубине формирования поверхностных биогазовых аномалий);

скважинное поглубинное опробование воздуха насыпных грунтов на всю их
мощность с заглублением в подстилающие отложения;

эмиссионная съемка – измерение интенсивности потоков биогаза к дневной
поверхности;

газохроматографический анализ проб грунтового воздуха;

лабораторное определение газогенерационной способности грунтов.
Шпуровая газовая съемка территории применяется преимущественно на
предпроектной стадии-для поиска и оконтуривания поверхностных биогазовых аномалий
(часто генетически и пространственно связанных с глубинными аномалиями). Их обнаружение
является основанием для проведения скважинных газогеохимических исследований при
производстве инженерно-геологических изысканий на стадии проектирования.
Шпуровое опробование грунтового воздуха применяется также на стадии
строительства-при
контроле
качества
удаления
опасных
грунтов
из
котлованов
и
коммуникационных траншей (в пределах выделения поверхностных и глубинных аномалий).
Размер ячеек сети точек опробования изменяется от 10х10 м в котловане до 20х20 и 50х50 м ( в
зависимости от площади, конфигурации и ответственности объекта) на дневной поверхности
территории предполагаемого строительства.
Скважинное поглубинное опробование грунтового воздуха проводится для
изучения глубинной структуры газового поля грунтовых толщ и определения вертикальной
газогеохимической зональности разреза с выделением в массиве прослоев грунтов с
максимальной газогенерационной способностью, а также газосодержащих (газогеохимически
инертных грунтов). Для этого целесообразно использование инженерно-геологические
скважины,
обычно
пробуриваемые
на
стадии
проектных
изысканий
под
габариты
проектируемых зданий и сооружений по сети 25х25 м, а также на прилегающей территории в
пределах выделенных поверхностных биогазовых аномалий. Отбор проб скважинного
грунтового воздуха проводится через каждые 1,5-3,0 м бурения по мере проходки насыпной
толщи с заглублением в подстилающие отложения над уровнем грунтовых вод.
Для оценки газогеохимического состояния грунтовых толщ, вмещающих здания и
сооружения, проводится эмиссионная съемка как измерения интенсивности биогазовых
потоков к дневной поверхности. Интенсивность потоков биогаза зависит от газонасыщенности,
активности газоотдачи и газогенерационной способности грунтов. По соотношению выделение
на изучетношению величин потоков основных компонентов биогаза (метана и диоксида
углерода) возможно выделение на изученной территории зон активной газогенерации,
биогазовой разгрузки и окисления продуктов метаногенеза в грунтовых толщах.
Методика измерений биогазовой эмиссии, где интенсивность потоков биогаза
рассматривалась как один из показателей газогеохимического состояния грунтовых толщ и
определилась по скорости изменения концентрации биогаза в накопительной емкости,
устанавливаемой на дневной поверхности. Однако опытно-методические исследования
показали, что определение биогазовой эмиссии на дневной поверхности не дает истинного
значения интенсивности биогазового потока, так как поток, формирующийся в глубине
грунтовой толщи (в анаэробных условиях), претерпевает существенные изменения в верхней
части разреза ( в зоне аэрации) за счет окисления продуктов метаногенеза.
В новом нормативном документе, который заменит СП 11-102-97, максимальную
возможную величину биогазового потока предлагается определять по скорости изменения
концентрации биогаза в накопительной емкости с заданной площадью основания и известным
объемом, устанавливаемой над устьем скважины после проходки всей мощности насыпной
газогенерирующей толщи и заглубления в подстилающие отложения. Отбор газовых проб из
накопительной емкости проводится через каждые 5 минут в течение получаса. Величины
биогазовых потоков рассчитываются по графикам изменения во времени концентраций
основных компонентов биогаза (метана и диоксида углерода) и кислорода.
Результаты эмиссионной съемки учитываются как для рационального использования
территории, так и при математическом моделировании процессов миграции биогаза и
накопления его в опасных концентрациях (по метану) в заглубленных частях зданий и в
замкнутых помещениях на первом этаже. При этом в математических расчетах используются
также величины газогенерационной способности грунтов, определяемая в лабораторных
условиях при инкубации нативных проб их основных литологических разностей по
специальной методики .
Для оценки газогеохимического состояния грунтовых толщ проводится анализ проб
грунтового воздуха, отобранных в специальные пробоотборники (барботеры) объемом 80-100
мл из шпуров, скважин и накопительных емкостей, с использованием высокоточных газовых
хроматографов. В каждой газовой пробе обязательно определяется содержание основных
компонентов биогаза (метана и диоксида углерода), а также воздушных составляющих
(кислорода, водорода, азота). При оценке возможного влияния нефтяного загрязнения грунтов
на структуру газового поля инженерно-геологических массивов в пробах грунтового воздуха
определяется содержание более тяжелых углеводородных газов (содержащих от 2 до 6 атомов
углерода).
Следует отметить, что экспресс-анализ газового состава грунтового воздуха с
помощью портативных газоанализаторов в полевых условиях целесообразно проводить лишь
для поиска возможных аномалий и для уточнения параметров сети размещения точек
опробования и не следует использовать при оценке газогеохимического состояния грунтов и
при газогеохимическом районировании территории.
По результатам проведения шпуровой газовой съемки, скважинных исследований и
измерений величины потоков биогаза с газохроматографическим определением состава
грунтового воздуха производится районирование территории по степени газогеохимической
опасности грунтов. Согласно классификации, приведенной в СП 11-102-97, грунты делятся на
безопасные, потенциально опасные, опасные и пожаро- и взрывоопасные (прежде всего по
максимальному содержанию основных компонентов биогаза-метана и диоксида углерода). Так,
согласно этой классификации опасными являются грунты с содержанием метана более 1,0 %
(объемн.) и диоксида углерода – более 10 % (объемн.).
Имеется необходимость уточнения критериев оценки газогеохимической опасности
грунтов.
Согласно
актуализированного
усовершенствованной
нормативного
классификации
документа
(см.
грунтов,
таблицу),
предлагаемой
при
оценки
для
степени
газогеохимической опасности грунтов, помимо величины максимального содержания метана и
диоксида углерода, следует учитывать и их соотношение, а также содержание кислорода в
грунтовом воздухе (отвечающего за аэробные или анаэробные условия биогазообрзования и
формирование зон биогазовой разгрузки). В предлагаемой классификации учитывается
присутствие в составе грунтового воздуха примесного молекулярного водорода, пожаро- и
взрывоопасного газа при содержании более 4,0% (объемн.).
Классификация грунтов по степени газогеохимичской опасности
Степени
Объемная доля компонентов, % об.
газогеохимической
СН4
СО2
Н2
О2
∑ТУВГ*
0,01-
1,0-5,0
<0,1
>18,0
следы
опасности грунтов
Безопасные
0,1
Потенциально опасные
0,1-1,0
1,0-5,0
<0,1
<18,0
следы
Опасные
>1,0
>5,0
>1,0
<18,0
следы
Пожаро-
и >5,0
nx 10
>4,0
<18,0
следы
взрывоопасные
∑ТУВГ* - суммарное содержание тяжелых углеводородых газов.
Новые критерии оценки степени газогеохимической опасности грунтов используются
при
газогеохимическом
районировании
и
зонировании
территорий
проектируемого
строительства, приуроченных к участкам распространения погребенных стихийных свалок,
площадок депонирования илового осадка сточных вод и к зонам влияния полигонов твердых
бытовых отходов.
Результаты проведения газогеохимических исследований по усовершенствованной
методике оформляются в виде заключений с вариантами рационального подхода к освоению
территорий под строительство и при необходимости используются авторами для разработки
математически обоснованных рекомендаций по биогазовой защите зданий и сооружений.
Журнал «Инженерные изыскания» , №9/2011
Издательский центр Геомаркетинг