بخشی از مقاله
چکیده
تعدادي از پروژههاي تونلسازي دنیا و ایران در زمان ساخت با گاز سولفید هیدروژن - H2S - و مشکلات آن مواجه شدهاند. حل چالشهاي مربوط به ورود این گاز به فضاي زیرزمینی بسیار سنگین و پرهزینه میباشد. تجربه نشان داده است که وجود این گاز در مقادیر بیشتر ازppm 10 در داخل تونل مشکلات جدي براي سازندگان تونل ایجاد مینماید. در این مقاله مشخصات، اثرات، قوانین ایمنی و منشا گاز H2Sمورد بررسی قرار گرفته است. سازندهاي زمین شناسی مرتبط با منابع هیدروکربوري در تشکیل و ذخیره گاز H2S بسیار مهم می باشند.
در این مقاله مثالی از تونلی که در سازندهاي هیدروکربوري حفاري شده، ارائه شده است. با توجه به زمینشناسی ایران، مناطق مستعد براي بروز این مشکل را می توان از قبل تا حد زیادي شناسایی نمود. براي پیشبینی خطر گاز H2S در فضاهاي زیرزمینی، میتوان از شواهدي همانند چشمههاي گوگردي، آثار مواد آلی در رخنمونهاي سنگی، شیلهاي آلی، تصاعد بوي گوگرد از سطح شکسته شده تازه سنگ، استشمام بوي گاز در زمان حفاري گمانه ها، استفاده نمود. همچنین براي کاهش خطرات و مشکلات حفاري تونل در محیط H2S میتوان از روشهاي کنترل ورود آب زیرزمینی به داخل تونل، رقیقسازي غلظت گاز و تبدیل H2S به مواد بی خطر بهره گرفت.
واژگان کلیدي: تونل، فضاي زیرزمینی، سولفید هیدروژن، H2S، سازندهاي هیدروکربوري، چشمههاي گوگردي
مقدمه
ورود گاز H2S به فضاهاي زیرزمینی و مشکلات ناشی از آن یکی از خطرات مهم زمین شناسی در پروژههاي تونلسازي میباشد . - Proctor & Monsees, 1985 - در این مقاله ابتدا مشخصات، منشا، اثرات بر سلامتی و قوانین واستاندارهاي ایمنی گاز H2S مورد بررسی قرار گرفته است. قابل ذکر است که یکی از مهمترین منشاهاي گاز H2S،سازندهاي هیدروکربنی میباشند . - Anthony et al., 1999 - این گاز معمولا محلول در آب زیرزمینی است. در این مطالعه مقدار آب و گاز ورودي به تونلی که در سازندهاي هیدروکربوري زاگرس حفاري شده و مشکلات ناشی از آن مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه برنامه مطالعات زمین شناسی مهندسی و راهکارهاي عملی براي کاهش خطرات و مشکلات حفاري تونل در محیط H2S به اختصار تشریح شده است. در پایان نیز تجربیات مربوط به روشهاي شناسایی خطر گاز H2S در مناطقی از ایران که مستعد بروز خطر مذکور هستند، پرداخته شده است.
مشخصات کلی گاز H2S
H2S گازي است بیرنگ با بویی تند و مشخص، شبیه به تخممرغ گندیده که چگالی آن نسبت به هوا 1/19 وسنگینتر از هوا میباشد. جرم مولکولی آن 34/08 و چگالی آن در شرایط متعارف 1/398 کیلوگرم بر مترمکعب است. - Blunden & Anaja, 2006 - میانگین عادي غلظت آن در هواي عادي در حدود 0,0001 الی ppm 0,0002 میباشد.سولفید هیدروژن بهعنوان یک سم چندطیفی شناخته میشود زیرا این گاز اثرات گوناگونی بر سیستمهاي مختلف بدن دارد. هرچند که برروي سیستم عصبی تاثیر بیشتري دارد. تاثیر مسمومیت سولفید هیدروژن قابل قیاس با سیانید است.گاز سولفید هیدروژن موجود در آب میتواند توسط فیلترهاي chlorination و manganese greensand و aeration، ozonation، activated carbon و biofilters پاك شود.
این ماده یک گاز خورنده و اسیدي ضعیف است که ترکیبی از کاتیون H+ و آنیون HS- میباشد. زمانیکه H2Sبصورت گاز در هوا آزاد باشد با فلز مس واکنش داده و باعث قطع و خرابی مدارها و تجهیزات الکترونیکی میشود.زمانیکه این گاز بصورت اسیدسولفوریک باشد با آلیاژهاي فولادي واکنش ایجاد کرده و باعث سولفاته شدن آنهامیشود، بهعنوان مثال میتوان به سولفاته شدن تجهیزات الکترونیکی دستگاه TBM اشاره نمود که بهمقدار قابل ملاحظهاي باعث پایین آمدن مقدار نرخ بهرهوري دستگاه خواهد شد.منشااین ماده بصورت طبیعی به شکل گاز است و معمولا از تجزیه مواد آلی - بعنوان مثال مواد فسیلشده داخل سنگها - بوجود میآید. از جمله منابع مهم تولید گاز H2S می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
-سنگهاي پیریت دار
-فاضلابها و مردابها
-سازندهاي هیدروکربوري
یکی از مواردي که در آن گاز H2S تولید میشود، اکسیداسیون کانیهاي سولفیدي نظیر پیریت است. پیریت یاسولفید آهن - FeS2 - در محیط احیا ته نشین میگردد و با حفاري تونل و قرار گیري در مجاورت هوا، اکسید شده وگاز سولفید هیدروژن را آزاد مینماید. همچنین از تجزیه مواد آلی گوگرددار، در چاهها، آبریزگاهها، مجاري فاضلاب-ها، مردابها و غیره نیز گاز H2S تولید میشود.علاوه بر موارد فوق، سازندهاي مرتبط با منابع هیدروکربوري نیز در تشکیل و ذخیره گاز H2S بسیار مهم می باشند - Anthony et al., 1999 - و - D.A. Day et al., 2000 - ، زیرا گوگرد موجود در سیالهاي هیدروکربوري در شرایط احیاء در زیرزمین به H2S تبدیل میگردد.
قابل به ذکر است که سازندهاي مرتبط به منابع هیدروکربوري شامل سنگ منشا، سنگ مخزن و سنگ پوش میباشد، که در این میان سنگ مخزن نسبت به سنگ منشا و سنگ پوش قابلیتبیشتري براي ذخیره این گاز در مقادیر زیاد دارد. زیرا گازH2S معمولا به صورت محلول در آب زیرزمینی می باشد، و سنگ مخزن به علت داشتن ناپیوستگیهاي زیاد و ضریب هدایت هیدرولیکی بالا مکان مناسبی براي تشکیل و ذخیره آبخوانهاي بزرگ است و در نتیجه در مناطقی که سنگ پوش به طور کامل بر روي سنگ مخزن وجود ندارد، گازهاي سنگ مخزن از طریق ناپیوستگیهاي موجود به مرور خارج می شوند ولی در صورت وجود آبخوان در سنگ مخزن، گاز H2S در آبخوان باقی میماند و آب را گوگردي میکند.
محلول آب و گاز H2S مانند هر محلول دیگري با آشفته کردن و تلاطم آب - ریختن، همزدن یا تکاندادن بوسیله افراد و ابزار - ، میتواند به افزایش سرعت آزاد شدن این گاز کمک کند. PH آب نقش مهمی در قابلیت انحلال و سرعت رها شدن آن دارد، محیطهایی با PH پایین - اسیدي - براي افزایش سرعت آزادسازي آن نسبت به محیطهاي با PH بالا - قلیایی - مساعدترند . - Naeemi et al., 2000 - لازم به ذکر است که سنگ منشا و سنگ پوش با توجه به ویژگیهاي لیتولوژیکی و ساختاري خاص خود قابلیت ذخیره گاز H2S به مقدار زیاد را ندارند.
در این مقاله تونلی که در سازندهاي هیدروکربوري زاگرس به صورت مکانیزه - TBM - در حال حفاري است، براي مثال ارائه میشود. اکثر قسمتهاي مسیر تونل از توده سنگهاي شیلی - سازندهاي پابده و گورپی - و آهکی - سازند ایلام - تشکیل شده است. قسمتی از مقطع زمین شناسی این تونل در شکل - - 1 نشان داده شده است. بر اساس مشاهدات انجام شده در طی حفاري تونل، مقدار آب و گاز ورودي به تونل در توده سنگهاي شیلی - سازندهاي گورپی و پابده - بسیار ناچیز و موضعی بوده - مقدار آنها در شکل - - 1 نشان داده شده است - ،اما در سنگهاي آهکی سازند ایلام، هجوم آب و گاز محلول در آن - H2S - به مقدار زیادي مشاهده گردید.
همان طور که در شکل - - 1 مشخص است حداکثر مقدار آب و گاز ورودي به تونل به ترتیب بیشتر از 300 لیتر بر ثانیه و بیشتر ازppm100 بوده است و مشکلات عدیدهاي براي حفاري تونل ایجاد نمود، از جمله این مشکلات میتوان به توقف حفاري به مدت چندین ماه و از کار افتادن وسایل الکترونیکی دستگاه TBM بدلیل خاصیت خورندگی گاز و نامساعدنمودن محیط کار براي پرسنل حفاري و لزوم استفاده از تجهیزات زیاد و محدود کننده ایمنی - مانند ماسک و کپسول هوا - و همچنین افزایش قابل توجه هزینه حفاري، اشاره نمود.
قابل ذکر است که در سازند گورپی، نشت مواد هیدروکربوري از فاصله بین قطعات پیش ساخته بتنی به داخل تونل مشاهده گردید که در شکل - - 2 نشان داده شده است. همچنین علاوه بر مورد ذکر شده، تراشههاي سنگی حاصل از حفاري در سازندهاي پابده و ایلام آغشته به مواد آلی بوده است.
