» » Подземные сооружения без персонала, участвующего в подземных работах или в его эксплуатации

Подземные сооружения без персонала, участвующего в подземных работах или в его эксплуатации

Такие сооружения также очень разнообразны и могут быть:
— линейными (разнообразные водоводы, трубопроводы и пр.);
— локализованными (объекты добычи жидких и газообразных полезных ископаемых, хранилища, и т.п.):
— подверженными миграции в пределах скальных массивов (хранилища нефтепродуктов, захоронения опасных жидких и газообразных веществ и т.п.).
Среди всего разнообразия подобных объектов, наиболее специфическими можно считать хранилища и захоронения.
Хранилища

Среди разнообразных подземных и глубинных инженерных сооружений важное место занимают хранилища твердых, жидких и газообразных веществ. Подземные емкости в первую очередь делятся на:
— естественные (природные) полости;
— техногенные, включающие: переоборудованные горные выработки шахт и рудников и выработанные пористые породы (“коллекторы”), освобожденные от ранее содержащихся в них нефти, воды, газа и пр.;
— специально сооружаемые разными способами емкости (табл. 6.3).

По способу хранения подземные емкости разделяются на:
— герметизированные под избыточным давлением без наличия газового пространства;
— герметизированные под избыточным давлением с газовым пространством;
— под атмосферным давлением;
Емкости для сжиженных углеводородов рекомендуется располагать на глубинах не менее 60 м. Для сжиженных газов, хранящихся под давлением, рациональными глубинами являются: для бутана 30-60 м, для пропана 80-100 м]. Ho практически глубина заложения подземной емкости определяется горно-геологическими условиями и свойствами горных пород. Поперечное сечение их бывает различным, зависящим от емкости хранилища и свойств горных пород. Высота емкостей обычно 4-12 м, а ширина 4,5-10,5 м (высота в глинистых сланцах чаще 6-9 м, а в гранитах — до 13 м). Преобладают сводчатые сечения с применением анкерной крепи. Ho в принципе форма избирается с учетом минимального необходимого крепления. Иногда предусматриваются герметичные или несущие перемычки, искусственные или естественные. В областях вечной мерзлоты используются ледогрунтовые подземные емкости, часто с ледяной облицовкой (с выкладкой или способом искусственного намораживания).
Подземные хранилища, сооружаемые методом выщелачивания, обычно имеют большие объемы (от 1,7 до 1 550 тыс. м3) и связаны соляными пластами. Такие камеры должны иметь форму, обеспечивающую в течение длительного времени устойчивость в условиях большого горного давления. Это диктуется и требованиями безопасности, так как в случае обрушения камер возможен выход жидких или газообразных продуктов на поверхность. Поэтому преобладающими формами являются шарообразные, эллиптические и цилиндрические.
Перспективен вид хранилищ, создаваемых способом внутренних взрывов (в том числе и ядерных). Объем их зависит от глубины. Считается, что емкости до 300 м3 в глинистых породах могут сооружаться на глубинах до 30 м. При обычных взрывах диаметр емкости как правило 4-7 м.
Под действием взрыва в пластичных горных породах вокруг емкостей образуется зона уплотненных пород повышенной прочности. Предпочтительны пластичные четвертичные менее трещиноватые глины. Полезной считается химическая и физико-химическая инертность глинистых пород (например, к нефтепродуктам). Желательна мощность глинистой толщи порядка 20-40 м.
Физико-механическими последствиями подземного взрыва кроме разрушения пород в ближней зоне являются также существенные изменения пустотности и блочности среды, а это ведет к изменению фильтрационных характеристик и плотности массива. Как правило, взрыв приводит к разуплотнению среды (массива) и существуют количественные оценки изменения трещиноватости и раскрытия трещин (трещинной пустотности). Ho в высокопористых средах наряду с центральной зоной повышенной проницаемости вероятно появление зоны пониженной проницаемости (уплотнения) на более далеких расстояниях от центра взрыва.
При использовании взрывов необходимо учитывать преобразование не только самих скальных пород, но и динамики подземных вод. В этом аспекте, по мнению В.В. Адушкина, А.А. Спивака, Э.М. Горбуновой и др., основные механические проявления крупно-масштабного подземного взрыва, нарушающие естественно установившуюся гидродинамику подземных вод, связаны, во-первых, с действием волны сжатия на водосодержащие коллекторы, а во-вторых, с образованием в среде дополнительных пустот (камуфлетная полость, наведенная трещиноватость, а также пустотность, обусловленная разуплотнением среды) и деформацией водных коллекторов массива горных пород в целом. Процессы, сопровождающие взрыв, сложны. Динамическое сжатие коллекторов при взрыве приводит к куполообразному повышению уровня подземных вод и инъекции воды в норовое пространство и в ранее существовавшие и вновь образованные трещины. Формирование и последующее обрушение камуфлетной полости и, как следствие — образование столба обрушения и области повышенного разуплотнения среды вплоть до свободной поверхности, вызывает центральную депрессию в упомянутом куполе подземных вод (рис. 6.33). Следующая стадия движения подземных вод связана с их стоком в образовавшиеся при взрыве пустоты и образованием депрессионной воронки. На заключительной стадии происходит восстановление первоначального уровня подземных вод после заполнения образованных при взрыве пустот. Эти процессы сопровождаются изменением механических и фильтрационных свойств пород и образованием новых каналов фильтрации. Если быстрые колебания уровня подземных вод в эпицентре взрыва завершаются обычно в течение нескольких дней, то первоначальный уровень подземных вод может восстанавливаться более года.
Подземные сооружения без персонала, участвующего в подземных работах или в его эксплуатации

При ядерных взрывах объем подземных резервуаров обычно 4-40 тыс. м3. В водонепроницаемых породах от ядерного взрыва образуется сферическая полость, которая после обрушения свода принимает конфигурацию конуса обрушения. При сильном измельчении пород взрывом, конус обрушения может оказаться заполненным мелкообломочным материалом (рис. 6.34), что сильно уменьшит емкость хранилища.

Для анализа трещиноватости в районе формирования подобных резервуаров полезен опыт по изучению разрушения горных пород взрывом . В первую очередь важно отметить формирование четырех главных систем трещин (рис. 6.35). Под действием волны сжатия образуются радиальные трещины вокруг центра взрыва. Под действием волн разрушения формируются концентрические земного хранилища, созданного ядерным взрывом. трещины вокруг этого центра. Действие отраженной волны растяжения формирует обширное поле трещин, “блюдцеобразных” по отношению к земной поверхности и на значительном расстоянии близ центра взрыва (но выше него) — субгоризонтальных. Кроме того, у самой поверхности может образоваться более или менее хаотичная трещиноватость, возникающая от волн сжатия и растяжения на границе раздела полупространства. Все эти системы могут, так или иначе, трансформироваться с учетом ранее существовавших в массиве систем трещин. Кроме того, можно предполагать некоторое уплотнение массива ниже центра взрыва.

Следует также учитывать существующую зональность раздробленности горных пород по мере удаления от центра взрыва (рис. 6.36). Здесь выделяются:
I — зона дробления с полным нарушением первичных свойств массива пород;
II — зона частичного разрушения пород с раскрытием макро- и микротрещин;
III — зона сотрясений с незначительным раскрытием трещин и нарушением первичных свойств среды;
IV — зона естественного состояния массива с сохранением его первичных свойств.
В сильно трещиноватом массиве можно видеть (рис. 6.37), как на некотором расстоянии от взрывного заряда дробление пород практически прекращается и формируется зона рыхления, где массив распадается по естественным макротрещинам.

Все эти данные позволяют четче прогнозировать характер строения горного массива после взрыва и определять мероприятия по изоляции захораниваемых веществ.
Захоронения

Вредные отходы могут быть твердыми, жидкими, редко газообразными. Наиболее распространенными являются жидкие отходы. Отвердение даже радиоактивных отходов, их хранение и захоронение производится в малопроницаемые геологические формации, в которые захораниваются и жидкие отходы.
Надежное захоронение жидких отходов, является в значительной мере проблемой гидрогеологической, сходной с проблемой закачки нефтепродуктов. Этим вопросам посвящена довольно обширная литература.
Теория надежного захоронения опирается на представление о том, что глубокозалегающие геологические формации находятся вне сферы активной деятельности человека и не вовлечены в интенсивный круговорот живого вещества. Эти отложения труднодоступны для случайного или преднамеренного проникновения. Надежность хранения здесь подтверждается геологически длительным сохранением на глубинах углей, нефти, газа, фосфоритов и других веществ, которые можно считать естественными “отходами” древней жизнедеятельности. Отмечается саморегулирование процессов наполнения и утилизации подобных “отходов”.
Известно, что нефтяные и газовые залежи сохраняются и при высоких пластовых давлениях под “покрышками” слабо проницаемых пород даже при близком расположении тектонических разрывов, которые при наличии в поднятом (надвиги) или опущенном (пологие сбросы) крыльях литологических водоупоров характеризуются экранирующим эффектом (рис. 6.38).

Надежность захоронения в значительной мере определяется интенсивностью водообмена, которая в значительной мере определяется глубиной. Зона затрудненного водообмена со скоростями движения вод от долей до первых метров в год и временем полного водообмена в тысячи и десятки тысяч лет обычно локализуется в интервале глубин от первых сотен метров до 1,5-2 км. Для зоны замедленного водообмена (глубины 2-5 км и более) те же параметры составляют сантиметры в год и миллионы лет при преобладании рассолов, возраст которых в платформенных чехлах близок к возрасту вмещающих пород. При наличии проницаемых разрывных зон подобные воды могут оказаться у земной поверхности. Участки, прилегающие к таким проницаемым зонам (обычно — к зонам динамического влияния разрывов), неблагоприятны для глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов и промышленных стоков. Существуют даже рекомендательные схемы (рис. 6.39) оценивающие возможность или невозможность захоронения вредных жидких отходов в зонах динамического влияния разрывных нарушений.

Оценка сейсмических воздействий на глубинные и приповерхностные сооружения, связанные с подземным захоронением, различна. По данным канадской компании Онтарио-Гидро, интенсивность сейсмического воздействия с глубиной уменьшается. Это подтверждается материалами из разных стран. Так, в Китае известны случаи, когда горные выработки при землетрясении сохраняли устойчивость, а населенный пункт поблизости от шахты был разрушен. В Газли (Узбекистан) при сильном землетрясении глубокие буровые скважины сохранились, а их поверхностное оборудование претерпело разрушения. Поэтому ограничение создания полигонов захоронения жидких радиоактивных отходов по сейсмичности относится, прежде всего, к наземным сооружениям (павильонам скважин, трубопроводам, насосным станциям и т.п.), которые должны быть сейсмостойкими. Тем не менее, подобные захоронения не должны производиться в районах с возможностью образования сейсмотектонических дислокаций.
Захоронение жидких вредных веществ накладывает ограничения на использование недр в этом районе, в том числе и на разработки полезных ископаемых. Расчеты, выполненные для геологических условий платформ (Удмуртия, Ульяновское Поволжье), показали, что удаление от нефтяных залежей на 15 км и более достаточно для создания системы глубинного захоронения даже в том же коллекторе, который содержит нефть. Существующими нормативными положениями запрещается использование подземных вод, находящихся в пласте-коллекторе и вышележащем буферном горизонте в пределах горного отвода недр (второй пояс санитарнозащитной зоны). Запрет использования вод вышележащих, в том числе неглубокозалегающих горизонтов распространяется на участок, где расположены нагнетательные скважины (первый пояс санитарно-защитной зоны). В то же время подземные воды этих горизонтов могут быть использованы для технического водоснабжения системы захоронения (рис. 6.40).

В тектоническом отношении существенным препятствием для захоронения могут быть условия повышенной фильтрации в осваиваемом скальном массиве. Это обусловлено повышенной трещиноватостью либо повышенной проницаемостью разрывных зон.
Геолого-разведочные работы с целью обоснования глубинного захоронения жидких радиоактивных веществ (РАО) были проведены в районе ПО “Маяк” (Челябинск-40). В осадочном чехле Тече-Бродской структуры выявлены закарстованные известняки, изолированность которых от вышележащих горизонтов подземных вод не доказана. Поэтому данный район был признан непригодным по геологическим условиям для захоронения жидких РАО.
Тектонические разрывные нарушения в области захоронения вредных жидких отходов могут служить путями их вертикальной фильтрации вплоть до вышележащих горизонтов подземных вод. Это обычно относится к разрывам с мощными проницаемыми подзонами сместителя. Их проницаемость может быть связана как с литологией тектонитов, так и с молодой активностью, обусловившей увеличение трещинной пустотности. Ho как было отмечено выше, в некоторых случаях тектонические разрывы могут играть и роль экранов, препятствующих вертикальной фильтрации.
Оба варианта могут быть проиллюстрированы реальными примерами.
Негативный вариант связан с Северо-Донецким надвигом на сочленении Воронежской антеклизы с Донбассом (рис. 6.41). Район изучался в связи с поисково-разведочными работами для захоронения промстоков Рубежанского ПО “Краситель”. Выявлена тесная гидравлическая связь потенциального коллектора, которым является триасовый водоносный горизонт в лежачем крыле надвига, с разрывной зоной надвига, а по ней — с приповерхностными водоносными горизонтами в каменноугольных отложениях висячего крыла. Эти горизонты обводняют горные выработки шахт, примыкающих к надвигу. Данное обстоятельство послужило одним из аргументов против использования триасового водоносного горизонта в качестве коллектора промстоков.

Благоприятные для захоронения жидких РАО условия имеют место на горно-химическом комбинате (Красноярск-26), где система захоронения отходов (полигон “Северный”) расположена у сочленения относительно опущенной молодой Западно-Сибирской плиты и относительно поднятой древней Сибирской платформы. Здесь Чулымо-Енисейская впадина сочленяется по субмеридиональному разрыву с поднятием Енисейского кряжа (рис. 6.42). Разрывная зона заглинизирована и представляет собой глинистый экран, изолирующий воды в районе возможного влияния захоронения. Влияние экрана обусловило различие до 43 м в высоте естественных уровней грунтовых вод в крыльях разрыва (установлено результатами эксплуатации полигона и гелиевой съемкой). Глинистый экран образован перемятыми в разрывной зоне глинистыми породами. Разрывное сочленение находится в 3-4 км от центра захоронения. Водоносные горизонты I и II, залегающие в центре полигона на глубинах соответственно 370-465 м и 180-280 м, рекомендованы в качестве пластов-коллекторов для захоронения отходов.

Особым типом захоронения вредных веществ, в том числе высокоактивных отходов и ядерного топлива, являются различные типы могильников, в том числе: 1) могильник — скважина, с рабочей зоной на глубине более 450 м, закрепленной перфорированной металлической колонной, куда опускаются пеналы с остеклованными отходами; 2) могильник — шахтный ствол с рабочей зоной ниже 300 м для средне активных остеклованных отходов; выше них возводится бентонитовая и бетонная пробки; 3) могильник — камера выщелачивания, рассчитанная на захоронение средне активных цементированных или битумированных отходов в контейнерах; 4) могильник — шахта в массиве каменной соли со сложной системой подготовительных, транспортных и технологических выработок в рабочих и вспомогательных горизонтах; захораниваются отходы любой концентрации, используя буровые скважины и горизонтальные выработки; 5) вертикальное хранилище-могильник, представляющее собой шахтный ствол, оснащенный цилиндром из материала с низкой теплопроводностью и вентиляционным кольцевым зазором; в цилиндре размещаются упакованные в продуваемые воздухом кассеты и пеналы тепловыделяющие радиоактивные отходы. При этом отмечается, что “независимо от изолирующих способностей выбираемого массива пород надежность изоляции отходов основывается на многобарьерной системе” защиты. До последнего времени тектонические условия создания могильников часто не принимались во внимание.
Для хранения жидких и твердых вредных, особенно высокоактивных отходов, рекомендуется создание глубинных могильников (на глубинах не менее 2-3 км) в тектонических геоблоках, которые сложены горными породами с эффективными защитными свойствами и находятся в состоянии длительного тектонического покоя. Геологическая среда таких могильников может быть представлена вулканитами основного состава, глинами, солями и другими породами, обеспечивающими необходимую изоляцию. Непригодными считаются участки разрывных зон, особенно новейших и обводненных, т.к. они обладают повышенной проницаемостью и фильтрацией подземных вод. Поэтому наиболее перспективными для выделения подобных геоблоков считаются древние платформы и особенно их щиты. Для хранения жидких и газообразных углеводородов и опасных отходов могут применяться горные выработки большого объема (200-500 м3 и более), особенно в мощных соляных пластах. При этом учитывается, во-первых, возможность залечивания трещин солью, а во-вторых, определенная изменчивость объема выработок за счет деформируемости солей. Последнее требует учета времени хранения. Это особенно важно для радиоактивных отходов, предназначеннх для “вечного” захоронения. При этом захоронение считается “вечным”, если спустя 1 000 лет утечка не превышает 1/10 содержания опасного вещества, например, радионуклида.

title-icon Подобные новости