CC BY
33
УДК 622.8
О.С. Каледин
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ИЗОЛЯЦИИ РАЗУПРОЧНЕННОЙ ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЫ МАССИВА ДЛЯ ЗАХОРОНЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ В ОТРАБОТАННЫХ КАЛИЙНЫХ РУДНИКАХ
В связи с постоянно возраставшими в течение 20 века темпами производства и потребностями общества в энергии, на Земле скопилось большое количество вредных отходов и, с другой стороны, - гигантские объемы выработанного пространства под землей, образовавшиеся в результате выемки полезных ископаемых. Поэтому весьма актуальным стал вопрос о подземной изоляции вредных отходов.
Для надежной изоляции и захоронения токсичных отходов существует достаточно много различных концепций и технологий. Один из методов - изоляция отходов в специальных сооружениях в глубоко залегающих плотных геологических формациях (в частности в массивах каменной соли). Для создания надежных и не требующих поддержания захоронений в глубоких геологических формациях в основу положена концепция многобарьерности инженерной защиты. Эта концепция предполагает создание нескольких работающих независимо друг от друга барьеров на пути возможного распространения вредных веществ в окружающую среду. Захоронения могут производиться в построенных для данных целей хранилищах или в специально переоборудованных отработанных горнодобывающих предприятиях.
На данный момент в области захоронения отходов сложились соответствующие требования к гидроизоляции вертикальных и горизонтальных консервируемых выработок. Материалы, используемые при консервации должны быть химически инертными по отношению к окружающему массиву горных пород и грунтовым водам, а так же иметь способность
самозакрытия трещин, возникающих в процессе деформации. Одним из главных требований к материалам является их долговременная стабильность - способность сохранять свои свойства в течение всего срока службы.
В последнее время, в связи с постоянно ужесточающимися нормами к закрытию подземных горных предприятий, в Германии появилась потребность в альтернативном использовании подземного пространства отработанных калийных рудников. Изоляция отходов в выработках отработанных подземных предприятий может решить проблему устранения больших объемов отходов, а так же сокращения расходов на закрытие горных предприятий. Требования к закрытию калийных рудников в ФРГ предусматривают полное заполнение выработок для предотвращения последующих просадок земной поверхности. Поэтому для экономии средств на закрытие рудника Тойченталь (ФРГ) было решено заполнить выработки низко-токсичными сыпучими отходами.
Поскольку ранее захоронение отходов в калийных солях не производилось из-за сложных геомеханических условий, вы-сокой гигроскопичности пород, приводящей к выветриванию и увеличению проницаемости слагающих пород, а так же агрессивности среды в калийных рудниках, то возникла необходимость в исследованиях безопасности подобных захоронений токсичных отходов.
В ходе работ по изучению пород рудника была выделена пористая разукрепленная зона в массиве вокруг выработок [1]. Такая зона возникает сразу после сооружения выработки в результате высокой химической активности и гигроскопичности пород, слагающих массив. Порода поглощает влагу из воздуха, в результате чего в породном массиве происходят химические реакции. Результатом реакций является разупрочнение и появление пористости в приконтурной части породного массива.
Опасность этого состоит в том, что в случае поступления воды к хранилищу, вредности могут распространиться на большие расстояния по трещинам и нарушениям в обделке и приконтурном массиве, а также по капиллярам и порам в приконтурной части массива. Под действием горного давления через некоторый промежуток времени зараженные воды
могут поступать обратно в водоносные горизонты, что может повлечь крупномасштабные экологические катастрофы.
Обычно для изоляции полей захоронения отходов от притока грунтовых вод используют массивные перемычки протяженностью до 30 м. В данном случае грунтовые воды могут обходить перемычки по разуплотненной зоне.
Следовательно, для надежной изоляции токсичных отходов в калийных солях необходимо разработать технологию возведения защитных перемычек и проведение дополнительных мероприятий по защите породного массива и уплотнению контактной зоны перемычки и породного массива.
В Техническом Университете г. Фрайберга (ФРГ), был разработан состав бетона на магнезиальном вяжущем, который в наименьшей степени взаимодействует с активными породами, а также не дает усадки при отвердевании [2]. Однако в процессе возведения перемычек, несмотря на отсутствие усадки при отвердевании, при укладке бетона по контуру перемычки образуется зона увеличенной проницаемости из-за повышения температуры при отвердевании бетона и обуславливаемого этим ускорения разрушения пород под действием влаги.
Для устранения этого недостатка предложено производить уплотнение контактной зоны между перемычкой и породой с помощью инъекций полимерных составов. Этот выбор обусловлен тем, что относительно малая проницаемость и высокая химическая активность породы не позволяет проводить инъекции минеральными вяжущими.
Полимерные материалы активно применяются в промышленности только в последние 50 лет, поэтому их стабильность в течение 50-100 лет не является очевидной. Долговечность гидроизоляционной мембраны для сооружений данного типа должна составлять 100-150 лет. Этот срок выбран из-за способности соляных пород к «реологической текучести» - то есть кальматации пор и трещин под действием горного давления [3].
На основе анализа данных литературы и проведенных экспериментов по ускоренному старению материалов было установлено, что изменение свойств полимерных материалов (полиуретанов и эпоксидов) происходит только из-за
диффузии молекул соляных растворов в полимер. При этом, зная скорость диффузии агрессивных частиц, можно спрогнозировать время разрушения гидроизоляционной мембраны. Таким образом, можно создать гидроизоляционную мембрану, мощность которой в направлении диффузии будет больше, чем глубина проникновения агрессивных частиц в течение 100-150 лет.
Согласно исследованиям [4,5], глубина нарушенной зоны в калийных солях составляет 5-20 см. При этом размер трещин не позволяет рассматривать их как макротрещины, то есть приконтурная часть массива пород представляет из себя пористое тело с микропорами размером 0,001-0,01 мм. При этом в разупрочненной зоне можно выделить зоны, где выветривание уходит гораздо глубже, чем в окружающей области. Такие области массива можно рассматривать как макротрещины. Как уже было сказано, на поверхности контакта бетона и породы создается зона повышенной проницаемости. Ее появление обусловлено повышением температуры породы при укладке бетона, что влечет за собой ускорение разрушения гигроскопичной породы.
В ходе работы была проверена возможность применения в условиях калийного рудника полимерных составов ведущих европейских производителей. В результате проведенных экспериментов было выяснено, что для применения в вышеописанных условиях подходят двухкомпонентные не гидроактивные полиуретановые и эпоксидные составы. Акрилатные составы в соляных породах не полимеризуются, что исключает их применение.
Для проведения дальнейших экспериментов были выбраны низковязкие эпоксидные составы, так как в отличие от полиуретанов они обеспечивают более прочное соединение.
Также были проведены исследования по защите прикон-турной зоны массива от выветривания. Для этого в качестве покрытий были проверены различные полиуретановые и эпоксидные составы. Результаты наблюдения за водопогло-щением образцов карналлитита, покрытых различными составами, показаны на рис. 1.
Для создания непрерывной гидроизоляционной мембраны по всей протяженности перемычки была разработана ма-
тематическая модель распространения инъекционного материала в шве между перемычкой и породой [6]. Модель основывается на представлении шва как тонкой трещины. За основу для построения модели были взяты законы распространения жидкости в трещинах Ломизе [7].
Описание распространение фронта течения основывается на уравнении Вайсбаха-Дарси:
I = = ^.—ш2, (2)
йг 2 Dh
йР
где ---- градиент давления в направлении распространения,
йг
Л- коэффициент сопротивления, V- скорость течения, Dh -гидравлический диаметр распространения, р - плотность жидкости.
Модель была адаптирована для расчета распространения инъекционного материала при проведени инъекций с помощью инъекционных систем (перфорированных или матерчатых шлангов). Скорость распространения фронта волны определяется по формуле:
dRmx_ Р(Ъж) - Р(Ъ) Ь2
йг (я (г) ^ 12 • с -ц
и шахч*/ і
Яшах - 1П -----
V я0 )
где h - ширина шва, с - характеристика проницаемости шва.
Для испытания достоверности модели были проведены лабораторные испытания на стенде, а так же испытания в натурных условиях. Испытания на стенде показали высокую степени сходимость результатов (рис. 2).
Для испытаний в натурных условиях на стенке выработки были забетонированы 8 участков размером 50х50 см, на этих участках до бетонирования были укреплены инъекционные системы. В центре участков были пробурены шпуры диаметром 20 мм и глубиной 30 мм, в которые вставлялись металлические трубки (до бетонирования) для нагнетания воздуха с целью замера проницаемости.
Проницаемость соединения измерялась до и после нагнетания полимерных составов в шов путем нагнетания воздуха через трубку в центре плиты, последующего замера времени падения давления воздуха и обработки результатов этих замеров согласно вышеописанной модели. При нагнетании полимерных материалов в шов между бетоном и породой отслеживались смещения бетонной плиты под действием инъекционного давления, которые могли бы повлечь отрыв плиты от забоя,
200x200
Г = = = = = 1 050
11 - 11 О
II ' II о
II ^ II 111
Ц= = = „ = = 41
Рис. 3. Схема эксперимента
а также увеличение проницаемости шва. Давление нагнетания было ограничено 3 МПа. Смещений при проведении инъекций выявлено не было.
Во всех случаях было зафиксировано снижение проницаемости соединения до 10"18 - 10"19 м2.
После проведения экспериментов бетонные плиты были отделены от забоя, с них были смыты остатки карналлитита, при этом часть породы, укрепленная эпоксидным составом, осталась нерастворенной. Таким образом было измерено максимальное распространение инъекционного состава в шве. Измеренные значения показали хорошую сходимость с результатами моделирования.
Таким образом, на основе полученных результатов исследований была разработана технология сооружения перемычки для надежной изоляции токсических отходов в выработанном пространстве закрываемого калийного рудника. Предложенная технология предусматривает проведение предварительных мероприятий (защита массива от выветривания) и последующих мероприятий (уплотнение шва между бетоном и породой с помощью инъекций полимерных составов) для повышения надежности системы защитных сооружений против проникновения вод к месту захоронения отходов. При этом обеспечивается возможность производить замеры проницаемости соединения во время сооружения перемычки и по этим данным выбирать технологические параметры для проведения инъекционных работ.
Данная система мероприятий позволяет усилить защитные свойства подземного захоронения и предотвратить попадание токсичных веществ в биосферу. Так же применение данной системы в случае заполнения выработанного пространства изолируемых горных предприятий позволяет сократить расходы на их закрытие.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. BMBF-Vorhaben "Diversitare und redundante Dichtelemente fQr lang-zeitstabile Verschlussbauwerke" TU Bergakademie Freiberg, Institut fQr Berg-bau und Spezialtiefbau, Prof. Dr.-Ing. W. Kudla, 2004.
2. Wittke: Permeabilitat von Steinsalz - Theorie und Experiment. - Verlag GlQckauf GmbH, Essen 1999.
3. Salzer, K., Zwischenbericht von IFG Leipzig zum BMBF-F/E-Vorhaben "Entwicklung eines Grundkonzeptes fur langzeitstabile Streckendamme im leichtloslichen Salzgestein (Carnallitit) fur UTD/UTV" vom 15.06.2006.
4. Wasowietz, B. Untersuchungen zum Einsatz von Magnesia-Beton im Kontakt mit Kalisalzgestein. Interner Bericht TU Bergakademie Freiberg, Institut fQr Bergbau, 2005, unveroffentlicht.
5. Gruner, M. Untersuchungen zum Einsatz von MgO-zementsuspensionen zur abdichtung Carnallitit. Interner Bericht, TU Bergakademie Freiberg, Institut fQr Bergbau, 2005, unveroffentlicht.
6. Шищиц И.Ю. - Основы надежной изоляции радиоактивных отходов - М.: МГГУ, 2004, 632 с.
7. Rothemeyer, Helmut: Endlagerung radioaktiver Abfalle - Weinheim, VCH 1994.
Коротко об авторах
Каледин О.С. - аспирант, Московский государственный горный университет.
