CC BY
89
Геотехнология
Bilogub Oksana Iuriivna, postgraduate, oxana. belogub@,gmail. com, Ukraine, Donetsk, DonNTU
УДК 624.191.8
ОСОБЕННОСТИ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОДЗЕМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
А.Э. Кокосадзе, С.А. Чесноков, В.М. Фридкин
На основе проведенного анализа выявлены достоинства и недостатки различных схем компоновки подземных и поверхностных энергетических инженерных сооружений. Предложены схемы захоронения отходов атомных электростанций и концептуальные аспекты создания подземных энергокомплексов.
Ключевые слова: подземное пространство, энергетические объекты, компоновка подземных сооружений, отходы ядерной энергетики, захоронение отходов
Развитие цивилизации в XXI веке связано с непрерывном ростом энергопотребления, при этом значительная часть генерирующих энергообъектов может быть выполнена в подземной компоновке. В гидроэнергетике это деривационные тоннели и помещения машзалов ГЭС и шахтные водоводы, помещения машзалов и большепролетные выработки нижнего бассейна подземных ГАЭС. Значительный интерес представляют подземные комплексы ГАЭС-АЭС, осуществляющие выработку как пиковой, резервной и аварийной мощности (ГАЭС), так и энергии для базовой части энергопотребления АЭС. Продолжительность эксплуатации гидросооружений может достичь 100 лет. В атомной энергетике это подземные АЭС (эксплуатационный ресурс реакторного отделения станции с реакторами корабельного типа малой мощности составит 20 лет, для других реакторов - 35 40, максимум 60 лет), совмещенные с хранилищами РАО и подземными хранилищами высокоактивных отходов (ВАО) и облученного ядерного топлива (ОЯТ), располагаемых на глубинах более 200...300 м (рекомендации МАГАТЭ). Срок эксплуатации таких хранилищ составит сотни и тысячи лет.
Наметившийся в последние годы интерес к увеличению объёмов подземного энергетического строительства связан с наблюдающимся увеличением внешних динамических нагрузок на энергообъекты.
Для предварительной сортировки твердых отходов рекомендуется использование критериев по мощности дозы гамма-излучения на расстоянии 0,1 м от поверхности (при измерении в соответствии с утвержденными методиками.
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
Согласно санитарным правилам обращения с радиоактивными отходами (СПОРО-2002) СП 2.6.6.1168-02 к ВАО относят отходы с уровнем радиоактивности более 10 мГр/ч. Для ВАО характерен уровень радиоактивного заражения част/кВ. см мин по бета-излучению радионуклидам более 1.10 , по альфа-излучающим радионуклидам (включая трансурановые) более 1.105, по трансурановым радионуклидам - более 1.105.
Подземное захоронение высокоактивных отходов представляет собой сложнейшие горнотехнические и технологические проблемы [1,2].
В Российской Федерации принята нижеприведенная классификация жидких и твёрдых радиоактивных отходов.
Особенность высокоактивных отходов заключается в том, что они содержат в своём составе, с одной стороны, короткоживущие, но исключительно токсичные и тепловыделяющие элементы цезий-стронциевой группы, а, с другой стороны - долгоживущие элементы трансурановой группы (табл. 1). Для изоляции первых необходимо применение коррозионностойких тугоплавких контейнеров, способных выдержать срок эксплуатации как минимум 1000 лет. Для изоляции элементов трансурановой группы требуется срок в миллионы лет, который не может быть обеспечен только инженерными барьерами.
Таблица 1
Свойства долгоживущих радионуклидов ВАО и ОЯТ_
Радионуклид Период полураспада, тысяч лет Энергия излучения, Мэв
а У
U-235 7 х 105 4,4 0,18
U-236 2,3 х 104 4,4 0,11
U-238 4,5 х 106 4,2 0,05
Ри-239 24 5,16 0,05
Ри-242 380 4,9 0,05
Создаваемые подземные энергообъекты будут подвергаться значительному увеличению динамических нагрузок различного происхождения.
Во-первых, это опасность террористических актов, изощренность которых постоянно возрастает. Предполагается, что террористы могут обладать всеми новейшими видами наступательного вооружения. Поэтому особое внимание уделяется антитеррористическим мероприятиям в области энергетики, в частности, атомной.
Во-вторых, это постоянно возрастающий объем природных катаклизмов по всему земному шару: вулканическая и сейсмическая активность, торнадо, цунами, волны-убийцы и другие явления, причины которых до конца неясны. На Земле функционируют около 600 вулканов, непрекращающаяся активность которых приводит к существенному изменению климата Земли. За последние 10 лет наблюдалось три сверхмощных земле-
56
_Геотехнология_
трясения, магнитуда которых составляла около 9 баллов, что приводило к огромным разрушениям и людским потерям. Предполагается, что рост катаклизмов может быть связан с изменениями магнитных полюсов и климата Земли, скорости её вращения и смены ориентации оси вращения, с увеличением количества опасных гидрометеорологических явлений, ростом аномальных значений температур воздуха и количества атмосферных осадков, которые отмечаются за последние 30 лет почти повсеместно, а также с изменением состава изотопов в атмосфере, в частности, с увеличением наличия изотопа криптона 85.
Возможно, что глобальные процессы изменений современного климата и гидросферы планеты (Мировой океан) связаны как с антропогенными факторами, так и с циклами Солнечной системы (11, 30, 60, 200 лет), изменениями гравитационных полей Солнечной системы. Увеличение вероятности природных экологических катастроф связывают также с наложением современной антропологической нагрузки на природные и космические циклы планеты.
Сложность эксплуатации наземных АЭС, большая часть которых расположена по берегам рек и на побережиях для охлаждения реакторов, была подтверждена серьёзнейшей аварией на одной из крупнейших АЭС мира - японской станции Фукусима в 2011 году. Информация по этой аварии остаётся максимально закрытой, однако по пессимистическим оценкам независимых экспертов, авария имела шестой уровень опасности при максимальном седьмом уровне (по шкале МАГАТЭ). Причиной аварии было сильное землетрясение в море недалеко от побережья, где располагалась АЭС, усугублённое возникновением большой морской волны высотой, в три раза превзошедшей расчётную, перелившейся через ограждение станции. В результате была нарушена система охлаждения реакторов, что привело к расплавлению активных зон 3 из 6 легководородных кипящих реакторов, наблюдался значительный выброс радиации, огромные территории около станции были заражены радиацией, также, как и прибрежная акватория. Изопасного региона были эвакуированы 140 тыс.человек, ряд регионов оказался непригодным для жилья. По мнению экспертов, на ликвидацию аварии, в том числе демонтаж реакторов, уйдёт до 40 лет. Наблюдалась растерянность персонала станции и руководства страны; восстановительные работы проводились вахтовым методом без привлечения опытных иностранных специалистов. Наступления аварийного состояния этой АЭС можно было бы избежать при подземном размещении её основных технологических компонент, которое, в принципе, обеспечивает наиболее эффективное восприятие сейсмических воздействий и исключает опасность затопления станции рациональным конструктивным решением подземного инженерного сооружения.
В-третьих, это возрастание числа катастроф антропогенного проис-
57
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
хождения: падение самолета, несанкционированный запуск ракет, падение искусственных спутников, взрывы рядом находящихся крупных промышленных объектов, прорыв плотины т.д. Предполагается, что это может быть связано с износом технических средств, снижением технологической дисциплины, понижением квалификации персонала, работающего на технически сложных объектах, и возрастающей нагрузкой на техносферу.
В-четвертых, это возрастающая астероидно-кометная опасность. Исследования последствий падения на Землю космических объектов показывают степень возрастания их постоянной угрозы для человечества и в геологических масштабах времени (минимум 10 тыс. лет), для всей земной биосферы. Предполагается, что к Земле приближаются около 20 000 астероидов различного веса и орбит вращения, постоянное наблюдение осуществляют за 6 000 в силу технических возможностей. В настоящее время наибольшую опасность представляет астероид Апофиз, период вращения которого составляет около 8 лет, причём с Земли наблюдать за ним можно только в течение 1 года. Предполагается, что он может приблизиться к Земле на опасное расстояние в 2029 г. Лучшие специалисты космической отрасли предлагают различные варианты изменения его орбиты. Недавнее падение метеорита на г.Челябинск свидетельствует об актуальности этой проблемы.
В-пятых, это глобальная активация геолого-геофизических и климатических процессов на Земле гравидинамическими возмущениями в околоземном космическом пространстве, имеющими ярко выраженный резонансный или циклический характер. Эти явления активизировались после взрыва кометы Шумейкера-Леви на Юпитере с 16 до 22 июля 1994 г., когда российскими учеными был открыт радиально-гравитационный резонанс космических объектов (1994-2000 годы). Установлено явление грави-динамического происхождения космогенной эволюции интенсивности глобальных вариаций максимальных и среднесуточных температур, а также колебаний ветровых нагрузок и вариаций ежесуточной сейсмической активности на Земле. Эти факторы могут изменить климатические и сейсмические нагрузки на сооружения и их основания.
Исследуем сравнение достоинств и недостатков подземной и поверхностной компоновки АТЭЦ-150 в сравнительных баллах (табл. 2). Эти исследования были выполнены в отделе туннельных работ Всесоюзного института *Оргэнергострой* Минэнерго СССР, где в течение более 20 лет систематизировали данные по строительству и эксплуатации объектов энергетического, транспортного, специального назначения, а также горного дела.
По современным воззрениям Земная кора состоит из 14 мегатекто-ноплит, и постоянно происходящие их подвижки и надвижки (или субдук-ции) приводят к росту сейсмо-вулканической активности на всех участках
58
_Геотехнология_
Земной коры. Можно ожидать, что подземная компоновка энергообъектов будет в 3-4 раза (в условных единицах) предпочтительнее наземной компоновки.
Таблица 2
Сравнительное восприятие внешних воздействий энергообъектами в подземной и наземной компоновке
Факторы Сравнительная оценка в баллах
надземная подземная
Метеорологические и климатические
исходные события, в том числе:
смерч, ураган, торнадо 1 5
температурные колебания 1 1
осадки в виде дождя, снега, града 1 5
песчаная буря 1 2
снежная лавина, сель 1 2
туман 1 2
цунами, волны- убийцы
затопление наземными водами 1 4
затопление подземными водами 1 1
оползень 1 3
Итого: 9 25
Техногенные внешние воздействия, в том
числе:
сейсмические воздействия 1 4
вулканическая активность Не рассматривалась
горный удар Не рассматривался
падение метеорита 1 5
Итого 2 9
Антропогенные внешние воздействия, в
том числе:
падение самолёта 1 5
попадание ракеты 1 5
теракты и диверсии 1 5
воздействие близлежащих опасных 1 4
промышленных объектов (газопроводы,
взрывоопасные производства и т.д.)
внешние токсические газы 1 2
пожар 2 1
локальная военная активность 1 5
физическая защита объекта 1 3
Итого 9 30
Суммарный итог 20 64
Таким образом, энергообъекты в подземной компоновке в 3 раза лучше воспринимают внешние воздействия, чем наземные объекты.
Сравним строительно-монтажные особенности возведения энерго-
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
объектов в подземной и наземной компоновке (табл.3).
Таким образом, с точки зрения ведения строительно-монтажных работ подземная компоновка объекта менее предпочтительна по сравнению с наземной, особенно по срокам и стоимости строительства.
Что касается сравнения стоимости ведения подземных и открытых работ, то по опыту скандинавских стран стоимость ведения подземных работ буровзрывным способом в кристаллических породах Фенно-Скандинавского щита не выше, а иногда и ниже открытых работ, а с учетом эксплуатации сооружения приведенная по затратам во времени стоимость объекта всегда ниже.
Таблица 3
Сравнительная оценка этапов строительных работ
Этапы работ Экспертная оценка в баллах для компоновки объекта
подземной наземной
Лицензирование 1 1
Землеотвод 1 3
Инженерно-геологические изыскания 3 1
Нулевой цикл 2 1
Удобство ведений строительно-монтажных работ 3 1
Продолжительность строительства 1,5-2 1
Стоимость строительства 1,3-1,4 1
Итого 12,8-13,4 9
Совершенствование отечественной технологии ведения подземных работ, основанных, в частности, на применении современного импортного оборудования, позволяет считать, что стоимость подземных работ будет снижаться.
В настоящее время наблюдается новый подход к развитию модульной малой подземной энергетики, основанный на использовании реакторов малой мощности (ММ) - 40, 50 и 70...140 МВт, обладающих небольшими размерами и повышенной надёжностью. Такие реакторы успешно используют на атомных подводных лодках и морских судах.
Концептуальные аспекты создания таких подземных станций (ПА-ЭС ММ) включают следующие основные положения:
- глубина заложения реакторного помещения (РП) составляет не менее 60.100 м и определяется расчётом, исходя из исключения проникновения в биосферу радионуклидов при запроектной аварии (взрыве) на реакторе в предположении повреждения крепи РП и нарушения сплошности массива над реактором; крепь РП должна быть рассчитана на внешнее давление окружающих горных пород, давление и температуру от гипоте-
_Геотехнология_
тической аварии (взрыва с расплавлением активной зоны реактора), а также на поверхностные динамические нагрузки.
- помещение реактора может быть совмещено с временным хранением низко- и средне активных отходов, продолжительность такого рода хранилищ составляет десятки лет;
- на глубине свыше 300 м (рекомендации МАГАТЭ) располагают выработки хранилищ отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и ВАО, продолжительность эксплуатации этих хранилищ составляет сотни и тысячи лет;
- конструкции ПАЭС допускают извлечение и вывоз реакторов ММ для ремонтных работ на изготавливающих их заводах;
- снятие реакторов с эксплуатации производят в подземных условиях, при этом возможно повторное использование реакторного помещения для следующего поколения реакторов при условии спуска реактора на заранее пройденную нижележащую камеру для захоронения;
-окончательная консервация станции производится путём заполнения тоннелей, каверн или вертикальных стволов составами из бентонита в смеси со свинцовым порошком;
- станции располагают в геологической среде, рассчитываемой на размещении в ней хранилищ ВАО и ОЯТ;
- конструкции пристанционных хранилищ исключают любую возможность
- невозможность расположения станции в местах предполагаемого извлечения полезных ископаемых или наличия других производств и соответствующих предприятий;
- станция допускает поэтапный ввод в эксплуатацию с интервалами в годы или даже десятки лет;
- имеется возможность типизации конструктивных решений станции, что позволит значительно снизить финансовые вложения.
Компоновка ПАЭС возможна в вертикальных или горизонтальных выработках.
Первые имеют следующие основные преимущества: пониженное восприятие сейсмических, других природных и техногенных воздействий; небольшие по величине горные отводы, обеспечивающие минимальный риск вскрытия крупных трещиноватых зон; малый объём горных работ снижает воздействие последствие запроектной аварии; надёжное изучение массива при передовом бурении разведочных скважин.
К недостаткам такой компоновки относят, в основном следующее: возможное развитие зон вторичной трещиноватости на всю длину ствола -каналов возможного распространения радионуклидов; определённые сложности ведения горных работ; трудности при извлечении из стволов контейнеров с отходами и т.д.
_Извecтия ТулГУ. HayxM o Зeмлe. 2O13. Bып. 3_
Heoбвoднëнныe cлaбoпpoницaeмыe гeoлoгичecкиe фopмaции: ra-мeннaя coль, глины, кpeпкиe cкaльныe пopoды (гpaниты, диaбaзы и дpyгиe пopoды) - пpизнaны нaибoлee пoдxoдящими для paзмeщeния ПAЭC и xpa-нилищ PAO. Bb^op плoщaдoк для cтpoитeльcтвa ПAЭC MM пpoизвoдитcя нa ocнoвaнии дeтaльныx cтpyктypнo-гeoлoгичecкиx и инжeнepнo-гeoлoгичecкиx иccлeдoвaний, включaющиx физикo-мexaничecкиe, xимичe-crae, тeплoфизичecкиe и фильтpaциoнныe изyчeния cвoйcтв пopoд, oцeнки гeoмopфoлoгии paйoнa и гeoфизичecкиx aнoмaлий.
Bыpaбoтки в oкpyжaющиx peaктopнoe пoмeщeниe пopoдныx мaccи-вax, в ocнoвнoм из кpeпкиx cкaльныx пopoд, пpeдcтaвляют coбoй cвoeoб-paзныe выcoкoпpoчныe и дocтaтoчнo нaдeжныe oбoлoчки, ycтoйчивocть кoтopыx пpи внeшниx и внyтpeнниx вoздeйcтвияx нa 2-3 пopядкa вышe, чeм y любыx жeлeзoбeтoнныx oбoлoчeк, кoтopыe иcпoльзyют в нaзeмныx вapиaнтax AЭC. Cyщecтвeннo пpeвышaютcя минимaльныe тpeбoвaния пo выcoтe cлoя биoлoгичecкoй зaщиты (3...6 м), тaк гак глубину зaлoжeния пoдзeмныx кaмep peaктopoв пpинимaют вo мнoгo paз бoльшeй.
Пopoдныe мaccивы и pacпoлoжeнныe в нж пoдзeмныe coopyжeния иcпoльзyют в кaчecтвe aккyмyлятopoв тeплa, paдиoaктивныx выбpocoв и pacплaвa тoпливa пpи лoкaлизaции зaпpoeктныx (гипoтeтичecкиx) aвapий. Maccив coxpaняeтcя пpи выcoкиx тeмпepaтypax, пapoвыx и вoдopoдныx взpывax, нe тepяя зaщитныx cвoйcтв.
Bыбop мecтa для paзмeщeния ПAЗC и eгo пocлeдoвaтeльнoe изyчe-ниe в миpoвoй пpaктикe paccмaтpивaютcя кaк пepвый шaг oбecпeчeния бeзoпacнoгo coopyжeния cтaнции, тaк кaк имeннo гeoлoгичecкий фaктop лeжит в ocнoвe нaдëжнoгo фyнкциoниpoвaния cтaнции.
Для aнaлизa пocлeдcтвий зaпpoeктныx aвapий нa ПAЭC и cцeнapиeв вoзмoжнoгo выxoдa paдиoнyклидoв в биocфepy из пoдзeмныx xpaнилищ иcпoльзyют пapaмeтpы, пpивeдeнныe в тaбл.3, a тaкжe:
- кoлeбaния климaтичecкиx ycлoвий, гидpoгeoлoгичecкиx пapaмeт-poв, ypoвня мopя;
- пpoцeccы дeнyнaции и диaпиpизмa (для coлeй);
- пpoиcxoждeния мaccивoв пopoд и пpoгнoз ж cocтoяния нa вecь пepиoд экcплyaтaции xpaнилищ;
- гeoфизичecкиe и гeoxимичecкиe пpoцeccы: тeктoничecкиe paзлoмы и сдвиги, a тaкжe интpyзивныe и экcтpyзивныe ocoбeннocти.
ПAЭC имeют cлeдyющиe ocoбeннocти.
1. Из-зa нaличия знaчитeльнoгo чиcлa coeдинитeльныx c пoвepxнo-cтью кopoбoв, кaбeльныx, тpyбoпpoвoдныx и пpoчиx пpoxoдoк ПAЭC нe oблaдaют aбcoлютнoй бeзoпacнocтью.
2. Дoпoлнитeльныe, вoзмoжнo, бoлee cлoжныe мepoпpиятия пoтpe-бyютcя для oтвoдa тeплa пpи aвapии нa cтaнции c paзpyшeниeм aктивнoй зoны.
_Геотехнология_
3. Спасательные работы по тушению и ликвидации последствий пожаров более сложные по сравнению с открытой станцией.
4.При аварийных ситуациях затрудняется восстановление станции.
5. Обслуживание, ремонт и инспекция оборудования усложняются, так же, как и аварийная эвакуация персонала.
Проанализируем преимущества подземной компоновки энергообъекта по сравнению с наземной на примере АЭС в факторах, не приведенных в табл. 1.
Окружающие реакторное помещение породные массивы, в основном крепкие скальные породы, представляют собой высокопрочные и достаточно надежные системы, устойчивость которых при внешних и внутренних воздействиях на 2-3 порядка выше, чем у любых железобетонных оболочек, которые используют в наземных вариантах АЭС.
В качестве аккумуляторов тепла, радиоактивных выбросов и расплава топлива при локализации запроектных (гипотетических) аварий используют породный массив, обладающий защитными свойствами при возможных паровых и водородных взрывах.
Резко снижаются уровни опасных выбросов радиоактивных веществ в атмосферу при любой тяжёлой запроектной аварии (в 1000-10000 раз ниже, чем у наземных АЭС).
Упрощается и удешевляется снятие с эксплуатации и захоронение ядерных реакторов, радиоактивного оборудования и материалов после исчерпания ресурса или тяжёлой аварии.
Используются специальные примыкающие горные выработки для переработки низко- и среднеактивных отходов, хранения и окончательного захоронения РАО, в том числе ВАО и ОЯТ.
Исключение последствий наиболее опасных аварий позволяет располагать станции в непосредственной близости от потребителей и даже в подземном пространстве мегаполисов.
Расположение станций в непосредственной близости от потребителей позволяет снизить затраты на передачу электроэнергии и (или) тепла за счёт сокращения коммуникаций и протяжённости ЛЭП.
Подземная компоновка станции позволяет существенно снизить социальную и психологическую напряжённость среди местного населения.
Создание типовых ПАЭС ММ позволить значительно сократить стоимость проектирования и строительства станций.
Основные концептуальные аспекты подземного захоронения ВАО и ОЯТ сводятся к следующему.
Окончательное захоронение ВАО и ОЯТ замыкает ядерно-топливный цикл.
Из всех основных этапов подземного захоронения: лицензирование, сортировка, отверждение, упаковка, изоляция, транспортировка, размеще-
63
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
ние в капсулах и внутри инженерного барьера, захоронение, мониторинг -наиболее дорогой процедурой следует признать создание самого подземного хранилища на глубинах более 200.. .300 м (рекомендации МАГАТЭ).
Инженерный барьер повышенной надёжности состоит из вставленных друг друга (принцип «матрёшки) металлической бочки, в которую устанавливают капсулы с отходами, слоя из карбидов кремния - тепло- и радиационно изолирующего материала, слоя радиационно стойкого железобетона, металлоизоляции, слоя обычного бетона и бентонита. Инженерный барьер вставляется внутрь крепи подземной выработки - ствола или камеры.
Рассмотрим 5 вариантов возможного создания подземного хранилища. Первые три варианта предполагают создание хранилищ вне мест образования отходов, и всегда существует опасность транспортного терроризма.
Первый традиционный для всех рекомендуемых случаев - заново создание подземных выработок вне мест складирования отходов в породах типа скальных, соли и глины, реже - в вечной мерзлоте. Для этого варианта хранилища регионального, федерального или международного значения основную сложность представляет получение достаточно надежных свойств массива, в котором предполагается разместить хранилище. Для этого целесообразно сначала на глубине хранилища создать НИЛ.
Такого рода хранилища могут выполняться в вертикальной или горизонтальной компоновке. Последние на побережье океанов удобны для утилизации АПЛ и морских судов, а также международных хранилищ. К основным недостаткам этого варианта можно отнести уязвимость процедуры транспортировки отходов от постоянно возрастающего терроризма
Второй вариант и предполагает использование для размещения отходов отработанных выработок, например, горнорудных предприятий. В этом случае отпадает необходимость создания НИЛ, так как свойства массива уже достаточно хорошо изучены на протяжении, например, 50 лет (шахта им. Губкина: глубина 300 м, объем выломки породы около 40 млн куб. м). Кроме того, всегда сохранены инфраструктура предприятия и состав горнорабочих.
Для создания международного хранилища РАО может быть использована индийская шахта глубиной 3950 м, расположенная недалеко от морского порта Мадрас.
Третий вариант предполагает создание совместного холдинга.
Горнорудное предприятие - хранилище отходов, когда при освоении нового месторождения предлагается такая система отработки, которая создает элементы хранилища на глубинах более 300 м. После создания такого хранилища в недрах месторождения будет начата его загрузка, правда, в отдаленной перспективе.
_Геотехнология_
Следующие два варианта предполагают отсутствие процедуры транспортировки РАО, так как они сооружаются непосредственно на площадке расположения АЭС.
В четвертом варианте предлагается выполнение подземного хранилища непосредственно в санитарной зоне поверхностной АЭС, базируясь на данных инженерно-геологических изысканий ниже уровня расположения станции. Возможно, эти изыскания покажут непригодность подстилающих фундамент станции пород для хранилища РАО или ОЯТ. Для создания хранилища в этом случае предложена специальная конструкция для шахтноствольной компоновки хранилища (разработка ЗАО «Институт Оргэнергострой»).
В пятом варианте используют инфраструктуру подземной АЭС, и хранилище располагают непосредственно под или рядом с подземными выработками станции.
Четвертый вариант позволяет сократить расходы на лицензирование, уменьшить отвод земель и исключить транспортный терроризм.
Изоляция отходов в соответствии с рекомендациями МАГАТЭ по концепции многобарьерной защиты может быть обеспечена следующими основными системами: физико-химической формой отходов, предпочтительно в твёрдой фракции, инженерными барьерами повышенной надёжности и естественным барьером - геологической средой достаточно хорошо изученной и прогнозируемой в своём поведении на протяжении сотен и тысяч лет.
Конструктивно-компоновочные решения подземных хранилищ зависят от выбора системы захоронения и концепции подземного хранилища и от данных о характеристиках отходов, определяющих продолжительность их потенциальной радиобиологической опасности, инженерно-геологической ситуации и принятой этапности создания хранилищ.
Предложена трёхступенчатая схема захоронения ВАО и ОЯТ.
На первом предварительном этапе выполняют представительные инженерно-геологические изыскания для получения данных в масштабах от 1:500000 до 1:5000 для определения перспективной площадки на концептуальной стадии выбора технических решений научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) и подземного хранилища. В процессе создания НИЛ должна быть отработана технология проходки вертикального ствола в соляном куполе для конструкций лаборатории и хранилища. Кроме того, на отметках НИЛ расширяется диаметр пройденного ствола с целью использования пространства лаборатории для экспериментального и опытно-промышленного захоронения отходов. На этом этапе отрабатываются конструкции инженерных барьеров повышенной надёжности и, в частности, оценивается совместимость инженерного и природного барьеров. Продолжительность работ в НИЛ составляет от 5 до 10 лет
65
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
и более, а исследования по реологическим свойствам соляного купола целесообразно проводить в течение, по меньшей мере, 100 лет для получения своевременных оценок изменений свойств породного массива под воздействием теплового и радиационного полей и надёжного прогнозирования поведения природного барьера на протяжении сотен, тысяч и более лет.
Вторая основная стадия базируется на результатах инженерно-геологических изысканий в масштабе до 1:2000 (на стадии проектирования) и в масштабе 1:1000 (на стадии строительства) и научных исследований в НИЛ. На второй стадии создают собственно основное подземное хранилище, конструкция инженерных барьеров которого определяется по результатам экспериментальных и опытно-промышленных работ, выполненных в расширенной части НИЛ в течение 15-20 лет. Планируется на второй стадии изолировать отходы на протяжении 100 лет, обеспечив надёжный непрерывный мониторинг. Эту величину определяют исходя из надёжности прогнозирования свойств материалов для инженерных барьеров. Так, опыт использования в строительстве железобетона основного элемента инженерного барьера достигает 100 лет.
Третья, заключительная стадия предусматривает бессрочную изоляцию отходов, что может быть обеспечено успешной эксплуатацией хранилища на второй основной стадии с использованием результатов исследований соляного массива, проводимого в НИЛ на протяжении 100 лет.
Характер изоляции отходов на третьей стадии диктуется возможностью реализации достижений научно-технического прогресса, полученных в течение 100 лет.
Так, к этому времени, возможно, будет разработана новая, неизвестная ныне технология извлечения захоронений ВАО и ОЯТ и использования находящихся в них долгоживущих радионуклидов, например, для новых видов топлива или в радиомедицине. Для реализации этого направления инженерные барьеры должны быть выполнены таким образом, чтобы отходы могли быть извлечены без нарушения их изоляции. Возможно, к этому времени будут разработаны новые высокоэффективные изоляционные материалы, более надёжные, чем используемые в настоящее время.
Неизбежность такого подхода ставит под сомнение эффективность современных концепций развития ядерной энергетики на базе урана.
Если же будет признана неэффективность извлечения и использования отходов, системы изоляции, включая инженерные барьеры повышенной надёжности, их контакт с природными барьерами и сами природные барьеры должны быть проинспектированы по результатам мониторинга и при необходимости подвергнуты дополнительному усилению разработанному к тому времени с помощью новых более высококачественных изоляционных составов, возможно, с применением нанотехноло-
66
_Геотехнология_
гий и других передовых. Для этого в конструкциях инженерных барьеров на контакте с породным массивом и сами природные барьеры должны быть оборудованы специальными патрубками (вводами) для нагнетания специальных изолирующих растворов.
Концептуальные аспекты создания подземных энергокомплексов ГАЭС-ПАЭС заключаютсяв следующем.
Пик энергопотребления замкнутых энергосистем характеризуется существенной неравномерностью: пиковыми нагрузками в дневное время (максимум энергопотребления) и провалами в ночное время (минимум энергопотребления).
Для выравнивания этой неравномерности предложены так называемые гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), состоящие из верхнего и нижнего бассейнов, соединенных между собой напорным водоводом, подающим воду на так называемые гидроагрегаты, расположенные и заглублённые около нижнего бассейна. Обратимые гидроагрегаты представляют собой совмещённую на одном валу гидротурбину и насос и в генераторном режиме вырабатывают электроэнергию (в дневное время, снимая пики энергопотребления) а в ночное время перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний, «заряжая» станцию, используя избытки энергии в ночное время. Естественно, что на перекачку воды в верхний бассейн требуется больше электроэнергии, чем может быть выработано при работе станции в генераторном режиме. Но за счёт разницы в цене вырабатываемой электроэнергии в дневное время (пиковые мощности) и ночное время (избыток мощности) станция всегда оказывается рентабельной. Известен случай, когда была налажена продажа пиковой и аварийной мощности, вырабатываемой на ГАЭС, расположенной на территории одной Европейской страны, в энергосистему соседней страны, что свидетельствует об эффективности эксплуатации станции.
Первые наземные ГАЭС появились в Европе в 40-х годах прошлого века. В 1967 году на Всемирном энергетическом конгрессе в Москве шведскими инженерами был предложен проект подземной станции, в котором нижний бассейн и машзал были выполнены на глубине 450 м. Верхний бассейн располагался на поверхности и был соединён с обратимыми гидроагрегатами в машзале и нижним бассейном вертикальными водоводами. Для доступа к выработкам машзала и нижнего бассейна предложено использовать наклонный спиралевидный туннель. Однако неизвестно, был ли реализован этот проект. В течение ряда лет Институт «Гидропроект» им. С.Я. Жука, «Оргэнергострой» и ТулГУ выполняли научно-исследовательские и предпроектные работы по так называемой Ленинградской ГАЭС с подземным нижним бассейном (ГАЭС ПБ). Станция мощностью 1200 МВт имела напор 1200 м, подземный машзал, трансформаторное помещение, и выработки нижнего бассейна ёмкостью 2 млн куб.
67
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
м предполагалось разместить в гранитах типа «рапакиви» Фенно-Скандинавского кристаллического щита.
Доступ к подземным выработкам осуществляется через вертикальные стволы: один ствол для выдачи породы, второй - шахтный водовод для подачи воды из верхнего бассейна через водоводы машзала в выработки нижнего бассейна и третий ствол - для выдачи электрической мощности на поверхность в энергосистемы. Возможно наличие четвёртого ствола для спуска персонала и подачи ремонтного оборудования для нормальной эксплуатации станции.
Позднее институтами «Оргэнергострой», «Гидропроект» им. С.Я.Жука, НИИ КМА руда, ТулГУ были выполнены предпроектные проработки по подземной Губкинской ГАЭС мощностью 1200 МВт и напором 300 м, использующей в качестве нижнего бассейна около 10 млн куб. м отработанных камерных выработок шахты им. Губкина, расположенных в диапазоне глубин 250...300 м. Шахта им. Губкина эксплуатируется более 50 лет, добыча железистых кварцитов высокой прочности (коэффициент крепости по Протодьяконову более 30) выполняется скважинной отбойкой и выдачей породы через выпускные воронки
По экономическим соображениям выработки нижнего бассейна предпочтительно выполнять без крепи, так как в них в период эксплуатации станции не предполагается наличие людей.
Однако Институтом «Гидропроект» им.С.Я. Жука была предпринята попытка на стадии предпроектных проработок обосновать возможность на глубине 950 м в угольной шахте создания нижнего бассейна, изолируя уголь от воды путём внесения на лоток и стены выработок слой набрызг-бетона. За счёт большого напора наличие крепи в нижнем бассейне станция может оказаться рентабельной.
В США был предложена идея двухступенчатой подземной ГАЭС с первым промежуточным машзалом и нижним бассейном на глубине 1500 м и вторым машзалом и нижним бассейном на глубине 3000 м.
Преимущества подземной компоновки ГАЭС перед наземными станциями заключаются в следующем:
- меньший отвод поверхностных земель - только для верхнего бассейна;
- отсутствие необходимости в наличии в поверхностном рельефе существенных перепадов высот, что проблематично для СреднеЕвропейской равнины;
- возможность создания станции на равнинных рельефах;
- лучшее восприятие поверхностных динамических нагрузок;
- возможность унификации подземной компоновки, что позволит значительно снизить стоимость типовой станции.
Подземный энергокомплекс ГАЭС-АЭС представляет собой новое
68
_Геотехнология_
направление в энергетике. Этот комплекс основан на создании универсального источника базисной (АЭС), пиковой и аварийной (ГАЭС) энергии в единой подземной компоновке. При этом реакторное и турбинное помещения АЭС могут располагаться как на той же отметке, что и машинный зал, и нижний бассейн ГАЭС, так и на разных отметках. Предполагается, что под реакторным отделением АЭС будет размещаться хранилище РАО, включая ВАО и ОЯТ. Подземный комплекс обладает всеми преимуществами как ГАЭС, так и АЭС и имеет ряд следующих достоинств:
- сооружение подземных комплексов ГАЭС и АЭС может выполняться по единой технологии ведения подземных работ, что значительно уменьшает стоимость строительства, если бы эти станции строились отдельно;
- возможно сокращение подходных строительных стволов, через которые будет вестись подземное строительство;
- возможно использование вместо двух кабельных шахт одной для выдави энергии на поверхность от ГАЭС и АЭС и подачи её на ГАЭС при работе станции в насосном режиме;
- возможна подача энергии для работы ГАЭС с насосном режиме от
АЭС;
- в случае аварийной ситуации на АЭС возможна подача аварийной энергии от ГАЭС;
- в случае аварийной ситуации на одной из станций возможна эвакуация персонала на другую станцию вместо эвакуации персонала на поверхность;
-в любой момент возможно использование воды из ГАЭС для заглушки реактора при аварии.
Таким образом, возможно создание универсального энергогенери-рующего комплекса со всеми достоинствами подземной компоновки.
Концептуальные аспекты нового направления - создание подземных энергокомплексов в отработанных горных выработках заключаются в следующем.
Это направление подземного строительства считается достаточно новым - первые публикации по этой проблеме появились около 30 лет тому назад [6].
Рассматривают отработанные (пустые) выработки, созданные в результате ведения очистных работ и не подвергнутые закладке (заполнению инертными материалами). Привлекательность использования отработанных (брошенных) горных выработок заключается в сокращении или исключении проходческих работ при возведении подземных энергетических объектов. Наибольший интерес представляет использование отработанных горных выработок для нижнего бассейна подземных ГАЭС, объём которых может достигать миллионов кубических метров. Такие выработки предпо-
69
_Извecтия ТулГУ. HayxM o Зeмлe. 2O13. Bып. 3_
лaгaeтcя иcпoльзoвaть нeзaкpeплëнными.
Ocнoвными зaдaчaми в peшeнии пpoблeмы иcпoльзoвaния oтpaбo-тaнныx выpaбoтoк мoжнo cчитaть cлeдyющиe.
Bo-пepвыx, эти выpaбoтки пepвoнaчaльнo нe пpeднaзнaчaлиcь для иx пoвтopнoгo иcпoльзoвaния. ^этому иx пoвтopнoe пpимeнeниe yжe в oблacти пoдзeмнoгo энepгeтичecкoгo cтpoитeльcтвa тpeбyeт дeтaльнoгo до-cлeдoвaния инжeнepнo-гeoлoгичecкиx, гeoмexaничecкиx и дpyгиx cвoйcтв oкpyжaющиx выpaбoтки гopныx пopoд для пpинятия peшeния o6 иx до-пoльзoвaнии yжe в кaчecтвe cтpoитeльныx oбъeктoв.
Bo-втopыx, coглacнo пpaвилaм бeзoпacнocти вeдeния ropmix paбoт зaпpeщëн вxoд в oтpaбoтaнныe (зaкpeщëнныe) выpaбoтки бeз пиcьмeннoгo paзpeшeния глaвнoгo инжeнepa гopнoгo пpeдпpиятия. Это дocтaтoчнo cлoжнaя пpoблeмa, тaк гак имeeтcя дocтaтoчнoe кoличecтвo бpoшeнныx выpaбoтoк, кoтopыe мoгyт нaxoдитьcя внe кoмпeтeнции глaвнoгo инжeнepa кaкoгo-либo гopнoгo пpeдпpиятия.
B-тpeтьиx, пoдгoтoвкa oтpaбoтaнныx гopныx выpaбoтoк для шд-зeмныx coopyжeний, тpeбyющиx вoзвeдeния пocтoяннoй кpeпи, пpeдcтaв-ляeт coбoй дocтaтoчнo cлoжнyю гopнo-тexнoлoгичecкyю и cтpoитeльнyю зaдaчy.
B-чeтвëpтыx, pacпoлoжeниe ropero пpeдпpиятия, oтpaбoтaнныe выpaбoтки кoтopoгo пpeдпoлaгaeтcя иcпoльзoвaть для нужд энepгeтики, мoжeт нe cooтвeтcтвoвaть зaпpocaм энepгocиcтeмы.
Bo^oc o paзpeшeнии вxoдa в oтpaбoтaнныe выpaбoтки пpeдcтaвля-eт coбoй дocтaтoчнo cлoжнyю зaдaчy, cвязaннyю c жизнью людeй.
Пepeд тeм, кaк глaвный инжeнep дacт пиcьмeннoe paзpeшeниe для кoнкpeтнoгo пpoxoдчикa или гopнoгo инжeнepa нa вxoд в oтpaбoтaнныe выpaбoтки, дoлжeн быть пpoaнaлизиpoвaн знaчитeльный oбъëм инжeнep-нo-гeoлoгичecкoй, гeoмexaгичecкoй, мapкшeйдepcкoй и пpoчeй дoкyмeнтa-ции в тeчeниe вpeмeни oт мoмeнтa ocтaвлeния вeдeния oчиcтныx paбoт дo пoлyчeния paзpeшeния. Kpoмe aнaлизa кaмepaльныx дaнныx, дoлжeн быть выпoлнeн визyaльный ocмoтp cвoдoвoй и cтeнoвoй чacтeй oтpaбoтaнныx выpaбoтoк.
Aвтopaми пpeдлoжeнa тexнoлoгия вoзвeдeния вpeмeннoй кpeпи бeз пpиcyтcтвия людeй в ocнoвнoй oтpaбoтaннoй выpaбoткe. Для этого cнaчaлa дoлжны быть пpoйдeны пoдxoдныe выpaбoтки (штoльни) к пoдcвoдoвoй чacти выpaбoтoк и пo выcoтe CTe^ B ниx дoлжны быть ycтaнoвлeны мoщ-ныe пpoжeктopы для ocвeщeния пoдcвoдoвoй и cтeнoвoй чacтeй выpaбo-тoк. Oпытныe пpoxoдчики пpoизвoдят ocмoтp этиx чacтeй выpaбoтoк и вы-биpaют cooтвeтcтвyющee oбopoчнoe oбopyдoвaниe - гидpaвличecкий или пнeвмaтичecкий yдapник. Эти yдapники ycтaнaвливaют в штoльняx, pac-cтoяниe мeждy кoтopыми cocтaвляeт двa пpoлëтa cтpeлы yдapникa. Пocлe вы^л^ния oбopoчныx paбoт пpиcтyпaют к paбoтaм пo кpeплeнию выpa-
7O
_Геотехнология_
боток.
Крепь отработанных выработок выполняют по предложенной авторами технологии. Сначала из подходных штолен с использованием автоматических дистанционно управляемых механизмов. Это могут быть анкеры и набрызгбетон. Анкеры устанавливают при помощи анкероуста-новщиков, выполняющих сначала бурение шпуров, а далее установку в них затягиваемых стальных или полимерных анкеров. Разработаны двух-стреловые анкероустановщики, способные также закреплять сетку под анкеры.
Возведение набрызгбетонной крепи производят соплами, размещёнными на стрелах автоматизированных установок, использующими сухую, полумокрую или мокрую технологии.
Далее под защитой вышеописанной временной крепи выполняют постоянную железобетонную крепь или в опалубке, или по технологии на-брызгбетона. Последняя технология более безопасна, так как позволяет выполнить работы без присутствия персонала в выработке. В институте «Оргэнергострой» была опробована технология выполнения набрызг-бетонного покрытия толщиной 80.100 см.
Таким образом, современные технологии ведения подземных работ позволяют использовать отработанные горные выработки для подземных энергетических объектов, значительно сокращая объёмы проходческих работ. А в целом, современное подземное энергетическое строительство представляет собой активно развивающуюся отрасль, позволяющую обеспечить создание безопасных генерирующих мощностей и хранилищ отхо-
Список литературы
1. Чесноков С.А. Горно-технологические аспекты создания подземной энергетики // Горный журнал. 2010. № 11. С. 68-71.
2. Инновационные технологии создания подземных комплексов АЭС малой мощности/ С.А.Дмитриев [и др.] // Труды Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика». М., 2008. С. 912-915.
Кокосадзе Александр Элгуджевич, заместитель ген. директора, §аИ-na_stas&,mail.ги, Россия, Москва, ЗАО «Институт «Оргэнергострой»,
Чесноков Сергей Андреевич, канд. техн. наук, научный консультант, гаИ-па stasa,mail.ги, Россия, Москва, ЗАО «Институт «Оргэнергострой»,
Фридкин Владимир Мордухович, д-р техн. наук, проф., гдНпд stasa,mail.ги, Россия, Москва, МГУПСМИИТ и МГСУ
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
FEATURESOF UNDERGROUNDPOWER ENGINEERINGSTRUCTURES
А.Е. Kokosadze, S.A. Chesnokov, V.M. Fridkin
Merits and demerits of different schemes for arranging underground and surface energetic engineering constructions were exposed with using authors analyzing. The scheme of burying radioactive wastes for atomic power plants and concept aspects of creating underground energetic complexes are proposed.
Key words: underground space, energy facilities, the layout of underground structures, nuclearwaste, waste disposal.
Kokosadze Alexandr Elgudgevich, engineer, deputy general director, galina stasaimail.ru, Russia, Moscow, ZAO "Institute "Orgenergostroy",
Chesnokov Sergey Andreevich, scientific consultant, galina_stas@mail.ru, ZAO"Institute "Orgenergostroy", Russia, Moscow, City, ZAO "Institute "Orgenergostroy",
Fridkin Vladimir Morduhovich, doctor of technical sciences, professor, gali-na_stas@mail.ru, Russia, Moscow MGUPSMIIT & MGSU
УДК 622.28
МЕТОД РАСЧЕТА УСИЛЕННОЙ ПОГРУЖНОЙ КРЕПИ СТВОЛА, ПРОЙДЕННОГО БУРЕНИЕМ, НА МОНТАЖНУЮ НАГРУЗКУ
С.И. Копылов
Рассмотрен метод расчета усиленной погружной крепи ствола, сооружаемого бурением, на монтажную нагрузку. Для восприятия действия монтажных нагрузок предлагается круговую крепь армировать расстрелами, которые выполняют функцию усиления крепи, а после окончания строительства используются при армировке ство-
Ключевые слова: погружная крепь, ствол, расстрел, напряженно-деформированное состояние.
В практике строительства вертикальных стволов особое место занимают стволы, сооружаемые бурением. Эффективность этого метода сооружения стволов во многом определяется правильно выбранной конструкцией крепи, затраты на которую составляют основную статью расходов.
Из известных способов крепления пробуренных вертикальных стволов рассмотрим погружную крепь, для возведения которой требуются особые технологические приемы. В отличие от опускной и обычной
