CC BY
65
© Е.П. Каратыгин, И.И. Ризнич, 2005
УДК 69.035.4.002.68
Е.П. Каратыгин, И.И. Ризнич
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ РАЗМЕЩЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ В ПОДЗЕМНЫХ КАМЕРАХ УСОЛЬСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАМЕННОЙ СОЛИ
Семинар № 15
Усольское месторождение каменной соли расположено вблизи г.Усолье-Сибирское Иркутской области на левом берегу р. Ангары (рис. 1) и эксплуатируется тремя предприятиями методом подземного растворения солей через скважины, пробуренные с поверхности земли.
Промышленно соленосной является Усоль-ская свита, представленная переслаивающимися между собой пластами каменной соли, доломитов, ангидритов и сланцев. Мощность усольской свиты колеблется от 499,5 м (скв. № 7х) до 671 м (скв. № Р-2х).
Глубина залегания и мощность промышленных пластов соли в пределах контура гор-
ного отвода рассолопромысла ООО «Химпро-мУсолье» приведены в табл. 1.
Для обеспечения производства хлора и каустической соды на ООО «ХимпромУсолье» пробурены 12 скважин (рис. 1) [2]. Краткая характеристика рассолодобычного парка скважин и их состояния приведена в табл. 2.
В 2001-2003гг ЗАО «Химгортехнология» совместно с институтом земной коры СО АН РФ провело комплексные геолого-
экологические исследования по оценке перспектив использования отработанных соляных камер для размещения в них хлорорганических отходов ООО «Усольехимпром».
Для оценки возможности и безопасности
Рис. 1. Схема горного отвода рассолопромысла
« Усольехимпром»
•шоет для хр
Условные обозначения:
/_________ Граница горного отвода
* (согласно горн ост водному жгу от 2С.0М7, М,В Г»)
Контуры расположения промышленных объектов
Контуры расположения отдельных зданий и сооружений
Скважина и её проекция на дневную поверхность Трубопровод нерастворителя Трубопроводы воды/рассола Проектный контур камеры подземного растворения
Результаты локаций камер подземного растворения:
(дота локации и отмата сочония)
1984г. 1986г. 1989г. 1991г. 1996г.
оо ООО
№ пласта соли Глубина кровли, м Глубина подошвы, м Мощность, м
от до от до от до
I 721 886 750 912 8,53 26,0
II 875 879 900 908 25,0 29,0
III 902 911 966 979 13,0 25,0
IV 953 989 996 1015 13,0 15,0
V 978 1017 1013 1041 14,5 25,5
VI 1015 1042 1040 1060 9,5 50,5
VII 1048 1065 1116 1129 21,0 72,0
VIII 1108 1139 1144 1166 20,0 30,0
IX 1139 1170 1149 1175 10,0 28,0
X 1218 1243 1268 1279 35,0 50,5
XI 1279 1295 1377 1386 85,6 92,8
Таблица 2
№ скважины Объем камеры, тыс. м3 Краткая характеристика состояния
Р-1х 109,3 Законсервирована в связи с наличием препятствия в стволе
Р-2х 1096,0 Временно законсервирована
Р-3х 150,0 Законсервирована в связи с негерметичностью обсадной колонны
Р-4х 1053,0 Законсервирована в связи с необходимостью проведения сложного ремонта
5х 1740,7 (на 1.01.2000 г.) Эксплуатируется
6х 1620,0 (на 1.01.2000 г.) Эксплуатируется
7х 791,0 Эксплуатируется
8х 100,4 Эксплуатируется
9х 523,0 Законсервирована для ремонтных работ
10х - Подготовлена к пуску в размыв
11х 1,5 Подготовительный размыв
12х - Подготовительные работы
размещения хлорорганических отходов в подземных соляных камерах выполнены следующие полевые и камеральные исследования:
1. собраны и проанализированы фондовые, архивные и литературные материалы ранее приведенных геологических, гидрогеологических и геофизических исследований, буровых работ и опробования скважин;
2. проведена гидрохимическая и гелиевая съемки района;
3. проведено поинтервальное гидрохимическое опробование скважин;
4. составлена схема разрывных нарушений района работ
5. выполнен анализ геомеханического состояния массива горных пород в районе расположения скважин рассолопромысла;
6. проведено обследование технического состояния скважин и подземных камер рас-солопромысла и выбор отработанных камер
для опытных работ по размещению в них хло-рорганических отходов;
7. Изучено взаимодействие отходов с водными растворами хлорида натрия, каменной солью, доломитами и находящимся в подземной выработке дизельным топливом.
1. Особенностью Усольского месторождения каменной соли является почти горизонтальное залегание солевых пластов различной мощности и большое количество несолевых прослоев, что создает определенные трудности при отработке пластов соли подземны растворением (рис. 2).
Несолевые прослои представлены массивными доломитами и ангидритами, контакты несолевых прослоев крепкие, нетрещиноватые, что является благоприятным фактором для создания подземных хранилищ и размещения в образованных выработках отходов различного назначения.
11 (1БИС)
- карбонатные отложения С"
- солевая толща !
Условные обозначения:
- результаты локации и дата проведения локации - граница горных отводов ОАО “Усольехимпром"
и комбината “Сибсоль"
[Д - проектный контур отработки камеры
Рис. 2. Разрез Усольского соляного месторождения по скважинам Р-4х - 5х - Р-2х - 11 (1 )
Масшпаб 1:10 000
Обширные исследования, связанные с изучением месторождений каменной соли и многолетний опыт эксплуатации рассолопромы-слов однозначно свидетельствуют, что пласты каменной соли безводны и являются практически абсолютным водоупором. Межпластовый восходящий и нисходящий водообмен между слоями разделяющих (несолевых) пород практически отсутствует. Водоносные горизонты в разрезе промышленной соленосной толщи не выявлены [2, 4, 9].
Выше по разрезу отложения усольской свиты перекрыты более мощной («700 м) толщей чистых и загипсованных доломитов, ангидритов, и алевролитов и солей бельской, булай-ской и ангарской свит. В этой части разреза размещаются несколько рассольных горизонтов (суммарной мощностью около 60 м), гидравлически изолированных друг от друга. Отличительной особенностью этой части разреза
- крайне низкая обводненность, не превышающая сотых и тысячных долей л/с-м. Результаты гидрохимических исследований, выполненных в 2000-2001 г.г., подтверждают автономность водоносных горизонтов и, следовательно, отсутствие водопроводящих разломов в пределах Усольского месторождения.
Обобщение результатов ранее проведенных работ, дешифрирование топографической карты, обследование тектонической трещиноватости в бассейне реки Ангары и гидрохимическое опробование скважин и водопунктов позволи-
ли составить схему разрывных нарушений Ки-той-Бельского междуречья, включающего районы работ [3, 5, 7, 8]. Анализ проведенных исследований, позволяет утверждать:
максимальная глубина заложения тектонически ослабленных зон в районе работ не превышает 600м, и они не выходят за пределы надсолевой толщи;
горные отводы рассолопромыслов ОАО «Усольехимпром» и комбината «Сибсоль» целиком размещаются в центральной части слабо нарушенного блока. Почти равноудаленность промплощадки от дизъюнктивных нарушений благоприятствует изолированности подземных камер;
Согласно общему сейсмическому районированию территории Российской Федерации ОСР-97, г. Усолье-Сибирское расположено в 8балльном сейсмическом районе [6, 7]. Опыт эксплуатации Усольского рассолопромысла, а также рассолопромыслов, расположенных в тектонически-активных зонах Средней Азии, Южной Америки, показывает, что 8-балльная сейсмика не нарушает герметичности стволов скважин и подземных камер.
Геомеханическая оценка соляного массива Усольского месторождения каменной соли в районе рассолопромысла и скважины № Р-2х с камерой-хранилищем была выполнена для экстремально-неблагоприятных условий эксплуатации с привлечением метода граничных элементов и показала достаточную устойчивость соляного массива, незначительное влияние сейс-
моакустического воздействия и маловероятность нарушения герметичности под влиянием только этого фактора.
Геомеханические расчеты, выполненные с учетом сейсмической опасности региона, свидетельствуют, что при расчетном расстоянии от гипотетического центра землетрясения порядка 100 км сейсмические колебания в район опытных работ придут в виде «плоской » приповерхностной волны, причем с глубиной влияние сейсмичности на подземные сооружения резко уменьшится.
Расстояния между камерой скважины №Р-2х и ближайшими камерами скважин комбината «Сибсоль» (законсервированной № 11 -850 м и эксплуатируемой № 16х -1360 м) при реальных физико-механических показателях соленосной толщи существенно превышают принятые расстояния при расчете барьерных целиков (см. рис. 2).
Таким образом, камеры подземного растворения надежно изолированы не только от дневной поверхности, но и от надсолевой части разреза.
II. Для изучения взаимодействия отходов с компонентами окружающей среды были проведены следующие исследования:
- определение состава отходов, горных пород, рассола и применяемого нерастворителя;
- определение растворимости горных пород в отходах и их поглотительной способности по отношению к отходам;
- исследование взаимодействия отходов с эвтоническими растворами, породами и дизельным топливом в различных режимах;
- исследование коррозионных свойств отходов.
Исследование состава физических, химических и других свойств отходов включало:
- анализ состава отходов с применением хроматографических методов как собственно отходов, так и их отдельных фракций;
- определение физических характеристик отходов;
- оценка степени опасности и токсичности отходов расчетными методами и по результатам биотестирования.
Отходы производства эпихлоргидрина представляют собой сложную многокомпонентную смесь изомеров моно-, ди- и трихлор-производных углеводородов, причем основными компонентами смеси являются: 1,2,3-три-хлорпропан (46.5 масс.%), а также изомеры ди-хлорпропенов и дихлорпропанов.
Анализ выполненных исследований позволяют охарактеризовать отходы производства ЭПХГ по основным физико-химическим характеристикам как жидкость с высокой плотностью, высокой диэлектрической проницаемостью, вязкостью и общей кислотностью. Для нее характерна низкая удельная электропроводность, теплопроводность и теплоемкость, умеренные значения удельной теплоты сгорания и испарения, сравнительно низкая температура начала кипения и высокое парциальное давление паров хлорорганических компонентов. В связи с довольно низкой температурой воспламенения, вспышки и взрываемости паров отходы являются пожаро- и взрывоопасными. В химическом плане отходы ЭПХГ довольно активно вступают в реакции щелочного гидролиза, который прекращается по достижении суммарной концентрации хлорорганиче-ских компонентов в насыщенных растворах около 1,0 мг/л. Отходы обладают сравнительно низкой коррозионной активностью по отношению к черным и легированным сталям, являлась до некоторой степени ингибитором.
Для расчетов токсичности отходов производства эпихлоргидрина потребовалось про-веспровести уточнение их состава, для чего отдельно были исследованы дихлорпропановая (ДХП) и трихлорпропановая (ТХП) фракции.
Ароматических хлорсодержащих соединений диоксинового ряда в отходах не обнаружено.
По химическому составу выявленные соединения относятся к 3 классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности». ПДКр.з. колеблется от 2 до 10 мг/м3. По показателю летальной токсичности (ЛД50) и данным морфологических исследований отходы производства ЭПХГ также относятся к 3 классу умеренно опасных (умеренно токсичных) веществ [12].
Методически исследования взаимодействия отходов производства эпихлоргидрина производилось для трех условий, условно названных
- «быстрое насыщение» (длительное
перемешивание смеси из раздробленных до порошка пород, дистиллированной воды и отходов);
- «капельный режим» (капельное введение отходов без перемешивания в насыщенный рассол, в присутствии дизельного топлива);
- «имитация высокой колонны» (капельное введение отходов без перемешивания
в нижнюю часть высокого столба насыщенного рассола с отбором поинтервальных проб во времени).
Данные режимы взаимодействия исчерпывающе описывают возможные варианты взаимодействия компонентов системы в подземной камере в режимах закачки и длительного храПнишновка лабораторных опытов в таком виде преследовала цель смоделировать процесс подачи отходов эпихлоргидрина при очень малой производительности («2-5 м3/час), в замкнутую емкость большого объема (более 500 тыс. м3) и высоты (20-40 м).
При исследовании взаимодействия отходов с рассолами, доломитом и каменной солью, образуется сложная многокомпонентная многофазная система, включающая твердые соли и две расслаивающиеся жидкие фазы. Первая -органическая, представляет собой преимущественно смесь органических компонентов отходов, в которой в растворенном состоянии присутствуют в небольших количествах вода и солевые компоненты. Вторая фаза - водная, представляет собой рассол, в котором присутствуют органические компоненты. Плотность органической фазы (1,244 г/см3) выше, чем плотность эвтонического раствора хлористого натрия (1,197 г/см3), что обеспечивает возможность размещения отходов в нижней части ка-мерыИ.сследование взаимодействия отходов производства эпихлоргидрина с эвтоническими растворами и дизельным топливом в различных временных, температурных и диффузионных режимах показало, что суммарное содержание хлорорганических компонентов в водносолевой фазе составляет от 0.11 до 0,3 масс.% (в условиях предельного насыщения при 25 °С). Суммарное содержание органических компонентов в насыщенном рассоле по высоте колонны изменялось от 0,20 (вблизи контакта) до
0,14 масс.% (верхняя часть колонны).
Отходы практически не растворяют вмещающие породы (каменную соль и доломит) и, следовательно, их размещение не приведет к снижению устойчивости подземной камеры и подрастворению стенок выработки.
III. Размещение отходов в подземной соляной камере должно исключать загрязнение подземных водоносных горизонтов, оседание
земной поверхности; загрязнение атмосферы в результате выбросов, изменение геологической и тектонической обстановки.
Особое внимание уделялось обоснованию герметичности системы размещения отходов.
Скважина, предназначенная для размещения отходов - капитальная горная выработка, в которой подача жидких отходов и отбор вытесняемого раствора осуществляется по стволу, содержащему две или несколько свободновисящих колонн («труба в трубе»), а размещение отходов производится в подземной камере, образованной растворением каменной соли «in situ».
Как правило, для размещения промышленных отходов используется скважина подземного растворения, являвшаяся автономной рассолодобычной единицей и связанная с другими объектами рассолопромысла общим комплексом поверхностных сооружений. Сооружение рассолодобычной скважины осуществляется в соответствии с «Нормами технологического проектирования рассолопромыслов» [14].
Требования к скважине подземного растворения определяются ее функциями вскрывающий капитальной выработки, рассчитанной на эксплуатацию в течение нескольких десятилетий, а также особенностями технологии добычи рассола и последующего использования подземной камеры для размещения отходов. Выполнить свое назначение рассолодобычная скважина может только при соответствии ее конструкции требованиям эксплуатации и обеспечении герметичности гидравлической системы. При этом следует раздельно оценивать подземную камеру в соляном пласте и ствол скважины, оборудованный несколькими колоннами труб.
Комнлексный анализ результатов эксплуатации скважин и их технического состояния, перспектив увеличения мощности рассолопро-мысла и требований к скважинам для размещения отходов показали, что наиболее перспективной является скважина № Р-2х, находящаяся на окраине горного отвода, вне зоны промышленных строений и имеющая свободный объем подземной камеры только в X пласте около 55G тыс. мЗ (рис. З).
Север Скважина № Р-2Х Юг
абс. отм. +426,2 м
Развитие камеры по расчетным показателям и данным локационных съемок
Прогноз герметичности скважины на длительный период был произведен при условии периодических динамических воздействий подаваемых отходов с плотностью 1,25 г/см на элементы конструкции скважины с учетом коррозионной устойчивости цементных камней и обсадных колонн. Результаты расчетов и анализа показывают:
- конструкция скважины
состоит из четырех телескопи-
ческих колонн обсадных труб, две внешних из которых зацементированы. Герметичность скважины была проверена рядом стандартных испытаний перед пуском в подготовительный размыв и в 2001 г;
- герметичность скважины во времени определяется только скоростью коррозионных процессов в элементах конструк- Рис. ции скважины;
- технический срок эксплуатации об-
садных колонн (направление 0 426 мм и обсадная колонна 0 276 мм) до ремонта может составлять 160-200 лет;
Оценивая конкретные горно-геологи-
ческие условия нахождения камеры скважины №Р-2х в соляной толще, можно констатировать следующее:
- подземное хранилище токсичных отходов находится в герметичном соляном массиве и перекрыто 510 м соленосной толщей с непроницаемыми межпластовыми перемычками.
- усольская соленосная толща надежно защищена сверху слабопроницаемыми породами бельской и булайской свит общей мощностью более 500 м;
IV. Суммирующая оценка надежности размещения отходов ЭПХГ произведена на принципе «мультибарьерной стратегии РАО») [15], в соответствии с которой изоляция отходов должна обеспечиваться созданием нескольких барьеров.
1. Каменная соль, как основная порода, вмещающая камеру с антропогенными отходами, является первым геологическим барьером, обеспечивающим длительное
отделение отходов от биосферы, причем с увеличением глубины надежность захоронения резко возрастает.
2. Подземная выработка расположена на глубине более 1200 м, в кровле ее залегают несколько пластов каменной соли, перекрытых последовательно пропластками доломитов, ангидритов; вся соляная толща безводна.
3. Камера-хранилище имеет одну связь с земной поверхностью и атмосферой по стволу скважины.
4. С поверхностью камера соединена двумя колоннами обсадных труб, испытанных на герметичность. Скважина будет иметь запорную арматуру.
5. Дополнительным барьером является плотность отходов ЭПХГ, равная 1,25 г/см и превышающая плотность раствора хлорнатрия в камере, что обуславливает отсутствие давления на оголовке скважины в нормальном состоянии и размещении отходов в нижней части камеры.
Таким образом, наличие пяти барьеров различной степени надежности позволяет говорить о полной безопасности размещения хлорорганиче-ских отходов 3 класса опасности даже с точки зрения требований МАГАТЭ, установленных для жидких радиоактивных отходов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Узембло В.В. Соляные месторождения и со-лепроявления восточных районов СССР. Тр. ВНИИГ, Л., в. 52, 1966.
2. Дудко ПМ. Подземное выщелачивание солей. - М., Недра, 1972.
3. Гладков А.С., Семинский КЖ. Нетрадиционный анализ поясов трещиноватости при картировании субгоризонтальных разломных структур (на примере окрестностей Иркутска)//Геология и геофизика. 1999. №2, с. 213-220.
4. Гидрогеология СССР. Т.ХІХ, Иркутская область. - М.: Недра, 1968, 484 с.
5. Гладков А.С., Черемных А.В., Лунина О.В. Деформации юрских отложений южной окраины Иркутского амфитеатра//Геология и геофизика, 2000, т.41, №2, с. 220-226.
6. Изменение №5. СНиП 11-7-81 “Строительство в сейсмических районах”. БТС. 2000, № 6, с. 22-30.
7. Карта разломов юга Восточной Сибири. Масштаб 1:1500000//Ред. П.М. Хренов. 1988.
8. Леви К.Г., Хромовских В.С., Кочетков ВМ. и др. Сейсмотектоника, прогноз землетрясений, сейсмиче-
кий риск//Литосфера Центральной Азии. - Новосибирск: Наука, 1996, с. 150-183.
9. Пиннекер Е.В. Рассолы Ангаро-Ленского артезианского бассейна. М.: Наука, 1966, 332 с.
10. Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенпроизводные галогенуглеводородов. Справ. под ред. В.А. Филова. - Л.: Химия, 1990, с. 394- 483.
11. Вредные химические вещества. Природные органические соединения. Т.7. Под ред. В.А.Филова. СПб, 1998, с. 63 - 68.
12. Временный классификатор токсичных промышленных отходов и методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных отходов. МЗ СССР. №4286. М., 1987, 24 с.
13. Вредные вещества в промышленности. Справ. Т I. Под ред. Н.В. Лазарева и Э.Н. Левиной. - Л.: Химия, 1976, с. 213 - 217.
14. Общесоюзные нормы технологического проектирования рассолопромыслов (ОНТП-1 Минудобре-ний), Л., 1986.
15. Лаверов Н.П. Геологические аспекты проблемы захоронения радиоактивных отходов. Геология, №6, 1994.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------------
Каратыгин Евгений Павлович - кандидат технических наук, заместитель генерального директора ЗАО "Химгортехнология".
Ризнич Иван Иванович - кандидат геолого-минералогических наук, главный инженер проекта ЗАО "Хим-гортехнология".
----------------------------------------------- © А. А. Фетисов, 2005
УДК 622.693.25 А.А. Фетисов
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРИ ПОВТОРНОЙ ОТРАБОТКЕ ДРАЖНЫХ ОТВАЛОВ *
Семинар № 15
азработка месторождений полезных ископаемых является причиной формирования на поверхности Земли значительного объема отходов. Избежать прогрессирующе-
го техногенного изменения недр можно только при условии радикального изменения подхода к недропользованию, в частности, переходу к ресурсосберегающим технологиям, в мини-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 02-05-64372)
