CC BY
37
5. Ягодкин Ф.И., Прокопова М. В. Анализ причин нарушений крепи вертикальных стволов угольных шахт Донбасса // Горный информ.-аналит. бюллетень. Тематическое приложение «Физика горных пород». - 2006. - С. 354-360.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Иудин М.М. - кандидат технических наук, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН.
----------------------------------- © В.В. Киселев, Ю.А. Хохолов,
М.В. Каймонов, 2007
УДК 504.064.47
В.В. Киселев, Ю.А. Хохолов, М.В. Каймонов
ОЦЕНКА ЗАЩИЩЕННОСТИ И ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОДЗЕМНОГО МОГИЛЬНИКА ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В УСЛОВИЯХ ВОЗМОЖНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА В КРИОЛИТОЗОНЕ
¥~ У~еблагополучное состояние радиационной обстановки в И ряде регионов, а так же многих инженерных сооружений в РФ, в том числе различных хранилищ высокотоксичных и радиоактивных отходов, высокий уровень их аварийности выдвинули на передний план решение вопросов предупреждения аварий и техногенных катастроф, снижения их негативного влияния на окружающую среду, а также тяжести последствий. В связи с этим Мин ЧС РФ с привлечением различных организаций были разработаны программы: «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до 2005 года»; «Преодоление последствий радиационных аварий и катастроф на период до 2010 года».
Как считают ученые, современная наука в состоянии найти пути решения этих проблем, исследуя современными методами прямые и обратные связи возникновения негативных процессов и явлений в системах взаимодействия природных и техногенных факторов. Эти методы базируются на достижениях комплекса дисциплин гео лого-географической направленности: инженерной геологии, ландшафтоведения, геокриологии и т.д. с применением современных методов математического моделирования.
Подземный могильник твердых радиоактивных отходов (ПМ ТРАО) конструкции ИГДС [1] (рис. 1) предназначен для захоронения геологических проб, кернов, шлихов и может быть отнесен к долгосрочным (срок службы до 100 лет) и потенциально опасным инженерным сооружениям, возведенным в подземных горных выработках (ПГВ), в сложных ландшафтно-
Рис. 1. Подземный бесконтейнерный способ захоронения твердых радиоактивных отходов (ТРАО) в отработанных подземных горных выработках рудников криолитозоны: 1 - налегающий над горной выработкой массив мерзлых горных пород; 2 - кровля отработанной подземной горной выработки; 3 - почва горной выработки; 4 - вентиляционная скважина; 5 - нагнетающий вентилятор; 6 -вентиляционный рукав; 7 - загрузочная скважина; 8 - временный отвал ТРАО; 9 -
временный отвал колотого льда; 10 - опалубка; 11 - емкость с водой; 12 - напорный шланг; 13 - форсунки; 14 - ТРАО, сцементированные льдом.
климатических и инженерно-геодинамических условиях криолито-зоны, который в совокупности с окружающим технотизированным природным ландшафтом представляет собой природнотехническую систему (ПТС) [2] и рассматривается нами как находящуюся в критических ситуациях природного и техногенного характера.
Как видно из рисунка, где приведен один из возможных вариантов возведения ПМ, он представляет собой ледопородное сооружение столбчатой формы возводимое в зимнее время послойно с проливом водой уложенных ТРАО и обдувом холодным воздухом.
Как известно, в настоящее время проблемам безопасности людей, среды обитания, ПТС уделяется большое внимание во многих странах, где чрезвычайно высокий уровень техногенной нагрузки на природную среду в сочетании с участившимися аномальными природными явлениями привели к значительному росту аварий и техногенных катастроф.
Технический аспект безопасности ПТС в нашем случае рассматривается как способность ледопородного сооружения (каким является ПМ ТРАО) противостоять нарушению его устойчивости под влиянием внешних ущербообразующих воздействий, в том числе возможного потепления климата в криолитозоне.
Для обеспечения безопасных условий функционирования ПМ в экстремальных условиях, по-нашему мнению, необходимо обеспечить:
- конструктивную надежность отдельных элементов (кровли ПГВ, несущей способности крепи);
- поддержание нормативных условий эксплуатации (круглогодичная отрицательная температура воздушной среды ПГВ и тела ПМ);
- надежную защиту от внешних воздействий, природных и техногенных катастроф.
По-нашему мнению, в конструктивном отношении ПМ обладает высокой надежностью в условиях криолитозоны, т.к. должен возводится в устойчивой ПГВ с применением апробированных на практике технологий горного дела по возведению ледопородных
целиков в рудниках Севера [3] и обладает существенным запасом прочности.
Круглогодичная отрицательная температура ядра ПМ поддерживается за счет размещения его в подземном выработанном пространстве с круглогодичным отрицательным температурным режимом среды и окружающих горных пород (ГП), а также за счет послойного промораживания единичных слоев могильника [4] (рис. 1) естественным (атмосферным) низкопотенциальным холодом до температуры значительно ниже естественной в зимний период путем принудительной вентиляции, что обеспечивает значительный хладозапас.
Как известно, неблагоприятные факторы, способствующие возникновению аварий на сооружениях, инициируются внешними воздействиями, которые условно разделяются на три группы [2]: природные, техногенные и природно-техногенные. В свою очередь опасные природные процессы, развивающиеся стихийно без участия человека и его производственной деятельности, условно разделяются на климатические, гидрогеологические, геологические. К ним относятся продолжительные засухи и похолодания, землетрясения, наводнения, ураганы, оползни, сели и т.д. Большинство из них характеризуется высокими скоростями разрушительных сил. Меньшая часть их развивается медленно, например, вертикальные подвижки земной коры, которые долгое время не сопровождаются видимыми проявлениями на ландшафтах, тем не менее, они могут быть причинами различных деформаций земной поверхности, дорог, дамб и т.д. К ним могут быть отнесены так же периодические изменения климата вызывающие рост или понижение температуры наружного воздуха и грунтов, уменьшение или увеличение количества выпадающих осадков и т.д., они так же могут быть причинами различных явлений как положительного, так и отрицательного характера.
Как известно, факт потепления климата на планете признается всеми специалистами, однако они расходятся во мнении в возможной длительности этого процесса и их условно можно разделить на две группы. Первые считают, что потепление уже носит глобальный, в значительной степени техногенный характер и этот процесс уже необходимо нейтрализовывать, иначе не исключено даже наступление климатического хаоса на планете. Другие утверждают, что в настоящее время техногенное воздействие на ноосферу несу-
щественно и фиксируемое потепление носит обычный циклический характер, продлится не более 50-60 лет, а затем вновь наступит похолодание.
Последствия потепления климата наиболее трагичными (в плане обеспечения устойчивости строений) будут в криолитозоне, т.к. почти все поверхностные и подземные сооружения построены по принципу обязательного сохранения мерзлого состояния пород. Причем в первую очередь пострадают ледовые и ледопородные сооружения (дамбы, плотины, насыпи, дороги и т.д.).
Техногенные антропогенные геологические ущербообразующие процессы происходят, как правило, на территориях значительно нарушенных человеческой деятельностью и разделяются на геотермические, вызванные изменением термических полей грунтов и ГП; гидрогенные, вызванные изменением подземной и поверхностной гидросферы; гравитационные, вызванные статическими нагрузками; литогеодинамические, вызванные динамическими нагрузками; субтерральные - вызванные добычей полезных ископаемых и подземным строительством; антропогенный литогенез, вызванный образованием искусственных насыпей.
По-нашему мнению, для ПМ в криолитозоне определенную опасность представляют следующие аномальные природные явления, которые могут быть инициированы или усилены глобальным потеплением климата: землетрясения, наводнения, подтопление, растепление; а из техногенных - антропогенный литогенез и субтерральные процессы [2]. Необходимо отметить, что защита ПМ от техногенных нарушений должна в первую очередь обеспечиваться путем ограничения на его территории всех видов хозяйственной деятельности, оказывающих прямое или косвенное воздействие на него (бурение скважин, проходка выработок, устройство карьеров и т.д.).
Рассмотрим вероятность возникновения и оценим степень защищенности ПМ ТРАО от вышеперечисленных факторов опасности.
Исследования сейсмологов подтверждают устойчивый рост сейсмической опасности в районах с активным техногенным прессингом на геологическую среду, в особенности при разработке полезных ископаемых, в связи с этим наведенные землетрясения не исключены.
Хотя специальных исследований по оценке степени защищенности ПМ ТРАО от техногенных землетрясений не проводилось, исполнители склонны считать основываясь на данных литературных источников, что они так же как и ПГВ способны противостоять даже высокобальным подземным толчкам без обрушений и нарушения целостности налегающего массива мерзлых ГП. В связи с этим, если ПМ возведены вдали от тектонических разломов, специальных защитных мероприятий разрабатывать не нужно, т.к. в настоящее время не представляется возможным оценить влияние изменения климатических и техногенных факторов на сейсмическую активность в криолитозоне.
Потепление климата в северных регионах может привести так же к активации гидрогенных процессов и значительному изменению поверхностной и подземной гидросферы, росту количества выпадаемых осадков в течение года, что может сказаться на увеличении поверхностного стока, повышении водообменности водотоков, возрастании количества паводков, наводнений и т.д. Но поскольку ПМ планируется располагать на возвышенных точках рельефа за пределами пойм водотоков, затопление их маловероятно и выполнение превентивных мероприятий по защите их от подтопления не планируется.
Кроме этого, в период потепления климата в первую очередь (по мнению специалистов в области мерзлотоведения) наиболее интенсивно на техногенно нарушенных территориях начнут развиваться геотермические процессы, вызывающие повышение температуры грунтов и ГП, деградацию многолетней мерзлоты; активацию термопросадок, термокарста, солифлюкции; появление таликов, уменьшение зон сезонного промерзания грунтов и ГП и т.д., что небезопасно практически для всех сооружений в криолитозоне, в том числе для ПГВ пройденных в осадочных породах.
Прогрессирующий рост среднегодовой температуры наружного воздуха, провоцируя развитие геотермических ущербообразующих процессов, может привести к тому же к усилению (косвенным путем) антропогенного литогенеза. В результате изменится рельеф, структура грунтов и их уплотнение с образованием осадочных воронок значительных размеров и даже чаш оседания. Можно предположить, что этому будут способствовать также динамические нагрузки от движущегося транспорта, техники. Не исключен рост единичных чаш оседания и их объединение.
Как известно, производственная деятельность рудников вызывает постепенное усиление субтерральных процессов, в связи с непрерывным образованием выработанного пространства в земной коре, которые активизируют движение отдельных блоков породных массивов, образование трещин, проседание земной поверхности. Образование пониженных участков рельефа (так же, как и при антропогенном литогенезе) зачастую приводит к скапливанию в них вешних вод и атмосферных осадков и, как следствие этого, появлению техногенных озер, таликов, криопегов. В этом случае неизбежно так же попадание поверхностных вод в ПГВ по образовавшимся трещинам, что в свою очередь приводит к негативному изменению температурного режима ПГВ и ПМ, их прогрессирующему растеплению с потерей устойчивости. В этом случае неизбежно ускоренное течение субтерральных процессов. Есть основание предполагать, что развитие геотермических процессов в период потепления климата приведет к их активизации.
Необходимо отметить, что все вышеперечисленные негативные геологические процессы (как природные, так и техногенные) взаимосвязаны и не исключен так называемый синергетический эффект в несколько раз ускоряющий их течение. Нейтрализация ущербообразующих антропогенных процессов по мнению специалистов технически осуществима, хотя требует значительных затрат.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что наиболее опасным ущербообразующим фактором для ПМ в условиях возможного потепления климата может быть растепляющий.
Как уже говорилось ранее, ПМ конструкции ИГДС [1] относится к ледопородным долговременным сооружениям с большим сроком службы (не менее 50 лет) и потенциально опасным объектам, а растепление его может привести к потере герметичности и как следствие этого повторному радиационному загрязнению сопредельных территорий.
В связи с этим, для оценки влияния климатического растеп-ляющего эффекта на ПМ была разработана двумерная математическая модель, учитывающая все основные факторы, влияющие на его тепловое состояние: глубину заложения ПГВ, естественную температуру породного массива и его теплофизические характеристики, значения среднемесячных температур наружного воздуха, скорость ветра, высоту снежного покрова.
Необходимые требования:
1. Обеспечение постоянных геометрических размеров ПМ в течение « 50 лет, в том числе в условиях возможного потепления климата в криолитозоне.
2. Поддержание устойчивой круглогодичной отрицательной температуры уложенных в ПМ ТРАО ( < -4 °С) в течение всего периода эксплуатации без применения энергетических установок.
Принятые допущения:
Рис. 2. Двухмерная область для расчета температурного режима ТРАО и окружающего массива ГП: 1 - массив горных пород; 2 - ТРАО.
X
1. Отсутствуют внутренние тепловыделения в ПМ.
2. Отсутствуют конвективные потоки воздуха в теле ПМ.
3. Деятельный слой налегающего массива ГП над ПГВ равномерно оттаивает в летнее и промерзает в зимнее время, теплообмен его с атмосферным воздухом осуществляется по закону Ньютона с коэффициентом теплообмена а.
Из-за симметричности рассматриваемой области рассмотрим ее половину (ось симметрии проходит по центру ПМ ТРАО). Расчетная область с учетом дневной поверхности приведена на рис. 2.
Для решения задачи теплопроводности с учетом фазовых переходов влаги используем метод А.А.Самарского и Б.Д.Моисеенко [5-7] без явного выделения фронта фазового перехода со сглаживанием коэффициентов. Математическая модель учитывает особенности разработанной технологии возведения ПМ ТРАО в зимний период методом послойного намораживания [4].
Значения среднемесячных температур атмосферного воздуха, высоты снежного покрова, плотности снега и скорости ветра, необходимые для расчета, приняты по метеоданным Мирнинского района Якутии.
Для оценки тепловой устойчивости ПМ ТРАО проведен расчет динамики температурного режима при его возведении и возможном потеплении климата криолитозоны. Темп потепления (рост
среднегодовой температуры наружного воздуха) принят равным 3 градусам в течение 50 лет. Естественная температура пород равна -5 °С. На рис. 3 приведены температурные изолинии по истечении 20 дней после возведения ПМ ТРАО при глубине заложения ПГВ 10 м, которые показывают, что температура в центре ПМ на этот момент составляет при-
331 и< ч = -11 -4 — іи* -
31- 7-і --И -7 й- -7
к- / \ і
] / )
.1
І 6
1
N ч
V \
- >
ч
ч
N
N 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 і 6 1 7 1 Я 1 <1 20 1 2 7
Рис. 3. Температурные изолинии по истечении 20 дней после возведения ПМ в ГВ
мерно -2 °С, т.е. произошло замерзание ТРАО до умеренных отрицательных температур, а температура боковых окружающих пород ПГВ снизилась до -7 °С. В дальнейшем происходит постепенное выравнивание температур ТРАО и окружающих ГП (до -5 °С), поскольку выработка герметична и отсутствуют источники тепла.
На рис. 4 приведены динамики температур ПМ ТРАО при различных глубинах заложения ПГВ.
Как видно из графика, при потеплении климата неизбежно происходит постепенное повышение температуры ПМ ТРАО. При глубине заложения ПГВ 10 м температура ТРАО в центре ПМ мо-
жет подняться до -3,5 °С, а при глубинах 15^20 м - до -4,3 °С. Таким образом, есть основание предполагать, что более динамичное потепление климата может оказать существенное негативное влияние на температурный режим ПМ ТРАО вызывая его растепление при глубине заложения ПГВ до 20 м
Рис. 4. Динамика температур в центре ПМ ТРАО при различных глубинах заложения ГВ в условиях возможного потепления климата
и возникает необходимость выполнения превентивных мероприятий по предупреждению его растепления.
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
- ПМ ТРАО, возведенные в криолитозоне обладают высокой защищенностью от аномальных природных и техногенных воздействий.
- Наибольшую опасность для ПМ представляет растепляю-щий фактор, вызванный возможным глобальным потеплением климата в криолитозоне.
- В целях предупреждения растепления (при циклическом потеплении климата), ПМ должны возводиться на возможно большей глубине (не менее 20 м).
- Разработанная технология возведения ПМ методом послойного намораживания ТРАО в состоянии обеспечить надежность их захоронения в условиях ПГВ криолитозоны и, следовательно, защищенность биоты от воздействий ионизирующего излучения.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент на изобретение №2263985. Подземный бесконтейнерный способ захоронения твердых источников радиоактивного излучения в отработанных подземных горных выработках криолитозоны / В.В. Киселев, Ю.А. Хохолов, М.В. Каймонов. МПК G21F9/34, 9/24; Заявл. 11.08.2003: Опубл. 27.02.2005. Бюл. № 31.
2. Ревзон А.Л., Камышев А.П. Предупреждение природно-техно-генных аварий в криолитозоне // Геоэкологические исследования и охрана недр. Обзор. -М.: АОЗТ «Геоинформмарк», 2000.- 66 с.
3. Необутов Г.П., Гринев В.Г. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки в условиях многолетней мерзлоты. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1997. - 104 с.
4. Киселев В.В., Хохолов Ю.А., Каймонов М.В. Использование горных технологий и выработанного пространства рудников криолитозоны для захоронений твердых радиоактивных отходов (ТРАО) // Горный информационноаналитический бюллетень. - 2006. - № 3. - С. 129-134.
5. Самарский А.А. Теория разностных схем. - М.: Наука, 1983. - 616 с.
6. Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. - 1965. - Т. 5. - № 5. - С. 816-827.
7. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 784 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Киселев В.В. - старший научный сотрудник, кандидат технических наук, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН,
Хохолов Ю.А. - ведущий научный сотрудник, доктор технических наук, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН,
Каймонов М.В. - младший научный сотрудник, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН.
