CC BY
19
© Д.Д. Шилин, O.C. Каледин, 2007
УДК 622.002.68
А.А. Шилин, О.С. Каледин
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЗАХОРОНЕНИЯ ОТХОДОВ В ПОДЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ КАЛИЙНОГО РУДНИКА
Семинар № 18
В настоящее время существует большое количество отработанных шахт и рудников, подлежащих закрытию. С другой стороны, при постоянно растущих темпах производства на земле создаются большие объемы отходов, часть из которых является токсичными. Поэтому весьма актуальным стал вопрос о разработке технологии изоляции вредных отходов в выработках отработанных горных предприятий. Таким образом может быть решена проблема устранения больших объемов отходов, а также сокращения расходов на закрытие горных предприятий.
Так, рудник Тойченталь (ФРГ) находится под крупным населенным пунктом. Согласно нормам по закрытию горных предприятий в Германии, все выработки при закрытии должны быть заполнены для предотвращения просадок земной поверхности в будущем. Общий объем выработанного пространства рудника составляет 200000 м3. Для экономии средств на закрытие было принято решение использовать выработанное пространство рудника для захоронения низкотоксичных отходов.
Ранее захоронение отходов в калийных солях не производилось из-за сложных геомеханических условий в залежах калийных солей, высокой гигроскопичности пород, приводящей
к выветриванию и увеличению проницаемости слагающих пород, а так же агрессивности среды в калийных рудниках.
В ходе работ по изучению пород рудника была выделена пористая разукрепленная зона в массиве вокруг выработок. Такая зона возникает сразу после сооружения выработки в результате высокой химической активности и гигроскопичности пород, слагающих массив. Состав слагающих пород дан в Таблице 1. 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 грунто-
Проба Карналлит, % Тахилрит, % Кизерит, % Галит, % Нераств. частицы, % Влажность, %
1 53,00 15,98 15,47 12,96 0,82 1,81
2 74,06 8,54 5,27 9,96 1,08 1,07
3 51,66 9,70 3,62 33,47 0,53 1,10
4 55,87 17,08 4,70 19,31 1,18 1,91
5 53,30 2,96 5,18 7,42 0,15 1,02
6 56,05 17,94 4,19 18,50 1,34 1,99
вых вод используют массивные перемычки протяженностью до 30 м. В данном случае грунтовые воды могут обходить перемычки по разуплотненной зоне.
Для надежной изоляции токсичных отходов в калийных солях необходимо было разработать технологию возведения защитных перемычек и проведение дополнительных мероприятий по защите породного массива и уплотнению контактной зоны перемычки и породного массива.
В ходе проводимых в Техническом Университете г. Фрайберга (ФРГ) исследований 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 было решено 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.
Ранее полимерные составы при захоронении отходов не применялись, так как при сооружении надежных подземных хранилищ необходимо использование долговременно-стабильных материалов, а 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.
Полиуретан 1 Полиуретан 2 Полиуретан 3 Полиуретан 4 Эпоксид 5 Полиуретан 7 Полиуретан 6 Без покрытия 8
Рис. 1. Результаты наблюдения за водопоглошением образцов карналлитита, покрытых различными составами
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 макро-трещины. 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 со-
ставов 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 полиме-ризуются, 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 приконтурной зоны массива от выветривания. Для этого в качестве покрытий были проверены различные полиуретановые и эпоксидные составы. Результаты наблюдения за водопоглощением образцов карналлитита, покрытых различными составами, показаны на рис. 1.
ОСОСО^СЧОСОСО^СЧО
^ГФ^ГФ^ГСОСОСОСОСО
Т— Т—
Время хранения, час.
X
О)
X
го
о.
&
о
о.
с
о
го
о.
>
X
о.
Эксп. 1 Эксп. 2 Эксп. 4 Модель 1 Модель 2 Модель 4
Время, с
Рис. 2. График движения жидкости согласно модели и его сравнение с экспериментальными данными
Для создания непрерывной гидроизоляционной мембраны по всей протяженности перемычки была разработана математическая 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:
, = = Е.± .Я.у 2
((г 2 В,
(2)
йР
где------градиент давления в направ-
йг
лении распространения; 2- коэффициент сопротивления; V - скорость
течения; В
гидравлический диа-
метр распространения; р- плотность жидкости.
Модель была адаптирована для расчета распространения инъекционного материала при проведении инъекций с помощью инъекционных систем (перфорированных или матерчатых шлангов). Скорость распространения фронта волны определяется по формуле:
(Я
(І
Ятах • ІП
)
Я
12•с•п
V ;
где Ь - 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
Є00X£00
г = = = = =0
Рис. 3. Схема эксперимента
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, 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 за-
боя, с них были смыты остатки кар-наллитита, 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.
Для пресечения движения жидкости в капиллярах в породном массиве вокруг выработок был опробован метод устройства «гидрозамка». Данный метод широко применялся при строительстве подземных газонефтехрани-лищ в соляных породах для подавления капиллярных утечек жидкости и газа из хранилища (рис. 4).
Для проверки возможности применения данного способа в калийном руднике «Тойченталь» были пробурены скважины диаметром 120 мм, глубиной 40 см. На дне скважин был насыпан слой 10 см гравия, затем скважины были забетонированы. Через стальную трубку в забетонированные скважины было произведено нагнетание различных соляных растворов и наблюдалось изменение давления в
Рис. 4. Гидрозамок при сооружении подземного газохранилища
камере. В качестве растворов для гидрозамка были опробованы:
- насыщенный раствор ЫаС1;
- насыщенный раствор СаС12
- насыщенный раствор, полученный при растворении краналлитита.
При нагнетании растворов соли и краналлитита происходило быстрое падение давления в скважине, что было обусловлено растворением высокоактивного тахидрита и оттоком раствора по образовавшимся порам. При нагнетании раствора СаС12 (который инертен к тахидриту) произошло следующее: сначала происходило падение давления из-за растворения окружающего карналлити-та, но через некоторое время давление начало расти из-за происходивших процессов кристаллизации и выпадения в осадок новых нерастворимых соединений. Таким образом, после нагнетания в скважине образовалась непроницаемая оболочка.
Данное явление решено было использовать для пресечения капил-
лярных токов жидкости в комплексе с уплотнением шва с помощью инъекций полимерных материалов.
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. Это позволяет более точно определить параметры массива и провести работы, учитывая особенности массива горных пород в месте строительства. В результате будет создана непрерывная гидроизоляционная оболочка, которая может оставаться стабильной под агрессивным влиянием среды калийного рудника.
1. BMBF-Vorhaben "Diversitäre und redundante Dichtelemente für langzeitstabile Verschlussbauwerke" TU Bergakademie Freiberg, Institut für Bergbau und Spezialtiefbau, Prof. Dr.-Ing. W. Kudla, 2004
2. Wittke: Permeabilität von Steinsalz -
Theorie und Experiment. - Verlag Glückauf
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 fbr Bergbau, 2005, unveröffentlicht.
5. Gruner, M. Untersuchungen zum
Einsatz von MgO-zementsuspensionen zur
abdichtung Carnallitit. Interner Bericht, TU Bergakademie Freiberg, Institut fbr Bergbau, 2005, unveröffentlicht.
6. Kaledin, O.: Polymer injektions for
hermetic sealing of dams for disposals of toxic
wastes in salt formations. Freiberger Forschungshefte, C512, 2007, TU Bergakademie Freiberg, 2007 s. 113-117.
7. Ломидзе Г.И.: Фильтрация в трещиноватых породах, Госэнергоиздат, 1961.. n:rj=i
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------------
Шилин A.A. - профессор, доктор технических наук,
Каледин О.С. - аспирант,
Московский государственный горный университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 18 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Б.А. Картозия.
---------------------------------- © А. Мишсдчснко, И. Ермаков,
2007
УДК 69.035.4
А. Мишедченко, И. Ермаков
ОЦЕНКА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ТОЧЕЧНОЙ ЗАСТРОЙКЕ ОБЪЕКТОВ ЗАПАДНОГО АДМИНИСТРАТИВНОГО ОКРУГА В г.МОСКВЕ
Семинар № 18
В геологическом разрезе территории города Москвы распространены отложения кайнозоя, мезозоя и палеозоя:
Ёитология стратиграфических подразделений: мезозойской - пески, супеси, суглинки и глины (коэффициент
крепости преимущественно 0,3-0,6, то есть совершенно неустойчивые грунты; глины оксфорда и баткелловея крепостью 1-2, то есть слабой устойчивости; палеозой - известняки (самые разнообразные, плотные глины, мергели, доломиты (коэффициент
