Прогноз изоляционных свойств породного массива при размещении радиоактивных материалов в горных выработках

В. Н. Морозов, В. Н. Татаринов

Геофизический центр, РАН, Москва, Молодежная 3

Версия представлена к опубликованию в журнале Горный вестник
© Copyright 1996 В. Н. Морозов, В. Н. Татаринов
© Copyright 1997 Геофизический центр РАН ( электронная версия)
 Рисунков 7, таблиц 2

Аннотация

В электронной версии статьи изложены результаты прогнозирования устойчивости подземных камер для объекта "Красноярск-26" на основе анализа результатов натурных наблюдений за конвергенцией стенок камер и математического расчета полей напряжений в породном массиве методом граничных элементов. Спрогнозировано время начала развития процессов разрушения конструктивных элементов камер, предназначенных для размещения радиоактивных материалов высокой степени активности, позволяющее оценить в дальнейшем риск выхода радионуклидов за пределы санитарной зоны объекта.

Go to Contents

Условия эксперимента

В настоящее время одной из острейших экологических проблем Российской Федерации является безопасная утилизация накопленных радиоактивных отходов (РАО) и отработанного ядерного топлива (ОЯТ). Общепризнан факт, что при современном уровне развития науки и техники наиболее перспективным и надежным способом утилизации РАО и ОЯТ является их размещение в геологических формациях, где экологическая безопасность гарантируется естественными изоляционными свойствами мощного геологического барьера.
Актуально использование для этих целей существующего подземного выработанного пространства. Однако долговременное хранение или захоронение РАО в горных выработках сопряжено с потенциальной опасностью нарушения изоляционных свойств породного массива под действием ряда природных и техногенных факторов, как во время строительства подземных сооружений так и при их последующей эксплуатации ( деформирование и сдвижение пород над выработанным пространством, разрушение горных пород в зонах концентрации повышенных напряжений, тектоническая активность разломов и т.п.). При этом появляется опасность радиоактивного загрязнения окружающей среды высокотоксичными радионуклидами в результате инфильтрации поверхностных и подземных вод в рабочую зону подземных камер и с их последующим массопереносом за пределы объекта.
В связи с этим, вопрос прогноза изоляционных свойств породного массива является узловым в комплексе задач обеспечения экологической безопасности подземного размещения и захоронения РАО и ОЯТ. Целесообразным представляется использовать тот громадный опыт, накопленный в горной практике при прогнозировании параметров устойчивости горных выработок. Ниже рассмотрены некоторые результаты прогнозирования сохранности изоляционных свойств горных пород вокруг группы камер подземного комплекса г. Железноводска, где, как известно, размещены РАО и ОЯТ высокой степени активности и предполагается строительство новых объектов.
(Рис.1) Рассматриваемая группа камер имеет размеры в сечении 24 х 100м при высоте 60 м рис.1 и располагается на глубине 300 м от земной поверхности. По степени нарушенности вмещающие горные породы делятся на пять категорий:
По данным натурных измерений методом разгрузки абсолютные величины действующих напряжений, для различных типов пород были получены следующие напряжения( smax - максимальные напряжения, sср - средние для данного типа пород напряжения) (табл.1).

Таблица 1

Напряжения в массиве по натурным данным
Биотитовые гнейсы smax МПа = 27,9, sср МПа = 8,5.
Метадиабазы smax МПа = 15,6, sср МПа = 6,2.
Порфириты smax МПа = 24,8, sср МПа = 9,5.
Амфиболиты smax МПа = 22,1 , sср МПа = 10,1
Как уже отмечалось выше, наиболее вероятная причина выхода радионуклидов в окружающую среду связана с проникновением подземных вод в горные выработки. В районе расположения данной группы выработок существуют два типа подземных вод трещино-грунтовые, приуроченные к региональной трещиноватости верхней части разреза, и трещиножильные, связанные с зонами дробления и рассланцевания, а также с контактами даек и вмещающих пород. Первый тип подземных вод распространен на глубину до 60 м, а второй - значительно глубже, вплоть до уровня залегания подземных сооружений объекта. При этом отмечена гидравлическая связь трещино-жильных и грунтовых вод. Выход трещиножильных вод в виде капежа неоднократно отмечался при проходке горных выработок и приурочен к зонам тектонических нарушений и контактам с дайками. Величина водопритока в выработки при их проходке достигала 0,1-0,2 л/мин при средних значениях 0,01-0,05 л/мин. По данным расходометрии значения коэффициента фильтрации ( Кф) заключены в диапазоне от 0,007 до 0,26 м/cут для различных интервалов скважин.
На основе выполненных ранее исследований был сделан вывод, что породный массив над камерами объекта на половину своей мощности может находиться в водонасыщенном состоянии, т.е. при глубине залегания камер 300 м и их высоте 60 м расстояние от кровли выработок до уровня распространения поверхностных вод практически составляет 75-90 м, т.е. с учетом приконтурной части, нарушенной буровзрывными работами, оно оказывается соизмеримым с высотой камер ( рис.1) Таким образом, необходимость прогноза нарушения изоляционных свойств породного массива определяется и существующими горно-геологическими условиями и геометрическими размерами камер.
Все происходящие в породном массиве процессы, от которых зависит изменение во времени его изоляционных свойств интегрировано проявляются в процессе деформирования части массива непосредственно прилегающего к контуру горных выработок. Деформационные процессы приводят к образованию локальных зон концентрации напряжений и деструкции приконтурных частей массива и крепи, к созданию зон относительного растяжения пород и зон разуплотнения тектонических нарушений в массиве и при превышении некоторого порогового уровня деформаций вызывают образование новых водопроводящих трещин. Поэтому прогнозирование изоляционных свойств породного массива можно строить на основе сравнения регистрируемых абсолютных (eкр ) или относительных (e отн ) деформаций контура выработок с их критическими прогнозными значениями при которых появляется вероятность образования сквозных водопроводящих трещин (e кр отн ). Анализ горно-геологических условий, геометрических размеров выработок, свойств и нарушенности пород в районе расположения камер показывает, что проникновение подземных вод в горные выработки может быть обусловлено:

Go to Contents

Модель процесса

Известно, что разрушение подземных сооружений ( в нашем случае образование сквозных водопроводящих трещин) происходит при достижении некоторых критических значений деформаций - eкр . При этом существует два типа деформаций, взаимосвязанных между собой. Первый - деформирование породного массива над камерами за счет сдвижения горных пород, вызванного наличием в закрепном пространстве пустот из-за неполной забутовки мест вывалов и некачественного тампонажа. Второй тип - смещение контура камер за счет упругого и неупругого деформирования под воздействием напряжений и реологических процессов. Первый тип деформирования массива для выработок рассматриваемого объекта подробно рассмотрен ранее.
Рис.2 Расчеты ( рис. 2 ), показали, что прогнозируемые горизонтальные деформации растяжения достигают величины 6-9 мм/м. Зона опасных деформаций (e кр > 2,0 мм/м) распространяется над камерами 2 а/э, 1э и 3э на высоту 100м. а над камерой 2э на высоту 150 м.
Величина деформаций контура камер в общем случае включает в себя упругие деформации -e упр , возникающие непосредственно при проходке горных выработок, и неупругие деформации, развивающиеся впоследствии на стадии ползучести породного массива вплоть до его разрушения - eп. Установив эти две составляющие, можно оценить время разрушения приконтурной части массива - t*, т.е. то время за которое деформации достигнут величины некоторой критической величины. Определение значения eкр для камер возможно на основе анализа данных маркшейдерских наблюдений за смещением контура горных выработок. Данные наблюдений для указанной группы камер имеются на период с 1980 по 1994 г., поэтому для нахождения t* воспользуемся следующим методическим приемом.
Представим график развития деформаций контура камер во времени как сумму величин деформаций на упругой стадии - eупр ; неупругих деформаций пород до начала проведения инструментальных наблюдений - e0 ; величин деформаций, полученных на основе инструментальных наблюдений - e 1 ; прогнозных деформаций на последующий период времени вплоть до момента начала разрушения камер - e2 . Рис.3
На рис.3приведен идеализированный график, на котором отражены эти четыре стадии развития деформационного процесса контура камер во времени.
Таким образом, величину критических деформаций можно представить в виде:
e= eкр, упр+ e1+e2 + e2
Отсюда решение задачи определения времени разрушения породного массива t*, основанное на построении прогнозной зависимости e от t, включает в себя четыре этапа:

Результаты математическрго модерирования

Расчет упругих деформаций выполнялся на основе моделирования распределения полей напряжений вокруг камер методом граничных элементов с учетом основных тектонических нарушений, геометрических параметров камер и начальных значений полей напряжений.
Анализ геологического строения участка породного массива показал, что три камеры группы, имеющие размеры в сечении 21х60 м, и промежуточная камера меньшего размера располагаются в различных горно-геологических условиях. Во-первых, они отличаются углом падения и местом пересечения контура камер плоскостями крупных тектонических нарушений. Так, например, камера 2 а пересечена зоной разрыва, проходящего через правую стенку камеры и подошву под углом близким к 60 градусам, камера 1 э пересечена крутопадающей дайкой, проходящей через кровлю и подошву камеры, а камера 2 характеризуется секущими ее зонами рассланцевания, причем в кровле камеры располагаются биотитовые гнейсы с достаточно низкими значениями пределов прочности на сжатие в массиве ( sсж = 5,0-13 МПа). Во-вторых, существует различие в распределении напряжений, заложенных при окончании формирования тектонических структур.
Исходя из отношения расположения камер относительно крупной центральной разломной зоны и зоны рассланцевания пород, правомерно предположение, что камера 2а располагается в относительно стабильном тектоническом блоке, характеризуюшемся распределением естественных напряжений согласно гипотезе Динника (sxx = 0,3s zz); камера 1э локализована в зоне влияния разломной зоны и горизонтальные напряжения превышают вертикальные (sxx = 1,5 s zz); камера 2 и промежуточная камера 3 размещены в лежачей зоне тектонического нарушения и напряжения распределены вероятнее всего подчинены гидростатическому закону, т.е. s xx=szz.
Рис.4
Из представленных на рис.4 (1-разломы, 2-изолинии интенсивности напряжений, 3- зоны критических напряжений) результатов расчета распределения полей напряжений видно, что в приконтурной части породного массива концентрация естественных полей напряжений не может привести к образованию обширных опасных зон, которые могут быть разрушены за счет действия сжимающих напряжений. Наиболее большие значения интенсивности напряжений отмечены на контуре камер 1э и 2а. Это достаточно большие значения, однако необходимо учитывать тот факт, что за более чем 40 лет эксплуатации выработок зона концентрации напряжений сместилась от контура в глубину массива и можно утверждать что в реальных условиях приконтурная часть массива разгружена. Но именно эти зоны могут в дальнейшем стать инициаторами начала процесса трещинообразования и необходимы натурные исследования по определению в них состояния горных пород.
Видно, что указанные зоны концентрации естественных напряжений локализованы на небольшом расстоянии от контура выработок ( зоны со значениями до 20 МПа расположены на максимальном расстоянии до 10-12 м). Поэтому можно считать, что концентрация напряжений не может привести к разрушению пород I-III категорий. Породы V категории ( предел прочности на сжатие в массиве 3,5 МПа) фактически являются разрушенными и не могут нести существующую нагрузку. Следовательно, основную опасность представляет концентрация напряжений до значений больших 20 МПа в районе местоположения пород IV категории. Такими зонами являются правая стенка камеры 2 а, кровля камеры 1э и небольшие зоны в районе замков камеры 2.
На основе рассчитанных напряжений были получены следующие максимальные значения упругих деформаций контура стенок камер:
Эти величины в пересчете на высоту 60 м соответствуют относительным деформациям - e упр отн в диапазоне от 0,7. 10-4 до 1,6 . 10-4.
Инструментальные наблюдения за конвергенцией стенок камер в течение 1980-1994 гг. свидетельствуют о том, что интенсификации развития процессов ползучести в приконтурной части породного массива еще не произошло. Рис.5
На рис.5 , представленных для примера графиках изменения ширины камеры 2 для различных створов в плане видно, что скорость прироста среднегодовых значений деформаций незначительна. Анализ данных показывает, что за период времени до 1980 г. средние значения деформаций составили 2,6-3,3 мм - в камере 1э; 2,85-4,9 мм - в камере 2; 3,45-5,35 мм - в камере 2а. При этом ежегодный прирост деформаций за указанный период был следующим: камера 1э -0,1-0,12 мм/год; камера 2 - 0,1-0,19 мм/год; камера 2а - 0,13-0,21 мм/год.
В течение последующих 14 лет ежегодные средние деформации составляли следующие величины 0,14-0,17 мм/год, 0,19-0,28 мм/год, 0,1-0,2 мм/год соответственно в камерах 1э, 2, 2а. Если пересчитать эти значения в относительные деформации, то оно составили 0,9 .10-4, 1.5 .10-4, 1,2.10-4, соответственно. Видно, что скорость прироста годовых значений деформаций для камер 1э и 2 возросла примерно на 30 - 50 %. В камере 2а годовые значения деформаций остались на прежнем уровне. Таким образом, можно предположить, что камеры 1э и 2 вступили на начальную стадию развития процессов ползучести, а для камеры 2а процесс деформирования еще находится на упругой стадии.
С точки зрения вероятности развития деформационных процессов в будущий период времени до 50 лет деформационные процессы могут развиваться по двум сценариям. Вариант 1, при котором скорость деформационных процессов будет увеличиваться как минимум на 30 - 50 % в 10 лет ( по аналогии с камерами 1э и 2) и вариант 2, при котором ежегодные деформации останутся на прежнем уровне 1994 г. Затухание процесса ползучести маловероятно.
Второй этап заключался в определении наиболее вероятных прогнозных значений eкр и eкр отн, т.е. собственно тех величин при достижении которых начинается процесс образования новых водопроводящих трещин в породном массиве. Наиболее вероятно образование трещин в кровле подземных камер под действием растягивающих напряжений при сдвиже-нии и деформировании верхней части породного массива. Рис.6
В кровле камеры распределение напряжений характеризуется сжимающими напряжениями на участках массива, расположенных ближе к стенкам, и растягивающими по центру кровли. Известно, что на некотором расстоянии от кровли существует зона максимальных касательных напряжений ( рис.6 ), в которой при определенных условиях могут образовываться плоскости ослабления массива. Мощность такой зоны ( h ) определяет совместно с геометрическими размерами выработки и глубиной (М) порог тех относительных деформаций, при которых начинается развитие трещин растяжения от контура выработки в верти-кальном направлении [1].
При этом наиболее важно установить высоту слоя породного массива над кровлей камеры, который может быть захвачен неупругим деформированием. За границу такого слоя можно принять внешнюю границу той зоны, где касательные напряжения, являющиеся от-ветственными за образование поперечных плоскостей ослабления, максимальны. Из [2] следует, что эта зона максимальных касательных напряжений распространяется на высоту равную 0,5-1,2 высоты камеры. Для данной группы камер это расстояние составляет интервал - 48-72 м.
В общем случае для определения величины критических деформаций можно воспользоваться значениями, приведенными в СНиПах или в "Инструкции ..." [3]. Согласно этим документам зона влияния при подземных горных работах ограничивается деформациями растяжения eр < 0,5 .10-3, а зона опасных сдвижений при eр < 2 .10-3.
Для условий подземной разработки месторождений некоторые исследователи в каче-стве критических деформаций принимают величину eр < 7,0 .10-3. Как видно разброс величин относительных деформаций довольно велик, кроме этого на их величину оказывает влияние глубина залегания камер и ряд других параметров. Поэтому воспользуемся методикой, приведенной в [1]основанной на большом количестве экспериментальных данных наблюдений за сдвижением горных пород при отработке пластовых месторождений. Для инженерных расчетов с достаточной точностью величину eкр можно определить из выражения
M/m =< 0,25( eкр отн ) ,
где m - высота или эквивалентная мощность пустого пространства, устанавливаемая по объему вывалов из кровли, происходивших до возведения капитальной крепи камер, М - глубина расположения выработок (рис.6)
Отсюда величину критических деформаций можно определить из следующего выражения
eкр отн = < 0,25 m / М
Основная сложность заключается в определении величины m, т.е. мощности эквивалентных элементов пустот, вызывающих сдвижение и деформирование породной толщи. По расчетам величина m для данных условий заключена в интервале от 0,6 до 6,0 и включает общий объем вывалов и незаполненных пустот, распределенный по общей площади района расположения камер.
Приняв средние значения данного интервала m = 3-4 м, получим средние значений критических деформаций для кровли камер
eкр отн = < 0,00375 - 0,0004
Таким образом, нижний порог критических значений относительных деформаций на контуре породного массива, при которых вероятно образование сквозных водопроводящих трещин, может быть оценен величиной eкр отн = 0.00375-0,004 Сделав некоторое допущение можно распространить этот диапазон и на стенки указанных камер.
Отсюда, с учетом приведенных цифр величина e будет равна следующим значениям:
Рис.7
На основе экстраполяции графиков, описывающих развитие процесса конвергенции стенок до 1994 г., на последующий период времени можно спрогнозировать время достижения критических значений деформаций для указанных камер, приняв наиболее опасный сценарий развития деформационных процессов, при котором в течении 10 лет происходит рост величины ежегодных деформаций на 50% (вариант 1). Тогда достижение критического порога деформирования и начало процесса разрушения наиболее вероятно для камеры 2 к 2068 г., для камеры 2а - к 2082 г., а для камеры 1 - к 2090 г ( рис.7)
Таким образом, на основе прогнозирования пространственно-временного процесса деформирования приконтурной части массива, появляется возможность построения геомеханической модели изменения изоляционных свойств массива, которая может служить даль-нейшей основой прогнозирования риска долговременного хранения РАО в подземных условиях, естественно, на основе постоянной ее корректировки по данным инструментального мониторинга.

Выводы

Литература

1. Турчанинов И. А., Иофис М. А., Каспарьян Э. В. Основы механики горных пород. - Л., Недра, 1977, 503с

2. Каспарьян Э. В. Устойчивость горных выработок в скальных породах. - Л., Наука, 1985, 183с

3. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений. Л., ВНИМИ, 1985

Go to Contents

Загрузите для использования
в локальном режиме:		 [HTML документ с графикой]  [ MS Word файл подготовленный авторами]

HTML версия подготовлена и загружена В. Татариновым 10 февраля 1997
Go to Content of GPO, No. 1