Способ подземного захоронения радиоактивных и других отходов

 

Использование: изобретение относится к способам обезвреживания радиоактивных и других высокотоксичных отходов производства путем захоронения их в горных выработках и может быть использовано при сооружении подземных могильников и хранилищ для нефтепродуктов. Сущность: для решения задачи повышения надежности длительного хранения за счет создания в массиве напряженных непроницаемых зон полость образуют в зоне повышенного горного давления, формируемой целиком или краевой частью пласта горной породы (или полезного ископаемого). В качестве изолирующего барьера используют эту зону повышенного горного давления. Проводят оценку напряженно-деформированного состояния горных пород в этой зоне и выявляют участки с уплотненным состоянием вмещающих пород. Размещают на этих участках отходы и непрерывно контролируют состояние зоны повышенного горного давления. При необходимости проводят усиливающие мероприятия. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к способам обезвреживания радиоактивных и других высокотоксичных отходов производства путем захоронения их в геологических формациях земной коры и может быть использовано при сооружении подземных хранилищ для нефтепродуктов.

Известен способ захоронения отходов в океанической плите, находящейся в состоянии погружения (см. авт. свид. СССР N 718026, кл. G 21 F 9/24, 1980). При выполнении способа в кромке или крае тектонического океанического пласта создают полость, заполняют ее отходами и после погружения края (кромки) пласта происходит затягивание полости под другой тектонический пласт.

Однако, этому известному способу присуща низкая надежность изоляции захоронения на участках тектонических разломов, находящихся в состоянии деформирования их границ. Кроме того, контроль за состоянием горных пород, окружающих захороненные отходы, практически невозможен, что также снижает надежность их хранения.

Известен способ создания хранилищ для захоронения отходов в скальной породе по патенту СССР N 1371511, кл. G 21 F 9/36, 1988. По этому способу в скальной породе разделывают полость, внутри которой размещают полый корпус для хранения радиоактивного материала, а пространство между стенками полости и полого корпуса заполняют пластически деформируемым материалом. Вокруг полости на расстоянии от нее проходят спиральный тоннель, от которого отходят входные тоннели и вертикальные скважины, образуя клетку в скальных породах для приема и отвода воды, подходящей к хранилищу.

Такой способ сооружения хранилищ предусматривает создание одного или более гидрологических барьеров с помощью сети вертикальных скважин, а также множество оболочек, расположенных одна в другой и чередующих скальные породы и упругий заполнитель, например, глину. Понятно, что строительство такого хранилища характеризуется высокой трудоемкостью работ, связанной с проведением большого объема горных выработок в скальных породах.

Указанный способ предусматривает контроль с помощью телевизионной системы только состояния самого хранилища, а не окружающих его пород, что не позволяет заблаговременно определить возможные разрушения и смещения горных пород. Тем самым надежность предохранения окружающей среды от контакта с радиоактивными и другими токсичными отходами производства снижается.

Кроме того, выполнение внутреннего пустотелого корпуса для размещения радиоактивных материалов из бетона также уменьшает надежность их хранения, т.к. бетон не является достаточно прочным и водонепроницаемым материалом при длительной эксплуатации хранилища, и под воздействием грунтовых вод радиоактивные вещества из него могут быть вымыты и вынесены в окружающую среду.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому в качестве изобретения способу является способ создания подземного хранилища для захоронения радиоактивных и других отходов в коренных породах по патенту СССР N 1163808, кл. G 21 F 9/24, 1985. По этому способу в коренной породе разделывают полость для размещения в ней полого тела с отходами. Пространство между стенками полости и полым телом заполняют глиной. Полость окружена оболочкой из коренных пород, которая отделена со всех сторон зазором от монолита коренной породы. Зазор также заполняется глиной. Для контроля за состоянием хранилища рядом с полостью пройдены ствол и горизонтальный тоннель.

Этот известный способ, как и предыдущий, характеризуется большим объемом и трудоемкостью работ по сооружению полостей и отходящих от них стволов и тоннелей в массиве горных пород. Кроме того, из-за отсутствия контроля за состоянием окружающего захоронения горного массива и выполнения полого тела для размещения радиоактивных материалов из бетона сооружаемое подземное хранилище не обладает достаточной надежностью изоляции и длительной сохранности создаваемых искусственных фильтрационных барьеров в горных породах.

Предлагаемое изобретение способ захоронения радиоактивных и других отходов решает задачу повышения надежности длительного хранения различных высокотоксичных отходов за счет создания в горном массиве напряженных непроницаемых зон.

Для этого полость образуют в зоне повышенного горного давления (ПГД), формируемой целиком или краевой частью пласта горной породы или полезного ископаемого, в качестве изолирующего барьера используют эту зону ПГД, проводят оценку напряженно-деформированного состояния горных пород в зоне ПГД, выявляют участки с уплотненным состоянием вмещающих пород, на этих участках размещают радиоактивные отходы, непрерывно контролируют состояние зоны ПГД и при необходимости проводят усиливающие мероприятия.

Целик или краевую часть пласта горной породы оставляют в процессе его отработки или выявляют после окончания разработки месторождения.

Ширину целика выбирают из условия d (1,5^oC2,0)l + b, где l ширина зоны опорного давления, м; b ширина полости, м.

При выемке пласта горной породы или полезного ископаемого целики оставляют с интервалом не менее ширины очистного забоя выработки, при этом полости образуют в середине зоны ПГД, формируемой каждым целиком.

В качестве усиливающего мероприятия после образования полости из нее дополнительно бурят скважины и нагнетают в них скрепляющий раствор.

В качестве усиливающего мероприятия на участке размещения отходов создают локальные зоны разгрузки путем разделывания в пласте или во вмещающих породах разгрузочной щели.

Физическая сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Из опыта отработки угольных месторождений и механики горных пород (см. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов; Справочное пособие Н.М. Петухов и др. М. Недра, 1992, с. 68-101, 149-168) известно, что под и над целиками (краевыми частями) пластов во вмещающих породах формируются зоны повышенного горного давления (ПГД). В этих зонах уровень напряжений превышает исходный, т.е. существовавший в массиве до оставления на пласте целиков (краевых частей) более, чем в 3-5 раз. При этом происходит закрытие гидрологических каналов, и проницаемость горных пород на этих участках падает до нуля. По уровню горного давления состояние горных пород под целиками при отработке пласта на сравнительно малых глубинах, например, 170-200 м, эквивалентно геомеханическим условиям больших глубин, т.е. превышающих 900 м. Зоны ПГД являются изолирующими барьерами для проникновения во вмещающие горные породы газа и жидкости. В них создается естественным путем изолирующая защитная оболочка больших размеров для горных выработок (полостей), используемых для размещения радиоактивных и других отходов. Оценка геомеханического состояния массива в районе захоронения, устойчивости целиков (краевых частей) и уровня горного давления в самих зонах позволяет непрерывно контролировать их длительную сохранность и надежность захоронения отходов. Для усиления эффекта сжатия (упрочнения) горных пород на них может быть оказано дополнительно воздействие, например, путем закачки во вмещающие породы на участке предполагаемого формирования зоны ПГД скрепляющих растворов. После оставления на этом обработанном участке угольного целика (краевой части) и повышения уровня горного давления (сжатия), во вмещающих породах создается монолитная защитная оболочка повышенной прочности.

Надежность изоляции радиоактивных отходов в зонах ПГД повышается при создании вокруг горной выработки демпфирующей зоны. Наиболее эффективная демпфирующая зона создается путем формирования в зоне ПГД локальной зоны загрузки, например, разделыванием во вмещающих породах разгрузочной щели или частичной выемки пласта в угольном целике. В зоне разгрузки существенно уменьшается уровень горного давления, горные породы деформируются, разупрочняются, формируются системы трещин и т.п. Вместе с тем, в зоне ПГД после создания локальной разгрузки увеличивается уровень напряжений, и эффект изоляции горной выработки усиливается.

Горные выработки, используемые для размещения отходов, можно подводить в зону ПГД из подземных подготовительных выработок или с земной поверхности.

Экспериментально установлено, что при отработке угольных пластов лавами наибольшее нагружение сохраняемых длительное время угольных целиков и, соответственно, возникновение максимального уровня напряжений в формируемых зонах ПГД на участках расположения горных выработок происходит при их размерах в пределах (1,5^oC2,0)l + b, где b ширина горной выработки, м; l - ширина зоны опорного давления, м. (см. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов. Справочное пособие. (И.М. Петухов и др. М. Недра, 1992, стр. 77, рис. 4.3). Параметр l в механике горных пород характеризует ширину зоны опорного давления, которая формируется в краевой части пласта полезного ископаемого на границе с очистной выработкой. Он определяется или экспериментально по шахтным наблюдениям или по вышеприведенной номограмме в зависимости от глубины и мощности очистной выработки.

Расстояние между оставляемыми целиками должно быть не менее длины очистной выработки. При соблюдении этих требований произойдет полное развитие процесса сдвижения горных пород над очистной выработкой и устойчивое зависание подработанных слоев над кромками целиков (краевых частей) с формированием зоны опорного давления с максимальной концентрацией напряжений для данной глубины и вынимаемой мощности пласта.

Таким образом, в горном массиве создается зона ПГД с уплотненным состоянием пород и которая является барьером для просачивания в подземное хранилище подземных вод и защищает участок захоронения от внешних силовых воздействий.

Предложенный способ поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематично изображен вариант размещения полости в зоне ПГД под целиком. На фиг. 2 то же, сечение А-А. На фиг. 3 схематично изображены скважины, пробуренные в зону ПГД для дополнительного упрочнения горных пород. На фиг. 4 показана локальная зона разгрузки, созданная над полостью разделыванием разгрузочной щели. На фиг. 5 показано размещение нескольких целиков вдоль отрабатываемого пласта; на фиг. 6 схема размещения полостей в породах кровли, почвы и на пласте горной породы (полезного ископаемого). На фиг. 7 изображена схема разделывания полости по высоте зоны ПГД.

Способ осуществляют следующим образом.

При отработке пластового полезного ископаемого, например, угля, руды и т.п. оставляют целик 1 на пласте 2 полезного ископаемого. Оценивают напряженно-деформированное состояние горных пород вокруг целика 1 и устанавливают границы зоны 3 повышенного горного давления (ПГД), создаваемого этим целиком (фиг. 1, 2). Из выработки пласта 2 проводят горную выработку 4 на участок с уплотненным состоянием горных пород и разделывают полость 5, которая представляет из себя горную выработку, закрепленную в зависимости от формы сечения арочной, трапециевидной или круговой крепью. Радиоактивные отходы 6 в контейнерах или упакованные любым другим способом размещают внутри полости 5, и вход в нее замуровывают.

Для дополнительного упрочнения горных пород в зоне ПГД из полости 5 во вмещающие породы бурят скважины 7, в которые затем нагнетают скрепляющие растворы (фиг. 3).

Для формирования вблизи полости 5 зоны 8 ослабленных пород с дополнительной пригрузкой пород в зоне ПГД и создания зоны 9 с усиленным уплотнением разделывают разгрузочную щель 10 над (или под) полостью 5 (фиг. 4).

В зависимости от горно-геологических условий в зонах ПГД полости 5 могут быть разделаны в породах кровли, почвы или на самом пласте 2, горной породы (полезного ископаемого) до его выемки (фиг. 5 и 6). При этом ширину d оставляемых целиков 1 принимают равной (1,5^oC2,0)l + b, где l ширина зоны опорного давления, м; b ширина полости 5, м. В том случае, если оставляют несколько целиков, то расстояние L между ними принимают равным не менее длины D очистной выработки 11 (фиг. 5).

Полость 5 для размещения радиоактивных отходов может быть также образована по высоте зоны 3 ПГД (фиг. 7). В этом случае с земной поверхности вертикально бурят скважину через середину целика 1 и в ней разделывают затем полость 5, в которой в пределах границ зоны ПГД устанавливают заглушку (на чертеже не показана).

После захоронения отходов 6 в полости 5 осуществляют непрерывный контроль (мониторинг) за уровнем горного давления и границами зоны ПГД. Эти операции производят с земной поверхности или из горных выработок с помощью известных способов, например, геофизических. По результатам контроля проводят профилактические мероприятия по восстановлению уровня ПГД на участке захоронения.

По сравнению с прототипом заявляемый способ позволяет получить следующие преимущества: повышается надежность изоляции участка подземного захоронения отходов от массива за счет создания естественных барьеров из уплотненных водо- и газонепроницаемых горных пород; снижаются трудозатраты за счет частичного использования в способе существующих подземных горных выработок, предназначенных для выемки полезного ископаемого; повышается надежность контроля за устойчивостью участка захоронения за счет непрерывного наблюдения за напряженно-деформированным состоянием горных пород в зоне ПГД.

Кроме того, сооружение хранилища для отходов предложенным способом позволяет использовать отработанные поля месторождений полезных ископаемых, а также использовать их для хранения нефтепродуктов. 2

Формула изобретения

1. Способ подземного захоронения радиоактивных и других отходов, включающий образование в пассиве горных пород полости, окруженной изолирующим барьером, размещение в ней радиоактивных отходов и контроль за состоянием изолирующего барьера, отличающийся тем, что проводят оценку напряженно-деформированного состояния горных пород в зоне повышенного горного давления, формируемой целиком или краевой частью пласта горной породы или полезного ископаемого, выявляют участки с уплотненным состоянием вмещающих пород, полость образуют в зоне повышенного горного давления на этих участках, в качестве изолирующего барьера используют уплотненные в зоне повышенного горного давления горные породы, после размещения в полости радиоактивных отходов и непрерывного контроля состояния пород в зоне повышенного горного давления при необходимости проводят усиливающие мероприятия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что целик или краевую часть пласта горной породы оставляют в процессе его отработки или выявляют после окончания разработки месторождения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ширину d целика выбирают из условия d (1,5 2,0)l + b, где l- ширина зоны опорного давления, м;
b- ширина полости, м.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при выемке пласта горной породы или полезного ископаемого целики оставляют с интервалом не менее ширины очистного забоя выработки, при этом полости образуют в середине зоны повышенного горного давления, формируемой каждым целиком.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве усиливающего мероприятия после образования полости из нее дополнительно бурят скважины и нагнетают в них скрепляющий раствор.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве усиливающего мероприятия на участке размещения отходов создают локальные зоны разгрузки путем разделывания в пласте или во вмещающих породах разгрузочной щели.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7