Способ изоляции подземного хранилища токсичных отходов в соленосных породах

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при угрозе затопления подземных хранилищ токсичных отходов в соленосных формациях. По способу изоляции подземного хранилища создают хранилища проходкой камер, соединительных горных выработок для соединения с шахтным стволом. Создают U-образные участки в продольном профиле выработок. Прокладывают трубопровод по соединительным выработкам в хранилище через U-образные участки. Их затопляют рассолом, насыщенным компонентами окружающего массива. Подают в хранилище по трубопроводу газ или воздух. Их количество компенсирует увеличивающееся давление на рассол растущего водяного столба. Техническим результатом является повышение эксплуатационной надежности и исключение экологической опасности. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при угрозе затопления подземных хранилищ токсичных отходов, строящихся и эксплуатируемых в соленосных геологических формациях.

Известен способ изоляции хранилищ токсичных отходов, включающий образование камер в соляной толще, крепление камер, размещение токсичных отходов и возведение гидроизоляционных перемычек (Drisenroth N., Kind J. Die Untertage-Deponie Herfa-Neurode-Umwelt gerechte Beseitigung von problematischen toxischen Abfallen, Kali und steinsalr, 1989, с. 182-195).

Недостатком этого способа является отсутствие возможности оперативно создать надежные гидроизолирующие перемычки в ситуациях, когда время, за которое их нужно сооружать, измеряется часами.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ создания подземных хранилищ токсичных отходов в соленосных породах, включающих создание хранилища токсичных отходов, проходку выработок, соединяющих хранилища с шахтным стволом, создание У-образных участков в продольном профиле выработок, выполняющем функции затора горных выработок, которые заполняют бетоном с наполнителем из соли (пат. 2066770, МКИ: E 21 F 17/16, E 21 F 9/34; опубл. 20.09.96, бюл. N 26). Однако этот способ также не позволяет оперативно изолировать хранилища при угрозе его затопления, т.к. предусматривает заполнение У-образных участков выработок солебетоном, которое невозможно выполнить в считанные часы, и при котором требуется время для твердения солебетона и последующая изоляция его от контакта с рассолом, битумом или подобным материалом.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности и исключение экологической опасности, которую может создать контакт с токсичными отходами, размещенными в хранилище при его создании в соленосных породах, вод и рассолов, способных проникнуть в хранилище.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изоляции подземного хранилища токсичных отходов в соленосных породах, включающем создание хранилища токсичных отходов проходкой камер с оставлением междукамерных целиков, проходку горных выработок, соединяющих хранилище с шахтным стволом, создание U-образных участков в продольном профиле этих выработок, причем по соединительным выработкам в хранилище через U-образные участки прокладывают трубопровод, и при угрозе затопления U-образный участок заполняют рассолом, насыщенным компонентами, из которых состоит массив, окружающий этот участок, после чего в хранилище по трубопроводу подают газ или воздух в количестве, компенсирующем увеличивающееся давление на рассол растущего водяного столба по мере роста его высоты в затопляемом выработанном пространстве.

Воздух или газ, создающий компенсирующее давление в хранилище, подают из предварительно образованных в соленосных породах полостей, созданных методом подземного выщелачивания и имеющих объем, определяемый из соотношения где V₂ - объем полости подземного выщелачивания; V₁ - не заполненный отходами объем хранилища; P₁ - давление максимально возможного столба минерализованной воды, при угрозе затопления рудника и шахтных стволов; P₂ - давление воздуха или газа в полостях подземного выщелачивания.

При этом воздух или газ в полости подземного выщелачивания содержат под давлением, превышающим давление водяного столба, действующего на рассол в U-образном участке соединительных горных выработок, но не превышающем вес столба пород, залегающих над хранилищем. Сжатый воздух или газ из полостей выщелачивания подают в хранилище дозированно и в таком количестве, чтобы уровень рассола в U-образном участке выработки не опускался со стороны хранилища до уровня кровли его нижней части и не поднимался до уровня почвы соединительной выработки, в которую переходит U-образный участок, причем регулировку подачи сжатого воздуха или газа в хранилище осуществляют автоматически.

При этом используют трубопроводы, изготовленные из материалов, не поддающихся коррозии в соляных рассолах, или трубопроводы, изолированные покрытиями, инертными к таким рассолам, и после стабилизации уровня затапливающих вод трубопроводы герметически перекрывают.

Вблизи U-образных участков соединительных горных выработок проходят заглубленные камеры, размещают в них концентрированный рассол, инертный по отношению к окружающему эти участки соленосному массиву, а при угрозе затопления хранилища перекачивают этот рассол в U-образные участки, причем в случае ликвидации опасности затопления перекачивают его обратно в заглубленные камеры.

Сущность технического решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена общая схема изоляции хранилища токсичных отходов.

На чертеже: 1 - камеры подземного хранилища токсичных отходов, 2 - U-образный участок выработки, соединяющий хранилище с шахтным стволом, заполненный насыщенным рассолом, 3 - шахтный ствол, 4 - трубопровод, по которому в хранилище на гидравлический затвор, создающийся в U-образном участке выработки при его заполнении насыщенным рассолом, подается сжатый воздух (или газ), 5, 6 - камеры подземного выщелачивания соли, заполненные сжатым воздухом (газом), предназначенным для заполнения хранилища при угрозе его затопления, 7 - диапазон возможных колебаний уровня насыщенного рассола, заполняющего U-образный участок горной выработки, 8 - соленосная порода, 9 - запорное устройство (камер и т.п.) на конце трубопровода, 10 - датчик, передающий сигнал о подъеме или опускании уровня рассола со стороны водохранилища до отметок, при которых необходимо изменять давление воздуха в хранилище.

При необходимости реализовать возможность изоляции подземного хранилища токсичных отходов, размещаемых в камерах в соответствующей таре, предлагаемым способом учитывают, что хранилище создано на базе действующего калийного рудника, отрабатывающего калийные пласты с поддержанием вышележащей толщи податливыми целиками, в связи с чем водозащитная соленосная толща, залегающая под отрабатываемыми пластами, испытывает деформации, которые при существовании в этой толще поверхностей ослабления, не выявляемых современными методами, могут превратиться в водопроводящие и создать угрозу затопления как рудника, так и хранилища отходов.

Исходные условия Хранилище токсичных отходов образовано в соляной толще, подстилающей отрабатываемые калийные пласты на глубине от них, равной 50 метров.

Хранилище представляет собой ряд камер, разделенных междукамерными целиками, степень нагружения которых такова, что исключает их деформирование и деформирование соляной потолочины, расположенной между хранилищем и отрабатываемыми пластами.

Хранилище вскрыто уклонами, включающими в себя U-образные участки, которые могут служить как для создания в них солебетонной перемычки, так и для создания гидрозатвора, если обеспечить регулировку противодавления сжатого воздуха или газа в хранилище соответственно росту высоты водяного столба в затапливаемом руднике и в его стволах.

Погружение U-образных участков по отношению к хранилищу составляет 13,5 м. Поэтому при высоте выработок, в которых образованы U-образные участки, равной 3,5 м, и таком заполнении этих участков концентрированным рассолом, при котором его уровень располагается ниже почвы выработок хранилища на 5 м, изменение этого уровня при его регулировке подачей сжатого воздуха в пределах ± 2 м допустимо, поскольку в резерве остаются еще ± 3 метра.

Первоначальный объем хранилища V₁ = 100000 м³.

Хранилище будет развиваться по мере заполнения его первоначального объема отходами в затаренном виде.

Удельный вес пород, залегающих над хранилищем, равен γ₂ = 2,2 т/м³ = 2,2 г/см³.

Удельный вес минерализованных вод, затопивших рудник и шахтные стволы, равен γ₁ = 1,25 т/м³ = 1,25 г/см³.

Мощность подстилающей соли в районе создаваемого хранилища составляет 120 м.

Для того, чтобы исключить опасность возникновения в камерах выщелачивания явления типа гидроразрыва, давление сжатого воздуха (газа) должно быть в них меньше удельного веса пород вышележащей толщи. В этой связи принимаем его равным P = 2,0·H·L·γ₂, H = 2,2 · H, где H - глубина расположения хранилища и кровли камер выщелачивания.

Решение От ствола 3 в соленосной толще 8 проходят уклоны вверх на 3 м от проектного уровня руддвора (для создания на его уровне емкости на случай появления в руднике водопритоков), которые переходят в горизонтальные участки, а затем в уклоны вниз, заканчивающиеся U-образными участками 2, после которых создают хранилище, состоящее из ряда камер 1, разделенных междукамерными целиками (фиг. 1).

Уклоны, камеры и выработки, подведенные к камерам, проходят одним ходом комбайна с поперечным сечением камер S₁ = 9 м² или S₂ = 17 м².

При длине камер 1, равной l = 200 м, объем каждой из них составляет в первом случае h₁ = 1800 м³, а во втором h₂ = 3400 м³.

При заданном объеме хранилища, 10% которого приходится на подготовительные выработки, число камер, из которых будет состоять хранилище к началу его эксплуатации, составляет соответственно h₁ = 50 штук и h₂ = 26 штук.

При ежегодном заполнении отходами части объема хранилища, равной 10000,0 м³, они могут расширяться каждые 2 года при использовании комбайна с сечением S₁ = 9 м² на 10 камер, а при комбайне с сечением камер S₂ = 17 м² - на 5 камер с сохранением неизменного объема хранилища; который необходимо заполнять сжатым воздухом (газом) в случае опасности затопления рудника (и хранилища).

Для создания емкости 5,6 со сжатым воздухом (газом), которого было бы достаточно для обеспечения со стороны хранилища противодавления, равного P₁ на рассол, которым в случае опасности затопления будут заполнены U-образные участки выработок, подводящих к хранилищу, в соляной породе 8 на тех же глубинах, на которых располагается хранилище, создают цилиндрические камеры поземного выщелачивания 5, 6; это достигается путем растворения соли пресной водой (см. книги: "Технология добычи соли". Авторы: Р.С.Пермяков, В.С.Романов, М.П.Бельды. М.: Недра, 1981. "Разработка солей способом подземного выщелачивания". Сб. статей под редакцией В.С.Романова. Л., 1975 и др.).

Для того, чтобы уменьшить высоту камер подземного выщелачивания 5, 6 и вписать их в подстилающую соль 13, а также сократить срок образования резервуаров для сжатого воздуха в 2 раза, создаем две таких камеры. Объем каждой из них для обеспечения нужного противодавления воздуха (газа) в хранилище в случае полного затопления шахтных стволов, используемых для проходки камер 1, предназначенных для размещения отходов и для спуска в эти камеры отходов, должен составлять где P₂ - давление сжатого воздуха или газа, численно равное P₂ = γ^* · H = 2 · 350 = 700 т/м² = 70 кг/см², γ₂ · H = 2,2 · 350 = 77 кг/см³.

При диаметре камер выщелачивания, равном 50 м, при оформлении их кровли по форме устойчивого свода высотой, близкой к 15 м (для обеспечения ее устойчивости при отборе сжатого воздуха), их цилиндрическая часть при заданном V₂ должна иметь высоту не менее значения, равного

Общая высота камер 5, 6 с учетом сводовой части и нижней конусной, которая является элементом технологии размыва соли, и в которой скапливаются нерастворимые включения (глина и т.п.) будет в этом случае составлять около 70 м. Следовательно, в соленосную породу 8 камеры выщелачивания, представляющие резервуары сжатого воздуха, вписываются с необходимым запасом.

Для обеспечения герметизации образованных камер выщелачивания 5, 6 затрубное пространство и междутрубное пространство в скважинах тампонируются по технологиям, применяющимся при создании в осях подземных хранилищ сжатого воздуха и газа.

На земной поверхности над выведенными трубами оборудуются оголовки с тремя патрубками, один из которых служит для монтажа манометра, другой - для нагнетания в полость выщелачивания воздуха (или газа), а третий - для подачи этого воздуха по трубопроводу 4 в хранилище отходов. Все три патрубка оборудуются соответствующими запорными устройствами.

Трубопровод 4, по которому через шахтный ствол 3 будет подаваться воздух в хранилище отходов, изготавливают из инертного по отношению к рассолам и к пресным водам материала или из металла с соответствующим наружным покрытием, предохраняющим этот металл от контакта с водами и рассолами бесконечно долго.

Кроме трубопровода 4 к хранилищу отходов подводится кабель, предназначенный, во-первых, для получения сигналов о допустимом уровне концентрированного рассола со стороны хранилища в U-образных участках горных выработок, соединяющих хранилище с шахтным стволом, и о необходимости регулировки давления в хранилище сжатого воздуха, и, во-вторых, для привода в действие запорного устройства, которым оборудуется конец участка трубопровода, располагающегося в хранилище. После окончания процесса затопления рудника, если таковое произошло, и окончания стабилизации давления затопивших его вод на концентрированный рассол, помещенный в U-образные участки подводящих выработок (этот рассол, будучи самым тяжелым, всегда остается в U-образных участках выработок, не смешиваясь с менее концентрированным рассолом, затопившим рудник), по команде с земной поверхности, передающейся по кабелю, приводится в действие запорное устройство, смонтированное на конце участка трубопровода, который располагается в хранилище, и трубопровод тампонируется.

В результате хранилище с внутренним противодавлением воздуха (газа) оказывается замурованным навечно.

Предлагаемый способ изоляции подземного хранилища в соленосных породах позволяет повысить эксплуатационную надежность и исключить опасность, угрожающую при затоплении хранилища токсичных отходов.

Формула изобретения

1. Способ изоляции подземного хранилища токсичных отходов в соленосных породах, включающий создание хранилища токсичных отходов проходкой камер с оставлением междукамерных целиков, проходку соединительных горных выработок, соединяющих хранилище с шахтным стволом, и создание U-образных участков в продольном профиле этих выработок, отличающийся тем, что по соединительным выработкам в хранилище через U-образные участки прокладывают трубопровод и при угрозе затопления U-образный участок затопляют рассолом, насыщенным компонентами, из которых состоит массив, окружающий этот участок, после чего в хранилище по указанному трубопроводу подают газ или воздух в количестве, компенсирующем увеличивающееся давление на рассол растущего водяного столба по мере роста его высоты в затопляемом выработанном пространстве.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух или газ подают в хранилище из предварительно образованных в соленосных породах полостей.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что полости, из которых воздух или газ подают в хранилище, создают методом подземного выщелачивания.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что воздух или газ содержат в полости подземного выщелачивания под давлением, превышающим давление водяного столба, действующего на рассол в U-образном участке соединительных выработок, но не превышающим вес столба пород, залегающих под хранилищем.

5. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что полости подземного выщелачивания создают объемом, определяемым из соотношения

где V₂ - объем полости подземного выщелачивания;
V₁ - не заполненный отходами объем хранилища;
P₁ - давление максимально возможного столба минерализованной воды при угрозе затопления рудника и шахтных стволов;
P₂ - давление воздуха или газа в полостях подземного выщелачивания.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что воздух или газ из полостей подземного выщелачивания подают в хранилище дозированно в таком количестве, чтобы уровень рассола в U-образном участке не опускался со стороны хранилища до уровня кровли его нижней части и не поднимался до уровня почвы соединительной выработки, в которую переходит U-образный участок.

7. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что при подъеме или опускании уровня рассола на U-образном участке выработки со стороны хранилища до заданных значений регулировку подачи воздуха или газа в хранилище осуществляют автоматически.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют трубопроводы, изготовленные из материалов, не поддающихся коррозии в соляных рассолах, или трубопроводы, изолированные покрытиями, инертными к таким рассолам.

9. Способ по любому из пп.1, 6-8, отличающийся тем, что после стабилизации уровня затапливающих вод трубопроводы герметически перекрывают.

10. Способ по любому из пп.1, 6-8, отличающийся тем, что вблизи U-образных участков соединительных горных выработок проходят заглубленные камеры, размещают в них концентрированный рассол, инертный по отношению к окружающему эти участки соленосному массиву, а при угрозе затопления хранилища перекачивают этот рассол в U-образные участки, причем в случае ликвидации опасности затопления перекачивают его обратно в заглубленные камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1