книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

В 1994-1999 гг. в результате проводимой реструктуриза­ ции угольной отрасли прекращены работы по добыче угля и сланца на 153 угледобывающих предприятиях с суммарной производственной мощностью 50,2 млн. т угля (сланца) в год и потерей добычи в связи с их ликвидацией — 16,6 млн. т твердого топлива.

С учетом накопленного опыта для обеспечения выполне­ ния всего комплекса работ по ликвидации шахт и упорядо­ чения финансирования соответствующих работ выделяются

3периода.

1.Подготовительный период включает работы, обеспечи­

вающие безопасную доработку оставшихся в шахтном поле готовых к выемке запасов угля, работы по подготовке к по­ гашению горных выработок, изоляцию шахтных стволов и шурфов, ликвидацию объектов на поверхности шахты или передача их другим предприятиям и организациям. С началом этого периода прием работников на шахту прекра­ щается. Подготовительный период начинается с момента принятия решения о разработке ТЭО и заканчивается после решения Межведомственной комиссии о ликвидации шахты.

2.Основной период охватывает работы по ликвидации горных выработок, включая засыпку стволов, демонтаж обо­ рудования и поверхностных сооружений, рекультивацию нарушенных земель и другие работы в области экологии; основные мероприятия по социальной защите трудящихся, высвобождаемых в связи с ликвидацией шахт.

3.Заключительный период - это окончание работ по лик­ видации экологических последствий закрытая шахт; завер­ шение сноса ветзсого и строительство (покупка) нового жи­ лья, выполнение всех работ по социальной защите трудя­ щихся, включая создание новых непрофильных производств

идр.

Необходимость закрытия значительного числа нерента­ бельных, убыточных шахт отрасли определяется как реалия­ ми сегодняшнего момента, так и перспективами угольной отрасли. Ведь Ирн любых предвидимых направлениях разви­ тия экономических реформ в стране, спрос на уголь в бли­ жайшие годы будет невысок вследствие общего спада объе­

мов производства. Поэтому еще несколько лет спрос на уголь будет находиться на относительно низком уровне и только затем начнет постепенно повышаться. В любом слу­ чае последующий рост не сможет происходить на базе ныне действующего, морально и физически безнадежно устарев­ шего шахтного фонда.

Как видно из комплекса работ по ликвидации шахт, не в один из трех периодов не включены работы по оценке воз­ можности повторного использования техногенного подзем­ ного пространства угольных шахт.

Гораздо более перспективным и актуальным представля­ ется не избавление от обременительного груза худших пред­ приятий, а их переориентация и функционирование в новом качестве за счет повторного использования имеющегося георесурса сети капитальных и подготовительных горных выработок. Ежегодные дотационные расходы на поддержку средней убыточной шахты составляют до 40 млн. рублей. Включение этих денег в новое функциональное назначение уже имеющихся капитальных выработок позволяет частич­ но, а где-то и полностью, решить социальные, технико­ экономические и экологические проблемы, связанные с ре­ структуризацией шахтного фонда. В настоящее время еже­ годно, даже без закрытия шахт, естественным образом по­ гашается до 25 % капитальных горных выработок, закреп­ ленных долговечными конструкциями крепи металличе­ ской, железобетонной и бетонной (табл. 2.1). Это расточи­ тельное использование и уничтожение имеющегося подзем­ ного техногенного георесурса в сложившейся социальноэкономической обстановке в стране является непродуман­ ным и по меньшей мере странным.

Вместе с тем, в отечественной и мировой практике накоп­ лен значительный опыт повторного использования подзем­ ных горных выработок в новом функциональном качестве.

В пределах Канзас-Сити (США) около 5 га подземных выработок известняковых шахт используются повторно. Использование отработанных горных выработок позволяет избавить город от размещения на его территории объектов складского хозяйства и производственных пред­ приятий.

В отработанных камерах шахты "Велички" в Польше рас­ положены городской музей, спортивные залы и даже цер­ ковь.

Крупное подземное хранилище активного складирования в Инкермане (Украина) сооружено в горных выработках вы­ сотой 10-12 м и длиной 200 м, образовавшихся в результате выемки известняка - ракушечника.

Подземные холодильники малой вместимости эксплуати­ руются в районах Крайнего Севера, где используется холод вмещающих многолетнемерзлых пород. При пассивном складировании для хранилищ обычно используют выработки отработанных шахт с вертикальными стволами. Вместимость таких складов, сооружаемых в России, США, Италии, Фран­ ции, Швеции и других странах достигает 1 млн. м3. Затраты на строительство подземных хранилищ скоропортящихся пищевых продуктов составляют несколько десятков процен­ тов стоимости наземных складов (в том числе и холодильни­ ков) той же вместимости. Приходятся они, в основном, на сооружение подходных выработок и транспортных комму­ никаций.

В России имеется опыт переоборудования и эксплуатации отработанных шахт в вечномерзлых породах. Под хранили­ ща дизельного топлива переоборудовано несколько отрабо­ танных шахт по добыче золотоносных песков Полярнинского горнообогатительного комбината. Все переоборудованные шахты расположены в пределах двух добычных участков, отрабатывающих пласты песков с практически горизонталь­ ным залеганием, поэтому все подземные резервуары нахо­ дятся в одном уровне. Выработки пройдены в песчаногалеч­ ной толще вечномерзлых пород, мощность которой достига­ ет 280 м, а температура пород на глубине заложения шахт составляет —7... —8 °С.

Подземные лечебные учреждения располагают в выра­ ботках большого поперечного сечения отработанных шахт. Целесообразность создания подземных медицинских учреж­ дений подобного рода обусловлена относительным постоян­ ством давления, влажности и температуры воздуха, ограни­ ченным воздействием магнитного поля, отсутствием матери­ альной флоры, солнечной радиации, шума, естественной ин­

галяцией (благодаря насыщенности среды химическими эле­ ментами). Все это создает благоприятный микроклимат, в частности, для лечения легочных заболеваний (например, на Украине работает подземная лечебница для больных брон­ хиальной астмой, размещенная на глубине 200 м в соляном руднике около пос. Солотвина в Закарпатье).

Наряду с подземными естественными полостями, приспо­ сабливаемыми под хранилища нефти, газа и их производ­ ных, используются специальные горные выработки, прово­ димые в газонепроницаемых породах (в том числе многолет­ немерзлых), выработки отработанных шахт, в том числе ка­ меры рассолопромыслов, полости в пластичных глинах, соз­ даваемые взрыванием камуфлетных зарядов, а также соля­ ные отложения после выщелачивания полезных ископае­ мых. Преимущества подобных подземных сооружений перед наземными резервуарами: уменьшение потерь от испарения, низкая пожароопасность, высокая технико-экономическая эффективность и др. Уже в конце 60-х годов в США около 98 % сжиженных газов хранилось в подземных условиях. В подземных сооружениях сосредоточены также основные стратегические запасы нефти и нефтепродуктов этой стра­ ны. Эффективность подземного хранилища возрастает с увеличением его емкости, особенно после 40 тыс.м

Около 20 подземных хранилищ, сооруженных на базе от­ работанных выработок, эксплуатируются в России, США, Франции, Германии, ЮАР, Бельгии, Швеции. Герметичность приспособленных выработок обеспечивается как практиче­ ской непроницаемостью вмещающих пород, так и подпором подземных вод на поверхность выработок. Примерами отра­ ботанных выработок в практически непроницаемых породах могут служить выработки в каменной и калийной солях, ан­ гидритах, гипсах и вечномерзлых породах.

Опыт переоборудования отработанных выработок пока­ зывает, что наряду с геолого-гидрогеологическими условия­ ми, обеспечивающими герметичность резервуара, опреде­ ляющее влияние на выбор объекта оказывает его объемно­ планировочное решение, обусловливающее долговременную устойчивость выработок-емкостей и возможность нормаль­ ной эксплуатации хранилища.

В подземные резервуары переоборудованы выработки только тех предприятий, где отработка полезного ископае­ мого выполнялась по камерной или камерно-столбовой сис­ теме. Как правило, объект на базе отработанных выработок является резервуаром для одного вида продукта.

Глубина заложения подземных резервуаров на базе отра­ ботанных выработок изменяется в широких пределах. При этом необходимым условием для выработок в породах с по­ ложительной температурой является их расположение ниже местного уровня подземных вод, а для выработок в вечно­ мерзлых породах — ниже уровня сезонных колебаний тем­ пературы.

Для подземного захоронения вредных отходов наиболее эффективны соляные формации, гранитные массивы, плот­ ные глины. Подземные сооружения этого рода включают: буровые скважины (используемые для закачки), участки в непригодных для использования водоносных горизонтах и тому подобных геологических структурах или выработки от­ работанных шахт.

Подземные предприятия, как правило, размещают в вы­ работках соляных и известняковых шахт, в которых добыча полезных ископаемых велась по камерной или камерно­ столбовой системам разработки. Пролеты выработок под­ земных сооружений обычно составляют 15-30 м, высота 1015 м. Крепь главным образом бетонная или железобетонная, иногда кирпичная или блочная. Одно из важных достоинств подобных подземных сооружений отсутствие вибрацион­ ного фона (при глубине свыше 25-50 м), шумов, микрокли­ мат (в том числе благоприятный пылевой режим). Благодаря этому под землей наиболее целесообразно размещение за­ водов точного приборостроения, электроники, специального машиностроения и др. Кроме этих и других предприятий, в подземных сооружениях создают обогатительные и дро­ бильно-сортировочные фабрики, другие горные производст­ ва (Чили, Гренландия, США).

Размещение в подземных сооружениях научно-иссле­ довательских объектов эффективно благодаря высоким эк­ ранирующим свойствам массивов горных пород, хорошей сейсмоустойчивости помещений. Создают подобные учреж-

дения на базе повторно используемых или специально про­ водимых выработок.

Подземные хранилища промышленных товаров устраи­ вают в горных выработках, сечения которых позволяют применять средства механизации для внутрискладских ра­ бот, а также таких, где экономически целесообразно под­ держивать постоянную относительную влажность воздуха. Важной предпосылкой для устройства крупных складов в отработанных шахтах является штольневой способ вскры­ тия, позволяющий в дальнейшем использовать для переме­ щения грузов магистральный железнодорожный или авто­ мобильный транспорт. Площадь современных хранилищ в подземных сооружениях достигает несколько десятков тыс. м3. Так, склад медикаментов в штате Миссури (США) зани­ мает площадь 18*5 тыс.м3.

Предприятия по производству продуктов питания в под­ земных условиях размещают главным образом в горных вы­ работках отработанных шахт. В этих подземных сооружени­ ях особенно эффективно выращивание шампиньонов (общее мировое производство около 1 млн. тонн в год), овощных культур, цветов, а также рыбы. Производство сельскохозяй­ ственной продукции ведется на шахте Тигант-Глубокая" (г. Кривой Рог), на шахтах объединения "Апатит" (Кольский полуостров), на Тапггагольском руднике (Кемеровская обл.), Белорусском руднике (Иртышская обл.), на шахте в г. Ухта (республика Коми) и др. Для обеспечения продуктивного растениеводства в шахтах, в частности, применяют лампы накаливания и дуговые ртутные, которые в автоматическим режиме в течение необходимого времени обеспечивают рас­ тения светом со спектральными характеристиками, близки­ ми к дневному. Световое излучение позволяет также вы­ держивать в выработках эффективный температурный ре­ жим [18].

В подземных условиях Расвумчорского рудника Мурман­ ской области на глубине 600 м выращивают китайские розы, каллы и другие цветы. Американские специалисты в забро­ шенных шахтах на глубине 1250 м выращивают сеянцы со­ сны и ели. В среднем выращивают 95% сеянцев (на поверх­ ности - в два раза меньше), т.к. намного ускоряется их рост.

Отработанные выработки являются почти естественной природной средой для выращивания шампиньонов. Самое мощное в мире грибное хозяйство создано в выработках старой известняковой шахты в американском штате Пен­ сильвания. Общая длина выработок 24 км, в них выращива­ ется в год более 6000 тонн грибов. Во Франции 98% всех идущих в пищу грибов выращивается в известняковых шах­ тах вблизи Парижа.

В квершлаге шахты Тигант-Глубокая" (Украина) на глу­ бине 370 м построены две подземные теплицы для выращи­ вания помидоров и огурцов, которые по своим качествам не уступают овощам, выращенным в обычных условиях. Расче­ ты показывают, что для обеспечения города с населением 100 тыс. чел. свежими овощами в течение всего года доста­ точно 6-9 га подземных территорий, а это в среднем всего около 15-20 км горных выработок. По выращиванию этих овощей отработана целая технология [78].

Отработанные выработки калийных рудников использу­ ются для спелеотерапии. В калийном руднике Первого Бе­ резниковского рудоуправления успешно функционирует подземная спелеолечебница, в которой за полтора десятиле­ тия прошло лечение около 10 тыс. больных, достигнут выс­ ший лечебный эффект (порядка 95 %) [65].

В горных выработках ПО "Уралкалий” имеется положи­ тельный опыт хранения промышленных запасов пшеницы в течение 16 лет, а сохраняемость картофеля возросла в 1,5 раза.

Массовое закрытие шахт в Подмосковном угольном бас­ сейне в силу горно-геологических условий (малая глубина, слабые водонасыщенные породы, большая протяженность водоносных горизонтов и др.) и демографических условий региона приводит к резкому обострению экологической и социальной ситуации. л

По мнению Н.С. Булычева и В.Е. Савченкова выходом из создавшегося положения является повторное использование горных выработок Подмосковных шахт [90].

В настоящее время в России ощущается проблема нефте­ переработки. В предшествующий период была принята кон­ цепция заводов-гигантов. Часть таких заводов оказалась за

пределами России, в других случаях затруднилась транспор­ тировка нефтепродуктов. За рубежом практикуется строи­ тельство большого количества сравнительно небольших (производительностью 3-4 млн. т) заводов, расположенных близко к потребителям (в США имеется около 250 таких за­ водов), что позволяет транспортировать нефтепродукт по трубопроводам.

Весьма целесообразно строительство хотя бы одного, для начала, завода в Тульской области. Для этой цели с успехом может быть использована одна из закрываемых шахт, при­ чем в качестве хранилища для нефтепродуктов могут слу­ жить горные выработки. Обводненность горных выработок большинства шахт в данном случае не является помехой, о чем свидетельствует опыт Швеции, где первые подземные хранилища для нефтепродуктов в обводненных породах бы­ ли построены почти 50 лет назад (sentab-метод). Очевидно, что переоборудование горных выработок в нефтехранилище существенно облегчилось, если бы при проектировании и строительстве ш а х т были заложены соответствующие ре­ шения.

Другой пример. Существует принципиально новая конст­ рукция атомного реактора, имеющего сравнительно неболь­ шие габ ари т (помещается в вертикальный ствол диаметром в свету 6 м), высокий уровень безопасности (конкурирую­ щий с обычной тепловой электростанцией) и не требующего высокой квалификации обслуживающего персонала. Такая АЭС может вырабатывать электроэнергию и тепло с нара­ боткой 80 реакторо-лет. Кстати, закрываемые ш а х т могут быть объектами и других энергетических комплексов, на­ пример пневмоаккумулирующих ЭС.

В силу природных условий ш а х т Подмосковного бассей­ на характеризуются высоким качеством подземных вод. В отличие от других горнодобывающих регионов, шахтные во­ ды действующих шахт обычно не ухудшали, а улучшали эко­ логическую обстановку. Поэтому напрашивается вторичное использование горных выработок закрываемых шахт в каче­ стве подземных хранилищ пресной воды.

Из вышеизложенного следует, что экологически рацио­ нальные технологии строительства шахт в Подмосковном

бассейне могут быть с успехом реализованы при учете не только прямого назначения выработок, но и вариантов их вторичного использования [90].

На многих шахтах выработанное пространство использу­ ется для складирования отходов обогатительных фабрик, ТЭЦ, металлургических и коксохимических заводов. Объем отходов только от деятельности обогатительных фабрик в России в 1997 г. составил 24 млн. тонн в год. Пример под­ земного хранилища немецкой соляной шахты "Хайльбори" свидетельствует о возможности охраны окружающей среды и о том, как можно внести существенный вклад в совершен­ ствование системы хранения отходов. На этой шахте для подземного складирования отходов, полученных в результате очистки дымовых газов мусоросжигательных установок, от­ ведено 40 отработанных камер объемом 25-40 тыс. м3 каж­ дая. Хранилище пространственно отделено от действующих очистных забоев, в которых продолжается добыча казенной соли. Исходящая струя собственной системы проветривания вместе с исходящей струей самой шахты подается к венти­ ляционному стволу. Доставка отходов из четырех ^Уточни­ ков производства осуществляется либо в контейнерах, либо в емкостях "бигбаг", которые позволяют значительно сни­ зить расходы на упаковку.

Закладка выработанного пространства на действующей угольной шахте "Балеслав Смалы" в Польше золой с элек­ трофильтров угольных электростанций также свидетельству, ет о технологической возможности и экономической целе­ сообразности использования выработанного простран е^ для утилизации отходов.

Для обеспечения возможности выемки угля комбайнами при одновременной закладке выработанного простр^НСтва и нахождение рабочих лавы на свежей струе воздуха, ее раз. делили на две части за счет проходки центрального выемоч­ ного штрека [99].

Значительный интерес представляет использование выпаботанных пространств для хранения нефтепродуктов, с ^ . женных и сжатых газов [78, 92]. В штате Луизиану (СЩД) проведено переоборудование отработанных соляные руддИ. ков под хранилище для долговременного хранение нефти