книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

Ширина выработок 15-18 м, высота 21-27 м. Примерная ем­ кость хранилища 12 млн. м3. Во Франции, в провинции Кальвадос фирмой "Геосток" в качестве хранилища углево­ дородов была выбрана старая железорудная шахта емкостью хранилища 5 млн. м3. В Германии в переоборудованном со­ ляном руднике "Вильгельм Каргемон" хранится около 600 тыс. т. нефти. Там же в соляной шахте оборудовано газо­ хранилище объемом 4,8 млн. м3. В США, в штате Колорадо в качестве резервного газохранилища, используемого для по­ дачи газа в пиковый период используются штреки угольных шахт, расположенных на глубине 200-300 м, общим объемом 4,3 млн. м3. В Бельгии в отработанной угольной шахте созда­ но газохранилище, проектная вместимость которого состав­ ляет около 1 млрд, м3 газа.

По данным В.И. Смирнова на территории бывшего СССР

за прошедшие 30 лет построено около 7 млн. м3 подземных резервуарных емкостей, из них на долю России приходится только 3 млн. м3, тогда как в геологическом отношении Рос­ сия обладает огромным потенциалом как для строительства новых подземных хранилищ, так и для использования в этих целях уже имеющихся техногенных георесурсов.

Примером частичного использования отработанных вы­ работок для создания подземных хранилищ может служить проект использования стволов угольных шахт Подмосковно­ го угольного бассейна (рис. 2.1) [92]. Здесь на значительной площади ниже отрабатываемого пласта угля залегает пласт практически непроницаемых гипсов. Использование выра­ боток, оставшихся после выемки угля, не представляется возможным в связи с их негерметичностью.

Для создания хранилища в пласте гипса требуется углубка существующего ствола угольной шахты на 45 м и строи­ тельство выработок-емкостей в толще гипса. Технологиче­ ское оборудование хранилища обеспечивает прием, хране­ ние, выдачу и отбор продуктов. Промышленная площадка хранилища располагается на территории шахты. Генераль­ ный план поверхности подземного хранилища решен с уче­ том использования существующих зданий и сооружений Шахты.

Рис. 2.1. Схема подземного хранилища, предусматривающая частичное использование выработок угольной шахты (проект)

Большинство наземных зданий и сооружений шахты ис­ пользуется практически без переоборудования: администра­ тивно-хозяйственный комбинат, котельная, надшахтное зда­ ние, склад, подъездные железнодорожные пути, подстанция и т. п. Для обеспечения нормальной эксплуатации хранили­ ща дополнительно потребовалось предусмотреть железнодо­ рожную сливо-наливную эстакаду, здание приточно­ вытяжной вентиляции с калориферной установкой, установ­ ку углекислотного пожаротушения и здание Лаборатории. Даже такое частичное использование горных выработок и наземных зданий и сооружений горнодобывающих пред­ приятий приносит значительный экономический эффект.

Важным элементом повторного использования подземных сооружений является создание в них таких мощных источ­ ников базисной энергии как АЭС, а также источников ава­

рийной и ликвидационной мощности гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), принцип работы которых основан на использовании искусственно создаваемого перехода вы­ сот [15, 71, 100]. Институтом Оргэнергосбыт выполнены проработки по подземному размещению АЭС в трех реакто­ рах типа ВВЭР-440 и ГАЭС с поверхностным верхним и под­ земным нижним бассейном (ГАЭС ПБ) мощностью в гене­ раторном режиме 1200 МВт. в отработанных камерах дейст­ вующего месторождения железистых кварцитов (шахта им. Губкина КМАруда). Выполненный объем предпроектных ис­ следований показал техническую осуществимость такого проекта в существующих камерах общим объемом 20 млн. м . При этом реакторы предполагается разместить в камерах цилиндрического очертания диаметром 50 м и высотой 70 м, длительная устойчивость которых подтверждена ежегодны­ ми наблюдениями маркшейдерской службы шахты [100]. Верхний бассейн ГАЭС занимает площадь несколько десят­ ков гектар, нанося минимально возможный экологический ущерб поверхности над месторождением железистых квар­ цитов. Все остальные элементы ГАЭС располагаются в су­ ществующих вертикальных шахтных стволах, нижний бас­ сейн образуется за счет объединения 170 отработанных ка­ мер общим объемом 9,6 млн. м3 путем расширения вырабо­ ток бурового и откаточного горизонтов.

Наличие значительного резерва отработанных камер по­ зволяет разместить в них с максимальной экологической на­ дежностью подземное хранилище твердых и жидких отходов радиоактивного происхождения, а также отработанных ка­ налов, образующихся в процессе эксплуатации АЭС. Кроме того, часть резерва отработанных выработок может быть ис­ пользована в качестве «ловушки» для перехвата загрязнен­ ной пароводородной смеси в случае запроектной аварии АЭС. Одним из возможных направлений изоляции камер, используемых для захоронения РАО, является в этом случае применение инъекционного упрочнения трещиноватых гор­ ных пород твердеющими составами.

Н.П. Ваучский указывает, что подземное размещение АЭС резко повышает безопасность ядерной энергетики на всех трех уровнях безопасности [15], включая гипотетиче-

ские аварии. На эффективность использования подземных сооружений в чрезвычайных ситуациях указывают А Г. Бе­ ляев, М.Д. Бондановский и др. [7]. Подземные АЭС защище­ ны от внешних воздействий: землетрясений, снежных лавин, ураганов, селей, камнепадов, гроз и других природных явле­ ний. Так, сейсмические воздействия на подземные сооруже­ ния снижаются в два и более раз по сравнению с аналогич­ ными параметрами из-за разности частот колебаний волн землетрясений.

Н.Н. Мельников отмечает, что подземное размещение АЭС, а также хранилищ РАО является одним из перспек­ тивных методов повышения надежности ядерной энергетики [72]. И хотя большинство аспектов проблемы требует углуб­ ленных теоретических и экспериментальных исследований, реализация проектов подземных АЭС и подземных храни­ лищ РАО осуществима уже при современном уровне техни­ ки и технологии как по ядерным установкам, так и в части подземного строительства.

На важность размещения отходов различной этиологии в уже имеющемся техногенном подземном пространстве ука­ зывают в своих работах АС. Малкин и АГ. Саламатин [91].

Огромные объемы пустой породы, складируемой на по­ верхности в связи с добычей полезных ископаемых, отходы золы, шлаков теплостанций, металлургических и коксохими­ ческих заводов, порода обогатительных фабрик характери­ зуются цифрой в 12 млрд, т в год. Только угольная промыш­ ленность «поставляет» более 1 млрд, т в год породных отхо­ дов. Ущерб пылевого, газового и гидрогеологического воз­ действия на плодородие почвы, на растительный и живот­ ный мир сравним с потерей 15-20 % национального дохода. В то же время, технология добычи полезных ископаемых со­ провождается образованием техногенного подземного про­ странства и его последующее обрушение ведет к существен­ ным деформациям земной поверхности. Заполнение подзем­ ного пространства и использование для этого породных и промышленных отходов сулит экономические выгоды от уменьшения деформацией земной поверхности, отказа от оставления в целиках подготовительных запасов полезного ископаемого, снижения давления на крепь горных вырабо­

ток, в результате освобождения поверхности от отходов и др. Таким образом, технические потребности подземной разработки рудных и угольных месторождений приводят к идее использовать техногенное подземное пространство рудников и шахт для размещения и захоронения в нем отхо­ дов производства как направление по оздоровлению окру­ жающей среды.

А.С. Малкиным выполнен инженерный анализ основных направлений и форм использования техногенного подземно­ го пространства угольных шахт, по которым могут быть приняты важные стратегические решения, как в текущее время, так и после необходимых исследований, дополни­ тельных технических проработок. Эти направления и, соот­ ветственно, комплексы решений фокусируются вокруг сле­ дующих проектов:

•оставление (размещение) шахтной породы в подзем­ ном пространстве, избегая выдачи ее на поверхность;

размещение породы, поступающей от обогащения уг­ ля и руд (хвосты) в подземном пространстве; размещение производственно-бытовых отходов горо­ дов и рабочих поселков в подземном пространстве; складирование минеральных отходов в целях после­ дующей переработки и использования в будущем; складирование и захоронение химически и биологиче­ ски вредных продуктов и отходов промышленности в специально подготавливаемом подземном пространст­ ве.

Каждый из перечисленных основных проектов использо­ вания подземного техногенного пространства характеризу­ ется своим комплексом научных и инженерных задач, имеющих или не имеющих удовлетворительного решения. Ключевое положение занимает программа обследования, изучения подземного техногенного пространства шахт. На базе маркшейдерской и геологической документации опре­ деляется стационарный объем подземного пространства в виде вертикальных и наклонных стволов, шурфов, околоствольных дворов и камер, квершлагов, уклонов, ходков, ос­ новных штреков, приемных площадок и т. д. Это длительно

ности, например, газовой горелкой. Для облегчения процес­ са горения отходов окислитель направляют через нагнета­ тельную выработку 4 в зону их горения. В качестве нагнета­ тельной можно использовать выработку 4, через которую подаются отходы. Образовавшиеся при сжигании отходов газы поступают в газоотводящую выработку 3. Утилизацию тепловой энергии газов осуществляют, например, с помо­ щью погружного теплообменника 7, установленного в газо­ отводящей выработке 13. Далее газы проходят механиче­ скую и химическую очистку, например, циклонами 8 и очи­ стным устройством 9 и проходят через тягодутьевое обору­ дование типа дымососа 10.

Для обеспечения всасывающе-нагнетательного режима подачи окислителя в зону горения отходов на входе нагнета­ тельной выработки 3 устанавливают тягодутьевое оборудо­ вание 2. Производительность участка по переработке отхо­ дов в горных выработках зависит от их сечения и расхода окислителя. Часть тепловой энергии газа направляют по подземным или поверхностным коммуникациям 11 для тер­ мической подготовки участка 12. В результате утилизации тепловой энергии газов теплоноситель в виде горячей воды по трубам 6 поступает к потребителю 5.

Продукты сжигания отходов под действием воздушного потока или потока воды, в частности шахтной, перемещают по каналам 14 и заполняют выработанное пространство 15. Отходы, не подлежащие сжиганию, складируют в горных выработках.

По данным В.И. Бородина [9], подземное пространство в России состоит из пяти категорий выработок и пещер - от весьма широкого до весьма узкого применения. Наиболее технологичными для повторного использования являются подземные горные выработки первой и второй - весьма ши­ рокого применения категорий с горизонтальными и на­ клонными (до 10°), вертикальными и наклонными (более 10°) схемами вскрытия. К ним относятся очистные выработки шахт каменных стройматериалов, каменных и калийных со­ лей, имеющие высоту 4 м, ширину 6 м. К третьей и четвер­ той категориям ограниченного и узкого применения отно­ сятся подземные горные выработки (очистные камеры, гор-

но-капитальные шахты каменных стройматериалов, камен­ ной и калийной соли), околоствольные дворы, камеры и гор­ но-капитальные выработки угольных шахт и рудников, неза­ висимо от схемы вскрытия, имеющие высоту 1,8 - 4 м, ши­ рину 2 - 6 м; к пятой категории - весьма узкого применения

-отнесены естественные полости (пещеры).

Внастоящее время подземное пространство рассматрива­ ется как природный ресурс и является государственным дос­ тоянием. Это обусловливает необходимость разработки еди­ ного Каталога техногенных емкостей и естественных полос­ тей (пещер), пригодных и перспективных для подземного строительства на территории России, в котором были бы уч­ тены:

неиспользуемые подземные сооружения крупных го­ родов, портов, курортных зон, конверсированных во­ енных баз и спецстроительства;

неиспользуемые выработки и станции метрополите­ нов, гидротехнических сооружений, а также сооруже­ ния транспортные, коммуникационные, инженернотехнические, научные и экспериментальные; отработанные и неиспользуемые подземные горные выработки горнодобывающих предприятий всех от­ раслей промышленности; бесхозные подземные горные выработки всех отрас­ лей промышленности;

участки недр, перспективные для подземного строи­ тельства;

•естественные полости (пещеры).

Особенно пристального рассмотрения требует разработка Кадастра участков недр на территории России перспектив­ ных для подземного строительства, позволяюйщх создавать долговременно действующие подземные объекты и соору­ жения, подземные промышленные узлы и комплексы.

В.И. Бородин приводит возможные примеры использова­ ния выработанного пространства в новом функциональном качестве.

Находящиеся сравнительно на небольших глубинах отра­ ботанные подземные горные выработки рудников "Извест­ няк" и "Ангидрит" Норильского ГМК, Пешеланского гипсо­ вого комбината, Жигулевского известкового завода, СольИлецкого рудоуправления, Соликамских и Березниковских калийных рудников, Новомосковского гипсового комбината и других, образованные при отработке месторождений по­ лезных ископаемых, могли быть эффективно использованы для размещения крупных подземных складов, хранилищ то­ плива, промышленных зон и узлов, энергосистем, холодиль­ ников, промышленных предприятий и их отдельных цехов, учреждений соцкультбыта, лечебных, научных и т.п.

Околоствольные дворы, камеры, горно-капитальные вы­ работки отработанных и действующих угольных шахт и руд­ ников могут успешно использоваться для строительства под­ земных ГЭС, ГАЭС, АЭС, создания промышленной инфра­ структуры, складирования отходов обогатительных фабрик, утилизации промышленных отходов и их переработки, соз­ дания могильников вредных, опасных и радиационных отхо­ дов, сброса и очистки сточных вод, переработки или унич­ тожения мусорных отходов, создания резервуаров питьевой воды, воды для технических нужд и т.д.

Из учтенных выработок, по данным И.В. Садардинова, потенциально пригодных для повторного использования, наибольшее количество по площади приходится на место­ рождения каменных строительных материалов 80,3 %, ка­ лийной и каменной солей - 10,32 % и руд - 9,33 %, т.е. огром­ ный резерв в виде капитальных, подготовительных и очист­ ных выработок угольных шахт остается невостребованным. Это можно объяснить сложностью горно-геологических ус­ ловий их размещения (газодинамические явления, высокое горное давление, загазованность, запыленность и т.д.). Од­ нако эти все причины не могут служить оправданием прак­ тического их неиспользования, за исключением редких вы­ шеприведенных случаев. Имеющийся положительный опыт размещения различных объектов в подземных выработках угольных шахт показывает, что при правильном научном и инженерном подходах проектирования и строительства дос­

тигается высокая технико-экономическая эффективность использования выработанных пространств.

В настоящее время нормативным документом, регламен­ тирующим использование недр для размещения объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых, является СНиП 2.01.55-85 "Объекты народного хозяйства в подземных гор­ ных выработках".

Характерной особенностью проектирования подземных объектов, размещаемых в существующих горных выработ­ ках, является преимущественное применение в них нестан­ дартных технических решений, выполненных по индивиду­ альным проектам. Это связано с тем, что такие выработки проходятся при добыче полезных ископаемых без учета их повторного использования для строительства объектов на­ родного хозяйства. В этих условиях возможна унификация только отдельных узлов и конструкций сооружения.

§ 2.2. Классификация повторного использования подземных сооружений

Проблема повторного использования горных выработок, образованных в результате добычи полезного ископаемого, для целей размещения в них различных объектов народного хозяйства и отходов производства, особенно в связи с мас­ совым закрытием угольных шахт и освобождение огромных подземных пространств, приобретает все большее значение для решения экономических, экологических и социальных проблем. В фондах государственного учета подземных выра­ боток, пригодных для повторного использования, на долю горных предприятий приходиться лишь 9 %.

Причинами этого, как считают многие ученые, и автор с ними согласен, являются:

•организационные (ведомственная разобщенность предприятий, осуществляющих добычу полезных ис­ копаемых, и предприятий, которые могут использовать подземное пространство в новом функциональном ка­ честве; отсутствие единого постоянно действующего координационного органа по проблемам освоения