Оценка эффективности технологий проходки выработок с позиций экологической безопасности

Е.Ю.Куликова, к.т.н., доцент кафедры ИЗОС, МГГУ

Одним из аспектов обеспечения экологической безопасности выработок является деление их на группы по уровню надежности (по уровню экологической надежности, по надежности несущих и ограждающих конструкций, по технологической надежности), а также по температурно-влажностным условиям внутри объекта.

Требования к температурно-влажностным условиям могут служить исходными для оценки степени водопроницаемости выработок (тоннелей). Допустимые и оптимальные параметры микроклимата для тех типов выработок, где предусматривается проветривание, зависят от совокупного влияния соответствующих показателей вентиляционной струи воздуха в них и его тепло-влажностного взаимодействия с вмещающим массивом. Это, прежде всего, относится к влажности воздуха в выработке, величина которой определяется следующим соотношением:

(1)

где – абсолютная влажность, г/м³; – абсолютная влажность поступающей в выработку вентиляционной струи, г/м³; – абсолютная влажность воздуха в выработке, являющаяся результатом испарения воды, просочившейся через несущие и ограждающие конструкции, г/м³.

При известной величине W_абс находится количество влаги, поступившее через обделку тоннеля. При известных значениях внутреннего объема выработки V и площади обделки в свету S_св, можно найти взаимосвязь между расходом влаги, просочившейся через 1 м² обделки Q_ви долю относительной влажности воздуха, которая добавляется за счет испарения просочившейся через обделку воды:

(2)

где M – модуль поверхности M =S_св/V.

Таким образом, с ростом модуля поверхности уменьшается допустимое количество влаги, которое может профильтроваться в выработку через обделку. Учитывая, что больший модуль поверхности характерен для менее габаритных выработок, можно сделать вывод о необходимости использования более плотного материала несущих конструкций (с меньшим коэффициентом фильтрации) при проходке выработок меньшего сечения и протяженности.

Следовательно, нормальные температурно-влажностные параметры в выработке могут быть обеспечены, в значительной степени, за счет его герметизации – высокой водонепроницаемости несущих конструкций.

Надежность несущих конструкций включает в себя разделение на группы по признакам их устойчивости, водопроницаемости, взаимодействия с вмещающими породами. Проблема устойчивости несущих конструкций до недавнего времени рассматривалась лишь с позиций отдельного воздействия на один из элементов системы «выработка (тоннель) – массив». Однако, например, водопритоки через обделку выработки разрушают несущие конструкции. Возникает вопрос не только о допустимой степени проницаемости этих конструкций и о влиянии процессов фильтрации на свойства материалов обделки и их устойчивость, но и о связи водопроницаемости несущих элементов со свойствами массива и т.п. Поэтому обеспечение экологической надежности выработки должно основываться на комплексе защитных мер, направленных на вовлечение в работу соответствующих свойств самой выработки (тоннеля), породного массива и технологических приемов его строительства, поддержания и эксплуатации.

Таким образом, требования, предъявляемые к выработкам (тоннелям), сводятся к следующему:

• ведение горно-строительных работ таким образом, чтобы исключался или сводился к минимуму ущерб, наносимый техногенным вмешательством в окружающую среду;

• обеспечение наиболее рационального и безопасного функционирования среды;

• обеспечение надежности работы выработок.

Последнее требование приобретает особое значение в условиях формирования природно-технической системы «массив – технология – выработка (тоннель)».

Основным требованием при проходке выработок является создание условий, при которых негативное влияние человеческой деятельности проявляется с наименьшим экологическим риском. Удовлетворение этого требования состоит в выборе нормативных ограничений для проектируемых выработок или в обосновании области применения технологий проходки с позиций экологической безопасности.

Техногенные нагрузки, формирующиеся при проходке, вызывают те или иные сдвиги в элементах окружающей среды, общий дисбаланс природно-технической системы.

Критерий экологической оптимизации технологии проходки выработок (тоннелестроения) по какому-либо показателю качества принятой технологии может быть представлен в следующем виде:

(3)

где ωN_i – нормированное значение i-го параметра качества технологического процесса; [a_e, b_e] – заданные экологические ограничения; Ω_eПТС – интегральная оценка качества строительного комплекса с учетом комплексного показателя состояния природно-технической системы «массив – технология – тоннель»; ω_i– параметры качества принятой технологии.

В процессе формирования системы «массив – технология – выработка» (стадия строительства) неизбежны экологические потери, связанные с двумя обстоятельствами:

• непосредственным воздействием технологических процессов и производительных сил (горно-строительная техника, люди, обслуживающие объект, источники энергии и т.п.) на компоненты природы;

• необходимым использованием объектов природы в регионе горно-строительных работ (использование природных ресурсов в технологическом цикле).

Каждое из этих обстоятельств может быть выражено количественной мерой экологических потерь, суммарно определяющих экологическую обстановку на текущий момент.

Ситуация с наибольшим экологическим риском, как правило, складывается к моменту окончания технологических процессов строительного комплекса и, при отсутствии соответствующих мероприятий инженерной защиты, природно-техническая система будет иметь состояние, выражаемое как:

(4)

где S_k – показатель техногенных изменений; t_k– время окончания строительства.

При формировании технологических ограничений необходимо учитывать отрицательные воздействия на природную экосистему в результате применения той или иной технологии, к которым могут быть отнесены:

• геомеханические нарушения земной поверхности;

• изменение режима подземных вод, истощение водоносных горизонтов;

• изменение электрических полей в подземном пространстве, появление блуждающих токов;

• усиление биологической коррозии;

• миграция загрязняющих веществ в окружающую среду;

• развитие суффозионных явлений, плывунов и псевдопывунов;

• загрязнение атмосферы ядовитыми веществами и взрывными газами;

• шумовое и вибрационное воздействие на атмосферу и т.д.

Уровень экологической защиты определяет верхнюю границу допустимых техногенных изменений в природе, переход за которую связан с потерей необходимого экологического равновесия и, следовательно, резкого повышения экологического риска в системе «массив – технология – выработка». Требования к качеству проектируемых тоннелей определяют потенциальные эксплуатационные характеристики (прочность, устойчивость, герметичность, безотказность, безаварийность работы и т.п.) и уровень экологической безопасности как меру воздействия выработки на окружающую среду.

Одним из основных критериев выбора технологий проходки является минимум возможных техногенных изменений в системе при применении данной технологии. Критерий работает в следующих условиях:

• минимизация срока проходки выработок;

• минимизация стационарной составляющей техногенного потока, обеспечиваемой минимальными экологическими нагрузками и техногенными воздействиями со стороны построенных тоннелей.

Таким образом, выбор технологии проходки, обеспечивающей экологическую безопасность выработки должна осуществляться в рамках системы инженерно-экологического обеспечения горно-строительного комплекса, которая включает:

• экологически обоснованные требования к выработкам;

• задачи оптимального проектирования с точки зрения экобезопасности;

• оптимизацию выбора технологии проходки;

• организацию экологически безопасных технологических процессов;

• количественную оценку текущих и долговременных последствий в районе размещения тоннеля;

• научный подход к выбору мероприятий защиты окружающей среды;

• задачи рационального природопользования.