Обоснование возможности размещения радиоактивных отходов 2 и 3 классов в подземном пространстве урановых рудников
Е.В. Кузьмин, д-р техн. наук, проф., главный специалист АО «Центральный проектно-технологический институт» (входит в Топливную компанию Росатома «ТВЭЛ»);
А.В. Калакуцкий, канд. техн. наук, руководитель направления по научной и инновационной деятельности АО «ЦПТИ»;
М.А. Тарасов, генеральный директор АО «ЦПТИ»;
А.А. Морозов, канд. техн. наук, директор по науке и инновационному развитию ПАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение имени Е.П. Славского» (ПАО «ППГХО»)
Проблемы рационального и комплексного использования недр исследуются широким кругом специалистов. Принятая классификация, разработанная ФУГП ИПКОН РАН, принципы многофункционального использования недр в полном цикле комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых включают рассмотрение пространства подземных рудников для утилизации радиоактивных отходов (РАО) [1–3]. Размещение и последующее захоронение радиоактивных отходов является весьма актуальной проблемой во всех странах с наличием атомной энергетики, масштабы ее во времени увеличиваются.
В настоящей работе поставлена задача геомеханического обоснования возможности размещения в горных выработках, образованных при добыче руды, РАО среднего и низкого уровня активности – 2-го и 3-го классов (по классификации, установленной Постановлением Правительства РФ от 19.10.2012 № 1069); создания на базе Приаргунского производственного горно-химического объединения (ПАО «ППГХО») пункта размещения РАО 2-го и 3-го классов в отработанных камерах рудников на глубинах до 1000 м от поверхности, без их последующего извлечения, с обеспечением радиационной безопасности работников, населения и окружающей среды в течение периода потенциальной опасности.
В соответствии с законодательством (требованиями федеральных норм и правил НП-055-14) выбор способа размещения и захоронения РАО, конструкции сооружений, состав и свойства барьеров безопасности определяются в зависимости от характеристик РАО и их объема, с учетом природных условий размещения пункта захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО) и результатов оценки безопасности ПЗРО. В рамках требований НП-055-14 не допускается размещать ПЗРО на площадках, расположенных непосредственно на активных разломах или в активных геодинамических зонах.
На территории рудников №1 и Глубокий ПАО «ППГХО», наиболее приемлемых по наличию отработанных камер, расположены разломы Стрельцовский, Восточная зона, Центральная зона, Мало-Тулукуевская зона, образованные в меловой период, около 100 млн лет назад. Перечисленные разломы не являются активными, отсутствуют на карте разломов ГИН РАН.
Не допускается размещать ПЗРО на площадках, сейсмичность которых характеризуется интенсивностью максимального расчетного землетрясения, превышающей 8 баллов по шкале МСК-64. На карте ОСР-2016-D (Общее сейсмическое районирование территории Российской Федерации) рудники №1 и Глубокий расположены в зоне с максимальной интенсивностью сейсмических сотрясений в 7 баллов. Период повторяемости сотрясений составляет 1000 лет. Вероятность превышения расчетной интенсивности в течение 50 лет – 0,5%. Интенсивность максимального расчетного землетрясения не превышает 7 баллов.
Имеются проекты подземных хранилищ для длительного хранения и/или захоронения упаковок радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности в подземных сооружениях, созданных в однородных слабопроницаемых породах, состоящих из одного или нескольких тоннелей, соединенных с наземным сооружением для приема упаковок, средств транспортирования и штабелирования [6]. Хранилище возводится по принципу строительства тоннеля метрополитена с бетонированием по всему периметру выработки – камеры. При укладке контейнеров кубической формы часть пространства камеры по контакту с бетонной обделкой не используется. Такое хранилище небольшое по вместимости и весьма дорогостоящее (рис. 1). Проблема размещения и захоронения накопленных РАО и тех, которые будут нарабатываться, является весьма актуальной. Прогноз образования РАО предприятиями ГК «Росатом» на территории РФ в ближайшие 15 лет приведен в табл. 1.
- Табл. 1 Прогнозные объемы образования РАО предприятиями ГК «Росатом»
РАО 2-го и 3-го классов (нетепловыделяющие) помещаются в изолированные упаковки – контейнеры кубической формы, представляющие собой основную защиту от ионизирующего излучения, механических повреждений. Отработка рудных тел на рудниках ПАО «ППГХО» ведется с использованием в основном слоевых систем с нисходящей и восходящей выемкой, камерных систем разработки с твердеющей закладкой, или без закладки. Наличие незаложенных камер, их объем на действующих и законсервированных рудниках на сентябрь 2018 г. представлены в табл. 2 [8].
- Табл. 2 Объем пустот на действующих и законсервированных рудниках ПАО «ППГХО»
Из фонда подземного пространства действующих рудников наиболее подходящими являются отработанные камеры рудника №1 и рудника Глубокий объемом до 1,5 млн м3. На строящемся Руднике №6 (Аргунское и Жерловое месторождения) ежегодно будут образовываться камеры общим объемом до 250–300 тыс. м3. По данным геологической разведки Аргунского месторождения большая часть запасов представлена рудными телами, залегающими с крутым падением – от 55 до 85° (табл. 3) [13]. Из табл. 1 следует, что прогнозный объем РАО 2-го и 3-го классов к 2025 г. составит около 278,7 тыс. м3, к 2035 г. – 384,3 тыс. м3.
- Табл. 3 Мощности рудных тел - размеры (ширина либо длина камер), Аргунское месторождение
Объемы камер, представленные в табл. 2, являются достаточными для размещения РАО 2-го и 3-го классов. Большая часть рудных тел – потенциальные объемы камер Рудника №6 (в соответствии с мощностью залежей), может рассматриваться после отработки камер в качестве возможных хранилищ РАО 2-го и 3-го классов (табл. 3). В проектах отработки рудных тел необходимо предусматривать повторное использование камер в качестве хранилищ РАО: корректировать параметры отбойки – формирования контуров будущих камер, щадящего взрывания, предварительного укрепления вмещающих пород по кровле и стенкам камеры, принять конструкцию основания блока – плоское днище с доставкой ПДМ, надежную вентиляцию и др.
- Рис. 2 Установка для упрочнения стенок и кровли камер инъекционными штангами с нагнетанием полимерных составов
Для повышения устойчивости контуров камер, предотвращения проникновения подземных вод и последующего выноса радиоактивных веществ необходимо повысить устойчивость породного массива, ликвидировать трещины путем нагнетания твердеющих упрочняющих составов. Из нескольких видов упрочнения неустойчивых породных массивов вокруг камер – хранилищ РАО вариант с укреплением пород тросоинъекционными штангами является наиболее эффективным по следующим признакам [16]:
- крепление может устанавливаться из узких выработок, при том, что длина штанги может составлять 6–15 м, благодаря возможности поперечного изгиба троса, что позволяет завести его в скважину;
- трос выдерживает нагрузки на растяжение более высокие, чем другие виды анкерной крепи;
- тросы являются распространенной продукцией, недефицитной и недорогой;
- технологии по приготовлению и нагнетанию твердеющих составов в скважины под давлением, используемые упрочняющие составы – микроцементы, геоцементы, полимерные смолы – известны и доступны, оборудование – недефицитное, имеется на горных предприятиях (рис. 2, 3).
- Рис. 3 Машина для укрепления кровли камеры!хранилища РАО инъекционными анкерами с металлической сеткой и набрыз-бетоном
С помощью высоконапорных насосов через пробуренные шпуры или скважины упрочняющие составы подаются в трещиноватый массив горных пород под высоким давлением (до 15–20 МПа), в результате чего имеющиеся открытые трещины и поры дополнительно раскрываются, заполняются составом, который твердеет с высокой адгезией с породами; закрытые трещины смыкаются.
Подготовка отработанной камеры для размещения контейнеров РАО 2-го и 3-го классов включает укрепление стенок и кровли инъекционными анкерами с металлической сеткой, набрызг-бетоном, для предотвращения отслоений и снижения водопроницаемости вмещающих пород (рис. 3).
Длина выносной стрелы-манипулятора для установки инъекционных анкеров может достигать 30 м. Укрепление стенок камеры сеткой с набрызг-бетоном также механизировано (рис. 4).
- Рис. 4 Укрепление стенок камеры-хранилища РАО инъекционными анкерами с металлической сеткой
Весьма эффективным методом укрепления контуров выработок является применение фибронабрызгбетона. Его особенность состоит в том, что при приготовлении в цементный раствор добавляется фибра – металлическая или пластиковая стружка, нити длиной 3–5 см, толщиной менее 1 мм (рис. 5).
- Рис. 5 Геометрия полимерной (слева) и металлической (справа) фибры - наполнителя фибробетона
Фибронабрызгбетон может наноситься на поверхность выработок в несколько слоев, общей толщиной до 30 см и работает как железобетонная крепь. Металлическая и полимерная стружка повышает прочность бетона на растяжение, придает свойства железобетона; трещины не возникают.
Твердеющие составы, нагнетаемые в трещины вмещающих пород, должны быть достаточно прочными и не разрушаться при деформациях и подвижках массива. На рис. 6 приведены сравнительные параметры прочности на растяжение – эластичности различных твердеющих составов.
Рис. 6 Сравнение прочностных (на растяжение) - эластичных свойств заполнителей трещин при нагнетании в трещины: цемента, силикатных смол, вспенивающихся полиуретанов
Вспенивающиеся полиуретаны, проникающие в микротрещины за счет пластичности молекулярной структуры и создания дополнительного давления при вспенивании, менее всего подвержены разрушению при подвижках массива, сотрясениях от взрывных работ, природных сейсмических процессов.
В трещиноватом массиве горных пород передача сил горного давления от блока к блоку происходит через скальные контакты – выступы на поверхности трещин, по которым соседние блоки-отдельности массива соприкасаются. Силы давления передаются по площади скальных контактов, которая составляет доли процентов от всей площади трещины, т.е. основное пространство трещины – пустое. По данным проф. К.В. Руппенейта, площадь скальных контактов (отношение площади соприкосновения к общей площади трещины) составляет (3–4)·10-3.
При инъекционном упрочнении пород трещина полностью заполняется жидким составом. Давление состава на стенки трещины в направлении ее раскрытия распределено по всей площади трещины, оно превышает горное давление от соседних блоков-отдельностей массива, передаваемое по скальным контактам. Так, давление нагнетания состава в 15 МПа равно давлению (весу) столба налегающих пород высотой 500 м, давление нагнетания в 20 МПа равно давлению веса столба налегающих пород высотой 666 м (средний объемный вес пород – 3,0 т/м3). Каждый блок-отдельность массива испытывает высокое давление сжатия со стороны упрочняющего состава, находящегося в трещинах. В состоянии высокого давления состав в трещинах затвердевает.
Как правило, в массиве имеется от 5 до 9 пересекающихся систем трещин, которые под давлением заполняются жидким составом, поэтому при нагнетании упрочняющего состава блоки-отдельности испытывают давление объемного сжатия. После отверждения состава массив становится монолитным конгломератом, находящимся в состоянии объемного сжатия, близкого к равнокомпонентному.
Информация о наличии и состоянии трещин массива на контурах подземных камер является одной из важнейших.
По ней определяется сетка – количество и направление шпуров и скважин для подачи упрочняющих составов, длина скважин, необходимая конструкция тросоинъекционных штанг либо анкеров.
- Рис. 7 Керносканер DMT CornScan для сканирования поверхности кернов, определения параметров трещиноватости горных пород
Оценка степени трещиноватости массива, числа систем трещин может оперативно производиться по показателям сканирования поверхности керна, полученного в результате бурения разведочных скважин. Для этого может быть использован портативный керносканер DMT CornScan (рис. 7). Керн помещается между вращающимися валиками стола и сканируется скоростной цифровой камерой (пример использования описан проф. Г. Рафатом [15]).
Обработка отсканированных образцов керна осуществляется с помощью программ, проводящих интерпретацию данных, с получением следующей информации:
- описание поверхностей раздела (поверхностей слоёв, сланцеватости, разломов), число систем трещин, их раскрытие, шероховатость, азимуты расположения по их пространственной ориентировке, инженерно-геологические параметры (показатель нарушенности RQD и др.);
- петрографический гранулометрический анализ;
- база данных и графическое отображение буровых разрезов и описаний керна;
- архивирование в цифровом виде результатов бурения. Цифровое архивирование и передача данных бурения производятся с помощью интернета, что заменяет транспортировку и позволяет обойтись без складских площадей для ящиков с керном.
Керносканер CornScan широко используется в нефтяной и газовой промышленности, для определения запасов нефти и газа – объема имеющихся в породах трещин и пустот.
Для размещения контейнеров РАО 2Pго и 3-го классов в отработанных камерах выбирается изолированная камера, не препятствующая подземному технологическому транспорту, удаленная от мест ведения буровзрывных, очистных работ, с устойчивыми вмещающими породами. Проводится укрепление стенок и кровли инъекционными анкерами с металлической сеткой, набрызгбетоном, для предотвращения отслоений и ликвидации водопроницаемости вмещающих пород, бетонирование почвы. Пространство между контейнерами РАО, установленными в несколько ярусов, и стенками камеры может заполняться пастовой закладкой, приготовленной из материалов переработки карбонатных или алюмосиликатных урановых руд с добавлением флокулянтов и упрочняющих добавок (цемент, зола уноса, ПГС, дробленая порода) (рис. 8).
- Рис. 8 Схема размещения контейнеров РАО 2-го и 3-го классов в подземном пространстве рудника
Пастовая закладка – густая гелеобразная минеральная масса с плотностью до 1,2–1,5т/м3. Состав материалов переработки карбонатных руд: суммарное содержание основных соединений: CaO, MgO – 44,83%, SiO2 – 5,77%, Al2O3 – 0,4% [17]. Суммарное содержание основных соединений в материалах переработки алюмосиликатных руд: CaO, MgO – 9,1%, SiO2 – 59,5%, Al2O3 – 12,0% [18]. Материалы не вступают в химические реакции с породами, металлическими и бетонными контейнерами.
Схема размещения контейнеров РАО 2-го и 3-го классов в отработанной камере подземного рудника представлена на рис. 8.
Оригинальность подхода заключается в том, что среднеактивные РАО изолируются с помощью низкоактивных РАО. Пастовая закладка на основе материалов переработки урановых руд является изолирующим барьером с высокой радиационной стойкостью, т.к. сама содержит активные материалы. Заполнение твердеющей пастовой закладкой пустот вокруг установленных в камере контейнеров с РАО рассматривается как создание дополнительной изолирующей оболочки. В течение 28–60 дней пастовая закладка набирает прочность на сжатие 1,0–2,0 МПа и более. Параметры пастовой закладки (начальная вязкость, прочность при отверждении) подбираются на предприятиях в каждом случае в соответствии с решаемой задачей.
Температура горных пород – в пределах 2–4 °С, в заполненной пастовой закладкой камере открытых поверхностей для интенсивного радоновыделения нет, отверждение пастовой закладки проходит равномерно по всему объему камеры. Паста не является пожароопасной, т.к. состоит из мелко измельченных минеральных материалов переработки урановой руды, воды, флокулянтов (60 г/т) и минеральных добавок – ПГС, цемента, золы уноса, при необходимости может переводиться в категорию материалов, не относящихся к РАО, имеет более низкие (в сравнении с хвостовой пульпой) активность и радоновыделение.
На рудниках ПАО «ППГХО», помимо подземного пространства – отработанных выработок и камер, имеется готовая инфраструктура, необходимая для транспортировки и размещения РАО 2-го и 3-го классов:
- подъездные дороги, ж.-д. связь;
- поверхностные промежуточные площадки, склады;
- подвод линий электропередачи;
- трансформаторные подстанции;
- вертикальные стволы на глубину до 1000 м с клетьевыми подъемами для спуска-подъема людей, спуска контейнеров с РАО;
- оборудованные околоствольные дворы;
- транспортные выработки по горизонтам;
- пути электровозной откатки;
- вагонетки-платформы;
- система водоотлива;
- принудительная центральная и местная системы вентиляции и др.
Заключение
Размещение и последующее захоронение РАО 2-го и 3-го классов является весьма актуальной проблемой. Многофункциональное использование недр в полном цикле комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых является востребованным современным принципом, позволяющим решать сложные междисциплинарные задачи с высокой эффективностью. Использование пространства подземных рудников для утилизации радиоактивных отходов характеризуется существенно меньшим объемом поверхностных и подземных подготовительных, строительных работ, чем обеспечивается значительный экономический эффект.
В соответствии с классификацией РАО, принятой Правительством РФ от 19.10.2012, Постановление № 1069, рассматривается возможность создания на базе ПАО «ППГХО» пункта размещения РАО 2-го и 3-го классов в отработанных выработках и камерах урановых рудников, без их последующего извлечения, с обеспечением радиационной безопасности работников, населения и окружающей среды в течение периода потенциальной опасности. Пастовая закладка, заполняющая пространство между контейнерами РАО 2-го и 3-го классов и стенками камер, является изолирующим барьером с высокой радиационной стойкостью, т.к. сама содержит активные материалы. Заполнение твердеющей пастовой закладкой на основе материалов переработки урановых руд пустот вокруг установленных в камере контейнеров с РАО 2-го и 3-го классов рассматривается как создание дополнительной изолирующей оболочки.
С использованием методов инженерной подготовки породного массива вокруг подземных камер для ликвидации трещин и пор, пастовой закладки на основе материалов переработки урановых руд открывается возможность безопасного размещения контейнеров РАО 2-го и 3-го классов в подземном пространстве отработанных камер урановых рудников.
АО «Центральный проектно-технологический институт» (АО «ЦПТИ») – интегрированная компания, консолидирующая проектно-конструкторские подразделения предприятий, входящих в Топливную компанию «ТВЭЛ» (Госкорпорации «Росатом») – поставщик комплексных проектно-изыскательских услуг, лидер по оптимизации капитальных и эксплуатационных затрат на всех стадиях жизненного цикла предприятия. Институт занимает одну из лидирующих позиций в атомной отрасли по внедрению BIM-технологий в проектировании.
АО «ЦПТИ» является ведущим институтом в области комплексного проектирования, конструирования и изготовления оборудования для промышленных объектов использования атомной энергии.
Основные направления деятельности АО «ЦПТИ»:
• комплексное проектирование промышленных и гражданских объектов;
• конструирование и поставка оборудования;
• комплексные инженерные изыскания и обследование;
• негосударственная экспертиза проектной документации.
АО «ЦПТИ» включает в себя Центральный офис в Москве и территориальные филиалы в Электростали, Ангарске, Северске, Глазове, Новосибирске и Новоуральске.
