СПОСОБ ПОДЗЕМНОГО ЗАХОРОНЕНИЯ ЖИДКИХ ОТХОДОВ
METHOD OF UNDERGROUND DISPOSAL OF LIQUID WASTES

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации глубоких хранилищ (полигонов захоронения) жидких промышленных отходов в подземной среде.
Известны различные способы подземного захоронения промышленных отходов. К наиболее известным из них относятся: закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты; захоронение отходов в искусственно созданные емкости в слабопроницаемых глинистых и соленосных породах с помощью механической выемки пород, гидроразрыва пласта, подземных взрывов, растворения соли и др.; захоронение в рыхлых породах зоны аэрации большой мощности за счет использования сорбционной емкости пород; захоронение в отработанные шахты и рудники; использование отдельных видов сточных вод в системе заводнения на нефтяных пластах [1, с.5].
Среди указанных способов к близким аналогам заявленного изобретения относятся способы подземного захоронения жидких отходов путем их закачки через поглощающие скважины в пласты-коллекторы [2, с.210-211; 3, с.5, 23]. По данным способам основными критериями выбора участков захоронения являются: наличие водоносного горизонта или, что одно и то же, пласта-коллектора с достаточно высокой поглощающей способностью; необходимость надежной изоляции пласта-коллектора слабопроницаемыми породами (глинами, мергелями, гипсами, аргиллитами и др.) от вышележащих водоносных горизонтов, при этом перекрывающий водоупорный пласт должен быть выдержан по площади; пласт-коллектор в ближайшей окрестности (в радиусе 20-30 км) не должен выходить на поверхность или иметь связь с рекой; выше пласта-коллектора должен находиться буферный водоносный горизонт; оптимальным интервалом глубин для подземного сброса промышленных стоков являются глубины от 500 до 1700 м.
Основные недостатки этих способов связаны с неэффективным использованием подземного пространства, обусловленные, главным образом, чрезмерно жесткими требованиями к расположению участков захоронения.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению и принимаемым поэтому за прототип [4, с.168-225] является способ захоронения отходов, в котором требования к расположению участков захоронения значительно упрощены. Захоронение по данному способу производится закачкой отходов в водоносные горизонты, начиная с глубины 180 м, а пласт-коллектор при этом выходит на поверхность уже на расстоянии 10-15 км от участка (полигона) захоронения.
Несмотря на существенное снижение требований к расположению участков захоронения, ряд недостатков этого способа остается таким же, как и у аналогов. К ним относится необходимость надежной изоляции пласта-коллектора слабопроницаемыми породами на всей площади его распространения, обязательное наличие над ним буферного горизонта и др. Сохранение этих требований снижает возможность эффективного использования подземного пространства для захоронения жидких отходов, особенно в близрасположенных местах от их возникновения.
Следствием этого часто является появление многокилометровых очагов загрязнения поверхности земли и водоемов, существующих десятилетиями и не имеющих каких-либо признаков возможной их реабилитации в обозримом будущем. Характерным примером подобного загрязнения является район, прилегающий к радиохимическому производственному объединению «Маяк» в Челябинской области.
Задачей изобретения является создание способа захоронения жидких отходов, обеспечивающего наиболее полное использование подземного пространства при надежной локализации отходов в определенных границах и, в течение заданного времени.
Решение этой задачи достигается в способе захоронения жидких отходов, включающем выбор участков захоронения отходов, сооружение закачных скважин и закачку через них отходов в водовмещающие породы, отличающемся тем, что участки в подземной среде располагают под водораздельными частями рельефа поверхности земли, а закачку отходов ведут через рабочие части закачных скважин, располагаемых в нисходящих частях потоков подземных вод.
Способ с приведенными выше признаками имеет следующий ряд достоинств и преимуществ (положительных технических результатов) перед прототипом и аналогами.
Согласно изложенной сущности изобретения к первому и главному его отличию относится расположение участков захоронения отходов в подземной среде под водораздельными частями рельефа поверхности земли. При таком расположении участков захоронения в этой части подземного пространства в них в естественных условиях движение подземных вод имеет нисходящее направление, по крайней мере, до глубины, равной не менее расстояния от водораздела до ближайшего водосбора подземных вод (до реки, озера, водохранилища и т.п.).
В соответствии с этой особенностью естественных подземных гидравлических систем движение жидких отходов из зоны их заполнения, расположенной в этом пространстве, в восходящем к поверхности земли направлении оказывается невозможным. В этом случае выполнение таких требований безопасного захоронения жидких отходов, как обязательное покрытие зоны захоронения слабопроницаемыми пластами и наличие буферного горизонта, не является необходимым. В этом случае и без их выполнения устраняется опасность выхода жидких отходов на поверхность земли и тем самым повышается эффективность использования подземного пространства для захоронения в нем отходов, т.е. для захоронения может быть использована такая подземная среда, которая по прототипу и аналогам для этого не пригодна.
Согласно второму отличию закачка жидких отходов производится через рабочие части закачных скважин (через их фильтры, открытые части их стволов, места вскрытия интервалов захоронения посредством применения различных способов перфорации стенок скважин, в том числе гидроразрывом пласта и др.), располагаемые в нисходящей части естественных потоков подземных вод. При таком расположении рабочих частей закачных скважин обеспечивается безопасность процесса захоронения как во время его проведения, так и после его окончания. После заполнения выбранного подземного пространства отходами происходит восстановление здесь естественного режима подземных вод с нисходящим их движением.
Кроме того, указанное расположение рабочих частей скважин позволяет использовать для закачки отходов скважины с различными углами наклона от вертикали. При таком сооружении закачных скважин становится необязательной привязка их устьевых частей к наиболее высоким отметкам поверхности земли на водоразделах и поэтому появляется возможность наиболее рационально располагать поверхностный комплекс сооружений, сопутствующий закачке отходов. В частности, появляется возможность использования наклонных частей скважин вместо поверхностных трубопроводов, что особенно важно при захоронении высокотоксичных отходов.
Изобретение иллюстрируется на чертеже. На нем в обобщенном виде изображена гидродинамическая схема в подземном междуречном пространстве и показаны следующие ее элементы: 1 - уровень воды в реке - УВР; 2 - поверхность земли; 3 - линия смены вертикального масштаба, приведенная для более четкого объяснения роли рельефа поверхности земли и, в том числе, его водораздельной части на формирование потоков подземных вод; 4 - линия равного напора подземных вод; 5 - линия тока подземных вод; 6 - зона захоронения жидких отходов или зона расположения рабочих частей закачных скважин; 7 - уровень воды в водоеме - УВВ (водохранилище, озере и др.).
Как следует из этой фигуры, даже при однородно проницаемом массиве горных пород, находящихся в подземном междуречном пространстве, движение подземных вод из центральной его части возможно только в нисходящем направлении и затем в стороны через всю толщу массива к местам подземного стока. Таким образом, здесь для изоляции отходов в зоне захоронения и для предотвращения выхода их на поверхность земли не требуется наличия водоупорных покрывающих пластов или буферных водоносных горизонтов. Что же касается горизонтального движения жидких отходов через толщу массива к ближайшим водотокам, то при реальных многокилометровых расстояниях междуречных пространств продолжительность такого движения практически всегда будет большей, чем время естественного снижения токсичности известных отходов до заданных значений.
Пример применения способа дается для природных условий междуречного пространства, расположенного между рекой Зюзелка и водохранилищем жидких низкорадиоактивных отходов на реке Теча ПО «Маяк» в Челябинской области. Здесь находится геологическая синклинальная Теча-Бродская структура, заполненная преимущественно известняками и доломитами. Эти породы залегают от поверхности земли до глубины приблизительно 2200 м. Смоделированная гидродинамическая схема для разреза междуречья с учетом данных фактических наблюдений за уровнями подземных вод соответствует показанной на чертеже.
По проницаемости извесняково-доломитовая толща разделяется на три части: верхнюю от поверхности земли до глубины 400 м с коэффициентом фильтрации 5 м/сутки; среднюю слабопроницаемую в интервале глубин 400-1000 м с коэффициентом фильтрации 0,004 м/сутки и нижнюю средней проницаемости в интервале глубин 1000-2000 м с коэффициентом фильтрации 0,09 м/сутки. В соответствии с гидродинамической схемой для захоронения выбирается зона под водоразделом радиусом 1 км в интервале глубин 1000-2000 м (см. фиг.1).
2
7
3
3
При вскрытии этой зоны скважинами исходя из аналогичных условий захоронения жидких отходов на полигоне НИИАР [4] принимается, что эффективными (поглощающими) для закачки окажутся 25% от вскрытого интервала, т.е. 250 м. Принимая по той же аналогии для этой части зоны эффективную пористость пород, равную 0,02, получим, что в нее может быть закачен объем жидких отходов, равный V=π·0,02·(1000)·250=1,57·10 м. При непрерывной закачке отходов в эту зону с дебитом 1000 м/сутки продолжительность ее составит 43,0 года.
Для расчета скорости фильтрации отходов после заполнения зоны захоронения примем условие непрерывности потока подземных вод, начиная от места возникновения на водораздельной территории до места их выклинивания в поверхностные стоки. Принимая скорость фильтрации подземных вод в местах их просачивания равной 10% от атмосферных осадков, интенсивность которых для данной территории составляет 350 мм/год, получим, что здесь скорость вертикальной фильтрации составляет 0,035 м/год. Согласно чертежу в зоне захоронения поток подземных вод разделяется на две равные горизонтальные части, что и определяет здесь при одинаковой с исходной площадью просачивания скорость горизонтальной скорости фильтрации, равную 0,0175 м/год. Эта величина означает, что при принятом ранее значении эффективной пористости 0,02 и проницаемой части массива, составляющей 25% от общей площади фильтрации, скорость действительной горизонтальной фильтрации подземных вод составит 0,0175:(0,02·0,25)=3,5 м/год.
При такой скорости и расстоянии от места захоронения до поверхностных стоков, составляющей 6 км, продолжительность движения до них отходов составит 6000:3,5≈1700 лет. При захоронении в этих условиях жидких радиоактивных отходов ПО «Маяк», в которых основными радиоактивными элементами являются цезий и стронций с периодами полураспада около 30 лет, за время их продвижения к поверхностным стокам (реке Зюзелка и водохранилищу на реке Теча) радиоактивность отходов снизится приблизительно на 18 порядков. При известных реальных содержаниях радионуклидов в исходных жидких отходах такое снижение активности сделает их совершенно безвредными.
Таким образом, при соблюдении общепринятых технических правил захоронения жидких отходов, в частности таких, как качественное сооружение закачных скважин, подача в них отходов без образования вертикальных трещин гидроразрыва пласта и некоторых других, захоронение оказывается надежным и без наличия природных условий, требуемых при применении известных способов захоронения отходов.
Список литературы
1. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П, Лукьянчикова Л.Г. Подземное захоронение промышленных сточных вод. - М.: Недра, 1994. - 282 с.
2. Гольдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. - М.: Недра, 1984. - 262 с.
3. Гидрогеологические исследования подземного захоронения промышленных стоков. Под ред. В.А.Грабовникова. - М.: Недра, 1993. - 335 с.
4. Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. - М: ИздАТ, 1994. - 226 с.