Анализ деформационных процессов в породном массиве, вмещающем тепловыделяющие источники

СТРОИТЕЛЬНАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

© В.С. Гупало, 2001

УДК 539.3:536:622 , ^

В.С. Гупало

АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОРОДНОМ МАССИВЕ, ВМЕЩАЮЩЕМ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЕ ИСТОЧНИКИ

Конечной стадией ядерного топливного цикла всегда является утилизация отработанного топлива или его высокоактивных компонентов после переработки. Существует много теоретически возможных способов утилизации отходов, начиная от отправки контейнеров с топливом в открытый космос и заканчивая опусканием на дно мирового океана. Но общепризнанным способом из-за наиболее возможной и безопасной реализации является изоляция отходов в геологических формациях.

Размещение отходов в геологических формациях для длительного хранения сопряжено с техногенными нагрузками на вмещающий породный массив. Под техногенными нагрузками подразумевается влияние как самого подземного сооружения, так и содержащихся в нем тепловыделяющих отходов. Следствием влияния являются:

• концентрация напряжений в прикон-турных зонах подземных сооружений;

• концентрация термонапряжений;

• нагрев пород.

Предметом исследования является влияние тепловой нагрузки на изменение свойств массива, получаемой в результате выделения тепла радиоактивными отходами.

Комплекс подземных сооружений Красноярского Горно-химического комбината представляет уникальный аналог будущих хранилищ тепловыделяющих отходов в скальных породах. Мощные источники тепла оказывают значительное техногенное воздействие на динамику развития геомеха-

нических, гидрогеологических и геохимических процессов в породах вмещающего массива.

Породный массив, вмещающий выработки, сложен метаморфическим комплексом пород до палеозойского возраста, среди которого наибольшим распространением пользуются серые, темно-серые био-тит-плагио-клазовые гнейсы однородной массивной текстуры. Основными элементами тектонической структуры горного массива являются трещины и разрывные нарушения. Тектонические трещины, относящиеся по происхождению к трещинам скола и давления, преимущественно группируются в две крутопадающие системы:

• с простиранием на северо-северо-восток (0-20°) и падениями под углами 60-90°;

• с простиранием на запад-северо-запад (270-290°) и падением под углами 60-90°.

Трещиноватость других направлений выражена слабее.

В гидрогеологическом отношении горный массив имеет достаточно простое строение. Грунтовые и трещинные воды распространяются с поверхности до глубин 60-70 метров и связаны главным образом с атмосферными осадками. Гипсометрически ниже в связи с широким развитием по трещинам жильной минерализации (они практически закрыты и водонепроницаемы), вмещающие породы являются сухими (рис. 1).

Для решения комплекса задач, связанных с прогнозом состояния выработок, службой горного надзора Горно-химического комбината проводились инструментальные наблюдения следующих параметров:

• линейных габаритов камер, позволяющих

выявить деформации сближения стен камер, вызванных изменениями напряженно-

деформированного состояния породного массива;

• измерений температурных режимов породного массива и воздуха в камерах;

• высокоточных геодезических измерений по планово-высотным реперам;

• микросдвижений и деформаций наклона стен камеры по обратным отвесам и микронивелированию;

• глубинных деформационных процессов в породах междукамерных целиков;

• действующих напряжений в междукамер-ных породах.

Состав инструментального контроля за состоянием породного массива и обделки подземных камер представлен на рис. 2.

Для сравнения результатов измерений глубинных деформационных процессов были выбраны две камеры, расположенные на глубине 250 метров и имеющие одинаковые размеры. Камеры находятся в

Рис. 2. Состав инструментального контроля за состоянием породного массива и обделки подземных камер:

1 - измерение глубинных деформацио-ных процессов; 2 - термоизмерения; 3 - ультразвуковой каротаж; 4 - измерения смещений стен; 5 - наклонометрия; 6 - измерения раскрытия трещин; 7 -контроль контакта крепь-массив; 8 -прецизионное нивелирование; 9 - планово-высотные измерения; 10 - измерения конвергенции стен

одинаковых горно-геологи-

ческих условиях (вмещающие массивы сложены аналогичными породами и относятся к одной категории трещиноватости), но разных технологических: одна

камера содержит источник тепла, разогревший вмещающие породы, другая не оказывает влияния на температурный режим пород. В результате воздействия «горячей» камеры вмещающие породы оказались разогретыми до температуры 65° [1].

Глубинные деформационные процессы измерялись при помощи глубинных реперов, установленных в скважинах на глубине 2,5-30 м от контура камеры.

Анализ полученных величин смещений обделки и породного массива за одинаковый промежуток времени показал, что для разных температурных условий эти смещения происходят неравнозначно. В выработках с мощными источниками тепла эти величины составляют - 14 мм, а для «холодных» выработок на порядок меньше - 1,7 мм. Причем в «горячих» выработках смещения приняли незатухающий характер - уменьшения скорости прироста деформаций не наблюдается. (рис. 3).

Проведенные изучения влияния повышенной температуры на изменение деформационных свойств образцов скальных пород показали, что перепад температур в 50° их свойства изменять не может, т.к. при нагреве до 300° свойства пород почти не изменились. [2]

Однако так как любой реальный скальный породный массив крайне неоднороден по составу и представляет собой среду, разбитую на блоки трещинами различного размера, разницу в величинах смещений можно объяснить изменяющимися под действием температуры свойствами заполнителя трещин, представленного хлоритом или глиной.

Для изучения влияния температуры на свойства заполнителя разработана объемная модель массива, нарушенного трещинами с данным видом заполнителя. Реализация результатов исследований на модели позволит учитывать температурные особенности данного типа сооружений при проектировании.

1. Gupalo T.A., Seleznev N.I., Zhidkov V.V., Gupalo V.S. Analysis of the results of long-term in-situ investigations on the status of the rock mass and MCC underground facilities under the long term

technogenous effects by heat sources of large sizes. International Conference on Radioactive Waste Disposal (DisTec'98). Hamburg, Germany. 9-11 September, 1998.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. Под редакцией Дортман Н.Б. Москва. Недра. 1976

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Гупало Владимир Сергеевич - инженер института ВНИПИпромтехнология, аспирант Московского государственного горного университета.