Натурные исследования изменения деформационных свойств пород, находящихся под воздействием тепловыделяющих РАО

Натурные исследования изменения деформационных свойств пород, находящихся под воздействием тепловыделяющих РАО.

В.С. Гупало, ВНИПИпромтехнологии

Размещение радиоактивных отходов в геологической формации для длительного хранения и захоронения, предусматривает использование горных пород, как природного барьера, исключающего возможность распространения радионуклидов в биосферу.

Создание подземных сооружений и использование имеющихся для длительной подземной изоляции тепловыделяющих отходов сопряжено с технологическими нагрузками на горные породы массива. Под техногенными нагрузками подразумевается влияние на подземные сооружения и вмещающий породный массив содержащихся отходов. В результате такого воздействия породный массив начинает изменять свои первоначальные прочностные, деформационные, изоляционные и др. свойства.

От величины изменения этих свойств зависит возможности или невозможность использования данного массива - по изоляционным качествам, по сохранению выработками устойчивости в течение длительного периода времени - для сооружения в нем объекта подземной изоляции.

Предметом исследования в настоящей работе является влияние тепловой нагрузки на прочностные свойства вмещающего породного массива. Многочисленные лабораторные исследования показали, что образцы гнейсов практически не подвержены снижению прочности при нагреве. А незначительное снижение прочности наблюдается при температурах выше 300° С. Однако это не может охарактеризовать поведение породного массива, содержащего различные виды нарушений с различными типами заполнителей.

Как известно механизм разрушения скального массива в значительной степени зависит от прочности связей структурных элементов, слагающих массив, т.к. она существенно ниже прочности самих элементов и в наибольшей степени подвержена температурному воздействию.

Механизм воздействия тепловой нагрузки на породный массив можно разделить на две составляющие. Первая связана с возникновением в породах термических напряжений из-за неравномерного теплового расширения минералов. Вторая обусловлена различными физическими и термохимическими превращениями минералов породы при нагреве.

В результате воздействия температур все параметры пород, характеризующие их пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений увеличиваются. Вязкость породы с нагревом снижается.

Для оценки изменения деформационных свойств пород, находящихся в условии повышенных температур, на одном из подземных объектов МинАтома - Красноярском Горно-химическом комбинате (ГХК) были:

- изучены горно-геологические условия вмещающего массива;

- проанализированы результаты многолетних натурных измерений в нагреваемых и не нагреваемых выработках;

Подземные сооружения ГХК представляют уникальный аналог будущих хранилищ тепловыделяющих отходов. Наличие мощных источников тепла, представленных теплообменниками ядерного реактора, а также различных горно-геологических условий, дает возможность оценивать развитие геомеханических, гидрогеологических, геохимических процессов во вмещающих породах, включающих различные типы нарушений и различные виды техногенного воздействия. В результате работы реактора, вмещающие породы оказались разогретыми до температуры 60° С.

Вмещающий выработки массив сложен метаморфическим комплексом пород, представленным серыми и темно-серыми биотит-плагиоклазовыми гнейсами. Основными элементами тектонической структуры породного массива являются трещины и разрывные нарушения с заполнителями, представленными хлоритом, глинистым материалом, карбонатным и кремнистым цементом.

Службой горного надзора ГХК для обеспечения безопасной эксплуатации и прогноза состояния выработок, в течении всего срока службы выработок, проводились инструментальные измерения ряда параметров, один из которых - линейные габариты камер. Эти измерения привязаны к измерительным створам, которые показаны на рисунке 1.

Анализ результатов измерений показал, что в выработках, содержащих источники тепла, и разогревших породы, происходят смещения стен, принявшие характер незатухающей ползучести. В аналогичных по размеру и геологическим условиям выработках без температурного воздействия смещения стен не наблюдаются.

Сравнение результатов инструментальных измерений и геологического строения породного массива показало, что на участках камер, где вмещающие породы сложены с преобладанием в качестве заполнителя трещин глинистого материала и хлорита смещения стен происходят более интенсивно, чем на участках с преобладанием в качестве заполнителя карбонатного или кремнистого цемента. Так, на участках с преобладанием

глинистого заполнителя смещения составили 22

Рис. 1 Расположение измерительных створов мм. С отставанием в 12 мм деформируются

стены на участках, представленных карбонатным

или кремнистым цементом. График смещений приведен на рисунке 2.

Для количественной оценки изменения прочностных свойств массива пород при нагреве и возможности учета этих изменений при проектировании, было проведено физическое моделирование на эквивалентных материалах. Схема

экспериментальной установки показана на рисунке 3.

Физическая модель трещиноватого массива, позволяет вводить температурную нагрузку и учитывать различные системы трещин и их заполнителей.

Свойства блочных элементов массива подбирались по результатам лабораторных испытаний образцов керна.

Рис. 3 Принципиальная схема экспериментальной установки Материал заполнителя контактов блоков был подобран по анализу результатов

многочисленных сдвиговых испытаний призм, содержащих различные типы нарушений и

заполнителей, проводившихся при строительстве ГХК, а также по результатам

лабораторных испытаний образцов керна, содержащего нарушения.

Результаты испытаний показали характер деформирования аналогичный,

отмеченному в натурных условиях. Слабо трещиноватые массивы в меньшей степени

подвержены изменению прочностных свойств под действием температуры по сравнению

с сильно трещиноватыми. Вместе с тем уменьшение прочности происходит и при

изменении заполнителя трещин от кремнистого к глинистому (т.е. от менее

подверженного влиянию температуры к более подвеженному). Наибольшему изменению

свойств подвержены сильно трещиноватые породы с глинистым заполнителем контактов

блоков, и уменьшение составляет 15-20 % от прочности.

Заключение.

Проведенный комплекс натурных и лабораторных исследований показал возможность изменения прочностных свойств массива в зависимости от систем трещиноватостей и температурных нагрузок.

Практически без изменения свойств переносят тепловую нагрузку слабо трещиноватые массивы с заполнителем, представленным кремнистым цементом.

Наибольшему изменению подвержены массивы пород с глинистым заполнителем систем трещин. Прочностные характеристики сильнотрещиноватых массивов

уменьшаются на 15-20% по сравнению с аналогичными (по нарушенности и составу) массивами не испытывающими тепловую нагрузку, что может служить потере устойчивости в сильно трещиноватых породах.

Список литературы.

1. Гупало В.С. Анализ деформационных процессов в породном массиве, вмещающем тепловыделяющие источники. МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень. № 1. 2001

2. В.В. Ржевский, Г.Я. Новик Основы физики горных пород. Москва. Недра, 1984

3. М.В. Рац, С.Н. Чернышев Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. Москва. Недра. 1970