способ создания подземных хранилищ токсичных отходов в соленосных породах

Формула изобретения

1. Способ создания подземных хранилищ токсичных отходов в соляных породах, включающий образование камер в отрабатываемых калийных пластах и во вмещающих их породах каменной соли с оставлением междукамерных целиков, изоляцию камер от подводящих выработок гидроизоляционными перемычками и складирование и захоронение отходов размещением их в камерах, отличающийся тем, что захоронение отходов осуществляют во вмещающих калийные пласты породах каменной соли, при этом камеры для захоронения проходят под отрабатываемыми пластами, складирование отходов осуществляют как в породах каменной соли, так и в камерах отрабатываемых калийных пластов, при этом предварительно определяют продолжительность устойчивости пород кровли и почвы в камерах и продолжительность деформирования междукамерных целиков в стадии установившейся ползучести и складирование осуществляют в тех камерах, в которых продолжительность сохранения устойчивости пород кровли и почвы, а также деформирования междукамерных целиков в стадии установившейся ползучести превышает расчетные сроки размещения отходов, а захоронение отходов осуществляют при условии, что междукамерные целики деформируются только в стадии установившейся ползучести при степени нагружения целиков, исключающей возникновение и развитие в них повреждений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении продолжительности деформирования целиков в стадии установившейся ползучести учитывают степень их нагружения, ее связь со скоростью относительной деформации в этой стадии, значения критической деформации целиков, а степень их нагружения находят в зависимости от глубины расположения камер, размеров камер и целиков, прочности рудосодержащих пород при одноосном сжатии их угла внутреннего трения, угла их трения на контакте с боковыми породами и соотношения сцепления боковых пород к сцеплению рудосодержащих по формуле



где объмный вес пород вышележащей толщи;

H глубина расположения камер, предназначенных для захоронения или складирования отходов;

a ширина камер;

b ширина междукамерных целиков;

Db часть ширины междукамерных целиков, в которой под влиянием буровзрывных работ они потеряли прочность;

K₃ коэффициент, учитывающий влияние на несущую способность целиков содержания в них глины;

K₄ коэффициент, учитывающий влияние на несущую способность целиков отношения их ширины к высоте M при заданных значениях угла внутреннего трения пород угла их трения на контакте с боковыми породами d и отношениях сцепления боковых пород к сцеплению рудосодержащих пород;

K₅ коэффициент, учитывающий влияние отношения длины междукамерных целиков к их ширине,

после чего расчетный срок сохранения несущей способности междукамерных целиков определяют по монограмме.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве гидроизоляционных перемычек используют перемычки типа "гидравлический затвор", при этом V-образные участки, выполняющие функции затвора горных выработок, заполняют бетоном с наполнением из соли.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам исключения из биологического цикла токсичных промышленных отходов (не радиоактивных), в частности к способам их захоронения и складирования в выработках калийных рудников.

Известен способ подземного складирования солешламовых отходов (а.с. N 1058836, кл. В 65G 5/00, 1980). Способ включает проходку камер с оставлением междукамерных целиков во вмещающие рабочие горизонты устойчивых породах, причем целики между камерами и рабочими горизонтами создают с несущей способностью выше критической в 3-4 раза.

Однако этот способ разработан для захоронения жидких малотоксичных солеотходов и потому не предусматривает их изоляцию перемычками. Кроме того, он не может быть применен на отрабатываемых калийных пластах, где он будет приводить к большим потерям калийных руд в целиках.

В качестве прототипа принят способ захоронения токсичных отходов с учетом охраны окружающей среды (Drisenroth N. Kind I. Die Untertage Deponie Herfa-Neurode-Umweltgerechte Beseitigung von problematischen toxischen Abfallen, Kali und Steinsalz, 1989, c. 182-195, нем). Этот способ включает образование камер в соляной толще, крепление камер, размещение в них токсичных отходов и возведение гидроизоляционных перемычек.

Недостатком этого способа является отсутствие критериев, позволяющих судить о достаточности размеров междукамерных целиков, на которые приходится весь вес вышележащей породной толщи, при их деформировании без возникновения повреждений, а также критериев, позволяющих судить о сроках, в течение которых целики, деформирующиеся с возникновением повреждений, могут выполнять функции поддержания вышележащей породной толщи.

Без этих критериев надежно оценить и соблюсти безопасность захоронения и складирования токсичных отходов в камерах, образованных в соленосных толщах, не представляется возможным.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение безопасности вывода токсичных отходов из биоцикла при их захоронении и складировании в горных выработках, образуемых при шахтной добыче калийных солей; исключение дополнительных потерь калийных руд в междукамерных целиках, возникающих в связи с необходимостью уменьшить камеры и увеличивать целики до размеров, при которых в целиках не развиваются повреждения, а породы в кровле камер сохраняют устойчивость бесконечно долго при складировании и захоронении токсичных отходов в камерах, образуемых на калийных пластах, и создание условий, при которых захороненный отход может быть использован в будущем в качестве вторичного сырья.

Такой технический результат достигается тем, что в способе создания подземных хранилищ токсичных отходов в соляных породах, включающем образование камер в отрабатываемых калийных пластах и во вмещающих их породах каменной соли с оставлением междукамерных целиков, изоляцию камер от подводящих выработок гидроизоляционными перемычками и складирование и захоронение отходов размещением их в камерах, захоронение отходов осуществляют во вмещающих калийные пласты породах каменной соли, при этом камеры для захоронения проходят под отрабатываемыми пластами, складирование отходов осуществляют как в породах каменной соли, так и в камерах отрабатываемых калийных пластов, при этом предварительно определяют продолжительность устойчивости пород кровли и почвы в камерах и продолжительность деформирования междукамерных целиков в стадии установившейся ползучести, и складирование осуществляют в тех камерах, в которых продолжительность сохранения устойчивости пород кровли и почвы, а также деформирования междукамерных целиков в стадии установившейся ползучести превышает расчетные сроки размещения отходов, а захоронение отходов осуществляют при условии, что междукамерные целики деформируются только в стадии установившейся ползучести при степени нагружения целиков, исключающей возникновение и развитие в них повреждений, причем при определении продолжительности деформирования целиков в стадии установившейся ползучести учитывают степень их нагружения, ее связь со скоростью относительной деформации в этой стадии, значения критической деформации целиков, соотношение сцепления боковых пород, контактирующих с целиками, и сцепления пород, слагающих массив, определяют степень нагружения междукамерных целиков по формуле



где объемный вес пород вышележащей толщи;

Н глубина расположения камер, предназначенных для захоронения или складирования отходов;

a ширина камер;

b ширина междукамерных целиков;

Db часть ширины междукамерных целиков, в которой под влиянием буровзрывных работ они потеряли прочность;

K₃ коэффициент, учитывающий влияние на несущую способность целиков содержание в них глины;

K₄ коэффициент, учитывающий влияние на несущую способность целиков отношения их ширины к высоте М при заданных значениях угла внутреннего трения пород , угла их трения на контакте с боковыми породами d и отношениях сцепления боковых пород к сцеплению рудосодержащих пород;

K₅ коэффициент, учитывающий влияние отношения длины междукамерных целиков к их ширине;

после чего по номограмме определяют расчетный срок деформирования целиков.

При этом в качестве гидроизоляционных перемычек используют перемычки типа "гидравлический затвор", при этом V-образные участки, выполняющие функции затвора горных выработок, заполняют бетоном с наполнением из соли.

Сущность технического решения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана общая схема размещения токсичных отходов; на фиг. 2 расчетная номограмма; на фиг. 3 коэффициент влияния на несущую способность целика отношения его длины к ширине; на фиг. 4 коэффициент влияния на несущую способность целика отношения его высоты к суммарной мощности содержащихся в нем глинистых прослоев (или содержания Н.О. в процентах); на фиг. 5 коэффициент влияния на несущую способность целиков отношения их ширины к высоте при различных значениях угла внутреннего трения r, слагающего целик массива, при отношении сцепления боковых пород к сцеплению пород, слагающих целик, равном 0,5, и при угле трения на контактах этих пород с целиком, равном d 10^o; на фиг. 6 коэффициент влияния на несущую способность целиков отношения их ширины к высоте при различных значениях угла внутреннего трения r, слагающих целик массива, при отношении сцепления боковых пород к сцеплению пород, слагающих целик, равном нулю, и при угле трения на контактах этих пород с целиком, равном d 10^o; на фиг. 7 расчетная зависимость ширины целика от степени его нагружения в условиях примера 1.

На чертежах 1 соленосные отложения толщи, залегающей над калийными пластами; 2 калийный пласт; 3 соленосные отложения толщи, залегающей под калийными пластами (подстилающая каменная соль); 4 горизонт, на котором в подстилающей соли проходят камеры для захоронения токсичных отходов; 5 - перемычка типа "гидравлический затвор"; 6 шахтный ствол с копром; b₁, a₁, m₁ ширина междукамерных целиков, их высота и ширина камер, предназначенных для захоронения и складирования токсичных отходов в подстилающей каменной соли; b₂, a₂, m₂ ширина междукамерных целиков, их высота и ширина камер, с которыми отрабатывается калийный пласт; h расстояние между нижней границей участка подводящей выработки, на котором создается гидроизоляционная перемычка типа "гидравлический затвор", и нижней границей той же выработки за пределами этого участка; H₁ глубина расположения камер, проходимых для захоронения токсичных отходов; H₂ глубина расположения нижнего, отрабатываемого калийного пласта; 7, 8 камеры, расположенные соответственно в калийных пластах и в соли.

В камерах, образованных на калийных пластах 7, производят только складирование токсичных отходов и только на сроки, в течение которых сохраняется устойчивость пород в их кровле, а деформирование междукамерных целиков происходит в стадии установившейся ползучести.

При этом для обеспечения надежности определяемого срока деформирования междукамерных целиков в стадии установившейся ползучести его находят с учетом закономерностей, связывающих степень нагружения целиков со скоростью их относительных деформаций в этой стадии, а также с учетом закономерностей, связывающих предельные деформации целиков в этой стадии с условиями на контакте их с боковыми породами, с отношением ширины целиков к высоте и со скоростью их деформирования.

Степень нагружения целиков определяют с учетом закономерностей, связывающих их несущую способность с отношением их ширины к высоте, с условиями на их контакте с боковыми породами, с углом внутреннего трения массива, из которого они состоят, и с содержанием в этом массиве глины в виде прослойков между годовыми осадками соленосной породы.

Все перечисленные закономерности найдены на основе многолетних лабораторных и научных исследований в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей. На их основе получены номограмма (фиг. 2) и формула, с использованием которых степень нагружения целиков и продолжительность деформирования их в стадии установившейся ползучести могут быть определены в функции от названных выше факторов наиболее просто.

Захоронение же токсичных отходов производят исключительно в камерах, расположенных в подстилающей калийные пласты каменной соли 4, которая залегает под этими пластами практически на всех калийных месторождениях и имеет достаточную мощность для образования в ней камер, могущих использоваться с этой целью. На подстилающую каменную соль практически не оказывают влияния проявления горного давления и сдвижения, связанные с добычей калийных руд.

Эта порода на калийных месторождениях, как правило, не представляет ценность, в особенности, если она содержит компоненты, при которых ее нельзя применять для пищевых и технических нужд, кроме использования в качестве закладки камер, а очищать ее от таких компонентов слишком дорого.

Поэтому требуемые для обеспечения безопасного захоронения токсичных отходов размеры камер и целиков в подстилающей соли обеспечиваются без ущерба, связанного с сокращением тех сырьевых запасов, добыча которых является основной деятельностью калийных рудников, и с сокращением срока их эксплуатации.

Ширину камер, при которой устойчивость пород кровли, являющихся опять таки солью, сохраняется бесконечно долго, определяют известными методами.

Размеры междукамерных целиков выбирают такими, при которых они деформируются только в стадии установившейся ползучести. Это условие обеспечивается при степени нагружения междукамерных целиков, не превосходящей значения, при котором в них возникают и развиваются во времени повреждения, равного C_o 0,3.

На случай затопления калийного рудника с целью исключения возможности проникновения в камеры с захороненными токсичными отходами вод и рассолов во всех выработках, подводящих к этим камерам, возводят гидроизолирующие перемычки 5 типа "гидравлический затвор", в которых функцию жидкости выполняет затвердевший расширяющийся солебетон, затворенный, например, на магнезиальном или сульфатостойком цементе. Для такого бетона рассол не является агрессивной средой. Этот бетон схватывается с соляным массивом так, что сцепление на их контакте превышает сцепление самого соляного массива.

Заполнение V-образных участков горных выработок, подводящих к камерам с токсичными отходами, которые выполняют функции "затвора", бетоном с наполнителем из соли необходимо, чтобы создать искусственный массив, близкий по прочностным и деформационным свойствам соляному массиву, в котором создается перемычка.

Пример 1. Определение параметров камер и целиков, предназначенных для захоронения токсичных отходов в выработках, проходимых в подстилающей соли.

Исходные условия.

Глубина расположения выработок, предназначенных для захоронения или складирования токсичных отходов, Н 400 м.

Объемный вес вышележащих пород g 2,2 т/м³.

Ширина и высота камер, образуемых с применением комбайна Урал-20КС, составляет соответственно а 6,1 м и m 3,7 м.

Длина камер (и целиков) принята равной l 200 м.

Подстилающая калийные пласты соль, в которой проходят камеры, предназначенные для захоронения токсичных отходов, имеет следующие прочностные характеристики: предел прочности при одноосном сжатии s 250 кг/см², угол внутреннего трения r 25^o, отношение сцепления соли по контактам годовых садок к сцеплению ее самой K"/K 1, угол трения на контакте целика с выше и ниже расположенной солью = = 25..

Зависимость несущей способности целиков от отношения их длины к ширине описывается графиком, приведенным на фиг. 3.

Зависимость несущей способности целиков от содержания в них нерастворимого остатка Н.О. глины на контактах годовых садок характеризуется коэффициентом K₃, который описывается графиком, приведенным на фиг. 4.

Зависимости несущей способности целиков от условий на их контактах с породами почвы и кровли характеризуются коэффициентом K₄, который описывается графиками, приведенными на фиг. 5 и 6.

Необходимо определить ширину междукамерных соляных целиков, при которой они будут деформироваться только в стадии установившейся ползучести без возникновения повреждений.

Учитывая, что захоронение отходов производится на неограниченные сроки, для дополнительной надежности степень нагружения междукамерных целиков, при которой они деформируются только в стадии установившейся ползучести, уменьшим в 2 раза. Тогда его расчетное значение составит [C] C_o/2 0,15.

Решение.

Решение задачи сводится к трем операциям: к определению значений степени нагружения целиков при трех заданных значениях их ширины по формуле



к построению зависимости b f (C),

к определению по построенной зависимости значения b_р, соответствующего заданному [C] 0,15.

Задаемся тремя значениями ширины междукамерных целиков: b₁ 6 м, b₂ 9 м, b₃ 12 м и находим для них значение степени нагружения. Они составят







где при 25^o d= и K"/K 1,

при b/m 6/3,7 1,62 K₄ 1,9,

при b/m 9/3,7 2,43 K₄ 3,23,

при b/m 12/3,7 3,24 K₄ 5,6,

K₃ 1 (при содержании Н.О. --> 0),

K₅ 1,25 (при l/b 5),

Db=0 (при комбайновой отбойке).

Строим график b f (C), он приведен на фиг. 7.

Откладываем на построенном графике значение [C] 0,15 и получаем b 9 м. Этот результат и будет искомым.

Пример 2. Определение срока, на который может складироваться токсичный отход в камерах, образованных при отработке сильвинитового пласта.

Исходные условия.

Глубина расположения отрабатываемого сильвинитового пласта, камеры которого предназначены для захоронения или складирования, Н 300 м (пласта Кр. П).

Ширина и высота камер, которыми отрабатывается сильвинитовый пласт Кр.П, а 16 м, m 5 м.

Ширина междукамерных целиков, оставляемых на отрабатываемом сильвинитовом пласте, b 10 м.

Длина камер l 200 м.

Калийный пласт имеет следующие прочностные характеристики: предел прочности при одноосном сжатии 250 кг/см²; угол внутреннего трения r 25^o; угол трения на контакте целиков с боковыми породами d 10^o; отношение сцепления боковых пород к сцеплению рудосодержащих K"/K 0,5.

Содержание глины в рудосодержащем массиве (из-за присутствия ее на контактах годовых садок) Н.О. 2

После образования камер, в которых планируется складирование токсичного отхода, прошло t_o 2 года.

Для исключения обрушений из кровли камер ей придается форма устойчивого свода с высотой Dm 0,3 x a 0,3 x 16 4,8 м.

Поэтому за расчетную высоту целиков принимается

M = m+m10м.

Необходимо определить продолжительность деформирования междукамерных целиков в стадии установившейся ползучести и на этой основе оценить срок возможного складирования в камерах токсичных отходов.

Решение.

Решение задачи сводится к определению степени нагружения междукамерных целиков отрабатываемого сильвинитового пласта по формуле, приведенной в примере 1, для заданных исходных условий и к определению по номограмме, полученной на основе результатов изучения влияния степени нагружения междукамерных целиков на скорость их установившейся ползучести и результатов изучения влияния отношения ширины целиков к их высоте при разных рудосодержащих породах на деформации, при которых оканчивается установившаяся ползучесть междукамерных целиков. Эта номограмма приведена на фиг. 2.

Определяем степень нагружения междукамерных целиков



где при _o 25^o, 10^o K"/K 0,5 и при b₂/m₂ 10/10 1 K₄ 1,25,

K₃ 0,975 (при Н.О. 2),

K₅ 1,25 (при l/b 5),

Db 0 (при комбайновой отбойке).

По номограмме, приведенной на фиг. 2 для полученного значения С и отношения b₂/m₂, соответствующего пласту Кр.П, находим расчетный срок деформирования целиков в стадии установившейся ползучести. Он составит t_р 17 лет.

Уменьшив расчетный срок t_р для дополнительной надежности в 1,5 раза, определим возможный срок складирования токсичного отхода в камерах, образованных на отрабатываемом калийном пласте, по формуле



Использование предлагаемого способа позволит уменьшить потери руды при обеспечении безопасности размещения токсичных отходов; обеспечить полную гидроизоляцию камер с размещенными в них токсичными отходами за счет возведения предложенной перемычки.