CC BY
75
УДК 622.867.2:622.412
ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ В ГЕОТЁХНОЛОГИИ
А.А. Спивак \ Н.В. Перов \ И.Л. Машковцев3, Саумитра Нараян Деб3
1-Институт динамики геосферы РАН,
2-Ассоциация АБЭТ,
3-Российский университет дружбы народов
Применение подземных ядерных взрывов весьма эффективно по сравнению с химическими ВВ для раздробления массива руды и подготовки его к подземному выщелачиванию и получению металла. Такой взрыв целесообразно производить на медных линзах Коксай и Удокан ОАО «Забайкальская горная компания», не имеющих вокруг себя объектов, которые могут пострадать от сейсмических воздействий.
Известно, что эффективность процесса выщелачивания металлосодержащих руд в основном зависит от крупности зерен минералов, так как размер зерна обеспечивает более полный контакт растворителя с металлом. Это идеальный случай, приближенно имеющий место при чановом или кучном выщелачиваии. Однако, при желании применить подземное выщелачивание (ПВ) на месте залегания руд цветных металлов (приуроченных к крепким коренным породам, как правило с крайне низкой проницаемостью для рабочего раствора), одним из главных вопросов, встает вопрос предварительной подготовки рудного массива для увеличения его проницаемости до уровня, обеспечивающего требуемый гранулометрический состав рудной массы. Средний размер отдельности и характеристика гранулометрического состава должны обеспечивать достаточную степень вскрытия металлосодержащих минералов. Одновременно с этим необходимо, чтобы разуплотнение горной породы в результате подготовки обеспечивало достаточно высокие фильтрационные способности выщелачиваемой массы. Предварительная оценка экономической целесообразности геотехно-логического способа добычи полезных ископаемых (в особенности на крупных месторождениях с низким содержанием полезного компонента) указывает на необходимость одновременного вовлечения в процесс значительных по величине объемов горной массы. Подготовка участка, размер которого обеспечивает производительность по конечному продукту, с помощью традиционных способов дробления горной породы требует значительных временных и материальных затрат. В связи с этим представляет интерес рассмотрение возможности применения крупномасштабного (ядерного) взрыва на стадии подготовки месторождения к выщелачиванию. Малый объем подготовительных горнопроходческих работ для размещения в массиве небольшого по размерам ядерного заряда, а также практически неограниченная мощность последнего являются весомыми преимуществами подземного ядерного взрыва по сравнению со взрывом химического ВВ.
Разрушение среды является одним из наиболее значимых геоэкологических эффектов подземного ядерного взрыва. Изменение структуры и прочностных характеристик массива горных пород определяет не только снижение их несущих свойств и наличие приповерхностных эффектов в окрестности взрыва, но также нарушение естественных режимов энерго-массообмена в значительной по объему области. При этом весьма существенно влияние взрывного воздействия на режим подземных вод.
Разрушение твердой среды под воздействием взрывной нагрузки рассматривается, в первую очередь, как нарушение сплошности, а следовательно, связности отдельных ее структурных элементов между собой, что определяет в итоге блочный состав разрушенной среды. Здесь уместно отметить, что расчленение горной породы в результате взрыва на отдельные слабосвязанные между собой структурные элементы не всегда приводит к их беспрепятственному разделению по вновь образованным поверхностям. При камуфлетных крупномасштабных взрывах в отсутствие поверхностей и зон разгрузки большие деформации, сопутствующие взрывному движению, а также остаточные напряжения могут привести к достаточно плотной упаковке отдельных кусков горной породы разрушенного в целом
горного массива. Об этом свидетельствуют имеющиеся эксперименты по выпуску горной породы, разрушенной подземным ядерным взрывом [3]. Вместе с тем нарушение связности горного массива, вносимое в среду взрывным воздействием, отчетливо проявляется изменением основных механических свойств среды. Установлено, например, что в области интенсивного трещинообразования заметно падает скорость распространения волн, увеличивается пустотность, а также проницаемость горного массива и слагающих его пород [4].
Исследование влияния взрыва на горные породы проводилось посредством сейсмопросвечивания, отбора керна и изучения массива с помощью исследовательских скважин при взрывах в глубоких скважинах, а также при вскрытии и расчистке испытательных штолен и сооружении новых выработок до полости, образованной взрывом, при штольневых взрывах [1,4].
Основные характеристики зон необратимого поведения среды при подземном
ядерном взрыве
Механические эффекты подземного взрыва, которые можно трактовать как разрушение среды, связаны: 1) с образованием камуфлетной полости, формирующейся в результате вытеснения среды продуктами взрыва; 2) формированием центральных зон разрушения горных пород, характеризующихся разной степенью их необратимых изменений; 3) откольными и поверхностными эффектами, формирующими приповерхностную зону разрушенной среды, а также 4) формированием дополнительных объемов разрушенной среды в результате поствзрывных подвижек горных пород (образование столба обрушения и купола при обрушении пород в камуфлетную полость).
Так как условия формирования необратимых изменений среды различаются для глубоких скважинных взрывов и взрывов в штольнях, рассмотрим эти случаи отдельно.
Зоны необратимого поведения среды при взрывах в глубоких скважинах. В результате инженерно-геологических и геофизических исследований, проведенных при скважинных ядерных взрывах, отчетливо выделяются следующие зоны.
В месте проведения взрыва формируется камуфлетная полость с относительным радиусом Ro/13 = 10-13,6 м/кт13, где R0— радиус полости, м; q - мощность взрыва, кт TNT.
Затем, по мере удаления от центра взрыва следует зона смятия горных пород мощностью до 3,7 м/кт1/3. Горные породы на этих расстояниях превращены в рыхлый пылеватый материал с включением обломков измененных пород размером не более 3—4 см. При водонасыщении измененные породы превращаются в глиноподобную, практически непроницаемую массу. Коэффициент проницаемости среды составляет 0,4-1,1 дарси. Общая пористость в 2-3 раза превышает начальную.
До относительных расстояний 24-34 м/кт|/3 наблюдается зона дробления горных пород, представляющая собой разрушенную горную массу с размером отдельности, характерным для щебня и дресвы. Как правило, зона имеет асимметричную форму, определяемую структурно-тектоническим строением среды (наибольшие размеры зоны дробления наблюдаются в направлении распространения естественной трещиноватости). Первичная ориентировка текстурных элементов и прожилков не сохраняется. Изучение образцов пород, взятых из этой зоны, свидетельствует о существенном снижении прочностных характеристик (временное сопротивление сжатию составляет в среднем 60% от первоначальной величины, скорость распространения акустических колебаний- 75% от скорости звука в образцах, взятых из массива до проведения взрыва). Коэффициент проницаемости пород увеличился в 1,4-5,1 раза.
Далее наблюдается зона интенсивной трещиноватости, распространяющаяся до относительных расстояний 50-55 м/ктш. Зона характеризуется появлением новых трещин по естественным микротрещинам, текстурным элементам горных пород и зонам механических ослаблений. Особенно интенсивно проявляется трещиноватость пород вдоль плоскостей тектонических трещин, совпадающих с радиальными и тангенциальными направлениями относительно центра взрыва. По радиальным направлениям образуются сколы, по концентрическим - разрывы. Прочностные свойства пород снижены на 20—30%, акустические - на
10-25%. Коэффициент проницаемости среды увеличивается до 1000 раз, причем наибольшее увеличение отмечается по простиранию пород.
Зона блоковой трещиноватости (зона подновленных трещин) имеет симметричную форму, в основных чертах повторяющую зону интенсивной трещиноватости. Относительный радиус зоны в плане достигает 65-70 м/кт1/3. Наибольшую мощность зона имеет по простиранию и восстанию пород, наименьшую - ниже полости и по падению пород. Конфигурация зоны существенно изменяется в сторону увеличения
размеров при пересечении с тектоническими нарушениями. Новообразованные трещины в пределах зоны не наблюдаются, разрушенность массива происходит за счет раскрытия существующих трещин. Отмечается, что на отдельных участках трещиноватость пород наиболее интенсивная, что связано с откольным явлением при прохождении волн через породы с резкой сменой прочностных свойств, зоны рассланцевания и приконтактовые участки. Мощность интенсивно разрушенной породы составляет в этом случае 1,5-2 м.
Прочностные свойства пород в зоне снижены на 10-15%, акустические - на 5-15%. Коэффициент проницаемости среды изменяется в пределах от 0,05 до 10 дарси, причем наибольшие значения водопроницаемости порода имеет ближе к центру взрыва.
В результате обрушения разрушенной породы, размещенной над местом камуфлетно-го проведения взрыва, в среде формируется столб обрушения, характеризующийся разуплотненной горной массой с размером отдельности, близким к размеру, наблюдаемому в основных зонах необратимого деформирования среды.
При наклонном залегании слоев пород верхний контур столба обрушения асимметричен и наклонен в сторону восстания пород. Высота столба обрушения составляет 40-110 м. Обломочный материал имеет размерность от глинистых частиц в нижней части, до 10-15 см и более на внешней границе. Коэффициент проницаемости горной массы в столбе обрушения может достигать 200 дарси. Пластовые скорости составляют 2270 м/с.
Купол (свод) устойчивого равновесия образуется при камуфлетных взрывах и характеризуется коренным залеганием пород выше пустоты над столбом обрушения. Определяется главным образом по провалу бурового снаряда на глубину 2,8—8,5 м.
Зоны откопъного разрушения образуются при всех видах подземных взрывов на поверхности раздела сред с различной акустической жесткостью. На свободной поверхности проявление откольных разрушений наблюдается на эпицентральных относительных расстояниях до 1000 м/кт1/3. Глубина откольных разрушений определяется конкретным строением массива горных пород в месте проведения взрыва (наличие тектонических нарушений и границ между породами различного вещественного состава) и составляет 1—2 м/кт1/3.
Зоны необратимого поведения среды при взрывах в штольнях. По результатам инженерно-геологических и геофизических работ, проведенных по изучению влияния штольневых взрывов на массив горных пород, выделяются следующие зоны.
Полость обычно имеет асимметричную относительно центра эллипсовидную форму средним размером 9,1—14 м/кт1/3 в зависимости от прочностных свойств горных пород.
Зона смятия горных пород расположена на расстоянии 12,5-13,9 м/кт|/3 от центра взрыва. Породы в этой зоне измененные, легко превращаются в материал типа песка при незначительном механическом воздействии. Г ранит имеет осветленный вид, зерна минералов в породе раздроблены многочисленными микротрещинами, некоторые минералы потеряли естественные свойства и форму. Резко снижаются прочностные и упругие свойства породы. Проницаемость породы резко повышается.
Зона дробления простирается до 29—37 м/кт1/3 от центра взрыва. Породы этой зоны характеризуются интенсивным дроблением и смещением блоков. Размер блоков изменяется от 0,2 до 0,8 м. Пространство между блоками выполнено материалом дробления пород разного размера. По данным сейсмических наблюдений соответственно зоне дробления в скальном массиве выделяется зона пониженных скоростей упругих волн, характеризующаяся граничной скоростью 300 м/с. Общая пористость среды достигает 10,5%.
Зона интенсивного трещинообразования простирается до 40-50 м/ктш. В этой зоне большая часть природных трещин подновлена, отмечается образование новых трещин, суммарное количество трещин увеличивается в 2-4 раза. Массив приобретает ярковыра-
женное блочное строение. Размер блоков уменьшается к центру от 1,0-3,0 до 0,2-0,8 м. Наибольшую раскрытость здесь имеют пологие трещины. По крутым трещинам происходят срывы, сколы и смещения. Прочность породы от центра взрыва к периферии постепенно возрастает, упругие свойства также становятся близкими к естественным. По сейсмическим данным зона интенсивного развития подновленных трещин имеет граничную скорость упругих волн около 4200 м/с.
Зона подновленных трещин по визуальным наблюдениям выделяется на относительных расстояниях 45-60 м/кт1/3, по отдельным направлениям может прослеживаться до 150 м/кт .
В этой зоне наибольшую раскрытость имеют пологие трещины, по крутым трещинам наблюдаются отдельные срывы, сколы и смещения блоков. Ширина раскрытия трещин чаще 2-10 мм, в наиболее ослабленных зонах 10-50 мм. Порода в куске имеет естественный цвет и естественные свойства. Скорость продольных волн в массиве меньше первоначальной на 5-10%. Проницаемость близка к естественной.
Выделенные инженерно-геологические зоны, образовавшиеся в результате воздействия взрыва на горный массив, имеют асимметричную форму, максимальные изменения ориентированы в направлении оси выработки и свободной (дневной) поверхности. На конфигурацию зон, степень трещиноватости и проникновение вторичных продуктов оказывают влияние не только анизотропные свойства массива (характер трещиноватости, неоднородность пород, наличие тектонических нарушений), но и искусственно созданные ослабленные зоны (существующие горные выработки).
Зона локальных необратимых проявлений
Помимо рассмотренных выше зон разрушения, характеризующихся объемными эффектами и концентрирующихся в месте проведения взрыва, при подземных ядерных взрывах необратимое деформирование среды отмечается на достаточно больших эпицентраль-ных расстояниях, превышающих радиус максимальной центральной зоны необратимых нарушений среды (~ 100 м/кт1/3). Определение размеров зоны локальных необратимых проявлений представляет особый интерес с точки зрения оценки безопасных расстояний, на которых обеспечивается целостность сооружений и объектов. Не исключено, что в этом случае при установлении размера зоны разрушения массива горных пород необходимо ориентироваться на максимально возможные расстояния, на которых взрывное воздействие вызывает необратимые проявления, трактуемые как разрушение: аномально большие необратимые подвижки горной породы, раскрытие тектонических трещин и разломов и т.п.
Если говорить о дальнодействии взрыва, то в настоящее время накоплено значительное количество экспериментальных данных, свидетельствующих о наличии необратимых проявлений на расстояниях, существенно превышающих 100 м/ктш. При этом масштаб указанных необратимых эффектов в отдельных случаях может оказаться весьма значительным. К подобным проявлениям подземного ядерного взрыва прежде всего следует отнести ярковыраженные остаточные деформации горного массива в виде образования зияющих трещин (шириной до 10мм), аномально больших (до 20 мм) локальных подвижек и угловых деформаций, сбросов, деформации рельсовых путей, а также значительных по объему вывалов горной породы в подземных выработках. Здесь же следует отметить изменение гидрогеологической обстановки на значительном удалении от подземного ядерного взрыва [1].
Необходимо обратить внимание на одну важную особенность механического дальнодействия подземного ядерного взрыва: при проведении повторных взрывов в пределах одной геофизической площадки необратимые локальные проявления в среде могут возникать при меньших по сравнению с предшествующими взрывами параметрах воздействия. Так, например, при повторном взрыве мощностью 0,5 кт в слабонарушенных массивах диабазовых порфиритов отмечались вывалы горной породы в подземной выработке на расстоянии 750 м/кт 1/3, в то время как при основном взрыве той же мощности вывалы породы наблюдались на расстояниях до 470 м/ктш. В других экспериментах повторные взрывные воздей-
ствия вызывали значительную деформацию рельсовых путей на приустьевых участках соседних выработок.
Одной из наиболее вероятных причин усиления механического эффекта в дальней области при повторных взрывах является накопление остаточных напряжений либо необратимых деформаций от предшествующих воздействий на механически ослабленных участках горного массива. В этом случае повторные взрывы могут вызвать значительные по величине остаточные проявления даже на тех участках массива горных пород, на которых указанные проявления (с учетом амплитуды воздействия) не прогнозируются. Последнее существенно усложняет анализ устойчивости сооружений и горных массивов при интенсивных динамических нагрузках.
В объемах, значительно превышающих объем центральной зоны разрушения среды при взрыве, отмечается существенно неравновесное состояние среды, проявляющееся в виде остаточных сейсмических явлений (афтершоков). Радиус зоны аномального режима релаксации среды составляет по имеющимся данным 650-1400 м/кт 1/3.
Тектоническая нарушенность массива горных пород может привести к значительному увеличению масштаба локальных необратимых проявлений взрывного воздействия. Так при проведении подземного ядерного взрыва "МИкт" (США) были зарегистрированы значительные остаточные смещения среды по существующим тектоническим разломам. Наблюдаемые на дневной поверхности смещения берегов разломов достигали 1-1,2 м в вертикальном направлении и до 0,15 м вдоль разломов. Протяженность обновившихся разломов составила от 0,3 до 8 км. Аналогичные разрывы вдоль тектонических разломов (на расстояниях до б км от эпицентра взрыва) отмечались в эксперименте "ВепЬаш" (США).
Многочисленные наблюдения, проведенные при крупномасштабных подземных взрывах, позволяют устанавливать характерные размеры приповерхностной зоны откольных явлений. В частности, для взрывов с приведенной глубиной 1/3 - 80-120 м/кт 1/3, где -и» -абсолютная глубина взрыва, радиус зоны откольных проявлений по естественным нарушениям среды составляет в среднем около 800 м/кт|/3. Характерно, что максимальная массовая скорость в волне сжатия и 0 составляет на этих расстояниях величину 0,15-0,2 м/с, которая одновременно является граничной для видимых механических проявлений сейсмовзрывного эффекта.
Возникновение необратимых локальных проявлений в среде на значительных расстояниях от места проведения подземного ядерного взрыва обусловлено блочным строением реального массива горных пород. В этом случае пространственно средняя деформация среды складывается из деформации собственно горной породы (блоков) и деформации существенно более слабого по сравнению с горной породой материала-заполнителя промежутков. В результате деформирование блочной среды осуществляется преимущественно по поверхностям и зонам ослабления прочности, в окрестности которых по этой причине и происходит локализация необратимых проявлений. В зависимости от конкретной иерархической структуры горного массива и прочности межблоковых связей локальные разрушения могут наблюдаться на расстояниях вплоть до 103 м/к 1/3.
Известные масштабы структурных неоднородностей свидетельствуют о том, что в природе не существует массивов горных пород, лишенных иерархически соподчиненной структуры. Например, реальный горный массив, не содержащий тектонических разломов, имеет ослабления прочности на более высоком иерархическом уровне. При этом естественно, что масштаб необратимых локальных проявлений полностью соответствует масштабному уровню разрушаемой структуры.
В любом случае при оценке возможных разрушений в массиве горных пород в результате действия подземного ядерного взрыва необходимо иметь в виду вероятность возникновения локальных разрушений в области радиусом до 103 м/кт173.
Характеристика зон деформирования среды при подземном ядерном взрыве
Показатель Камуфлетная полость Зоны дробления породы Зона наведенной трещиноватости Зона локальных необратимых проявлений
Я, м/ктю 7-12 30-40 80-120 800-1100
у0м/с 200-500 20-50 2-5 0,1-0,15
е, Дж/м" 109 107 105 102
Сказанное вызывает необходимость совершенствования наших представлений о характере взрывного воздействия в реальных массивах горных пород, и в первую очередь выделение области локальных необратимых проявлений в качестве самостоятельной. В таблице приведены некоторые характеристики зон необратимого деформирования среды при подземном ядерном взрыве, включая амплитуду воздействия на внешней границе каждой из зон УО и среднюю объемную плотность энергии взрыва Е по зонам е = ЗЕ/4 Л Я3, где Я -радиус соответствующей зоны.
Можно заметить, что объемная плотность энергии взрыва по зоне локальных необратимых проявлений (~ 102 Дж/м3) совпадает с объемной плотностью сейсмической энергии в очаге землетрясения, что является еще одним свидетельством в пользу сопоставимости процессов формирования сейсмических волн при подземных взрывах и землетрясениях.
Изменение проницаемости массива горных пород в результате взрыва
Одним из наиболее важных эффектов подземного взрыва является изменение фильтрационных свойств массива горных пород. При этом изменение проницаемости среды определяется не только разрушением горной породы (возникновением новых каналов фильтрации жидкости и газа), но также изменением проницаемости изначально имеющихся в среде структурных нарушений в виде трещин разного масштабного уровня за счет изменения их геометрических характеристик (например, величины раскрытия и перекрытия), установления гидравлической связи между отдельными пустотами, а также необратимого разуплотнения заполнителя трещин, характеризующегося низкой (по сравнению с горной породой) прочностью.
Наиболее подробно исследование влияния подземного ядерного взрыва на фильтрационные характеристики массива горных пород проведено в эксперименте "Днепр-1" (04.09.72г. мощность взрыва д = 2,1 кт, глубина 110м [1, 4]). Фильтрационные свойства массива и слагающих его горных пород определялись с помощью специально разработанной методики. Обработка данных фильтрационных испытаний массива и слагающих его пород проводилась на основе двучленного уравнения фильтрации
= .ИИ .^1 т
где и - скорость фильтрации: Р, р и ц- соответственно давление, плотность и вязкость используемого в эксперименте рабочего тела; к/ и к2 - соответственно первый (ламинарный) и второй (турбулентный) коэффициент проницаемости, характеризующие фильтрационные характеристики проницаемой среды вне зависимости от используемого рабочего тела.
Полученные в результате обработки экспериментальных данных значения коэффициентов кі и к2 соответственно представлены на рис. 1 и 2 в зависимости от приведенного рас-
стояния от взрыва г/ц>п. Аналитически полученные зависимости представимы в виде (для 25 м < г < 100 м)
К] = 1,45 х 10'7х г2'7 м2,
Рис. I. Первый коэффициент проницаемости массива горных пород при подземном ядерном взрыве:
1 - эксперимент «Днепр-1», 2-«Наг<1Ьаг»,3-«Наг».
Рис. 2. Второй коэффициент проницаемости массива горных пород при взрыве «Днепр-1.
к2=1,6 х 10 -У
где г- расстояние от взрыва, м; 1 дарси = 10 '12 м2.
Начальная проницаемость исследуемого массива горных пород характеризуется следующими значениями параметров:
к = (1,7 - 3,7) х 10 ■|3 м2, к = (1,1- 2,3) х 10'" м2.
На рис. 1 приведены для сравнения результаты измерений, проведенных при подземных ядерных взрывах "НагсШаГ и "Ш^аг". В названных экспериментах начальная проницаемость массива характеризуется величиной параметра А, равной 4 х 10‘|7м ("НагсШа!") и 2,7 х 10'15 м2 ("Но^аг"). Параметр к2 в этих экспериментах не определялся.
Приведенные на рис. 1 и 2 данные указывают на значительное повышение проницаемости горного массива в результате взрывного воздействия, причем по мере удаления от места взрыва проницаемость нарушенной среды падает, что соответствует падению интенсивности производимого взрывом разрушения с расстоянием.
Соотношение между величинами измеренных в массиве горных пород параметров к, и к2 представляет особый интерес. Трещиноватый массив, характеризующийся относительно большим просветом проницаемых каналов, существенно отличается от пористых сред регулярной структуры по величине параметра к2 (при равных значениях параметра к,. Это хорошо видно из рис. 3, на котором представлены совместно экспериментальные результаты настоящей работы (трещиноватый горный массив) и данные работы [2] (фильтрация в пористых телах регулярной структуры). Наблюдаемое отличие в зависимостях к2 (&;) для реального горного массива и пористых сред объясняется большим вкладом турбулентной составляющей потока (второй член в правой части уравнения (1)) в общее гидравлическое сопротивление при течении рабочего тела в трещинах по сравнению с фильтрацией в пористых средах. Это может происходить вследствие сильного различия параметров Ее: течение
к.,м
к, Ю'7, м!
Рис. 4
г/ц 1/3, м/кт1/3
Рис. 5
Рис. 3. Эмпирическая зависимость между коэффициентом проницаемости: I - пористые среды, 2 - трещиноватый массив горных пород (эксперимент «Днепр-1»
Рис. 4. Первый коэффициент проницаемости образцов горной породы при взрыве "Днепр-1"
Рис. 5. Второй коэффициент проницаемости образцов горной породы при взрыве "Днепр-1 ”
рабочего тела при одинаковых физических скоростях движения частиц осуществляется по каналам различной ширины и конфигурации.
Влияние взрывного воздействия на фильтрационные характеристики собственно горной породы
В целях получения более подробных данных о нарушенное™ горной породы в зоне необратимого деформирования массива проводилось изучение образцов горной породы, отобранных в массиве на разных расстояниях от места проведения подземного взрыва в эксперименте "Днепр-1".
Результаты фильтрационных испытаний образцов приведены на рис. 4 и 5. Представленные данные демонстрируют заметное изменение проницаемости собственно горной породы вследствие мощного взрывного воздействия. Причем по мере удаления от места взрыва проницаемость горной породы падает, и только начиная с расстояний 60 м/кт1/3 ее фильтрационные характеристики совпадают с первоначальными.
Следует отметить, что соотношение между параметрами к, и к2 горной породы соответствует результатам исследований проницаемости пористых сред регулярной структуры (см. рис. 3), что в свою очередь указывает на преимущественно ламинарный режим фильтрации в поровом и микротрещинном пространствах горной породы.
Результаты исследований нарушенности горного массива указывают на высокую материал, основанный на натурных измерениях, по всем аспектам воздействий и влияний ядерных взрывов на все события, сопутствующие как моментам взрывов, так и остаточных явления после них. Источниками этих данных явились материалы обработки сотен подземных ядерных взрывов (начиная с 1961 года ежегодно в мире производилось от 30 до 60 ядерных взрывов мощностью от 1 до 150 кт каждый, а до 1975 г. эквивалентная мощность отдельных взрывов достигала нескольких мегатонн) в различных породах: гранит, туф, сланец, аллювий, соль. Исследовались как сейсмические воздействия на наземные сооружения в зависимости от мощности взрыва, уровень радиационного фона и его затухание, так и утечка газообразных продуктов (с точки зрения биологического воздействия наиболее опасными являются долгоживущие
цезий 137) в зонах разрушения и через естественную трещиноватость вне
Бг90 - стронций 90 и Ся37 зоны разрушения. В связи с тем, что основное количество указанных изотопов (около 80%) образуется
(см. рис. 3), что в свою очередь указывает на преимущественно ламинарный режим фильтрации в поровом и микротрещинном пространствах горной породы.
Результаты исследований нарушенности горного массива указывают на высокую материал, основанный на натурных измерениях, по всем аспектам воздействий и влияний ядерных взрывов на все события, сопутствующие как моментам взрывов, так и остаточных явления после них. Источниками этих данных явились материалы обработки сотен подземных ядерных взрывов (начиная с 1961 года ежегодно в мире производилось от 30 до 60 ядерных взрывов мощностью от 1 до 150 кт каждый, а до 1975 г. эквивалентная мощность отдельных взрывов достигала нескольких мегатонн) в различных породах: гранит, туф, сланец, аллювий, соль. Исследовались как сейсмические воздействия на наземные сооружения в зависимости от мощности взрыва, уровень радиационного фона и его затухание, так и утечка газообразных продуктов (с точки зрения биологического воздействия наиболее опасными являются долгоживущие 8г90- стронций 90 и Се137- цезий 137) в зонах разрушения и через естественную трещиноватость вне зоны разрушения. В связи с тем, что основное количество указанных изотопов (около 80%) образуется при делении в виде инертных криптона и ксенона, заражение удаленных от полости участков массива происходит в результате проникновения газообразного материала в раздробленную породу. Так как периода полураспада Кг и Хе невелик, размер области и интенсивность заражения породы существенным образом определяется динамикой утечки продуктов взрыва из полости на заключительной стадии процесса взрывного воздействия. Замеры уровней радиации показали возможность уже через 2 года проникать непосредственно в эпицентр взрыва, то есть в ка-муфлетную полость, радиус которой составляет от 15 и более метров в зависимости от мощности взрыва и представляющий собой шаровую полость, поверхность которой покрыта остеклованой массой. Со временем сводчатая часть остеклованой корки обрушается и образуется так называемый столб обрушения. В свое время в б. Союзе было произведено 115, так называемых, «промышленных» взрывов, имеющих цель создание подземных полостей для хранения газа, захоронения промышленных отходов. При этом существенно, что стоимость единицы энергии ядерного взрыва значительно ниже стоимости единицы энергии химического ВВ. В качестве иллюстрации ниже приведена удельная стоимость энергии некоторых взрывных источников, отнесенная к удельной стоимости энергии тротила.
Сравнительная стоимость удельной энергии различных источников взрыва
Тротил....................1,0
Динамит...................0,86
Нитрат аммония............0,26
Ядерное устройство эквивалентной мощностью, кт:
10 ..................0,076
100 ............... 0,0097
1000 ................. 0,0012
Сравнение с затратами на дробление при взрывах химического ВВ (с учетом компактности ядерного заряда) показывает экономическую целесообразность использования подземного взрыва при эквивалентной мощности более 3 кт. В частности, в работе приведены сравнительные затраты на разработку месторождения халькозиновых руд (24 млн. т руды с содержанием меди около 1%) с помощью традиционной технологии и технологии подземного выщелачивания с подготовкой горной массы крупномасштабным взрывом. Сравнение показывает, что стоимость 1 т меди, полученной методом подземного выщелачивания с подготовкой ядерным взрывом почти в 1,5 раза ниже стоимости меди, полученной с помощью традиционной технологии.
Имеющиеся проекты предполагали использование подземного ядерного взрыва для первоначального дробления мощных залежей бедных и забалансовых руд, в том числе на стадии подготовки горного массива к выщелачиванию. В качестве примера рассмотрим американский проект "Слуп", предусматривающий на стадии опытно-промышленных работ подземное выщелачивание меди из руд Саффордского месторождения (штат Аризона) в столбе обрушения, сформированном в результате подземного ядерного взрыва, эквивалентной мощностью 20 кт на глубине 366 м.
Одним из технологических приемов, позволяющих значительно увеличить степень дробления и проницаемость горного массива, является применения экранов - протяженных незаполненных объемов, нужным образом оконтуривающих взрывной источник. Возможность дополнительного разрушения породы при разуплотнении в процессе заполнения экрана, а также соударения летящих осколков с неподвижной (дальней от взрыва) стенкой экрана приводит к интенсификации дробления породы в области, прилежащей к экрану, при одновременном повышений проницаемости массива. Полученные данные свидетельствуют о более равномерном разрушающем действии взрыва. Одновременно с этим наличие экрана ведет к существенному увеличению общего объема породы, раздробленной до более мелких фракций, что весьма положительно сказывается на результатах подготовки массива к подземному выщелачиванию. Помимо сказанного экранировка взрывного источника вызывает локализацию разрушающего действия взрыва в пределах отрабатываемого блока.
Наряду с разрушающим действием ядерный взрыв характеризуется значительным разогревом породы. Это может оказать существенное влияние на технологические параметры процесса ПВ. Результаты измерения остаточных температур показывают, что температура от 80 до 100 градусов Цельсия сохранялась в массиве от 2,5 до 11 месяцев.
На Кировском апатитовом комбинате в 1971 году был подготовлен блок 50 х 50 х 50 метров, оконтуренный вертикальной и нижней горизонтальной щелью для дробления ядер-ным взрывом [3]. Взрыв был произведен как экспериментальный, был произведен большой объем исследований чисто ядерного воздействия на окружающую среду одновременно с подготовительными работами для выпуска руды - откаточных и вентиляционных штолен, выпускных дучек, и руда была выпущена и традиционно переработана. Естественно, что все время проведения работ проводились замеры уровня радиации, которая в районе проведения работ не превышала допустимого уровня.
Сотрудниками сектора Геотехнологии ВНИПИГорцветмета совместно с геологическими и институтами цветной металлургии б. Среднеазиатских республик в 1980 году была обследована сырьевая база цветных металлов на предмет пригодности к ПВ. Был намечен ряд месторождений, потенциально пригодных без существенной предварительной подготовки. Такими месторождениями, потенциально пригодными для ПВ без предварительной горной подготовки, были отобраны: в Узбекистане - Коктау, Узумлек, Бенкала; в Киргизии - Тохтоны-Сай, Теньга; в Таджикистане - Насруд, Кок-Таш. Тогда же совместно с Мин-цветметом КазССР и АН КазССР было выбрано обособленное месторождение Коксу-Текелийского рудного района для проработки вопроса производства подземного ядерного взрыва на медном месторождении Коксай с целью горной подготовки массива для ПВ (рис. 6). Были начаты работы в плане геологического и гидрогеологического обследования, были начаты работы по составлению ТЭО, определены основные технологические схемы. К сожалению, работы по этой тематике по объективным (скорее субъективным) причинам были прекращены.
Рис. 6. Схема подготовки к выщелачиванию отдельной рудной линзы.
1 - рудная линза; 2 - скважины для взрывания руды; 3 - скважины для подачи выщелачивающего реагента; 4 - скважины для откачки продуктивного раствора 5 - трубопровод для подачи реагента; 6 - трубопровод для подачи продуктивного раствора на сорбционную установку.
В настоящее время в связи с распадом Советского Союза большинство месторождений цветных металлов отошло вместе с бывшими среднеазиатскими республиками. Медных месторождений в России осталось всего (если считать круп-
ных) 4-5. Это дорабатывающиеся уральские, норильские и разведанные месторождения в районе БАМа, наиболее крупное из которых Удокан. Запасы этого месторождения составляют 18 миллионов тонн. В настоящее время выполнено ТЭО, создана ОАО «Забайкальская горная компания» (ОАОЗГК). Дело упирается в финансирование и в присутствие частных интересов из-за того, что государство отошло от промышленных вопросов, передав вопросы разработки практически в частные руки. Отсутствие какой-либо инфраструктуры в районе предполагаемых разработок и суровые климатические условия делают перспективным разработку этого месторождения методом подземного выщелачивания с предварительным дробление рудного массива ядерными взрывами, тем более, что в свое время такой вопрос поднимался.
С трудом верится, что в ближайшее время вопрос с освоением Удокана, да и других перспективных месторождений, будет решен положительно, в смысле освоения. В устанавливающейся рыночной экономике совершенно не ясно кто возьмет на себя финансирование огромных капиталовложений, которые потребуются для создания огромного комплекса горных предприятий, тем более в неосвоенных регионах? В бывшем Союзе эти функции (как, впрочем, и все остальные) брало на себя государство, причем, на всех стадиях освоения: стадии разработки ТЭО, проектирования, согласования проектов и утверждения, строительства, включая всю инфраструктуру! Какая организация или частное лицо сможет потянуть это бремя? Да, создано ОАО «Забайкальская горная компания». Много ли акционеров рискнуть вложить деньги на достаточно большой срок освоения месторождения до момента получения прибыли? При, том, что опасность потерять свои деньги из-за банкротства компании, или исчезновения организаторов вместе с капиталом за рубеж, не исключена, чему мы являемся свидетелями ежечасно! Сейчас сложно что-либо предположить, как будет развиваться ситуация. Несомненно только одно, что если Россия должна остаться независимой цивилизованной страной с развитой экономикой, рано или поздно руководство государства должно национализировать всю горнодобывающую промышленность, взяв под свой контроль всю минерально-сырьевую базу страны и разработку планов освоения новых месторождений и доработку действующих. Бредет час очень верного выражения - «социальный вызов времени»!
Выводы
Подземный ядерный взрыв вызывает структурные изменения массива и слагающих его горных пород на значительных расстояниях до 100 м/кт |/3. При этом наиболее значительные разрушения среды отмечаются на расстояниях, не превышающих 50 м/ктш.
Изменение структуры среды в результате взрывного воздействия приводит к значительному изменению проницаемости среды в зоне радиусом около 100 м/кт1/3.
Изменение механических свойств собственно горной породы (включая фильтрационные параметры) происходит на расстояниях до 40-60 м/кт|/3. При этом существенно, что стоимость единицы энергии ядерного взрыва значительно ниже стоимости единицы энергии химического ВВ.
Весьма существенным фактором при рассмотрении геоэкологических последствий подземного ядерного взрыва является возникновение локальных необратимых изменений среды на отдельных, часто не связанных между собой, участках земной коры. Локальные проявления, представляющие собой опасность для конструкций и объектов, прослеживаются до расстояний 1000 м/кт|/3.
Приведенные результаты исследований действия ядерных взрывов на изменение структуры горного массива показывают на возможность и перспективность применения их для предварительной подготовки руды применительно к ПВ. Наиболее благоприятными для этого являются крупные рудные месторождения с балансовым или забалансовым содержанием металла, расположенные в местностях, не имеющих инфроструктуры и других промышленных объектов, чтобы избежать нежелательных сейсмических воздействий на них. Такими объектами могут являться отобранная нами линза Коксай, или Удокан.
ЛИТЕРАТУРА
1. Адушкин В В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. М.: Недра, 1993. 319с.
2. Бронников Д.М.,Спивак А.А. Перспективы и возможности применения крупномасштабных взрывов в геотехнологии // Физ.-техн. проблемы разработки полез, ископаемых. 1983. ЛИ. С. 36-42.
3. Гущин В.В., Антоненко В.А.. Розенталь А.К. и др. Особенности выпуска руды из блока, подготовленного ядерным взрывом // Тр. Гос. ин-та горно-химич. сырья. Вып. 36. М.: ГОСИНТИ, 1975. С. 48-57.
4. Мирное использование подземных ядерных взрывов. Ядерные взрывы в СССР. Вып. 4 / Под ред. В.Н. Михайлова. М.: Минатом, 1994. 166 с.
5. Садовский М.А., Адушкин В.В., Спивак А.А. О размере зон необратимого деформирования при взрыве в блочной среде.// Физика Земли. 1989. № 9. С. 9-15.
6. Спивак А.А. Поведение среды при подземном взрыве // Физ.-техн. проблемы разработки полез, ископаемых. 1980. № 4. С. 48-55.
7. Именитое В.Р., Евтропов Н.А., Баранов А.О. Вопросы использования ядерных взрывов при подземной добыче руд. - Горный журнал, 1973, № 2, с. 33-36.
8. Adushkin V., Spivak A. Geologic Characterization and Mechanics of Underground Nuclear Explosions. Defense Nuclear Agency. Alexandria, VA. U.S.A. 1994. 793 p.
PROSPECTS AND OPPORTUNITIES OF UNDERGROUND NUCLEAR EXPLOSIONS ^ APPLICATION IN GEOTECHNOLOGY
A.A. Spivak1, N.V. Perov2,1.L. Mashkovtsev3, Saumitra Narayan Deb3
1) Institute of Geo-sphere Dynamics RAS 2) Association ABET 3) Peoples’ Friendship University of Russia
The application of underground nuclear explosions is rather effective in comparison with chemical explosives for smashing a massif of ore and preparation it for underground leaching and getting metal. Such explosion is expedient to carry out on copper lenses Koksai and Udocan Joint-stock Company «Transbaikalian mining company», not having the objects around of, which can suffer from seismic influences.
