Геоэкологические аспекты технологических воздействий на защитные функции вмещающих пород

Московский Государственный
горный университет

Геоэкологические аспекты
технологических воздействий
на защитные функции вмещающих пород

Профессор, доктор технических наук
Шищиц И.Ю.
Всероссийский проектноизыскательский
и научноисследовательский институт
промышленной технологии «ВНИПИпромтехнологии»

Редколлегия

Шищиц И.Ю.

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
НА ЗАЩИТНЫЕ ФУНКЦИИ
ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД

Издательство Московского
Государственного горного университета
2010

УДК
ББК
Ш

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным
для взрослых» СанПиН 1.2.1253–03, утвержденным Главным государственным
санитарным врачом России30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124–94). Санитарноэпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.012634.11.08

Шищиц И.Ю.
Ш
Геоэкологические аспекты технологических воздействий на защитные функции вмещающих пород. — М.:
Издво Московского Государственного горного университета, 2010. — 160 с.
ISBN
ISBN
В работе освещены вопросы обеспечения безопасной и надежной
изоляции радиоактивных отходов в геологических формациях при захоронении твердых отходов, оценены свойства пород и их изменений под
воздействием выделяемого тепла, воздействия подземных вод и техногенных нагрузок. Проведен анализ устойчивости выработок для рассматриваемых целей и рекомендации по выбору пороговых значений
параметров вмещающих пород для обеспечения долговременной устойчивости природных барьеров.
Работа подготовлена под руководством автора (введение, разделы
1, 2, 3, 5, 6.3, заключение), при участии канд. техн. наук Кольцова В.М.
(разделы 6.2, 6.3), инженера Ворониной Л.И. (разделы 1, 2, 3, 4, 5, 6).
Работа представляет интерес для специалистов в области геотехнологий при наличии защитных свойств и качеств вмещающих пород
и может быть полезна студентам и аспирантам.

УДК
ББК

ISBN
ISBN
© И.Ю. Шищиц, 2010
© Издательство «Горная книга», 2010
© Издательство МГГУ, 2010
© Дизайн книги. Издательство МГГУ,
2010

Геологическая формация, как окружающая могильник среда, образует естественный барьер практически для всех изотопов. Эффективность ее изолирующих свойств обеспечивается
двумя качествами: способностью ограничить проникновение
воды в могильник и способностью ограничить миграцию изотопов из могильника [1—9].
С геологических позиций надежность подземного захоронения определяется тремя связанными между собой характеристиками вмещающей могильник среды: каналами миграции
радионуклидов, потоками подземных вод и газов, естественными и техногенными тепловыми потоками.

Захоронение твердых высокоактивных отходов в геологические формации должно основываться на достоверных конкретных геологических материалах предполагаемого места захоронения, которые позволяют обеспечить выбор геологической
среды для гарантированной изоляции отходов на расчетный
период времени.
Подземные воды являются практически единственным средством возможного переноса нуклидов, поэтому безопасное захоронение РАО требует детального понимания гидрогеологических
свойств и процессов.
В гидрогеологическом отношении вмещающий горный массив должен иметь характеристики, которые обеспечивают незначительный поток подземных вод и длительное их перемещение от могильника в биосферу. Подземные воды должны
обладать низкими коррозионными свойствами по отношению
к материалам упаковок и низкими скоростями выщелачивания материалов матрицы отходов. При всех равных условиях

5

1. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ФОРМАЦИЯ КАК СРЕДА
ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

предпочтение следует отдавать породам, обладающим высокими сорбционными свойствами. Основное требование безопасности к системе захоронения РАО может быть удовлетворено
при размещении могильника ниже зоны активного водообмена.
Перед выполнением операций захоронения должна быть
доказана надежность радиационной защиты и ядерной безопасности могильника на длительный период времени, по крайней
мере на 105 лет. Оценки безопасности должны учитывать любые неопределенности в прогнозах поведения вмещающего
горного массива и выполняться с использованием различных
сценариев, создаваемых на основе систематического и тщательного рассмотрения событий и процессов, потенциально
возможных для поведения захоронения. Поэтому очень важно
гарантировать достаточную надежность геологических данных
площадки предполагаемого захоронения РАО.
Несмотря на то, что надежность долговременного захоронения РАО основывается на пассивной многобарьерной системе
защиты, главным (основным) барьером остаются вмещающие
горные породы и выход из строя инженерных барьеров могильника не должен снижать всю общую безопасность. Поэтому выбор горногеологических условий для размещения подземного
могильника твердых радиоактивных отходов должен основываться на детальных и достоверных инженерногеологических
материалах изысканий, включающих:

• геоморфологию места заложения могильника;
• литологическую характеристику пород массива;
• гидрогеологические условия;
• результаты определения физикомеханических и реологических свойств пород массива;
• данные по естественному полю напряжений (НДС) и их
ориентация в пространстве;
• данные по зонам тектонических нарушений и их характеристики;
• данные по зонам с повышенной сейсмической активностью.

На базе указанных данных разрабатываются общая и специализированные инженерногеологические модели вмещаю6

щего массива, позволяющие произвести оценку пригодности
массива и выбор места для размещения могильника.
В качестве потенциально пригодных сред для изоляции
РАО рассматриваются многие типы геологических формаций
и слагающих их горных пород. К параметрам, которые следует
принимать во внимание при их оценке и выборе, относятся размеры и однородность толщ, структурные и гидравлические характеристики, физикохимические свойства, минералогический
состав и петрологические особенности, физические, тепловые
и механические характеристики, возможные геохимические реакции и др.
Качественными характеристиками параметров, определяющими выбор вмещающих пород, являются:

• высокая прочность;
• высокая теплопроводность;
• низкие характеристики теплового расширения;
• высокая сорбционная способность;
• способность к самозалечиванию деформационных нарушений за счет пластического течения;
• минимальное количество мигрирующей воды или рассолов;
• минимум неблагоприятных химических реакций между
породой, жидкостями, упаковками и самими отходами.

В настоящее время признано, что потенциально пригодными для изоляции РАО являются формации, представленные
эвапоритами, осадочными породами, вулканическими и метаморфизованными породами. Сведения о свойствах некоторых
пород приведены в табл. 1.1.
Изверженные породы, образовавшиеся при застывании расплавов и не подвергшиеся воздействию атмосферных осадков, обладают четко выраженными свойствами твердого тела:
упругостью, механической прочностью, твердостью, хрупкостью
и др. В термодинамическом отношении эти породы характеризуются наличием преимущественно закрытой пористостью
и малой влагонасыщенностью. Сформировавшиеся вблизи земной поверхности излившиеся породы (а именно эти поро7

Таблица 1.1

Свойства некоторых пород, массивы которых потенциально пригодны
для подземной изоляции высокоактивных отходов

Порода
Плотность,
кг/м3

Коэффициент
пористости
(общий), %

Прочность,
сж · 10–5 Па
(кг/см2)

Коэффициент
теплопроводности,
Вт/(м · °С)

Рекомендуемая
предельная
тепловая
нагрузка, °С

Примечание

Каменная соль
2160...2200
1,4...1,9
200...300
2,0...5,3
200
Коэффициент линейного расширения
(при 20...100°С)
2,8 ·10–5 град–1

Глина
2350...2640
0,1...35,0
1,0...10,0
0,3...1,7
при 100°С
100
Проницаемость (коэффициент фильтрации)
10–5...10–3 м/сут.
Туф
2200...2650
1,2...11,6
510...1683
1,4...1,8
Песчаники
2590...2720
1,5...40,0
420...1655
Известняк
2680...2840
0,1...25,0
610...1660
Габбро
1912...2850
0,6...1,3
918...1690
Гранит
2600...2800
1,1...4,5
1500...2100
1,0...3,0
110
Проницаемость
10–6 м/сут. Коэффициент линейного расширения 8 ·10–6 град–1

Порфирит
2700...29 000
2,0...2,5
110
Коэффициент линейного
расширения 10–5 град–1

Базальт
2740...3210
0,5...9,0
2720...3900
3,5

ды следует рассматривать в качестве среды размещения могильников РАО) характеризуются мелкозернистой, стекловатой или порфировой структурой и обладают повышенной
прочностью.
Осадочные породы обладают непостоянными свойствами
и, в основной своей массе характеризуются меньшей прочностью по сравнению с породами предыдущей группы. Среди
пород осадочного комплекса часто встречаются рыхлые образования, у которых частицы не скреплены как таковой связью
(песчаники), и пластичные (глины). В термодинамическом отношении эти горные породы ближе к капиллярнопористым
телам, в которых формирование температурных полей и распределения влажности (термоконвективные потоки) зависит
в основном от массообменных характеристик среды, в то время как породы предыдущей группы характеризуются тепло и
температуропроводностью.
Метаморфические породы образовались из пород первых
двух групп под воздействием больших давлений и температур
и, как правило, обладают значительной твердостью и малой
проницаемостью.
Каждый из указанных типов породы отличается по своим
свойствам, что влияет на выбор конструкции могильника и систем изоляции отходов. Это приводит к необходимости сочетания изолирующих свойств естественного и инженерных барьеров для достижения необходимой надежности всей системы
захоронения.
Выбор геологических формаций для изоляции РАО в настоящее время является сложной научной и практической задачей. Это связано, прежде всего, с тем, что многие типы отходов выделяют большое количество тепла в течение длительных
периодов времени, обладают высокой химической и радиационной агрессивностью. Поэтому при подземном захоронении, со временем, они могут существенно изменить первоначальные свойства массива, подвергая его превращениям и
разрушению.
К сожалению, геологические формации и слагающие их
горные породы применительно к проблемам надежной изоля9

ции отходов изучались недостаточно. Научная методология исследований в настоящее время формируется и включает в себя
широкий спектр работ — от космической съемки до детальных
исследований в шахтных и лабораторных условиях.
Изза значительного разнообразия геологических формаций и слагающих их пород, формулировка критериев их выбора возможна, в основном, на качественном уровне. Однако накопленный опыт долголетних исследований позволил
МАГАТЭ разработать рекомендации по определению пригодности геологических формаций для надежной изоляции РАО
[2, 3, 5, 8].
Рассматриваемые согласно этим рекомендациям факторы
можно разделить на две группы. К первой относятся факторы,
характеризующие данную площадь или участок. Ко второй
группе — факторы, учитывающие технологические и организационные мероприятия.
Геологические и гидрогеологические факторы:

• пространственное расположение изолирующей толщи в
массиве вмещающих пород;
• характеристика пород вмещающей толщи;
• возможность переноса нуклидов из зоны расположения
отходов;
• длительная устойчивость вмещающих пород и герметичность хранилища или могильника;
• геохимические параметры, определяющие технологию захоронения и изоляционные способности массива.

Технологические и организационные факторы:

• вопросы социальной и экономической политики;
• экологические эффекты;
• вопросы долговременного развития инфраструктур в районе расположения хранилища или могильника РАО;
• защита подземных сооружений от преднамеренных, случайных и стихийных воздействий.

Решение вопроса о пригодности участка зависит от того,
насколько сбалансированы между собой положительные и не10