Для подземных сооружений с ядерными технологиями.

Внимание к вопросам резкого повышения уровня безопасности ядерной энергетики существенно повысился после Чернобыльской катастрофы 1986 г. Тогда же произошёл возврат к идее использования подземного пространства для размещения сначала атомных станций, а несколько позже и хранилищ радиоактивных отходов. К этому времени был достигнут существенный прогресс в строительстве подземных сооружений вообще, появились и стали широко использоваться новые технологии строительства, высокопроизводительное оборудование, всё это позволило резко повысить эффективность строительства подземных сооружений и улучшить их конкурентноспособность по сравнению с обычными сооружениями на поверхности. В свою очередь, это позволило по новому подойти к общей проблеме использования подземного пространства, особенно актуальной для стран и регионов, испытывающих дефицит территории и проблемы с экологией.

В качестве возможных условий размещения энергетических объектов в подземном пространстве рассматривались массивы мягких осадочных пород типа глин и массивы высокопрочных скальных пород. Работы Горного института КНЦ РАН в течение последних лет, начиная с конца 80-х годов были направлены на решение вопросов строительства подземных ядерных объектов именно в массивах скальных пород.

Вообще подземные сооружения для размещения ядерных объектов представляют собой отдельный специфический класс подземных сооружений, отличающийся комплексным воздействием на окружающую среду, в том числе и на массив вмещающих пород. К их числу относятся:

- механическое, обусловленное процессами деформирования и разрушения пород вокруг сооружений;

- тепловое, вследствие большого тепловыделения, в частности, при размещении высокоактивных радиоактивных отходов;

- радиационное, от поступления в окружающую среду радионуклидов при эксплуатации объектов.

В таких условиях наиболее прогрессивным подходом обеспечения надёжной эксплуатации подземных ядерных объектов является получение необходимой информации о состоянии окружающей среды и сопоставление её с заранее рассчитанными параметрами, обеспечивающими необходимый уровень безопасности. Другими словами, необходима организация комплексного геоэкологического мониторинга сложной геотехнологической системы «подземное сооружение - массив вмещающих пород».

Применительно к подземным атомным станциям общий объект мониторинга может быть подразделен на следующие группы (рис.9.1):

1. внутренняя атмосфера в подземных помещениях станции;

2. внутренние конструкции, крепи, обделки горных выработок;

3. приконтурная область массива пород вокруг основных сооружений;

4. весь структурный блок (или несколько блоков), в которых размещается подземный комплекс;

5. вся толща массива пород, включая подземные воды и газы, а также дневную поверхность;

6. приземный слой атмосферы.

В каждой из перечисленных групп выявляются возможности использования систем, разработанных и используемых в настоящее время

Рис.9.1 Подразделение общего объекта мониторинга на группы.

на обычных атомных станциях или в горнорудной практике и подземном строительстве. В то же время весьма существенно сказывается специфика рассматриваемых объектов и отсюда возникает необходимость адаптации имеющихся разработок к этим специфическим условиям или же создание принципиально новых систем.

Так, в первой группе (внутренняя атмосфера в подземных помещениях атомной станции) специфическим по отношению к обычным горным выработкам является радиационный контроль подземной атмосферы. Поэтому здесь можно говорить лишь о некотором дополнении существующих систем контроля вентиляционных параметров, которые широко используются на горных предприятиях.

Для второй и третьей групп (внутренние конструкции и приконтурная область массива) в существенной степени (с небольшими дополнениями в отношении радиационных воздействий) применимы методы и системы, контролирующие состояние горных выработок и сооружений и применяемые в горнорудной промышленности и подземном строительстве.

Для четвертой группы (весь структурный блок) специфичными будут оценки пространственной устойчивости, неизменности положения и целостности структурного блока (или блоков), в котором располагается комплекс подземных сооружений атомных станций или хранилищ.

Пятая группа (вся толща массива) характеризуется необходимостью применения методов контроля состояния массива пород, достаточно широко применяемых при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений. Однако и здесь потребуются специальные усилия для совершенствования известных методов и комплексирования разнородных методик наблюдений с целью получения необходимой и целенаправленной информации о возможном проникновении и перемещении основных вредностей, в частности, радионуклидов, в толще массива пород.

Для шестой группы (приземного слоя атмосферы), очевидно, перенос опыта организации обычных метеорологических наблюдений возможен в полной мере.

Таким образом, в общей проблеме организации комплексного геоэкологического мониторинга контроль геомеханических процессов, или геомеханический мониторинг занимает весьма существенное место и характерен для подавляющего большинства выделенных звеньев общего объекта мониторинга.

Поскольку основной задачей любой системы мониторинга окружающей среды является получение объективной информации о состоянии контролируемых объектов, весьма существенным является вопрос о своевременности ее получения. С этой точки зрения основным принципом мониторинга должно явиться проведение постоянных наблюдений в течение всей "жизни" объекта, начиная с момента проведения изысканий и выбора площадки строительства и кончая демонтажом оборудования отработанного сооружения или его консервацией. При этом, очевидно, на различных этапах строительства объектов задачи и содержание работ по организации и проведению мониторинга будут различными.

В частности, для подземных атомных станций и хранилищ радиоактивных отходов в соответствии со стадиями и этапами их строительства и эксплуатации выделяются следующие основные этапы мониторинга, каждый из которых имеет свои особенности:

1. мониторинг на стадии инженерных изысканий;

2. мониторинг при строительстве подземных сооружений подземных атомных станций или хранилищ;

3. мониторинг при эксплуатации подземных атомных станций или хранилищ;

4. мониторинг на стадии демонтажа оборудования или консервации объекта.

Основной задачей мониторинга на этапе инженерных изысканий является получение фоновых параметров геофизической среды для рассматриваемого региона, пункта, площадки строительства объекта, т.е. характеристик, присущих окружающей среде, и, в первую очередь, массиву вмещающих пород в его естественном состоянии, еще до возмущения процессами строительства и эксплуатации подземных сооружений атомных станций или хранилищ.

Полученные фоновые значения будут являться впоследствии базовыми для оценки степени воздействия процессов строительства и эксплуатации контролируемых объектов на окружающую среду, а также степени опасности возникающей ситуации. С этой целью должен быть выполнен анализ и обобщение результатов инженерных изысканий по изучению фондовых и архивных материалов, по определению свойств пород и грунтов, структурных особенностей и естественного напряженного состояния массива, а также организованы специальные долговременные наблюдения за проявлениями сверхмедленных тектонических процессов с закладкой и оборудованием соответствующих полигонов и пунктов наблюдений. Одновременно с этим должны быть оценены и исследованы вопросы влияния специфических воздействий сооружений объектов ядерных технологий - теплового и радиационного, на основные параметры окружающей геофизической среды.

На основании полученных результатов начинают формироваться специализированные базы данных, пополняемые в дальнейшем по мере проведения последующих этапов мониторинга.

На этапе строительства подземных сооружений атомных станций или хранилищ радиоактивных отходов основными задачами мониторинга являются оценка степени воздействия процессов строительства на окружающую среду с целью обеспечения безопасности горных работ, оптимизации параметров подземных выработок и методов их проведения.

На данной стадии работы по организации мониторинга должны включать:

1) физическое и математическое моделирование подземных сооружений;

2) натурные измерения напряжений или деформаций в ненарушенном массиве, а также в наиболее ответственных конструктивных элементах подземных сооружений;

3) измерение параметров и контроль состояния зоны неупругих деформаций вокруг основных горных выработок;

4) проведение специальных горных выработок и камер с бурением наблюдательных скважин и закладкой сети датчиков для контроля состояния приконтурных областей массива вокруг основных сооружений подземных атомных станций и хранилищ отходов, а также закладка полигонов для контроля неотектонических процессов, состояния всего структурного блока, в котором размещается подземный комплекс контролируемого объекта, и дневной поверхности.

Фактически на этой стадии должно быть завершено формирование всех основных систем мониторинга с прокладкой коммуникационных линий связи, оборудованием центра сбора и обработки информации, установкой и сдачей в эксплуатацию вычислительной техники.

Мониторинг на этапе эксплуатации подземных атомных станций или хранилищ отходов должен обеспечить контроль за состоянием системы "сооружение - среда" и отслеживание процессов, происходящих в ней. При этом он должен включать:

1) контроль состояния обделок (крепей) и приконтурной области массива (в пределах одного - двух пролетов выработок) для всех основных подземных сооружений объекта;

2) контроль состояния всей толщи пород и дневной поверхности в пределах всего структурного блока (или блоков), в котором размещается весь подземный комплекс объекта.

На этапе консервации основными задачами мониторинга являются контроль направления и скорости возвращения параметров внешней среды после прекращения эксплуатации сооружений к её первоначальному состоянию.

Контроль состояния системы "сооружение-среда" должен осуществляться при трех основных возможных видах воздействий на массив, характерных для рассматриваемых объектов - механическом, тепловом и радиационном. При этом механические воздействия по отношению к контролируемым областям могут быть внешними (от внешних источников типа землетрясений, приливных волн, падения летательных аппаратов или взрывов на поверхности и т.п.) или внутренними (от установленного оборудования или динамических нагрузок при аварийных ситуациях).

Также необходимо различать три режима эксплуатации подземных атомных станций или хранилищ радиоактивных отходов:

а) режим нормальной эксплуатации;

б) режим аварийных ситуаций, включая максимально возможную аварию;

в) режим консервации или вывода из эксплуатации объектов.

При нормальной эксплуатации рассматриваемых сооружений все системы мониторинга должны работать в основном режиме, определяемом главной (штатной) программой, где отражены периодичность опроса датчиков и проведения натурных измерений и наблюдений, порядок обработки первичной информации и ее свертывания, периодичность передачи свернутой информации в вышестоящие инстанции.

При аварийных ситуациях системы мониторинга работают по специальным программам в зависимости от класса аварий, с задействованием резервных систем измерений и выдачей оперативных данных, например, о радиационной обстановке.

При консервации сооружений системы мониторинга также должны работать по измененным (по отношению к штатной) программам, учитывающим специфику выполняемых работ и их влияние на окружающую среду.

Таким образом мониторинг окружающей среды, в частности, геомеханический мониторинг применительно к подземным сооружениям с ядерными технологиями, представляет собой комплекс работ и методов контроля состояния массива пород и включает определения всех главных характеристик массива - свойств, структурных особенностей и напряжённого состояния. Исходя из этого все методы определения этих характеристик, которые рассматривались выше, принципиально применимы и для целей мониторинга на этапах проведения инженерных изысканий и строительства сооружений.

Однако на этапе эксплуатации сооружений к методам мониторинга и применяемой аппаратуре должны предъявляться некоторые специфические требования.

Прежде всего эти требования определяются главными целями мониторинга - получать объективную, представительную и непрерывную информацию о состоянии контролируемого объекта.

Здесь объективность информации определяется обоснованным выбором измеряемых параметров, изменение которых однозначно характеризует состояние объекта.

Представительность информации определяется числом наблюдаемых пунктов (датчиков), т.е. степенью охвата наблюдениями контролируемого объекта. Непосредственно с представительностью информации связаны требования обеспечения однородности информации, т.е. измерения одних и тех же параметров, относящихся к одним и тем же точкам или пунктам объекта.

Непрерывность информации означает принципиальную возможность получения информации в любой момент времени, при этом дискретность наблюдений назначается, исходя из степени монотонности и скорости наблюдаемого процесса, а также точности применяемой аппаратуры.

Эти общие требования обычно дополняются некоторыми специфическими требованиями, которые определяются особенностями контролируемых процессов и объектов.

В частности, для рассматриваемого примера, учитывая радиационную опасность, необходимо применять системы наблюдений, обеспечивающие возможность дистанционного измерения тех или иных параметров. Непосредственно это требование относится к звеньям мониторинга второй и третьей групп. Подобные же условия часто возникают и в обычной горной практике при необходимости проведения измерений в недоступных или опасных местах.

В наибольшей степени указанным требованиям отвечают автоматизированные системы контроля состояния массива.