РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ ЦРД НА ПРИМЕРЕ ШАХТЫ "ЮНЫЙ КОММУНАР"
2.1. Общие сведения об изучаемом объекте
В Донецком угольном бассейне многие из разрабатываемых пластов являются опасными по внезапным выбросам угля и газа. С увеличением глубины разработки пласты, являющиеся на верхних горизонтах не опасными, переходят в категорию опасных по внезапным выбросам, повышается частота и интенсивность выбросов угля и газа. Наиболее эффективная мера борьбы с внезапными выбросами - опережающая отработка защитных пластов - ограничена тем, что с увеличением глубины шахт защитные пласты становятся выбросоопасными. Учеными Института технической теплофизики и ВНИПИпромтехнологии в конце 70-х годов предложен способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа в шахтах с помощью ядерных взрывов. Сущность способа заключается в том, что при воздействии взрывной волны с высокими параметрами напряжений и колебательных перемещений в породах угленосной толщи и угольных пластах в объеме радиусом в сотни метров изменяется напряженно-деформированное состояние, возникают трещины. Это должно привести к выравниванию поля напряжений, дегазации пластов и в конечном итоге уменьшить вероятность внезапных выбросов.
Взрыв мощностью 200...300 т осуществлен 16 сентября 1979 г на глубине 903 м от дневной поверхности на восточном крыле шахты "Юный коммунар". Заряд помещался между наиболее выбросоопасными пластами "Девятка" и "Мазур" на расстояниях 45 м и 31 м, соответственно. Зарядная камера сооружена в уклоне, пройденном с горизонта 826 м под углом 64° (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схема размещения камеры ядерного заряда в толще песчаника
Вмещающие породы на участке заложения заряда представлены песчаниками. Мощность взрыва определена из условия обеспечения сейсмической безопасности шахтных стволов и основных выработок, а также промышленных и жилых зданий на поверхности в районе шахты и в г. Енакиево.
Радиационный контроль производился сразу же после взрыва и до 1993 года специалистами института ВНИПИпромтехнологии. Измерения проводились как на промплощадке шахты, так и в горных выработках. Результаты измерений в воздухе горных выработок, в частности, свидетельствовали о незначительном повышении естественного радиационного фона сразу же после взрыва, которое к концу дня 16.09.1979 г. снизилось до уровня 15...30 мкР/ч, имевшего место в этих выработках до проведения эксперимента [24].
В 1990-1992 годах в зоне взрыва с полевого штрека, пройденного на горизонте 826 м, пробурены две исследовательские скважины [24, 68], с помощью которых установлено, что в очаге взрыва образовался остеклованный расплав силикатных пород диаметром около 10 м, в котором заключены остаточные продукты цепной ядерной реакции (радиоактивные продукты ядерного взрыва) [24]. Предположено, что в радиусе 10... 15 м от взорванного заряда имеются локальные разрушения породного массива. Эти и другие исследования подтвердили, что диаметр зоны, в которой возможно нахождение радиоактивных продуктов, составляет 20...25 м.
При бурении обоих скважин не было отмечено каких-либо выбросов газообразных продуктов в атмосферу. Полость взрыва заполнилась водой и буровым раствором. Отмечено, что образцы расплава, включающие в себя радиоактивные продукты ядерного взрыва, извлечь невозможно, так как они находятся под обломками обрушившейся породы.
Мощность дозы гамма-излучения, измеренная в полевом штреке на горизонте 826 м при бурении скважин, не превышала 15... 17 мкР/ч. Эти значения ниже максимального уровня естественной радиоактивности боковых пород.
Лабораторные анализы проб воды и шлама из промывочной жидкости, выполненные на содержание трития, показали, что даже в скважине № 1, пробуренной на глубину 70 м в полость взрыва, концентрация трития составила (3,4-3,7) 103 Бк/л. При этом допустимая концентрация трития в питьевой воде, в соответствии с действующими в то время "Нормами радиационной безопасности" (НРБ-76/87), составляла 1,48 ·105 Бк/л. В соответствии с действующими в настоящее время в Украине "Нормами радіаційної безпеки України" (НРБУ-97) допустимая концентрация трития в питьевой воде составляет 3·104 Бк/л. Таким образом, измеренное при бурении скважин значение концентрации трития примерно на порядок ниже действующего в настоящее время в Украине норматива.
2.2. Характеристика физико-химических процессов в объекте "Кливаж"
Физическая картина развития камуфлетного (подземного, без выброса грунта) ядерного взрыва разделяется на несколько характерных стадий [35]. Вначале передача энергии взрыва грунтовой среде происходит путем переноса излучения. При этом тепловая волна распространяется по грунту, нагревая его до температуры в несколько миллионов Кельвинов и повышая давление примерно до 1013 Па. Из-за кратковременности действия тепловой волны в среде не успевает развиться заметное движение грунта и плотность его в эти моменты времени практически остается постоянной. По мере уменьшения температуры скорость распространения тепловой волны быстро падает. Начиная с определенного момента времени, становятся существенными гидродинамические эффекты и в грунте формируется ударная волна.
На стадии распространения ударной волны грунт ведет себя подобно сжимаемой жидкости: его напряженное состояние определяется одним параметром - давлением. Распределения по расстоянию от центра взрыва мощностью до 1 кт давления и скорости движения грунта во фронте ударной волны в граните приведены на рис. 2.2 [35]. В отличие от ядерного взрыва в воздухе ударная волна в грунте существует лишь в самой ближней зоне.
С увеличением расстояния давление в ударной волне уменьшается и с некоторого момента времени она превращается в волну сжатия, для которой характерно постепенное нарастание давления до максимума. Начиная с этого момента времени, грунт перестает вести себя как сжимаемая жидкость. Напряженное состояние среды определяет у