Натурные исследования изменения деформационных

Натурные
исследования
изменения
деформационных
свойств
пород,
находящихся под воздействием тепловыделяющих РАО.
В.С. Гупало, ВНИПИпромтехнологии
Размещение радиоактивных отходов в геологической формации для длительного
хранения и захоронения, предусматривает использование горных пород, как природного
барьера, исключающего возможность распространения радионуклидов в биосферу.
Создание подземных сооружений и использование имеющихся для длительной
подземной
изоляции тепловыделяющих отходов
сопряжено
с технологическими
нагрузками на горные породы массива. Под техногенными нагрузками подразумевается
влияние на подземные сооружения и вмещающий породный массив содержащихся
отходов. В результате такого воздействия породный массив начинает изменять свои
первоначальные прочностные, деформационные, изоляционные и др. свойства.
От величины
изменения этих свойств зависит возможности или невозможность
использования данного массива - по изоляционным качествам, по сохранению
выработками устойчивости в течение длительного периода времени - для сооружения в
нем объекта подземной изоляции.
Предметом исследования в настоящей работе является влияние тепловой нагрузки на
прочностные свойства вмещающего породного массива. Многочисленные лабораторные
исследования показали, что образцы гнейсов практически не подвержены снижению
прочности при нагреве. А незначительное снижение прочности наблюдается при
температурах выше 300 С. Однако это не может охарактеризовать поведение породного
массива, содержащего различные виды нарушений с различными типами заполнителей.
Как известно механизм разрушения скального массива в значительной степени
зависит от прочности связей структурных элементов, слагающих массив, т.к. она
существенно ниже прочности самих элементов и в наибольшей степени подвержена
температурному воздействию.
Механизм воздействия тепловой нагрузки на породный массив можно разделить на
две составляющие. Первая связана с возникновением в породах термических напряжений
из-за неравномерного теплового расширения минералов. Вторая обусловлена различными
физическими и термохимическими превращениями минералов породы при нагреве.
В результате воздействия температур все параметры пород, характеризующие их
пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений увеличиваются. Вязкость породы с
нагревом снижается.
Для оценки изменения деформационных свойств пород, находящихся в условии
повышенных температур, на одном из подземных объектов МинАтома - Красноярском
Горно-химическом комбинате (ГХК) были:
-
изучены горно-геологические условия вмещающего массива;
-
проанализированы результаты многолетних натурных измерений в нагреваемых
и не нагреваемых выработках;
Подземные сооружения ГХК представляют уникальный аналог будущих хранилищ
тепловыделяющих отходов. Наличие мощных источников тепла, представленных
теплообменниками ядерного реактора, а также различных горно-геологических условий,
дает
возможность
оценивать
развитие
геомеханических,
гидрогеологических,
геохимических процессов во вмещающих породах, включающих различные типы
нарушений и различные виды техногенного воздействия. В результате работы реактора,
вмещающие породы оказались разогретыми до температуры 60 С.
Вмещающий выработки массив сложен метаморфическим комплексом пород,
представленным серыми и темно-серыми биотит-плагиоклазовыми гнейсами. Основными
элементами тектонической структуры породного массива являются трещины и разрывные
нарушения с заполнителями, представленными хлоритом, глинистым материалом,
карбонатным и кремнистым цементом.
Службой горного надзора ГХК для обеспечения безопасной эксплуатации и прогноза
состояния выработок, в течении всего срока службы выработок, проводились
инструментальные измерения ряда параметров, один из которых – линейные габариты
камер.
Эти измерения привязаны к измерительным створам, которые показаны на
рисунке 1.
Анализ результатов измерений показал, что в выработках, содержащих источники
тепла, и разогревших породы, происходят смещения стен, принявшие характер
незатухающей ползучести. В аналогичных по размеру и геологическим условиям
выработках без температурного воздействия смещения стен не наблюдаются.
Сравнение результатов инструментальных измерений и геологического строения
породного массива показало, что на участках камер, где вмещающие породы сложены с
преобладанием в качестве заполнителя трещин глинистого материала и хлорита смещения
стен происходят более интенсивно, чем на участках с преобладанием в качестве
заполнителя карбонатного или кремнистого цемента. Так, на участках с преобладанием
глинистого заполнителя смещения составили 22
Рис. 1 Расположение измерительных створов
мм. С отставанием в 12 мм деформируются
стены на участках, представленных карбонатным
или кремнистым цементом. График смещений приведен на рисунке 2.
Для количественной оценки изменения прочностных свойств массива пород при нагреве и
возможности учета этих изменений при проектировании, было проведено физическое
моделирование на эквивалентных материалах.
Схема
экспериментальной установки показана на рисунке 3.
Физическая модель трещиноватого массива, позволяет вводить температурную
нагрузку и учитывать различные системы трещин и их заполнителей.
Свойства блочных элементов массива подбирались по результатам лабораторных
испытаний образцов керна.
Рис. 3 Принципиальная схема экспериментальной установки
Материал заполнителя контактов блоков был подобран по анализу результатов
многочисленных сдвиговых испытаний призм, содержащих различные типы нарушений и
заполнителей, проводившихся при строительстве ГХК, а также по результатам
лабораторных испытаний образцов керна, содержащего нарушения.
Результаты
испытаний
показали
характер
деформирования
аналогичный,
отмеченному в натурных условиях. Слабо трещиноватые массивы в меньшей степени
подвержены изменению прочностных свойств под действием температуры по сравнению
с сильно трещиноватыми. Вместе с тем уменьшение прочности происходит и при
изменении заполнителя трещин от кремнистого к глинистому (т.е. от менее
подверженного влиянию температуры к более подвеженному). Наибольшему изменению
свойств подвержены сильно трещиноватые породы с глинистым заполнителем контактов
блоков, и уменьшение составляет 15-20 % от прочности.
Заключение.
Проведенный
комплекс
натурных
и
лабораторных
исследований
показал
возможность изменения прочностных свойств массива в зависимости от систем
трещиноватостей и температурных нагрузок.
Практически
без
изменения
свойств
переносят
тепловую
нагрузку
слабо
трещиноватые массивы с заполнителем, представленным кремнистым цементом.
Наибольшему изменению подвержены массивы пород с глинистым заполнителем
систем трещин.
Прочностные характеристики сильнотрещиноватых массивов
уменьшаются на 15-20% по сравнению с аналогичными (по нарушенности и составу)
массивами не испытывающими тепловую нагрузку, что может служить потере
устойчивости в сильно трещиноватых породах.
Список литературы.
1. Гупало В.С. Анализ деформационных процессов в породном массиве, вмещающем
тепловыделяющие источники. МГГУ. Горный информационно-аналитический
бюллетень. № 1. 2001
2. В.В. Ржевский, Г.Я. Новик Основы физики горных пород. Москва. Недра, 1984
3. М.В. Рац, С.Н. Чернышев Трещиноватость и свойства трещиноватых горных
пород. Москва. Недра. 1970