Использование подземного пространства

⇐ ПредыдущаяСтр 24 из 25Следующая ⇒

Объём свободного подземного пространства всех шахт и рудников страны составляет приблизительно 1 млрд. м3 капитальных и подготовительных вырабо- ток. Технологическое подземное пространство включает в себя подготовитель- ные, капитальные и очистные горные выработки, образовавшиеся при подземной разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых.

Без подземного строительства нельзя представить себе нашу сегодняшнюю жизнь. Виды практического использования подземных горных выработок для размещения объектов весьма разнообразны. Учёные и экономисты считают, что многие объекты можно и нужно размещать под землей, используя для этого ес- тественные и специальные камеры. Считается, что число объектов, расположен- ных под землёй, удваивается каждые 10 лет. Большинство объектов промышлен- ного и складского назначения на шахтах и рудниках размещаются в карбонатно- сульфатных (гипс, известняки, ангидрид) и галогенных (калийные и каменные соли) породах после полной или частичной выемки полезного ископаемого.

Но до сих пор в проектах подземной разработки месторождений не преду- сматривается дальнейшее использование искусственных пустот в качестве под- земных сооружений – объектов промышленного, оборонного, сельскохозяйст- венного, культурологического, медицинского назначения, в качестве хранилищ и могильников. В проектах же открытой разработки месторождений такой раздел обязательно присутствует и называется – рекультивация земель (карьера). Ак- тивно развиваемое перспективное научное направление - освоение подземного пространства - понимается сегодня узкотрадиционно: лишь как использование природных и техногенных полостей. В более широком смысле сохранение недр подразумевает процесс управления состоянием недр, подготовку массива - с це- лью изменения функционального назначения пустот. Новая методология освое- ния месторождений (принятая Академией горных наук), включающая техноло- гии не только разработки, но и последующего использования подземного про- странства - требует дополнительных знаний о горном массиве, при этом особое значение приобретает обоснование выбора технологии освоения недр, геомеха- нический, технологический, социально- и эколого-экономический прогноз по- следствий извлечения полезных ископаемых и дальнейшего использования пус- тот.

В настоящее время во всём мире наблюдается повышенный интерес к ис- пользованию недр для размещения объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых. Это обусловлено: экономией поверхности земли, заботой о защите окружающей среды, более высокой защищенностью подземных сооружений от внешних воздействий, более благоприятными условиями для хранения различ- ных продуктов, низкой стоимостью технической эксплуатации объектов и т. п.

Какие бы наземные конструкции не возводились человеком, в том числе защитные, их прочность не может сравниться с прочностью, защитными свойст- вами скальных пород. В среднем предел прочности пород на растяжение в 1,5-2 раза, а на сжатие в 4-5 раз превышает аналогичные характеристики для бетона.

Размещение под землёй некоторых производств обеспечивает им не только Защиту, но и постоянство производственно-комфортабельных условий: темпера- туры, влажности, запылённости, отсутствия внешних шумов и вибраций… Эти качества особенно важны для высокоточных производств, высоких технологий. Мировой опыт по подземным заводам свидетельствует, что здесь на 18-20% выше не только качество продукции, но и производительность труда.

Подземные объекты надежно защищены от прямого воздействия климати- ческих факторов (температурных и влажностных условий наружного воздуха, солнечной радиации, осадков, ветров и т. п.). Теплоизоляционные свойства по- род создают условия для размещения в подземных горных выработках складов продовольствия, вина, сейфов, архивов кино-фотоматериалов и документов, а также для точных производств (радиоэлектроника, прецизионное машинострое- ние и др.). В связи с полной изоляцией выработок от прямого воздействия кли- матических факторов, уменьшаются затраты на текущий ремонт и отопление. В то же время отсутствие естественного света и проветривания требует повышен- ного расхода электроэнергии.

Основными преимуществами подземного пространства являются его неза- висимость от сезонных ритмов, защита от вредителей и возможность контроля окружающей среды.

Особое значение приобретает подземное строительство промышленных объектов для регионов с ценными сельскохозяйственными землями, лесными угодьями, а также в северных районах, где нежелательно наземное строительст- во. Такое освоение подземного пространства по сравнению с обычным строи- тельством позволяет снизить капитальные вложения в 1,2-1,5 раза, а эксплуата- ционные затраты - в 1,5-1,8 раза.

Насколько широка перспектива использования недр только на рудниках и шахтах - можно оценить по нижеприведённой карте России основных месторож- дений негорючих полезных ископаемых и плотность сельского населения (чем гуще цвет, тем выше плотность). Известно, что в настоящее время 80% зерновых хранится там, где и производится. В этих условиях на них воздействуют дождь, избыточная влажность, тепло, холод, насекомые, плесень, бактерии, грибки, птицы, они подвержены прорастанию, прогорклости, перезреванию и проч. По- этому, одним из наиболее перспективных направлений использования подземно- го пространства и является применение сухих и проветриваемых помещений под хранилища пищевых запасов, ведь известно, что огромная часть выращенного урожая ежегодно теряется из-за недостаточности объёмов зерно- и овощехрани- лищ.

Общие направления освоения подземных пустот на действующих и за- крытых рудниках следующие1:

а) в промышленных целях: заводы и лаборатории, энергетические установ- ки, обогатительные фабрики, ёмкости-перколяторы…

б) в сельскохозяйственных целях: хранилища пищевых запасов, силосные ямы, выращивание грибов (вешенка, шампиньоны)…

в) в оборонных целях: заводы, укрытия для людей и техники, пусковые ра- кетные установки, аэродромы…

г) хранилища и могильники:

- хранилища нефти, газа и других стратегических запасов, резервуары для забалансовой руды и хвостов обогащения;

- могильники бытовых, токсичных, химических и радиоактивных отходов; д) в культурологических целях: подземные торговые и бизнес центры, га-

ражи, убежища, музеи, транспортные магистрали, инженерные коммуникации… е) в медицинских целях: гала-спелео-терапия в солях, радоновые ванны…

Возможны два пути освоения подземного пространства - приспособление и переустройство выработок, высвобождающихся от горной и технологически деятельности (выработки отработанных рудников, шахт и подземные сооруже- ний различного назначения, выведенные из эксплуатации – см. табл. 3.1 и 3.2 – по Корчаку А.В., 1998), и строительство специальных подземных объектов.

Выбор способа строительства (вид, конструкция, параметры крепей, гидро- изоляция, системы кондиционирования воздуха и т. п.) определяется, в основ- ном, назначением и требуемой степенью надёжности подземных сооружений, принятой технологией производства объекта, размещаемого в подземных горных выработках, и, конечно, свойствами массива вмещающих горных пород.

При этом возможные инженерные методы подготовки массива к повторному использованию недр заключаются в следующем:

1. Длительное или временное изменение физико-механических свойств по- родного массива:

а) замораживание; б) кессон2;

в) водопонижение; г) тампонирование; д) инъектирование.

2. Возведение временных или постоянных строительных конструкций: а) шпунтовые сооружения;

б) опускные сооружения;

в) «стена в грунте», «опёртый свод», «опорное ядро»;

г) несущие пространственные конструкции типа «этажерка» и «шатёр».

3. Изменение НДС массива.

а) активная разгрузка с последующим упрочнением;

) разгрузка скважинами, щелями, камуфлетным взрыванием; в) уплотнение пород взрывом;

г) жёсткие и податливые естественные и искусственные целики; д) анкерное крепление;

е) крепь регулируемого сопротивления (податливая);

ж) инъекционная крепь.

Объекты, размещаемые или создаваемые на месте подземных выработок

Виды объектов	Виды выработок
Хранилища промышленных (нерадиоактив- ных) и бытовых отходов	Все подземные выработки
Производственные объекты общего назначе- ния	Капитальные выработки, вклю- чая штольни, камеры около- ствольных дворов
Предприятия по производству продуктов пи- тания	То же
Сейсмические и другие исследовательские станции	То же
Склады промышленных изделий, пищевых продуктов, медикаментов, архивов и др.	Капитальные выработки извест- няковых и соляных шахт
Холодильники для хранения скоропортя- щихся продуктов	Выработки в многолетнемёрз- лых породах
Хранилища отверждённых радиоактивных от- ходов низкой и средней активности	Выработки в многолетнемёрз- лых породах
Лечебные заведения	Капитальные выработки соля- ных шахт
Склады горюче-смазочных материалов, газо- и нефтехранилища	Капитальные выработки, вклю- чая штольни, камеры около- ствольных дворов
Склады стратегических запасов	То же
Резервуары воды, очистные сооружения	То же
Объекты специального назначения (ГЭС, тепловые и автономные ЭС и др.)	То же
Объекты гражданской обороны и военные	То же
Объекты культурного назначения	То же
Объекты аграрного назначения – цветоводст- во, овощеводство, грибы, рыба	То же
Размещение отвалов	Очистные и подготовительные выработки
Элементы АЭС, ГАЭС, хранилища нефти и газа, технологический подход к другим под- земным объектам	Вертикальные стволы

Как видно из классификации осваиваемых подземных пустот (табл. 3.3), главное значение в выборе варианта использования пустот имеет геомеханиче- ский аспект обоснования их устойчивости.

Классификация осваиваемых подземных пустот

1. По назначению

а) промышленные: заводы и лаборатории, энергетические установки, обогати- тельные фабрики, ёмкости-перколяторы11… б) сельскохозяйственные: хранилища пищевых запасов, силосные ямы, выращи- вание грибов (вешенка, шампиньоны), разведение форели … в) оборонные: заводы, укрытия для людей и техники, пусковые ракетные уста- новки, аэродромы… г) хранилища и могильники: - хранилища нефти, газа и других стратегических запасов, резервуары для забалансовой руды и хвостов обогащения; - могильники бытовых, токсичных, химических и радиоактивных отходов; д) культурологические: подземные торговые и бизнес центры, гаражи, убежища, музеи, транспортные магистрали, инженерные коммуникации… е) медицинские: гала-спелео-терапия в солях, радоновые ванны…

2. По продолжительности использования пустот

а) долговременные, более 50 лет; б) средней продолжительности, 20-50 лет; в) малой продолжительности, менее 20 лет.

3. По знáчимости (по аналогии с категориями охраны горных выработок и поверхностных сооружений)

а) высшая категория охраны, не допускает никаких деформаций полости; б) средняя, допускает малые деформации стенок, кровли и почвы полости ; в) малая, допускает деформации.

4. По местоположению

а) в городских условиях, например, катакомбы; б) в сельской местности, например, естественные пещеры; в) на заброшенных шахтах и рудниках; г) на действующих шахтах и рудниках.

5. По технологии поддержания устойчивости пустот

а) естественное поддержание; б) полости, постоянно заполненные материалом (хранилища, могильники, пер- коляторы); в) крепление кровли, стенок и почвы полости; г) управление несущей способностью горного массива: разгрузка напряжённых зон массива, инъектирование вяжущими растворами слабых зон, сооружение пространственно-ориентированных опорных конструк- ций, заполнение неиспользуемых пустот обрушением пород или искусственны- ми материалами (сухая, гидравлическая или твердеющая закладка, породы из от- валов, хвосты…).

6. По масштабности, разветвлённости и глубине расположения

а) малые пустоты с широкой разветвлённостью на небольшой глубине; б) средних и больших размеров пустоты, изолированные друг от друга, на сред- ней глубине; в) средних и больших размеров пустоты, никак не связанные друг с другом, на большой глубине.

Проект по освоению подземного пространства должен обеспечивать эко- логическое состояние окружающей природной среды на уровне, регламентиро- ванном медицинскими нормами, а при их отсутствии - ограничениями по поль- зованию природными ресурсам. В этих целях исходные данные для проектиро- вания должны содержать:

· детальную информацию о природных условиях территории и о геомеха- ническом состоянии геологической среды;

· оценку воздействия объекта на окружающую природную среду и условия жизни населения;

· прогноз изменений состояния природной и геологической среды и про- цессов, происходящих в зоне воздействия объекта;

· комплексную оценку влияния последствий этих изменений на условия жизни населения;

· анализ экологического риска намечаемых проектных решений, включая возможность аварийных ситуаций;

· комплекс природоохранных мероприятий по предотвращению негатив- ного воздействия хозяйственной деятельности, а также сохранению, оздоровле- нию и улучшению окружающей природной и геологической среды;

· программу работ по организации мониторинга состояния окружающей среды в период строительства, эксплуатации объекта и в период снятия его с эксплуатации (консервации).

Всю перечисленную выше информацию необходимо получить на стадии обоснования инвестиций в строительство предприятия, проект должен пройти специальную экологическую экспертизу по всем компонентам природной среды: воздушной среде, поверхностным и подземным водам, почвам и грунтам, не- драм, растительному покрову, животному миру, специальной среде. В результате

олжна быть дана итоговая оценка экологического риска размещения намечае- мого объекта на данной территории.

Для оценки состояния и поддержания устойчивости геосистемы (мас- сив-полость) и подземных технологических горных сооружений может быть ис- пользована структурная схема Корчака А.В.:

1. Первичный контур

– исходная инженерно-геологическая информация;

– проектные решения;

– целевая функция;

– предварительный прогноз состояния;

– корректировка проектных решений;

– проектное управляющее воздействие.

2. Вторичный контур

– наблюдения за состоянием массива;

– прогноз состояния;

– оценка прогнозируемого состояния;

– оценка фактического состояния;