» » Использование ядерных взрывов в горном деле

Использование ядерных взрывов в горном деле

07.08.2016

Из 115 мирных ядерных взрывов 39 были выполнены с целью глубинного сейсмозондирования земной коры для поиска полезных ископаемых, 25 — для интенсификации нефтяных и газовых месторождений, 22 — по созданию подземных емкостей для хранения газа и конденсата, 5 — для гашения аварийных газовых фонтанов, 4 — для создания искусственных каналов и водохранилищ, по 2 — для дробления руды в карьерных месторождениях, для создания подземных емкостей — коллекторов для удаления токсичных отходов химических производств и для сооружения насыпных плотин, 1 — для предотвращения горных ударов и газовых выбросов в подземных угольных выработках, 13 — для исследования процессов самозахоронения радиоактивных веществ в центральной зоне взрыва.
Ядерные взрывы широко используют при сооружении емкостей для хранения нефти и природного газа и подземного захоронения промышленных высокотоксичных отходов.
Подземные камуфлетные ядерные взрывы создают полости и зоны разрушения горных массивов без нарушения поверхности земли и без выхода радиоактивных продуктов взрыва в атмосферу. В СССР так подготовлено к выщелачиванию несколько урановых месторождений.
Научно-технической основой ядерных взрывных технологий являются физические законы протекания взрывных процессов под землей: механическое и сейсмическое действие взрыва, распространение ударных волн, безопасность взрыва, особенно — радиационная, моделирование крупномасштабных взрывов, параметры волновых полей взрыва, связанных с энергией взрыва и свойствами горных пород, и др.
Использование ядерного подземного взрыва для дробления массива апатитовой руды впервые в СССР осуществлено специалистами ВНИИпромтехнологии. В основе предложения лежит известное в теории и практике распространения ударных волн явление отражения фронта ударной волны от границы раздела сред с резко различающимися значениями плотностей. Совместное действие прямой и отраженных волн обеспечивает разделение твердого вещества на мелкие фрагменты. Организовать необходимую границу раздела можно, изготовив отрезную щель в породе, которая отделяла бы дробимый блок от остальной части рудного тела и представляла собой воздушную прослойку. После оконтуривания блока щелями и создания источника сильной ударной волны можно за миллисекундные промежутки времени раздробить горную породу до состояния, пригодного для извлечения на дневную поверхность с минимальными затратами на дробление крупных кусков.
В ходе экспериментального освоения технологии дробление рудного массива оказалось весьма эффективным: в первом опыте было раздроблено около 125000 м3 лопарита, во втором — более 560000 м3. Затраты на выполнение этой работы обычным способом были бы намного больше.
Доля использования ядерных зарядов при взрывах для интенсификации нефте- и газодобычи превысила 75 %, а для образования подземных емкостей достигает 90 %.
Глубинное сейсмозондирование с использованием ядерных взрывов в качестве сейсмоисточника основано на использовании мощного сейсмосигнала, отраженного от соответствующих пластов земной коры. Дальность регистрации сигнала от ядерного взрыва достигает 700 км, в то время как от обычного взрыва с химическим BB всего лишь 20 км. При проведении ядерных взрывов на газовых месторождениях Урта-Булак, Памук, Тахта-Кугульта, «Совхозное» и на Осинском нефтяном месторождении проводилась регистрация сейсмических сигналов при различном удалении от места взрыва. В результате исследований получены сведения о глубинном строении районов. С 1971 по 1988 год было проведено 39 подземных ядерных взрывов на 14 профилях ГСЗ суммарной протяженностью 70000 км. Они подтвердили наличие газовых и газоконденсатных месторождений, что определило большой экономический эффект применения ядерных взрывов в этих целях.
Подземные ядерные взрывы на выброс по сравнению с ка-муфлетными взрывами сложнее по обеспечению радиационной безопасности. Исследование вопросов применения ядерных взрывов на выброс показало техническую возможность и экономическую целесообразность их использования для создания водоемов. Только для засушливых районов Казахстана требовалось создать до 40 водоемов общим объемом до 120—140 млн м3, плотин для энергетики и орошения, каналов для переброски части стока крупных северных рек на юг в целях восстановления уровня и предотвращения засоления Каспийского, Аральского и Азовского морей. Для аккумуляции весенних стоков в долинах рек оказалось возможным создать емкости в виде глубоких воронок, способных принимать до 3—5 млн м3 воды.
С учетом особенностей применения ядерных взрывов запроектирован взрыв с выбросом грунта на реке Чаган в Семипалатинской области. Основным элементом водоема являлась глубокая воронка, которая создавалась с помощью ядерного взрыва на выброс. В образованном взрывом навале затем прокладывался канал, соединявший русло реки с воронкой. Взрыв был проведен в 1965 г. Породы навала перекрыли реку, образовав взрывонабросную плотину. Внешний водоем использовался для разведения рыб и водопоя скота.
В 1968 г. на Семипалатинском полигоне был проведен промышленный взрыв «Телькем», целью которого было изучение экскавационного действия ядерного взрыва в целях прокладки канала. В результате взрыва образовалась выемка в виде траншеи длиной 140 м, шириной 60—70 м и глубиной 16 м.
Работы по созданию траншейной выемки в условиях заболоченной местности проводились в Пермской области на трассе Печоро-Колвинского канала. Необходимость строительства такого канала обусловливалась значительным понижением уровня Каспийского моря (с 1935 по 1970 г. — на 2,5 м). Экскавационные ядерные взрывы были экономически оправданными, если мощность одиночного заряда превышала 10 кт.
Выход радиоактивных продуктов подземного ядерного заряда наружного действия в атмосферу пытались снизить, предотвращая раскрытие «купола» во время взрыва. Первый путь — заложение заряда на склоне горы в каньоне, когда порода скатывается по склону и образует плотину, или же на ровной поверхности при помощи взрыва на вспучивание, когда нерас-крывшийся купол горных пород после падения образует навал за счет разрыхления пород. В этих целях в 1974 г. был проведен взрыв «Лазурит» в урочище Муржик Семипалатинского полигона на склоне крутизной 20°. Взрыв «Кристалл» был проведен в 1974 г. в Мирнинском районе Республики Саха (Якутия) с целью создания плотины хвостохранилища обогатительной фабрики.
Второй путь — получение провальных воронок, для чего взрывы проводят на определенной приведенной глубине в слабых осадочных породах. На полуострове Мангышлак в 1969 — 1970 гг. проведено три взрыва. Провальная воронка при взрыве в скважине 2-Т имела глубину 13,8 м и радиус 150 м, а при взрыве в скважине 6-Т — глубину 12,8 м и радиус 250 м.
В 1965 г. впервые в мировой практике были осуществлены опытно-промышленные работы с применением ПЯВ в условиях действующего промысла на Грачевском нефтяном месторождении в Башкирии. Здесь были проведены три взрыва небольшой мощности (от 2,3 до 8,0 кт). Результаты опытных работ:
• испытаны специальные ядерные изделия, отработаны техника и технология их спуска и подъема в глубоких стандартных скважинах;
• определены критерии и доказана возможность безопасного проведения ПЯВ в условиях действующего нефтяного промысла;
• выход нефти для стимулированных взрывом скважин увеличен в 1,5—2,0 раза.
Ядерные взрывы используют при тушении неуправляемых аварийных газовых фонтанов. Суть метода в том, что в результате механического действия взрыва заряда, размещенного в наклонной к аварийному стволу скважине, происходит смещение массива пород, достаточное для полного перекрытия ствола скважины. На Урта-Булакском газовом месторождении Узбекистана был вскрыт газовый пласт с аномальным давлением в 300 атм. В 1963 г. при бурении произошел аварийный выброс газа с сероводородом. В течение трех лет фонтан пытались ликвидировать известными способами, для чего были пробурены три глубокие скважины. Аварийный выход скважины превышал 12 млн м3 газа в сутки, чего достаточно для снабжения такого города, как Санкт-Петербург. Взрыв был осуществлен 30 сентября 1966 г. Выход газа из аварийной скважины прекратился через 22—23 с после взрыва.
Способы строительства резервуаров не удовлетворяют спроса на емкости высокого давления. Строительство наземных стальных резервуаров требует большого количества металла, отвода площадей и дорогостоящих мероприятий по обеспечению безопасности. Традиционный шахтный способ создания подземных емкостей требует значительных капитальных затрат и времени. Для оптимизации строительной технологии в 1966 г. на площадке Азгир соляного месторождения на глубине 161 м был взорван заряд мощностью в 1,1 кт. Второй взрыв с энерговыделением 27 кт был произведен там же в 1968 г. на глубине 590 м. Образовалась полость объемом 150000 м3, которая до настоящего времени не обрушилась. Эксперимент представляет собой важный шаг в направлении строительства подземных полостей для хранения природного газа и газоконденсата.
Первый промышленный взрыв с целью получения опытной емкости был проведен на месторождении «Совхозное» Оренбургской области в 1970 г. Полость объемом 11000 м3 была создана на глубине 702 м в массиве каменной соли. С 1970 по 1984 г. на трех крупнейших газоконденсатных месторождениях страны — Оренбургском, Астраханском, Карачаганакском с суммарной добычей газа свыше 60 миллиардов кубических метров в год, газоконденсата — 8,6 млн т/год и серы — 5,3 млн т/год — с использованием ядерных взрывов было сооружено три крупных парка подземных резервуаров.
Подземный ядерный взрыв использован для захоронения биологически вредных промышленных стоков в глубокозалегаю-щие геологические формации. Этим увеличивают площадь зоны фильтрации, что увеличивает производительность скважин, по которым сточные воды закачивались глубоко в недра. Полость взрыва и столб обрушения вместе с зоной трещиноватости являются той зоной фильтрации, через которую поступают промышленные стоки. На Стерлитамакском содовоцементном комбинате объем сточных вод составлял примерно 60 000 м3/сут. Для их ликвидации в 1973 г. использован ядерный взрыв на объекте «Кама», а с 1976 г. введен в эксплуатацию полигон подземного захоронения биологически вредных промышленных стоков. За четырнадцатилетний период в глубокозалегающие изолированные горизонты закачано более 20 млн м3 стоков с общим содержанием свыше 1000 т взвешенных твердых частиц. Промышленные стоки содержали смолистые вещества, обладали высокой токсичностью и не поддавались известным способам очистки. Захоронение их традиционными методами исключалось.
Геологическое строение больших территорий Российской Федерации благоприятно для применения ядерных взрывов при сооружении горных объектов при глубинах 1000—2000 м. Это относится к значительной территории европейской части и многим районам Сибири.