ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ УГЛЕВОДОРОДОВ В КАМЕННОЙ СОЛИ СПОСОБОМ ЗАМОРАЖИВАНИЯ

Есенаманова М., Наукеев Н., Есенаманова Ж., Абуова А., Бектемиров Д.

Негативный эффект на окружающую среду при строительстве выработок способом замораживания заключается в том, что массив горных пород, вмещающий подземный объект, претерпевает резкое изменение первоначальных физико-механических свойств. Основную экологическую опасность при строительстве этим методом представляет возможность загрязнения окружающей среды случайным попаданием в нее химически активного хладоносителя.

Породы, подвергшиеся замораживанию, становятся многофазными образованиями, состоящими из твердых минеральных частиц, вязкопластичных включений льда, жидкой фазы из незамерзшей воды и газообразных компонентов пара и газов. Каждый из компонентов определяет свойства замороженных пород и их поведение во время процесса «замораживание-оттаивание». Льду, как основной составляющей этого многофазного образования, присуща ярко выраженная анизотропия, т.е. он обладает вязкопластичными деформационными свойствами в направлении, перпендикулярном к главной оптической оси, и способен к хрупкому разрушению при упругих деформациях.

В природных условиях происходит постоянное колебание термодинамических показателей, поэтому свойства ледопородного ограждения способны изменяться, что предопределяет нарушения в сложившейся экологической обстановке.

В зависимости от соотношения скорости промерзания и скорости фильтрации воды, заключенной в порах породы, миграция воды может происходить или к фронту промерзания, или в обратном направлении. Это может стать причиной пучения пород. Напряжения и деформации в замороженных породах возникают под действием внешней нагрузки и не остаются постоянными с течением времени. Нестабильность механических свойств мерзлых пород обусловливается тепломассообменными процессами, возникающими при замораживании пород в процессе строительства и их постепенном оттаивании по завершении строительных работ и пуске объекта в эксплуатацию. Таким образом, при определенных условиях может иметь место сначала процесс охлаждения пород в период их замораживания, который затем сменяется постепенным нагреванием пород. Охлаждение (нагревание) массива распространяется на все новые слои горных пород при непрерывном охлаждении (нагревании) пластов, которые были охвачены им ранее. В результате вокруг выработки образуется охлажденная (прогретая) зона, в пределах которой температура ниже (выше), чем за ее пределами. Размеры зоны зависят от разности температур неохлажденных и охлажденных пород, времени охлаждения (нагревания) массива, теплофизических констант пород и размеров строящегося объекта, Некоторые фазовые переходы особенно в процессе последующего оттаивания при пуске подземного сооружения в эксплуатацию могут вызывать скачкообразоное изменение механических параметров породы. В результате термонапряженное состояние в массиве горных пород вокруг выработки может измениться.

Так как замораживание пород основано на эффекте электроосмоса, оно представляет опасность для строительства в тонкодисперсных (тонкозернистые пески, глины и т.п.) грунтах при миграции влаги, интенсивность которой зависит от скорости замораживания. Чем более дисперсны породы, тем больше воды (иногда до 50%) остается в незамерзшем состоянии при отрицательной температуре замораживания (-20 ... -30 °С). Это таит в себе опасность серьезных последствий оседания земной поверхности и резкого сдвижения или разрушения замороженного массива. Пары воды в замороженных породах могут играть в ряде случаев существенную роль: перемещение их от мест с большей устойчивостью к местам с меньшей устойчивостью в водонасыщенных грунтах может явиться основной причиной перераспределения влажности в процессе замораживания и оттаивания горных пород. Недостаточный учет реологических свойств окружающей среды при проектировании приводит к негативным проявлениям в процессе замораживания. Сопротивление мерзлых пород нагрузке определяется в первую очередь продолжительностью действия нагрузки. Значительное снижение сопротивления мерзлых пород во времени связано с вязким течением пленок незамерзающей воды, что особенно сказывается в области фазовых переходов. Скорость пластического течения мерзлых пород в известных пределах пропорциональна избытку напряжений. Эти факторы обусловливают нестабильность механических свойств замороженных пород, что при неправильном проведении работ может явиться причиной аварии. Поэтому при проектировании и ведении строительных работ очень важно учитывать: реологические свойства пород, геологические данные о структуре массива грунтов; статический напор воды по каждому водоносному горизонту; коэффициенты фильтрации и скорости фильтрационных потоков; физико-механические и теплофизические свойства грунтов; удельный вес, пористость, влажность, гранулометрический состав, начальную температуру грунтов.

Замораживание глинистых грунтов, значительное увеличение их объема может вызвать их пучение, что при мелком заложении подземного сооружения может явиться причиной неравномерного подъема земной поверхности и деформации наземных зданий. В результате оттаивания мерзлотной завесы могут произойти осадки земной поверхности и образование мульды оседания. Это также необходимо учитывать при проектировании, строительстве, эксплуатации и выборе мероприятия инженерной защиты окружающей среды от отрицательного влияния подземного строительства.

Негативные изменения свойств пород и состояния земной поверхности при замораживании не являются характерными для этого способа экологическим эффектом и могут проявиться лишь при определенном стечении горно-геологических, технологических, гидрогеологических и других условий. Основную экологическую опасность представляют катастрофические утечки хладагентов из морозильных машин, расположенных на поверхности на стройплощадке.

Известно, что в качестве основных хладагентов при создании ледо-породных заграждений применяют аммиак и фреон. Аммиак токсичен и горюч, при содержании его в воздухе свыше 1 % может наступить отравление, а при 13,1—26,8% при наличии открытого источника огня возможен взрыв с образованием отравляющего вещества фосгена. В первую очередь аммиак оказывает разрушающее воздействие на основной элемент окружающей среды — человека. Учитывая, что аммиак тяжелее воздуха, интенсивные утечки его могут вызвать вытеснение кислорода из воздуха рабочей зоны, что грозит удушением и потерей сознания рабочими. Предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе рабочих помещений не должна превышать 0,02 мг/л. Поэтому машинное отделение обязательно оборудуется механической приточной вентиляцией и аварийной вытяжной вентиляцией.

Фреон еще более коварен: обладая такими же физиологически вредными свойствами, но не имея запаха, он способен, вследствие утечки, оказать скрытое воздействие как на человека, так и на окружающую среду.

 Фреон чрезвычайно текуч, обладает наркотическими свойствами и способен проникать через мельчайшие неплотности. При этом очень трудно обнаружить его утечку. Фреон в атмосфере разрушается ультрафиолетовыми лучами, выделяющийся при этом хлор реагирует с озоном, каталитически разлагая его. Объемы замораживания в мировой практике не настолько велики, чтобы вызвать какие-либо серьезные последствия для воздушного слоя атмосферы, однако, так как проблема «парникового эффекта», связанная с попаданием в верхний слой атмосферы фреонов, в настоящее время стоит очень остро, то необходимо исключать дополнительное поступление его в атмосферу за счет утечек из хладоновых машин.

В настоящее время наибольшее распространение в качестве хладоносителя получил водный раствор хлористого кальция СаС1₂. Однако водные рассолы солей необычайно агрессивны к ледопородным ограждениям и в случае утечек из колонок приводят к разрушению ранее созданного ледопородного ограждения и прорыву воды через ограждение. Прорывы воды в выработку, как было рассмотрено нами ранее, представляют значительный экологический риск как для работающих, так и для искусственной экосистемы «подземное сооружение — массив горных пород — окружающая среда». При низких температурах хладоносителями могут служить метиленхлорид СН₂С₁₂, трихлорэтилен С₂НС₁₃, монофтортрихлорметан CFCI₃, ацетон, этиловый спирт С2Н5ОН и т.п. Специальными хладоносителями ограниченного применения могут служить различные фракции перегонки нефти, синтетические масла, силиконовые жидкости, сахаристые растворы. Попадание этих веществ в поверхностные или грунтовые воды способствует серьезному химическому загрязнению гидросферы и почвенного покрова. Необходимо учитывать, что предельные углеводороды, содержащиеся в нефтепродуктах, соприкасаясь с водой в организме человека, образуют монокристаллы, которые обладают наркотическим действием на человека. При длительном воздействии паров нефтепродуктов в сочетании с сероводородом на обслуживающий персонал развиваются симптомы хронической интоксикации, могут происходить органические изменения в мозговой и сердечно-сосудистой системах, что оказывает влияние на надежность и безопасность строительных работ и повышает опасность травматизма рабочих. Попадание таких веществ в организм человека через зараженные воду или воздух в результате катастрофических утечек невелико, однако даже микроконцентрации при длительном воздействии могут вызвать у человека рефлекторные изменения световой чувствительности глаза, электрической активности мозга, состава крови. Поэтому осуществляют строгий контроль за тем, чтобы не происходило утечек хладоносителя в стыковых соединениях колонок с коллектором и распределителем, а также наблюдают за исправностью форшахты, теплоизоляции и рассолопроводов. На холодильных установках, работающих с вредным холодильным агентом, в качестве меры индивидуальной защиты рабочих применяют поглотительные противогазы, резиновые и кожаные перчатки, аптечки.

 Известны случаи применения керосина в качестве хладагента, однако, с точки зрения экологии, керосин представляет серьезную угрозу по пожароопасности и при наличии открытого пламени дает вспышку с температурой 30-40 °С. Большой коэффициент расширения керосина обусловливает применение для его содержания особой конструкции контейнера с расширительной емкостью на случай продолжительной остановки замораживающей станции.

При замораживании в принудительно-естественной незамкнутой циркуляции парожидкого хладоносителя в качестве хладагента обычно применяют жидкий азот N₂. Жидкий азот является низкотемпературным веществом, поэтому во избежание попадания его на незакрытые участки тела рабочих и ожогов работы по замораживанию производят в заправленных под рукава брезентовых, суконных или кожаных перчатках и защитных очках с боковыми щитками, в наглухо закрытой верхней одежде. При содержании жидкого азота в контейнерах необходимо поддерживать давление не более 1,2 МПа во избежание их разрыва и разлета осколков тары. Поэтому контейнеры оснащают предохранительными клапанами, или мембранами, или открытым отверстием, размер которого должен обеспечивать выход газа без возрастания давления в емкости выше рабочего. С этой же целью в процессе замораживания слив жидкого азота в замораживающие колонки осуществляют через воронку, обеспечивающую свободный выход газа из колонок.

Катастрофические утечки хладагента могут возникнуть в случае несоблюдения установленной технологии производства работ, при возникновении больших температурных напряжений в системе трубопроводов и возможных разрывов в сети вследствие сжатия металла при низких температурах. Поэтому необходимо строго следить за тем, чтобы температура хладоносителя понижалась постепенно.

Выводы

Так как массив горных пород и подземное сооружение представляют собой неразрывно связанные друг с другом элементы одной искусственной экосистемы, то невозможно учитывать лишь отдельное влияние подземных объектов на вмещающий их массив или, наоборот, воздействие параметров породного массива на сооружение. Нельзя также рассматривать воздействие одной из групп вредностей на какой-то конкретный элемент окружающей среды при подземном строительстве. Нарушения, как правило, носят комплексный характер, хотя большинство их воздействует на массив горных пород и подземные воды. Поэтому инженерная защита окружающей среды от негативного воздействия подземного строительства при создании ледогрунтового ограждения должна базироваться на комплексе мероприятий, учитывающих как отдельные технологические приемы, так и свойства пород как естественного защитного экрана.

Список литературы

1. Экология, охрана природы и экологическая безопасность: Учеб. пособие для вузов / Под общ. ред. В.И. Данилова-Данильяна. — М.: МНЭПУ, 1997.

2. Умнов А.Е. Охрана природы и недр в горной промышленности. — М.: Недра, 1987.

3. Правила обустройства и безопасной эксплуатации подземных хранилищ природного газа в отложениях каменной соли. ПБ-08-83-85. — М.: ИРЦ «Газпром», 1995.