9 ноября 2009

Опыт изыскательских и проектных работ при рекультивации территорий, нарушенных в результате добычи и переработки урановых руд

Отличительной особенностью предприятий по добыче и переработке урановых руд является неизбежное загрязнение окружающей среды твердыми, жидкими и газообразными отходами.

Данные отходы – наиболее объемные в ядерном топливном цикле, и, несмотря на их сравнительно низкую активность, вносят существенный вклад в формирование радиационно-опасных факторов для населения и окружающей среды в зоне расположения предприятий.

Повышенное радиационное воздействие на население объясняется, в основном, доступностью попадания людей на загрязненные территории, их несанкционированном использованием под сельское земледелие, возможностью выпаса скота, бесконтрольным применением местных строительных материалов.

ВНИПИпромтехнологии: исследования хвостохранилищ

В период существования Минсредмаша СССР и его преемника Минатома СССР на всех предприятиях атомной отрасли имелись службы, контролирующие состояние окружающей среды, радиационную обстановку, велся геохимический контроль состояния гидротехнических сооружений и горных объектов.

В составе ВНИПИпромтехнологии – головного института министерства по реабилитации загрязненных радионуклидами территорий – работала специальная научно-исследовательская лаборатория по разработке технологий возведения хвостохранилищ и контроля их состояния.

Проведенные более чем за 30 лет работы ставили своей целью отработать технологию для эксплуатационного периода. Вопросы рекультивации территорий уранодобывающих объектов, включая земли, занятые хвостохранилищами, в этот период детально не рассматривались.

Исследованиями были охвачены все девять существовавших в Советском Союзе уранодобывающих комбинатов, расположенных на территории шести республик – в настоящее время самостоятельных государств. Кроме того, в институте собраны отчетные данные служб эксплуатационного мониторинга по всем предприятиям уранодобывающей отрасли СССР. Анализ данных материалов позволил найти в них некоторые закономерности, характерные для послеэксплуатационного периода.

Основными задачами исследований, проведенных уже после 2005 года, являются:
– оценка выведенного из эксплуатации уранодобывающего предприятия как объекта повышенной опасности с точки зрения радиационных экологических воздействий и как источника возникновения опасных техноприродных процессов (ОТП);
– выявление и описание закономерностей, характеризующих реабилитируемый объект на момент вывода его из эксплуатации;
– разработка методики постконсервационной оценки выполненных рекультивационных работ с проведением экономической оценки их эффективности.

Постконсервационная оценка заключается в расчете потенциальных долговременных воздействий реабилитированных объектов на человека и окружающую среду. С точки зрения радиационной и экологической опасности наиболее опасными среди реабилитируемых объектов являются хвостохранилища. В постконсервационный период самым важным фактором, определяющим надежность технических решений по реабилитации (консервации) хвостохранилищ, можно назвать знание физико-механических характеристик хвостовых отложений на момент работы и прогнозирование их измерений на длительный период.

Влажностный режим в толще хвостовых отложений

Проведенная систематизация всех результатов эксплуатационных наблюдений показывает необходимость разных подходов для объектов аридной зоны и зоны континентально и резко-континентального климата.

К объектам, расположенным на аридных территориях, должен предъявляться особый подход.

Согласно установленной ЮНЕСКО в 1997 году степени аридности территорий, в аридную зону выделяются четыре биоклиматических зоны:
1. Экстрааридная зона. Годовая норма осадков – менее 100 мм;
2. Аридная зона. Годовая сумма осадков – 100-200 мм. Индекс аридности – <0,03.
3. Семиаридная зона. Годовая сумма осадков – 200-400 мм. Индекс аридности – 0,2-0,5.
4. Зона недостаточного увлажнения. Годовая сумма осадков – 400-800 мм. Индекс аридности – 0,5-0,75.

По данной классификации часть уранодобывающих предприятий бывшего СССР находится в аридной, семиаридной зоне и зоне недостаточного увлажнения. Такими являются все объекты, находящиеся на территории Киргизии, Узбекистана, Таджикистана, частично Казахстана. В России – Степное РУ в Калмыкии, НПО «Алмаз» на территории Кавказских Минеральных вод (город Лермонтов), ОАО «ППГХО» (поселок Краснокаменский Читинской области).

Основное отличие аридной зоны от зон континентального и резкоконтинентального климата применительно к хвостохранилищам – особый влажностный режим в толще хвостовых отложений. Если не учитывать данный фактор, в теле хвостохранилища возможно формирование линзы воды. Согласно проведенным исследованиям, механизм этого процесса в какой-то степени, соответствует режимам питания грунтовых вод пустыни через зону аэрации. Анализ данного механизма показывает, что за очень длительный период в теле хвостов возможно образование водонасыщенной зоны, отрезанной от поверхности слоем мульчи, препятствующим испарительным процессам.

Имеющиеся фактические данные зависимости влажности хвостовых отложений от крупности частиц, плотности, срока стабилизации позволили создать методику длительного прогнозирования влажностного режима. По данным таких прогнозов должны быть приняты технические решения, исключающие выход кривой депрессии на низовой откос намывного хвостохранилища.
Одним из решений, рекомендуемых к применению, является создание способом горизонтального бурения дрены, через которую будет разгружена водонасыщенная зона. Место зоны устанавливается прогнозными расчетами и контролируется инженерными изысканиями.

Методика исследования хвостового материала

Имеющаяся база данных по всем объектам исследований позволяет создать атлас физико-механических характеристик хвостовых материалов с внедрением упрощенной методики их опробования перед проведением рекультивационных работ. По среднеазиатскому региону такая работа частично выполнена.

В настоящее время при исследовании грунтов используется сочетание лабораторных и полевых методов определения их прочностных характеристик. Однако, как лабораторные определения прочностных свойств по образцам, отобранным в скважинах и шурфах, так и полевые испытания штампами и плоскостными срезами в грунтах, исследование крыльчаткой в скважинах, позволяют получить характеристику грунтов с перерывами по глубине. В первом случае это объясняется невозможностью отобрать образцы ненарушенной структуры непрерывно по всей глубине, во втором – сложностью и длительностью измерений.

Отбор проб ненарушенной структуры в толще хвостовых отложений уранового производства требует организации сложной крепи и принудительной вентиляции шурфа. При отсутствии вентиляции обеспечить безопасность персонала, выполняющего отбор проб, практически невозможно. Наряду с повышенным содержанием радона в шурфе, в его атмосфере возможно, в зависимости от технологической схемы, наличие паров различных реагентов.

Данных недостатков позволяет избежать широко применяемый в опробовании природных грунтов способ динамического зондирования. Принципиальной особенностью этого метода является возможность непрерывного погружения зонда и наличие определенной зависимости между сопротивлением грунтов зондированию и их физико-механическими свойствами.
При опробовании хвостовых отложений гидрометаллургических заводов (ГМЗ) данный способ не нашел широкого распространения. Такие отложения, являясь продуктом дробления и химической обработки руд, отличаются от природных намывных грунтов; на них не может быть распространена взаимосвязь между сопротивляемостью зондированию и физико-механическими свойствами, установленная для естественных грунтов.

На хвостохранилище Карабалтинского ГМЗ (Киргизия) выполнялись специальные полевые работы, в ходе которых параллельно с динамическим зондированием установкой УБП-15 проводился отбор проб из шурфов. Динамическое зондирование производилось без разбуривания скважин; точки зондирования были расположены на расстоянии 1-1,5 м от шурфов. Пробы ненарушенной структуры отбирались режущим цилиндром объемом 140 см3 через каждый метр при глубине шурфов до 4 м.

Результаты определений физико-механических свойств на контрольном створе приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Обобщенные показатели физико-механических свойств хвостов на участке зондирования(нажмите, чтобы посмотреть)

Статистическая обработка результатов динамического зондирования и соответствующих им показателей позволили выявить наличие прямой и тесной связи между результатами зондирования и характеристиками хвостовых отложений.

Данная связь представлена следующими уравнениями регрессии с коэффициентами корреляции Р и среднеквадратичной ошибкой σп:


где
– плотность сухих хвостов;
– тангенс угла внутреннего трения;
Рq – условное динамическое сопротивление, кгс/см2.

Анализ данных величин условного динамического сопротивления по глубине залегания хвостового материала с режимом заполнения во времени позволил установить изменение условного динамического сопротивления во времени (Таблица 2).

Таблица 2. Изменение условного динамического сопротивления во времени
Таблица 2. Изменение условного динамического сопротивления во времени

Согласно полученным обобщенным данным, эти показатели с некоторым допущением описываются выражением:

где: Т – время, год;
Pq – начальное динамическое сопротивление, соответствующее первому году складирования хвостового материала.

График изменения условного динамического сопротивления во времени приведен на рисунке 1.

График изменения условного динамического сопротивления во времени
Рис. 1. График изменения условного динамического сопротивления во времени

На хвостохранилище Туюк-Су (Киргизия) в 1969 году проведены инженерные изыскания по установлению инженерно-геологических характеристик намывных хвостов. Их целью являлось получение расчетных характеристик для реконструкции хвостохранилища.

Сравнение результатов 1969 года с результатами 2008 года позволили расширить границы зависимости во временном периоде.

Проект реабилитации бывшего предприятия «Алмаз»

Приведенную выше методику инженерных изысканий планируется применить в работах на бывшем производственном объединении «Алмаз», где ситуация рассматривается как требующая незамедлительных работ по реабилитации.

На данном объекте реализуется пилотный проект для выполнения комплексной программы по реабилитации территорий и технологических объектов России, загрязненных в результате работ по добыче и переработке урановых руд.

Предприятие расположено в курортной зоне Кавказских Минеральных Вод, в районе города Лермонтова (на 130 км юго-восточнее Ставрополя).

Технологический процесс был представлен подземными рудниками Бештау, Бык и гидрометаллругическим заводом по переработке урановой руды и получению закиси-окиси урана. Для размещения отходов гидрометаллургического производства (хвостовых материалов) в нескольких километрах от ГМЗ создано хвостохранилище.

Эксплуатация рудника № 1 (Бештау) была прекращена в 1975 году, рудника № 2 (Бык) – в 1989 году. ГМЗ прекратил переработку урановых руд в 1991 году, произвел демонтаж оборудования и дезактивацию основного здания уранового производства и был переориентирован на переработку апатитового сырья.

Отходы данного производства (фосфогипс) складируются поверх хвостов переработки урановых руд. Проведенные исследования показали, что фосфогипс является материалом, предотвращающим выход радона; создаваемый экран обеспечивает нормативные показатели по содержаниям дочерних продуктов распада радона.

Учитывая особую значимость района Кавказских Минеральных Вод, выделенных Указом Президента РФ от 27 марта 1992 года № 309 в «Особо охраняемый эколого-курортный регион Российской Федерации», и в целях эффективного использования европейского опыта, полученного в результате работ с урановыми отходами в государствах Евросоюза Правительство России обратилось в ЕС с просьбой оказать содействие в частичном финансировании комплекса работ по рекультивации объектов уранового производства в районе города Лермонтова.

В рамках программы ЕС консорциумом в составе: ВИСМУТ ГмбХ г. Хемниц, ВИЗУТЕК1 ГмбХ (г. Хемниц), С&Е ГмбХ (г. Хемниц), Г.Е.О.С. ГмБХ. (г. Фрайберг) совместно с ОАО «Атомредметзолото» (г. Москва), ОАО «ВНИПИпромтехнологии» (г. Москва), ГМЗ (г. Лермонтов) разработана «Концепция по рекультивации урановых рудников на бывшем государственном предприятии «Алмаз» в г. Лермонтов, Россия» (EUROPAID/116483/C/SV/RU).

В рамках этой работы:

  • создан банк данных с применением современных компьютерных технологий;
  • установлена необходимость проведения рекультивационных работ и пределы необходимой защиты;
  • определены с укрупненной экономической оценкой варианты реабилитации четырех комплексов (рудник Бештау, рудник Бык, перерабатывающий завод, хвостохранилище ГМЗ)
  • учтены социальные аспекты развития курортного региона, пожелания жителей города Лермонтова и местной администрации.

В результате работ гарантируется подача радоновых вод на курорты города Пятигорска, обеспечивается радиационно-экологическая безопасность жителей и рекреационных зон города Лермонтова.

На следующем этапе планируется практическая реализация проекта, включающая разработку и пообъектное выполнение рабочих проектов.

В настоящее время разработан график выполнения проектов, предусматривающий:
– проведение топографической съемки, гидрологических изысканий, оценки состояния инспекторских автомобильных дорог на площадках рудника № 1 и рудника № 2 (выполнено);
– радиационно-экологическая съемка на указанных выше объектах (выполнено);
– изыскательские работы на площадках ГМЗ и хвостохранилища, разработка технологии и проектной документации по установкам очистки шахтных вод рудников №1 и №2 (I-III кварталы 2009 года);
– разработка проектной документации, позволяющей приступить к выполнению строительно-монтажных работ на рудниках в I квартале 2010 года.

При разработке рабочего проекта рекультивации хвостохранилища потребуется значительный объем дополнительных данных, характеризующих физико-механические характеристики отложений. Их предполагается получить, используя технологию упрощенного опробования хвостовых отложений способом динамического зондирования с применением тарировочных зависимостей, полученных при испытаниях на хвостохранилищах отрасли.

***
Исследования показывают, что существующая нормативная база не отвечает особенностям уранодобывающей отрасли. Это отмечается и в рекомендациях МАГАТЭ для постэксплуационной стадии. Оценки должны проводиться комплексно, как по горнотехническому признаку опасности, так и по радиационному, с учетом их взаимовлияния в прогнозном периоде.

Предполагается разработать самостоятельную инструкцию, регламентирующую разработку раздела «Оценка воздействия на окружающую среду в проектах разведки, добычи и переработки урановых и ториевых руд», в том числе в проектах ликвидации наследия прошлой деятельности Минатома. Разработчики – ОАО «ВНИПИпромтехнологи», ОАО «ВНИИИХТ», ФГУП «ВИМС».

В связи с тенденцией привлечения для работ в уранодобывающей отрасли иностранных инвесторов, участием России в совместных проектах за рубежом, отсутствием международного документа, регламентирующего разработку природоохранных мероприятий и экологический аудит в уранодобывающей отрасли, предлагается подготовить обращение в технический комитет Всемирного Банка с инициативой дополнить предложениями специалистов России Технический документ Банка № 154.