Ядерные взрывные работы при подземной разработке полезных ископаемых

Ядерные взрывы при подземной отбойке руд с максимальной эффективностью можно применить при системах разработки с массовым обрушением. В этом случае образуется труба обрушения, которая будет заполнена раздробленной рудой. Выпуск раздробленной руды из трубы обрушения приводит к пополнению ее запасов, т.к. происходит самообрушение зоны интенсивной трещиноватости.

Как в нашей стране, так и в США были проведены экспери­ментальные ядерные взрывы в промышленности, которые показа­ли, что при разрушении значительных объемов горной массы при­менение ядерных взрывов более экономично, чем проведение взрывных работ с помощью обычных химических ВВ. Однако ядерные взрывы требуют применения чрезвычайных мер безопас­ности, обеспечивающих нераспространение радиоактивных про­дуктов. Это могут быть специальные оболочки термоядерных заря­дов, поглощающие потоки нейтронов; специальные условия взры­вания на такой глубине и в таких горно-геологических условиях, при которых радиоактивные продукты распада не достигают по­верхности земли и не заражают поверхностные воды. Есть перспек­тивы применения таких взрывов при взрывных работах на вспучивание, при тушении крупных пожаров на нефтегазопромыслах, при использовании таких геотехнологических методов разработки ме­сторождений, как газификация, расплавление, растворение, выще­лачивание, возгонка; для вскрытия и массовой отбойки руд на крупных рудниках.

Каждый ядерный взрыв требует специального проектирова­ния, учитывающего физическое и механическое действие взрыва и окружающей среде (плавление, дробление, трещинообразова-пие, технологию размещения и доставки заряда, проведение под­готовительных выработок, сейсмическое и радиационное воздей­ствия, экономичность взрывания и т. п.). Стоимость ядерного шряда возрастает менее интенсивно при увеличении мощности заряда.

Физическое и механическое действия ядерного взрыва в горных породах. При ядерном взрыве в породе выделяют четыре фазы (рис. 11.16). Первые две фазы действия взрыва аналогичны взрыву ядерного заряда наружного действия. Основная часть энергии унарной взрывной волны поглощается породой в зоне взрыва в виде тепловой и механической энергии. Часть общей энергии (от молей процента до нескольких процентов) идет на сейсмические колебания.

В конце второй фазы (300 мс) за ударной волной происходит расширение газового пузыря, сопровождающееся падением температуры, давления, дальнейшее расплавление породы. Сферическая полость расширяется до тех пор, пока давление в ней не станет равным давлению пород на данной глубине. При взрыве ядерного заряда мощностью 100 т на глубине 50 м, причем внутренняя поверхность полости покрыта слоем расплавленной породы с температурой, которая равна тысячам градусов Цельсия.

Третья фаза начинается с момента выравнивания давления в полости и длится от нескольких секунд до нескольких часов (в зависимости от свойств пород). Расплавленная порода стекает с кровли вниз, унося с собой 55…58% радиоактивных изотопов, скапливается в ее основании и затвердевает в виде стекловидного труднорастворимого материала. Трещины в кровле и стенках полости при падении давления приводят к нарушению статического равновесия.

Наступает четвертая фаза, во время которой происходит обрушение налегающих пород. Образованная полость является компенсационным пространством. Происходит обрушение породы до заполнения компенсационного пространства.

Зона обрушения в плотных породах имеет форму вертикальной трубы. Формирование трубообразной зоны обрушения может длиться до нескольких месяцев в зависимости от свойств пород.

Коэффициент разрыхления обрушенной породы составляет 1,3…1,35. В рыхлых породах плотностью, близкой плотности обрушенного в полость материала, эта зона может достигнуть поверхности, образуя на ней провальную воронку.

При проектировании ядерных взрывов необходимо рассчитывать радиус полости, высоту трубы разрушения, объем породы, раздробленной взрывом и заполняющей трубу обрушению, размеры зоны трещиноватости.

Параметры полости трубы разрушения зависят от мощности заряда, глубины его заложения и свойств пород.

Радиус полости определяют по формуле:

,

Где с – константа, зависящая от типа породы (для гранита с = 60, наносов с = 66, туфа с = 78);

- плотность породы, кг/м³;

h – мощность покрывающих пород, м.

h ,

где W – л.н.с.,м;

,

Высоту трубы можно определить и по следующей формуле:

,

где - коэффициент зависящий от свойства породы (для доломита для туфа

Зона раздробленных пород = 1,4

Зона трещиноватости = (3…4) .

В некоторых породах, таких, как каменная соль, трубы обрушения не образуется.

Ядерные взрывы при подземной разработке полезных ископаемых.

Ядерные взрывы при подземной отбойке руд с максимальной эффективностью можно применять при системах разработки с массовым обрушением. В этом случае образуется труба обрушения, которая будет заполнена рудой. Выпуск раздробленной руды из трубы обрушения приводит к пополнению ее запасов, так как происходит самообрушение зоны интенсивной трещиноватости.

Элементы и параметры системы разработки выбирают на основе горно-геологических условий и параметров механического действия ядерного взрыва.

Варианты технологических ядерных взрывов могут быть различными:

· заряды располагают через определенные расстояния, взрывают последовательно;

· разбивают рудное тело на секции и в каждой секции устанавливают группу зарядов.

Вопросы безопасности проведения ядерных взрывов

При проведении ядерных взрывов наибольшую опасность представляют следующие факторы:

- радиоактивное заражение атмосферы, наземных и подземных вод;

- интенсивные сейсмические колебания;

- воздушная ударная волна.

Радиоактивность возникает в результате деления тяжелых ядер, образующих радиоактивные изотопы, и реакции синтеза легких ядер производящей ³H и ⁷Be.

Взаимодействие нейтронов, образующихся при взрыве, с материалом ядерного устройства, создает наведенную активность с образованием ²⁰³Pb, ⁵⁹Fe, ⁵⁵Fe, а при взаимодействии с породами - ²⁴Na.

Максимальная доза облучения человека в СНГ равна 100 мР в неделю или 2,8 мР/ч. В США установлены другие нормы. По этим нормам каждый человек не должен получить в течение года дозу сверхдопустимого предела.

Для снижения уровня радиации применяют так называемые «чистые» ядерные устройства, в которых на 95…99% используется реакция синтеза (термоядерные реакции) и только 1…5% - реакции деления. В качестве оболочек ядерных зарядов целесообразно использовать материалы, содержащие нейтронные отражатели для поглощения выделяющихся при ядерном взрыве нейтронов.

При взрывах в карбонатных породах рекомендуется футеровать поверхность зарядной камеры кварцевым песком для улавливания радиоактивных продуктов деления стекловидным расплавом.

Большое значение имеет фактор времени, позволяющий естественным путем уменьшить степень радиоактивности.

Заряды необходимо закладывать на глубине, обеспечивающей максимально закладывать на глубине, обеспечивающей максимально возможное захоронение радиоактивных продуктов под землей при данных условиях полезной работы взрывов. Многие специалисты считают, что заражение атмосферы радиоактивными частицами от подземных взрывов незначительно.

Сейсмическое действие ядерного взрыва во многом определяет возможность проведения и эффективность использования подземных ядерных взрывов в уже освоенных промышленных районах. Интенсивность сейсмических волн при ядерном взрыве зависит от мощности заряда, горно-геологических условий и расстояния.