Г. П. Кузьмин

Подземное пространство криолитозоны

(проблемы и перспективы использования)

В настоящее время подземное строительство приобрело огромные масштабы и исключительное разнообразие. Наиболее ценный опыт в этом вопросе за последние годы накоплен газовой промышленностью. Подземные хранилища газа обустраиваются в истощенных месторождениях нефти и газа, водоносных структурах, реже - в различных коллекторах. Под землей также создаются склады и хранилища для продуктов и отходов производства, холодильники, винодельческие, лечебные и другие предприятия, успешно выращиваются овощи и шампиньоны, устраиваются залы различного назначения и т.д. Для размещения подземных сооружений обычно используются скальные и полускальные горные породы, обеспечивающие устойчивость подземных выработок без применения крепления.

В условиях криолитозоны, в частности на территории Якутии, широко распространены осадочные горные породы различной мощности, которые в мерзлом состоянии обладают достаточной прочностью и вполне пригодны, чтобы создавать в них выработки относительно небольшого пролета. Однако многолетнемерзлые породы обладают специфическими свойствами, обусловленными их составом и строением. Они представляют сложную систему, состоящую из твердых минеральных частиц, льда, незамерзшей воды и газов. Количество льда и незамерзшей воды в много-летнемерзлых толщах изменяется с колебанием температуры и давления. При этом фазовые переходы воды из твердого в жидкое состояние и обратно сопровождаются поглощением или выделением тепла, а также объемными трансформациями горных пород.

В этом случае изменяются теплофизические и физико-механические свойства пород. Прочность их, обусловленная межагрегатными и внутриагрегатными связями (сцеплением между компонентами, слагающими породу), зависящими от типа породы, ее температуры и давления, определяет устойчивость подземных полостей.

Мерзлые дисперсные породы из-за наличия в них льда и незамерзшей воды способны развивать во времени пластические деформации и снижать прочность при длительном воздействии нагрузки. Резкое охлаждение, например, вызывает морозобойное растрескивание мерзлых пород под действием напряжений растяжения, возникающих вследствие уменьшения объема всех компонентов мерзлой дисперсной породы. При взаимодействии с парогазовой средой развивается процесс сублимации льда, т.е. перенос воды из зоны фазовых превращений к поверхности горной породы и переход ее в окружающую парогазовую среду. В результате происходит иссушение горной породы, потеря структурных связей между минеральными частицами или агрегатами и осыпание их. Мерзлые дисперсные породы достаточно хорошо размываются водой.

Таким образом, при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных сооружений, создаваемых в криолитозоне, нужно учитывать особые свойства мерзлых дисперсных горных пород. Основным условием обеспечения устойчивости подземных сооружений в осадочных горных породах криолитозоны является сохранение неизменным их мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации.

Свойство мерзлых дисперсных пород разрушаться под действием тепловой и механической энергий водного потока позволило разработать технологию создания подземных резервуаров гидроразмывом через буровые скважины. Размыв мерзлых пород за счет тепловой и механической энергий воды с выдачей пульпы гидроэлеватором и эрлифтом (рис. 1) разработан Институтом мерзлотоведения СО РАН [1]. Методом гидроразмыва через скважины на территории Якутии было построено 12 опытно-промышленных подземных резервуаров для хранения солярки, газового конденсата, воды и аккумулирования естественного холода.

Приведем отдельные примеры подземных сооружений, создаваемых в условиях криолитозоны, для которых уже разработаны основные нормы и правила строительства и эксплуатации, либо они находятся на стадии разработки.

Подземные холодильники (рис. 2) являются одними из самых древних сооружений и используются, как известно, для хранения замороженных продуктов. Запас «холода», требующийся для компенсации теплопотерь, аккумулируется в окружающих мерзлых горных породах путем охлаждения холодным атмосферным воздухом, циркулирующим за счет естественной тяги или принудительной вентиляции. В настоящее время выявлены закономерности формирования температуры и объемно-планировочные решения [2 - 4]. В зависимости от климатических и геокриологических условий необходимый температурный режим в подземных холодильниках обеспечивается двумя способами: 1) зимней хла-дозарядкой; 2) зимней хладозарядкой с дополнительной выработкой искусственного холода.

Эффективность использования подземных холодильников достигается за счет минимальных затрат на строительные материалы и значительного снижения эксплутационных расходов по сравнению с затратами на холодильные камеры с искусственным охлаждением.

Подземные охлаждающие устройства (геокриогенные охладители) предназначены для охлаждения жидкостей и газов, а также воздуха в помещениях в диапазоне положительных температур. Работа этих устройств основана на использовании теплоты фазовых переходов воды. Продолжительная зима с низкими отрицательными температурами воздуха и многолетнемерзлое состояние пород в криолитозоне позволяют аккумулировать холод, замораживая воду в подземных резервуарах [5]. Устройство (рис. 3) состоит из подземного резервуара с водой, воздушной замораживающей установки (ВЗУ) и водяной циркуляционной системы (ВЦС). Вода в резервуаре замораживается с помощью ВЗУ, в которой в зимнее время происходит конвективное движение холодного воздуха: вниз - по центральной трубе, вверх - по кольцевому пространству. Количество ВЗУ в резервуаре определяется климатическими условиями территории строительства и размерами резервуара. Передача тепла от охлаждаемого объекта в подземный резервуар с тающим льдом обеспечивается водяной циркуляционной системой, состоящей из погружного насоса, нагнетательного и сливного трубопроводов и теплообменника.

Основными достоинствами данного охлаждающего устройства, основанного на использовании теплоты фазового перехода воды, являются относительно небольшие капитальные затраты, аккумулирование большого количества холода в единице объема подземного резервуара и очень низкие эксплуатационные расходы. К числу недостатков относится зависимость интенсивности охлаждения от скорости таяния льда и площади контакта воды со льдом. Использование данного устройства для охлаждения молока на летней ферме показало его высокую надежность и экономичность по сравнению с машинной холодильной установкой МХУ-8.

Подземные хранилища сельскохозяйственной продукции. При производстве сельскохозяйственной продукции одной из важнейших задач является уменьшение потерь в период хранения. Основное влияние на сохранность картофеля, овощей и фруктов оказывает температура. Она должна быть оптимально низкой. Именно в этом случае снижается интенсивность физиологических процессов и подавляется активность многих видов заболеваний [6]. Обеспечение таких условий хранения в наземных хранилищах на Севере приводит к большим затратам средств на их обогрев в зимнее время (вследствие больших теплопотерь) и охлаждение - в летнее.

Подземные хранилища сельхозпродуктов могут оборудоваться в горных выработках, которые образуются в результате добычи полезных ископаемых, или создаваться специально. Для обеспечения оптимальной температуры хранения в одних случаях достаточно подобрать только соответствующую глубину заложения хранилища и обеспечить теплоизоляцию его стенок, в других необходимо дополнительно охлаждать окружающие мерзлые породы или отводить тепло, которое проходит через теплоизолирующий слой.

Второй случай был испытан в опытном хранилище картофеля, созданном на территории Института мерзлотоведения СО РАН (рис. 4). Хранилище площадью 10,4 м2 расположено на глубине 9,0 м, где естественная температура пород около -2,4°С. Хранилище обогревалось электрическим нагревателем мощностью 189 Вт. Контроль состояния клубней осуществлял Якутский научно-исследовательский институт сельского хозяйства СО РАСХН. Клубни картофеля после двух лет хранения в подобных условиях были высажены и дали урожай. Удельные затраты на обогрев опытного хранилища оказались в 6,5 раз ниже, чем в типовых надземных хранилищах.

Институтом мерзлотоведения СО РАН были также проведены исследования природных условий Олекминского гипсового рудника и выполнены расчеты формирования температурного поля вокруг отработанных камер при использовании их в качестве хранилищ сельхозпродуктов. Месторождение гипса расположено на берегу р. Лены, в двух километрах от г. Олекминска. Вмещающие породы представлены прочными доломитами. Добыча гипса ведется через штольни. Общая площадь отработанных камер составляет более 30 тыс. мг. По тепловому режиму рудник подразделяется на две зоны: I - с отрицательной температурой пород; II - с положительной температурой пород, расположенную ниже подошвы мерзлой толщи. На основе полученных нами данных институтом «Якутагропромпроект» была разработана проектно-сметная документация на строительство двух камер для хранения 440 т картофеля и 60 т капусты.

Хранилища воды. Подземные хранилища воды могут использоваться для питьевого и технического водоснабжения небольших населенных пунктов и отдельных промышленных объектов. Так, в сельской местности хранилища воды требуются для зимнего водоснабжения животноводческих ферм. В случае удаленности естественных водоемов от фермы необходимость в создании запаса воды возникает также во время пастбищного содержания скота в летнее время. Заполнение таких хранилищ водой может производиться в теплое время года по временным трубопроводам из различных естественных или искусственных водоемов. Во многих районах криолитозоны как поверхностные, так и подземные воды часто не отвечают требованиям ГОСТа (первые - из-за биологической и химической загрязненности, вторые - из-за высокой минерализации) и нуждаются в очистке. Запасы очищенной воды можно хранить в подземных резервуарах, создаваемых в массиве многолетнемерзлых дисперсных пород.

В период хранения окружающие резервуар мерзлые породы подвергаются тепловому воздействию воды, которое обусловлено сначала ее теплосодержанием, а затем выделением тепла при фазовом переходе в лед, поэтому массив мерзлых пород вокруг подземных хранилищ нужно периодически охлаждать путем естественной или искусственной вентиляции резервуара холодным воздухом. В этом случае постоянное хранилище должно состоять не менее чем из двух резервуаров, заполняемых и охлаждаемых поочередно. Для хранения воды летом достаточно одного резервуара. Первое опытное хранилище воды объемом 1230 м³ было построено на территории Института мерзлотоведения СО РАН в 1978 г.

Хранилище нефтепродуктов. Относительно высокая прочность и непроницаемость влагонасыщенных многолетнемерзлых дисперсных пород позволяют сооружать в них подземные хранилища нефтепродуктов. В теплое время года такие хранилища заполняются охлажденным нефтепродуктом. В качестве охладителя могут использоваться подземные охлаждающие устройства.

На территории Института мерзлотоведения СО РАН в 1973 г. методом гидроразмыва было построено подземное хранилище резервной солярки на 410 м³, оборудованное устройством для выдачи топлива сжатым воздухом (рис. 5). Анализ солярки, проведенный Якутской нефтебазой более чем через 20 лет хранения в подземном резервуаре, показал, что ее качественные характеристики полностью удовлетворяют нормативным требованиям.

Сфера использования подземного пространства криолитозоны несомненно будет расширяться. Уже сейчас астрофизики совместно с мерзлотоведами оценивают возможность изучения трудноуловимых элементарных частиц (нейтрино) с помощью мощных толщ много-летнемерзлых горных пород. Существенная разность в температуре многолетнемерзлых пород и атмосферного воздуха не исключает того, что в будущем будет разработан способ производства электрической энергии с помощью устройств, аналогичных термопарам.

Литература

1. Кузьмин Г. П. Подземные резервуары в мерзлом грунте. - Якутск: ИМЗ СО РАН, 1992. -152 с.

2. Миронов Н.Г. Строительство и эксплуатация подземных холодильников Севера и Северо-Востока Советского Союза. - М.: Наука, 1967.- 71 с.

3. Шургин Б. В. Исследования и выбор параметров естественной хладозарядки подземных холодильников Севера (на примере Якутской АССР): Автореф. дис. канд. техн. наук. - Якутск, 1982. - 16 с.

4. Галкин А. Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера. - Новосибирск: Наука. Сиб. изд. фирма РАН, 2000. - 304 с.

5. Кузьмин ГЛ. Подземные сооружения в криолитозоне. - Новосибирск: Наука, 2002. - 176 с.

6. Трисвятский Л.А., Песик Б.В., Курдина В.Н. Хранение и технология сельскохозяйственных продуктов. - М.: Изд-во «Колос», 1983. - 383 с.