ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ - Наукові основи вилуговування урану з техногенних родовищ складної форми підземним способом

Актуальність теми. Розвиток техніки та виробництва поряд з дотриманням норм безпеки та впровадженням прогресивних технологій, супроводжується утворенням і накопиченням негативних відходів, що об'єднують терміном техногенні. До них відносять відходи гірничого, збагачувального, металургійного виробництв, виробництва електроенергії та ін.

Особливе місце серед них займає утворення та накопичення відходів, пов'язаних з діяльністю ядерного енергетичного циклу, де найбільша питома вага належить галузі видобування та переробки урану, якими накопичено понад 63 млн. м3 радіоактивних відходів (РАВ). Загальновідомі наслідки зруйнованого енергоблоку Чорнобильської АЕС. Це надзвичайний за негативністю приклад техногенної діяльності, який понад 20 років залишається предметом наукових дискусій, пошуку продуктивний рішень, розробки нових технологій, спрямованих на ліквідацію наслідків катастрофи. В об'єкті "Укриття" зосереджено 2 млн. м3 РАВ загальною активністю 24 МКі. На даний час Україні, окрім будівництва над зруйнованим енергоблоком нового укриття з обмеженим терміном експлуатації, необхідно розробити технологію з вилучення радіоактивних новоутворень і подальшим їх використанням або захороненням в породах древніх кристалічних формацій. Створення інженерних систем розміщення РАВ у кристалічних формаціях є достатньо розробленою технологією у світовій практиці, проте невирішеним залишається питання про вилучення урану з паливовміщуючих мас із саркофагу.

Очевидною є необхідність Наукового обгрунтування розробки способів та технологій локалізації і ліквідації негативного впливу на екосистему результатів техногенної діяльності. Разом з цим техногенні родовища є унікальним джерелом багатьох видів рідких та розсіяних елементів. Сумарний вміст корисних компонентів, що накопичується за 20-30 років у техногенних родовищах є співрозмірним із кількістю руд, які щорічно видобувають. У розвинених індустріальних країнах світу рівень використання промислових відходів сягає 70-80 % (в Україні даний показник не перевищує 5-10 %).

Особливості залягання та складу техногенних родовищ, включаючи радіоактивні, дозволяють використовувати апробовані геотехнологічні способи видобутку корисних компонентів. Складні за формою родовища потребують створення наукових основ їх розробки з ефективним використанням сучасних геотехнологій, що обумовило вирішення цієї наукової проблеми в дисертаційній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дисертаційної роботи відповідають завданням сформульованим у постанові Кабінету Міністрів від 28.12.1996 р. № 1561 "Про невідкладні заходи по перетворенню об'єкту "Укриття" в екологічно безпечну систему"; рішенні Ради національної безпеки та оборони України від 15.06.2007 р. "Про стан реалізації заходів по зняттю з експлуатації Чорнобильської АЕС та перетворення об'єкту "Укриття" в екологічно безпечну систему" введеного в дію Указом Президента України від 20.07.2007 р. № 660; Указі Президента України "Про деякі заходи щодо перетворення об'єкту "Укриття" на екологічно безпечну систему" від 29.11.2007 р. № 1167.

Дисертаційна робота виконана в межах досліджень кафедри підземної розробки родовищ і кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету, а також є складовою частиною науково-дослідної роботи в напрямку діяльності науково-освітнього центру "Стійкість геотехнічних систем: процеси, явища, ризики" (держреєстрація проекту: № 0107U009076).

Мета дисертаційної Роботи полягає в обгрунтуванні теоретичних та прикладних основ вилуговування урану з техногенних родовищ складної форми підземним способом.

Для реалізації мети роботи сформульовані наступні Задачі досліджень.

    1. Дослідити закономірності впливу фізико-хімічного складу радіоактивного техногенного масиву та радіаційних властивостей радіонуклідів у внутрішніх шарах мінеральних новоутворень на ефективність процесу видобування урану з техногенного родовища вилуговуванням. 2. Обгрунтувати можливі фізико-хімічні фази вилуговування урану та розробити варіанти геотехнологічних схем його видобування з радіоактивного техногенного масиву підземним способом в умовах об'єкту складної форми. 3. Розробити принципову схему комплексу інтенсивного вилуговування урану, що містить інженерні системи розкриття і підготовки техногенного родовища, які забезпечують вилучення та транспортування продуктивних розчинів з їх ізоляцією від зовнішнього середовища. 4. Дослідити експериментально та аналітично залежності геофільтраційних властивостей масиву техногенного родовища та підстилаючих порід при гідрогеомеханічному впливі на них технологічних виробок та при застосуванні засобів підвищення активних поверхонь. 5. Провести апробацію розроблених схем геотехнічної підготовки техногенного родовища та активізації процесу вилуговування урану з використанням математичного моделювання, фізичних моделей і на прикладі об'єктів - фізичних аналогів, доступних для натурних експериментів.

Ідея роботи полягає у гідрогеомеханічній активізації вилуговування урану з використанням можливих фізико-хімічних фаз процесу та створених технологічних схем підземної розробки техногенних родовищ складної форми.

Об'єкт досліджень - процес геотехнологічного видобування урану підземним способом з техногенного родовища на стадіях підготовки та проведення вилуговування.

Предмет досліджень - закономірності протікання фізико-хімічних процесів та вплив на них конструктивно - технологічних параметрів вилуговування урану з техногенного радіоактивного родовища складної форми, що визначають ефективний видобуток та зниження негативної дії техногенного родовища на зовнішнє середовище.

Методи досліджень. Рішення сформульованої проблеми базується на застосуванні комплексу наукових методів системного аналізу, математичного, фізичного, імітаційного моделювання, натурного експерименту, аналізу результатів промислових випробувань, техніко-економічних оцінок та прогнозування.

Наукові положення, що виносяться на захист, полягають у наступному.

    1. Розчинення корисного компоненту техногенного родовища - двооксиду урану, гомогенним чином розподіленого в товщі паливовміщуючих мас, при першочерговій лужній фазі вилуговування супроводжується руйнуванням силікатних зв'язків із утворенням розчинних сполук щодо кислот. Це збільшує інтенсивність вилуговування корисного компоненту і визначає послідовність технологічного процесу з початковою лужною та наступною кислото - бактеріальною стадіями. 2. Збільшення проникності внутрішніх шарів паливовміщуючих мас розчинами вилуговування відбувається за рахунок руйнування їх мікроструктури під дією тиску, що перевищує граничні значення на розрив речовини паливовміщуючих мас і є наслідком накопичення у внутрішніх шарах дифузного газу, який утворюється при радіолітичному розкладі порової води під дією високих показників поглиненої дози опромінення радіонуклідами, а стабілізація неперервності фізико-хімічного процесу вилуговування забезпечується технологічним комплексом, який відрізняється тим що його елементи, розміщені у підстилаючих породах запобігають витоку продуктивних розчинів в надра. 3. Швидкість вилуговування уранового масиву збільшується стрибкоподібно при формуванні тріщин гідророзриву з їх положенням у просторі, яке залежить від однорідності масиву, а зона зміненої проникності над гірничою виробкою нелінійно залежить від кратності підробки. Інтенсивність вилуговування урану з гідророзривними тріщинами у масиві збільшується протягом п'яти років у декілька разів в порівнянні з масивом без гідрогеомеханічної активізації. 4. Продуктивність вилуговування урану зростає при поширенні області зруйнованих зв'язків в масиві з міцністю 1-17 МПа та критичним розкриттям тріщини гідророзриву в її вершині шляхом застосування аналогів ньютонівської рідини з в'язкістю понад 0,1 Па-с, або аналогів псевдо-пластичної рідини з коефіцієнтом консистентності понад 8,5 Па-сn. При цьому зниження радіоактивності техногенного родовища при вилуговуванні урану відрізняється тим, що при переході урану з мінеральних новоутворень в продуктивні розчини не розчиняються вміщуючи породи паливовміщучих мас, а конструктивна схема розробки родовища зберігає стійкість.

Наукова новизна отриманих результатів:

    - вперше встановлені фізико-хімічні закономірності формування радіоактивного техногенного родовища складної форми та обгрунтована доцільність застосування геотехнологічних способів видобування урану; - уточнена математична модель та знайдений розв'язок задачі кінетики-дифузії, що дозволяє оцінити вплив на процес видобування урану з техногенного родовища радіолітичного газу, який утворюється в системі паливовміщуючі маси (ПВМ) - розчин вилуговування; - вперше доведена можливість зниження радіоактивності техногенного родовища при вилуговуванні урану за рахунок переходу урану з мінеральних новоутворень в продуктивні розчини, які не розчиняють вміщуючи породи і забезпечують стійкість конструктивних елементів розробки родовища підземним способом; - вперше обгрунтовані параметри гідрогеомеханічної активізації вилуговування урану з техногенного родовища складної форми підземним способом; - для умов вилуговування урану з техногенного родовища складної форми вперше адаптована математична модель та знайдений аналітичний розв'язок задачі про поширення у вертикальному напрямку тріщини гідророзриву в підстилаючих породах аналогом ньютонівської рідини, що дозволяє оцінити параметри області зруйнованих та ослаблених зв'язків; - проведена кількісна оцінка збільшення продуктивності процесу вилуговування урану з техногенних родовищ складної форми за рахунок утворення та розвинення в масиві області зруйнованих зв'язків з критичним розкриттям тріщини гідророзриву; - обгрунтоване наукове відкриття, зареєстроване Міжнародною асоціацією авторів наукових відкриттів та винаходів: "Закономірність зниження радіоактивності техногенних формацій при бактеріальному вилуговуванні урану".

Наукове значення роботи полягає у встановленні фізико-хімічних фаз і закономірностей вилуговування урану з техногенного родовища складної форми з інтенсифікацією процесу вилуговування гідроррозривом паливовміщуючих мас і порідного масиву та підпорядкуванню цим процесам схем розкриття і підготовки родовища до розробки підземним способом.

Практичне значення Отриманих результатів полягає в наступному:

    - розроблені варіанти схем розкриття і підготовки радіоактивного техногенного родовища складної форми підземним способом, що утворюють доступ до корисної копалини, забезпечують збір продуктивних розчинів при вилуговуванні та ізоляцію від зовнішнього середовища; - розроблена методика оцінки впливу потужності іонізуючого випромінювання радіонуклідів, інкорпорованих в товщі паливовміщуючих мас, на напруження в масиві, що виникає в процесі утворення радіолітичного газу при вилуговуванні урану з техногенного родовища; - розроблені інженерні системи вилуговування урану при підземному способі розкриття і підготовки радіоактивного техногенного родовища складної форми; - розроблена методика оцінки параметрів процесу активізації вилуговування вертикальними тріщинами гідророзриву в підстилаючих та вміщуючих породах техногенного родовища при використані аналогів ньютонівської рідини розриву та з урахуванням області ослаблених зв'язків; - розроблена математична модель та комп'ютерна програма реалізації розв'язку задачі про поширення вертикальної тріщини гідророзриву в підстилаючих та вміщуючих породах техногенного родовища при застосуванні аналогів псевдопластичної рідини.

Практична цінність Роботи полягає у визначенні ефективної фізико-хімічної стадійності вилуговування урану з ПВМ, розробці методик розрахунку внутрішніх напруг у ПВМ і їх впливу на процес вилуговування, створенні комп'ютерних програм з визначенням параметрів гідрогеомеханічної активізації добування урану, а також розробці схем розкриття і підготовки техногенного родовища складної форми підземним способом.

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних законів наук про Землю, радіаційної хімії, математичної фізики, механіки лінійно-пружної тріщини, динаміки руху рідини розриву у вузькій щілині, використанням результатів дослідження фізико-хімічних властивостей паливовміщуючих мас та даних моніторингу об'єкта "Укриття", результатів проведення натурних та лабораторних експериментів, фізичного моделювання, імітаційного експерименту, узгодженістю теоретичних положень та результатів оцінки прогнозів з даними відомих досліджень та фактичними результатами з похибкою, що не перевищує 15%.

Реалізація роботи. За результатами роботи розроблені "Рекомендації до проектування конструктивних схем і технологічних параметрів геотехнологічного видобутку урану з техногенного родовища об'єкту "Укриття"", затверджених Центром "Геополітика" та узгоджених у Національному науковому центрі "Харківський фізико-технічний інститут" НАН України, ДВАТ "Дніпродіпрошахт", КП "Південукргеологія", Інституті геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України.

Особистий внесок автора. Автором сформульовані мета, ідея і наукові положення роботи. Обгрунтовані фізико-хімічні та математичні моделі прогнозування радіоактивності техногенних формацій в процесі застосування геотехнологічних способів вилучення урану, розроблені технологічні схеми розкриття і підготовки підземним способом радіоактивного техногенного родовища складної форми до вилуговування. Розроблені аналітичні та програмні засоби моделювання та оцінки експериментальних досліджень процесу активізації вилуговування гідророзривом масиву, алгоритм оцінки впливу потужності випромінювання інкорпорованих радіонуклідів на внутрішню напругу в техногенних новоутвореннях при вилуговуванні урану.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на міжнародному науковому семінарі "Регистрация научных открытий в области общественных и гуманитарных наук" (м. Санкт-Петербург, 2004 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування та техносфера ХХI століття" (м. Севастополь, 2006 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2007" (м. Кривий Ріг, 2007 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Актуальні питання водного господарства та природокористування" (м. Рівне, 2007 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы технологии и механизации разработки полезных ископаемых" (м. Мінськ, 2008 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Геоінформатика: теоретичні та прикладні аспекти" (м. Київ, 2008 р.), міжнародному колоквіумі ім. проф. Протод'яконова "Проблеми геомеханіки, руйнування та міцності гірських порід" (м. Дніпропетровськ, 2008 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми прийняття рішень в умовах невизначеності" (м. Київ, 2008 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Інтегровані інформаційні технології та системи (ІІТС-2008)" (м. Київ, 2008 р.), науково-технічних радах Центру "Геополітика" (м. Рівне, 1999- 2008 рр.).

Публікації. Основні наукові і практичні результати роботи викладені в 30 друкованих працях, з яких монографій - 4, статей у фахових виданнях, затверджених ВАК України - 21, 3 - у матеріалах конференцій, 2 - у інших виданнях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи розділів, висновку, списку використаних джерел з 185 найменувань і містить 257 сторінок машинописного тексту, 79 рисунків і 23 таблиці, 2 додатка. Загальний обсяг роботи 283 сторінки.

Похожие статьи




ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ - Наукові основи вилуговування урану з техногенних родовищ складної форми підземним способом

Предыдущая | Следующая