ТЕХНОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ГОРНЫХ РАЗРАБОТОК И ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ БЕЛОЯРСКОЙ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

А.Д. Сашурин, А.А. Панжин

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

В прошедшим году минуло первое десятилетие со времени крупнейшей из антропогенных катастроф, происшедшей на Чернобыльской АЭС. Но, несмотря на достаточную продолжительность прошедшего срока, несмотря на состоявшиеся судебные решения, определившие виновных и степень их виновности, для многих людей вопрос о причинах происшедшей катастрофы не закрыт. Он не получил исчерпывающего ответа. Сегодня есть все основания сомневаться в том, что результаты расследования достаточно полно раскрыли сущность явлений, приведших к планетарной катастрофе, что выводы из случившейся трагедии предотвращают возможность ее повторения в другом месте.

И не зря в течении прошедших десяти лет к попыткам установить причину катастрофы вновь и вновь возвращаются специалисты различных отраслей знаний, рассматривая все новые и новые факты и явления, складывающиеся в определенные версии. Особое место среди них занимают версии, связывающие катастрофу на Чернобыльской АЭС с геодинамическими явлениями в земной коре, а так как последствия катастрофы пока далеки от завершения и прогнозируются весьма неопределенно, то выяснение причин ее возникновения имеют, прежде всего, значение для обеспечения безопасности действующих АЭС и дальнейшего развития атомной энергетики. Устранить сомнения в безопасности действующих объектов атомной энергетики и обрести уверенность в целесообразности строительства новых нельзя без выполнения серьезных научных исследований механизма развития техногенных катастроф, разработки и практического применения мер по их предотвращению. Объектами исследований могут служить действующие атомные электростанции, расположенные в сложных геодинамических условиях.

В Уральском регионе и прилегающих областях серьезную озабоченность вызывает наведенная геодинамическая ситуация в районе Белоярской АЭС. В отличие от Чернобыльской АЭС, она находится в области влияния мощных техногенных факторов, обусловленных добычей полезных ископаемых, наличием водохранилищ и др. В комплексе с природными тектоническими процессами в земной коре они способны вызвать опасные деформации на ее объектах. Оценка риска их неблагоприятного разрешения в виде техногенных землетрясений и подвижек по тектоническим нарушениям и разработка мер по предотвращению аварийной ситуации требуют постановки специальных исследований, некоторые аспекты которых рассматриваются в докладе.

Белоярская АЭС расположена в 30 км от Екатеринбурга на участке земной коры с достаточно сложной тектоникой, выделенной в Асбестовско-Ключевскую зону разломов (Рис. 1). В непосредственной близости от электростанции находятся три горнодобывающих предприятия. Наиболее мощные техногенные воздействия вызывают карьеры и отвалы комбината "Асбест" и предприятия Малышевского рудоуправления, расположенные в 20-30 км к северо-востоку. К юго-западу от электростанции в 5 км действует Курмановский щебенчатый карьер. Кроме горных объектов в районе электростанции находятся два крупных водохранилища примерно одинакового объема около 1.2 млрд. тонн. На северо-востоке Рефтинское, на юго-западе Белоярское.

Особенности расположения Белоярской АЭС налагают особые требования на обеспечение ее безопасной эксплуатации. С позиций геодинамической безопасности обеспокоенность обусловлена следующими обстоятельствами. Во-первых, все горные объекты находятся вблизи Асбестовско-Ключевской разломной зоны, в непосредственной близости от которой находится и БАЭС. Возможность инициирования подвижек по структурным элементам разломной зоны может отрицательно отразиться на безопасности объектов электростанции. Во-вторых, вынимаемые из карьера объемы горных пород, а также складируемая в отвалы вскрыша по своим воздействиям сопоставимы, а по некоторым параметрам и превосходят последствия от заполнения и эксплуатации крупных водохранилищ. В настоящее время карьеры достигли глубины 300 м из них удалено более 5 млрд. тонн пород, большая часть которых заскладирована в отвалах. По имеющейся статистике техногенные землетрясения имели место при строительстве и эксплуатации водохранилищ 0.1-0.2 млрд. тонн и более [1].

В соответствии с перспективным проектным решением глубина карьеров комбината "Асбест" достигнет 750 м, а объемы перемещаемых горных масс превысят 15 км³, что пока не имеет прецедента.

В третьих, как свидетельствуют результаты исследований подземных ядерных взрывов, сейсмическое воздействие от массовых технологических взрывов на окружающих горных предприятиях может явиться причиной возникновения геодинамических явлений в обширной зоне, охватывающей участок расположения БАЭС [2].

Таким образом, указанные обстоятельства в комплексе с формированием депрессионной воронки от горных предприятий, со строительством и эксплуатацией двух водохранилищ создают в окружающей БАЭС обстановке реальные предпосылки к возникновению геодинамических явлений, снижающих безопасность ее объектов. По своему характеру они могут происходить или в виде медленных подвижек по существующим структурным нарушениям в массиве горных пород, или в виде землетрясений с кратковременными перемещениями, возможно с образованием новых нарушений, сопровождаемыми сейсмическими эффектами.

Геомеханические исследования напряженно-деформированного состояния в рассматриваемом районе с целью прогнозной оценки риска формирования очагов геодинамических явлений и разработки мер по их предотвращению предусматривают постановку комплексных исследований. Геомеханическая модель участка земной коры, на котором размещены БАЭС и техногенные объекты, соответствует двум принятым представлениям о строении верхней части земной коры - однородному нижнему полупространству неограниченного размера и, в соответствии с глобальной тектоникой плит, упругой оболочкой конечной толщины (литосфере) неограниченного размера в плане, покоящейся на вязкой астеносфере [1]. Степень отражения реальных процессов на принятых моделях оценивается по результатам инструментальных наблюдений за деформациями земной поверхности моделируемого участка.

Выполненные лабораторные исследования моделей, отражающих литосферную плиту, в комплексе с теоретическими расчетами на основе теории оболочек свидетельствуют, что при действии естественных горизонтальных тектонических напряжений в земной коре, первый инвариант которых оценивается в среднем -30.8 МПа [3], в оболочке возникает критическая нагрузка, способная вызвать ее деформирование в виде "хлопка". Этот вид потери устойчивости, известный в теории оболочек, сопровождается кратковременным развитием деформаций с сейсмическими эффектами. Техногенные нагрузки в данном случае играют роль триггерного эффекта, определяющего место и время развития деформаций.

Фундаментальная задача решается методами геомеханики с созданием геомеханической модели участка земной коры, подверженного воздействию масштабных горных разработок, способных нарушить относительное начальное природное равновесие. В качестве факторов техногенного воздействия на земную кору в районе БАЭС выступают комбинат УралАсбест с его карьерами, отвалами и сейсмическим воздействием взрывных работ; Малышевский рудник и Курманский карьер; Рефтинское и Белоярское водохранилища объемом более 1 км³ каждое; образование депрессионной воронки в районах горных разработок. Изучения явлений в области влияния масштабной добычи полезных ископаемых производится путем проведения комплексных исследований, включающих непосредственные инструментальные наблюдения деформаций земной коры и выявление закономерностей формирования вторичного напряженно-деформированного состояния области влияния с учетом с учетом ее структурно-тектонических особенностей; лабораторные и теоретические исследования.

Особая роль в исследованиях отводится экспериментальным работам в натурных условиях, предусматривающим изучение геодезическими методами с помощью спутниковой геодезической системы GPS происшедших деформаций земной коры и организацию мониторинга за деформациями на дальнейший период (Рис. 2). В настоящее время созданы реальные условия для выполнения необходимых фундаментальных исследований природы формирования очагов техногенных катастроф в рассматриваемых условиях. Российский Фонд Фундаментальных Исследований выделил ИГД УрО РАН средства на создание Уральского центра геомеханических исследований природы техногенных катастроф в районах добычи полезных ископаемых, который оснащается приборами GPS. Кроме того, на 1997-1999 гг. РФФИ выделен грант на фундаментальные исследования природы техногенных катастроф. Эта поддержка РФФИ в определенной мере обеспечивает фундаментальную научную часть проблемы. Прикладная же ее часть, направленная на непосредственные прогнозные оценки и разработку мер предотвращения аварий и чрезвычайных ситуаций, нуждается в финансировании из других источников.

Как следует из содержания доклада, в районе БАЭС сложилась неблагоприятная геомеханическая ситуация, не исключающая проявление геодинамических эффектов с аварийными последствиями. Каждый из рассматриваемых техногенных объектов по уровню воздействия на земную кору превысил пределы, при которых согласно имеющейся статистике возможны техногенные землетрясения. Однако это совсем не значит, что следует немедленно прекратить оба вида деятельности. К тому же, это может уже и не обеспечить предотвращения последствий достигнутых изменений.

В этих условиях основная задача состоит в том, чтобы не усугублять опасности положения при дальнейшей эксплуатации объектов. Более того, при познании происходящих процессов возникает возможность снижения риска проявления техногенных аварий специальными технологическими приемами. Для этого необходимы серьезные комплексные фундаментальные и прикладные исследования текущего напряженно-деформированного состояния с последующим мониторингом и управлением его параметрами во времени.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. Схема района Белоярской АЭС

Рис. 2. Схема инструментальных наблюдений за деформациями земной коры в районе Белоярской АЭС

Использованные источники:

1. A.D. Sashourin Formation of centres of technogeneous catastrophes in area of intense mineral mining //Mining in the Arctic, Trondheim, Norway, 1996, P.201-206. (Формирование очагов техногенных катастроф в районах интенсивной добычи полезных ископаемых).

2. В.В. Адушкин, А.А. Спивак Геомеханика крупномасштабных взрывов. -М.: Недра, 1993.

3. А.Д. Сашурин О параметрах первого инварианта напряженного состояния верхней части земной коры //Первый международный семинар "Напряжения в литосфере (глобальные, региональные, локальные)". Тезисы докладов. -М., 1994.