Научно-методическое обеспечение геоэкологических изысканий для обоснования технических решений при безопасной эксплуатации и рекультивации объектов переработки урановых руд

Актуальность темы диссертации. В России действует ряд Федеральных законов, санитарных норм и правил, которые устанавливают нормативы для создания безопасных условий применения атомной энергии и радиационных источников в различных сферах деятельности человека. Важнейшими задачами Государственной Корпорации «Росатом» являются не только создание новых объектов атомной энергетики, но и рекультивация территорий, загрязненных в период работ по созданию «ядерного щита» бывшего СССР, а также территорий существующих в настоящее время хвостохранилищ, строительство которых обусловлено необходимостью складирования твердых промышленных сильно минерализованных отходов и токсичных сточных вод. Такие хвостохранилища располагаются на больших площадях, измеряемых десятками, а иногда и сотнями гектаров, и являются потенциально опасными объектами, поскольку нарушение процесса эксплуатации или рекультивации может привести к экологической катастрофе – растеканию неконсолидированной массы грунта и воды, и как следствие – загрязнению окружающей территории. Поэтому ещё на стадии исследования и разработки технологических решений в урановой отрасли требуется обеспечение высокоэффективных мероприятий по обеспечению радиационной безопасности объектов окружающей среды, что является одним из важнейших факторов обеспечения национальной безопасности. Результаты проведения геоэкологических изысканий и исследований, выполненных в соответствии с методическими положениями, которые представлены в данной диссертационной работе, на действующих хвостохранилищах, а также на хвостохранилищах, выведенных из эксплуатации, позволяют прогнозировать и контролировать состояние таких объектов уранового производства в течение длительного периода времени. Таким образом, актуальность и важность решаемой в диссертации новой научной задачи определяются обеспечением долгосрочной экологической безопасностью хранения отходов уранового производства. Значительный вклад в изучение грунтов и решение проблем хвостохранилищ внесли известные советские и российские ученые В.И. Вернадский, Г.К. Бондарик, Е.Н. Камнев, В.П. Карамушка, В.Д. Лонтадзе, В.В. Охотин, В.А. Петров, Р.Е. Кузин, Н.П. Лаверов, Н.К. Шандала и дригие. Ведущими организациями в области исследования хранилищ радиоактивных отходов являются АО «ВНИПИпромтехнологии», ФГБУН институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук (ИГЕМ РАН), ФГБУ Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н. М. Федоровского (ВИМС), Горный институт НИТУ «МИСиС», Санкт-Петербургский горный университет, ФГБУ «Гидроспецгеология», АО «Механобр инжиниринг». Цель работы – на основе результатов экспериментальных и теоретических исследований физико-механических свойств природных и техногенных грунтов разработать методические положения проведения геоэкологических и инженерных изысканий для принятия технических решений на период эксплуатации, подготовки рекультивационных работ и дальнейшего мониторинга объектов добычи и переработки урановых руд. Задачи исследования: 1. На основе результатов геоэкологических изысканий сделать системный сравнительный анализ свойств природных и техногенных грунтов, измененных во времени. 2. Сделать сравнительный анализ физико-механических и химических свойств энергетической золы топливно-энергетического производства и золы, образующейся при обогащении ураносодержащих углей. 3. По результатам полевых работ разработать методику исследования влажностного режима в толще хвостовых отложений для безопасной эксплуатации предприятий ядерно-топливного цикла. 4. Научно обосновать методические положения технологии проведения геоэкологических изысканий на хвостохранилищах для принятия технических решений при эксплуатации и рекультивации объектов уранового производства. Фактический материал и методы исследований. Фактической основой диссертации послужили результаты полевых, научно-исследовательских и лабораторных работ на объектах уранодобывающего производства, проведенных автором с 2012 по 2020 год. Автором использованы также фондовые материалы инженерно-геологических изысканий и опубликованные данные, полученные за разные годы. Исследования носят комплексный характер и включают в себя анализ и научное обобщение геологических материалов, полученных в ходе полевых работ: рекогносцировочного исследования, бурения скважин, отбора проб грунта для лабораторных испытаний, геофизические исследования, пенетрация. Методика исследования. В основу решения поставленных задач положены данные, полученные непосредственно на площадках хвостохранилищ, теоретические и натурные исследования хвостохранилищ для получения необходимых лабораторных и полевых данных, рассмотрен отечественный и международный опыт. Методы исследований. При выполнении исследования применялись такие методы как: системный анализ полученных данных и научно-технической литературы, картографические и лабораторные методы, использование современного программного обеспечения. Научные положения, выносимые на защиту. 1. Впервые для отечественного минерально-сырьевого кластера ядерной отрасли разработаны технологии совершенствования проведения геоэкологических изысканий на хвостохранилищах массовой переработки радиоактивных руд для обеспечения их долговременной экологической безопасности от окружающей среды. 2. Доказано различие физико-механических и химических свойств энергетической золы топливно-энергетического производства и золы, образующейся при глубокой переработки радиоактивного минерального сырья. 3. Разработан научно-обоснованный прогноз режима интенсивности влажности техногенных грунтов хвостохранилищ уранового производства на основе авторских методических положений инженерно-геологических и геоэкологических изысканий. Научные положения соответствуют пунктам 7, 9, 14, 17, 23, 24 паспорта специальности 1.6.21 – «Геоэкология». Научная новизна результатов диссертационных исследований. 1. На основе системного анализа данных, полученных в ходе геолоэкологических изысканий, доказано различие природных грунтов от техногенных минеральных образований и выявлены закономерности, характеризующие схожесть намывных грунтов хвостохранилищ с барханными песками зоны аэрации. 2. Доказано различие физико-механических и химических свойств энергетической золы топливно-энергетического производства и золы, образующейся при глубокой переработке радиоактивного минерального сырья. 3. Впервые представлены методические рекомендации и результаты изучения влажностного режима в теле хвостохранилищ (линз с водой, водонасыщенных зон и островной мерзлоты) на длительный постэксплуатационный период времени территорий «уранового наследия». 4. Впервые для отечественного минерально-сырьевого кластера ядерной отрасли разработаны технологии совершенствования проведения геоэкологических изысканий на хвостохранилищах массовой переработки радиоактивных руд для обеспечения их долговременной экологической безопасности от окружающей среды. Достоверность и обоснованность научных результатов. Фактической основой диссертации послужили результаты полевых, лабораторных и научно-исследовательских работ, проведенными автором с 2012 по 2020 гг., на объектах уранодобывающего производства. Использованы материалы инженерно-геологических изысканий, находящихся в фондах АО «ВНИПИпромтехнологии, а также данные, опубликованные в открытой печати. Обоснованность и достоверность проведенных исследований обусловлена репрезентативностью статистической информации, основанной на аттестованных методиках выполнения измерений; научной методологией исследования, опирающейся на применение системного подхода; обобщением научных исследований зарубежных и отечественных специалистов и публикациями по теме диссертации. Все измерения проводились на сертифицированном и поверенном оборудовании. Для обработки результатов использовались современный математический аппарат и лицензионные программы. Достоверность научных выводов, положений и результатов обеспечены удовлетворительной сходимостью теоретических и натурных исследований, положительными результатами от внедрения разработанных автором методических рекомендаций. Практическая значимость работы. 1. В рамках выполнения Межгосударственной целевой программы «Рекультивация территорий государств-членов ЕврАзЭС, подвергшихся воздействию уранодобывающих производств», утвержденной 05.04.2012 г. № 602 Межгосударственным советом ЕврАзЭС, комплекс разработанных методических положений и рекомендаций был применен на урановых объектах республики Таджикистан и Кыргызской республики. 2. Представлен научный прогноз влажностного режима хвостохранилищ урановых производств и рекомендовано его применение на других производствах. 3. Предложенная технология геоэкологических изысканий позволяет предотвратить радиационно-экологические аварии, исключить необоснованный риск для населения, для персонала, исключить дорогостоящие и небезопасные работы на хвостохранилищах, а также снизить материальные и финансовые затраты. 4. Разработанная инструкция «Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием», которая применяется на действующих хвостохранилищах ПАО «ППГХО», рекомендована к применению на других горно-перерабатывающих производствах. Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на Международных научно-практических конференциях: «Геотехнологические методы освоения месторождений твердых полезных ископаемых» (Москва, ВИМС, 2015г), «Философия обращения с радиоактивными отходами: плюсы и минус существующих технологий» (Москва, 2016г), «Проблемы и решения в экологии горного дела» (Москва, 2017); на Пятом международном симпозиуме Уран: геология, ресурсы, производство» (Москва, ВИМС, 23-24 ноября 2021г.), а также на технических совещаниях, проводимых на действующих горно-перерабатывающих комбинатах. Публикации По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых и рекомендованных ВАК изданиях. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, шести глав, Заключения, списка используемой литературы. Работа представлена на 125 страницах машинописного текста. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату технических наук В.П. Карамушке, доктору геолого-минералогических наук, профессору Е.Н. Камневу, руководителю отдела инженерных изысканий АО «ВНИПИпромтехнологии» И.И. Папелкову, руководителям и ведущим специалистам ПАО «ППГХО». Изученность проблемы. В 1953 г. Е.М. Сергеев одной из основных теоретических задач общего грунтоведения считал «установление зависимости между различными свойствами типичных грунтов и их генезисом». Он считал, что такая зависимость может быть выражена «генетической классификацией грунтов, позволяющей производить предварительную оценку строительных свойств грунтов по их генетическому типу». Последующие исследования показали, что, несмотря на наличие зависимости свойств грунтов от их генезиса, подобная классификация не может учесть всего многообразия проявления инженерно-геологических особенностей грунтов, т. к. генезис не является единственным фактором формирования свойств грунтов. Заслуженный исследовании свойств грунтов особое внимание уделять наиболее дисперсным компонентам гранулометрического состава. В 2013 году была представлена статья Мязина В.П. Шекиладзе В.Т. «Разработка природоохранных мероприятий по рекультивации хвостохранилищ с целью снижения загрязнения территории Забайкалья отходами горно-перерабатывающего комплекса», где раскрывалась проблема загрязнения территории Забайкальского края отходами горно-перерабатывающего комплекса, приведена технология рекультивации хвостохранилищ в условиях криолитозоны Забайкалья. В 2014 году в книге Карамушки В.П., Камнева Е.Н., Кузина Р.Е. были изложены результаты оценок влияния уранодобывающих предприятий на объекты окружающей среды. Основное внимание уделено постэксплуатационному периоду. Рассмотрен зарубежный и отечественный опыт рекультивации территорий, нарушенных при добыче и переработке урановых руд. Значительное количество работ отечественных и зарубежных авторов, такими геохимиками как Л.П. Рихвановым, С.И. Арбузовым и др., было посвящено исследованиям радиоактивности в углях. В 2019 году была выпущена статья Иванова Е.А, Шарова Д.А., Демьяненко М.В., Шарафутдинова Р.Б., Курындина А.В., где были рассмотрены аспекты безопасности обращения с промышленными отходами, содержащей техногенные радионуклиды, в рамках, действующих в Российской Федерации, системы обращения с отходами производства и потребления и системы обращения с радиоактивными отходами. Содержание диссертации. В первой главе рассмотрены физико-механические и инженерно-геологические особенности техногенных грунтов хвостохранилищ отходов переработки урановых руд. Вторая глава содержит новые данные о сравнении физико-механических и химических свойств энергетической золы топливно-энергетического производства и золы, образующейся при глубокой переработке радиоактивного минерального сырья на примере золошлакоотвалов «Уртуйский» (ПАО «ППГХО») и «Каджи-Сай». Третья глава посвящена исследованию влияния климатических условий на геоэкологические особенности состояния хвостохранилищ и изучению вопроса влажностного режима объектов. Приведены геологические особенности исследуемых объектов. В четвертой главе приведены результаты теоретического моделирования и натурных исследований техногенных грунтов, а также усовершенствованные технологии проведения инженерных изысканий на хвостохранилищах переработки урановых руд. В пятой главе представлены методические рекомендации для геоэкологических изысканий и комплекс исследований перед рекультивацией хвостохранилищ. В шестой главе приведен выбор направлений по рекультивации объектов добычи и переработки объектов урановых производств. Диссертационная работа посвящена вопросам исследования физико-механических и инженерно-геологических особенностей техногенных грунтов хвостохранилищ отходов обогащения урановых руд, разработке методики изучения влажностного режима в теле хвостохранилищ, а также научно-методическому обоснованию геоэкологических изысканий для принятия технических решений при безопасной эксплуатации и рекультивации объектов переработки урановых руд.