СЕМЬ ИСКУССТВ

Комплекс Цзиньпин включает две электростанции Цзиньпин I и Цзиньпин II. Взаимное расположение станций уникально, потому что они расположены на естественном изгибе реки, огибающем гору Цзиньпин на расстоянии 150 км, но создающем расстояние между ветвями изгиба всего 16 км.

Леонид Кауфман

ФИЗИЧЕСКИЕ ЛАБОРАТОРИИ В ШАХТАХ И ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ АЗИИ И АВСТРАЛИИ

Вступительное слово

В предыдущих статьях, посвященных строительству подземных физических лабораторий, рассказывалось об их размещении в подземном пространстве действующих или закрытых шахт. Иногда такие лаборатории для экономии расходов на строительство и логистических затрат сооружаются в комплексе с промышленными объектами, например, плотинными или гидроаккумулирующими электростанциями, чье основное технологическое оборудование и его функциональные связи размещаются в подземных полостях и туннелях, как и специфическое оборудование физических лабораторий.

При всем различии видов и размеров полостей физических лабораторий и промышленных объектов, имеющих разное назначение, их геологические условия и методы строительства во многих чертах совпадают, поскольку, как правило, одинаковы критерии выбора места их расположения (сайта). Например, глубина подземной лаборатории должна создавать толщу покрывающих пород, защищающую ее от фоновых космических излучений, а разница между вертикальными отметками верхнего резервуара и турбонасосов гидроаккумулирующей электростанции — достаточный гидравлический напор в подающих туннелях.

Такое сходство условий и технологии строительства позволяет при сооружении и работе физической лаборатории не только сэкономить средства на стволах и туннелях доступа, используя горные выработки действующей шахты или стволы и туннели строящегося промышленного объекта, но также привлекая опытный персонал, имеющееся оборудование и налаженную систему организации работ.

Физические лаборатории в шахтах

Лаборатория Yemi Lab, в шахте Хандук, Корея

Институт фундаментальных наук в Южной Корее в 2017 г. ведет строительство лаборатории Йеми (Yemi Lab), расположенной в Хандук (Handuk, в английской транскрипции возможно также Handeok) — единственной железорудной шахте страны, расположенной под горой Yemi на площади 3000 м² в провинции Канвондо на глубине 1100 м. Руда шахты Хандун содержит до 72% железа. В лаборатории, начиная с 2021 г., будут проводиться поиски темной материи и исследоваться нейтрино.

Наклонный туннель длиной 782 м соединит лабораторию с горизонтом действующей шахты. Туннель, в основном, проходит через зону известняка, на участке длиной 200 м — через глинистые сланцы. Его направление определилось необходимостью уменьшения фонового потока мюонов — элементарных частиц подобных электрону.

На шахте пройден новый вертикальный ствол (так называемый 2-ой ствол) диаметром 6 м глубиной 600 м и оборудованный двумя подъемами: скиповым с одним скипом для выдачи породы от строительства лаборатории и ее будущего расширения, и клетевым с одной клетью для спуска-подъема людей и оборудования. Существующий ствол глубиной 300 м сохраняется. Вторым доступом в действующую шахту служит наклонный туннель — рампа длиной 6 км, сечением 5×5 м, с углом наклона примерно 6⁰ (рис.1,2), который используется для доставки тяжелого оборудования.

Экспериментальная площадь лаборатории составит 3000 м². Она будет перекрыта массивом пород мощностью 1000 м. Здесь будут размещены 26 лабораторий для 8 экспериментов. Строительство предполагалось завершить в 2021 г. Работа лаборатории рассчитана по крайней мере на 30 лет.

Лаборатория предназначена для обнаружения и изучения темной материи, измерения массы и исследования основных свойств нейтрино. Обнаружение темной материи и измерение массы нейтрино являются ключевыми проблемами в понимании создания вселенной и ее состава. Для их решения требуется очень чувствительная среда, в которой необходимо устранить любые мешающие фоновые шумы, такие как космические лучи, что достигается глубиной расположения детекторов.

План и сечения туннелей и полостей лаборатории показаны на рис.3,4. На рис.5,6 показаны наземные сооружения 2-го ствола и пути доступа в лабораторию.

Лаборатория в шахте Стауэлл, Австралия

Лаборатория SUPL (Stawell Underground Physics Laboratory) изучения темной материи расположена на глубине 1025 м в действующей шахте Стауэлл, добывающей золото, расположенной в штате Виктория на юго-востоке Австралии. Выработки шахты расположены, в основном, в плотном базальте высокой плотности и глубиной до 1,6 км. Тектоническими нарушениями месторождение разделено на две рудных формации Magdala и Golden Gift, достигающими глубины — 1200 м и 1600 м соответственно (рис.7).

Регулярная добыча золота началась в 1981 г. Выемка руды проводится уступами с заполнением цементируемой породой выработанного пространства предыдущих уступов. Этим методом из уступов извлекается около 80% запасов руды. Руда из шахты доставляется на поверхность по наклонному туннелю (рампе) с уклоном 5-7⁰ длиной 9 км грузовиками грузоподъемностью 50 т.

В комплекс лаборатории входят основная полость длиной 34,5 м, шириной и высотой по 10 м, а также транспортная выработка — аварийный выход — длиной 20 м и шириной 5 м (рис.8,9). В полости лаборатории участок длиной 25 м будет представлять собой «чистое» пространство для экспериментов, участок длиной 10 м — «грязное» помещение для погрузочно-разгрузочных работ.

Результаты экспериментов детектора SABRE будут сравниваться с исследованиями, проведенными с 1995 года под названием DAMA в итальянской лаборатории Гран-Сассо, построенной в Аппенинских горах. Здесь с 2003 года в течение более 15 лет были зарегистрированы положительные срабатывания детектора, достигающие максимума в июне и минимума в декабре, как последствия движения Солнечной системы относительно остальной части галактики.

Планы строительства предусматривали его выполнение в 2015-2016 гг., однако, из-за финансовых и организационных проблем (закрытие шахты на ремонт и модернизацию) лаборатория возобновила строительство в августе 2019 г.

Физические лаборатории в туннелях гидроэлектростанций

Лаборатории Цзиньпин I и Цзиньпин II, Китай, плотинные гидроэлектростанции

Наиболее распространённый вид гидроэлектрических станций — плотинные. Напор воды в них создаётся посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое. (Википедия).

Примером такого решения служит строительство гидроэнергетического комплекса Цзиньпин (в английской транскрипции Jinping) (2005-2014) в одноименном горном массиве на реке Ялунцзян (Yalong) провинции Сычуань (Sichuan) на востоке Китая (рис.10). Эта страна в последние десятилетия проводит интенсивное строительство гидростанций, что позволило получать от них 17% всей электроэнергии страны, и эта цифра растет.

Комплекс Цзиньпин включает две электростанции Цзиньпин I и Цзиньпин II, установленная мощность которых составляет 3600 и 4800 мегаватт соответственно. Эта мощность обеспечивается работой шести и восьми турбин-генераторов.

Взаимное расположение станций уникально, потому что они расположены на естественном изгибе реки, огибающем гору Цзиньпин на расстоянии 150 км, но создающем расстояние между ветвями изгиба всего 16 км. Станция Цзиньпин I расположена в верхней части потока реки, станция Цзиньпин II — в нижней части, расстояние между которыми по вертикали составляет 310 м, что создает напорный режим подачи воды из реки к турбинам электростанции Цзиньпин II (рис.11,12).

Такая топография района позволяет построить две электростанции на петле одной реки: на северной части петли Ялунцзян станцию Цзиньпин I а после перегиба петли на ее южной части — станцию Цзиньпин II. При этом в станцию Цзиньпин I вода поступает непосредственно из резервуара, образованного плотиной, а в станцию Цзиньпин II по четырем параллельным напорным туннелям длиной по 16,7 м диаметром 12-13 м. Кроме них, пройдены два вспомогательных (транспортных) туннеля диаметром по 6 м и дренажный туннель диаметром 7,2 м используемый при аварийном сбросе воды из напорных туннелей. Туннели проходились буровыми туннельными машинами и буровзрывными работами (рис.13). К туннелям примыкают две физические лаборатории Цзиньпин I и Цзиньпин II.

Преобладающие породы на маршруте туннельной группы — мрамор, песчаники и сланцы, разделенные разветвленной системой трещин и геологических нарушений. Основными геологическими трудностями при строительстве были внезапные выбросы пород и высокие притоки воды. Прогнозирование напряжений в горном массиве и зон риска внезапных выбросов пород проводилось с использованием компьютерных моделей (рис.14).

При экскавации пород и появлении обнаженных поверхностей и трещин в породном массиве происходит перераспределение напряжений. Когда несущая способность массива теряется, в сооружаемой полости происходят внезапные выбросы пород (рис.15).

В условиях строительства комплекса Цзиньпин встречались случаи, когда явления выбросов происходили в течение от 30 минут до 8 часов, максимальный участок туннеля, засыпанный выброшенными породами, достигал 5 метров, а глубина воронки выброса 3-5 метров. Большинство интенсивных выбросов пород происходило в пределах 10-30 м от работающего забоя. Некоторые выбросы случались даже после того, как окружающие породы были закреплены набрызгбетоном. В таких местах этой крепью не было достигнуто равновесие перераспределенных напряжений. Однако и здесь интенсивность и частота выбросов существенно уменьшалась. Несмотря на такие меры, при проходке, например, транспортных туннелей произошло более 600 выбросов.

Одним из основных средств предотвращения внезапных выбросов пород служит установка анкерной крепи, механически скрепляющей связи породных слоев массива. Вариант ее конструкции показан на рис.16. При завинчивании гайки происходит вытягивание анкерного болта с последующим расширением конусной оболочки. Эта оболочка расклинивает анкерный болт в скважине, фиксируя его и тем самым скрепляя пересекаемые скважиной породные слои.

Другим вариантом анкерной крепи служат металлические стержни с гибкой оболочкой, расширяемые в скважине водой высокого давления, создавая таким образом давление на стенки скважины и, как в предыдущем варианте, скрепляя слои пород (рис.17).

Дополнительным средством, позволяющим предотвратить возникновение выброса или уменьшить его последствия, служит применение набрызгбетона.

Одновременно с комплексом Цзиньпин, примыкая к одному из транспортных туннелей, строилась первая очередь физической лаборатории CJPL-1 (Цзиньпин-I), которая открылась в декабре 2010 г. экспериментами CDEX (ChinaDarkMatter) и Panda-X, изучающими темную материю. Размеры главного зала лаборатории — 42×6,5×6,5 м (рис.18,19).

В 2014 г. начались, а в настоящее время закончились экскавационные работы второй очереди физической лаборатории CJPL-2, которая считается самой глубокой подземной лабораторией в мире. Она примыкает к дренажному, а также вспомогательному туннелям, и включает четыре больших экспериментальных зала с размерами каждого 130×14×14 м, туннели внутренних связей, две заглубленных емкости — одна для жидкого азота глубиной и диаметром 18 м, другая — эллиптической формы 27×16 м и глубиной 14 м для воды (рис.20-22).

Экскавация лабораторных полостей осуществлялась буровзрывным способом. Стены полости закреплены многочисленными стальными болтами и в наиболее опасных местах покрыты набрызгбетоном. Поступающая вода отводилась в общую дренажную систему.

Поведение породных масс во время проходческих работ отслеживалось в реальном времени, измерялись деформации и трещиноватость породных масс, распределение напряжений, регистрировались микросейсмические явления (рис.23). Выявлялись геологические зоны, в которых деформационные характеристики и системы трещиноватости угрожали возможными выбросами или обрушениями пород. В зонах наибольших напряжений была отмечена микросейсмическая активность и в ходе работ выбросы происходили именно там, где это прогнозировали датчики. В частности, раннее предупреждение 23 августа 2015 года о чрезвычайно сильном выбросе позволило своевременно эвакуировать персонал и оборудование (рис.24). При выбросе глубина полости, образовавшейся в стенке лаборатории, составила 3,3 м.

Притоки воды в туннели и полости в ходе строительства характеризовались высоким давлением, большим объемом и варьирующимися притоками. В некоторых замерных пунктах давление достигало 10 МПа, а приток — 7 м³/с (рис.25). Притоки воды не только ставили под сомнение конструкцию крепи туннелей, но и послужили задержкой хода строительства. Потребовались особые усилия в дополнительной гидрологической разведке, блокировании точек инфильтрации воды, а также ее отвода к общему водоотливному комплексу. С этой целью в водоносные трещины бурились скважины, чтобы снять давление и после этого цементировать их, полностью подавляя приток воды.

В соответствии с полученными результатами исследований экскавация лабораторных залов выполнялась в четыре стадии: в стадии I проходился пилотный туннель первого слоя по направлению от читателя вглубь массива, затем на стадии II в противоположном направлении расширялся пилотный туннель до проектного сечения зала, на стадии III снова по направлению от читателя проходился пилотный туннель второго слоя, и наконец, на стадии IV достигалось полное проектное сечение (рис.26). Проходческий процесс существенно усложняется, когда необходимо сооружать две полости рядом друг с другом. В ходе работ развивается их совместное влияние на породный массив и только компьютерное моделирование позволяет оценить полную картину технологии подземного строительства. Еще более сложная организация работ требуется при строительстве вертикальных полостей (рис.27).

Лаборатория YangYang, Корея, гидроаккумулирующая электростанция

Гидроаккумулирующие электростанции отличаются от плотинных тем, что они, кроме выработки энергии, позволяют ее хранить. Эта возможность создается двумя резервуарами — верхним и нижним — входящими в состав станции. Во время пиковых потребностей в электроэнергии вода из верхнего резервуара пропускается вниз по туннелям или шахтам (стволам) высокого давления, проходит через турбонасосы, работающие в генераторном режиме и попадет в нижний резервуар. Турбонасосы, вращаясь, вырабатывают электроэнергию, направляемую потребителям. Таким образом, сохраняемая в верхнем резервуаре потенциальная энергия воды превращается в кинетическую, а затем, электрическую (рис.28)

Когда потребность в электроэнергии снижается, турбонасосы работают в нагнетательном режиме, и вода из нижнего резервуара возвращается в верхний. Такая перекачка воды требует большей энергии, чем вырабатывается при генераторном режиме. Однако разница тарифов на электроэнергию при ее дефиците в дневное и вечернее время суток делает работу гидроаккумулирующей станции экономически целесообразной.

Физическая лаборатория Янъян (Yangyang) расположена в провинции Канвон, Южная Корея в комплексе с подземными выработками гидроаккумулирующей электростанции Янъян мощностью 1000 МВт, которая использует воду реки Намдэ-Чун. Нижний резервуар станции создается бетонной плотиной Янъян высотой 61,5 м и длиной 275 м на реке Намдэ, а верхний резервуар — насыпной плотиной Индже, которая имеет высоту 84 м, длину 415 и находится в горах на высоте 937 м над электростанцией. Нижний резервуар имеет емкость 19 982 000 м³, из которых 4 200 000 м³ являются активной (или «полезной») емкостью для электростанции. Общая емкость верхнего резервуара составляет 4 568 000 м³, активная 4 200 000 м³. Строительство электростанции началось в 1996 г. и было завершено в сентябре 2006 г., строительство научной лаборатории — в 2014 г. (рис.29,30).

В машинном зале электростанции установлено четыре реверсивных турбонасоса по 250 МВт, работающих с высотой напора воды 1000 м. Они расположены на глубине около 700 м. Вокруг основных сооружений электростанции расположены напорные и хвостовые туннели воды, а также несколько туннелей доступа.

К туннелям машинного зала примыкают экспериментальные залы А5 и А6 физической лаборатории по поиску темной материи (рис.31).

Поперечные сечения экспериментальных залов: форма подковообразная, зал А: площадь сечения 16,5 м², ширина пола 20 м, высота 17 м, зал В соответственно: 15,5 м², 15 м, 14 м (рис.32).

Кроме основного оборудования, лаборатория оснащена системами мониторинга каждого эксперимента и вспомогательными системами, такими как система снижения содержания радона, выделяющегося из породного массива, система охлаждения воды и комната электрооборудования. Имеется внутренняя вентиляционная система для работающих в лаборатории, сигнализация опасности и противопожарная система.

Строительством объектов гидроаккумулирующей электростанции предусмотрены мероприятия по охране окружающей среды, связанные с поддержанием имеющегося высокого качества воды в реке Намдэ-Чун и, в частности, поголовья рыб. Среди них есть виды, которые поднимаются вверх по течению для нереста, например, кета (вид лосося). Для пропуска рыб через плотину в ней предусмотрен специальный канал (рис.33).