СЕМЬ ИСКУССТВ

 Строительство гидроаккумулирующих электростанций позволяет хранить электрическую энергию во внепиковые периоды потребляемых мощностей. Поскольку стоимость энергии в такие периоды падает, ее сохранение имеет экономический смысл с тем, чтобы в пиковые периоды потребления продавать энергию по более высоким ценам.

Леонид Кауфман

ФИЗИЧЕСКИЕ ЛАБОРАТОРИИ В ШАХТАХ КАНАДЫ И ЕВРОПЫ

Лаборатория в шахте Крайтон, Канада

Нейтринная обсерватория в Садбэри (Sudbury Neutrino Observatory), Онтарио, Канада, расположена на глубине 2039 м в шахте Крайтон (Creiqhton), добывающей медную и никелевую руду (рис.1). Шахта Крайтон — одна из примерно 20 медно-никелевых шахт, расположенных в уникальной геологической структуре, известной как бассейн Садбэри. Эта эллиптическая формация (рис.2) с размерами 60×27 км — все, что осталось от гораздо большего кратера диаметром примерно 70 км, образовавшегося в Канадском щите около 1,8 млрд, лет назад. Большинство из тех, кто его изучал, считает, что этот кратер — результат падения метеорита размером от 1 до 3 км, врезавшегося в Землю со скоростью 15 км/сек. Выброс огромной энергии расплавил и испарил часть горных пород, измельчил и разбросал на большой площади другую их часть. Осколки объемом 1-3 м³, упавшие на Землю, сохранились в бассейне до сих пор. В пределах 2-3 млн. лет после удара дно кратера, глубиной около 20 км, выгнулось пиком в центре, подобно отскочившей дождевой капле, а позднее сжалось, чтобы образовать бассейн Садбэри.

Формирование кратера разгрузило от горного давления нижележащие породы, богатые никелем и медью, залегающие на много километров ниже точки удара. Как результат, эти породы расплавились и поднялись в кратер, заставив всплыть обломки. Постепенно охлаждаясь, рудное тело сформировалось вдоль границ бассейна. По этим границам сегодня расположены медно-никелевые шахты. В некоторых из них таких, как Крайтон или медная шахта Copper Cliff, рудное тело уходит на обследованную глубину, по крайней мере, 3 км (рис.3).

Нейтринная обсерватория Садбэри (рис.4) связана с горными выработками шахты Крайтон. Здесь был установлен детектор с тяжелой водой SNO, предназначенный для наблюдения нейтринных потоков от Солнца и других астрофизических источников. Бочкообразная полость детектора имеет диаметр 22 м и высоту 30 м. На набрызгбетонные стены полости нанесен полиуретановый слой толщиной 8 мм. В полости размещался детектор диаметром 18 м, затем ее оставшееся пространство было заполнено водой, которая вместе с крепью полости защищает ее от радиоактивности окружающих гранитных пород. Вход в полость осуществляется с основного уровня лаборатории на палубу, поддерживаемую на высоте 24 м над дном полости. Детектор был подвешен под палубой (рис.5-7).

В состав лаборатории SNOLAB, кроме полости детектора SNO, построенной и введенной в работу в 1999 г., входят также подземные помещения, построенные в 2004-2008 гг: Cube Hall, Cryopit, HALO, лестничные лаборатории (рис.8).

Кубический зал (Сube hall), способный вместить объем в форме куба размером примерно 15 м, имеет длину 18 м и ширину 15 м в основании, изогнутые стены достигают ширины 18 м. Общая высота полости составляет 19 м и доступ к ней возможен через промежуточную перегрузочную площадку, расположенную на 15 м выше пола полости. Во время экскавации в полости установлен 10-тонный монорельс.

Зал криогенного резервуара (Cryopit) (хранение сжиженного газа) представляет собой цилиндрический котлован с прямыми стенами и купольной верхней частью. Диаметр зала 15 м, высота 19 м. Как и в кубическом зале доступ к полости возможен через вход, расположенный на высоте 15 м от пола. Здесь установлен жидкостный криогенный детектор, изолированный от остальной части лаборатории. Полость оборудована монорельсовым краном грузоподъемностью 5 т.

Детектор HALO (Helium and Lead Observatory) предназначен для обнаружения нейтрино и нейтронов, образующихся при взрыве сверхновых звезд. Он расположен в туннеле длиной 35 м, шириной 6 м и высотой 5 м. В детекторе используется 76 тонн свинцовых блоков и 128 нейтронных детекторов.

Лестничные лаборатории — сеть туннелей, которая получила свое название за сходство геометрии с лестницей-стремянкой. Лабораторное оборудование небольшого (4-5 м) размера размещается в «стойках» стремянки шириной 4-7,5 м и высотой 5-8 м, а на ее ступенях — управляющее и вспомогательное оборудование (рис.9).

Кроме пространства, предназначенного для размещения детекторов, пройдены туннели для размещения управляющего оборудования, складирования материалов, другого оборудования, таких как насосы, криогенные рефрижераторы, системы очистки. Кубический и криогенный залы имеют общую рампу для заезда на их нижний горизонт, которая использовалась при проходческих работах. На этом горизонте установлен тамбур, используемый только при транспортировке крупногабаритного оборудования.

Особым аспектом лабораторных исследований является обеспечение чистоты эксперимента и устранение любого вмешательства в измерения. Поэтому в состав комплекса входит мойка машин, материалов и оборудования. Персонал попадает в лабораторию через отдельный вход, где принимает душ и меняет одежду. В серии фильтров очищается воздух. Установки для очистки обычной и тяжелой воды располагаются в отдельном туннеле вблизи полости детектора. Системы электронных данных, мониторинга и безопасности располагаются в коротком туннеле, связывающем полость с остальной лабораторией. Лабораторный комплекс использует существующую в шахте инфраструктуру вентиляции, водо-, пневмо-, электроснабжения, грузоподъемных и транспортных операций.

Строительство основной полости лаборатории детектора с детектором SNO проводилось по специальному проекту последовательности работ. Вначале со стороны действующей шахты проходилась подводящая выработка, через которую формировался свод камеры и устанавливался мостовой кран для обслуживания дальнейших работ. Затем с выработки, подведенной к почве камеры детектора, снизу вверх проходился вертикальный спуск. На следующей стадии этот спуск расширялся сверху вниз до размеров камеры, причем по нему отбитая порода спускалась вниз для дальнейшей транспортировки. После проходки камеры было смонтировано оборудование детектора, состоящее из поддерживающей сферы и собственно детектора — акрилового сосуда (рис.10).

Лаборатория в шахте Пихасалми, Финляндия

В Европе намечен к строительству комплекс научных лабораторий на шахте Пихасалми (Pyhasalmi), Пихаярви, Финляндия, которая добывала цинк, медь и пириты — серные и железные колчеданы, которые служат субпродуктами металлов. Наиболее распространенный тип пород, вмещающих месторождение, граниты. До 1967 г. шахта добывала руду открытым способом. После 60 лет работы шахта имела глубину 1440 м, что делает ее самой глубокой в Европе. Предполагается прекращение ее работы в 2021 г.

Вскрытие рудных тел производится с применением схем, показанных на рис.11. Схема вскрытия рудного тела шахты Пихасалми показана на рис.12.

Из-за большой глубины шахты и чрезвычайно разветвленной сети туннелей, созданной в течение 66 лет подземных операций, шахта с 1995 г. стала привлекательным местом размещения научных лабораторий разнообразного назначения. В 2015 г. начал осуществляться проект Каллио (Callio, слово, которое произошло от финского слова kallio — коренные породы). С этого времени, кроме добычи руды, на шахте проводились исследования горной техники, систем экранирования радиоактивных излучений, детекторов элементарных частиц, наблюдение космических лучей и даже выращивание овощей и картофеля на подземной экспериментальной ферме. На рис.13,14 показаны зал главной лаборатории, расположенной на горизонте 1430 м и одна из операций его строительства.

Четыре лаборатории Каллио к 2020 г. размещены на горизонтах глубиной 75 м (Лаборатория 1), 660 м (Лаборатория 4), 990 м (Лаборатория 3), и 1430 м (Лаборатория 2). В лабораториях 1 и 2 выполняются физические эксперименты. Главный горизонт доступен через шахтный подъем, транспортирующий людей по вертикальному стволу со скоростью 12 м/сек и достигающий поверхности за 3 минуты. Все горизонты также доступны через наклонный туннель длиной 12 км с шириной сечения, достаточной для прохода грузовика с поверхности до горизонта 1430 м за 30 мин. Окружающие породы уникально устойчивы, они тщательно исследованы для размещения лабораторий, особенно на большой глубине.

Концептуальным проектом развития научного комплекса шахты Пихасалми до 2018 г. предусматривалось строительство больших подземных полостей для детекторов нейтрино, таких как с жидким сцинтиллятором LENA (Low Energy Neutrino Astronomy) и жидким аргоном GLACIER (Giant Liquid Argon Charge Imaging ExpeRiment) (рис.15).

Однако, в связи с проблемами финансирования это строительство было отложено. С 2019 года, как начальный этап исследований, в лаборатории 1 проводятся эксперименты EMMA (Experiment with Multi-Muon Array) с регистрацией элементарных частиц мюонов в космических лучах.

Еще одним крупным экспериментом, намеченным к строительству в шахте Пихасалми, будет подземная гидроаккумулирующая электростанция (рис.16-18) с наибольшим в мире гидравлическим напором потока, поступающего к турбонасосному залу, расположенному на гор.1400 м, как и нижний резервуар, состоящий из специально пройденных туннелей.

Строительство гидроаккумулирующих электростанций позволяет хранить электрическую энергию во внепиковые периоды потребляемых мощностей. Поскольку стоимость энергии в такие периоды падает, ее сохранение имеет экономический смысл с тем, чтобы в пиковые периоды потребления продавать энергию по более высоким ценам.

С этой целью во время пиковых потребностей в электроэнергии вода из верхнего резервуара, располагаемого на поверхности шахты, пропускается по стволам или туннелям высокого давления, проходит через турбины, генерируя энергию, и попадает в нижний резервуар. Таким образом, сохраняемая за плотиной верхнего резервуара потенциальная энергия воды превращается в кинетическую, а затем в электрическую. Когда потребность в электроэнергии снижается, турбины работают как насосы, и вода из нижнего резервуара возвращается в верхний.

Оцениваемая продолжительность строительства станции — 3 года, срок ее службы — 50 лет. Предварительная экономическая оценка показывает, что установленная мощность станции должна составлять 75 МВт с количеством произведенной энергии 530 МВт-час.

Лаборатория в шахте Балби, Великобритания

Подземная лаборатория Балби по исследованию «темной материи» (Boulby Underground Laboratory for Dark Matter research), Лофтус, Великобритания размещается в шахте, единственной в стране и самой глубокой в Европе, добывающей поташ (углекислый калий), который применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Шахта расположена на северо-восточном побережье Англии и на окраине болот Северного Йоркшира.

Поташ является жизненно важным регулятором роста растений и поэтому им необходимо искусственно пополнять культивируемые почвы. Шахта Балби также добывает каменную соль, используемую для предотвращения обмерзания дорог зимой.

Месторождение поташа и соли простирается на расстояние 15 км с севера на юг. Оно было образовано примерно 230 млн. лет назад испарением древнего моря и сосредоточено на глубине 1200-1500 м в пласте мощностью 0-20 м, достигая средней мощности 7 м (рис.19).

Шахта Балби открыта в 1973 г. и добывает 2,8-3 млн. т руды поташа в год, из которой после обогащения вырабатывается около 1 млн. т поташа. Дополнительно добывается около 750 тыс. т каменной соли. Работы обычно проводятся на участках пласта поташа, где его мощность составляет более 4 м. Горные работы на шахте ведутся полную неделю 24 часа в сутки. При этом добыча поташа ведется с понедельника по пятницу, а соли — в субботу и воскресенье. Соль извлекается из слоя, залегающего непосредственно под поташем.

Горные работы в настоящее время ведутся на глубине 1500 м и продвинулись более, чем на 7 км под дно Северного моря. Пласт отрабатывается по камерной системе разработки с оставлением целиков для поддержания кровли. Относительная влажность воздуха в шахте составляет 37%, температура пород 35°С, после охлаждения температура воздуха достигает 28°С (рис. 20,21).

На шахте Балби пласт поташа вскрыт двумя вертикальными стволами (скиповым и клетевым) с диаметрами около 5,5 м, глубиной 1150 м, пройденными в 1968-74 гг. На одном из участков стволы пересекли водоносные песчаники, в которых содержалась соленая вода под большим давлением, что потребовало применения их замораживания и цементации. Стволы крепились монолитным железобетоном и усилены металлическими стержнями. Зазор между крепью и породой заполнялся полиуретановой пеной (рис.22,23).

Несмотря на усиление крепи в описанной зоне, всего через 2 года в крепи стволов появились трещины, а за десятилетия крепь была так повреждена, что понадобилась ее замена. Притоки воды потребовали дополнительных мер по их предотвращению.

Работы по ремонту выполнялись в 1983-86 гг., а затем еще раз в 1998-99 в клетевом стволе и в 2000-2001 г. в скиповом. По периметру ствола укладывались кольца из высокопрочных бетонных блоков, подвешенных на продольных металлических стержнях за кольцевые стальные платформы, введенные в бетонную крепь ствола. Жесткость системы крепи из бетонных блоков обеспечивалась эпоксидной смолой в вертикальных швах и цементным раствором в горизонтальных швах. Цемент закачивался также в кольцевой зазор между бетонными блоками и породой.

В шахте Балби на глубине 1100 м в 1988 г. была оборудована физическая лаборатория для исследования «темной» материи, которая составляет весьма значительную часть общей материи Вселенной, однако ее природа и свойства еще не выяснены физиками (рис.24). Расположение оборудования под землей позволило уменьшить фоновый поток космических лучей в 106 раз. Первоначальная площадь установки исследовательского оборудования составляла 300 м², сейчас она выросла до 2500 м², на ней расположены, кроме основного оборудования, подсобные помещения, компьютерная техника, склады.

Здесь были разработаны и испытаны ведущие мировые технологии обнаружения темной материи, включая детекторы NAIAD и ZEPLIN. Балби продолжает программы применения направленного детектора темной материи, другие исследования мирового класса, в частности, изучение геологии, геофизики, климата, окружающей среды, развития технологии исследования планет, жизни в экстремальных условиях на Земле и за ее пределами.

Сегодня подземная лаборатория Балби включает помещения с общим объемом 4000 м³ для проектов с ультранизким фоном (рис.25). Кроме того, Балби управляет внешней экспериментальной зоной с объемом 3000 м³ в ближайшей соляной полости, где проводятся исследования подземной окружающей среды и геологии. Здесь также продолжается изучение микробиологической жизни, разрабатываются новые учебные материалы и поддерживаются живые связи с общественностью.

Условия Балби могут быть использованы для тестирования технологий роботизированных и человеческих исследований других планетарных тел.

Лаборатория в шахте Unirea, Румыния

В соляной шахте Unirea, Прахова жудец, рядом с городом Слэник, начиная с 2006 года, проводятся физические исследования, связанные с гамма-излучением (видом электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны, Википедия). Шахта состоит из нескольких галерей шириной по 32-36 м, высотой по 54-58 м с общей площадью 70 000 м². Лаборатория находится на глубине 208 м под поверхностью прикарпатских холмов. Доступ к шахте обеспечивается через вертикальный ствол. Добыча соли сейчас прекращена и в шахту проводятся экскурсии. В будущем на глубоких горизонтах шахты предполагается размещение перспективного исследовательского комплекса Laguna (рис.26).

Лаборатория в шахте Солотвино, Украина

Подземная лаборатория Солотвино была построена в 1984 году отделом лептонной (элементарных частиц) физики. Института ядерных исследований НАН Украины. Она расположена на западе Украины, в небольшом городке Закарпатской области недалеко от границы с Румынией. Город известен своими соляными копями, большой аллергической больницей с подземным отделением и солеными озерами с лечебной грязью.

Лаборатория размещалась в соляной шахте на глубине 430 м (146 м ниже уровня моря). Она состоит из одного большого и нескольких меньших залов общей площадью около 1000 м². Естественная температура — 22-24⁰C. Помещение лаборатории было разделено на главный зал и 4 камеры (рис.27). Доступ к ней осуществлялся по шахтному вертикальному стволу.

На этой глубине поток космических лучей снижается в 104 раза. Из-за низкого уровня фонового радиоактивного загрязнения соли расположение лаборатории в соляном куполе очень важно в экспериментах по исследованиям в физике элементарных частиц.

Помимо этих экспериментов здесь было выполнено множество прикладных измерений, в частности, при выборе материалов с минимальным радиоактивным загрязнением для низкофоновых установок.

Всего в Солотвино эксплуатировалось девять различных шахт, из которых шахты 1-6 были старше, имели меньшую производительность и работали до 1930 годов. Шахта 7, расположенная ближе к центру соляного купола, действовала до 1970 г. И хотя ствол шахты 7 уже обрушился в 1950 г, ее запасы продолжали отрабатываться через горизонтальный туннель шахты 8. Шахта 8 и шахта 9 расположены на южной и северной сторонах купола соответственно.

В 2010 г. произошло обильное наводнение и обрушение обеих шахт, после чего закрытая шахта 7 и обе работающие шахты 8 и 9 были заброшены.

Добычные полости шахт 7 и 8 обрушились, потому что они разрабатывались всего в10-30 м от осадочных пород, покрывающих соляной купол. Сформированный между ними и этим куполом слой смеси глины и соли (Pallag) толщиной до 1 м размывался потоками подземных вод. В результате кровля полостей обрушалась, создавая на поверхности кратеры диаметром до 250 м, глубиной до 30 м.

Шахта 9 расположена в северной части месторождения и отрабатывалась на глубине около 400 м. На поверхности нет видимых деформаций или разрушений, непосредственно связанных с затоплением шахты. Выяснилось, что оно произошло со стороны пород, очень близко к которым располагались добычные полости. Здесь горные работы встретились с водонесущим нарушением и поток воды не удалось остановить, что привело к быстрому растворению соли.

На рис.28 показана концептуальная модель поперечного сечения соляного купола от гор Магура до реки Тиса. Кроме основного обрушения бывших горных работ, между шахтами 7, 8 и болотом Черный Мочар возникли провалы и воронки. Добыча соли была прекращена, физическая лаборатория прекратила свое существование, жители выселены из опасных зон.

Рис.29 показывает эволюцию во времени провалов поверхности над шахтами 7 и 8 с 2012 г. по 2016 г, рис.30 — пример разрушения жилого дома.

(продолжение следует)