Вступительное слово
В последние десятилетия производство, наука и культура перемещаются в подземное пространство. Под землей располагаются научные физические центры, ракетные шахты, хранилища радиоактивных отходов, спортивные залы и даже электростанции и церкви. Создаваемые для них подземные полости становятся архитектурными чудесами дизайна, а разработанные методы и оборудование строительства позволяют решать постоянно возникающие экономические и экологические проблемы.
Разные причины приводят к выбору расположения этих сооружений под землей. Особое значение такое решение имеет для лабораторий, исследующих проблемы физики элементарных частиц и астрофизики, в частности — нейтрино и так называемой темной материи, гипотетической и пока не обнаруженной формы вещества.
Нейтрино элементарная частица, обладающая очень малой массой и не имеющая заряда. Она очень слабо взаимодействует с веществом, чем объясняется ее высокая проникающая способность. В этом же заключается трудность исследований нейтрино в прямых опытах. Экспериментальная физика решает эту проблему, сталкивая элементарные частицы и прослеживая траектории их осколков в среде, в которой происходят столкновения. Такой средой могут служить, например, так называемая ультрачистая вода в детекторе Черенкова, или (в детекторах нового поколения) специальная смесь из трех компонентов в сцинтилляторе LENA (Low Energy Neutrino Astronomy), а также жидкий (охлажденный до минус 184°C) аргон в детекторе GLACIER (Giant Liquid Argon Charge Imaging ExpeRiment). Детекторы часто располагают под землей, чтобы изолировать их от космических лучей и других фоновых излучений.
Исходной моделью для детекторов нейтрино служит детектор Черенкова. Его работа основана на следующих принципах. Ничто не может двигаться быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако, когда свет проходит через прозрачную среду, такую как вода, его скорость замедляется из-за преломления водой. Например, при комнатной температуре свет в воде распространяется со скоростью равной 3/4 скорости света в вакууме. Однако, элементарные частицы, например нейтрино, не замедляются преломлением. Поэтому такая частица с высокой энергией будет двигаться быстрее, чем свет в воде. Разница скорости света и заряженных частиц создает так называемое излучение Черенкова. Регистрируя это излучение фотоумножителями, прикрепленными к внутренней поверхности детектора, можно определить энергию и направление нейтрино.
Фотоумножители — светочувствительные электронные приборы, преобразующие пучок света в усиленный электрический сигнал.
Конфигурация и размеры лабораторных залов определяются законами науки и целями, стоящими перед исследователями. Их объяснению и толкованию заслуженно посвящено множество статей, книг, электронных ресурсов. Значительно меньшее внимание уделяется сооружению огромных подземных полостей, в которых размещается специфическое физическое оборудование и проводятся эти исследования. Поэтому далее автор старается объяснить читателю, чем вызваны трудности строительства под землей, какое уникальное оборудование при этом применяется, какие меры предпринимаются строителями для охраны природы и наземных сооружений. И, если в выбранном физиками месте размещения лаборатории имеются горные выработки туннели и полости, горизонтальные штольни, вертикальные или наклонные стволы, подземные строители стараются их использовать для экономии расходов и простоты обслуживания будущей лаборатории.
Основные физические лаборатории действующие, строящиеся или расширяемые, предлагаемые на стадии концептуального дизайна, располагаемые на горизонтах закрытых или работающих шахт в США и Канаде, показаны на рис. 1
Рис.1.Основные физические лаборатории, расположенные на шахтах Северной Америки. https://www2.kek.jp/physics-seminar/pdf2005/051101_Wilkes.pdf
Физические лаборатории в шахтах США
Шахта Хендерсон (Henderson), штат Колорадо
Место расположения подземной лаборатории на большой глубине, позволяющей из покрывающих пород создать надежное препятствие для проникновения космических лучей, выбиралось из многих возможных вариантов действующих или закрытых шахт. Такой критерий позволял использовать сложившуюся инфраструктуру предприятия, его стационарное оборудование и сохранить квалифицированные кадры поддержания горного хозяйства и обслуживания машин и механизмов. В конечном счете в качестве наиболее подходящих вариантов остались действующая молибденовая шахта Хендерсон в штате Колорадо и закрытая золотодобывающая шахта Хоумстейк в штате Южная Дакота.
Шахта Хендерсон добывает молибденовую руду подземным способом. Молибден металл серого цвета, используется, в основном, для производства высокопрочных сталей. Другое использование включает химические вещества и смазочные материалы.
Участок шахты расположен в 80,5 км к западу от Денвера, штат Колорадо на высоте 10200 футов (3110 м) над уровнем моря. Запасы шахты обеспечивают срок ее службы еще примерно на 20 лет. Месторождение Хендерсон состоит из двух перекрывающих друг друга рудных тел, залегающих на глубине 1080 м под вершиной Красной горы и состоящих из молибденита и кварца. Вмещающие породы очень прочные граниты (рис. 2,3).
Шахта начала добывать молибденовую руду в 1976 г. с производительностью 10 миллионов тонн в год после 10-летней программы предварительной подготовки и инвестирования 500 миллионов долларов. Доступ в шахту с поверхности до горизонта 7500 футов (2290 м) осуществляется через клетевой ствол глубиной 820 м (рис.4), по которому может транспортироваться одновременно 200 человек. В клети размещается груз длиной 7,1 м, шириной 2,6 м и высотой 3,9 м, весящий до 30 т.
Рис.2. Разрез по вскрывающим выработкам шахты Хендерсон. https://www.terrain.org/2013/nonfiction/the-great-underground || Размеры в футах (1 фут = 0,3 м), truck haul to Ft. Madison conversion plant — автотрасса к перерабатывающей фабрике форта Мэдисон, Mill site — обогатительная установка, Concentrator — концентратор, Mill yard drive house&transfer station — перегрузочная станция обогатительной установки, Transfer station&drive house (PC2/PC3) — перегрузочная станция конвейеров PC2/PC3, Overland 48″ production conveyor (PC3)(4 miles long) — надземный конвейер (РС3) с шириной ленты 1,2 м, длиной 6,4 км, #4 ventilation shaft (отметка над уровнем моря 9808 ft) (not in use) — вентиляционный ствол №4 (отметка 2770) ( не используется), Continental divide (12000 ft) — главный водораздел (отметка 3660 м), Mine site (10200 ft) — площадка шахты (отметка 3100 м), Men&material shaft — ствол для людей и материалов, Ventilation shafts — вентиляционные стволы, Inter — level ramps — рампы между горизонтами, PC1/PC2 transfer station — перегрузочная станция конвейерных линий PC1/PC2, 48″ production conveyer (PC1) (1 mile long) 3% — конвейер (РС1) с шириной ленты 1,2 м c уклоном 11°, Red Mtn. — Красная гора, Exhausted 8100 level — отработанный горизонт, Future high lift cave area — будущая добычная полость, Underground crusher&reclaim gallery — подземное дробильная и усредняющая галерея, Denver 50 miles — расстояние до Денвера 80 км, 7700 production level — добычной горизонт, 7500 former train level — бывший транспортный горизонт, 7065 haulage level and crusher dump — горизонт откатки и склада дробленой руды
Рис.3. Концептуальный дизайн расположения физических лабораторий в шахте Хендерсон. http://crop.unl.edu/claes/HD_CDR_23Jun_final-1.pd || цветным фоном показаны геологические структуры, штриховой линией нарушенная зона, зеленым цветом наклонные туннели к научным лабораториям, синим цветом наклонные рампы доступа, темным фиолетовым цветом научные лаборатории. Мain shaft — главный ствол, internal shaft -«слепой» ствол, conveyor-конвейер, LA (level access) ramp — рампа доступа к горизонту, crusher — дробилка, DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory) -лаборатория подземной науки и инженерии, ventilation raises — вентиляционные наклонные туннели
Руда, отбитая от массива с помощью буровзрывных работ (на рис. 5,6 показано оборудование для их выполнения), транспортируется самосвалами с боковой разгрузкой грузоподъемностью 80 т к дробилке, которой она размельчается на куски не более 20 см с производительностью 2300 т/час. Из дробилки руда поступает на конвейерный комплекс, состоящий из трех конвейерных лент: подземной РС1 (длина транспортировки 1,6 км), подземной РС2 (16,1 км) и наземной РС3 (6,4 км).
Физические лаборатории в шахте Хендерсон предполагалось расположить прямо под вершиной горы Харрисон на высоте 12 300 футов (3750 м) над уровнем моря. Концептуальным проектом лаборатории предусматривалось максимально использовать технологическую инфраструктуру шахты. С действующим горизонтом 7065 центральный комплекс лаборатории соединяется двумя наклонными туннелями, длиной примерно по 1100 м, пройденными под углом 10°, шириной 6,0 м, высотой 5,5 м.
Рис.4. Сечение главного (клетевого) ствола шахты Хендерсон. http://crop.unl.edu/claes/HD_CDR_23Jun_final-1.pdf || Shaft sinking configuration: sinking buckets, stage ropes, main hoist, approx 22-ft diam shaft, 20′ inside diam. shaft, 18-ft 6-in sinking stage -оснащение ствола на период проходки: проходческие бадьи, канаты проходческого полка, канат главного подъема, диаметр в проходке приблизительно 6,7 м, диаметр в свету 6,0 м, проходческий полок диаметром 5,6 м. Operational configuration: personnel&small equipment cage -клеть для персонала и малогабаритного оборудования, emergency cage — аварийная клеть, counter weight -контргруз, steel sets -металлическая армировка ствола
Рис.5. Установка крепи в выработках шахты Хендерсон. https://www.northernminer.com/news/top-10-us-mining-companies/1003798604/
Рис.6. Погрузчик руды в шахте Хендерсон. https://www.slideserve.com/lynnea/henderson-dusel-conceptual-design
Шахта Хоумстейк, штат Южная Дакота
При окончательном выборе варианта расположения физической лаборатории учитывалось, что штат Южная Дакота ранее уже инвестировал 46 млн долларов в ее создание на шахте Хоумстейк, а миллиардер Дэнни Сэнфорд 70 млн долларов. Еще одним обстоятельством, определяющим выбор шахты для размещения лаборатории, служили свойства горных пород, залегающих над ней. Их состав и структура, фоновые излучения влияют на исследуемые физические процессы. Одной из задач, которые должны решаться в лаборатории изучение экзотических форм жизни, обитающих в породном массиве. Их выживание не зависит от присутствия в породах кислорода. Для этой задачи более пригодными оказались условия шахты Хоумстейк, которая была принята в качестве окончательного варианта для размещения подземного комплекса Sanford Underground Research Facility (Подземный исследовательский центр Сэнфорд), в котором будет реализовываться проект DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory) Глубокая подземная научно-техническая лаборатория.
Шахта Хоумстейк в свое время была самой глубокой и самой крупной шахтой по добыче золота в Северной Америке. Месторождение золота было открыто в 1876 г., добыча началась в 1878 г. и ко времени прекращения работ в 2001 г. составила за 125 лет 1240 тонн золота. Подземные операции создали более 800 км туннелей и стволов, углубляясь с поверхности до глубины 2,44 км. Схема вскрытия месторождения (рис. 7) определилась расположением и характеристиками нескольких рудных тел, залегающих в шахтном поле. Причинами закрытия шахты стали низкие цены на золото, низкое качество руды и высокие затраты на добычу.
Наибольшей глубины разработки 8000 футов (2438 м) шахта достигла в 1970-х годах. Здесь температура пород была равна 133° по Фаренгейту (56° по Цельсию). Потребовались большие затраты на создание эффективной системы кондиционирования воздуха.
Решение о размещении в шахте физического исследовательского комплекса было принято в 2007 году. Шахта расположена в крепком породном массиве, ее туннели и полости расположены на большой глубине. Эти факторы обеспечивают создание толщи породного щита большой мощности над нейтринными детекторами. Основным научным горизонтом становится гор.4850. В дальнейшем научные лаборатории будут располагаться на горизонтах глубиной 8000, 7400, 2000 и 300 футов (2438, 2256, 610 и 91 м).
Месторождение золота вскрыто двумя главными прямоугольными в сечении вертикальными стволами Ятес и Росс, достигающими глубины 4850 футов (1478 м), где будут размещены полости для физического оборудования, строительство которых началось в июле 2017 года, но исследования нейтрино проводились здесь под землей еще в ранних 60-х годах. Была создана лаборатория профессора Р. Дэвиса, а в 2002 году он получил за работы с нейтрино Нобелевскую премию.
Рис.7. Схема вскрытия шахты Хоумстейк. https://www.sanfordlab.org/feature/sanford-underground-research-facility-overview
Переустройство шахты Хоумстейк потребовало комплексного решения. Во время ее работы ствол Ятес был закреплен деревянной крепью и разделен на четыре отделения — два грузовых (скиповых) для выдачи руды и два клетевых для людей и оборудования. Ствол Росс оборудован двухскиповым и двухэтажным клетевым подъемами. На горизонте 4850 футов стволы связаны главным туннелем длиной 1 км сечением 4×4 м. Горизонты ниже 4850 футов вскрыты так называемыми «слепыми» стволами, не имеющими прямого выхода на поверхность. Подъемное оборудование в стволах было установлено еще в годы второй мировой воины. К рудному телу по глубине каждые 45-50 м подходят участковые продольные и поперечные туннели, через которые производились работы по добыче руды и ее доставке на главные горизонты.
При размещении лабораторий в шахте Хоумстейк действующие стволы Ятес, Росс глубиной 1,5 км, а в будущем также «слепой» (между горизонтами) ствол №6, реконструируются. Деревянная крепь стволов Ятес и Росс заменяется на металлическую. Через эти стволы обеспечивается связь поверхности с горизонтом 4850, а через ствол №6 и наклонные выработки, пройденные при добыче руды связь горизонтов 4850, 7400 и 8000. В стволах навешиваются новые подъемные сосуды, размещаются трубы, противовесы подъемных установок, а также аварийные подъемы людей, усиливаются крепь и балки, которыми направляется движение скипов и клетей.
Шахта имеет большое количество подземных полостей — помещений для размещения различного оборудования, расположенного на глубинах до 2100 м. Эти полости размерами 20×10×50 м поддерживаются, в основном, обычными видами крепи, такими, как металлические болты (стержни, закрепляемые в толще горных пород) или набрызгбетон (бетон, наносимый безопалубочным методом), и могут принять лаборатории на разной глубине при некотором расширении и усилении существующей крепи.
Достоинства использования существующей шахты для создания лаборатории — наличие развитой сети ее инфраструктуры, включающей электро- и водоснабжение, оборудование и сеть сжатого воздуха, вентиляцию, откачку подземной воды, кондиционирование воздуха, контроль параметров микроклимата, аварийные выходы. Наибольшая в США глубина расположения физических приборов, возможность их установки на разных уровнях, высокая устойчивость горных пород, сделали Хоумстейк идеальным местом для национальной лаборатории наук о Земле.
Многие из зданий и сооружений существующей инфраструктуры поверхности шахты Хоумстейк приспособлены для целей научного центра, позволяя таким образом снизить затраты на его обустройство. Даже обычно очень сложный природоохранный вопрос складирования породы от строительства туннелей и подземных полостей успешно решен. В качестве отвала используют котлован, оставшийся на поверхности шахты со времен, когда добыча золота велась открытым способом с поверхности (см. об этом далее). Однако, прекращение добычи руды, необходимость выполнения большого объема строительства подземных лабораторий и исследовательских операций потребовала определенной переделки объектов поверхности, больших объемов строительно-монтажных работ.
Основные помещения лабораторий будут расположены на двух главных горизонтах основном 4850 и перспективном 7400 (рис. 8). На первом общая площадь, занятая научным комплексом 25000 м2, из которой непосредственно лабораториями 6200 м2. На втором общая площадь составит 7000 м2, лабораторная 1300 м2.
На рис. 9 показаны лаборатории гор.4850.
Перечень научных задач и основного оборудования для выполнения запланированных исследований, показанных на этом рисунке, представлен далее.
Рис.8. Схема расположения перспективных научных горизонтов в шахте Хоумстейк. http://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/Other_experiments/DUSEL.pdf || L (level) — горизонт, Yates shaft — ствол Ятес, Ross shaft — ствол Росс, shaft — вертикальный ствол с выходом на поверхность, winze — вертикальный ствол между горизонтами без выхода на поверхность, ventilation borehole — вентиляционная скважина
Рис.9. Существующие и будущие научные комплексы на горизонте 4850 шахты Хоумстейк. https://indico.cern.ch/event/835190/contributions/3576904/attachments/1942060/3225499/Heise-UGLabs_NewWorld-NNN19-2019_11_09.pdf
В районе ствола Ятес расположены (рис. 9):
• LUX (Large Underground Xenon) — поиск тяжелой материи,
• MJD (Majorana Demonstrator) — детекторы из германия для поиска безнейтринного двойного бета-распада германия-76,
• СUBED (Сenter for Ultra Low Background Experiments in the Dakotas) Low background courting — Центр Дакоты по экспериментам при сверхнизком фоне,
• BLBF Berkeley Low Background Facility. Low-background courting — Установка Беркли с низким фоновым излучением.
В районе ствола Росс размещается действующая лаборатория MJD (Electroforming Laboratory) гальванопластики.
Future Laboratories (будущие лаборатории):
• Experimental Hall — Экспериментальный зал, Third generation dark matter and/or 1 T neutrinoless double-beta decay — темная материя третьего поколения и/или радиоактивный распад атомного ядра, обусловленный слабым взаимодействием и не сопровождаемый (во время одной осцилляции) эмиссией нейтрино или антинейтрино (Википедия),
• DUNE at LBNF. Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) at the Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) — строительство подземных полостей и туннелей на горизонте 4850 м в общем проекте создания источника излучения нейтрино в лаборатории Фермилаб и его перехвата на шахте Хоумстейк. 4850 Level four 10 kT liquid argon detectors — четыре детектора по 10 000 т жидкого аргона.
В строительстве находятся:
• CASPAR (Compact Accelerator System for Performing Astrophysical Research) — ускоритель для астрофизических исследований,
• BHSU (Black Hills State University) Underground Campus — подземная лаборатория университета Блэк Хиллс.
Комплекс Сэнфорд станет местом проведения DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) подземного эксперимента по изучению нейтрино, в котором будут использованы детекторы, располагаемые на гор.4850 для исследования нейтрино, запущенных из лаборатории Фермилаб (Чикаго) по проекту LBNF с расстояния в почти 1300 км в направлении шахты Хоумстейк. Нейтрино будут двигаться по прямой через Землю, достигая глубины около 30 км примерно на половине пути. Так называемый ближний детектор расположен недалеко от лаборатории Фермилаб, дальний детектор будет находиться в шахте Хоумстейк на глубине 1,5 км (горизонт 4850) (рис. 10).
Здесь строится комплекс из трех полостей. В северной и южной полостях, соединяемых туннелями, будут устанавливаться детекторы элементарных частиц: по два модуля жидкого аргона вместимостью 10 килотонн каждый. В центральной полости устанавливается криогенное, электрическое и вспомогательное оборудование. Экскавационные работы начались в июле 2017 года. Целями исследований будут осцилляции нейтрино его превращения в нейтрино другого сорта (поколения) или в антинейтрино, а также распад протона. Ожидается, что сооружение первых двух модулей завершится в 2024–2026 гг. Последний модуль планируется ввести в 2027 г. (рис. 11-13).
Рис.10. Схема перехвата потока нейтрино от лаборатории Фермилаб к комплексу Сэнфорд (проект LBNF). https://www.dunescience.org || existing labs — существующие лаборатории, underground particle detector — подземный детектор элементарных частиц, neutrino production — выход нейтрино, proton accelerator — ускоритель протона
Рис.11. Трехмерная схема расположения полостей комплекса DUNE лаборатории Сэнфорд. https://rapidcityjournal.com/news/local/communities/lead/dune-moves-forward-with-conveyor-contract/article_44a2bcb8-48d8-51a1-88c5-8276a378ac97.html
На рис. 14 показаны результаты цифрового моделирования напряжения в породном массиве при экскавации полостей. Эти результаты использовались при выборе конструкции и параметров крепи полостей.
Кроме строительства полостей, для выдачи на поверхность породы от их проходки, производятся первоочередные работы по описанной выше реконструкции существующего ствола Росс и по сооружению конвейерного туннеля для транспортировки породы в котлован на поверхности, оставшийся после добычи золота на шахте Хоумстейк открытым способом (рис. 15,16). Работы в стволе и расширение приствольных выработок, в том числе скипового загрузочного устройства, проводились последние несколько лет (рис. 17-19), а в наши дни (середина 2021 г.) усиливаются копер и надшахтные здания.
Рис.12. Трехмерная схема проекта DUNE лаборатории Сэнфорд. https://sciencesprings.wordpress.com/tag/surf-sanford-underground-research-facility || South Dakota Site — сайт в Южной Дакоте, Ross shaft 1,5 km to surface — ствол Росс глубиной 1,5 км, 4850 Level of Sanford Underground Research Facility — горизонт 4850 лаборатории Сэнфорд, Neutrino from Fermi Accelerator Laboratory in Illinois — нейтрино из ускорителя Фермилаб в штате Иллинойс, Facility and cryogenic support systems — оборудование и системы поддержки криогенных систем, One of four detector modules of the Deep Underground Neutrino Experiment — один из четырех детекторов эксперимента DUNE
Рис.13. Размеры полостей эксперимента DUNE. https://docs.dunescience.org/cgi-bin/RetrieveFile?docid =314&filename=Vol%203%2C%20Annex%203C%20CFFS.pdf&version=1
Рис.14. Напряжения породного массива между полостями детекторов DUNE/ https://docs.dunescience.org/cgi-bin/RetrieveFile?docid =314&filename=Vol%203%2C%20Annex%203C%20CFFS.pdf&version=1
Рис.15. Схема транспортировки породы при строительстве на горизонте 4850 подземных полостей комплекса DUNE. https://www.sanfordlab.org/article/lbnfdune-pre-excavation-work-continues-above-and-below|| rock route — маршрут отбитой породы, space to be excavated — пространство извлекаемой породы, distances are not to scale — размеры не в масштабе, Ross Headframe — копер ствола Росс, Ross crusher — дробилка ствола Росс, conveyor route — конвейерный маршрут, former mining area — остановленные открытые горные работы, renovated Ross shaft — реконструированный ствол Росс, LBNF/DUNE cavern excavation (drill+blast) — экскавация буровзрывными работами полости проекта LBNF/DUNE
Рис.16. Остановленные открытые горные работы шахты Хоумстейк. https://www.neutrinoday.com/sessions/Open-Cut-Geology
Рис.17. Реконструкция приствольных выработок ствола Росс на горизонтах 4850 и 5000 при реализации проекта DUNE. https://www.sanfordlab.org/article/lbnfdune-pre-excavation-work-continues-above-and-below-…|| ore pass — рудоспуск, winze — слепой ствол, skip pocket — бункер загрузки скипов
Выемка полостей комплекса DUNE будет вестись с использованием современных буровзрывных технологий поэтапно сверху вниз. Доступ к своду полости и ее основанию будет осуществляться по рампам. Одна из них будет начинаться с соединительного туннеля, а другая от ствола Росс. Последняя обеспечит доступ непосредственно от ствола к полости и будет служить для доставки оборудования, а также для удаления отбитой породы. По оси сечения полости бурятся восходящие скважины, по которым к нижней рампе доступа сверху вниз будет поступать отбитая порода. Затем полость будет проходиться уступами сверху вниз в порядке, показанном на рис. 20.
Рис.18. Реконструкция сопряжения ствола Росс и его приствольной выработки. https://rapidcityjournal.com/news/local/ross-shaft-project-ahead-of-schedule/article_44876e57-2ca2-580f-80d2-2612fc0a93bf.html
Рис.19. Схема загрузочного устройства скипа в стволе Росс. https://vms.fnal.gov/asset/detail?recid=1963110 ore pass length shortened for illustrative purposes — длина рудоспуска для наглядности укорочена, rock loading system — схема загрузки породы, loading pocket — загрузочная камера, rock cushion — породная подушка, gate — затвор, skip in loading position — скип в положении загрузки
Рис.20. Последовательность работ при строительстве полости детектора. https://docs.dunescience.org/cgi-bin/RetrieveFile?docid=314&filenam e=Vol%203%2C%20Annex%203C%20CFFS.pdf&version=1
Учитывая размеры полости, структурные свойства породного массива, возможности возникновения зон перенапряжения и критические требования к долгосрочной устойчивости, особое внимание будет уделено контролируемым методам бурения и взрывных работ. Для определения их оптимальных параметров в туннелях доступа проводилось тестовое взрывание с применением так называемых миллисекундных интервалов между последовательными взрывами. Благодаря этому, внутри породного массива создаются дополнительные плоскости разрушения пород и лучшие условия для их дробления, а также сводятся к минимуму переборы контура сечения, формируются максимально гладкие, устойчивые стены полости (рис. 21).
Полости и сеть туннелей будут поддерживаться в течение 30 лет с помощью оцинкованных анкерных болтов тросов, проволочной сетки и набрызгбетона. Предполагается, что почва полости не потребует поддержки. Система отвода грунтовых вод будет размещена за набрызгбетоном в своде и стенах полости. Эта дренажная система будет собирать естественное просачивание грунтовых вод и устранять возможность повышения гидростатического давления в породном массиве. В бетонной почве полости прокладываются каналы для отвода грунтовых вод в систему водосборников.
Кроме физических исследований, протяженные выработки и полости, расположенные на большой глубине, позволяют наблюдать подземные микробиологические сообщества с точки зрения возможности жизни, например, под поверхностью Марса. Такие микроорганизмы могут играть решающую роль в растворении и формировании минералов. Определенные минералы могут служить питанием для микроорганизмов, а потоки подземных вод позволят транспортировать эти микроорганизмы к нужным минералам. В свою очередь, микроорганизмы могут осаждать минералы или генерировать газы, изменяя проницаемость горных пород и влияя на потоки жидкостей.
Рис.21. Последовательность взрывных работ при строительстве полости детектора. https://docs.dunescience.org/cgi-bin/RetrieveFile?docid=314&filenam e=Vol%203%2C%20Annex%203C%20CFFS.pdf&version=1
Кроме физических исследований, протяженные выработки и полости, расположенные на большой глубине, позволяют наблюдать подземные микробиологические сообщества с точки зрения возможности жизни, например, под поверхностью Марса. Такие микроорганизмы могут играть решающую роль в растворении и формировании минералов. Определенные минералы могут служить питанием для микроорганизмов, а потоки подземных вод позволят транспортировать эти микроорганизмы к нужным минералам. В свою очередь, микроорганизмы могут осаждать минералы или генерировать газы, изменяя проницаемость горных пород и влияя на потоки жидкостей.
Еще одним направлением научных работ Сэнфордского научного центра станет изучение деформационных свойств горных пород, необходимое для развития подземного строительства. Большие подземные полости, созданные для физических экспериментов, служат идеальными лабораториями для постоянного мониторинга этих свойств во времени и пространстве. Гидрологические, трассировочные и геофизические измерения, выполняемые в ходе работ, позволят установить постоянный контроль состояния окружающего породного массива (рис. 22). На рис. 23 изображена геологическая модель конуса пород, вершина которого опирается на полость Дэвиса горизонта 4850. Различные породные формации в конусе 45° показаны разными цветами, серым контуром конус 60°C.. Вертикальные линии обозначают расположение стволов Росс и Ятес.
Рис.22. Из открытой клети инженеры осматривают ствол Росс. https://www.sanfordlab.org/article/lbnfdune-pre-excavation-work-continues-above-and-…
Рис. 23. Трехмерная геологическая модель конуса пород, вершина которого опирается на полость лаборатории Дэвиса на гор.4850. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/606/1/012015/pdf
Шахта Саудан, штат Миннесота
Первые физические эксперименты в шахте Саудан (штат Миннесота, США) начались в 1980 г. Нынешняя лаборатория расположена на глубине 620 м на горизонте 27 шахты и была построена в 1984–1986 годах (рис. 24).
Рис.24. Рудные тела шахты Саудан, шахтные добычные туннели, ствол и комплекс лаборатории (желтый цвет). https://indico.cern.ch/event/199223/contributions/378103/attachments/ 296000/413619/ASPERA_SynergiesUK_Dec2012_v2.pdf
При расположении лаборатории под толщей перекрывающего породного массива фоновое космическое излучение сокращается в 100 000 раз по сравнению с этим излучением на поверхности.
Лаборатория (рис.25) состоит из двух залов, связанных туннелями: зал «Саудан» с размерами 72×14×14 м (рис.26) и зал “MINOS” с размерами 82×16×14 м (рис.27,28). Общая экспериментальная площадь составляет 2300 м3. В лаборатории в разные годы устанавливалось различное оборудование, набор которого соответствовал решаемым физическим задачам.
Главным инструментом Саудана служил металлический калориметр весом 960 т, предназначенный для исследований распада протона и состоявший из 256 идентичных металлических модулей. Он не обнаружил свидетельств распада протона, но участвовал в исследованиях нейтрино. Сейчас в лаборатории установлены детекторы MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), который исследует нейтрино и CDMS II (Cryogenic Dark Matter Search) для низкотемпературного поиска темной материи.
Доступ в лабораторию обеспечивается с поверхности через наклонный ствол и через туннели доступа из горных выработок шахты. Вентиляция горизонта лаборатории и собственно научных полостей обеспечивается общешахтным потоком воздуха.
Рис.25. Подземные полости лаборатории Саудан. http://www.ps.uci.edu/~sobel/Temp2/Sobel_TAUP’05_Underground_Labs.pdf Cryogenic dark matter search (CDM II), LBCF (Low Background Counting Facility) in Soudan — 2 hall — криогенное исследование темной материи в низкофоновой лаборатории, MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) — главный инжектор нейтрино для исследований осцилляций, shaft of surface — ствол к поверхности
Рис.26. Детектор Саудан 2. https://zzz.physics.umn.edu/lowrad/_media/meeting7/lbcf_bunker.pdf
Рис.27. Схема (слева) и фото (справа) детектора MINOS. Элементы детектора: А-стальной модуль, B-щит от космических лучей, C-магнитная спираль, D-стойки с электронной аппаратурой. Горизонтальная структура над детектором-мостовой кран. https://arxiv.org/pdf/0805.3170.pdf
Рис.28. Общий вид полости MINOS. https://www.hindawi.com/journals/ahep/2013/182537/fig3/
Обычно при строительстве подземных физических лабораторий в качестве постоянной крепи применяется монолитный бетон. Временной крепью в этих случаях служат стальные стержни разной конструкции и набрызгбетон. Конкретные решения определяются горно-геологическими условиями строительства. Притоки воды ограничиваются применением цементации породного массива до и после экскавации пород. В туннелях доступа полости MINOS в качестве постоянной крепи применялся набрызгбетон с толщиной слоя 100 мм и дренажными протоками, предотвращающими повышение гидростатического давления в породном массиве (рис. 29). Такое решение снижает стоимость крепи примерно на 25%.
Рис.29. Конструкция набрызгбетонной крепи в туннелях доступа к полости MINOS. https://dc.engconfintl.org/cgi/viewcontent.cgi?article=1000&context=shotcrete || rock — порода, shotcrete (100 mm thick) — слой набрызгбетона 100 мм, max. air gap — максимальный воздушный зазор, drain strip — дренажный проток
Шахта Кимбаллтон, штат Вирджиния
Подземный исследовательский центр Кимбаллтон расположен в действующей известняковой шахте (рис.30). Экспериментальный зал размещен на горизонте 14 на глубине 520 м от поверхности. Размеры зала 100×12×10 м. Он был построен в 2007 г. под толщей доломитов, известняков и других осадочных пород. В нем различными американскими университетами выполняется шесть физических проектов исследований. Доступ к лабораториям обеспечивается наклонным (до 5-6°) туннелем сечением 13х6 м.
Рис.30. Слева одна из полостей шахты Кимбаллтон, справа добычные выработки шахты (серый цвет), транспортная рампа (желтый). https://www.phys.vt.edu/centers-and-programs/KimbaltonUndergroundResearchFacility.html || 1400 feet to the mine entrance — 430 м от входа в шахту, 1750 feet to the mountain’s surface — 520 м от поверхности горы.
Оригинал: https://7i.7iskusstv.com/y2021/nomer9/lkaufman/
