Тони Уолтхэм - Катастрофы: неистовая Земля
Для ряда пород характерна очень высокая проницаемость, и они могут служить проводниками огромных потоков воды. Если при проходке туннелей или проведении горных работ глубоко под землей встречаются подобные породы, то они обычно бывают насыщены водой под высоким давлением. Песчаники, известняки, вулканический пепел и лава — наиболее проницаемые породы. Они характеризуются наивысшими содержаниями воды. Кроме того, слабая сцементированность песчаника может порождать дополнительные сложности. В 1959 г. при сооружении туннеля Авали в Ливане наткнулись на крутонаклонный пласт песчаника, в результате участок туннеля протяженностью в 2,5 км был затоплен и забит илом. Геологические исследования показывали присутствие песчаника, однако никаких сведений относительно свойств породы, находящейся в туннеле под давлением на глубине около 600 м, получено не было. Проводившееся в штреке туннеля искусственное дренирование при слабой сце-ментированности песчаника вызвало подпочвенную эрозию и кавитацию, что в свою очередь позволило большому количеству воды затечь в туннель. Когда, наконец, все это поняли, направление туннеля на участке более 1,5 км было изменено, чтобы он не проходил в песчанике.
Известняк — тоже высокопроницаемая порода, хотя ее свойства совершенно иные, чем у песчаника. Сам по себе известняк обычно почти водонепроницаем и все ж он пропускает огромные количества воды через имеющиеся в нем пустоты растворения. Дело усложняется еще и тем, что расположение подобных водоносных камер предсказать практически, невозможно.
Под рекой Северн был построен туннель, по которому шла железная дорога из Англии в Уэльс; этот туннель был частично проложен в каменноугольном известняке. В 1879 г. при проходке со стороны Уэльса на значительной глубине от поверхности земли была подсечена затопленная пещера в кровле известняка. Проходку, естественно, прекратили, но длительное время не могли справиться с затоплением. Оказалось, что пещера была соединена с подземным руслом реки Северн, и поэтому поступление воды в туннель продолжалось. Лишь после того, как было пройдено множество вертикальных и горизонтальных выработок, через которые велись дренирование и откачка, строительство туннеля было завершено. Аналогичные проблемы возникли и при строительстве туннеля Грехенберг в горах Юра (Швейцария), когда достигли участка, где вода пропитывала два маломощных прослоя сильно трещиноватого известняка. В одном из штреков приток воды был настолько сильным, что работы пришлось приостановить на два месяца, пока течение не ослабло.
Но не только проходчики туннелей сталкиваются с неприятными неожиданностями в кавернозных известняках. Эти породы нередко преподносят сюрпризы и горнякам при разработке месторождений полезных ископаемых. Медные рудники Морокоча в Перу и свинцовые рудники в горах Холкин в Уэльсе — вот лишь два примера месторождений, где постоянно возникают различные серьезные проблемы, связанные с опасностью затопления подземных выработок водами из известняковых пещер.
Однако самое сильное затопление произошло на крупнейшей золоторудной шахте мира в Южной Африке. Шахта Уэст-Драйфонтейн находится в самом сердце богатого месторождения золота Ранд в долине Вандерфонтейн близ Иоганнесбурга. Золото добывают из конгломератов, залегающих в мощной толще кварцитов. И кварциты, и конгломераты абсолютно водонепроницаемы. Золотоносные слои встречаются лишь на значительной глубине, между этими слоями и земной поверхностью располагается толща доломитов мощностью около 900 м; доломиты — породы трещиноватые, ячеистые, являющиеся прекрасными водоносными горизонтами. Гидрология грунтовых вод усложняется еще и присутствием вертикальных сиенитовых даек, секущих доломиты, кварциты и золоторудные тела. Дайки водонепроницаемы и представляют собой барьеры, препятствующие движению грунтовых вод.
Большинство выработок на шахте Уэст-Драйфонтейн располагается на ограниченном дайками участке, который известен под названием «блок Оберхольц». Для того чтобы сделать работы в шахте более эффективными и безопасными, этот участок был давным-давно осушен путем массированной откачки воды. В 1964 г. общая площадь шахты увеличилась к востоку в результате проходки подземных галерей в дайке и блоке Банк. Доломиты в блоке Банк обезвожены не были, но горные выработки располагали лишь в залегающих ниже доломитов водонепроницаемых кварцитах. Как и следовало ожидать, некоторое количество воды просачивалось в шахту, но ее удавалось откачивать. На шахте Уэст-Драйфонтейн имелось множество насосных установок и дренажных канав, которые отводили лишнюю воду в старые выработки, игравшие роль временных водохранилищ. Одной из задач этих мероприятий было устранить опасность внезапных прорывов воды, которые повторялись периодически.
Так продолжалось до 26 октября 1968 г. В тот день в 9 ч утра кровлю выработок блока Банк разорвала трещина, в которую устремился поток воды. Этого никто не ожидал. Сток воды из трещины составил 4,5 м3 в секунду, что в 6 раз превысило обычно существовавший здесь суммарный сток. После образования трещины объем воды, поступавшей в шахту, в полтора раза превысил общую производительность водоотлива. Когда шахта начала медленно заполняться водой, спасательные работы развернулись с поистине фантастической быстротой. Только благодаря быстрой эвакуации наверх всех работавших в шахте, а их было 13 500 человек, люди были спасены.
К счастью, вся вода устремилась в главную часть шахты: от восточного края выработки, где произошел прорыв, она поступала в две подземные галереи, откуда текла потоками глубиной около метра. Лишь после 26 суток упорного труда в ужасных условиях и благодаря смелой инженерной изобретательности в галереях удалось соорудить бетонные перемычки и наводнение было остановлено. К тому времени глубина воды в стволе шахты уже составила 750 м, но верхние горизонты и основные насосные установки были спасены. Восточный участок был еще скрыт под водой, а западный — главный — участок шахты Уэст-Драйфон-тейн уже осушили насосами, и добыча возобновилась.
При расследовании причин катастрофы установили, что вода прорвалась из водонасыщенных доломитов, перекрывавших шахту, а столь грандиозные масштабы наводнения объясняются двумя факторами — почти 700-метровым напором воды и кавернозностыо доломитов. Однако вода преодолела и кварциты мощностью около 30 м, отделявшие шахту от доломитов.
Разработка месторождения осуществлялась путем выемки золотоносных пород. При этом, естественно, нарушалась целостность пород в кровле выработок. Несмотря на то что при проходке сооружались крепи, определенные подвижки блоков породы в кровле были неизбежными. Кроме того, недалеко от места прорыва воды разрабатываемые золотоносные породы и перекрывающие их доломиты были рассечены крупным разломом, направление которого могло определять развитие каверн в доломите, локализацию зон трещин и сдвигов пород, залегающих в кровле выработок. Возможно, сыграли свою роль и слабые толчки, наблюдавшиеся в ночь перед прорывом воды. Во всяком случае, образование трещины в водонепроницаемом барьере кварцитов между насыщенным водой доломитом и шахтой вполне объяснимо.
Возникает вопрос: можно ли было предсказать это затопление? Пессимисты утверждают, что проведение горных работ под водо-насыщенным кавернозным доломитом делало катастрофу неизбежной, однако это не так. Если в кровле залегает водонепроницаемый кварцит, горные работы можно вести в течение многих лет и при этом будут наблюдаться лишь слабые протечки.
К сожалению, наука о механике пород еще не достигла того уровня, когда горным инженерам до начала возведения подземных сооружений могла бы быть предложена надежная количественная оценка всех шансов за и против. Если сопротивление отдельных пород и можно определить, то до сих пор не существует достоверного способа предсказания устойчивости тысяч трещин, которые скрыты в породах глубоко от поверхности земли. При планировании работ в шахте инженеры полагались лишь на свой опыт; было решено рискнуть, и в данном случае — напрасно. Правильное решение заключалось в отводе вод из доломитов блока Банк. Однако по предварительным расчетам специалистов эта операция казалась слишком дорогостоящей, и ее решили не осуществлять. Доломиты были осушены только после затопления шахты, поскольку добычу золота надо было продолжать и другого выхода не было.
Угроза погребенных долин
«Рокхед» — это термин, которым пользуются шахтеры и инженеры для обозначения подземной границы между твердыми, консолидированными породами и вышележащими неуплотненными осадками. Этот раздел может находиться как на небольшой глубине —¦ под маломощным слоем почвы, так и на значительной глубине — под рыхлыми осадками. В последнем случае это создает серьезную угрозу для проходчиков туннелей и шахтеров: если туннель или штрек неожиданно выйдет из твердых пород в слабые, рыхлые, подвижные осадки (обычно это песок или глина), насыщенные водой под высоким давлением, неизбежна катастрофа. Как проходчикам туннелей, так и шахтерам необходимо знать, где на данном участке залегает нижняя граница рыхлых отложений. Если этот рубеж относительно плоский, особых проблем не возникает, однако форма его может быть очень сложной. Обычно эта форма отражает погребенный рельеф местности, существовавший здесь до захоронения его под перекрывающими осадками. Чтобы выявить строение этой поверхности, необходимо знать прошлые процессы, влиявшие на формирование рельефа, которые в свою очередь зависят от движений земной коры и от климатических условий. Многочисленные оледенения и перемены климата в течение последних нескольких миллионов лет еще больше затрудняют осуществление подобных реконструкций.
