Прорывы подземных вод к эксплуатационным горным выработкам выводят из строя горные предприятия и вызывают угрозу для жизни людей. На откачку затопленных выработок тратятся обычно большие средства и много времени. Так, осушение шахт Донбасса, затопленных фашистскими оккупантами во время Великой Отечественной войны, длилось около трех лет и обошлось нашему государству в несколько сот миллионов рублей. Опасны внезапные прорывы подземных вод. От них стараются уберечь горные выработки путем бурения опережающих забой скважин. Однако это не всегда удается — известны случаи, когда проникающая с передовых штреков или шахт вода заполняла все отработанное пространство.
Самыми обводненными считаются месторождения в условиях карста. Из карстовых полостей в горные выработки низвергаются потоки воды, на отдельных месторождениях они в сумме составляют 10–20 тысяч кубических метров в час (3–5 кубических метров в секунду). Их осушение сочетает улавливание поверхностного стока, опережающее водопонижение и так далее. Именно на них чаще всего происходят аварийные прорывы, приводящие к затоплению рудников. Водоотлив удорожает стоимость полезного ископаемого, так как на каждую его тонну требуется откачать несколько сот кубометров воды.
Сильно обводнены также месторождения в рыхлых отложениях. Когда-то мне приходилось изучать гидрогеологию печально известных Ленских приисков. Благодаря значительным уклонам речных долин аллювиальные россыпи здесь дренируются весьма оригинально — штольнями свободного водослива, которые проходятся под плотиком в коренных породах. Отсюда название дренажей — «бедрок» («выработка в породах основания» по-английски) или «вассерштрек» («водяной штрек» по-немецки). Устья таких выработок выводят целые реки и имеют расход до 1–3 кубических метров воды в секунду.
Таким образом, из рудников, шахт и карьеров откачивается громадное количество воды. В наше время горнодобывающие предприятия неимоверно расширяют фронт горных работ, проникают на глубины более одного километра и дренируют очень большие пространства. Если в СССР в 50-х годах ежегодная добыча составляла 2 миллиарда тонн минерального сырья, то в конце 70-х годов — уже 14 миллиардов тонн. Соответственно возрос и водоотлив: на каждую тонну полезного ископаемого приходится в среднем 1–10 кубометров откачиваемой воды, а на никоторых месторождениях и гораздо больше.
Коварство подземных вод — иначе это не назовешь — обнаруживается на соляных месторождениях. Проникновения воды к горным выработкам, за исключением разве что пересыщенных рассолов из запечатанных полостей, тут вообще нельзя допускать, поскольку она легко расширяет трещины в соляном теле, что облегчает связь с поверхностью и в конечном итоге вызывает гибель солерудников. Отработка месторождений должна проводиться таким образом, чтобы горные выработки находились в солях, не затронутых современным карстом (см. рис. 13). Тогда горные выработки существуют десятилетиями в совершенно сухом состоянии (например, Артемовское месторождение на Украине). К сожалению, известно немало случаев прорыва воды к солерудникам. На территории ГДР и ФРГ некоторые шахты были затоплены в течение нескольких суток и даже часов. Статистика здесь ужасна: из 255 солерудников в первой половине XX века 88, то есть 1/3, погибли в результате проникновения подземных вод.
Не берусь судить, что имел в виду А. С. Пушкин, когда создавал строки, приведенные в эпиграфе к этой главе. Его двустишие оказалось пророческим.
Горы и раздвигаются туннелями. Такими, как Северо-Муйский, прокладываемый на БАМе и имеющий длину более 15 километров. Это самый протяженный транспортный туннель в СССР. И самый трудный (о чем мы уже упоминали) в гидрогеологическом отношении, ибо основной враг строителей здесь — вода. Ее не только много (в среднем с каждого километра проходки часовой водоприток достигает 1000 кубометров, то есть 0,3 кубических метра в секунду); главное, прорывы возникают неожиданно, порой застают проходчиков врасплох. Подобные аварии случались при прокладке в довоенное время московского метро и показаны даже в художественных кинолентах (вспомним хотя бы «Добровольцев»).
Создает человек и «дерзостные своды», прокладываемые под водой. Вот хотя бы туннель Сейкан, который сооружается с 1971 года в Японии между островами Хонсю и Хоккайдо. Его длина около 54 километров. И тут вода сильно мешала строителям. Одно время, когда в выработки прорвалась морская вода, хотели даже отказаться от этого грандиозного проекта. Но научная мысль и инженерный опыт нашли выход: с помощью силикатизации доступ воды был ликвидирован.
Разрушительная деятельность подземных вод проявляется в просадке зданий и дорожного полотна. Фильтрационные токи под основанием или в «плечах» плотин снижают прочность таких гидротехнических сооружений: некоторые плотины рухнули именно по этой причине. Опасно не только механическое разрушение, но и корродирующее (а попросту — разъедающее) воздействие подземных вод на бетонные и железобетонные фундаменты сооружений.
От режима подземных вод зависит активность оползней, которые доставляют много хлопот, скажем, на берегах Волги и Днепра, Черноморском побережье Крыма. Чем интенсивнее питание подземных вод и чем больше их поступает на поверхность скольжения, тем энергичнее протекает оползневой процесс. Аналогичным образом возникают и обвалы.
Серьезные трудности строителям доставляют подземные воды в области распространения многолетнемерзлых пород. Тут они настоящий бич; при замерзании грунт расширяется, а при оттаивании приходит в плывунное состояние. Отсюда пучения и просадки, так называемый термокарст и солифлюкция (течение грунта при избыточном водонасыщении). Коварством, о котором так много говорят и которое так затрудняет строительство, «вечная» мерзлота обязана главным образом подземным водам.
Специфические образования криолитозоиы — наледи. Они возникают там, где к поверхности пробиваются подземные воды. Порой неожиданно, если инженерные сооружения (дороги, здания и так далее) изменяют пути движения подземных вод. В городах Бодайбо или Мирном они появляются, например, посреди улиц, а на БАМе — обычно вдоль дорожного полотна (рис. 19). Если продолжается рост наледей, полотно разрушается. Иногда наледи дают о себе знать прямо в домах, поскольку из-за нарушения мерзлотно-гидрогеологического режима подземные воды стремятся излиться в наиболее протаявшем месте, а это чаще всего именно погреба домов. Примеры подобных курьезов можно продолжить: наледи, неожиданно возникшей на полотне одной из железнодорожных станций Дальнего Востока, потребовался всего один час, чтобы приморозить к рельсам колеса стоявшего паровоза. Однако дело не в курьезах: наледеобразование осложняет и удорожает строительство.
Рис. 19. Типовая схема образования наледей на западном участке БАМа (от Усть-Кута до Тагоры).
1 — наледь; 2 — выход подземных вод; з — уровень подземных вод; 4 — слой почвы и рыхлых отложений; 5 — водоносный горизонт; 6 — водоупорные породы.
Чтобы не было разрушительных и прочих нежелательных проявлений подземных вод, требуется хорошее знание конкретной гидрогеологической обстановки. Опираясь на закономерности формирования и распространения подземных вод, гидрогеологи в состоянии прогнозировать и величину водопритоков к горным выработкам, и возможные деформации сооружений, и наледеобразование. Они дают заключения о природе этих процессов, чтобы проектировщики их предвидели. Грамотное использование рекомендаций позволяет строителям успешно с ними бороться. Аварийные ситуации, как правило, возникают только тогда, когда должным образом не изучена гидрогеологическая ситуация или когда строители по разным причинам отказываются выполнять рекомендации гидрогеологов.