Когда вода становится врагом Утопающие богатства
Человек извлекает из подземных кладовых уголь, железо, медь, цинк, олово, строительный камень и многие, многие другие полезные ископаемые. Если месторождения размещаются в сухих породах, над уровнем подземных вод, то извлечение всех этих минеральных богатств не представляет больших трудов. А если они располагаются в горизонте подземной воды? Тогда вода превращается в первого врага месторождения. Начинается битва с ней доступными инженеру средствами.
В историю горного дела вписана не одна страница борьбы с подземными водами, затапливающими рудники и шахты. На Алтае в начале XIX века водослив из Гореловского рудника осуществлялся при помощи 85 лошадей. В XIX веке для этой цели стали широко использовать водяные колеса. Русские умельцы создавали остроумные установки для откачки воды из шахты.
Рис. 38. Вода поступает в шахту по трещинам известняка (УПВ — уровень подземных вод)
Однако нередки случаи, когда некоторые ценные рудники и сейчас приходится оставлять из-за значительного притока воды. Извлечение подземных ископаемых в таких случаях является неэкономичным из-за больших расходов на откачку воды. Примером могут служить угольные месторождения Кизеловского бассейна. Здесь пласты угля залегают среди известняков. По карстовым каналам и трещинам поступает до 10000 — 12000 м3 воды в час. Представьте себе подобный поток — это река шириной 140 м и средней глубиной 1 м, двигающаяся со скоростью 1 м в секунду.
Конечно, современная техника в состоянии откачать такие количества воды, но вопрос решает экономика, ведь это значительный накладной расход на единицу добываемого угля.
В песчаных толщах к шахтам притекает воды значительно меньше. Часовой приток воды колеблется от 20 до 400 м3. Здесь борьба с ними обычно не представляет трудностей.
Большие притоки часто возникают в трещиноватых породах (рис. 38). В этом случае поступление воды в шахтах может составлять 500 — 1000 м3 в час и даже более.
В месторождения россыпного золота, платины и других полезных ископаемых, залегающих в песках или глинистых породах, притоки воды значительно меньше — 40 — 200 м3 в час. Правда, в некоторых случаях они могут достигать 500 или даже 1000 м3 в час.
Много неприятностей доставляет вода при разработке месторождений путем устройства глубоких карьеров. Они достигают глубины 100 — 200 — 300 и даже 500 м.
Такие карьеры обычно вскрывают сразу несколько водоносных горизонтов, часть из которых оказывается напорными. Здесь есть над чем поломать голову и гидрогеологам, и строителям.
Трудности со строительством карьеров для добычи железной руды в районах КМА возникли уже в самом начале. Вскрытие Михайловского карьера, а затем самых крупных Ярославского и Гостищевского — потребовало создания сложной системы водоотлива.
Рис. 39. Чтобы шахта была сухой, в трещины (галечник, песок) нагнетается через скважины цементный раствор или какое-либо другое вещество, задерживающее воду:
1 — вид сверху, II — разрез: 1 — скважины для нагнетания, 2 — шахта, 3 — защитный слой
Разработка ряда месторождений на берегах полярных морей оказалась затруднительной из-за притоков соленых вод. Очевидно, подземные воды питались здесь морской водой, проникающей в землю по трещинам пород. Особенно неприятно было то, что эти соленые воды были к тому же еще низкотемпературными. Их температура часто достигала минус 5 — 6°С. Количество притекающей воды колебалось от 10 до 300 м3 в час.
Особенно опасны подземные воды для месторождений калийных и каменных солей. Если в такой соляной массив проникает по какому-либо каналу пресная вода, шахты быстро приходят в негодность.
История сохранила нам память о ряде таких катастроф на соляных рудниках в Прикаспии, а также в Центральной Европе. Поэтому изучению гидрогеологических особенностей таких месторождений придается большое значение.
Большой ущерб и даже человеческие жертвы на шахтах вызывают неожиданные прорывы воды в горные выработки. Подземные воды в этом случае выступают как враг горняка.
П. П. Климентов рассказывает, что в одном из месторождений после очередного взрыва для проходки штрека вдруг появилась масса мутной воды. Перед тем из выработки велась откачка воды насосом, выбирающим 300 м3 воды в час. Однако этого оказалось недостаточно, пришлось подключить еще два насоса, которые откачивали дополнительно 600 м3 воды в час. Несмотря на это вода продолжала прибывать.
Не прошло и нескольких минут, как все три насоса были затоплены, а через 40 минут поток воды затопил всю шахту.
Можно ли справиться с подземными водами? Строители и горные инженеры с помощью гидрогеологов научились бороться с враждебной им подземной водой. В тех случаях, когда вода поступает по трещинам пород, их стараются перекрыть нагнетанием цементных растворов (рис. 39). В других случаях такие трещины заделывают разогретым до 200°С битумом. Дешевым способом является внедрение под давлением 6 — 7 атм глинистого раствора.
Для рыхлых пород применяется уплотнение их трамбованием, взрывами или введением различных химических веществ. Арсенал инженера для борьбы с водой в настоящее время довольно значителен, и он растет с каждым годом.