Печальная теория в изложении Красноштейна

Разработка калийных и соляных месторождений сопряжена со специфическими рисками, которыми мы умеем управлять, но полностью контролировать их никто не в состоянии, считает директор Горного института УрО РАН Аркадий Красноштейн.

— Аркадий Евгеньевич, почему прорывы воды на Верхнекамском месторождении приводят к потере уже второго рудника?
— Соляные шахты — это два-три пласта суммарной мощности десяти-пятнадцати метров, которые находятся на глубине примерно 400 метров. Над ними раОпределить точное место разрыва ВЗТ на руднике БКПРУ-1 было невозможносполагаются водоносные горизонты, они отделены от разрабатываемых пластов водозащитной толщей из нескольких пластов соляно-мергелистого состава. Пока эта толща выполняет свои функции — не пропускает воду в подземные пустоты, — все в порядке. Однако на соляных шахтах периодически с этой водозащитной толщей возникают проблемы. К настоящему времени в мире затоплено уже свыше 80 рудников. При небольших притоках воды из каких-то локальных водяных или рассольных линз жидкость еще можно откачать, направить в специализированные резервуары, но, если объемы большие и они поступают из больших водоносных горизонтов, соляной рудник практически гарантированно ждет смерть. В отличие от других минералов соль быстро растворяется в воде, поэтому преградить ей путь не получается — она промывает для себя новые пути.

Обычно рудник может подвергнуться затоплению через достаточно длительное время после начала отработки, когда возникает большая площадь обнажения, когда формируется много опасных участков. Что способствует накоплению внутренних напряжений в пластах, вызывающих повышенные деформации и приводящих к разрывам и трещинам в водозащитной толще. Так что это естественный процесс.

— Изначально не было понимания той угрозы, которую несут подземные выработки?
— Когда начиналась разработка Верхнекамского месторождения, в тридцатые-пятидесятые годы прошлого века, уровень представлений о геологии месторождения был по сравнению с нынешним как знания первоклассника и десятиклассника. Несколько десятилетий назад считалось, что если водозащитная толща составляет 50 метров, то все хорошо, если сотню — вообще ни о чем не надо думать, никаких системных исследований ее свойств попросту не проводилось. Хотя в водозащитной толще бывают аномалии, связанные, например, с замещением более прочных пород на менее прочные. В процессе разработки могут возникнуть секущие вертикальные и горизонтальные трещины, расслоения. Раньше считалось, что если между отработанными камерами оставлять целики достаточной ширины, то есть нетронутые участки породы, то они не допустят больших оседаний и стоять будут вечно. Со временем выяснилось, что целики все-таки разрушаются, а поверхность над ними начинает проседать. Тем более если рудник затоплен — тогда целики частично растворяются и уменьшаются в размерах.

В 1995 году на территории второго рудоуправления соликамского «Сильвинита» произошло землетрясение: одномоментно обрушились целики на площади почти в квадратный километр, поверхность просела сразу на четыре метра. К счастью, место было слабозаселенное, никто не пострадал. К тому же разрыва водозащитной толщи не произошло — защитила глиняная шапка, что и позволило спасти рудник от затопления.

Все эти факты подтолкнули рудники к увеличению объемов гидрозакладки выработанных пространств — особенно под городской застройкой. Стали обращать существенное внимание на сейсморазведку и другие методы геолого-геофизического исследования массива. Начали выделять участки с повышенной сейсмичностью, что позволило оперативно управлять закладочными работами. Благодаря этому оседания существенно уменьшаются, это дало возможность, в частности, сохранить водозащитную толщу и спасти первый и второй Соликамские рудники от затопления.

— Расскажите, как произошла катастрофа на первом руднике. Что стало ее причиной?
— Причиной аварии стал прорыв водозащитной толщи на одном из проблемных участков, где отработка продуктивных пластов была закончена еще в 1967 году. В 1996 году «Уралкалий» заказал нашему институту работу по выявлению опасных мест с точки зрения масштаба проседаний земной поверхности, особенностей строения водозащитной толщи и других геологических особенностей. Данный район оказался в числе нескольких других, где была установлена повышенная опасность. В течение многих лет там шел процесс активного оседания поверхности — общая величина оседаний к этому времени составила 2,5 метра. Мы сделали заключение о необходимости углубленного геофизического и геологического изучения, геомеханической оценки состояния массива. Правда, затем процесс оседаний там постепенно замедлился. Институт «Галургия» по заказу «Уралкалия» разработал проект мер охраны рудника от затопления, где было принято решение в связи с замедлением процесса оседаний ограничиться маркшейдерскими замерами на земной поверхности. Проект прошел экспертизу, и эта экспертиза «Ростехнадзором» была утверждена. К тому времени «Уралкалий» провел гидрозакладку выработанного пространства — а это основная охранная мера, хотя из-за многочисленных обрушений горных выработок целиком заполнить пустоты и проникнуть во все необходимые места уже было невозможно — заливали пульпы столько, сколько принимала камера. И когда через 12 лет уровень оседаний в данном районе плавно дошел до 3,8 метра, в краевой части мульды произошел разрыв водозащитной толщи.

Если при затоплении рудника проникновение рассолов началось с капели, которая появилась в районе ведения горных работ БКПРУ-3 и была сразу же обнаружена, то на руднике БКПРУ-1 определить точное место разрыва ВЗТ было невозможно. Мы знали лишь, что он находится в пределах третьей или четвертой западной панели, с которыми связан рассолосборник гидрозакладки, а это огромная территория площадью более квадратного километра.

Приток воды был обнаружен в рассолосборнике, связанном с этими панелями, и поначалу составлял 600–800 кубометров в час. Эти рассолы успешно откачивали, была надежда, что вода поступает из каких-то небольших полостей или это закладочный рассол. Причину и источник можно определить по химическому составу: жидкость растворяет те минералы, которые находятся на ее пути, или может соответствовать составу гидрозакладочных рассолов — наличие сероводорода и пониженная концентрация калия свидетельствуют о связи поступающих вод с рассольным горизонтом. 28 октября приток резко вырос и буквально в течение нескольких часов достиг 1600 кубометров в час. Стало ясно, что мы имеем дело с прорывом водозащитной толщи и спасти рудник уже невозможно.

Попытаюсь объяснить геологию и механику процесса, который привел к образованию разрыва. Особенность опасного района, где случился прорыв и последовавший провал, в том, что он находится между двумя крупномасштабными рудными целиками.

На севере — охранный целик под промзоной, а на юго-востоке — целик в форме цилиндра диаметром 250 метров вокруг скважины № 17, пробуренной еще в 1928 году. Когда оседание идет равномерно на большой площади, оно не так опасно. Куда хуже, если один участок существенно осядет, а другой нет — тогда в месте соединения этих двух участков могут возникнуть растягивающие напряжения, которые приводят к образованию вертикальных трещин. В нашем случае охранные целики представляли собой более жесткие опоры, между которыми оседал участок, они не имели такого прочного основания, и в местах их соединений возникло напряжение, а затем и разрыв. Таким образом, особенности геологического строения надсолевых пластов и расположение охранных целиков определили место нарушения водозащитной толщи и формирования провала.

В те десять дней, когда началось затопление рудника и велась борьба за его спасение, мы углубленно изучили геологическое строение данного участка и выяснили, что имеем дело с необычной аномалией. Есть нормативная документация, которая описывает геологические аномалии и определяет для каждого их типа свои меры охраны, но данная аномалия ни под один из выделенных типов не подпадала. Она характеризовалась следующими признаками: была обнаружена субвертикальная граница высотой около 60 метров и длиной более двух километров между прочными мергелями и пластичной глиной; в районе скважины № 17 зафиксирован перегиб поверхности соляного зеркала с крутого на пологий, что вызвало образование зон сжатия и сдвиговых деформаций; верхняя часть карналлитовой зоны замещена галитом, что привело к разуплотнению водозащитной толщи.

Эти особенности строения и предопределили возникновение разрыва с последующим образованием воронки.

— Чем отличалась авария 2006 года от аварии на третьем руднике компании в 1986 году?
— На обоих затопленных рудниках образовались мульды, или провалы, воронки, но механизм их образования был разный. Третий рудник вел добычу всего 12 лет, поэтому выработанное пространство было сравнительно небольшим — порядка 16–18 миллионов кубических метров против 80–85 миллионов на БКПРУ-1. Никаких катастрофических оседаний там не было, затопление шло постепенно, с января по апрель 1986 года, и до марта рудник еще работал, люди справлялись с откачкой рассолов, пытались спасти технику. После того как рудник был практически полностью затоплен, с поверхности начали бурить разведочные скважины, чтобы попытаться изучить причины затопления. Во время бурения скважины встретился газовый пузырь. Газ сдетонировал, последовал катастрофический взрыв, и образовалась воронка с крутыми бортами глубиной примерно сто метров и длиной около двухсот.

В случае же с рудником БКПРУ-1 огромные объемы воды, проникая через трещину в водозащитной толще, эту соляную толщу постепенно растворяли и размывали, создавая в ней растущую по размеру карстовую полость. В районе ее образования произошло сильное и неравномерное проседание поверхности. Ширина и длина воронки около 400 метров, а глубина на настоящее время около 120 метров.

— Что сейчас происходит под землей? Есть угрозы городу?
— Основной объем выработанных пространств практически заполнен рассолом, шахтные стволы засыпаны. На соседние рудники затопление не может распространиться, ведь по контуру всего шахтного поля находятся барьерные целики шириной 200 метров. Их вода растворить не может. А вот в верхней, купольной части отрабатываемых пластов есть отдельные горные выработки, которые оказались отрезанными от стволов. Там оставался воздух, его в процессе затопления удалось частично вывести на поверхность по специально проложенным трубопроводам. Но со временем внутреннее обрушение пород заблокировало отвод газа, что привело к образованию газовых пузырей, находящихся под нарастающим давлением рассолов. Совсем не факт, что концентрация горючих газов в пузырях достаточно велика для образования взрывоопасной газовоздушной смеси. Пока мы выводили газы через четвертый ствол, концентрация горючих смесей там не превышала один процент. Сейчас расчетное значение концентрации составляет менее четырех процентов. Этот газ пока не является взрывоопасным. Тем не менее надо исключить выход его на поверхность. Во всей этой зоне осуществляется мониторинг газового состава припочвенного слоя воздуха. При существенном росте уровня концентрации горючих газов будут приниматься срочные меры.

Теперь что касается проседаний поверхности. Попавшая в шахту вода частично растворяет соляные целики, пока жидкость не достигнет состояния насыщенного рассола. С одной стороны, это несколько ослабляет опорные целики, что особенно опасно для участков, содержащих карналлит. Если калийно-натриевых солей в литре воды может раствориться до 300–400 граммов, то у карналлита — магниевой соли — растворимость на порядок выше, аж 2,7 килограмма на литр. Если насыщенный натрием и калием рассол поднимется до карналлита, он будет продолжать растворять карналлит, а избыток калийно-натриевых солей выпадет в осадок. С другой стороны, когда рудник будет заполнен водой, оседания поверхности существенно замедлятся, даже с учетом растворения целиков. Давление рассолов на горизонте рудника около 18 атмосфер. Это давление препятствует оседанию кровли выработок. К тому же надо понимать, что, когда нет свободного движения воды, процесс растворения растягивается на десятки лет и катастрофической опасности не представляет, скорость оседания поверхности уже существенно снижается. С помощью немецкого спутника реализована система площадного мониторинга процессов оседаний — с точностью до первых миллиметров и разрешением 3,5 на 3,5 метра мы получаем раз в 11 дней картину оседания практически по всему городу.

Текст: Александр Ивантер, Иван Рубанов, «Эксперт» [2]
Илл. из архива "Иной газеты"