Опасное воздействие подземных вод

При проходке туннелей под рекой в рыхловатых, насыщенных водой осадках речного русла, когда практически над головой находится суровый аква поток, появляется огромное количество заморочек. В первый раз сооружение туннеля, пересекающего реку, было начато известным инженером Марком Брунелем и его отпрыском известным Исам-бардом Брунелем в 1825 г. под Темзой в Лондоне. По совету геологов, которые пробурили огромное количество разведочных скважин, проходка была начата всего на глубине 4 м под руслом реки, где, как подразумевали, залегала уплотненная глина. Но рассредотачивание осадков в русле реки практически всегда бывает очень сложным, н настоящий их состав и строение изредка можно предсказать на основании данных, приобретенных по разбросанным буровым скважинам. По мере того как велась проходка, на пути туннеля встречались различные неуплотненные, подвижные и насыщенные водой осадки, для борьбы с которыми пришлось изобрести специальную систему защиты.

Два года спустя, когда горизонтальная выработка протянулась под рекой на 30 м, вода под давлением прорвалась через рыхловатые слои, слагавшие ложе реки, и через образовавшееся отверстие устремилась в туннель. Чтоб осушить затопленный туннель, было надо запечатать отверстие в деньке реки снаружи. Неописуемо, но это удалось сделать, сбросив с барж мешки с глиной (несколько сотен тонн). После того как из туннеля откачали воду, было признано, что кровля его достаточна высокопрочна, и работы возобновились. Вода прорывалась в туннель снова, но, невзирая на все трудности, строительство все-же было завершено.

Потом, чтоб предупредить проникновение речной воды через проницаемый грунт в туннель, расположенный под рекой, в него стали нагнетать под давлением сжатый воздух, и вода туда уже не поступала. Так были вырыты 1-ые туннели под рекой Гудзон в Нью-Йорке и под рекой Клайд в Глазго. Практика показала, что в данном случае принципиально сделать равновесие давлений, так как, если давление воздуха в туннеле было очень низким, река «врывалась» в туннель, если же оно оказывалось очень высочайшим, то воздух «вырывался» в реку. В обоих случаях таилась возможная опасность. Непременно, самый неопасный способ проходки туннелей под реками — это сооружение их на достаточной глубине, где залегают коренные породы. Так, известный туннель под рекой Мереей в Ливерпуле проходит в коренном песчанике, минуя несцементированные речные осадки. Даже в этом случае, если порода консолидированная, следует бояться, что туннель может войти в зону разломов, где породы владеют завышенной водопроницаемостью.

Туннель Сейкан, строительство которого в текущее время ведется меж островами Хонсю и Хоккайдо в Стране восходящего солнца, является чуть ли не самой дерзновенной из всех узнаваемых конструкций. Планируемая длина туннеля — 55 км; он пройдет в 135 м под морским дном в нарушенном комплексе изверженных и осадочных пород. В мае 1976 г. тут произошла трагедия: вода ворвалась в туннель на глубине 200 м ниже уровня моря. Начальный сток составил около 0,6 м3 за секунду, и вода затопила участок туннеля длиной в 3 км, до того как системы дренажа совладали с потоком; только несколько недель спустя туннель был совсем осушен.

В зоне разломов вода угрожает катастрофами 2-ух типов. Трещиноватые породы, присутствующие в этих зонах, могут играть роль каналов, по которым пойдет водоток, а тектонические глины, образовавшиеся в итоге истирания пород при их движении по разлому, могут стать гидрологическими барьерами. Оба эти явления наблюдались сразу в туннеле Сан-Хасинто в Калифорнии, где, как было установлено, порода, залегавшая над наклонными плоскостями разлома, была очень нарушенной и высокопроницаемой, а по плоскостям разломов размещались слои водонепроницаемой жильной глинки.

Для ряда пород свойственна очень высочайшая проницаемость, и они могут служить проводниками больших потоков воды. Если при проходке туннелей либо проведении горных работ глубоко под землей встречаются подобные породы, то они обычно бывают насыщены водой под высочайшим давлением. Песчаники, известняки, вулканический пепел и лава — более проницаемые породы. Они характеризуются наивысшими содержаниями воды. Не считая того, слабенькая сцементированность песчаника может порождать дополнительные трудности. В 1959 г. при сооружении туннеля Авали в Ливане натолкнулись на крутонаклонный пласт песчаника, в итоге участок туннеля протяженностью в 2,5 км был затоплен и забит илом. Геологические исследования демонстрировали присутствие песчаника, но никаких сведений относительно параметров породы, находящейся в туннеле под давлением на глубине около 600 м, получено не было. Проводившееся в штреке туннеля искусственное дренирование при слабенькой сце-ментированности песчаника вызвало подпочвенную эрозию и кавитацию, что в свою очередь позволило большенному количеству воды затечь в туннель. Когда, в конце концов, все это сообразили, направление туннеля на участке более 1,5 км было изменено, чтоб он не проходил в песчанике.

Известняк — тоже высокопроницаемая порода, хотя ее характеристики совсем другие, чем у песчаника. Сам по для себя известняк обычно практически водонепроницаем и все ж он пропускает большие количества воды через имеющиеся в нем пустоты растворения. Дело усложняется к тому же тем, что размещение схожих водоносных камер предсказать фактически, нереально.

Под рекой Северн был построен туннель, по которому шла стальная дорога из Великобритании в Уэльс; этот туннель был отчасти проложен в каменноугольном известняке. В 1879 г. при проходке со стороны Уэльса на значимой глубине от поверхности земли была подсечена затопленная пещера в кровле известняка. Проходку, естественно, закончили, но долгое время не могли совладать с затоплением. Оказалось, что пещера была соединена с подземным руслом реки Северн, и потому поступление воды в туннель длилось. Только после того, как было пройдено огромное количество вертикальных и горизонтальных выработок, через которые велись дренирование и откачка, строительство туннеля было завершено. Подобные задачи появились и при строительстве туннеля Грехенберг в горах Юра (Швейцария), когда достигнули участка, где вода пропитывала два маломощных прослоя очень трещиноватого известняка. В одном из штреков приток воды был так сильным, что работы пришлось остановить на два месяца, пока течение не ослабело.

Но не только лишь проходчики туннелей сталкиваются с противными неожиданностями в кавернозных известняках. Эти породы часто преподносят сюрпризы и горнякам при разработке месторождений нужных ископаемых. Медные рудники Морокоча в Перу и свинцовые рудники в горах Холкин в Уэльсе — вот только два примера месторождений, где повсевременно появляются разные суровые трудности, связанные с угрозой затопления подземных выработок водами из известняковых пещер.

Но самое сильное затопление вышло на наикрупнейшей золоторудной шахте мира в Южной Африке. Шахта Уэст-Драйфонтейн находится в самом сердечко обеспеченного месторождения золота Ранд в равнине Вандерфонтейн близ Иоганнесбурга. Золото добывают из конгломератов, залегающих в сильной толще кварцитов. И кварциты, и конгломераты полностью водонепроницаемы. Золотоносные слои встречаются только на значимой глубине, меж этими слоями и земной поверхностью размещается толща доломитов мощностью около 900 м; доломиты — породы трещиноватые, ячеистые, являющиеся красивыми водоносными горизонтами. Гидрология грунтовых вод усложняется к тому же присутствием вертикальных сиенитовых даек, секущих доломиты, кварциты и золоторудные тела. Дайки водонепроницаемы и представляют собой барьеры, препятствующие движению грунтовых вод.

Большая часть выработок на шахте Уэст-Драйфонтейн размещается на ограниченном дайками участке, который известен под заглавием «блок Оберхольц». Для того чтоб сделать работы в шахте более действенными и неопасными, этот участок был давным-давно осушен методом массированной откачки воды. В 1964 г. общая площадь шахты возросла к востоку в итоге проходки подземных галерей в дайке и блоке Банк. Доломиты в блоке Банк обезвожены не были, но горные выработки располагали только в залегающих ниже доломитов водонепроницаемых кварцитах. Как и следовало ждать, некое количество воды сочилось в шахту, но ее удавалось откачивать. На шахте Уэст-Драйфонтейн имелось огромное количество насосных установок и дренажных канав, которые отводили лишнюю воду в старенькые выработки, игравшие роль временных водохранилищ. Одной из задач этих мероприятий было убрать опасность неожиданных прорывов воды, которые повторялись временами.

Так длилось до 26 октября 1968 г. В тот денек в 9 ч утра кровлю выработок блока Банк порвала трещинка, в которую устремился поток воды. Этого никто не ждал. Сток воды из трещинкы составил 4,5 м3 за секунду, что в 6 раз превысило обычно существовавший тут суммарный сток. После образования трещинкы объем воды, поступавшей в шахту, в полтора раза превысил общую производительность водоотлива. Когда шахта начала медлительно заполняться водой, спасательные работы развернулись с воистину умопомрачительной быстротой. Только благодаря резвой эвакуации наверх всех работавших в шахте, а их было 13 500 человек, люди были сохранены.

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. Только после 26 суток упрямого труда в страшных критериях и благодаря смелой инженерной изобретательности в галереях удалось сконструировать бетонные перемычки и наводнение было остановлено. К тому времени глубина воды в стволе шахты уже составила 750 м, но верхние горизонты и главные насосные установки были сохранены. Восточный участок был еще укрыт под водой, а западный — главный — участок шахты Уэст-Драйфон-тейн уже осушили насосами, и добыча возобновилась.

При расследовании обстоятельств катастрофы установили, что вода прорвалась из водонасыщенных доломитов, перекрывавших шахту, а настолько превосходные масштабы наводнения объясняются 2-мя факторами — практически 700-метровым напором воды и кавернозностыо доломитов. Но вода преодолела и кварциты мощностью около 30 м, отделявшие шахту от доломитов.

Разработка месторождения осуществлялась методом выемки золотоносных пород. При всем этом, естественно, нарушалась целостность пород в кровле выработок. Невзирая на то что при проходке сооружались укрепляй, определенные подвижки блоков породы в кровле были неминуемыми. Не считая того, неподалеку от места прорыва воды разрабатываемые золотоносные породы и перекрывающие их доломиты были рассечены большим разломом, направление которого могло определять развитие каверн в доломите, локализацию зон трещинок и сдвигов пород, залегающих в кровле выработок. Может быть, сыграли свою роль и слабенькие толчки, наблюдавшиеся в ночь перед прорывом воды. Во всяком случае, образование трещинкы в водонепроницаемом барьере кварцитов меж насыщенным водой доломитом и шахтой полностью объяснимо.

Появляется вопрос: можно ли было предсказать это затопление? Пессимисты говорят, что проведение горных работ под водо-насыщенным кавернозным доломитом делало катастрофу неминуемой, но это не так. Если в кровле залегает водонепроницаемый кварцит, горные работы можно вести в течение многих лет и при всем этом будут наблюдаться только слабенькие протечки.

К огорчению, наука о механике пород еще не достигнула 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 найти, то до сего времени не существует достоверного метода пророчества стойкости тыщ трещинок, которые укрыты в породах глубоко от поверхности земли. При планировании работ в шахте инженеры полагались только на собственный опыт; было решено рискнуть, и в этом случае — зря. Правильное решение заключалось в отводе вод из доломитов блока Банк. Но по подготовительным расчетам профессионалов эта операция казалась очень дорогостоящей, и ее решили не производить. Доломиты были осушены только после затопления шахты, так как добычу золота было надо продолжать и другого выхода не было.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
SQL - 48 | 0,247 сек. | 13.02 МБ