Список аварий при проведении подземных работ обширен. Перечислим только наиболее крупные из них:
— аварии при прокладке Северо-Муйского тоннеля на БАМе;
— взрывы на шахте в Кузбассе;
— крупнейший выброс и пожар на газовой скважине в Урта-Булаке;
— аварии при бурении Кольской сверхглубокой скважины.
Все происшествия объединяет один и тот же механизм: разрушение в какой-то момент стенки тоннеля (скважины), когда находящаяся за ней под высоким давлением газообразная, жидкая или рыхлая твёрдая масса врывается в зону пониженного давления, словно шампанское из горлышка откупоренной бутылки. Причина события — воздействие человека, которое нарушило существовавшее на глубине природное равновесие.
Заметим, что во всех перечисленных случаях персонал выполнял правила проведения подземных работ. Ничто не предвещало надвигающейся катастрофы. Следовательно, ошибки могли быть допущены на стадии проектирования или создания объекта.
ФИЗИКА ПРОЦЕССА
При спуске под воду давление возрастает на 1 атм каждые 10 м. Под землёй, на глубине, породы также сдавлены весом находящихся выше пластов. Это горное давление, которое определяется удельным весом пород. Оно увеличивается на 2—2,5 атм каждые 10 м и на 200-метровой глубине составляет 40—50 атм.
В общем виде модель разрушения такова.
Горная выработка приближается к полости, заполненной подвижной средой: газом, жидкостью или их смесью с породой. Всестороннее давление в полости равно горному, оно в десятки, а иногда и в сотни раз выше атмосферного давления в выработке. В какой-то момент перемычка между выработкой и полостью становится настолько тонкой, что не может противостоять давлению. Содержимое полости врывается в выработку подобно взрыву. При такой аварии в угольных шахтах происходит выброс газа, обычно метана. Если вместе с газом выбрасываются раздробленный уголь и порода, это называют горным ударом. Мощность его определяется количеством выброшенной породы. Она составляет от единиц до тысяч тонн, а объём выделяющегося газа — до сотен тысяч кубометров. Рекордный выброс, зарегистрированный в 1968 году в Донбассе, составил 14 000 т угля и до 600 000 м3 метана. От подобного выброса защиты нет.
Горные удары можно рассматривать как локальные землетрясения, инициируемые человеком. И хотя нередко им предшествуют грозные признаки: повышение давления на крепь, шелушение угля, сильный треск в массиве, выброс — как настоящее землетрясение — может произойти и совершенно неожиданно. Наиболее страшны выбросы, когда выработка врезается в местный разлом, заполненный раздробленным углём, — концентрация газа там всегда очень велика.
Разрушение начинается в ослабленном месте перемычки, после чего быстро разрастается. Накопленная потенциальная энергия сжатой подвижной массы превращается в кинетическую, вырвавшись, она сметает всё на своём пути. Первичному разрушению может сопутствовать вторичное, ещё более страшное. Достаточно одной искры — и заполнившая выработку смесь метана с воздухом взрывается, обрушивая кровлю и уничтожая оборудование.
СЕВЕРО–МУЙСКИЙ ТОННЕЛЬ
Байкало-Амурскую магистраль (БАМ) вели через горы, огибая Байкал с севера, чтобы отдалить железную дорогу от границы с Китаем, с которым в то время были весьма натянутые отношения, доходящие до пограничных конфликтов. Самым сложным этапом строительства оказалось пересечение Северо-Муйского хребта, в котором требовалось пробить тоннель.
Тоннель начали строить в 1977 году, планировали открыть в 1986—1987 годах, однако приняли в эксплуатацию лишь 5 декабря 2003 года, что стало наконец завершением грандиозной стройки. Тоннель в Ангараканской седловине Северо-Муйского хребта самый длинный в России. Его протяжённость — 15 343 м, местами он залегает на глубине 1 км, соединяя два соседних ущелья: Ангараканское и Муяканское. На преодоление сложного, изобилующего подъёмами, спусками и поворотами 60-километрового объездного пути между ними уходило два часа. Теперь поезда минуют этот участок за 20 минут, сегодня здесь проходит 14—16 составов в сутки.
Тоннель строился в сложнейших инженерно-геологических условиях в зоне с потенциальной сейсмичностью 9—10 баллов по относительной шкале. В 1958 году здесь произошло сильнейшее землетрясение. Никто не пострадал — просто там никто и не жил. Скальные породы, вечная мерзлота на участках в начале и конце тоннеля, области неустойчивых пород, испещрённых трещинами, — обо всех этих сложностях строители знали и готовились их преодолевать. Но оказалось, опасности тем не ограничивались.
К ним добавились зоны активных разломов шириной от 5 до 900 м с притоками воды из них до нескольких сотен кубических метров в час при гидростатическом давлении до 34 атм и зачастую повышенной температуре; наличие плывунов в гранитах (точнее, в щелях-разломах, где гранит был перетёрт в песок и насыщен водой); перенапряжённое состояние пород. Плюс высокая радиоактивность из-за выделения радона из разломов. Подобного «букета» до того времени не встречалось при строительстве тоннелей нигде в мире. Но иного места для проходки под Северо-Муйским хребтом не существовало.
Из-за возникающих препятствий и аварий проект не раз перерабатывали, сроки его окончания сдвигали. Задержке «помогло» и начало экономических реформ с их неразберихой и потерей финансирования. Строительство вели с обеих сторон хребта. Тяжёлые, весом более 200 т, проходческие комплексы лучших иностранных фирм двигались навстречу друг другу, создавая выработки диаметром 5 м. Сбойка восточной и западной частей тоннеля состоялась в марте 2001 года. Оси выработок разошлись на 69 мм по горизонтали и 36 мм по вертикали — прекрасная стыковка. Но ей предшествовали годы упорного и опасного труда. Во время строительства погибли 57 человек — каждый километр тоннеля был оплачен четырьмя жизнями. Длина тоннеля 15,3 км, общая протяжённость выработок более 100 км, включая четыре вертикальных ствола глубиной от 270 до 360 м, пробитую параллельно штольню — фактически второй тоннель диаметром как в метрополитене. Он использовался в качестве транспортного, дренажного и разведочного. Построена объездная железная дорога через перевал — рельсовый серпантин на обоих склонах горы. На ней тоже пришлось сооружать два петлевых тоннеля для разворота поездов на 180 градусов — ровного места на поверхности не нашлось.
Тоннель стал высшей школой строительства, где не только использовали современную технику и технологии, но и разрабатывали и применяли новые методы, например проходку с заморозкой термальных вод.
А сюрпризы появлялись уже в самом начале строительства. В 1979 году на западном участке, пробивая тоннель в граните, врезались в высоконапорный ангараканский плывун. Плывун в граните — звучит абсурдно, однако было именно так. Давление взорвало гранитную перемычку, отделявшую забой от зоны разлома, и сотни тонн воды с каменными обломками и песком хлынули внутрь, промчались по пробитому участку, сокрушая всё вокруг. Могло ли обойтись без жертв, если породопогрузочную машину весом более 20 т отбросило метров на 300?..
При проектировании тоннеля никто не рассчитывал встретить плывун в гранитной толще. Последствия этой катастрофы устраняли почти два года.
Только в 1981 году, после детального изучения снимков из космоса, проектировщики поняли, что кажущийся монолит Северо-Муйского хребта разрезан в месте прохождения тоннеля четырьмя региональными разломами. Фактически это уходящие в глубину трещины шириной от 5 до 900 м, забитые щебнем и песком, к тому же обводнённые. Самая широкая и стала причиной катастрофы в начале западной части тоннеля.
Ещё одна крупная авария произошла в 1999 году, когда до стыковки западной и восточной частей тоннеля оставалось 160 м. Обвал породы свёл на нет труд нескольких месяцев, участок тоннеля фактически пришлось строить заново.
Одна из основных причин аварий заключалась в том, что столь сложный геологический район оказался недостаточно изучен. По первоначальному проекту на трассе тоннеля должны были бурить разведочные скважины каждые полкилометра. Потом проект упростили и решили бурить через 1 км. Ни одна из скважин не обнаружила, не «подсекла» разлом. А о бурении в тоннеле горизонтальных скважин с отбором керна на сотни метров вперёд и не мечтали. Беда заставила это делать.
КАТАСТРОФА В КУЗБАССЕ НА ШАХТЕ «УЛЬЯНОВСКАЯ»
«На глубине четырёхсот метров в подготовительном забое произошёл внезапный выброс газа метана и, как следствие, обрушение угольного пласта. Сто метров выработки завалило горной массой. Есть человеческие жертвы» — типичное сообщение об аварии на угольной шахте в России, на Украине, в Китае или ином месте.
Одним из крупнейших угледобывающих регионов России является Кузбасс; в нём десятки шахт. Залегающий в Кузбассе уголь высоко ценится в металлургии. Местный уголь «жирный», он содержит много метана.
19 марта 2007 года на шахте «Ульяновская» произошла крупнейшая катастрофа в истории угледобычи в России. В момент взрыва метана из 203 находившихся в шахте горняков погибли 110 человек.
«Ульяновская» — относительно новая шахта, считавшаяся самой безопасной, поскольку была оснащена современным оборудованием, в том числе и системами обеспечения безопасности. Добыча угля началась за три года до катастрофы. Запасы на десятки лет, пласты мощные и лежат относительно неглубоко — в пределах 300 м от поверхности. Объём добычи — 3 млн т в год; в среднем шахтёр добывал около 470 т угля в месяц — наивысший показатель для России.
Уголь в шахте буквально насыщен метаном. При добыче каждой тонны выделялось около 10 м3 метана. Его отсасывала мощная вентиляция. Новейшая английская система газового мониторинга с помощью множества датчиков и газоанализаторов сигнализировала о превышении допустимой концентрации метана (опасной считается концентрация выше 2%). В день катастрофы систему должны были окончательно перевести в рабочий режим. Под землёй работал английский специалист, в шахту спустилось начальство. При взрыве все они погибли. Произошли обрушение кровли и взрыв метана, охвативший весь горизонт от забоя до места выхода на поверхность. В момент катастрофы система контроля зарегистрировала огромный выброс газа, далее регистрация прервалась. Где возникла искра, вызвавшая взрыв метана, в таких случаях установить сложно.
ВЫБРОС ГАЗА ИЗ СКВАЖИНЫ В УРТА-БУЛАКЕ
Аварии на газовых разведочных скважинах, когда укрощение гигантского факела занимает месяцы, случались не раз. Но с такой мощью выброса бурильщики встретились впервые. Авария, произошедшая 1 декабря 1965 года в Узбекистане на скважине в Урта-Булаке, уникальна и по мощности газового факела, и по срокам его гашения.
Пройдя пустые породы, бур попадает в пласт с жидкостью или газом. Каким в этот момент будет давление снизу на буровой инструмент? Ответ известен. Сила определяется площадью сечения скважины и давлением жидкости в пласте, равным горному. Чтобы жидкость из пласта не прорвалась через скважину наружу, сверху на забое надо обеспечить такое же или большее давление. Скважину бурят вращаемой буровой головкой (аналог сверла в дрели), находящейся на нижнем конце колонны буровых труб. Для удаления разбуренной породы сверху, через колонну, качают под давлением буровой раствор. Он омывает головку и, поднимаясь вверх между колонной и стенкой скважины, выносит размельчённую породу на поверхность. Итак, на разбуриваемую поверхность давят сверху вес столба бурового раствора (плюс давление, под которым он закачивается) и вес буровой колонны. Вроде всё рассчитали, соблюли баланс.
Однако, пока месторождение формируется, давление в отдельном пласте, как герметично замкнутой полости, может возрасти за счёт внутренних процессов и превысить расчётное на сотни атмосфер. Это так называемые пласты АВПД (аномально высокого пластового давления). Опыт бурения подобных скважин есть, имеется и специальная защитная арматура, устанавливаемая на устье скважины.
Что произошло в Урта-Булаке? Оказалось, бурильщики вскрыли пласт с аномальным пластовым давлением 300 атм и высоким содержанием сероводорода. В подобных случаях полагается использовать оборудование из специальной стали, противостоящей агрессивной среде, что не было сделано.
Всю многотонную буровую колонну вышвырнуло из скважины. Мощный фонтан газа воспламенился, буровая вышка рухнула и частично расплавилась. Защитную арматуру на устье быстро разрушило, и гигантская газовая горелка заработала на полную мощь. Она сжигала 12 млн м3 газа ежедневно — примерно столько потребляет такой крупный город, как Санкт-Петербург.
Фонтан пытались усмирить всеми возможными методами в течение трёх лет. Пробурили три глубокие обходные скважины — успеха не добились. Погасили его, лишь перекрыв скважину на глубине сдвигом пластов. Для этого потребовались специалисты совсем другого профиля. Отступив от ревущего факела на расстояние около километра, пробурили наклонную скважину, в которую заложили ядерный заряд мощностью 30 килотонн. Конструкция заряда была специально разработана для использования в скважинах. Запечатав новую скважину так, чтобы не было радиоактивного выброса в атмосферу, взрывом сдвинули пласты. Через 22 секунды факел угас. Это был один из четырёх мирных ядерных взрывов для гашения газовых фонтанов.
Выбросы из газовых скважин в нашей стране ведут отсчёт с 1953 года. Тогда на разведывательной скважине у посёлка Берёзово в Западной Сибири (кстати, обнаружить нефть или газ геологи там вовсе не рассчитывали) бур случайно попал в месторождение. Тот первый газовый фонтан стал открытием, подтвердившим наличие огромных запасов углеводородов. Фактически с этого началась история Газпрома.
Аварии, связанные с высоким давлением на больших глубинах, были не только на нефтяных и газовых скважинах, но и при бурении Кольской сверхглубокой скважины — единственной в мире, превзошедшей глубину 12 км. До 7 км бурение проходило сравнительно спокойно в однородных прочных гранитах. Далее начались сюрпризы: бур вошёл в слоистые, менее прочные породы. Ствол скважины стал местами осыпаться, образуя каверны. Буровую колонну заклинивало, и при попытке подъёма она обрывалась. Приходилось участок скважины с потерянной частью колонны цементировать и продолжать бурение, отклонив буровой инструмент. Подобное случалось не один раз. Поэтому бурение затянулось на годы и постоянно шло под угрозой очередной аварии.
МОЖНО ЛИ ПРЕДВИДЕТЬ ОПАСНОСТЬ?
Например, создать некий подземный локатор, обнаруживающий опасность? Существуют же гидролокаторы, видящие издалека даже мелкую рыбёшку; приборы УЗИ для исследования внутренних органов человека; дефектоскопы для тщательного контроля сварных швов. В конце концов, работают станции сейсморазведки. Все эти приборы используют отражённые упругие колебания. Почему бы не применить те же принципы и в шахтных условиях? Естественно, таким вопросом задавались не раз. И ответ был неутешительный.
Методы, которые пытаются применять, пока не позволяют предотвратить встречу с заложенной природой страшной «ловушкой». Потому-то профессия горняков и сегодня, как сотни лет назад, остаётся одной из самых опасных.
