Что будет с заброшенной шахтой, если в ней навсегда выключат насосы?

Функционирование любой глубокой шахты требует постоянного искусственного поддержания сухого пространства. Мощные насосные станции непрерывно откачивают грунтовые воды, создавая зону депрессии и предотвращая затопление выработок. В момент окончательного отключения насосов эта искусственная система разрушается, и природные гидрогеологические процессы начинают восстанавливать исходное состояние породного массива. Заброшенная шахта не просто превращается в затопленный резервуар. Она становится сложным биохимическим и геологическим реактором, в котором протекают процессы, способные изменить рельеф поверхности, химический состав региональных водоносных горизонтов и структуру подземной биосферы.

Гидрогеологический шок

Возвращение воды в выработки гидрогеологи называют восстановлением уровня шахтных вод. Его скорость определяется тремя обстоятельствами: сколько пустот осталось под землёй (объём выработанных камер, штреков и стволов), насколько легко вода проходит через окружающие породы (проницаемость, то есть сообщаемость трещин и пор) и есть ли у шахты гидравлическая связь с соседними водоносными горизонтами. Небольшая шахта может заполниться за месяцы, глубокая и протяжённая — за десятилетия.

Приходящая вода не просто занимает место. Порода на глубине не монолитна: она разбита трещинами, а песчаники и сланцы нередко сцементированы глинистым или карбонатным веществом. Вода растворяет часть этого цемента, а глинистые минералы, впитывая воду, разбухают и теряют прочность. Кроме того, тонкая плёнка воды на поверхностях трещин работает как смазка: коэффициент трения между блоками породы снижается.

Поэтому массив, десятилетиями державший нагрузку в сухом состоянии, по мере насыщения постепенно теряет прочность — именно это подготавливает все последующие смещения.

Геомеханика

Во время добычи поверхность над шахтным полем оседает: под землёй остаются пустоты, кровля смыкается, толща пород уплотняется. Когда вода возвращается, начинается обратное движение, но механизм у него другой. Вода заполняет трещины и поры и давит на их стенки изнутри, в том числе снизу вверх. Лежащая выше порода оказывается частично подперта этим давлением — так же, как гидравлический домкрат поднимает груз, передавая усилие через жидкость. Спутниковые измерения на заброшенных угольных бассейнах, например в Рурском регионе и в Великобритании, фиксируют именно это: после затопления поверхность медленно поднимается на сантиметры в течение нескольких лет. Это не возврат извлечённого угля: вода лишь распирает раздробленную породу, немного увеличивая её объём и выталкивая верхние слои.

То же давление воды объясняет микросейсмичность вблизи затапливаемых шахт. Блок породы, лежащий на плоскости разлома, прижат к ней весом вышележащей толщи, и удерживает его сила трения, пропорциональная этому прижиму. Вода, входящая в разлом, давит на его стенки изнутри и частично компенсирует вес: блоки прижимаются друг к другу слабее, трение падает. Когда оно становится меньше силы, стремящейся сдвинуть блок, блок смещается рывком, и в толще пород расходится упругая волна, которую регистрируют сейсмографы. Это тот же механизм, из-за которого землетрясения вызывает закачка больших объёмов воды в скважины, только в меньшем масштабе.

Третий, самый медленный сценарий — провалы. Вода растворяет карбонатные породы, известняки и доломиты, и вымывает мелкие частицы из старой закладки и обрушенного материала. Под землёй постепенно растёт скрытая полость. Её кровля держится до тех пор, пока её толщина не становится меньше предела прочности, затем она обрушивается, и на поверхности образуется воронка. Произойти это может спустя десятилетия после остановки насосов: воде требуется время, чтобы вымыть полость.

Кислотный дренаж

В стенках выработок присутствуют сульфидные минералы, прежде всего пирит — дисульфид железа. В присутствии кислорода и воды пирит окисляется, и продуктами этой реакции становятся серная кислота и растворённые соединения железа. Пока в выработках остаётся воздух, реакция идёт медленно. Резко ускоряют её бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans, получающие энергию от окисления двухвалентного железа в трёхвалентное. Трёхвалентное железо атакует пирит в десятки раз быстрее, чем растворённый кислород, а бактерии постоянно регенерируют трёхвалентное железо из образовавшегося двухвалентного.

Замыкается самоускоряющийся цикл: чем больше бактерий, тем больше трёхвалентного железа, тем больше кислоты, а кислота — благоприятная среда для этих же кислотолюбивых бактерий. Поэтому вода в затопленных сульфидных шахтах достигает кислотности, сравнимой с лимонным соком, и попутно растворяет цинк, медь и свинец, заключённые в породе, — это и есть кислотный шахтный дренаж.

Но кислород в закупоренной шахте конечен. Когда он выработан, среда становится бескислородной, и состав бактерий меняется. Сульфатредуцирующие бактерии начинают получать энергию иным способом: вместо кислорода они «дышат» сульфатом, отбирая у него кислород и выделяя серу в виде сероводорода. Сероводород связывает растворённые металлы в нерастворимые сульфиды — металлы выпадают в осадок, и вода постепенно теряет токсичность. Поэтому старые затопленные шахты нередко выдают на-наружу относительно чистую воду. Однако если богатая двухвалентным железом вода поднимается к поверхности и встречает воздух, железо быстро окисляется до трёхвалентного и выпадает рыхлым оранжевым осадком гидроксида железа. Этот налёт покрывает дно ручьёв, забивая промежутки между камнями, где живут личинки насекомых, и нарушает пищевую цепь снизу.

Газовая динамика замкнутого пространства

Биохимические реакции и сама поднимающаяся вода перераспределяют газы. В угольных бассейнах метан присутствует не свободными пузырями, а в адсорбированном виде — он удерживается на стенках микропор угля. При добыче он выделяется и уносится вентиляцией. После остановки насосов вода, поднимаясь снизу, вытесняет газ из затопленных горизонтов, и метан, который легче воздуха, скапливается под закупоренными кровлями верхних выработок. Оттуда по сообщённым микротрещинам он мигрирует к поверхности и способен накапливаться в подвалах и колодцах: взрывоопасной считается концентрация метана примерно от 5 до 15 процентов по объёму в воздухе, поэтому над старыми шахтами ведётся газовый мониторинг.

К метану добавляются ещё два газа. Сероводород — продукт жизнедеятельности тех же сульфатредуцирующих бактерий и анаэробного гниения старой деревянной крепи. И радон: он постоянно образуется при распаде урана, который в следовых количествах присутствует во многих породах.

Радон растворяется в грунтовой воде, и поднимающаяся вода доставляет его к верхним горизонтам, где он выделяетс я в воздух через трещины и почву. Поэтому в старых горнодобычных районах радон может накапливаться в зданиях даже спустя десятилетия после закрытия шахт.

Адаптация подземной биосферы

На поверхности основа любой пищевой цепи — растения, захватывающие солнечный свет. В затопленной шахте света нет, и основа другая — хемосинтезирующие бактерии, получающие энергию из химических реакций: окисления железа, серы и водорода, высвобождаемых породой. Своё тело они строят из углекислого газа, растворённого в воде. Их органику поедают другие бактерии и простейшие, и пищевая цепь выстраивается на энергии породы, а не солнца.

Эта жизнь ускоряет разрушение того, что оставил человек. Стальные конструкции под водой корродируют быстрее, чем в чистой воде: сульфатредуцирующие бактерии в биоплёнке на металле потребляют водород, выделяющийся при коррозии, и, убирая водород, смещают электрохимическое равновесие — железо растворяется быстрее. Кислоты и сероводород реагируют с железом напрямую, превращая его в сульфиды и оксиды.

Деревянную крепь разъедают грибы и бактерии, способные разлагать целлюлозу без кислорода. Через несколько десятилетий от подземных сооружений остаётся лишь минеральный каркас и порода.

Влияние на поверхностный ландшафт и гидрологию

Затопленная шахта меняет водный режим всего района. Сухая трещиноватая порода работала как губка: впитывала дожди и постепенно отдавала их рекам. Насыщенная порода воду впитывать больше не может: после дождей она стекает в реки быстрее, и паводки становятся круче. Одновременно в засушливые периоды затопленные выработки, работающие как гигантское подземное водохранилище, поддерживают в ручьях устойчивый сток шахтной воды.

Температура этой воды тоже особенная. Породы прогреты тем сильнее, чем они глубже: температура растёт примерно на три градуса на каждые сто метров. Поэтому вода в глубоких затопленных шахтах держит стабильную температуру независимо от сезона, и тепловые насосы могут забирать у неё тепло зимой для отопления и сбрасывать в неё излишки тепла летом.

Такие системы уже работают над затопленными шахтами в Великобритании, Нидерландах и США. Так шахта с остановленными насосами продолжает работать — теперь как геологическая, химическая и биологическая система, которую человек может лишь наблюдать и учитывать.