Глава 8. Власть поля

Жизнь нашу создаем мы смертью других.

Леонардо да Винчи

Геосистемы, созданные человеком, все чаще действуют благодаря искусственным электромагнитным полям, питающим всевозможные машины энергией. Эти поля объединяются с помощью линий электропередачи и охватывают своим влиянием большие пространства, в том числе почти всю Русскую равнину. Перед нами хорион исключительной сложности, обладающий громадным разнообразием эффектов разного масштаба - от движения мощных потоков руды до нагревания воздуха в помещениях. Важно еще и то, что эффекты связаны между собой самым прихотливым образом в цепочки крайне изменчивого состава. Их трудно, а иногда и просто невозможно ввиду интегрированное™ продуктов современной цивилизации отделить от последствий функционирования техники, работающей за счет других источников энергии, в первую очередь жидкого топлива. Таким образом, изучение геосистем с электрическим ядром представляет собой проблему, для решения которой наука едва ли готова.

Попытаемся тем не менее рассмотреть некоторые эффекты в хорионе Единой энергосистемы европейской части страны, порожденные компенсационными процессами. Объектами нашего внимания будут опережающие явления, которые предшествуют возбуждению электромагнитного поля турбинами станций. Значительный вклад в энергосистему вносят тепловые электростанции, действующие в базовом режиме. Среди них выделяются угольные электростанции, дающие больше половины выработки энергии. Они снабжаются из Донецкого, Печорского, Подмосковного и других бассейнов.

Наиболее существенные изменения окружающей среды вызывают четыре технологических процесса: собственно добыча угля и сопутствующие операции по складированию пустых пород, водопонижению и вентиляции.

Последствия извлечения угля. Образование пустого выработанного пространства в угленосных пластах вызывает перераспределение горного давления, которое влечет за собой деформацию, смещение и разрушение частей породного" массива. При этом возникают опасные горные удары, сопровождающиеся внезапными выбросами размельченного материала. Результатом горных ударов может быть появление трещин, однако об их роли в изменении окружающей среды у земной поверхности вблизи шахт сведений не имеется.

При относительно менее резком скачкообразном или непрерывном перераспределении горного давления вокруг подземной горной выработки наблюдается три вида явлений - пластическая деформация, растрескивание и обрушение пород. С увеличением объемов выработанного пространства эти явления сменяют друг друга во времени и при достаточной глубине его расположения локализуются в трех зонах. Над шахтными полями формируются мульды проседания. Кривизна земной поверхности в пределах мульд зависит от угла падения пластов. При залегании пластов, близком к горизонтальному, мульды симметричны, при крутых углах падения они становятся асимметричными, причем на одном их конце преобладает сжатие, а на другом - растяжение (Турчанинов и др., 1977). В ряде случаев при неравномерном опускании рельеф мульд бывает осложнен западинами и ложбинами. Вертикальные размеры искусственных прогибов варьируют в широком диапазоне величин - от долей сантиметров до нескольких метров, горизонтальные - от десятков метров до нескольких километров, находясь в зависимости от общей высоты выработанного пространства, прочности его кровли, ширины пласта и способа выемки угля. Максимальные размеры мульд проседания зарегистрированы в Донецком бассейне. Например, над шахтными полями последнего отмечены места, где земная поверхность опустилась на 3-5 и даже 5-7 м, их общая площадь составляет соответственно 20 и 110 км² (Осипов и др., 1980).

При напряжениях, превосходящих предел пластичности пород кровли, над выработанным пространством появляются многочисленные трещины. По вертикали растрескивание пород может распространяться на расстояния, которые в 10 раз больше мощности продуктивных пластов. Обычно же в плотных мелкозернистых породах вертикальные размеры зоны повышенной трещиноватости оцениваются как 20-30-кратная мощность извлекаемого пласта (Хохлов, 1971). В условиях неглубокого заложения горных выработок в первые же годы эксплуатации шахт в приповерхностных горизонтах возникают воронки, провалы и уступы, иногда с раскрытыми трещинами (шириной до 20-30 см).

Общая площадь земель, подвергшихся влиянию деформации и смещениям пород при подземной добыче угля в крупных бассейнах, измеряется десятками и сотнями квадратных километров. Удельные показатели этих нарушений определены А. А. Смирновым (1978). На 1 млн т угля приходится площадь земель с техногенным рельефом рассматриваемого типа, колеблющаяся от нуля и десятых долей гектара (например, в Кизе-ловском бассейне на Урале) до 5,4-5,8 га в Подмосковном бассейне. Площади таких земель в расчете на одну шахту достигают 130-160 га, но обычно они измеряются десятками гектаров.

Формирование мульд проседания часто влечет за собой подтопление почв грунтовыми водами. В результате происходит заболачивание их, сопровождающееся угнетением и гибелью растений и замещением их водолюбивыми видами. Активное заболачивание происходит в речных долинах, подрабатываемых шахтами, что можно видеть на примере поймы реки Самары, протекающей по территории Донецкого бассейна, где наблюдается усыхание деревьев и кустарников или резкое (в 3,5 раза для дуба) снижение их прироста (Сидельник, 1980). На дне мульд при избыточном увлажнении образуются водоемы.

В зонах повышенной трещиноватости часто отмечаются исчезновение водоносных горизонтов, высыхание водоемов и болот. Реки здесь превращаются в источник питания подземных вод (Леви, 1982). Появление трещин в верхних горизонтах меняет водный режим почв и подстилающих грунтов, что неблагоприятно отражается на растительности, прежде всего древесной.

При разработках газоносных пластов по трещинам могут подниматься вверх и поступать в атмосферу рудничные газы. В летние месяцы из шахт к поверхности проникает метан. По описанию В. А. Меркулова (1980), места выделения метана отличаются сильно уплотненной бесструктурной почвой серого цвета и полной безжизненностью, так как вся растительность на них погибает. В местах выхода на поверхность углекислого газа и мертвого воздуха почвы внешне не меняются, растения развиваются даже лучше, чем обычно, но животные их покидают.

Закрытые шахты продолжают оказывать влияние на окружающую среду, поскольку такие процессы, как деформация кровли выработанного пространства, дренирование ими подземных водоносных горизонтов, окисление поступающим воздухом химических соединений (в частности, пирита), не приостанавливаются.

При добыче угля открытым способом изменения окружающей среды связаны в основном с двумя причинами: загрязнением атмосферы мелкими частицами и газами, которые выделяются при горных работах, и трансформацией физических свойств воздушных масс над карьером. Что касается нарушений естественного залегания пород вблизи горной выработки, то их масштабы незначительны. Некоторое влияние на природу оказывают только оползни, иногда увлекающие почву у кромки карьера. В последнее время они стали редким явлением благодаря совершенствованию расчетов устойчивости откосов.

Пылеобразование происходит при всех технологических процессах, осуществляемых в карьерах. При выемке и погрузке угля экскаваторами, в особенности роторными, интенсивность пылевыделения может достигать 8,5-11,5 ^г/_с (Никитин, Битколов, 1975). Интенсивность пылевыделения в ходе перегрузки и транспортировки угля конвейерами на 1-2 порядка ниже. В результате взрывов, работы горнодобывающих и транспортных машин запыленность воздуха в карьерах, если не принимаются меры по борьбе с ней, часто составляет десятки и сотни миллиграммов на 1 м3. Такие концентрации потенциально взрывоопасны, не говоря уже о том, что они превышают гигиенические нормы. Витающая пыль в угольных карьерах отличается тонкой дисперсностью. Кроме угольных частиц в составе аэрозоля присутствует кварц, доля которого равна 2-4% от общей массы {Михайлов, 1981), что повышает вредность пыли.

Воздушными потоками карьерные аэрозоли и газы рассеиваются в окружающем пространстве. Внешняя граница зоны повышенного содержания пыли и ядовитых газов при благоприятных для разноса синоптических условиях, очевидно, располагается на расстоянии 2-3 км и более от наветренного края горной выработки. Судя по расчетам, в радиусе 0,5-1,5 км загрязнение атмосферы может намного превосходить порог чувствительности организмов.

Над карьерами происходит довольно активная трансформация состояния воздушных масс. Наиболее характерный ее признак-уменьшение скорости горизонтальных движений. На дне, скажем, 300-метрового карьера ветер в среднем ослабевает на 70-80%. При малых барических градиентах в карьерах обычны штили. Кроме скоростей горизонтальных и вертикальных потоков меняется и их направление. Эту перестройку в известной мере помогает выявить наложение роз ветров, дующих в карьере и вдали от него. Например, по данным метеорологических наблюдений в районе крупнейшего угольного карьера "Коркин-ский" (Южный Урал, глубина - 400 м), летом на поверхности преобладают ветры северные и северо-западные, а на дне выработки - восточные и северо-восточные, зимой на поверхности чаще отмечаются ветры южных и юго-западных румбов, а на дне выработки - северо-восточных и северных (Ивашкин, 1980).

Различие в нагревании склонов северной и южной экспозиции в ясную погоду порождает внутрикарьерную местную циркуляцию.

К сожалению, приземный слой атмосферы над территориями, прилегающими к карьерам, пока не охвачен аэрологическими наблюдениями, и о том, насколько далеко распространяется их влияние на его состояние, судить трудно.

Уменьшение турбулентности над карьерами и застаивание воздуха при температурных инверсиях способствуют скоплению аэрозолей и газов у дна выработок с образованием смога. Есть указания на то, что снижение вертикальных скоростей движений воздуха ведет к уменьшению количества атмосферных осадков в карьерах (Михайлов, Берескевич, 1975). Относительно экологических последствий изменений метеорологического режима над угольными карьерами в литературе сведений не имеется.

Сопутствующие последствия. Отрицательные эффекты образования отвалов на угольных шахтах и карьерах связаны прежде всего с накоплением масс попутно добываемых вскрышных пород, с поступлением на земную поверхность угля и углистых веществ. Органические соединения и минеральные примеси, вступая в контакт с воздухом и водой, начинают окисляться и растворяться со всеми вытекающими отсюда последствиями для окружающей среды.

В разных угольных бассейнах на 1 т добытого угля приходится от 0,12 до 0,4 т пород, направляемых в отвалы и частично на закладку выработанного пространства. Выход же пород на 1 т обогащенного угля колеблется от 0,1 до 0,5 т.

Самое очевидное последствие образования отвалов - погребение под ними почв и сообществ организмов. Площади, занятые породными отвалами у шахт, в расчете на 1 млн т добытого угля варьируют от 0,5 до 2,3 га (Подмосковный бассейн). На карьерах удельные потери земель при складировании пород могут быть меньше благодаря размещению отвалов внутри горной выработки.

Отвалы, содержащие до 20% углекислого вещества, обладают способностью к самовозгоранию. Горение отвалов на шахтах и карьерах служит мощным источником загрязнения атмосферы ядовитыми газами и аэрозолями. По наблюдениям, в Донецком бассейне концентрации окиси углерода и сернистого газа на расстоянии 300 м от горящего отвала могут достигать 125 и 1,65 ^мг/_м³ соответственно (Сапицкий и Худек, 1979). Максимальный уровень загрязнения отмечается в радиусе 100-500 м (Посыльный, 1980). Общая ширина зоны повышенной загазованности вблизи горящих шахтных отвалов превышает 1 км. Горение продолжается многие годы, в отдельных случаях - десятки лет. Чрезвычайно серьезную опасность представляют эндогенные пожары. По данным В. С. Ивашкина (1980), с квадратного метра поверхности отвала в час при пожаре может выделяться от 0,5 до 2,2 м³ окиси углерода, скапливающейся на дне карьеров при неблагоприятных для проветривания метеорологических условиях. Общее количество угарного газа, поступающего в воздух при крупных пожарах, измеряется десятками тысяч кубических метров. В результате пожаров образуется зола, которая при ветрах и переэкскавации интенсивно запыляет атмосферу.

Загрязнение атмосферы продуктами горения шахтных отвалов снижает урожаи сельскохозяйственных культур на прилегающих полях. Оно должно отрицательно отражаться и на естественной растительности из-за превышения предельно допустимых концентраций. В частности, содержание в воздухе двуокиси серы порядка 0,1-0,01 ^мг/_м³, которое обычно ведет к ухудшению роста и гибели хвойных, а также лиственных древесных пород и трав (Гудериан, 1979; Воронков и др., 1982, и др.), вблизи горящих отвалов не редкость. По аналогии с эффектами подкисления вод через воздух при возгорании битуминозных сланцев, выявленными в Канаде, можно высказать предположение, что поступление продуктов горения отвалов с атмосферными осадкам", в окружающие реки и озера, видимо, способно вызвать изменение и водных сообществ.

Окислившиеся вещества вымываются из отвалов и затем с поверхностным и подземным стоком выносятся на прилегающие территории и акватории, вызывая их загрязнение. Миграция химических элементов в окружающей отвалы среде подробно исследована в Кизеловском бассейне Н. П. Солнцевой и Е. М. Никифоровой (1982), установившими, что агрессивность поступающих в почвы с отвалов потоков вещества с высокими концентрациями свободной серной кислоты и сульфатов способствует переводу в подвижные формы и интенсивному выносу одних элементов (стронция, бария, хрома, кобальта) и накоплению других (германия, бериллия, циркония, скандия, иттрия), в результате чего формируются отрицательные и положительные геохимические аномалии, которые частично совмещены в пространстве.

Под влиянием загрязнения почв в наземных сообществах, расположенных вокруг отвалов, меняется флористический состав и ухудшается рост выживших растений. Ширина полосы с визуально фиксируемыми следами загрязнения в растительном покрове, будучи зависима от местных условий, непостоянна, но в отдельных случаях достигает многих десятков метров.

Отвалы загрязняют ближайшие реки, озера и искусственные водоемы, нередко обусловливая подкисление воды. Особенно больших значений может достигать концентрация отрицательных ионов в расположенных между внутренними отвалами карьерных водоемах, где рН 2,5-3,0. Объемы веществ с высокой-кислотностью, поступающие от многих отвалов в водоемы и водотоки, достаточны для оказания на их биоту разрушающего влияния. Но фактические сведения о реакциях на загрязнение немногочисленны.

Иногда, особенно после сильных дождей, отвалы теряют устойчивость и деформируют породы у подножия с образованием валов.

Нормальное функционирование рудников обеспечивается непрерывным осушением горных выработок. На 1 т добытого угля на угольных шахтах и в карьерах приходится от нескольких сот литров до нескольких десятков кубических метров извлеченной воды.

В результате откачки вокруг горных выработок нарушаются естественное состояние подземных вод и их режим. Направленные сдвиги заключаются в уменьшении мощности или полном исчезновении водных скоплений и потоков в зоне влияния дренажа, падении напоров, смешении разных горизонтов и смене путей движения потоков при понижении их уровня. Обычно уже в первые несколько лет существования шахт и карьеров под влиянием осушения формируются депрессионные воронки. Средние темпы понижения уровня воды в них измеряются десятками сантиметров в год (Воронов и др., 1981). Размеры депрессион-ных воронок зависят от местных геологических условий и размеров горных выработок. Единичные шахты и карьеры в водопроницаемых зернистых породах дренируют подземные воды в радиусе нескольких километров, а в трещиноватых породах - в радиусе до 20-40 км (Осипов и др., 1980).

В сложных структурах действие выработок локализуется и может ограничиваться расстоянием 1 - 1,5 км. Совместная работа систем водооткачки во многих выработках приводит к соединению отдельных депрессионных воронок в одну большую, имеющую региональные масштабы. Такое явление наблюдалось, в частности, в подземных водах Подмосковного буроугольного бассейна, где площадь депрессии в настоящее время достигла около 3 тыс. км² (Леви, 1982).

Процессы преобразования химического состава вод в дренируемых горизонтах при добыче угля еще плохо изучены.

О природных последствиях понижения уровня подземных вод и изменения их режима в сфере влияния угольных шахт и карьеров можно судить лишь по отрывочным сведениям и аналогиям. Дренаж вызывает прежде всего превращение местных рек и озер в источник питания нижних водоносных горизонтов. Исчезновение или опускание грунтовых вод может приводить к осушению озер и болот, а также к деградации вечной мерзлоты. Уменьшение увлажненности почвы и подстилающих пород должно отражаться на растительности и всем сообществе, но фактических данных о снижении биологической продуктивности и об изменениях состава флоры и фауны при воздействии горного дренажа, опосредованном почвенными водами, на угольных разработках не имеется. Осушение пластов на большую глубину способно стимулировать прогибание земной поверхности.

Уровень загрязнения шахтных, карьерных и дренажных вод, выступающий в роли главного фактора изменений окружающей среды в результате водоотлива из горных выработок, колеблется в чрезвычайно широких пределах. Определенный интерес представляют обобщенные данные по бассейнам СССР, которые можно считать репрезентативными, учитывая разнообразие их типов и большой объем извлекаемых вод (около 2 ^км3/_год). Свыше половины всей массы сточных вод принадлежит к категории пресных и имеет реакцию, близкую к нейтральной. Примерно 10% вод содержат соли в количестве свыше 3 ^г/_л и относятся к категориям солоноватых и соленых. Доля кислых стоков с рН 6,5 и менее составляет около 7%. Таким образом, большая часть вод, поступающих на земную поверхность из угольных выработок, не отличается существенно по своему составу от рек и озер. Однако стоки отдельных шахтных полей, месторождений и целых угольных бассейнов могут иметь сильную минерализацию и очень кислую реакцию. Например, из глубоких шахт начинают откачивать рассолы с содержанием растворенных веществ до 30-40 ^г/_л (Текиниди, 1981). Высокой кислотностью отличаются шахтные воды, откачиваемые на угольных месторождениях Донецкого, Подмосковного и других бассейнов. Для сточных вод, образовавшихся при добыче угля с минеральными примесями, характерна значительная концентрация солей тяжелых металлов, таких, как титан, кобальт, никель, молибден, ванадий, свинец, цинк и др. Иногда в водах присутствует стронций и барий в количестве до 1 ^г/_л (Монгайт и др., 1978). Помимо растворенных веществ с шахтными и карьерными водами выносятся вещества в виде взвесей, в первую очередь углистых, их содержание доходит до 2-3 ^г/_л.

Неочищенные или недостаточно очищенные воды из горных выработок вызывают загрязнение рек и озер, степень которого в общем определяется тем, насколько разбавляются стоки. Показатель разбавления быстро увеличивается с ростом размеров рек, служащих основным приемником этих стоков. Например, доля шахтных вод, поступающих из подземной выработки со средним водопритоком 100 ^м3/_час (такие выработки составляют от ¹/₄ до ⁴/₅ и более от общего числа в основных угольных бассейнах), в воде рек длиной 2,5, 10 и 50 км равна соответственно 100, 10 и 1%. Поэтому загрязнению подвержены прежде всего ручьи и малые реки. Однако в интенсивно эксплуатируемых бассейнах сточные воды из шахт и карьеров, чей суммарный объем измеряется десятками и тысячами кубических метров в сутки, могут заметно менять химический состав даже крупных рек - длиной в 1 тыс. км.

Гидробиологические эффекты собственно увеличения минерализации поверхностных вод в последнее время, судя по имеющейся литературе, специально не изучались, хотя очевидно,, что они должны быть. О характере последствий загрязнения вод, сопровождающегося подкислением, свидетельствуют прямые и косвенные данные.

Повсеместно наблюдается резкое обеднение фауны беспозвоночных и ихтиофауны в ручьях, находящихся в зоне влияния стоков из шахт. Установлен факт массовой гибели икринок рыб в условиях кислой среды. Поступление загрязненных вод в количестве 15-35% от естественного стока обусловливает многократное уменьшение биомассы всех групп организмов, причем деструктивный эффект сильнее проявляется на высших трофических уровнях сообщества и особенно затрагивает хищных рыб, которые совершенно элиминируются. Исследователи прудов зарегистрировали сокращение количества фитопланктона (до 70-90%) при подкислении воды и массовую гибель рыб при сбросе стоков с рН 4. Прослежено также увеличение численности гидробионтов в направлении от верховьев к низовьям, объясняющееся нейтрализацией воды.

Накоплены фактические материалы по пороговым значениям рН воды для мелких ракообразных и коловраток, играющих важную роль в озерных и речных экосистемах. Нижний предел рН для нормального развития организмов лежит в интервале от 3,3-4,8 до 5-5,5. Критические значения рН для выживания популяций наиболее чувствительных из пресноводных рыб (форели) равны 5,5-6. Пороги рН для других рыб мало изучены, однако они, вероятно, не ниже 4,5. Специальное обследование 700 озер в Норвегии показало, что в водах именно с такой кислотностью рыбы полностью отсутствуют.

Следует иметь в виду, что токсичность стоков угольных предприятий связана с высокой концентрацией не только ионов водорода, но и ионов тяжелых металлов.

Влияние загрязнения вод на наземные сообщества, могущее передаваться, например, через подземные воды или насекомых, обитающих на стадии личинки в реках и озерах, не изучено.

Для проветривания подземных выработок ежесекундно в онахты нужно подавать сотни, тысячи и десятки тысяч кубических метров воздуха. Карьеры, хотя они имеют естественный воздухообмен с атмосферой, также нередко нуждаются в проветривании. Поскольку угольные выработки более или менее сильно запылены, с воздухом через вентиляционные отверстия в окружающую среду выносятся массы аэрозолей (главным образом частиц угля), которые служат источником загрязнения. Одна шахта выбрасывает в год тысячи и десятки тысяч тонн пыли.

Забор воздуха для вентиляции подземных и открытых горных выработок, очевидно, не имеет значительных экологических последствий. Несравненно большие последствия, учитывая высокий уровень содержания аэрозолей и ядовитых газов в этих выработках, должен вызывать выброс воздуха в атмосферу. Однако данные непосредственных наблюдений за последствиями загрязнения среды при вентиляции шахт и карьеров очень ограниченны. К их числу принадлежит сообщение об ухудшении роста растений и выпадении отдельных видов из состава сообщества в тундре, вблизи шахт Печорского бассейна (Кулиева, 1977). Влияние несущих пыль струй воздуха сказывается на расстоянии свыше 50 км от вентиляционных отверстий (Ельчанинов, Горбачев, 1982).

В условиях вечной мерзлоты прохождение теплого воздуха по вентиляционным ходам может привести к протаиванию пород и их деформации (Осипов и др., 1980).

Попытка рассмотрения возможно более широкого перечня влияний добычи угля обнаруживает крайнюю неравномерность в научном освещении различных последствий. Лучше всего изучены непосредственные результаты извлечения топлива и дренажа, имеющие важное значение для функционирования самих рудников и разрезов. Очень плохо изучены побочные эффекты, особенно дальние звенья цепочек причинно-следственных связей. Обнаружение этих пробелов в знаниях важно для организации дальнейших исследований.

Таким образом, процессы созидания в сфере влияния электроэнергетической системы идут за счет разнообразных (и в ряде случаев масштабных) процессов разрушения окружающей среды.