16 вересня 1979 року на шахті «Юнком» (Донецька область, м. Юнокомунарівськ, південно-східна околиця Центрального вуглевидобувного регіону, на глибині 903 м був уперше в світі в умовах густонаселеного й інтенсивно експлуатованого гірничого регіону проведений промисловий підземний камуфлетний ядерний вибух уранового заряду потужністю 0,3 кілотонни у тротиловому еквіваленті

Офіційна мета – оцінка його ефективності для зниження частоти раптових викидів вугілля і газу при відпрацюванні вугільних пластів. Умовне найменування ділянки геологічного середовища, що містить вибухову камеру промислового ядерного вибуху і прилеглу зону тріщинуватості, – об’єкт «Кліваж».

Об’єкт «Кліваж». Вибухова камера
1 – скловидна оболонка вибухової камери;
2 – порожнина камери, заповнена водою, діаметр ~ 10 м;
3 – скловидний розплав гірських порід, ~ 100 т;
4 – зона зминання і дроблення порід.

Намічені до закриття групи гідравлічно взаємопов’язаних шахт Центрального вуглевидобувного регіону (далі – ВДР), включаючи шахту «Юнком», формують ризик затоплення об’єкту «Кліваж» і, як наслідок, зміни його гірничо-технічного стану та еколого-геологічних умов зони можливого впливу.

Наукові дослідження

Підвищений інтерес до цієї проблеми викликаний її принциповою новизною в еколого-технологічному та соціальному відношеннях, обумовлений відсутністю в світовій практиці досвіду затоплення камери ядерного вибуху за умов діючої густонаселеної гірничо-міської агломерації (далі – ГМА).

У зв’язку з цим були виконані окремі радіо-еколого-геологічні оцінки можливих впливів об’єкту «Кліваж» за умови некерованого (пасивного) затоплення шахти «Юнком».

Безсумнівно, отримані результати являють собою лише грубу оцінку, оскільки наявність вихідної інформації є вкрай обмеженою, а розвиток комплексу гірничо-технічних та еколого-геологічних змін об’єкту «Кліваж» значною мірою може залежати від змін гірничо-геодинамічних умов суміжних шахт.

З огляду на це, а також враховуючи тривале існування об’єкту «Кліваж» у зоні гідрогеофільтраційного і геомеханічного впливу гірничих робіт шахти «Юнком», наші концептуальні підходи базувалися на врахуванні захисної здатності геологічного середовища, максимальний прояв якої можливий лише за умов стабільного стану техногенно-геологічної системи (далі – ТГС) «об’єкт «Кліваж» – геологічне середовище зони його впливу». Із загальних міркувань це могло бути досягнуто раніше (до тимчасової окупації частини території Донбасу) за виконання двох комплексів захисних заходів:

підвищення гідрогеомеханічної стійкості вибухової камери об’єкту «Кліваж» шляхом її заповнення сорбційно-здатним
механічно стійким матеріалом (цеолітовим щебенем, перлітом тощо);
забутовка гірничих виробок, що примикають до периферійної зони об’єкту «Кліваж».

Доцільність виконання зазначених вище захисних заходів обґрунтовувалась, виходячи з консервативної схеми формування ризику радіоекологічного впливу об’єкту «Кліваж» – швидкоплинного руйнування забрудненої радіонуклідами вибухової камери й залпового виносу довгоживучих радіонуклідів у потік шахтних вод і в поверхневі водні об’єкти. На жаль, ці заходи здійснені не були.

Ми спробували у виконаних оцінках радіо-еколого-геологічного впливу об’єкту «Кліваж» врахувати максимально можливу на сьогодні кількість його гірничо-геологічних і ядерно-фізичних параметрів, що можуть бути важливими за некерованого затоплення шахти «Юнком».

Оцінка уразливості підземних вод

Структурно-геологічні, гідрогеологічні, інженерно-геологічні й сейсмо-інженерно-геологічні фактори району об’єкта «Кліваж» дозволяють виокремити наступні особливості ймовірної міграції довгоживучих радіонуклідів:

наявність у структурі потоку шахтних вод фільтраційних елементів;
висока ймовірність міжшахтного розподілу радіонуклідного забруднення вод шахти «Юнком» у зв’язку з наявністю великої кількості її гідравлічних збійок з гірничими виробками суміжних шахт.

У зв’язку з цим та можливим формуванням додаткового екологічного ризику при затопленні шахти «Юнком» проаналізуємо еколого-геологічні умови та деякі ядерно-фізичні параметри об’єкта «Кліваж».

У межах ТГС «шахта «Юнком» – гідравлічно взаємопов’язана зона геологічного середовища суміжних шахт» забруднення підземних вод за останні 70 років мало стійкий характер при розвитку гірничих робіт як по площі, так і вглиб.

Результатом комплексного впливу техногенних факторів (посилення інфільтрації мінералізованих шахтних вод, геохімічне забруднення ландшафтів, руйнування регіональних водоупорів тощо) стало практично повне заміщення прісних (до 1,0–1,5 г/дм³) і слабомінералізованих (1,5–3,0 г/дм³) на води з мінералізацією від 3,0 до 5,0 г/дм³ (до 70% досліджених площ).

Прискоренню процесів висхідної міграції радіонуклідів, як показав аналіз гірничо-геологічних умов суміжних шахт, може сприяти наявність гідравлічних збійок, а також гідравлічно небезпечного зближення гірських виробок.

Вибухова камера об’єкта «Кліваж» розташована в центральній зоні гірничих робіт шахти «Юнком», яка характеризується максимальною порушеністю масиву гірських порід і значною глибиною гірничих виробок (до 1 км). У зв’язку з цим, у разі гідрогеомеханічного руйнування об’єкта «Кліваж» і його затоплення та за умови висхідного потоку, матиме місце підвищений ризик прояву всіх факторів уразливості якості підземних вод, а також локального забруднення поверхневих водотоків.

З іншого боку, вибухова камера об’єкта «Кліваж» розташована на значній глибині (903 м), і хоча характеризується локальним розвитком тріщинуватості, але, водночас, і відсутністю у ближній зоні гідравлічних збійок і небезпечних геотехнічних зближень з гірничими виробками суміжних шахт.

За даних умов виключення додаткового зростання вразливості якості підземних вод у межах зони гідрогеомеханічного впливу об’єкта «Кліваж» могло бути досягнуто шляхом спеціальної стабілізації породного масиву з метою зменшення ризику потрапляння довгоживучих радіонуклідів у підземний потік і неконтрольованої їх міграції у підземних і поверхневих водах. Однак це зроблено не було, а зараз – зробити неможливо.

Дещо заспокоює те, що затоплення породного масиву при рівномірному фільтраційному водонасиченні вибухової камери об’єкта «Кліваж» може призвести до формування в ній практично застійного режиму з уповільненим протіканням сорбційно-міграційних процесів у гірничих породах.

Локальні наслідки підземного ядерного вибуху

При обґрунтуванні потужності вибуху враховували сейсмічну безпеку шахтних стволів, капітальних гірничих виробок, а також промислових і житлових будівель на поверхні у районі шахти «Юнком» і м. Єнакієве. Після вибуху, на поверхні в радіусі 1,6 км від епіцентру було обстежено 1260 будівель, у 22 (1,8%) з яких спостерігалося утворення волосяних тріщин, деформації димоходів і висипання побілки. У гірських виробках порушень практично не було виявлено, за винятком висипання дрібних уламків в одній із лав з покрівлі й бічних поверхонь окремих близько розташованих виробок.

Результати обстеження свідчили, що газоподібні продукти вибуху не мігрували за межі ізолюючих перемичок, оскільки сліди ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs з’явилися у шахтній воді лише після розкриття матеріалу ізолюючого комплексу (буріння зондуючої свердловини) у 1991 році.

Еколого-геологічною особливістю ділянки формування зони впливу ядерного вибуху є наявність вибухової камери, в якій, за оцінками фахівців, у склоподібному розплаві пісковиків може бути зосереджено до 95% радіоактивних продуктів вибуху.

Сучасні радіоекологічні умови вибухової камери об’єкта «Кліваж» за даними обстеження горизонту 936 м мають такі особливості:

часткова спадна фільтрація підземних вод у гірничі виробки горизонту 936 м (33 м нижче центру вибуху);
наявність руйнівних деформацій вибухової камери та її заповнення водою (за даними зондуючої свердловини, яка розкрила камеру у вересні 1991 р.);
невеликий обсяг вибухової камери (діаметр – до 10,0 м), з утворенням за експертною оцінкою до 100 т склоподібної розплавленої маси, де зосереджено до 95% радіоактивних продуктів вибуху;
формування зони зім’ятих (повністю зруйнованих) порід, у межах якої вони переформовані на піщані й щебенисті фракції, радіусом до 8,0 м від центру вибуху;
розвиток зони радіальних тріщин на відстані до 15 м від центру вибуху;
окремі активізовані, але закриті тріщини можуть проявлятися на відстані до 20–25 м від центру вибуху.

Орієнтовна оцінка залишку продуктів поділу

Водночас, за даними, отриманими із зондувальних свердловин, залишків радіоактивного розплаву в зоні радіальної тріщинуватості не виявлено.

На сьогодні відомо дуже мало про фізику описуваного ПЯВ, а саме:

заряд був урановий, камуфлетний;
потужність вибуху в тротиловому еквіваленті становила 0,3 кт;

Спробуємо ретроспективно відновити деякі параметри вибуху, використовуючи наявну літературу, що стосується випробувань атомної зброї.

Щодо кількості непрореагованого при вибуху збройного урану нам, на жаль, не вдалося знайти вірогідних даних про початкову масу заряду та розрахункову ефективність вибуху, оскільки ці дані досі засекречені організацією-розробником (Арзамас-16), яка розташована в Російській Федерації, й наразі отримати ці дані неможливо. За нашою оцінкою (за непрямими даними), мінімальна маса уранового заряду може бути біля 1 кг, а прореагувало при вибуху майже 20% від маси заряду. Решта збройного урану, очевидно, розсіяна у вибуховій камері.

За результатами досліджень, проведених у процесі підземних ядерних вибухів, встановлено, що через 1 хвилину після вибуху активність продуктів поділу уранового ядерного заряду за β-випромінюванням приблизно складає 4·10¹⁸ Бк (1,081·10⁸ Кі) на 1 тонну потужності вибуху в тротиловому еквіваленті [5]. Ця активність становить приблизно 1·10⁸ Кі, що фактично підтверджує наведені вище дані. Зменшення активності у часі (терміном до 200 діб після вибуху) відбувається за законом Вея-Вігнера:

А₀/А_t= (t/t₀)^1,2, (1)

де A_t – сумарна β-активність продуктів вибуху на час t; A₀ – початкова β-активність продуктів вибуху (на час, близький до моменту вибуху); t – поточний час; t₀ – початковий час.

Із формули (1) можемо оцінити початкову β-активність продуктів вибуху

A₀= A_t·(t/t₀)^1,2 (2)

A₀ у нашому випадку (Р=0,3 кт) становить 1,63·10²³ Бк або 4,40·10¹² Кі (через 1 секунду після вибуху).

Наше завдання – оцінити, яка кількість радіоактивних речовин може сьогодні міститись у вибуховій камері об’єкта «Кліваж». Для цього ми використали дані, у яких наведено вміст деяких (основних) радіонуклідів у продуктах ядерного поділу ²³⁵U (у % від загальної β-активності й додали результати наших розрахунків:

Вміст ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs у продуктах вибуху уранового заряду потужністю 0,3 кт

Радіо нуклід	Період напів розпаду	Вміст у продуктах вибуху у терміни
		1 год			5 год		1 доба		2 доби	5 діб		10 діб		30 діб		5 міс		1 рік			40 років
1	2		3	4		5		6			7		8		9		10		11	12
⁹⁰Sr	28,79 років		3,1·10^-5	2,2·10^-4		1·10^-3		3·10^-3			8·10^-3		2·10^-2		5,3·10^-2		3,4·10^-1		1,5
			73,6	76,0		52,6		68,7			61,0		66,4		47,1		42,9		66,4	23,3±3,8
¹³⁷Cs	30,17 років		4,1·10^-5	2,9·10^-4		2·10^-3		4·10^-3			1·10^-2		3·10^-2		7·10^-2		4,4·10^-1		1,98
			97,7	100,0		105,0		91,6			76,2		99,6		62,2		55,5		87,6	34,3±6,2

* – у чисельнику – відносний вміст у відсотках; у знаменнику – абсолютний розрахований вміст (у Кі)

Отже, ми провели ретроспективне відновлення вмісту довгоживучих ізотопів (⁹⁰Sr та ¹³⁷Cs) – єдиних, крім непрореагованого урану, які ще залишились у камері через 40 років після вибуху, і провели відповідну статистичну обробку наявних даних. Результати наведені у колонці 12 таблиці 1.

Водночас існує оціночний розрахунок залишкової радіоактивності у вибуховій камері станом на 1992 рік, виконаний фахівцями Всеросійського проектно-пошукового і науково-дослідного інституту промислової технології Мінатоменерго РФ за результатами буріння дослідних свердловин, який дає такий результат: Загальна кількість ⁹⁰Sr в камері 4,6 Кі; ¹³⁷Cs – 6,2 Кі.

Даних щодо наявності у зоні вибухової камери залишків непрореагованого уранового заряду опубліковано не було.

Наявність значних розходжень між нашими й російськими оцінками наявної кількості радіоактивних речовин у вибуховій камері об’єкту «Кліваж» свідчить про те, що у цьому питанні на сьогодні є значна невизначеність, тому особливу увагу слід приділяти дозиметричному і радіометричному контролю, особливо в місцях можливого виходу підземних шахтних вод на денну поверхню.

Вразливість геологічного середовища на міграцію радіонуклідів

Уразливість геологічного середовища (далі – УГС) є одним з основних понять при оцінці й прогнозуванні еколого-геологічних умов і ризику техногенно-геологічних систем «техногенний об’єкт – геологічне середовище».

У більшості випадків показник УГС трансформується в комплексний параметр уразливості якості підземних вод, що відображає якісні, напівкількісні та кількісні співвідношення захисних властивостей геологічного середовища (далі – ГС) й інтенсивності техногенного навантаження.

Практичне значення виконаних раніше в датсько-українському проекті «Охорона і відновлення якості підземних вод у районі Донбасу, Україна» (1999–2001 рр.) оцінок рівня підземних вод (далі – РПВ) у районі шахти «Юнком» полягає в тому, що накопичені техногенні зміни геологічного середовища призвели до стійкого регіонального зниження його захисної здатності й підвищення чутливості до природних і техногенних факторів за умов експлуатації та закриття шахт.

У загальному плані термін РПВ тісно пов’язаний з поняттям «стійкість геологічного середовища», яке фахівці розглядають як «комплекс природних властивостей, що визначають характер та інтенсивність реакції геологічного середовища на техногенний вплив».

Таким чином, РПВ є показником схильності верхньої частини ГС до забруднення підземної гідросфери. На нашу думку, група природних і техногенних факторів, включених в оцінку РПВ Центрального вуглепромислового району, з достатньою повнотою відображає провідну роль гірничо-міських агломерацій у зростанні УГС.

Щодо ТГС «шахта «Юнком» – геологічне середовище», що включає об’єкт «Кліваж», основними факторами УГС згідно з виконаними оцінками є:

гідравлічні збійки шахти «Юнком» із суміжними шахтами, а також наявність горизонтів геотехнічно небезпечного зближення гірських виробок;
наявність великих тектонічних порушень на кордонах поля шахти «Юнком», що характеризуються зниженою геомеханічною стійкістю порід, а також прискореною міграцією підземних вод;
примикання Юнокомунарівської міської агломерації до технічних меж шахти «Юнком», що, на наш погляд, може сприяти формуванню додаткових факторів УГС (наявність ділянок підтоплення та зниження стійкості гірських порід, підвищення агресивності ґрунтових вод тощо).

Неконтрольоване затоплення об’єкта «Кліваж» у радіоекологічному відношенні може спричинити наступну зміну його параметрів, які впливають на радіоекологічну безпеку:

поступове повне водонасичення вибухової камери й підвищення швидкості розчинення склоподібного розплаву до максимальних значень;
зниження міцності порід внаслідок їх повного водонасичення з можливістю подальшого руйнування вибухової камери й гідравлічної міграції радіаційно забруднених вод у підземному потоці;
прояв захисного впливу сорбційної здатності породного масиву, значна частина якого складена пористими породами з підвищеним вмістом глинистого матеріалу.

Як уже зазначалося, понад 95% радіоактивних продуктів вибуху зосереджені у вигляді лінзи на дні вибухової камери, яка займає 5–10% її обсягу.

Про низький реальний ризик виходу радіоактивних продуктів вибуху за межі вибухової камери свідчить відсутність продуктів розпаду й аномального підвищення радіаційного фону в стовбурі зондувальної свердловини №1, яка розкрила пісковики в 5,0 м від межі вибухової камери у 1989 році.

Навіть при використанні сорбційної здатності незначного обсягу порід шлях міграції радіаційних забруднень за умов суцільного фільтраційного потоку буде незначним. Якщо взяти до уваги, що в зоні геомеханічного впливу вибуху (за межами вибухової камери) породи інтенсивно роздроблені вибухом, то слід очікувати підвищення сорбційно-захисної здатності порід.

На наш погляд, головною умовою радіоекологічної безпеки об’єкта «Кліваж» за умов затоплення є формування дуже уповільненого режиму вилуговування і гідрогеофільтраційної міграції радіонуклідів.

Для досягнення цієї умови доцільно було заповнити вибухову камеру механічно стійким і сорбційно активним цеолітовим щебенем, а суміжних гірничих виробок – сорбційно-здатними й протифільтраційними матеріалами (цеоліти, бентоніти, перліт тощо), що, на жаль зробити у свій час не встигли, а зараз це зробити неможливо.

Висновки

Неконтрольоване затоплення шахти «Юнком» може призвести до порушення рівноваги порід і гідрогеомеханічного руйнування вибухової камери об’єкта «Кліваж».

При збереженні сучасного стану гідрогеомеханічних умов вибухової камери у межах прилеглого породного масиву відбуватиметься уповільнена гідрогеоміграція радіоактивних ізотопів (за умови збереження сучасного рівня сорбційної здатності порід) і досить незначна міграція радіонуклідів.

За умови затоплення шахти формуються передумови для уповільненої зміни низхідної фільтрації на висхідну з переважним надходженням розчинених радіонуклідів у зони незабруднених порід. У цілому це буде обумовлювати обмеження їх міграції й зниження радіоекологічного ризику забруднення підземних і поверхневих вод.

Реалізація схеми неконтрольованого затоплення шахти «Юнком» має проводитися за умови постійного комплексного радіоекологічного моніторингу навколишнього середовища, особливо в місцях можливого виходу підземних вод на поверхню.

Іван Дрозд, д-р біол. наук, Інститут ядерних досліджень НАН України,

Євген Яковлєв, д-р техн. наук, Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України