Úskalí geotechnického monitoringu vnitřní výsypky

1
Zdroj: Inset

Geotechnický monitoring výsypek je nezbytný pro včasnou predikci vývoje jejich deformací, které mohou v konečném důsledku vést až k iniciaci svahových pohybů a následně mohou ohrozit vlastní provoz lomu. Ve velmi přetvárném prostředí s neustále se měnící morfologií a probíhající významnou konsolidací však lze aplikovat velmi omezené množství monitorovacích metod.

Na území severočeského hnědouhelného revíru probíhá rozsáhlá těžba terciérních pánví. Součástí těžby hnědého uhlí v prostoru povrchových velkolomů je odstraňování nadložních vrstev zeminy, které uhelné sloje překrývají. Skrývka, jak se nadložní vrstvy nazývají, je tvořená převážně jíly a jílovci, a může dosahovat mocnosti v rozmezí prvních desítek až do 200 m.

Skrývkové zeminy musí být v průběhu těžby ukládány na vhodné místo mimo prostor samotné těžby – z toho důvodu jsou zakládány výsypky. Výsypky hnědouhelných lomů zabírají plochu o stovkách hektarů a často převyšují terén o 100 až 200 m a vytvářejí nový charakter krajiny.

Podle místa uložení výsypky se rozlišuje vnitřní a vnější výsypka. V počáteční fázi těžby je založena vnější výsypka. Jde o deponii sypaných zemin a hornin, umístěnou vně lomu, obvykle uvnitř dobývacího prostoru. Následně po uvolnění prostoru těžbou je uvnitř samotného lomu založena vnitřní výsypka.

Ta představuje objekt sypaných zemin a hornin ve vnitřním prostoru lomu, ve vyuhlené části s mocností až 200 m (obr. 1).

Geotechnický monitoring spolu se stabilitními analýzami výsypkových těles je nezbytnou součástí kontroly bezpečného postupu zakládání výsypky a slouží pro včasné varování o vývoji rizikových deformací a pro návrh vhodných stabilizačních opatření.

Tento článek se zaměřuje zejména na problematiku geotechnického monitoringu vnitřní výsypky hnědouhelného lomu v souvislosti s možným prodloužením jeho životnosti. Životnost pozorovacích vrtů na aktivní vnitřní výsypce je totiž z důvodu rozsáhlých změn v morfologii terénu maximálně jeden až dva roky.

Taková životnost je pro relevantní sběr dat nedostatečná i s ohledem na finanční náročnost realizace prvků monitoringu. Z toho důvodu jsou realizovány zejména vrty vystrojené měřidly pórových tlaků (MPT), u kterých je určitá šance na postupné prodlužování životnosti s ohledem na vývoj morfologie povrchu tělesa vnitřní výsypky.

Charakteristika území

Vnitřní výsypka je zemní těleso, které je založené uvnitř vyuhleného prostoru, které průběžně postupuje směrem těžby lomu. Postupně vyplňuje nově uvolněné (vyuhlené) prostory v závislosti na rychlosti postupu skrývky (odtěžování nadložních zemin) a udržuje si více méně stálou vzdálenost od těžené uhelné sloje (obr. 2).

2
Obr. 2 Odstup paty vnitřní výsypky od těžené uhelné sloje | Zdroj: INSET

Charakter založených zemin v prostoru vnitřní výsypky je ovlivněn technologickým postupem těžby skrývky (nadložní zeminy a horniny) a následnou přepravou a ukládáním zeminy do tělesa výsypky.

Těžba skrývky probíhá často kolesovými rypadly, kdy dochází k odtěžování kompaktních kusů zeminy o objemu až 1 m3.

Následně je těžená zemina skrývky dopravována pomocí několika sekcí pásových dopravníků od jednotlivých rypadel na vlastní výsypku (obr. 3).

3
Obr. 3 Pásová doprava skrývky na vnitřní výsypku | Zdroj: INSET

Při transportu dochází k samovolnému rozvolnění – zmenšování, zaoblování a případně k zvlhčování hrud převážně jílovité zeminy. Hrudky zeminy dopadají ze zakladačů na povrch výsypky z výšek od několika metrů až po cca 30 m (obr. 4).

4
Obr. 4 Zakládání výsypkové etáže sypáním | Zdroj: INSET

Jedná se tedy ve své podstatě o nezhutněný násyp ze sypaniny složené převážně z úlomků jílovců (obr. 5). Tento materiál prochází při zatěžování vlastní vahou několika strukturními změnami. Nejprve má charakter propustné partikulární sypaniny, při dalším zatěžování se vytváří souvislé kontinuum, v němž se uplatňuje tlak vzduchu i vody.

Tento proces je komplikován větráním uložených zemin a jejich měknutím při průsaku vody sypaninou, a to zvláště v počátečním období po uložení. V nejsvrchnější části výsypek přitom neustále dochází k degradaci povrchu vlivem exogenních činitelů (přívalové deště, regelace atd.).

Nadložní sedimenty terciérních hnědouhelných slojí (skrývka) jsou tvořeny převážně jílovci a jíly, které lze v tělese výsypky charakterizovat jako překonsolidované potrhané zeminy.

V menší míře jsou zastoupeny písky, písčité jíly, uhelné jíly. Zeminy výsypky lze rozdělit do dvou horizontálních zón – na svrchní, nekonsolidovanou zónu (cca 5 až 15 m od povrchu terénu) a spodní, konsolidovanou zónu, přičemž rozhraní není konstantní.

Podložka výsypky (báze vyuhlení tvořená zbytky uhelné sloje a podložím) je před zahájením sypání výsypkových zemin vždy odvodněna. Drenážní soustava je tvořena systémem stabilizačních a odvodňovacích drénů se štěrkovým záhozem s vyústěním systému do jímek čerpacích stanic v počvě (na dně) lomu, odkud jsou vody dále čerpány na čističku důlních vod.

5
Obr. 5 Charakteristický povrch vnitřní výsypky tvořený úlomky jílovců | Zdroj: INSET

V tělese výsypky se vyskytují pouze lokální zvodnění v mělké, přípovrchové zóně – nekonsolidované zóně – výsypky s úrovní hladiny podzemní vody do hloubky cca 5 až 40 m pod terénem. Nejedná se však o souvislou hladinu podzemní vody, která v tělese výsypky díky charakteru zeminy a celkovému odvodnění podloží není až na výjimky přítomna.

Geotechnický monitoring vnitřní výsypky

Prostor vnitřní výsypky je důležité monitorovat zejména z důvodu včasné indikace geotechnických rizik. Rizika vyplývají zejména ze způsobu zakládání výsypky, z jejího navyšování, nastrmování, případně z důvodu ukládání zemin ne zcela vhodných do výsypek (zejména regelací přetvořené jílovité zeminy svrchních partií skrývky). Pro realizaci monitorovacího systému je limitující zejména postup výsypky.

Geotechnický monitoring zemních výsypkových těles sestává zejména z následujících základních metodik:

Měření hladiny podzemní vody ve vrtech

Realizuje se hydrogeologickým vrtem vystrojeným perforovanou HPDE nebo PVC pažnicí s ustálenou hladinou podzemní vody. Z dosavadních studií vyplývá provzdušnění tělesa výsypky do hloubky cca 30 až 50 m – jedná se o hloubku, kdy lze očekávat přítomnost lokálních zvodní.

Hlouběji by se voda neměla vyskytovat s ohledem na konsolidaci zeminy a odvodnění podložky výsypky – vyskytovat se ale může díky infiltračním trasám v nedostatečně zpevněném materiálu a v místě přesypání starých jímek a komunikacích, včetně jejich odvodnění.

Měření pórových tlaků ve vrtech

Realizuje se pomocí vrtu se zacementovanými čidly pórových tlaků (MPT) v určených hloubkách.

Měření slouží ke sledování změn pórových tlaků v zemině, přičemž výrazný nárůst pórových tlaků indikuje iniciaci svahových nestabilit anebo změnu v hydrodynamických poměrech. Zároveň se jedná o nepřímou metodu sledování hladiny podzemní vody v tělese.

V prostoru postupujícího výsypkového tělesa je snaha monitorovat zejména chování pórového tlaku v tělese výsypky a včas zdokumentovat případný vývoj horizontálních deformací. Z toho důvodu jsou na jednotlivých etážích výsypky realizovány vrty vystrojené MPT.

Měření přesné inklinometrie ve vrtech

Realizuje se pomocí vrtů vystrojených inklinometrickou pažnicí (drážkovaná pažnice pro vedení inklinometrické sondy).

Měření slouží k včasné indikaci horizontálních deformací v zemním tělese.

Měření sedání tělesa

Využívá se metoda ocelových desek. Míru sedání tělesa výsypky je obtížné stanovit, jako vhodná metoda se jeví využití ocelových desek. Ocelové desky (rozměr cca 5 × 5 m) se uloží do vybraných míst vnitřní výsypky a následně po přesypání je kontrolován jejich pokles pomocí sond statické penetrace. Z pravidelných kontrol polohy ocelové desky pomocí těžké statické penetrace je možné zjistit časový průběh a velikost sedání.

Zhodnocení monitoringu

Z uvedených metodik je v zemním tělese, které je stále zakládáno a neustále mění svojí morfologii a mocnost, možné použít zejména vrty vystrojené MPT, u kterých existují metody nastavení. Použití klasických, pevně stabilizovaných geodetických bodů, hydrogeologických vrtů a inklinometrických vrtů není vhodné zejména s ohledem na krátkou životnost. Tyto prvky se budují následně v konečných partiích výsypky, kde již neprobíhá sypání zeminy.

Rizika monitoringu v prostoru vnitřní výsypky

Postup výstavby výsypky, pohyb těžké mechanizace (zakladače, pomocná vozidla, buldozery) a vysoké nároky na údržbu dostupnosti vybraných míst pro umístění prvků monitoringu způsobují jejich velmi omezenou životnost a náročnou údržbu. V rozmezí jednoho roku až dvou let dojde s velkou pravděpodobností k přesypání polohy umístění vrtu a k jeho znehodnocení (obr. 6).

Výrazná mocnost zeminy, která zakrývá zhlaví vrtu, znemožňuje vysílání měřených dat do sběrných databází, zároveň není možný přístup k monitorovacímu prvku a jeho údržba (například výměna baterií).

6
Obr. 6 Střet monitorovacího prvku s postupem zakládání výsypky | Zdroj: INSET

Při budování jednotlivých etáží dochází také k výraznému sedání zeminy ve výsypkovém tělese. K deformaci dochází vlivem vlastní tíhy ukládané sypaniny a následným procesem konsolidace. K sedání dále přispívá i přitížení vzniklé zakládáním výše umístěných etáží.

Obecná předpokládaná míra deformace sypaných zemin výsypky je až 10 %. Zároveň dochází lokálně k nerovnoměrnému sedání vlivem rozdílných vlastností uložených zemin a v místech pohybu techniky, zejména pak v trase zakladače a v oblastech vedení provozních komunikací.

Výše zmíněné faktory výrazně ztěžují, až znemožňují provoz standardního geotechnického monitoringu, který by sestával ze soustavy hydrogeologických a inklinometrických vrtů, sond vystrojených MPT a pravidelnou soustavou geodetických bodů, případně z dalších metod geotechnického monitoringu. Zároveň je ale provoz monitoringu vnitřní výsypky zásadní pro včasné vyhodnocení bezpečnostních rizik, které by mohly mít fatální důsledky na provoz lomu.

Přesun a nastavení monitorovacích prvků

Zničením monitorovacích prvků dochází k přerušení řad měřených dat, která jsou zásadní pro dlouhodobé sledování procesů, které v tělese výsypky probíhají. Zároveň dochází k nemalým finančním ztrátám – realizace vrtů s hloubkou přesahující 100 m na dobu jednoho roku až dvou let je nákladná.

Vzhledem k mocnosti sypaných etáží (jednotky až první desítky metrů) je téměř nemožné vrty s nutnou návazností výstroje (inklinometrické a hydrogeologické vrty) vertikálně nastavit – žádný z pokusů vertikálního nastavování vrtů nebyl úspěšný, vždy došlo k poškození pažnic a ke zničení vrtu.

Vrty osazené MPT nejsou nutně vázány na vertikální nastavení – není nezbytné zachovat kontinuitu pažnic jako u klasických hydrogeologických a inklinometrických vrtů. Je potřebné nastavit kabely jednotlivých čidel a odvést je do dočasně stabilního prostoru tak, aby měření mohlo kontinuálně pokračovat.

Tato činnost je poměrně náročná a náchylná na poškození kabelů – k poruchám horizontálně vedených kabelů dochází zejména nerovnoměrným sedáním v přípovrchových vrstvách, které vzniká především vlivem pohybu středně těžké mechanizace po provozních komunikacích a pohybem zakladačů a doprovodné mechanizace po výsypkových etážích (obr. 7).

Možnému porušení nastavených kabelů lokálními deformacemi je předcházeno použitím chráničky vlastního kabelu, která umožňuje parciální pohyb kabelu. Kabel je v zemi zároveň veden volně položenými smyčkami tak, aby byla dostatečná rezerva kabelu a nedošlo k jeho přetržení.

7
Obr. 7 Výsypkový zakladač ZP 6600 s teoretickým výkonem 6 600 m3/h | Zdroj: INSET

V roce 2020 a začátkem roku 2021 byly zkušebně prodlouženy kabely několika vrtů vystrojených MPT. Prodloužení bylo provedeno po výsypkových etážích v předstihu před postupem zakladače. Pro nové umístění byla vybírána co nejbližší místa k původní poloze, u kterých lze díky předstihovým důlním plánovacím mapám predikovat co nejdelší životnost před dalším nutným opakovaným přesunem.

Řešení sestávalo z úpravy stávajícího zhlaví před jeho zasypáním tak, aby bylo možné kabel bezpečně vyvést z ochranného zhlaví stávajícího vrtu do připraveného výkopu.

Při přesypání stávajícího vrtu dojde k výraznému sedání, předpokládá se ale, že stávající zhlaví nebude klesat z důvodu zacementování celého stvolu vrtu až na jeho dno (desítky až stovky metrů).

Z toho důvodu je ve vodicí trubce, která je přivařena k původnímu zhlaví, uschována dostatečně velká rezerva kabelu, aby sedáním zeminy nedošlo k jeho přerušení hned na výstupu z ocelové ochranky.

Výkopem v tělese výsypky byly vyvedeny kabely jednotlivých MPT z původního zhlaví až na určené místo, které nebude v nejbližší době přesypáno (alespoň jeden rok). Kabely byly z výkopu vytaženy do nového dočasného zhlaví, které bude sloužit do doby dalšího přesunu.

Jako zhlaví byla použita betonová skruž (DN400) s ocelovým poklopem a výstražnou výtyčkou (obr. 8). Takové zhlaví poskytuje dostatečnou ochranu příslušenství vrtu a zároveň je opakovatelně použitelné pro další přesuny.

8
Obr. 8 Dočasné betonové zhlaví s výstražnou výtyčkou | Zdroj: INSET

Zásadním rizikem celého způsobu nastavení je případné neočekávané výrazné nerovnoměrné sedání a nedostatečná vůle položeného kabelu v chráničce. V takovém případě může dojít ke střižení kabelů a k znehodnocení vrtu.

Zároveň i přesto, že kabely byly uloženy ve výkopech od 1 až 2 m pod terénem, plošné úpravy povrchu buldozery mohou neplánovaně dosáhnout i těchto hloubek a kabely zpřetrhat. Povrch vnitřní výsypky je také velmi náchylný na retenci srážkových vod, které je nutné operativně odvádět z prostoru provozních komunikací a z manipulačních ploch pomocí výkopů – opět může dojít ke kolizi s vedením kabelu.

Z důvodu snížení rizika poškození kabelu je tak na zásyp instalována výstražná páska jako včasné varování pro strojníka (obr. 9).

9
Obr. 9 Zásyp trasy vedení kabelu s výstražnou páskou | Zdroj: INSET

Závěr

Možnosti geotechnického monitoringu v prostoru vnitřní výsypky povrchového hnědouhelného lomu jsou velmi omezené. Ze standardních monitorovacích metod lze úspěšně aplikovat pouze vrty vystrojené měřidly pórových tlaků, jejichž nastavení není vázáno na plynulé napojení výstroje (například pažnice hydrogeologických a inklinometrických vrtů), ale lze je nastavit prodloužením kabelů na vhodnější místo. Zásadním rizikem této metody prodloužení vrtu je zajištění dostatečné ochrany kabelu v místech nerovnoměrného sedání výsypkových zemin.

Cílem uvedených prací bylo zachovat kontinuitu měření pórových tlaků v podloží a v samotném tělese výsypky, které je zásadní pro včasnou predikci vývoje horizontálních deformací (výrazné sedání, smyk).
S ohledem na četné přesypávání vrtů a jejich znehodnocení během jednoho roku až dvou let nebylo dosud možné dosáhnout dlouhodobé řady měření. S nově použitou technologií nastavení vrtů se zdá, že je možné prodloužit životnost vrtů vystrojených MPT o několik let.

TEXT: Mgr. Adam Podojil,
Mgr. Petr Černoch, Ing. Jiří Košťál, PhD.
FOTO: INSET s.r.o.

Jiří Košťál působí ve společnosti INSET s.r.o.,
Divize Energetika. Adam Podojil a Petr Černoch působí ve společnosti ČEZ Energetické produkty ,s. r. o., propachtovaná část INSET s.r.o.,
Divize Energetika.