prof. Ing. Jindřich Cigánek,CSc.,doc. Ing. Alois Materna,CSc.
L8
FAST VŠB TU Ostrava
BEZPEČNOSTNÍ ASPEKTY LIKVIDACE DOLŮ V BÁŇSKÉ LEGISLATIVĚ
Abstract The article deals with analysis of safety risks related to deep mine liquidation. It analysis causes of 90 registered accidents and compares safety regulations for deep mine liquidation in the United Kingdom, Germany, Poland and the Czech Republic. The analysis of occurrences of a loss showed that mine liquidation is a causative and higly dangerous activity which has resulted in death of 316 workers. The article thus focuses on the safety issue of mine liquidation, which covers choice of suitable filling materials, stability of stowing pillar, designing and safety of barrier objects, use and designing of pit plugs, designing of covering steel-concrete slabs on pit banks, safety of liquidation worwks on gassy mines, removing impacts of minig activities and evaluation of safety regulations for mine liquidation of some countries with highly developed mining industry. 1. Úvod Likvidace hlubinných dolů je poslední fází činnosti dolu, které musí být věnována zvýšená pozornost jak ze strany samých realizátorů likvidace, tak ze strany dozorujících orgánů. Její nekompetentní provedení může způsobit značné materiální ztráty a v mnoha případech i ztráty na lidských životech. Nevhodně a nesprávně uzavřený hlubinný důl navíc představuje trvalé nebezpečí pro své okolí a je trefně přirovnáván k časované bombě pro příští generace. Pro neobyčejnou závažnost této problematiky přistoupil Český báňský úřad k financování výzkumného projektu č. 36-05, jehož cílem bylo teoretické a laboratorní řešení této náročné problematiky. Konečným cílem pak bylo implementovat výsledky těchto výzkumných prací do stávající báňské legislativy. V tomto příspěvku uvedeme pro informaci alespoň nejdůležitější výsledky tohoto výzkumu. 1.1 Rozbor havarijních událostí Abychom dokumentovali význam potřeby technicky korektního provedení likvidace dolu, a naopak, abychom zdůraznili nebezpečí, vyplývající z nesprávně provedených postupů, provedli jsme následující rozbor. Z technické časopisecké literatury, i z archivních materiálů, jsme na území Evropy zjistili 91 havarijních událostí, souvisejících s nesprávně provedenou likvidací hlubinných dolů. Z rozboru příčin těchto havarijních událostí vyplývá, že plné dvě třetiny havárií jsou vázány na použití nezpevněných zásypových materiálů, které jsou tak hlavním rizikových faktorem.
1 2
Tab 1. Příčiny havárií Příčina havarijní události Propad povrchu do nezasypané jámy (vznik povrchového kráteru) Vyjetí nezpevněného zásypu do okolních důlních děl
% havárií 24 % 31 %
Strana 1 (celkem 9)
3 4 5
Propad povrchového krycího povalu jámy Různé další příčiny, spojené s použitím nezpevněných zásypových materiálů Výrony CH4 a výbuchy třaskavých plynů od frikčních jisker
7% 36 % 13%
Z posuzovaných havárií bylo 31 % spojeno se ztrátami lidských životů, při kterých zahynulo 316 pracovníků. Přitom je nutno poznamenat, že se nám podařilo zachytit jen menší část skutečného počtu havárií. To proto, že tyto mimořádné havárie nepatří k událostem, kterými by se evropské státy rády chlubily v odborném tisku. 2. Bezpečnostní předpisy pro likvidaci jam Pro mimořádná nebezpečí, vyplývající z nekvalifikovaného provádění likvidace jam, přijaly některé evropské státy s vyspělým hornictvím přísné bezpečnostní předpisy. Zejména bychom chtěli vyzdvihnout bezpečnostní předpisy Spolkové republiky Německo z roku 1979 a Velké Británie z roku 1982. Obě směrnice byly později vícekrát novelizovány a upravovány, ale obě původní verze měly mimořádný význam, protože se staly vzorem pro zákonodárství mnoha jiných států. Jejich společným nedostatkem však byla okolnost, že nerozlišovaly jámy podle stupně nebezpečí, jaké představují veřejnému provozu. Mají tak stejně přísné požadavky na jámy, nacházející se uprostřed intravilánu obcí, jako na jámy v opuštěných oblastech, vyhloubených v pevném skalním masivu, které jsou dokonale stabilní i bez výztuže po mnoha staletí. 3. Kategorizace jam Moderní předpisy pro likvidaci jam musí odpovídat stupni ohrožení, jaké tyto jámy představují vůči veřejnému provozu. Dle našeho návrhu je vhodné rozlišovat 5 kategorií ohrožení podle tab. 2. Tab. 2. Kategorizace jam podle stupně ohrožení veřejného provozu Kategorie ohrožení
Stupeň ohrožení veřejného provozu
I. II.
Velký stupeň ohrožení Střední stupeň ohrožení
III.
Malý stupeň ohrožení
IV. V.
Velmi malý stupeň ohrožení Bez ohrožení
Možnost použití nezpevněné základky ne ne ne ano na základě odborného posudku ano ano
Pro zařazení jámy do příslušné kategorie ohrožení jsou rozhodující následující kritéria: 3.1
Kategorie (kvalita) hornin ve kterých je jáma vyhloubena.Rozlišují se horniny s velmi vysokou pevností (R1/ > 150 MPa), dále s vysokou pevností (R2/50 ÷ 150
Strana 2 (celkem 9)
MPa), se střední pevností (R3/15 ÷ 50 MPa), s nízkou pevností (R4/5 ÷ 15 MPa), a s velmi s nízkou pevností (R4/ <5 MPa). 3.2
Kvalita výztuže (obezdívky) jámy. S ohledem na dlouhodobé působení důlních agresivních vod je pro zařazení jámy do příslušné kategorie důležitá nejen počáteční kvalita použitého stavebního materiálu, ale také jeho odolnost vůči případné agresivitě důlních vod. Evropská norma EN 206-1 rozlišuje kvalitativní třídy betonu od C 8/10 až po C 100/115. Trvalému působení mírně agresivních důlních vod však odolávají teprve betony třídy C 30/37 a vyšší kvality. Pro agresivnější prostředí je navíc předepsán síranovzdorný cement s předepsaným dávkováním, minimálním vodním součinitelem a s minimální krychelnou pevností.
3.3 Kvalita důlních vod. Již citovaná evropská norma EN 206-1 rozeznává čtyři kategorie agresivity důlních vod podle tab 3: Tab. 3. Agresivita důlního prostředí Třída
Charakteristika prostředí
XA0 XA1 XA2 XA3
Neagresivní prostředí Slabě agresivní prostředí Středně agresivní prostředí Vysoce agresivní prostředí
Agresivita důlních vod může být zejména síranová (podle obsahu síranů v rozmezí 200 až 6000 mg SO −24 /litr) nebo může být způsobena nežádoucí koncentrací vodíkových iontů (zejména v rudném hornictví). Podle očekávané agresivity důlních vod je také nutné volit materiál pro konstrukci bezpečnostních objektů; definují se požadavky na jeho minimální pevnost, minimální obsah cementu (a jeho kvalitu) a maximální přípustný vodní součinitel, aby bezpečnostní objekty zůstaly trvale stabilní i v důlním agresivním prostředí. 3.4 Plynodajnost. Zařazení jámy do příslušné kategorie nebezpečí ohrožení veřejného provozu významně ovlivňuje exhalace CH4 nebo jiných nebezpečných plynů. Jednak se tím ovlivňuje vlastní technologie likvidace (nebezpečí exploze metanové směsi důsledkem frikčního jiskření) a jednak zařazení jámy do kategorie ohrožení veřejného provozu. Čím je větší exhalace metanu (nebo jiných nebezpečných plynů), tím vyšší je zařazení jámy do příslušné kategorie ohrožení veřejného provozu. Latentní ohrožení okolí jámy migrací třaskavých nebo jinak nebezpečných plynů přetrvává i po uzavření dolu, protože plyny migrují nejen přes nezpevněný zásyp jámy a přes ponechaná potrubí, ale také na kontaktu horniny a výztuže jámy. 3.5 Vliv polohy. Poloha jámy významně ovlivňuje zařazení jámy do příslušní kategorie ohrožení veřejného provozu. Nejpřísnější požadavky na bezpečnost likvidace klademe na ty jámy, které jsou v intravilánech obcí v blízkosti zástavby a v blízkosti jiné antropogenní činnosti. Bezpečnostní požadavky se mohou přiměřeně zmenšovat na perifériích intravilánu obcí, v blízkosti liniových staveb a sítí všeho druhu, zemědělsky nebo lesnicky obdělávané půdy, až ke zcela opuštěným oblastem. Pro dopravní stavby všeho druhu však platí stejně
Strana 3 (celkem 9)
přísná kritéria, jako pro jámy umístěné v intravilánech obcí. Propady železnic a dálnic vždy vedly k velkým ztrátám na lidských životech. 4. Časový faktor Projekt likvidace jam musí přihlížet k časovému faktoru - jámy musí zůstat bezpečné i po mnoha stoletích od uzavření Všechna navržená bezpečnostní opatření proto musí přihlížet k důlním podmínkám a musí zajistit patřičnou trvalou kvalitu betonové výztuže a kameniva i po dlouhodobém uložení v agresivním prostředí. Abychom získali představu o vlivu dlouhodobého uložení stavebních materiálů v důlním agresivním prostředí, uložili jsme na půl roku tyto materiály do agresivního prostředí třídy XA3 (6000 mg SO −24 ) s těmito výsledky, prezentovanými v tab. 4:
Tab. 4. Degradace materiálů po 6-ti měsících uložení v prostředí XA3 (dle Lukše) Počáteční pevnost Pevnost po půl roce [MPa] uložení [MPa ] Beton s PC ND III/A 22,5 40,0 25,5 Beton v VPC ND III/A 22 48,0 25,1 Beton s SPC 53,0 24,9 Původní beton 40 let starý 25,6 11,4 Popílko-cement 2,70 1,59 Kamenivo, vápenec 52,35 21,71 Karbonské horniny 47,4 20,89 Krystalinikum – rudný revír 73,85 16,23 Výpěrky z prádla - OKR 29,96 2,97 !
Č. vzorku Popis materiálu 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Výsledky laboratorních měření prokazují mimořádnou devastaci používaných materiálů , uložených v agresivním důlním prostředí. Zodpovědný projektant by proto měl vzít tato zjištění v úvahu a nespoléhat na to, že původní kvalita použitých stavebních materiálů zůstane i v důlních podmínkách konstantní. 5. Jámová zátka – ano či ne? Snaha po zlevnění likvidačních prací vede někdy projektanty k návrhu jámových zátek. Jsou to betonové bloky zpravidla budované v nárazištích nejvyšších pater z betonu nejméně třídy C 30/37. Jejich výška se má rovnat jejich šířce a krakorcovité vyložení do patrových překopů má dosahovat poloviny hrubého průměru jámy. Prostor jámy pod zátkou se ponechává nezaložený v původním stavu a prostor jámy nad zátkou se vyplňuje zpevněnou základkou. S přihlédnutím k zjištění, uvedeným v tab. 4., jde však ve většině případů o nebezpečný způsob likvidace jámy. Prostor jámy pod zátkou se časem zaplní agresivní důlní vodou, která degraduje materiál jámové výztuže a časem i materiál samotné zátky. Strana 4 (celkem 9)
Za spolupůsobení tlaku bobtnavých jílových vrstev dojde časem k otryskání jámové výztuže a k tvorbě kaverny, do níž se po čase zátka propadne. Tento proces trvá i několik staletí, ale je zcela neúprosný a zákonitý. Dříve či později tak dojde k havárii ústí a použití zátek by proto mělo být omezeno jen na mimořádné odůvodněné případy, v prokazatelně bezpečných podmínkách. 6. Zásypový materiál Bezpečnostní předpisy států s vyspělým hornictvím konsekventně předepisují, aby jámy byly likvidovány zpevněným zásypovým materiálem. Mnohé těžební společnosti však z ekonomických důvodů hledají únikové možnosti, jak tento předpis obejít a jámu zasypat nezpevněným materiálem. V tab. 4 jsme již prokázali nevhodnost tohoto postupu, protože v důlním prostředí bude trvale docházet k degradaci použitého kameniva. Použití nezpevněného zásypového materiálu je zpravidla omlouváno tím, že je doprovázeno stavbou patrových bezpečnostních objektů, zamezujících úniku základkového materiálu do přilehlých důlních prostor (náraží). Mnohokrát se však již prokázalo, že tyto „bezpečnostní“ objekty nejsou dostatečně bezpečné a nejsou zárukou stability zásypu jámy. Hlavní nebezpečí však spatřujeme v existenci původních hrázových objektů, oddělujících opuštěná patra od jámového prostoru. Tyto objekty, odolávající výbuchu třaskavé směsi, totiž neodolají hydrostatickému tlaku stoupajících důlních vod a po destrukci umožní vyjetí zvodnělé základkové směsi do přilehlých prostor. Nebezpečí spočívá v tom, že prudký výtok zvodnělé základky je doprovázen značnými sacími silami podle tab. 5., a zpětnými rázovými silami podle tab. 6., kterým neodolá ústí jámy, takže dochází k jeho zřícení. Tab. 5. Velikost sacích sil při výtoku zvodnělé základky Hloubka jámy Velikost sacích sil h do 100 m 0 h = 100 až 200 m 0,8 (H – 100) kPa h více než 200 m 80 kPa Tab. 6. Zpětné rázové síly po výtoku zvodnělé základky Hloubka jámy Zpětné rázové síly h do 100 m 4 kPa h = 100 až 200 m 0,3 (h – 100) kPa h více než 200 m 30 kPa Tyto sací zpětné rázové síly jsou jednou z hlavních příčin vzniku nebezpečných ohlubňových kráterů a proto s nimi také musí počítat projektant ohlubňových bezpečnostních povalů při jejich statickém návrhu a dimenzování.. 7. Bezpečnostní ohlubňový poval Při použití nezpevněného zásypu nelze nikdy zcela spolehlivě zaručit, že nedojde k vyjetí zvodnělého materiálu z jámy a k tvorbě povrchových kráterů. Jejich průměr běžně
Strana 5 (celkem 9)
dosahuje rozměrů 50 až 100 m, a někdy i daleko více. V útrobách těchto kráterů pak někdy končí celé těžní věže, šachetní budovy, stroje, lidé i auta s řidiči. Jedinou ochranou je zakrytí ohlubně likvidované jámy bezpečnostním ocelobetonovým povalem patřičných dimenzí i rozměrů. Tyto povaly se dimenzují na zatížení vlastní tíhou a na nahodilá zatížení osobami a mechanismy (minimálně 33 kPa). Navíce musí vyhovět sacím a rázovým silám podle tab. 5. a 6. Jejich předepsaný minimální rozměr je D min ≥ 1,5 (d + 2t ) , kde d je největší světlý rozměr jámy a t je tloušťka jámového zdiva. (Britské předpisy jsou přísnější a doporučují rozměr 2(d+ 2t); jejich tloušťka vyplyne ze statického posudku a musí být min. z materiálu třídy C 30/37. Ukládají se na samostatný základ, oddilatovaný od jámového zdiva, založený v nezámrzné hloubce (v našich limatických poměrech minimálně 800 mm pod úrovní terénu.) . Poval je opatřen uzavíratelným kontrolním otvorem o velikosti min. 600 x 600 mm, s mříží o okatosti 100 x 100 mm. U plynujících jam je také opatřen komínkem pro odvádění škodlivých a nebezpečných plynů. 8. Zásady likvidace plynujících jam Likvidace plynujících jam je navíc doprovázena nebezpečím výbuchu třaskavých plynů od frikčních jisker. Prokázalo se, že pád pískovcového kamene na ocelovou desku z výšky 2 m spolehlivě iniciuje třaskavou směs v deseti případech z deseti pokusů. Proto musí být likvidace plynujících jam prováděna jen za níže uvedených přísných bezpečnostních opatření: • • • • • • •
• •
Před zahájením sypání se musí zmenšit koncentrace metanu v celé výšce jámy a nesmí nikde překročit 1 % CH4 . 50 m pod ohlubní musí být čidlo se stálou možností kontroly a signalizace překročení tohoto limitu. Jáma musí být účinně větrána tlačným systémem. Lutny musí být perforovány – nejmenší otvory pod ohlubní, největší ve spodní části. Jen tak zajištěno větrání po celou dobu zasypávání jámy. Jako poslední se má likvidovat jáma výdušná nebo jáma, která je výdušná přirozeným větráním (tj. s nejvýše položeným ústím.). Co nejdéle se má zachovat průchozí větrání přes likvidovaná patra. Při zvýšených exhalacích se má použít sypání kameniva ve vodním proudu, nebo lépe se mají používat kašovité, cemento-popílkové základkové směsi. Při nejvyšších exhalacích je nutné sypání v inertní atmosféře. Po výbuchu třaskavých plynů při likvidaci dolu Sachsen v SRN (13.1.1977) přistoupila spolková vláda k rozsáhlým výzkumům, jejichž rezultátem bylo následující zjištění: pokud intenzita toku kameniva přesáhne hodnotu 2 kg kameniva na 1 m2 průřezu jámy a sekundu, připadá přibližně 10 m3 čerstvých větrů na každou tunu sypaného kameniva. Dochází tak kontinuálnímu větrání plynující jámy. Kamenivo se nesmí vysypávat přímo z nákladních aut. Docházelo by tak k „pístovému efektu“ – větry by byly zatlačovány do stařin a po dopadu kameniva by opět ze stařin vystupovaly, ale obohacené o metan. Kamenivo se má sypat kontinuálně, bez přerušování. Dopravovat k jámě se má zdálky, pomocí pásových dopravníků, aby se v blízkosti jámy nemuseli pohybovat lidé.
Strana 6 (celkem 9)
•
Před zahájením sypání se má – pokud možno – sejmout šachetní budova a odstrojit mřížoví mezi lezním.oddělením a těžní zátyní.
9. Zvláštnosti likvidace zatopených jam Jámy se mají zásadně likvidovat bezprostředně po ukončení těžby, pokud ještě nejsou zaplaveny důlní vodou. Přesto se však nevyhneme situacím, kdy musíme likvidovat stará a opuštěná důlní díla, anebo jámy z větší části zatopená důlní vodou. Použití zpevněné základky nepřichází v úvahu, protože by při pádu do vody došlo k vymývání hydraulického tmelu. Jediným způsobem relativně bezpečné likvidace je v takovém případě použití štětových bází v nárazištích na všech patrech likvidované jámy, které zamezí vyjetí zvodnělé základky do přilehlých důlních děl v náražích. Štětem rozumíme ostrohranné lomové kamenivo frakce 125 – 300 mm, které svou dilatancí zajistí potřebnou stabilitu. Problém však spočívá v tom, že při pádu štětu jámou dochází k degradaci štětu na štěrk, protože se tříští o jámové rozpony (kterých je v jámě několik set). Štěrk není schopen zajistit potřebnou stabilitu báze. Štět je proto nutné usměrnit při pádu asi 3 až 6 m dlouhými svislými deflektory, umístěnými ve středu největší těžní zátyně. Aby se zajistila dlouhodobá stabilita štětové báze, je nutné zajistit splnění těchto podmínek podle obr. 1. 10.1 Štětová báze musí být vytvořena na každém patře likvidované jámy 10.2 Musí být vytvořena spolehlivá výška štětové báze nad příslušným paterem, aby štětová báze byla plně funkční i při poklesu základkového materiálu pod patrem. Tento pokles dosahuje hodnot cca 5 až 7 % výšky založeného úseku, ale může být i větší (známe případy, kdy po dobu 40 let postupně docházelo k pronikání základky do lezního oddělení, původně odděleného mříží). Aby k tomu nedošlo, požaduje se, aby přesah štětové báze nad náražím činil minimálně: •
Pětinásobek světlého průměru jámy u jam hlubokých do 200 m
•
U jam hlubších než 200 m musí přesah nad patrem P činit
(h − 200) ⎞ . d + S ⎛ P ≥ ⎜5 + ⎟ 800 ⎠ ⎝
h d S
[m] , kde
- hloubka jámy [m] - světlý průměr jámy [m] - očekávané sedání níže ležících úseků jámy vyplněných nezpevněným zásypovým materiálem (min 5 % ze ∑ l podle obr. 1). Úseky zaplněné štětem se nezapočítávají – štět nesedá [m]
Varujeme před neuváženou snahou nahradit lomový štět hlušinami z odvalů příslušného dolu – kdykoliv k tomu došlo, pak prakticky ve
Strana 7 (celkem 9)
všech případech došlo také k vyjetí základkové výplně. Lomový štětový kámen je tak pro svou dilatanci pro tento účel nenahraditelný. 10.3. Nezatopený prostor jámy, nacházející se nad nezpevněnou základkou, vždy zaplňujeme zpevněnou základkovou směsí. 10. Závěry I sebezodpovědněji provedená likvidace dolu nemusí být zárukou, že v blízké či daleké budoucnosti nedojde k haváriím ústí likvidované jámy, nebo jejího širšího okolí, popř. zda u plynujících dolů nedojde k výbuchu třaskavé směsi. Na nejbližší okolí jámy proto musí být vyhlášena stavební uzávěra a potenciální investoři by měli být poučeni o nebezpečích, která jsou spojená s danou lokalitou. Mimořádný důraz také klademe na etickou a mravní úroveň projektantů, kteří musí dbát na trvalou bezpečnost likvidovaného dolu a nesmí se nechat zviklat vidinami úspor likvidačních nákladů, docílených na úkor kvalifikovaně provedených likvidačních prací. Těch 316 mrtvých (jen na území Evropy), kteří přišli o život při nesprávně prováděných likvidačních pracích, nechť je nám všem dostatečným poučením.
Poděkování: Autoři považují za svou milou povinnost poděkovat Státní báňské správě za finanční podporu, díky níž mohl být řešen tento výzkumný a vývojový projekt.
Strana 8 (celkem 9)
Obr. 1. Schéma konstrukce štětových bází při likvidaci zatopených jam
Strana 9 (celkem 9)
