MONITORING GEOMECHANICKÉ STABILITY DLNÍCH PROSTOR; LÉTA 2001–2011 MONITORING OF GEOMECHANICAL STABILITY OF MINING WORKINGS; 2001-2011 Radovan Kukutsch 1 , Petr Žrek 2, Robert Koínek 2, Tomáš Dank 2, Vlastimil Hudeek 2, Petr Michalík 2, Arnošt Grmela 2 Abstrakt Zpístupnní podzemních prostor Dolu Jeroným v isté a zabezpeení povrchu nad podzemními prostorami je podmínno stabilitou tchto dlních dl. Proto je v obou oddlených ástech (opuštná a stará dlní díla) provádn mj. výzkum stability. V ásti ODD je sledování geomechanických a geologických parametr realizováno pracovníky VŠB – Technické univerzity Ostrava a Ústavu geoniky AV R, v.v.i., Ostrava. Provádní monitoringu pispívá k lepšímu poznání této národní kulturní památky a její ochran, nebo deformaní úinky mohou být zpsobeny pirozeným deformaním procesem probíhajícím v masivu, nebo také sananími a výstavbovými pracemi provádnými hornickým zpsobem, které jsou a budou v tomto dlním díle i nadále provádny. Abstract Making the underground workings of the Jeroným Mine at istá accessible and securing the surface above the underground workings are conditioned by the stability of these mine workings. That is why stability research is carried out, among others, in both parts separated at present from each other (Abandoned and Old Mine Workings). In the part of AMWs, geomechanical and geological parameters are monitored by staff members of VŠB – Technical University of Ostrava and those of Institute of Geonics AS CR, Ostrava. Monitoring implementation contributes to a better understanding of the national cultural heritage and its protection, because the deformation effects can be caused by natural deformation process taking place in the massif, and the remediation work and build-up mining methods that are and will be in the mine workings performed. Klíová slova Dl Jeroným, geomechanický monitoring, geologický monitoring, stabilita
1 Úvod Nejstarší dlní prostory Dolu Jeroným (obr. 1, obr. 2) byly vyrubány již ped více než 400 lety, a proto významným úkolem nejen v dob budování muzea, ale i po dobu jeho provozu, bude posuzování stability jednotlivých ástí dlního díla i dlního díla jako celku. Podzemní prostory budou v blízké budoucnosti vystaveny vtším antropogenním zásahm pi píprav zpístupnní této památky - 31 -
veejnosti. Strun eeno – cílem našich prací je prognóza asoprostorových zmn stability dlních prostor historického dlního díla evropského významu.
Obr. 1 Lokalizace Dolu Jeroným na map R
2 Geologický monitoring
Obr. 2 Schéma Dolu Jeroným
Prvotní koncepce geologického monitoringu vycházela z: x Provedení detailních strukturn-tektonických mení v celém rozsahu opuštných, popípad i starých dlních dl s ohledem na doposud známé významné strukturn-tektonické fenomény ve vlastních granitoidních horninách, tak v okolním metamorfovaném krystaliniku a to s cílem ovení pvodu puklinové tektoniky v ochranných pilíích a tektoniky v oblastech destrukce granitoidních hornin postupující až na povrch, s ohledem na stabilitu tžebních komor ve vztahu k povrchu. x Studia kaolinizovaných litno-topazových žul, na nž bylo vázáno historicky rozhodující zrudnní cín-wolframových rud na ložisku istá. Cíl – ovit pedpokládaný úklonný (hloubkový) dosah 100 m a smrný dosah 400 m uvádný ve studovaných podkladových materiálech. Ve vymezené rudní zón verifikovat všechna známá dlní díla. x Studia žilných struktur tvoených kemenem s kasiteritem a wolframitem, jakožto druhým rudonosným typem na ložisku istá. Cíl – ovit možnost existence starých dlních dl, pedevším exokontaktu granitoid krudumského masivu, kde se tyto žilné struktury v metamorfním krystaliniku vyskytují. - 32 -
x Ovení charakteru kontaktu žul s „pláštm“, zda je intruzivní povahy, i tektonické povahy spjaté s pínými poruchami S-J. Cíl – ovení pispje k pochopení celkového tektonického stylu a jeho významu pro stabilitu studovaných dlních dl. Možnost upesnní pedpokládaných žilních struktur v exokontaktu a na n pípadn vázaných dlních dl.
2.1 Stávající geologický monitoring V rámci geologického monitoringu (Žrek et al., 2008) byla na puklinové tektonice v granitoidech krudumského masivu sledována stabilita, a to nejprve pomocí sádrových terík. V další etap byly instalovány sklenné teríky, pro jejichž fixaci bylo použito dvousložkové epoxidové lepidlo. Vzhledem k nevhodným vlastnostem dvousložkového epoxidového lepidla, které nepilnulo dostaten k povrchu sklíka a ani po utuhnutí nebyla jeho rigidita srovnatelná se sklennou destikou, bylo v následující etap jako tmel použito cementové pojivo odolné proti agresivním vodám. Tato metoda se ukázala jako nejvhodnjší, nebo cementové pojivo dostaten pilnulo k vlhké skalní stn, zatuhlo do dostatené pevnosti a sklenná destika se od nj neoddluje. Z tohoto dvodu byly sklenné destiky na cementových patkách nainstalovány na stávající kontrolní body T1, T4, T5, T6, T9, T10 a na nov vytvoený kontrolní bod T11 lokalizovaný v klenb chodby poblíž kontrolního bodu V4. Provedená mení prokázala, že k dynamickému vývoji disjunktivní tektoniky dochází pedevším v horní komoe na zbytkových pilíích. Dá se pedpokládat, že tyto projevy jsou podmínny stihovým zatížením antropogenním odvalovým materiálem, který byl do komory K-1 sypán v 70. letech 20. století. Dalším významným faktorem negativn ovlivujícím stabilitu pilí v horní komoe je kolísání vodní hladiny, což se nejvýraznji projevuje na malém pilíi s teríkem T6, kde dochází k postupnému rozevírání dlouhé pukliny procházející podél pilíe napí celou zbytkovou klenbou (tzv. mstkem). V tomto míst dojde pravdpodobn v dohledné dob k celkové devastaci klenby a následn i pilíe s pilehlým okolím (Žrek et al., 2005). Disjunktivní tektonika na pilíích horní komory bude vyžadovat zvýšenou pozornost i v budoucnu, pedevším v souvislosti s technologickými (trhacími) pracemi, které mohou zpsobit intenzivnjší namáhání skalního masivu seismickými úinky, pípadn vibracemi technologických zaízení.
3 Geomechanický monitoring Geomechanický monitoring pedmtné oblasti ODD istá sleduje vzájemnou souvislost deformaních zmn a deformaních projev v podzemních báských dílech a povrchu masivu (zejména deformaních projev na komunikaci . II/210). Deformaní projevy budou nepochybn zpsobeny (krom vliv zdvodnných) sananími a výstavbovými báskými pracemi. V zásad lze vyslovit pedpoklad, že ohodnocení vliv prací, které zpístupní NKP istá, bude možné jen tehdy, budou-li tyto práce probíhat oddlen. Pi asovém pekrývání báských prací mže docházet k nekontrolovatelnému superponování jejich úink.
3.1 Koncepce geomechanického monitoringu podzemních báských dl Monitoring snadno dostupnými prostedky spoíval ve vytvoení: - 33 -
x Konvergenních profil minimáln vždy pi ústí chodeb do komor. V každém konvergenním profilu stabilizovat minimáln 5 micích bod a konvergenní stojkou nebo pásmem monitorovat zmnu jejich lineární vzdálenosti. x Ve stávajících pilíích viditeln oznait trhliny a pukliny, vetn tzv. novodobých a sledovat geometrický rozvoj trhlin v ase. Sledování rozvoje trhlin provádt pesným dilatometrem nebo bžným pravítkem, pípadn sádrovými nebo skelnými teríky. x Provést pasportizaci a viditelné oznaení stávajících opad a odprysk hornin ve strop a bocích dlních dl na lokalit a sledovat a dokumentovat jejich rozvoj. x Sledovat výšku vodní hladiny v zatopených dlních dílech v úrovni štolového patra a v komoe K 1 a její zmnu v prbhu báských prací. Monitoring s využitím dostupné techniky vyššího ádu spoívá v použití extenzometrických mení v bocích báských dl. Extenzometrická mení jsou schopna podat informaci o posunech horniny v neviditelné ásti masivu. Horniny, které tvoí obsyp báských dl na lokalit ODD istá lze na základ vizuálního pozorování a na základ dostupných údaj zaadit do tídy R 3 (dle bývalé SN 73 1001). Monitoring stavu a vlivu nadržených a prosakujících dlních vod – nadržené a na nkterých místech zadržované dlní vody ovlivují svým statickým i proudovým tlakem skelet horninového masivu. Stávající stav lze oznait za vyrovnaný. K úvaze se pedkládala i možnost provedení erpacího pokusu, k realizaci však nedošlo. Cílem pokusu (oderpání ásti vod ze zatopených prostor nad úrovní štolového patra) bylo zjistit, zda vbec, a za jakou dobu dojde ke vzdutí hladiny dlních vod na pvodní úrove.
3.2 Koncepce geomechanického monitoringu podzemních báských dl V pípad geomechanického monitoringu se pevážn jedná o manuální odeet sledovaných hodnot posunutí konvergenních bod (liniová a prostorová díla), resp. o manuální odeet úrovn hladiny podzemních vod. Geomechanický monitoring je zamen pro kvantifikované zjišování mitelných a pozorovatelných hodnot: x konvergence vybraných píných profil liniových báských dl; x konvergence vybraných profil prostorových báských dl; x výškové úrovn hladiny dlních vod na vybraných stanovištích; x rozvoje trhlin na vybraných místech prostorového skeletu báských dl v oblasti ODD; x charakterizujících opady a závaly hornin v celé oblasti ODD. Pro geomechanický monitoring byly postupn instalovány (obr. 3): x konvergenní profily v liniových báských dílech v potu 16; x konvergenní profily v prostorových dílech (komorách) v potu 5; x stanovišt pro mení výškové úrovn hladiny dlních vod v potu 5; x sádrové a sklenné teríky pro sledování rozvoje a vývoje trhlin v potu 10.
- 34 -
Obr. 4 Profil P10 s konvergenní stojkou Kontrolní mení na všech konvergenních bodech (obr. 4) potvrzuje skutenost, že nedochází v souasné dob k žádným pohybm, které by ovlivovaly celkovou stabilitu všech dlních dl na dané lokalit. Monitorované hodnoty konvergence v liniových a prostorových dílech nevykazují žádné zmny a dlouhodob se shodují se základním (nultým) mením z ervence 2001. Po celé sledované období se na hodnotách konvergence neprojevil ani vliv asového faktoru ani vliv zahájených technologických operací pi zmáhání a ražení štoly Jeroným.
Obr. 3 Lokalizace mících úrovní a profil
- 35 -
Ke zvýšení kvality a kvantity geotechnického monitoringu pispívá instalace mících (kontinuálních) instrument. Popis a výsledky mení tmito instrumenty jsou shrnuty v lánku o distribuovaném mícím systému.
3.3 Dlní vody Hydrogeologické pomry hornicky hlubinn oteveného ložiska nerostné suroviny a následné antropogenní zmny pirozených hydraulických pomr lokality jsou významným initelem, ovlivujícím geomechanické projevy horninového masivu. Jsou nedílnou souástí komplexního a systémového posouzení hornicky postižené oblasti i dlouhodob po ukonení tžebních prací. Pro posouzení hydrogeologie vytženého ložiska je nutná znalost systému otvírky, dobývání a pípadné likvidace starých dlních dl dolu (Kaláb et al., 2008). Na ložisku byla uplatována hlubinná tžba cínu pomocí mlkých šachtic s následným vyplavováním kasiteritu z horniny v blízkém potoce. Na den byla ruda tžena také Ddinou štolou Jeroným. Hlavní dobývací metoda – sázení ohnm, pi které vznikaly pomrn velké dlní prostory – komory. Dlní díla zejm nepekroila svislou hloubku 50 metr. Z hydrogeologického hlediska jsou ložiskové horniny velmi málo propustné a ve styku s podzemní vodou jsou relativn chemicky stabilní. Propustnost hornin krystalinika (mimo zónu zvtrávání) závisí na hustot, rozevení a výplni puklin. Krystalinikum je klasifikováno v úrovni nepropustných hornin K= 0,5.10-9 m.s-1 až 0,5.10-10 m.s-1. Vtšina tektonických struktur ložiska má obecn nízkou propustnost (K= 0,5.10-6 m.s-1). Je nutné podotknout, že uvádné propustnosti platí pro nealterované horniny. Nejvtší propustnost (prlinová) je dosažena na hranici zvtralinový pláš – hornina a to je obecn v hloubce 3–4 m; v údolí potok a vodoteí je hloubka 7–8 m. Hlubší zóna zvtrávání dosahuje do hloubky 10–12 m. V souasné dob lze v oblasti bývalého dolu Jeroným vylenit ti typy cirkulace podzemních vod: x podzemní vody s mlkým obhem (ásten komunikující s potokem Chalupeckým). Jedná se o vody vázané na pokryvné útvary a dotované pedevším srážkami. Hladina vod je volná a sleduje konformn terén. Hloubka mlkého obhu je podmínna morfologií terénu a pípovrchovou geologickou stavbou. Hlavní zasakování vod do dlních prostor probíhá v místech dobývání (v souasné dob v míst dobývacích prací zavezených odvalovými hmotami po ástené rekultivaci). Po zatopení dolu je ást tchto vod stažena do úrovn tzv. štolového patra (tj. úrove Ddiné štoly Jeroným). x podzemní vody akumulované v dlních dílech bývalého dolu Jeroným, situovaných nad úrovní odvodovací báze Ddiné štoly Jeroným (tj. nad úrovní +738 m n. m.). Celé tžební pole není pravdpodobn zatopeno pouze na úrove Ddiné štoly Jeroným, ale úrove místní erozní báze bude pravdpodobn níže, protože chod hladin, nap. na štolovém pate v oblasti V3-V4, ukazuje na ješt nižší úrove odvodnní. Tento stav je možný vzhledem k nedostatenému poznání všech báských rozfárávek ložiska v hluboké minulosti. x podzemní vody s hlubším obhem jsou vázány na propustnjší úseky tektonických struktur ložiskových hornin, tj. na úseky kde se dobývalo. Tyto dlní vody spolu s petokem vod z mlké zvodn a z dlních dl, vytváejících akumulaci vod v tzv. zavšené zvodni, jsou drénovány Ddinou štolou Jeroným (cca +730 m.n.m.) i pípadn dlními díly na nižší úrovni (dnes neznámé/nepoznané hlubší drenážní báze) do vod povrchových.
- 36 -
Jak je patrno z grafu chodu hladin (obr. 5), v dlním díle došlo v beznu roku 2010 (Žrek et al., 2010) k výraznému projevu nárstu hladin, a to prakticky ve všech monitorovaných oblastech dolu. Tento jev se periodicky opakuje v jarním období. Píiny tohoto jevu, vzhledem ke složitosti a znanému stupni neznalosti skutených prioritních cest, tvoených starými dlními díly a dobývkami, jsou obtížn vysvtlitelné. Jsou reálné ti píiny: x meteorologická situace pedcházející pozorovanému jevu – jev by výrazn koreloval s chodem srážek, táním snhu, prtokem povodových vln apod.; x sifonový efekt petoku z vyšších úrovní dolu (ze zavšených zvodní po dosud nepoznaných starých dlních dílech) – jev by byl výrazn periodický; x petok z vyšších úrovní dolu (ze zavšených zvodní po dosud nepoznaných starých dlních dílech) po pekonání hydraulického odporu (a následném rozmytí) jílovitých sediment akumulovaných v dlním díle – jev by byl výrazn nahodilý. V tomto pípad nejpravdpodobnjší píinou skokového zvýšení hladiny zatopených dlních dl byla momentální meteorologická situace v širší oblasti ložiska.
4 Vizuální monitoring V dlním díle Jeroným se nachází nkolik míst, která jsou pedmtem vizuálního monitoringu (asosbrného snímkování). Jedná se o místa, ve kterých se nachází výrazné opady strop a závaly, u kterých je pedpoklad, že se mohou vlivem nadržené vody rozplavovat, a tím mnit svj plošný rozsah. Na testovací asosbrné snímkování, realizované v posledním tvrtletí roku 2009, bylo v roce 2010 navázáno sérií dalších, již plnohodnotných mení, která mla dokladovat aktuální stav a pípadné zmny na stnách (bocích) a stropech monitorovaných dlních dl, tj. Obr. 5 Graf chodu hladin ve starých dlních dílech komory K1, komory K3 a komory K4 . Cílem metody asosbrného snímkování (Kukutsch et al., 2010) je sbr asových dat a dlouhodobé pozorování míst se sníženou stabilitou, s kterou je spojená i pravidelná dokumentace opad a zával. Z doposud provedených asosbrných snímk je patrné, že nebyly dokumentovány žádné známky toho, že by docházelo ke zmnám na sledovaných bocích a stropech. Pestože se oproti jiným ástem Dolu Jeroným jedná o místa se sníženou stabilitou, na základ uplatnných metod vizuálního monitorování lze konstatovat, že se na sledovaných místech gravitaní jevy vyvolané procesem zvtrávání a erozí horského masivu vbec neuplatovaly. Registrován byl pouze pohyb kousk opadlé horniny, vyvolané pohybem osob v tchto ástech dlního díla. Závaly se nijak nerozšiují a registrované zmny jsou pouze antropogenního charakteru. - 37 -
5 Závr Významným úkolem nejen v dob zpístupování Dolu Jeroným, ale i po dobu jeho provozu, je posuzování stability jednotlivých ástí dlního díla i dlního díla jako celku, protože podzemní prostory budou v blízké budoucnosti vystaveny etným antropogenním zásahm pi píprav zpístupnní této památky veejnosti. A pestože se jedná pouze o souhrn inností provádných na Dole Jeroným, z nichž by si každá zasloužila vlastní prostor, je zejmé, že z pohledu posouzení stability a bezpenosti je Dolu Jeroným vnována velká pozornost. Píspvek dokumentuje postup a pínos prací v rámci geotechnického a geologického monitorování historického dlního díla Dl Jeroným v isté. Z hlediska geologického sledování nedošlo k žádným extrémním projevm, které by signalizovaly nebezpené zmny stability horského masivu. Kontrolní mení na všech konvergenních bodech potvrzuje skutenost, že nedochází v souasné dob k žádným pohybm, které by ovlivovaly celkovou stabilitu všech dlních dl na dané lokalit. Dlouhodob nejvýznamnjším výsledkem z monitorování pomocí distribuovaného micího systému je registrace pokles hladiny dlních vod na štolovém pate, piemž tento fenomén není zatím vysvtlen. Z dosud provedených mení a pozorování vyplývá, že zmna úrovn hladiny podzemních vod v zásad koresponduje s významnými pítoky srážkových vod z povrchu. Pomalé zmny úrovn hladiny podzemní vody, které se necyklicky projevují v nkterých místech, však s pítoky povrchových vod nebo s možnými pítoky z oblastí starých dlních dl zjevn nesouvisí. Souástí dlouhodobého monitorování dlního díla je i provádní nivelaních mení na silnici . II/210, nacházející se nad komplexem ODD, externí miskou službou. Výsledky, jež jsou velice dležité pro hodnocení stability této komunikace spojující Horní Slavkov a Sokolov, zatím nevykazují žádné významné zmny, které by svdily o pímém vlivu pohybu masivu v souvislosti s dlní inností. References KALÁB Z., HRUBEŠOVÁ E., KNEJZLÍK J., KO ÍNEK R., KUKUTSCH R., LEDNICKÁ M., Ž REK P. Mine Water Movement in Shallow Medieval Mine Jeroným (Czech Republic). In: Rapantová, N. and Hrkal, Z. (Eds): Mine Water and the Environment. Proceedings of 10th International Mine Water Association Congress, Karlovy Vary, 2008. KUKUTSCH R., Ž REK P., STOLÁRIK M. Monitoring and Documentation of Flaking-off Phenomena in the Historical Jeroným Mine. Acta geodynamica et geomaterialia. Ro. 7, . 3, 2010, s. 343–348. ISSN 1214–9705. Ž REK P., KO ÍNEK R., KALÁB Z., HRUBEŠOVÁ E., KNEJZLÍK J., DAN K T., KUKUTSCH R., MICHALÍK P., LEDNICKÁ M, RAMBOUSKÝ, Z. Historický Dl Jeroným v isté. Monografie, VŠB – Technická univerzita Ostrava a Ústav geoniky AVR, v.v.i. Ostrava, 2008, ISBN 978–80-248–17576, 82 s. Ž REK P., KO ÍNEK R., MICHALÍK P., DAN K T., HUDEEK V., KALÁB Z., KNEJZLÍK J, KUKUTSCH R., LEDNICKÁ M. Odborné sledování geomechanické stability a seismického zatížení národní kulturní památky Dl Jeroným v isté, Karlovarský kraj. Závrená zpráva HS . 500 001, 2010, 39 s. Ž REK P., KO ÍNEK R., MICHALÍK P., ŠT PÁNKOVÁ H., DAN K T., KUKUTSCH R., KALÁB Z., KNEJZLÍK J., LEDNICKÁ M. Komplexní sledování geotechnických problém lokality istá – Dl Jeroným, období 2004–2005. Uhlí, Rudy, Geologický przkum, . 9, 2005 Ž REK P., KO ÍNEK R., SLIVKA V., MICHALÍK P., DAN K T., ŠT PÁNKOVÁ H., DOLEŽAL M., KALÁB Z., KNEJZLÍK J., KUKUTSCH R., LEDNICKÁ M. Sledování geomechanické stability kulturní památky Dl Jeroným v isté okr. Sokolov. Závrená zpráva HS 500 5006, 2008, 39 str. - 38 -
Summary An important task in the course of making the Jeroným Mine accessible and also in the course of its operation, is to assess the stability of individual parts of the mine working and the mine working as a whole, because underground workings will be subjected, in the near future, to numerous anthropogenic actions associated with the preparation of opening this heritage site to the public. Although this is only a case of a set of activities performed in the Jeroným Mine, each of which should be discussed separately, it is evident that, from the point of view of stability and safety assessment, great attention is given to the Jeroným Mine. The contribution documents the sequence of operations and their contributions in the framework of geotechnical and geological monitoring a historical mine working, Jeroným Mine at istá. From the point of view of geological monitoring, any extreme events signalling hazardous changes in rock mass stability have not occurred. Check measurements of all points of convergence confirm the fact that at present any movements which would affect the overall stability of all mine workings in the given locality do not take place. The most important long-term result from monitoring by means of distributed measurement system is the record of drops in mine water level on the adit level; this phenomenon has not been explained yet. It follows from measurements and observations carried out so far that a change in groundwater level corresponds in principle to significant inflows of rainfall from the surface. However, slow changes in groundwater level, which manifest themselves in some places not cyclically, are evidently related neither with surface water inflows, nor with possible inflows from the area of old mine workings. Figures: Fig. 1 Localization of the Jeroným mine on the map of the Czech Republic Fig. 2 Territory of the Jeroným mine Fig. 3 Localization of the measuring levels and profile lines Fig. 4 The profile P10 having a convergence prop Fig. 5 Depiction of the level course in the old mine workings Authors 1 Ing. Radovan Kukutsch, Ph.D. – Ústav geoniky AV R, v.v.i., Studentská 1768, 708 00, Ostrava-Poruba, tel. + 420 596 979 242,
[email protected] 2 Doc. Ing. Petr Žrek, CSc. – Institut hornického inženýrství a bezpenosti, HGF, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba Doc. Ing. Robert Koínek, CSc. – Katedra geotechniky a podzemního stavitelství, FAST, VŠB-TU Ostrava, Ludvíka Podéšt 1875, 708 33 Ostrava – Poruba Ing. Tomáš Dank, Ph.D. – Institut geologického inženýrství, HGF, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba Ing. Petr Michalík – Institut hornického inženýrství a bezpenosti, HGF, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba Prof. Ing. Vlastimil Hudeek, CSc. – Institut hornického inženýrství a bezpenosti, HGF, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba Doc. Ing. Arnošt Grmela, CSc. – Institut geologického inženýrství, HGF, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba
- 39 -
