Těžba uhlí a posthornická krajina v česko-polském pohraničí
DŮLNĚ TECHNICKÁ ETAPA REKULTIVACÍ Každá otvírka ložiska užitkového nerostu a jeho postupná exploatace v časovém horizontu několika let až desítek let (u některých kamenolomů až i více než sto let) je obrovským zásahem do rovnovážného napěťového stavu horninového masivu a svými důsledky ovlivňuje pedosféru, hydrosféru, atmosféru a biosféru. Důlně-technická etapa je spojena již s I. etapou otvírkových prací - s etapou přípravných prací. Ta v sobě zahrnuje pedologický, geologický a hydrogeologický průzkum průvodních hornin či zemin včetně ložiska užitkového nerostu, zpracování potřebné projektové dokumentace včetně legislativy, dále získávání nezastavěných i zastavěných pozemků a jejich výkup v prostorech budoucí těžby a založení výsypek či odvalů, přeložkami komunikací, inženýrských sítí, vodotečí aj., což v řadě případů si vyžaduje již sanační zásahy. Schéma důlně technické etapy rekultivací dokládá obr. 1.
1
Těžba uhlí a posthornická krajina v česko-polském pohraničí
Obr. 1 Schéma důlně-technické etapy rekultivací Geologický a pedologický průzkum nadložních hornin a zemin Těžbu výhradních i nevýhradních ložisek nutně provázejí již výše uvedený průzkum a výzkum od stadia vyhledávání ložisek užitkových nerostů po těžební průzkum a úplné poznání ložiska prakticky končí jeho vydobytím. Na středních a velkých lomech a zdevastovaných plochách se vedle pedologického průzkumu provádí i geomechanický průzkum hornin a zemin - nadložního, příp. meziložního i podložního masivu za účelem poznám fyzikálně-mechanických a technologických vlastností těchto hornin a zemin. Tyto vlastnosti jsou důležitým kritériem pro pozdější rozhodování při ukládání hornin a zemin do těles vnějších a vnitřních výsypek a odvalů s cílem vytvoření stabilních výsypkových zemních těles. 2
Těžba uhlí a posthornická krajina v česko-polském pohraničí Selektivní odkliz nadložních zemin Těžební organizace jsou povinny ve smyslu horního zákona, zákona o půdě, zákona o lesích, zákona o životním prostředí a dalších zákonných norem provádět selektivní odkliz orničních vrstev a dalších zúrodnitelných vrstev půdního profilu za účelem využití v následném rekultivačním procesu v technicko-biologické etapě. Sejmuté orniční vrstvy resp. zúrodnitelné zeminy jsou ukládány na zvláštních deponiích, resp. mohou být přemisťovány i na plochy stanovišť připravených pro jejich návoz a rozprostření při realizaci sanací a rekultivací. Při ukládání kulturních vrstev na deponiích je třeba dodržovat následující zásady:
u dlouhodobých deponií je nutno deponie tvarovat tak, aby bylo možné je obdělávat, příp. je dočasně zatravnit, aby se zabránilo jejich postupnému zaplevelení. Obděláváním a hnojením se napomáhá udržet v ornici její strukturu a mikrobiální život,
není-li možno deponii obdělávat, je nutno ji ošetřovat proti vzrůstu plevelů pravidelnými postřiky v celém vegetačním období,
deponie je třeba zajistit proti přítokovým vodám odvodňovacími stružkami, aby nedocházelo k jejich rozplavování či odnosu ornice,
deponie je třeba zabezpečit proti zcizování vhodnými opatřeními,
maximální sklon svahů deponie musí odpovídat svahové dostupnosti zemědělské mechanizace k jejímu obdělávání a údržbě. Totéž platí v přiměřené míře i pro deponie spraší a sprašových hlín.
Nejsvrchnější součástí půdního profilu na převážné většině území, určených k těžbě užitkových nerostů, tvoří orniční vrstvy využitelné k zemědělskému resp. lesnickému využití. Na územích širších okolí řešených ploch jsou zastoupeny hnědozemě až černozemě v mocnostech 25 až 50 cm. U půd typu černozemě s mocným humusovým horizontem 40 cm a vyšším je možno provádět nedělené skrývání ornice a podorniční části humusového horizontu. U ostatních půd, u nichž hloubka ornice je totožná s hloubkou humusové vrstvy, se provádí v celé její mocnosti. Vedle ornice jsou selektivně skrývány na jednotlivých částech lomu především slíny, slínové hlíny a jíly. 3
Těžba uhlí a posthornická krajina v česko-polském pohraničí Jíly jsou využitelné eolitické klastické zeminy čtvrtohorního stáří. Jsou to hlinité zeminy plavé, žlutohnědé až tmavě hnědé barvy. Vykazují nižší obsah prachových částic (0,01 až 0,05 mm) a vyšší obsah fyzikálního jílu s částicemi menšími než 0,001 mm. Zrnitostně těžší hlinité sedimenty mají poměrně příznivé fyzikální vlastnosti i vodní režim. Sorpční schopnost je závislá na zastoupení jílových minerálů kaolinit (K), illit (I), montmorillonit (M) a většinou je hodnocena jako střední až vysoká. Půdní reakce je slabě alkalická s obsahem karbonátů nad 5 %. Jíly mají poměrně nízký obsah humusu a fosforu, obsah draslíku a hořčíku dosahuje průměrných hodnot. Jsou vysoce využitelné především k lesnickému způsobu rekultivace, méně k zemědělskému, při kterém je nutný orniční překryv. Slínové hlíny jsou nejrozšířenějšími sedimenty v řešené oblasti. Od jílů se liší nižším obsahem karbonátů a vyšším obsahem jílových složek, především s nižším podílem vápenců. Obsahem humusu, půdní reakcí a obsahem živin jsou tyto hlíny srovnatelné s jíly a jsou rovněž využitelné především pro lesnickou rekultivaci; pro zemědělskou rekultivaci platí totéž jako u jílů. V některých částech zájmového území se nachází jílovito-písčitý horizont, představující heterogenní směsici s různým podílem písčitých až jílovitých zemin. Po mineralogické stránce v nich převyšuje křemen. Obsah humusu, karbonátů a fosforu je nízký, obsah K a Mg je proměnlivý, stejně jako jejich fyzikální a hydrofyzikální vlastnosti. Vykazují nepříznivé protierozní vlastnosti, podobně jako další významně zastoupený podíl ve skrývaných zeminách nadložního masivu, který tvoří písky. Písky, spolu se štěrkopísky a zahliněnými písky, představují v nadložním masivu cca desetinu objemu tohoto masivu. U jiných uhelných ložisek a nerostů vhodných k chemicko- technologickému zpracování či k tavení (křemen, křemenec, dolomit, vápenec, čedič, znělec, trachyt aj.) a rovněž surovin pro blokovou těžbu (HaUKV) je pokryv tvořen většinou zvětralinovým pláštěm těchto hornin s minimálním množstvím půdotvorných substrátů. Přesto část těchto hmot, pokud je lze technicky skrýt, může sloužit jako materiál k budoucím sanačním a rekultivačním pracím na ložisku. U ložisek s lomovou těžbou typu hliniště, jíloviště, pískoviště, štěrkovny, se postupuje analogicky podle charakteru a kvality zemin ve vrstevním sledu nadložních hornin a zemin pro následnou rekultivaci. Selektivní odkliz ornice a zúrodnitelných zemin se provádí i na terénech hlubinně zasažených ploch, resp. se provádí jako prevence před jejich zatopením z titulu poklesu spolu 4
Těžba uhlí a posthornická krajina v česko-polském pohraničí s odstraněním trvalých porostů (lesních a parkových výsadeb) v ohrožených oblastech s předpokladem zátopy. Situování výsypek a odvalů v krajině Stavba vnější výsypky či odvalu je nedílnou součástí otvírky lomu. Vnější výsypky či odvaly jsou situovány v hranicích stanoveného dobývacího prostoru určeného státní báňskou správou k hospodárnému vytěžení vyhrazeného ložiska užitkového nerostu, stejně jako výsypky či odvaly při těžbě nevyhrazených surovin musí být situovány v území vymezeném pro jejich těžbu. Výjimečně jsou vnější výsypky zakládány mimo vlastní DP lomu v případech, kdy odklizové hmoty jsou směrovány do zbytkových lomových jam již zastavených lomů. Výsypky a odvaly musí být zřízeny v souladu s projektovou dokumentací a jsou součástí řešení Plánu otvírky, přípravy a dobývání (POPD) každého dolu resp. lomu. Zřizování výsypek a odvalů musí vytvářet předpoklady pro následné využití, aby svým začleněním do reliéfu okolní krajiny vytvořily estetickou a ekologicky vyváženou krajinu. Z pohledu této podkapitoly jsou to následující hlediska:
minimální vzdálenost vnější výsypky od vlastního lomu
minimalizace záboru půdy
důsledné odvodnění podložky z titulu situování Situování vnější výsypky či odvalu by obecně mělo být nejblíže vlastního dolu, aby z
ekonomického hlediska dopravní vzdálenosti byly minimální. Nejdůležitější zásadou situování vnějších výsypek či odvalů je minimalizace záboru půdy, která by měla vzejít již ve stadiu koncepce otvírky lomu. Musí platit zásada, aby na ploše nezbytného záboru půdy bylo co nejméně úrodných pozemků. V dobývacím prostoru nebo území devastovaném důlní činnosti je nutno respektovat lokalizaci ložiska, jeho geologické a úložní poměry vč. reliéfu terénu, což zpravidla neumožňuje alternativita územního řešení pro stavbu vnějších výsypek. Alternativita řešení spočívá v zakládání skrývky do prostorů těžebně ukončených částí lomu a do devastovaných prostorů po bývalém hlubinném díle /dnes již zasypaném komíně/ ev. převýšením stávajících výsypek či volbou a stavbou kapacitních výsypek. Tyto možnosti nejsou však v předmětném dobývacím prostoru a potom je třeba dát přednost zemědělsky méně úrodným pozemkům, odlehlým a zemědělsky obtížně přístupným, pro nižší odvody ze záboru bonitně chudého ZPF. 5
Těžba uhlí a posthornická krajina v česko-polském pohraničí Minimalizace záboru půdy vnějšími výsypkami předpokládá:
maximální využití kapacity vnitřní výsypky nebo odvalu
stavbu velkokapacitních a velkoplošných výsypek resp. odvalů s vhodně koncipovanou geometrií výsypkového tělesa. Kapacita bude záviset i na tvaru výsypkového tělesa. Čím více se tvar tělesa výsypky bude blížit kruhu nebo čtverci, tím větší bude využitelná náhorní plošina pro rekultivaci (zemědělskou, luka, pastviny), výrazně se sníží podíl svahové kubatury, bude větší koeficient využití výsypkového prostoru, budou nižší náklady na úpravu svahů a úspory v záboru
využití prostoru využitím výšky zakládaných stupňů i celého tělesa. Při volbě místa úložiště, ať výsypky či odvalu, je třeba důsledně zvážit stav a charakter podzákladí. Většina porušení stability výsypek či odvalů je vyvolána neúnosnou vrstvou zemin podzákladí, především svrchní částí plastického komplexu regelační zóny, při působení vody a periglaciálního klimatu během kvartéru. Je třeba se tudíž vystříhat založení výsypek či odvalů v místech s hladinou spodní vody blízko terénu, bažinatých a také příliš svažitých terénů. Krajinotvorným prvkem může být i vnitřní výsypka, která posledním ev. i více výsypnými
stupni může převyšovat původní terén a stává se ve své části také nadúrovňovou výsypkou. Jinak je umístění vnitřní výsypky předurčeno umístěním vlastního lomu v krajině a její těleso uvnitř lomu umístěním otvírkového zářezu a postupem porubní fronty. S výhodou lze použít zbytkových plošin otvírkového zářezu v bocích či závěrných svazích lomu. U těchto výsypek je nutno dbát především na stabilitu závěrných svahů, aby se v budoucnu svahy daly upravit sanačními pracemi ve smyslu plánu likvidace a plánu sanací a rekultivací - především pro hydrický způsob rekultivace. To, že krajinotvorným prvkem může být i menší výsypka či odval, využitelný pro rekreační a sportovní využití, dokladuje řada příkladů ze současnosti, kdy obce nechávají v rovinatých terénech navážet zeminu k tvorbě malých vyvýšenin a kopců pro výše uvedené účely (lyžování a sáňkování v zimních měsících). Výrazným příkladem koexistence těžařů, obecní správy ve spojení s přáním veřejnosti a části ekologických iniciativ je vnější výsypka plošně nejrozsáhlejšího velkolomu světa (82 km2) - velkolomu Hambach v SRN v Porýní - Vestfálsku. Skrývkové zeminy z tohoto lomu byly a jsou zčásti ukládány do tělesa vnitřní výsypky, část byla směrována do okolních zbytkových jam a zčásti hmot, na žádost obecní správy a obyvatel širokého okolí, byla 6
Těžba uhlí a posthornická krajina v česko-polském pohraničí vytvořena vnější výsypka - podlouhlý hřbetovitý kopec, široko daleko jediný kopec v rovinaté krajině. Je rekultivován lesnicky. V tomto revíru platí od r. 1967 nařízení, podle něhož všechny výsypky, které jsou zde tvořeny převážně z mineralogicky chudých a fyzikálně nevhodných písků, určené pro lesnickou rekultivaci, musí být na povrchu pokryty 4 m mocnou vrstvou tzv. lesnického štěrkopísku (směs písku, štěrku a spraše). Tato výsypka, rekultivována lesnickým způsobem a označována jako Sophia Hohe (Žofínská výšina), slouží jako oddychový areál pro širokou veřejnost. Jsou na ní turistické cesty, obory pro daňčí, jelení a mufloní zvěř a také v její části se nachází sportovní areál s vytvořenými lyžařskými a sáňkařskými drahami. Tvarování výsypek a odvalu a jejich stabilita Geometrie a tvar tělesa výsypky či odvalu, jak bylo konstatováno v předchozí podkapitole, ovlivňuje využitelnost výsypkového tělesa - hlavně u vnějších výsypek, ovlivňuje jeho stabilitu a v konečné fázi jeho rekultivaci a ekonomiku jejich prací. Tvar výsypkového tělesa je také ovlivněn umístěním v hranicích dobývacího prostoru, u nevyhrazených ložisek územím stanoveným k těžbě a charakterem členitosti terénu (zvlnění terénu, ukloněná podložka). Způsob stavby výsypkového tělesa či odvalu bude ovlivněn především technologickým způsobem zakládání. Bude záviset na druhu zakládacích strojů a zařízení a technologii zakládám těmito prostředky. Tato technologie umožňuje stavět a také tvarovat výsypku či odval téměř stavebním způsobem. Stejně tomu bylo v minulosti i na uhelných lomech s lopatovými rýpadly a kolejovou dopravou s urovnáním výsypkových plošin buldozery - na tzv. rypadlových výsypkách. Hlavním předpokladem úspěšné rekultivace výsypkových terénů je jejich stabilita. Stabilita celého výsypkového tělesa bude dána stabilitou jeho jednotlivých výsypkových stupňů. Je ovlivněna výše charakterizovanou technologií zakládání, pevností jeho podloží (podložky), hydrogeologickými a hydrologickými poměry v místě stavby tohoto tělesa a jejího bezprostředního okolí a generálními sklony výsypek (u neuhelných ložisek), či generálním obrysem (u uhelných ložisek). Při řešení stability výsypek a jejich stupňů se vychází především z určení smykové pevnosti zakládané sypaniny, jejího úhlu vnitřního tření a hmotnosti tělesa jako konstantních veličin. Ve skutečnosti jsou smykové pevnosti a úhly vnitřního tření zeminy veličinami měnícími se v 7
Těžba uhlí a posthornická krajina v česko-polském pohraničí čase, v závislosti na geotechnických a hydrogeologických podmínkách v řezech rozpojovaných zemin, napěťových stavech v tělese výsypky a dalších faktorech. Pro stabilitní výpočty v mechanice zemin existuje řada výpočtových metod, ale žádná z nich neumožňuje zahrnout v sobě všechny faktory působící na stabilitu výsypky pro heterogenitu zakládaných hmot, měnící se fyzikálně-mechanické vlastnosti sypaniny těžené v rámci těžebního bloku i lávek řezu, klimatické vlivy (počasí, roční období), atd. Při zakládání hmot do jednotlivých výsypkových stupňů bude třeba dodržovat jako jednu z hlavních podmínek stability kritickou výšku zakládání. Jejím překročením dochází ke skluzovým projevům vytvořením skluzné plochy, souhlasné s horizontální složkou rychlosti padajících zakládaných hmot. Sanace takto vyskluzovaných svahů - zvláště pak nejnižších výsypkových stupňů výsypky, pro zajištění stability a bezpečnosti, je technicky i ekonomicky velice náročná, stejně jako jejich pozdější rekultivace. Na základě dlouholetého měření a sledování výsypek byly pro jednotlivé druhy zemin stanoveny orientační kritické výšky svahů (aplikovatelné i u výsypek neuhelných lomů), uvedených v následující tabulce 1. Tabulka 1 Kritické výšky zakládání zemin a hornin Kategorie
Kritická výška
Charakteristika zemin a hornin
označení
název
[m]
I.
velmi nestabilní
do 10
měkké a plastické zeminy
II.
nestabilní
15-20
jíly až jílovce
in.
relativně stabilní
20-30
IV.
stabilní
30-50
odvodněné zeminy písčito-jílovité s převládajícím podílem písku nebo tvrdého jílovce odvodněné písčité zeminy, poloskalní zeminy, horniny
Pro stabilitu výsypek a odvalů je jednou z nejdůležitějších podmínek důsledné odvodnění podložky výsypky k zamezení průniku a vzlínání vody na kontaktu rostlých a ve výsypce nakypřených zemin. Odvodňování podložky (u vnějších převýšených výsypek po skrytí zúrodnitelných zemin) se provede odvodňovacími rýhami (příkopy, drény) vyhloubenými povětšinou lopatovými rýpadly s hloubkovou lopatou (DH, EH) do hloubky cca 1 m, ev. i větší dle průběhu podložky. Generální spád příkopu se zvolí cca 0,5° až 1° směrem k retenční nádrži na dně lomu, u vnitřní výsypky a u vnější výsypky do svodového příkopu k čističce 8
Těžba uhlí a posthornická krajina v česko-polském pohraničí důlních vod. Příkopy pod výsypkami mají pro vodu charakter ztracených trativodů. Jsou vysypávány lomovým kamenem, hrubozrnným štěrkopískem nebo je v nich položeno perforované potrubí dle vydatnosti do průřezu 350 mm s kamenným nebo štěrkovým obsypem. Při výskytu mocnější vrstvy nezahliněných štěrkopísků, štěrků nebo kamenných sutí ve vlastním DP nebo jeho blízkého okolí, nabízí se poměrně náročnější investice v založení drenážní vrstvy z těchto materiálů. Tato drenážní vrstva, která je pak zakládána jako předvýsypka, má svůj význam u mírně svážlivých terénů vnějších výsypek, ale především při stavbě vnitřní výsypky, ev. je postavena stupňovitě při úklonech větších než 7° pro zvýšení stability. Dalším kritériem pro vytvoření stabilního tělesa výsypky je i řízené ukládání zemin a hornin. Zakládání zemin (hornin) do výsypkového tělesa dochází k procesu konsolidace zemin vlivem rozpadávání zrn zeminy pádem z lopaty či korečku u cyklicky zakládacích strojů, vlastní hmotnosti výsypky a působením hydrometeorologických podmínek. Mění se koeficient původního nakypření, mění se také fyzikálně-mechanické a technologické vlastnosti zemin těžených z řezů s různou strategií vrstev s rozdílnými mineralogickými a petrografickými vlastnostmi v zakládané zemině. Zeminy pak charakterizujeme a rozlišujeme jako zeminy vhodné a nevhodné pro stavbu stabilní výsypky. Za nevhodné zeminy se považují ty zeminy, které vykazují vysoké hodnoty pórovitosti, nasákavosti, vysoký stupeň plasticity, malou pevnost v prostém tlaku a malou hodnotu smykové pevnosti. Jsou to zeminy tuhé až měkké konzistence, vykazující vysokou stlačitelnost. Celkově pro stabilitu výsypek (odvalů) platí dodržování technologické kázně, spočívající v dodržování stanoveného technologického postupu zakládání. Jeho zásady vymezují nepřekročování kritické výšky zakládání, dodržování stanovených šířek zakládaného bloku při úpadním a dovrchním zakládání vč. výšek jednotlivých etáží, stanovení zakládání ve vrstvách, důsledné zakládání v koncích výsypkové fronty hlavně u vnitřních výsypek, dodržování sklonů pracovních plošin a jejich dosypávání vč. důsledného urovnávání pro zamezení tvorby velkých kaluží, atd. Při stavbě výsypek, především vnějších, existuje reálná možnost volby charakteru budoucího reliéfu krajiny v souladu s plánovaným charakterem jeho využití. V této volbě rozhodují rekultivační hlediska. Všechna dříve uvedená hlediska a zásady v této podkapitole ovlivňují možnost rekultivačních závěrů. Vedle toho je třeba z hlediska tvorby a tvarování 9
Těžba uhlí a posthornická krajina v česko-polském pohraničí volit sklony výsypkových svahů tak, aby byly zakládány již se zřetelem na jejich budoucí využití, tj. pro následný lesnický způsob rekultivace by sklon svahů neměl přesáhnout hodnotu 1:4 a pro zemědělskou rekultivaci sklon 1:8. Plošiny úrovňových i nadúrovňových výsypek musí být stavěny a následně upravovány v takovém sklonu, který by umožňoval odvodnění plošin, ale po technické rekultivaci i žádoucí přítok povrchové vody (příkopy, průlehy). Při tvorbě konečného povrchu výsypkového tělesa je žádoucí, aby byl z hlediska kvality zemin tvořen vždy nejvhodnějšími zeminami té části nadloží, která má optimální pedogenetické vlastnosti. Půjde především o zeminy kvartérního původu - hlavně o spraše a hlinité zeminy sprašovitého původu. V rámci tvarování velkoplošných výsypek, s přihlédnutím k minimalizaci zemních prací při technické etapě rekultivací, je třeba zohlednit specifickou koncepci každé z lokalit z pohledu technického řešení odvodnění těchto rekultivovaných ploch. Účelem odvodňovacího systému, vedle důsledného odvodnění podložky výsypky k zajištění její stability, je i další odvodnění a to bezpečné odvodnění povodňových průtoků z budoucí rekultivované plochy buď do recipientu, nebo do zbytkové lomové jámy. Pro účely odvodňování musí být navrhovány odvodňovací příkopy, průlehy a poldry, sloužící k zachování stability a protierozní ochraně rekultivovaných ploch a půdní erozi svahů. Odvodňovací příkopy a průlehy jsou již součástí technické etapy rekultivací, stejně jako konečné vytvarování a vodohospodářská úprava poldrů. Poldry je však možno již tvarovat při důlně technické etapě převýšením části pracovní plošiny jednotlivých výsypkových stupňů zakládáním budoucích hrázek (valů) podle projektu a technologického postupu zakládám na konečných stupních výsypky před jejich předáním k následné technické rekultivaci. Poldry jsou v podstatě uměle vytvářené mělké retence, řešící na výsypkách jeden z hlavních problémů a to eliminaci max. průtoků v odvodňovacích příkopech při vyšších vydatných srážkách. Svým retenčním prostorem zachycují povodňové vlny a podstatně snižují nároky na požadovanou průtočnost odvodňovacích prvků pod poldry. Odtokové poměry se výrazně mění s postupně se tvořícím biologickým pokryvem. Jejich užitný objem by však měl být dimenzován na zadržený objem min. desetileté přívalové vody vč. objemu splavenin, které přináší povodňová vlna.
10
