Ložisková hydrogeologie V. Odvodnění a zatápění ložisek (Aquatech) Lokalizace jam z hlediska odvodňování Lokalizace jam • V místech nejmenších očekávaných přítoků do hloubení (obr. a) • Při uložení ložiska mezi zvodněnými vrstvami by se mělo ložisko otvírat postupně od nejvyšších míst do úpadu vrstev s postupným snižováním hladiny (obr. b) • Hloubit v místě nejnižší transmisivity (obr. c) • Vyhnout se propojení silně zvodněné polohy s ložiskem (obr. d) • Při průchodu více zvodněnými obzory volit obzor s nejnižším vrstevním tlakem optimální lokalizace nevhodná lokalizace silně zvodněná poloha Odvodňování dolů • Tlak vody snižovat postupně tak, aby nedocházelo k průvalům • Množství vody čerpané z dolu by mělo být v případě dynamických zásob nejnižší na počátku těžby a nejvyšší na jejím konci Zásady odvodňování důlního pole • Všechna hlavní otvírková důlní díla mají mít spád k hlavní čerpací stanici, čerpací stanice bývá u těžní jámy • Při patrové otvírce minimálně propojovat patra svislými či úklonnými chodbami. Chodby spádovat tak, aby v nich nedocházelo k hromadění vody • U bezpatrové otvírky musí být alespoň jedna jáma situována nejníže tak, aby zde mohla být umístěna čerpací stanice • V dolech se silnými přítoky by těžba neměla probíhat v případě patrové otvírky podpatrovým dobýváním, u bezpatrové otvírky pod dnem těžní jámy s čerpací stanicí, nebo v úrovni či pod úrovní retenčních vodních chodeb Projekt odvodnění Založen na předpokladech z hydrogeologického průzkumu z etapy ověřování zásob ložiska, projekt se tedy po otevření ložiska upřesňuje Projektuje se umístění zařízení, materiál, rozvody apod. Dokumentace prací: Vrtné deníky – Geofond Stavební deníky – záznamy o odběru vzorků vod, dokumentace geologických a hydrogeologických poměrů Odvodňování hlubinných dolů Komplexní soustava odvodňovacích objektů: přítoková místa, odtokové cesty, jímky a čerpací a přečerpávací stanice Přítoková místa • Nevystrojená – důlní prameny • Vystrojená – odvodňovací vrty (preventry), studny a rýhy v počvě chodeb Odtokové cesty • Odvodňovací stružky na boku chodeb (nižší průtoky cca 5–10 l/s) • Kryté kanály, vodní chodby – voda teče v celém profilu (větší průtoky) • Potrubí – spouštění vod do pater • Odvod plynu – separace plynu z vod a jeho odvod do výdušního větrného proudu Odvod vody • Vodní jímky – v blízkosti čerpacích stanic – retenční prostory pro zajištění pravidelného chodu čerpadel a sedimentace suspenzí před vyčerpáním • Čerpací popř. přečerpávací stanice – čerpání vod na povrch nebo do dědičné štoly Odvodňování při výstavbě hlubinných dolů Z hlediska odvodnění dva typy důlních děl • Přechodná drenážní funkce – svislá a úklonná úvodní důlní díla • Trvalá drenážní funkce – dlouhá horizontální a úklonná otvírková díla – dědičná štola - samovolný odtok štolou raženou z povrchu Odvodňování při výstavbě hlubinných dolů Hloubení jam a jejich odvodňování Zamezení přítoku do svislých a úklonných jam • Vodotěsná výztuž • Předhloubená jímka: Odvodnění v pevných, nerozbřídavých horninách - jímka s čerpadlem, podražená v počvě, hloubení s volným vysakováním nebo vtokem, jímky se s postupem hloubení překládají Odvodnění v sypkých horninách – metoda omezena velikostí hydraulického spádu při kterém dochází k rozplavování až tečení hornin (u velmi jemnozrnných písky je kritická hranice při přítoku 2–5 l/s) překládání předhloubené jímky Odvodňování při výstavbě hlubinných dolů • Odvodnění vrty: z hloubení nebo z povrchu Vrty z hloubení šikmé a vodorovné, je-li výška zbytkové hladiny větší než vzdálenost počvy od báze zvodně je nutné doplnit předhloubenou jímkou Vrty z povrchu – používá se u volných zvodní s velkou mocností nebo u napjatých zvodní s vysokým vrstevním tlakem Odvodňování při výstavbě hlubinných dolů Zmrazování - hloubení bez odvodňování, hojně využíváno – rychlejší postup Hloubení jam s puklinovou nebo krasovou propustností nebo v blízkosti stařin • Nepravidelné rozložení zvodněných úseků • Zjistí-li se vydatněji zvodněné úseky již průzkumnými vrty pak odvodnění z povrchu • Tamponáž, zmrazování • Zajišťování předvrty Odvodňování při provozu hlubinných dolů Odvodnění dolu je již kompletní, mění se však parametry jejich vzájemného ovlivňování Připravují se úseky důlního pole k těžbě, jejich odvodnění je již usnadněno existencí depresní kotliny Pevné horniny s puklinovou propustností Hlavní přítoky byly podchyceny během otvírkových prací. Vyražení přípravných děl má za následek pouze překládání přítoků a změnu jejich vydatnosti – celkový přítok do dolu se však výrazně nemění Sypké horniny s průlinovou propustností Složitější prostředí z hlediska odvodňování – možnost tečení hornin: • Odvodňovací vrty • Odvodňovací chodby při nižších propustnostech • Samovolné odvodňování přes rozpukanou ochrannou lávku Vliv odvodňování a závalu důlního díla (Donelly, 2009) Vliv odvodňování a závalu důlního díla Vliv odvodňování a závalu důlního díla Zálomové trhliny Vznik nad zavalujícím se důlním dílem, nekontrolovatelné odvodnění nadloží, u sypkých hornin riziko tečení nejen do závalového pole ale i do činného dolu http://geologie.vsb.cz www.hornictvi.info Odvodňování povrchových dolů Dvě složky přítoků • přítok z vodotečí a nádrží • srážky a povrchový odtok – nárazový zdroj → retenční prostory • podzemní vody – stálý zdroj Povrchové přítoky z vodotečí Před zahájením těžby překládání vodotečí v místě skrývky Ochrana hrázemi před vysokými vodními stavy (50letý stav), vysoušení nádrží Odvodňovací rýhy – odvedení vod z periodických přítoků – tání sněhu, přívalové deště Povrchové přítoky z atmosférických srážek Průměrný roční přítok - finanční náklady Maximální možné přítoky - kapacita čerpacích stanic a velikost retenčního prostoru (min. 24 hodin) Bilance – odpadá transpirace rostlinami, nulové změny zásob v povodí O = S – v – o kde O je střední povrchový odtok, S jsou srážky, v je střední roční fyzikální odpar a o je střední podzemní odtok Snížení přítoku z atmosférických srážek - minimalizovat sběrnou oblast důlního pole Odvodňování povrchových dolů Podzemní přítoky do povrchových dolů Mocnost zvodně do 5 m • Odvodnění rýhami - vyhloubeno v propustných horninách • Odvodnění zářezy - vyhloubeno v nepropustných horninách před čelem skrývkového řezu • Omezeno mechanickými vlastnostmi hornin ve styku s vodou (rozplavování), a velkými hydraulickými gradienty ohrožujícími stabilitu svahu (potom kombinace neúplných rýh a zářezů) • Vrty Zvodně napjaté nebo s mocností > 5m • Vrty • Vysakování do zářezů Zatápění hlubinného dolu Zatápění hlubinného dolu • Zatopení dolu – jen částečná obnova původního sytému proudění podzemích vod • Neřízené zatápění • Řízené zatápění: o zatopení na určitou úroveň: ochrana povrchu, ochrana okolních důlních děl o čištění důlních vod • Nutnost prognózy rychlosti zatápění a objemu vytékajících důlních vod důlní dílo hladina po zatopení Příklady vlivu odvodnění důlních děl Určení původu důlních vod v Rosicko-oslavanském uhelném revíru • 1760 – 1992 • Šachta Jindřich II – maximální hloubka 1454 m • Hydraulické propojení všech důlní děl a jam • V roce 1992 byly doly opuštěny a řízeně zaplaveny (zatápění 6 let) • Hlavní odvodňovací je Dědičná štola v Oslavanech • Očekávaný výtok důlních vod 30 l/s, vyšší však téměř o 100 % • HG průzkum, modelová simulace Lokalizace oblasti 17 km na JV od Brna Zastávka – Rosice – Oslavany 10 × 3 km Boskovická pánev - hydrogeologie • Odlišný litologický vývoj v západní a východní části pánve • Hluboký oběh podzemní vody je možný především v tektonicky značně postižené západní části, v místech výchozu uhelných slojí na povrch • Hlavní oběh podzemní vody v pánvi je vázán na přípovrchovou zónu zvětralých hornin a jejich kvartérní pokryv Možné příčiny vyššího odtoku důlních vod Vliv dolu - pokles hladiny podzemních vod 130 m (centrum) 60 – 90 m (sever) 1) Posun severní rozvodnice hlubšího oběhu a zvětšení povodí Oslavy? Možné příčiny vyššího odtoku důlních vod Vliv dolu - pokles hladiny podzemních vod 130 m (centrum) 60 – 90 m (sever) 1) Posun severní rozvodnice hlubšího oběhu a zvětšení povodí Oslavy? 2) Ztráty z povrchových toků? 3) Jejich kombinace 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2000 4000 6000 8000 vzdálenost (m) průtok(l/s) březen srpen říjen listopad Možné příčiny vyššího odtoku důlních vod Vliv dolu - pokles hladiny podzemních vod 130 m (centrum) 60 – 90 m (sever) 1) Posun severní rozvodnice hlubšího oběhu a zvětšení povodí Oslavy ? 2) Ztráty z povrchových toků? 3) Jejich kombinace? Nutnost ověření modelem 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2000 4000 6000 8000 vzdálenost (m) průtok(l/s) březen srpen říjen listopad Konstrukce modelu Vymezení modelované oblasti Výsledky modelu Současný stav Původní stav Mělké proudění Hluboké proudění Příčiny vyššího množství důlních vod: • Minimální posun rozvodnice • Potvrzena hydraulická spojitost mezi povrchovými toky a důlními vodami • Simulované množství důlních vod vytékajících z Dědičné štoly odpovídá skutečnosti Vliv štěrkovny Mohelnice na podzemní vody Rizika vyplývající z ovlivnění úrovní hladin podzemních vod nátoková odtoková strana strana oblast numerického modelu plocha jezer 100 ha hloubka až 35 m Mohelnice Modelovaná oblast PŮVODNÍ STAV X SOUČASNÝ STAV Současný stav srovnání hladin podzemních vod v podélném řezu nárůst parciálního tlaku O2 na atmosférickou hodnotu pokles parciálního tlaku CO2 na atmosférickou hodnotu Eh 150 → 754 mV ??? rovnováha ??? Změna oxidačně-redukčních poměrů v podzemní vodě 0 2 4 6 8 10 12 14 –.5 0 .5 1 pH Eh(volts) Fe ++ Fe(OH)4 - FeCO3 FeCO3 +FeSO4 + Fe(OH)2(ppd) Fe(OH)3(ppd) Jarosite-K Pyrite 12°C Josef Fri Jun 09 2006 DiagramFe ++ ,T=12°C,P=1.013bars,a[main]=10 –4.56 ,a[H2O]=1,a[Ca ++ ]=10 –2.67 ,a[K + ]=10 –4.45 ,a[Na + ]=10 –3.4 ,a[Mn ++ ]=10 –5.57 , a[HCO3 - ]=10 –2.32 ,a[Cl - ]=10 –2.97 ,a[SO4 -- ]=10 –3.35 ;Suppressed:Goethite,Hematite,Ferrite-Ca,Ferrite-Mg,Ferrite - 2-Ca,Magnetite,FeO(c),Siderite, Rhodochrosite Změna oxidačně-redukčních poměrů v podzemní vodě Josef Fri Jun 09 2006 –5 –4.5 –4 –3.5 –3 –2.5 –2 –1.5 –1 –.5 0 0 50 100 150 200 f O2 (g) (log) Minerals(mg) Fe(OH)3Pyrolusite Calcite 1 litr vody: vysrážení 139 mg kalcitu, 2,9 mg amorfního Fe(OH)3, 0,24 mg pyroluzitu Fe: 1,54 → 2,54×10–9 mg/l Mn: 0,149 → 4,3×10–12 mg/l