Některé poznatky ze
studie hydrogeologických propojení mezi ostravskou a oderskou částí zatápěné
ostravské dílčí pánve
Vysoká škola báňská –
Technická univerzita Ostrava, HGF, Institut geologického inženýrství,
DIAMO,s.p. - odštěpný závod ODRA, Ostrava
Abstrakt :
Postupným zatápění ostravské dílčí pánve došlo
k nerovnoměrnému nástupu hladin v obou dílčích bazénech ODP. Tuto
situaci bylo nutno řešit vzhledem k nutnosti zajistit bezpečnost hornické
činnosti při čerpání důlních vod z vodní jámy Jeremenko. Situace byla
řešena komplexně jak klasickými tak i moderními metodami numerický simulací
hydraulických stavů ve spolupráci s.p. DIAMO odštěpný závod ODRA a VŠB-TU Ostrava,
Institutu geologického inženýrství.V referátu je prezentováno, že celá zvodněná
struktura se chová jako „spojité nádoby“ podle Darcyho zákona podzemní
hydrauliky a vzniklé rozdíly hladin v jednotlivých částech struktury jsou
teoreticky naprosto normální a v daném stavu nehrozí reálně kolaps, který
by znamenal ohrožení čerpacích zařízení na vodní jámě Jeremenko.
1.
Úvod a základní informace
Usnesením
vlády ČR č. 691 z prosince 1992 o restrukturalizaci uhelného hornictví byla
přijata posloupnost likvidace důlní činnosti a důlních děl. Od r. 1995 bylo
postupně ukončováno čerpání důlních vod z jednotlivých dolů
v ostravské dílčí pánvi (dále jen ODP). Rušení čerpacích stanic na
jednotlivých dolech, resp. čerpání z nich, bylo zcela zastaveno 30. června 1997. Ukončení čerpání na
jednotlivých dolech mělo za následek v některých případech postupné
zatápění důlních prostor dotyčného dolu, v jiných případech částečný nebo
úplný přetok nečerpané vody do sousedního dolu. Po ukončení čerpání byl celkový
přítok řízeně směrován k tzv. Vodní jámě Jeremenko (dále jen VJJ),
situované v nejnižší části geologické struktury dílčí pánve. Přítok důlních vod
a jejich čerpání na VJJ je do současné doby sumárním přítokem především
kvartérních (povrchových), méně již miocénních vod do opuštěných dolů celé
dílčí pánve. Plošný rozsah jednotlivých hladin důlních vod v různých
částech zatopených dolů odpovídající okamžité úrovni hladiny ve VJJ během
postupného zatápění není možno přesně určit. Místní podmínky umožňovaly
sledovat pouze nástup hladiny důlní vody a její režim v jamách Jeremenko
(VJJ), Odra (OD-2), Heřmanice (HE-2 – později nahrazeno Rychvald V – RY5) a
Hlubina (HL-2).
Vodní
jáma Jeremenko (VJJ) byla upravena a vybavena tak, že slouží k čerpání
veškerých přítoků vod do likvidovaných dolů ODP tak, aby hladina důlní vody v
likvidovaných dolech byla udržována
v rozmezí kót –370,5 až -389,5 m p.m. čili cca 38 až 58 m pod
nejnižším propojením ostravské a petřvaldské dílčí pánve. Je tak vytvořen
retenční prostor cca o objemu cca 2 735
000 m3, který má dvě základní funkce:
·
při předpokládané
vydatnosti přítoků do dílčí pánve ve výši 80 až 180 l.s-1 (hodnota
je závislá zejména na intenzitě infiltrace povrchových vod do stařin opuštěných
dolů) časovou retenci důlních vod v tomto prostoru až 176 dní (pro Q180 ),
·
umožnění řízeného
vypouštění čerpaných důlních vod do povrchového toku řeky Ostravice tak, aby
byly dodrženy přípustné kvalitativní a kvantitativní limity z hlediska ochrany
životního prostředí.
Pro
čerpání důlních vod jsou v jámě Jeremenko instalovány 3 ponorná čerpadla, každé
s vydatností 0,174 m3.s-1. Provoz čerpadel je možno různě
kombinovat s tím, že je dosažitelná maximální vydatnost ve výši 0,47 m3.s-1.
Základní projekt (viz kolektiv autorů 1995) předkládal
zatápění jednotlivých dolů pánve a jejich částí na principu „spojitých nádob“. Tento pojem, kteří
autoři použili v základním Darcyovském pojetí podzemní hydrauliky a pojem
vztahující se k hydraulice jednotlivých bazénů, vyvolal však zavádějící
představu nutné existence „vyrovnaných hladin“ ve všech částech zvodněné
struktury dílčí pánve jako celku.
Názorně to ukazuje i schématický obrázek č. 1 i
obrázky č. 2 a 3, ve kterých jsou konstruovány hladiny zatopení na jednotné
úrovni (např. -370 m p.m.).
Obr. 1
Základní schématické vertikální členění důlní činnosti v ostravské dílčí pánvi.
Vymezení ostravského a oderského bazénu. Modře vyznačena projektovaná úroveň
hladiny zatopení ODP; v pravé části obrázku je vyznačena možná úroveň přetoku z
ODP do petřvaldské a karvinské dílčí pánve.
(Upraveno podle Folprecht,
J., 1995 v kolektiv autorů, 1995).
Obr. 2 Schématické znázornění propojení oderského a ostravského bazénu a rozdíl úrovně zatopení v nich. Ve střední části
schématu zobrazeny předpokládané úrovně propojení.
Obr.3
Plošný
rozsah zatopení ostravské dílčí pánve pro úroveň –370 m p.m. (podle kolektiv
autorů, 1995).
Autoři základního projektu předpokládali možnost rozdílných hladin v jednotlivých částech pánve a to tím, že propustnost prvé přetokové úrovně na kótě -479 m p.m. a druhé přetokové úrovně na kótě -424 m p.m. (viz obr.2) nemusí postačovat k převedení veškerých přítoků do ostravského bazénu. Proto v oderském bazénu řešili i třetí přetokovou úroveň, tj. na kótě -316 m p.m.
Tato
hypotéza se potvrzuje nejen výsledky monitoringu sledování režimu hladin v
jamách OD-2, RY-5 a ve vlastní vodní jámě Jeremenko, ale i výsledky numerického
modelování celého zvodněného systému zatápějící se ostravské dílčí pánve.
Graf č. 1(podle Jelínek ,
2003)
Výsledky
monitoringu vývoje zatápění pánve (viz graf 1) prokazují rozdílnost hladin v
jednotlivých jejích částech (prostor oderského a ostravského bazénu vykazuje
rozdíl hladin v červenci 2003 cca 68 m) a proto bylo koncem roku 2002
rozhodnuto vedením s.p. DIAMO, o. z. ODRA, Ostrava-Vítkovice provést komplexní
hydrogeologickou studii hydraulických propojení mezi ostravskou a oderskou
částí zatápěné ODP (Grmela a kol., 2003).
Ve studii bylo doloženo, že stávající situace je
teoreticky naprosto normální a v daném stavu nehrozí reálně kolaps, který
by znamenal ohrožení čerpacích zařízení na vodní jámy Jeremenko. Mezi
jednotlivými částmi zatopených bazénů existuje přetok důlních vod a jeho
hodnota odpovídá hydraulickým spádům v pásmech nevydobytých slojí na hranicích
jednotlivých dobývacích prostorů (DP), příp. ohradníku města Ostravy.
Hydraulické odpory (vyjádřené hodnotami koeficientu filtrace K) znamenají, že
celá zvodněná struktura se chová jako „spojité nádoby“ podle Darcyho zákona
podzemní hydrauliky. Představy „nedarcyovských spojených nádob“ jsou zavádějící
a v praktických aplikacích nereálné.
2.
Schematizace přírodních a hornicky ovlivněných hydrogeologických poměrů masívu.
Hydrogeologické poměry v ostravské dílčí pánvi
jsou silně ovlivněny hornickou činností. Ta probíhala od XVIII. století
a intenzívně postupovala do hloubek, dosahovaných v současnosti přes 1100 m pod
povrch. Důlní díla a vlivy těžby, včetně
hluboké hydraulické deprese vyvolané osušením horninového komplexu, změnily
přírodní geohydrodynamické systémy. Původní samostatné hydraulické systémy byly
uměle propojeny (vrty, jámami, důlními díly) nebo k propojení došlo sekundárně
zálomovými trhlinami nad poruby, závaly důlních děl apod. V oblastech hornicky
otevřených se vytvořil nepravidelně rozvinutý hydraulický systém, zahrnující
jak horniny karbonu, tak horniny jeho pokryvu, včetně kvartérních sedimentů. V
oblastech vzdálenějších od aktivní důlní činnosti a dobývacích prací se původní
hydraulické poměry ještě zachovaly.
Mezi základní přírodní zdroje
důlních vod patří (uvedeno ve stratigrafickém sledu) :
è vody kvartérních zvodní,
è vody zvodní spodnobádenského
pokryvu karbonu :
· z písčitých poloh tzv. svrchního
zvodněného písčitého komplexu pelitické facie,
· z písčitých poloh tzv. spodního
zvodněného písčitého komplexu pelitické facie,
è ze
štěrkopísčitých a písčitých bazálních klastik spodního bádenu (tzv. detritový
horizont),
è vody převážně puklinových
systémů zvětralinového pláště karbonu,
è vody převážně puklinových a
zlomových systémů svrchního karbonu a hlubšího podloží produktivních pánevních
sedimentů.
Antropogenně ovlivněný zdroj
důlních vod v zatopené ostravské dílčí pánvi reprezentují :
è
vody různého původu,
zdržené ve starých důlních dílech, tj. vody se silně pozměněným chemismem
produkty zvětrávání. Chemismus těchto vod je silně ovlivněn i dobou zdržení a
rychlostí průtoků důlních vod starými důlními díly.
Zvodnění kvartérních sedimentů
Kvartérní sedimenty ve větších plošných rozlohách i
mocnostech jsou rozšířeny pouze v oblasti Ostravské glacigenní pánve, ve
fluviálních štěrkopíscích údolních niv a terasách vodních toků Odry a
Ostravice. Zjištěný koeficient filtrace se pohybuje v řádech 5*10-3,
obvykle však 5*10-4 až n*10-5 m.s-1. V
prostoru soutoku řek Odry a Ostravice dosedá kvartérní vodonosný kolektor přímo
na karbonské pohoří. Dle starších údajů (Janáček a kol., 1994) infiltruje za rok z tohoto kolektoru do karbonu cca 57 % statických zásob
podzemních vod kvartéru, tj. cca 2,94*106 m3 = 93,2 l.s-1; v roce 1993 se udává přítok ve výši
1,15*106 m3 =
36,5 l.s-1, tj. 61 % z celkového přítoku včetně vod provozních.
Podle údajů] z roku 1994
(kol.autorů, 1994) je v ODP celkový přítok vod z kvartéru kalkulován ve výši
173,7 l.s-1 z toho cca 85-90 % infiltrací z povrchových vodotečí a
přestupem jejich vod přes údolní a hlavní terasy, 10-15 % tvoří přímý však
atmosférických srážek na výchozech karbonu.
Pro dotaci
vod do zatopené části ostravské dílčí pánve mají kvartérní zvodně v dnešních
podmínkách omezený význam. Počevní izolátor, na většině území tvořený
spodnobádenskými pelity, je dostatečně funkční i při intenzivních vlivech
poddolování v minulosti. Zvýšené přítoky do stařin dolů jsou pouze z míst
přímých výchozů karbonu na povrch, přetokem z kvartérních zvodní nebo přes
ojedinělá místa nedostatečně mocného spodnobádenského izolátoru. Tyto přítoky
dosahovaly řádově 100-120 l.s-1 a byly známy zejména z oblasti jámy
Ida (cca 13 l.s-1), z oblasti jámy Alexander (cca 45 l.s-1),
bývalé jámy Salma (cca 5 l.s-1) a z oblasti bývalé jámy Vizina (cca
17 l.s-1) – viz obr. 5. Tyto zdroje byly v koncepčním hydraulickém
modelu (Grmela a kol., 2003)
akceptovány s tím, že podle současných přítoků byly sníženy hodnoty infiltrace
u jámy Alexandr na hodnotu 22 l.s-1 a u jámy Vizina na hodnotu 8 l.s-1.
Zvodnění bazálních klastik
spodního bádenu („ostravský detrit“)
Bazální klastika spodního
bádenu, obsahující fosilní mořské vody (= ostravský detrit), mají různý
faciálně-petrografický charakter (zejména v zrnitostním členění). Přechází ze
štěrkových poloh až do tzv. plážových písků při svrchních okrajích vývoje
detritu nebo v erozních rýhách ve vyšších částech karbonského hřbetu.
Rozvolněný, silně rozpukaný zvětralinový plášť karbonu, tvořící bezprostřední
podloží detritu, vytváří z hydrogeologického a hydraulického hlediska jeden
zvodněný systém. Jedná se o hydraulický systém s napjatou hladinou, dnes silně
ovlivněný bývalou těžební činností a aktivním odvodňováním. Důlními pracemi,
vrty a řízeným i neřízeným odvodňováním bylo dosaženo stavu, kdy původní
piezometrická úroveň (vrstevní tlaky cca 8 MPa) byla podstatně snížena, byly
vyčerpávány statické zásoby (cca 3*109 m3), bylo vyvoláno
proudění detritových vod v kolektoru, které znamenalo porušení původní výrazné
vertikální hydrogeochemické zonálnosti detritu apod.
Bazální klastika bádenu (detrit)
jsou vyvinuta ve dvou, na východě navzájem propojených
hlavních výmolech - severním dětmarovickém a jižním bludovickém.
Hydraulická kontinuita obou výmolů však není dosud zcela plně vyjasněna a
kvantifikována. Z obou hlavních výmolů vybíhají z jihu i ze severu na karbonské
hřbety dílčí výmoly (viz obr. 5). Některé z dílčích výmolů mají prokazatelně
dobrou hydraulickou souvislost s hlavními výmoly (svinovsko-zábřežský dílčí
výmol, jižní dílčí výmol na michálkovické poruše aj.), jiné naopak omezenou
hydraulickou spojitost či ji nedokládají vůbec (vrbický dílčí výmol, který je
již v podstatě odvodněn až na úroveň cca -450 m p.m., přičemž hlavní
dětmarovický výmol má zatím nejnižší stupeň odvodnění). Uvedené hydraulické
parametry byly použity pro koncepční model zatápění pánve.
výmol |
pórovitost |
koef.filtrace m.s-1 |
koef.transmisivity m2.s-1 |
|
|||||
Pcelková % |
Púčinná % |
|
|||||||
bludovický |
9-23 |
4-13 |
n*10-4 až n*10-7 |
|
|||||
dětmarovický |
10-29 |
3-24 |
n*10-5 až 5*10-8 |
n*10-4 až 5*10-7 |
|||||
Obr. 5 Přírodní zdroje stařinových důlních vod v zatopené ostravské
dílčí pánvi (výchozí schéma okrajových podmínek pro modelové
zpracování hydrauliky systému).
Zvodnění karbonských a
předkarbonských hornin.
Horniny svrchního karbonu
prakticky postrádají průlinovou propustnost. Vysoký stupeň zpevnění hornin,
úměrný tlakům v hloubce jejich uložení a dále přítomnost základní hmoty i u
hrubě klastických typů sedimentů stírají primární rozdíly hydrogeologické
funkce psamiticko-psefitických a pelitických hornin, takže funkci kolektorů
přejímají pouze rozpukané partie obou typů hornin. Týká se to zvláště
tektonicky porušených oblastí a přípovrchové zóny karbonu do hloubky cca 50 m
(pásmo intenzivního vyluhování zasahuje místy až do 20 m). Drenážní pórovitost
nezvětralých karbonských psamitů a psefitů je velmi nízká (na úrovni
hydraulických nepropustných až polopropustných hornin), koeficient hydraulické
vodivosti dosahuje hodnot :
neporušené horniny koeficient
hydraulické vodivosti =
n*10-8 až n*10-12 m.s-1
porušené horniny koeficient
hydraulické vodivosti =
n*10-6 až n*10-8 m.s-1
koeficienty filtrace
zvětralinového pláště karbonu dosahují (n*10-5) n*10-6 až
n*10-8 m.s-1.
Zvýšení propustnosti v
přípovrchové zóně a ve zvětralinovém plášti karbonu (v hloubkách řádově metrů až desítek metrů) podmiňují
především primární puklinové systémy rozvolnění, které nejsou litostatickým
tlakem sevřeny. Od hloubek cca 400 m pod povrchem, pokud nejsou druhotně
vyhojeny, jsou již natolik sevřeny, že byly hydraulicky neaktivní i při vysokém
hydraulickém spádu, vyvolaném snížením hladiny podzemních vod na úroveň důlních
děl čerpáním.
3. Metodika zpracování problematiky.
Ve studii
(Grmela a kol.,2003) byla provedena revize propojení mezi bazény Odra a Ostrava
(se zvláštním zřetelem od úrovně –316m p.m. a výše), které bylo možno
vyhodnotit z dostupné mapové dokumentace ( 1:5000 až 1:1000 případně na
vertikálních a horizontálních řezech). Příslušné mapové podklady byly získány v
archivu Hornického muzea na bývalém závodě Mariánské Hory Dolu J. Šverma. Bylo
sledováno zejména tzv. :
PPO - propojení přímé, otevřené – důlní díla jsou
vzájemně propojená, dříve udržovaná, nevypleněná /příp. i vypleněná/
PPU - propojení přímé, uzavřené – vzájemně propojená důlní díla, avšak
jsou na nich postavené uzavírací hráze, nebo jejich průchodnost byla podstatně
omezena jiným způsobem. Kvalita uzavíracích hrází není zpravidla známá a také není prokazatelně zjištěna.
PN
- propojení nepřímé - je tvořeno zejména soustavou primárních a
sekundárních puklin, vzniklých v důsledku přiblížení dobývek sousedních
dolů. Stařiny dobývek jsou až na výjimky uzavřeny uzavíracími hrázemi. Stejně
tak i zde není kvalita uzavíracích hrází
zpravidla známá a prokazatelně
zjištěná.
Vyhledávání a kontrola existujících a potenciálních
hydraulických propojení mezi starými důlními závody v oblasti ostravské dílčí
pánve, zejména pak v DP Heřmanice, DP Mariánské Hory a DP Přívoz byla prováděna specialisty, kteří dlouhodobě
pracovali v oboru geologie a měřické služby a jejich lokální znalosti byly k
hodnotě a důvěryhodnosti závěrů nezbytné.
Mezi
oderským a ostravským bazénem neexistuje doložitelné přímé otevřené propojení
důlních děl. Většinou se jedná o propojení nepřímá, výjimečně o propojení přímá
uzavřená (viz tab. 1). Obr. 6 ukazuje možná propojení ve vertikálním řezu. Na
následujících obrázcích č. 7 až 9 jsou prezentovány typické případy takovýchto
propojení a možných cest přetoků důlních vod.
Obr. 6 Propojení ve slojích Otakar a Pavel
-vertikální řez (podle kol. autorů, 1995)
Tab. |
1 |
KORELACE A
PROPOJENÍ SLOJÍ |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
č. sloje |
DP Přívoz |
DP.Sl.Ostrava III |
DP Mar.Hory |
DP Vítkovice |
DP Heřmanice |
DP Přívoz |
|
||
|
lokalita Přívoz |
lokalita Bezruč |
lokalita Šverma |
lokalita Hlubina |
lokalita Heřmanice |
Koblov (Stachanov) |
|
||
157 |
Františka |
Františka |
Františka |
Františka |
Františka |
|
|
||
154 |
Františka II |
Gizela |
|
|
Gizela |
|
|||
148 |
Narcisa |
Narcisa |
|
Narcis |
Narcis |
|
|||
145 |
Olga |
Olga |
Olga |
Olga I |
Olga v.l. |
|
|||
144 |
|
|
|
|
Olga str. |
|
|||
142 |
Richard |
|
|
|
Neznámá I. |
|
|||
140 |
Pavlína |
|
|
|
Neznámá II. |
|
|||
139 |
|
|
|
|
Olympie I. |
|
|||
135 |
Růžena |
Olympie |
Olympie |
Olympie |
Petr |
|
|||
133 |
Štěpánka |
Petr |
Růžena |
Petr |
Petronela |
Pavlína |
|
||
127 |
Karel |
Petronela |
Terezie |
Petronela |
Pavla v.l. |
Regina |
|
||
124 |
Kazimír III |
Pavla |
Ignát |
Pavla |
Pavla s.l. |
|
|
||
121 |
Kazimír II |
Regina |
Oskar |
Regina |
Regina |
|
|
||
118 |
Kazimír I |
|
Jan |
|
Robert |
|
|
||
112 |
Kazimír sp.l. |
|
Julie |
Růžena |
Růžena I. |
Růžena v.l. |
|
||
109 |
V.sloj sp.l. |
Růžena I |
Adolf sp.l. |
|
Růžena II. |
Růžena I |
|
||
107 |
|
|
|
|
Karel v.l. |
|
|
||
106 |
VI.sloj |
Růžena II |
Otmar |
Karel |
Karel |
Karel II |
|
||
103 |
|
|
|
|
Kateřina |
Kateřina |
|
||
94 |
Otakar |
Otakar |
Prokop |
sloj č. 29 |
Otakar |
Otakar |
|
||
92 |
Pavel |
Pavel |
Vlasta |
|
Pavel |
|
|
||
89 |
Bruno sp.l. |
Bruno II |
Nenadálá |
sloj č. 28 |
|
|
|
||
80 |
Daniel |
Fridolín |
Anna |
|
Bruno sp.l. |
Fridolín |
|
||
74 |
Hermenegilda |
|
Vladimír |
|
Daniel |
Hermenegilda |
|
||
70 |
Nejistý |
Hermenegilda |
Konrád |
sloj č. 27 |
Fridolín |
Vilemína II |
|
||
69 |
Vilemína II |
|
|
|
Gustav |
Vilemína I |
|
||
68 |
Vilemína I. |
Heřman |
Bedřich |
|
Hermenegilda |
Nový |
|
||
65 |
VI. Visutý |
Vilemína |
|
|
Heřman |
VI. Visutý v.l. |
|
||
59 |
Nový II. |
Nová |
B sloj |
|
Vilemína |
VI. Visutý s.l. |
|
||
56 |
Bohumila |
|
D sloj |
|
Bohumila |
Bohumila |
|
||
50 |
|
Bohumila |
|
|
Terezie |
Terezie III. |
|
||
48 |
Terezie II. |
Tereza |
|
|
|
Terezie II. |
|
||
47 |
Terezie I. |
|
|
|
|
Terezie |
|
||
43 |
Ludmila II. |
|
|
|
Ludmila |
|
|||
42 |
Ludmila |
|
|
|
Ludmila sp.l. |
Ludmila v.l. |
|
||
41 |
|
|
F sloj |
|
|
Ludmila s.l. |
|
||
35 |
Max sp.l. |
Poustevník |
Max sp.l. |
|
Poustevník |
Poustevník |
|
||
32 |
Leonard |
Leonard |
Leonard |
|
Leonard |
Albert |
|
||
29 |
Rotschild |
Rotschild |
R sloj sp.l. |
|
Rotschild |
Rotschild |
|
||
23 |
Černá nevěsta |
|
Černá nevěsta |
|
|
Božena sp.l. |
|
||
20 |
Fanny |
|
Fanny |
|
Fanny |
Fanny |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
propojení nepřímé |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
propojení přímé - uzavřené |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
propojení nepřímé - zaplaveno popílkem |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
Obr. 7 Přiblížení důlních děl ve sloji Hermenegilda
mezi doly Odra, provoz Přívoz a Ostrava, závod P. Bezruč -
propojení nepřímé.
Obr. 8 Kontakt stařin porubů ve sloji Františka mezi
doly Ostrava, záv. Hlubina (Šalomoun) a Odra, (DP Přívoz,bývalý Důl Jindřich).
Propojení přímé, uzavřené.
Obr. 9 Kontakt stařin porubů a dlouhých důlních děl
ve sloji Karel mezi doly Heřmanice a Odra, (DP Přívoz,bývalý závod Stachanov).
Propojení přímé, uzavřené.
V oblasti
ODP byly z revize důlních map a řezů vymezeny celkem čtyři místa množných
přetoků mezi jednotlivými bazény. Tyto místa jsou patrny i z obr. 3. Jedná
se o následující místa :
3. Modelové
simulace proudění důlních vod ve stařinách dolů ODP a prognózy úrovní zatopení
v jednotlivých bazénech a jejich částech.
Koncepce modelového řešení
Proudění důlních vod při čerpání na
vodní jámě Jeremenko a hydraulickou reakci hladin v ostatních částech ODP
(zejména v jednotlivých dílčích bazénech) byla simulována na matematickém
modelu. S ohledem na plošný rozsah celkové modelované oblasti (cca 79 km2
hornicky ovlivněného horninového masívu), na mocnost modelových vrstev (77 až
250 m – viz obr. 10) a vzhledem k velice rozvinutému systému důlních chodeb a
porubů (z hydraulického hlediska ještě rozšířenému o síť zálomových trhlin
vlivem poddolování) byla přijata hydraulická schematizace, vyjádřená vertikálně
i horizontálně homogenizovaným průlinovým prostředím. K této transformaci
puklinovo-pseudokrasového prostředí s mnohými prioritními cestami na prostředí
průlinové jsme mohli přistoupit pouze díky měřítku diskreditovaného prostoru.
Jestliže modelovaný prostor byl rozblokován v gridu 138x199 a průměrný
rozměr elementárního modelového bloku v místech zahuštění je 10x10 m, mimo
tyto oblasti pak 200x200 m, bylo možno považovat puklino-zlomové struktury,
důlní díla, výruby a ostatní formy pórovitosti za tak prostorově rozložené, že
lze na hydraulické vlastnosti tohoto elementu pohlížet jako na kvazihomogenní
prostředí a uplatnit teorie průlinového prostředí.
Nám známé prioritní cesty proudění
důlními díly či přiblíženými poruby byly simulovány bloky v modelové vrstvě
mocné 2 m s anomálně vysokou hodnotou
propustnosti.
Matematický model byl zpracován
jako trojdimenzionální kvazistacionární na bázi numerické metody konečných
rozdílů verifikovaným softwarem MODFLOW (Harbaugh, McDonald, 1996)
v prostředí GMS 2.1 (Groundwater Modeling System – 1998 – Brigham Young
University, Engineering Computer Graphics Laboratory).
Rozblokování (grid) modelované
oblasti pokrývá plochu cca 8,5 x 16,4 km. Hranice modelu byly lokalizovány do
přirozených geologických a hydrogeologických hranic v rozsahu hranic zatopení
ODP na úrovni -370 m p.m. podle studie kol. autorů z roku 1995- viz obr. 3 .
Základní přírodní zdroje a průběh okraje detritu jsou patrny z obr. 5.
Vertikální
diskretizace je vyjádřena na obr. 10. Koncepčně byla přijata jako báze
hydraulického dosahu čerpání důlních vod na vodní jámě Jeremenko úroveň -800 m
p.m. Tato úroveň reprezentuje tzv. „aktivní hloubku“ v systémech neúplného
otevření zvodněného kolektoru s nízkým průnikem.
Směrem
do nadloží byl karbonský masív rozdělen do 8 vrstev, z nichž vrstvy o mocnosti
2 m jsou vymezeny pro simulaci přetoků ve známých úrovních.
Nejnižší vrstva
(1) o mocnosti 250 m je určena pro simulaci proudění v nejnižších místech
jednotlivých bazénů pod úrovní známých přetokových propojení.
Vrstva
(2) na úrovni -548 až -550 m p.m.
reprezentuje nejen vnitřní přetoky mezi severní a jižní části oderského bazénu
(překop č. 601/1), ale do této vrstvy jsme vložily simulaci všech ostatních
možných přetoků pod úrovní dnes udržované hladiny čerpáním na VJJ (-387 m
p.m.).
Vrstva (3), daná úrovní -550 až -327 m p.m. (mocnost 223 m), je
určena pro simulaci hydraulicky exponované vrstvy čerpáním důlních vod z VJJ,
přetoky vod mezi detritovým kolektorem na severní a jižní hranici a přetoky mezi
bazény v nepropustných zónách (konduktance
5*10-8 m2.s-1).
Vrstva (4) na úrovni -325 až -327 m p.m. reprezentuje zejména
přetoky na úrovni současných hladin v oderském bazénu a na úrovni, kde je
možnost přetoku ve stařinách slojí Otakar a Pavel na úrovni tzv. „propojení č.1“ dle [17].
Vrstva (5) na úrovni -327 až -250 m p.m. o mocnosti cca 77 m
reprezentuje vrstvu karbonských hornin ve kterých nebylo v základních důlních
mapách nalezeno žádné propojení nebo přiblížení důlních děl a stařin mezi jednotlivými
bazény ODP.
Vrstva (6) na úrovni -250 až -248 m p.m. simuluje zejména možné
přetoky na úrovni překopu č. 40 v oblasti jámy Vrbice na hranicích DP Heřmanice
a DP Přívod (bývalý závod Stachanov) ve slojích Ludmila (Heřmanice) – Terezie
(Stachanov). Toto místo možného propojení nebylo ve studii [17] pojato vzhledem
k již značnému přesahu úrovně požadované projektem zatopení ODP.
Vrstva (7) na úrovni -250 až -160 m p.m. o mocnosti cca 90 m
simuluje poslední vrstvu karbonských hornin ve kterých nebylo v základních
důlních mapách nalezeno žádné propojení nebo přiblížení důlních děl a stařin
mezi jednotlivými bazény ODP.
Vrstva (8) na úrovni -160 až -162 m p.m. simuluje možné přetoky
na úrovni, kterou jsme v této studii pojali jako nejvyšší. Jedná se všechna
propojení a přiblížení důlních děl a stařin porubů ve slojích Otakar, Pavel a
Karel a to jak v DP Heřmanice, DP Přívoz (Koblov) a DP Slezská Ostrava III
(Bezruč).
Tenké
přetokové vrstvy jsou svojí mocností odpovídající maximalizovanému možnému
dochovanému profilu důlního díla (2 m) s tím, že infiltrační plocha při
kalibraci modelu byla modifikována počtem bloků ve kterých byl umožněn zvýšený
průtok vyšší hodnotou koeficientu filtrace.
Pro
stanovení generalizovaného koeficientu filtrace jsme použili informací o
zvodnění v ostravské dílčí pánvi. Předpokládali jsme nejpříznivější stavy
proudění důlních vod důlními díly v hydraulicky propojených dobývacích
prostorech, aby případné zkreslení výstupních informací bylo jednak
minimalizováno, ale ne tlumeno natolik, že by případné disproporce v proudění a
hladinách byly zahlazeny.
Jestliže
ve vodní jámě Jeremenko je hladina důlních vod na úrovni –387 m p.m. a v jámě
Rychvald V na úrovni -379 m p.m., pak při přímé vzdálenosti cca
9500 m lze stanovit :
Q … průměrné čerpání ≈ 90 l.s-1, r =
3 m … poloměr VJJ, báze hydraulického dosahu proudění ≈ -800 m p.m.
Pro modelové
řešení hydrauliky ostravské dílčí pánve byla přijata pro kalibraci jednotlivých
simulací reprezentativní hodnota čerpaného množství důlních vod z VJJ
QVJJ = 104
l.s-1
tj. průměrnou hodnotu za poslední období čerpání (od
května 2002 a výsledky čerpacích pokusů na VJJ provedené P. Jelínkem
v období VIII.2001 až II. 2003).
Verifikace a kalibrace modelových simulací byla prováděna
pro takovouto oblast na velmi malém počtu monitorovacích bodů (OD-2, RY-5 a
VJJ), přitom údaje z VJJ sloužily pouze pro nastavení modelové vstupní okrajové
podmínky (viz obr. 11):
okrajovou podmínkou I. typu
(Dirichletova) H = konst.
V tomto případě byla hladina stanovena na
hodnotu H = -387 m p.m. a kalibrováno čerpané množství v tomto bloku.
Další
kalibrační limity byly HRY-5 = 379 m p.m.
HOD-2 = 327 m p.m.
Přijatelné
simulace (z celkového počtu cca 90) se přibližovaly ke kalibračním limitům
řádově cca do prvních metrů. Je nutno poznamenat, že vzhledem ke vstupním
nejistotám modelu, stupni schematizace vnitřních i okrajových podmínek, k
nedokonalému vnitřnímu členění hydraulické nehomogenity apod., byly v řadě
simulací příliš velké odchylky v hmotové bilanci. Výsledky
modelové simulace ustáleného stavu zatápění ostravské dílčí pánve jsou
prezentovány na následující obrázcích č. 11 až 13. Na obr. 11 jsou prezentovány
směry proudnic v první přetokové vrstvě (2). Je patrno, že hlavní přetoková
místa jsou velmi dobře simulována, že v severní
části ODP dochází k přetoku důlních vod do detritu a je dobře patrna
odvodňovací funkce VJJ. Detail je na obr. 12
- zeleně jsou vykresleny hydroizohypsy s krokem 5 m.
Obr. 12 Detail z mapy proudnic v oblasti překopu č.
601/1 (zobrazena situace hydroizohyps ve vrstvě (2) na úrovni -550 m
p.m.; zeleně jsou vykresleny proudnice s krokem 5 m).
4.
Závěr
V průběhu
procesu zatápění důlních prostor ostravské dílčí pánve byla ověřena rozdílná
výška hladin v jednotlivých částech ODP. Tuto skutečnost potvrzují
nezávisle i výsledky numerického
modelování celého zvodněného systému. V referátu jsme doložili, že
stávající situace je teoreticky naprosto
normální a v daném stavu nehrozí reálně kolaps, který by znamenal ohrožení
čerpacích zařízení na vodní jámě Jeremenko. Mezi jednotlivými částmi
zatopených bazénů existuje přetok důlních vod a jeho hodnota odpovídá
hydraulickým spádům v pásmech nevydobytých slojí na hranicích jednotlivých dobývacích
prostorů (DP), příp. ohradníku města Ostravy. Hydraulické odpory (vyjádřené
hodnotami koeficientu filtrace K)
znamenají, že celá zvodněná struktura se chová jako „spojité nádoby“ podle
Darcyho zákona podzemní hydrauliky.
Po
verifikaci a kalibraci modelu je na obr. 13 prezentován jeden z výstupů
simulací úrovní hladin v jednotlivých částech ODP při zamezení přetoku
důlních vod do oblasti petřvaldské a následně karvinské dílčí pánve.
5. Použité podkladové materiály
Bajtoš, P. (2000) : Režim
banských vód rudných ložísk Spišsko-Gemerského Rudohoria. Čas. Podzemná voda, R. VI, č. 2/2000 10. Slovenská
hydrogeologická konference. ISSN 1335-1052, str. 74-80. Bratislava.
Dvorský J. a kol. (1992): Studie – Nakládání s důlními vodami při
utlumování dolů ostravské dílčí pánve. Důlní průzkum a bezpečnost, a.s. Paskov. Ss. 1-143+ přílohy.
Grmela, A., Dvorský, J., Rapantová, N., Onderka, O., Kulich, V., Plášek,
O., Ides, D. (2003) : Studie
hydrogeologických propojení mezi ostravskou a oderskou částí zatápěné ostravské
dílčí pánve. Zpráva HS č. 520 962, čj. ZP č. 74/03 pro DIAMO s.p. Stráž
pod Ralskem, odštěpný závod
ODRA, Ostrava-Vítkovice, Sirotčí
1145/7, 703 86 OSTRAVA-Vítkovice.
Ostrava 28. 2. 2003
Hudáček, M. (1998) : Zmeny
chemizmu banských vód po opustení banských diel. Čas. Podzemná voda, III, No.2, pp..112-117. Bratislava, Slovak
Republic.
Janáček, J. a kol.
(1994) : OKD, a.s. Důl Odra, o.z. Závěrečný výpočet zásob černého uhlí se
stavem k 1.7.1994 – DP Přívoz. Textová část I, ss.1-416. DPB, a.s. Paskov,
odbor výpočtů zásob. Paskov.
Jelínek, P., (2003) :
Výsledky monitorování hladin důlních vod v zatopené části ostravské dílčí
pánve. Nepublikované rukopisy.
Jelínek, P., (2003) : Výsledky hydrogeochemického
monitorování důlních vod v zatopené části ostravské dílčí pánve. Nepublikované rukopisy.
kolektiv autorů (1994) : OKD, a.s. Důl Odra, o.z. – závod Důl Šverma v likvidaci. Závěrečný výpočet zásob černého uhlí se stavem k 1.1.1992 – DP Mariánské Hory a DP Svinov. Textová zpráva. Ss. 1-399. Fa HALFAR – projekční činnost-Ostrava.
kolektiv autorů (1995) : Technická zpráva „Zatápění dolů ostravské dílčí pánve. „ Zpracovala fa HALFAR – projekční činnost, Pokorného 1362, 708 00 Ostrava, archiv. č. 18950250. II. / 1995.Ss. 1-226+přílohy.