RNDr. Karel Lusk
DIAMO, s. p., Stráž pod Ralskem
e-mail: lusk@diamo.cz

CHARAKTERISTIKA DŮLNÍCH VOD V LOŽISKU U RUD PŘÍBRAM BĚHEM JEHO ZATÁPĚNÍ

Úvod

Práce shrnuje výsledek analýzy archivních materiálů a terénních pozorování chování důlních vod na ložisku uranových rud Příbram v době od ukončení odvodňování dolu až po jeho zatopení.

Základní popis ložiska

Příbramské uranové ložisko zaujímá pruh území probíhající ve směru JZ-SV mezi Rožmitálem - Dobříší o délce cca 24 km a šířce 1,5 až 2 km. Vlastní uranové ložisko je žilným ložiskem hydrotermálního původu. Nad ložiskem se nachází několik drobnějších povrchových toků a dvě odkaliště. Územím ložiska prochází hranice mezi třemi povodími. S ohledem na morfologii terénu dostoupají důlní vody k povrchu pouze v oblasti řeky Kocáby. Horniny ložiska jsou málo propustné a ve styku s vodou stabilní, koeficient propustnosti n.10-8 až n.10-7 m.s-1, směrem do hloubky propustnost klesá. V oblasti ložiska nejsou žádné významnější zdroje pitné vody. Důlní vody je nutno před vypouštěním čistit zejména od zvýšeného obsahu prvků uran-radiové řady. Vody náleží k CaNaK - SO4HCO3 typu. Geotermický stupeň na ložisku Příbram je 34,5 m/1oC. Teplota čerpané důlní vody z jámy č. 19 je v současné době okolo 22,0 oC vlivem její poměrně vysoké dynamiky.

Historie dobývání

Počátek historie příbramského uranového ložiska spadá do roku 1947, kdy činností průzkumné jednotky, vyslané do prostoru Příbrami z Jáchymova, byla v této oblasti potvrzena existence významného naleziště uranové rudy. Pro představu o časovém sledu výstavby hlavních důlních objektů a tím i o postupu rozvoje celého ložiska lze uvést následující data:

rok 1947 průzkumné práce
1948 vyhloubeny 3 průzkumné jámy
1950 vyhloubeny jámy číslo 4, 5, 6, 7
1951 vyhloubeny jámy číslo 9, 10, 11
1954 vyhloubena jáma číslo 3a
1955 vyhloubeny jámy číslo11A, 15
1956 vyhloubeny jámy číslo16 (1957), 17, 18, 20, 3C, 22
1961 vyhloubena jáma číslo 25
1965 vyhloubeny jámy číslo 13, 19
1991 ukončena těžba U
1992 - 1998 vybudován podzemní zásobník plynu na 21. patře jámy č. 16
1998 ukončeno čerpání a čištění důlních vod
25.10.2005 zahájen zkušební provoz čistírny důlních vod Příbram II

Systém odvodňování

Čerpací systém jámy číslo 2 s průměrným čerpaným množstvím (1980-1989) 26,7 l.s-1 a s dekontaminací vody v areálu jámy číslo 2. Dekontaminované vody byly vypouštěny do Příbramského potoka. Zároveň sem byla svedena po 11. patře voda ze zatopených důlních děl v oblasti Kamenná.

Čerpací systém jámy číslo 9 s průměrným čerpaným množstvím (1980-1989) 22,8 l.s-1. Vody byly dekontaminovány na dekontaminační stanici přímo v areálu jámy číslo 9 a vypouštěny do potoka K Sázkám.

Čerpací systém na jámě číslo 15 se dvěma čerpacími stanicemi na 2. patře. Tyto čerpací stanice zajišťovaly oddělené čerpání pitné vody do veřejné vodovodní sítě obcí v okolí Příbrami (5 l.s-1 ) a do dekontaminační stanice u odvalu jámy číslo 15.

Čerpací systém jámy číslo 11 s průměrným čerpaným množstvím (období 1980-1989) 33,1 l.s-1. Vyčerpané vody byly dekontaminovány v dekontaminační stanici u odkaliště I a vypouštěny do Bytízského potoka.

Přítoky vody do zatopené sv. oblasti (jámy číslo 20, 23, 24 a 25) se projevují výtokem na ústí šurfu číslo 55 (cca 1 l.s-1 ), odkud jsou bez nutnosti dekontaminace sváděny do řeky Kocáby.

V průběhu výstavby podzemního zásobníku plynu na 21. patře jámy číslo 16 byl na základě ekonomického vyhodnocení ukončen postupně provoz čerpacích systémů na jámě číslo 9 (v roce 1994), na jámě číslo 2 (v roce 1995) a na jámě číslo 11A (v roce 1998). Koncem roku 1998 bylo povoleno přirozené zatápění ložiska Příbram.

Trvale, jako jediné čerpání důlních vod mimo systém dekontamonační a čistící stanice Příbram (z jámy číslo 19), je prováděno doplňování vodnosti Příbramského potoka důlní vodou z vrtu u jámy číslo 15.

K zatápění ložiska dochází samovolně průsakovou srážkovou vodou především v místech porušení celistvosti horninového masivu nad důlními díly (propady, zálomové pukliny), nebo v místech přiblížení důlních děl k povrchu do pásma přípovrchového rozvolnění hornin exogenními činiteli (cca 35 - 80 l.s-1 dle srážkové činnosti). K umělé dotaci důlních vod dochází nárazovým přepouštěním nadbilančních vod z odkaliště do důlních prostor vrtem u jámy č. 11A (cca 10 l.s-1) a zaváděním oplachových haldových vod vrty či jámami v blízkosti těchto hald (cca 6 l.s-1).

Průběh zatápění dolu

Zatápění dolu bylo prováděno postupně, řízeným ukončováním provozu jednotlivých čerpacích stanic nebo celých čerpacích systémů, přičemž byla sledována dvě základní hlediska:
- bezpečnost pracovníků při provádění likvidačních prací v podzemí a při výstavbě podzemního zásobníku plynu
- minimalizace finančních nákladů na provoz a údržbu čerpacích kapacit.

Po ukončení výstavby podzemního zásobníku plynu v polovině roku 1998 dochází k zatápění přirozenými přítoky vod. Konečná úroveň zátopové hladiny byla stanovena na kótě 434 m n.m., která odpovídá úrovni terénu pod hrází vodárenské nádrže Drásov - místo nejpravděpodobnějšího výronu důlních vod přirozenou cestou. Následující tabulka ukazuje rychlost zatápění ložiska a velikost přítoků do ložiska od ukončení důlních prací. Je nutné přihlédnout k tomu, že stanovení volných prostor je závislé na údajích o vydobyté hornině, rozměrech důlních děl, vypouštění zakládek a tp.

Měření hladiny důlních vod

Do zahájení provozu dekontaminační stanice čistírny důlních vod Příbram II byla hladina sledována v přibližně čtvrtletních intervalech na jámě č. 11A a orientačně na jamách č. 13, 15, 16 a 19. Objem přitékajících vod byl vypočítáván na základě znalostí o volných objemech důlních děl v úrovni rozdílu hladin a o rychlosti stoupání hladiny důlních vod. Vzhledem k tomu, že není jasný objem důlních děl na mělčích (starých) patrech je výpočet méně přesný právě v období těsně před dosažením určené zátopové úrovně. Čerpané množství v záporných hodnotách (graf) představuje převahu umělé dotace před čerpáním důlních vod.

Sledování vývoje chemismu důlních vod

Z příkladu několika uranových ložisek je patrné, že v historicky krátké době dojde, po počátečním prudkém nárůstu k výraznému poklesu obsahu hlavních kontaminantů v důlní vodě.

Graf vystihuje vývoj charakteru ustáleně vyváděných důlních vod po ukončení těžby a zatopení ložiska. Z příkladu několika uranových ložisek je patrné, že v historicky krátké době dojde, po počátečním prudkém nárůstu k výraznému poklesu obsahu hlavních kontaminantů v důlní vodě. Lze říci, že období ustalování hydrochemického režimu odpovídá zhruba 15 letům.

Hladinové vzorky z jámy číslo 11A

Při každém měření úrovně hladiny z ní, nebo těsně pod ní, byl zároveň odebírán vzorek důlní vody. Charakter této vody dokladuje rovnováhu mezi průsakovými srážkovými vodami a důlní vodou v době, kdy není dynamika vody ovlivněna přítokem vody ze vzdálenějších částí ložiska. Z grafu je patrný tento vliv v úrovních X., VII. a III. patra dolu

Do doby než dostoupá hladina vody v jámě na úroveň dalšího patra, dochází k nátoku vody do ní ze spodních pater. V tělese jámy se projevuje míchání vod hlubších, starších a tedy mineralizovanějších s vodami průsakovými - koncentrace látek stoupá. Při dosažení dalšího patra dojde k bočnímu propojení rozsáhlejší oblasti a zároveň poklesne rychlost stoupání hladiny. Tehdy převládne vliv průsakové vody a vody stékající vlastní jámou nad vodami hlubších partií již zaplaveného dolu a koncentrace látek rapidně klesá. Stagnace charakteru vody zhruba od hloubky 350 m pod ohlubní je způsobena zastavením dynamiky proudění vlivem přerušení komunikace se vzdálenými prostory po uzavřených patrových chodbách mělčích pater - v jámovém stvolu dochází k ustálení režimu konvekčního tepelného proudění s ředěním vodou srážkovou.

Hloubkově orientované vzorky vody z jam číslo 11A, 15, 16 a 19

Cílem hloubkově orientovaného vzorkování bylo získání znalostí o vertikální a horizontální geochemické zonálnosti důlních vod. Výsledek pro dvě základní komponenty je uveden v následujícím grafu. Z posunu křivek rozložení koncentrace změřených v odstupu cca 13 měsíců v jámě č. 19 je zřetelný vývoj rozvrstvení vod v době zatápění dolu. Dochází zde k přesunutí hlavního směru transportu méně koncentrovaných vod z dolového pole na vyšší patro a zvýšení mocnosti stagnující, více koncentrované zóny u dna otevřeného ložiska. Laterální zonálnost je patrná z rozdílu hloubkového rozložení koncentrací mezi jámami č. 19 a 15 vzájemně vzdálenými 7,4 km.

K odběru vzorků podzemních vod je používáno k těmto účelům speciálně vyvinuté karotážní odběrné zařízení. Nosné lanko s ovládacími kabely, na které je vzorkovač zavěšen, je navinuto na vrátku s přesným snímáním dosažených hloubek, tahoměrem a snímáním rychlosti spouštění přístroje. Celé zařízení je umístěno na nákladním automobilu, speciálně upraveném pro hlubinný výzkum.

Karotážní měření

Podle dlouholetých zkušeností jsou pro určování stratifikace důlních vod nejvhodnější karotážní metody rezistivimetrie a termometrie.Termické proudění bylo pomocí termometrického karotážního měření zaznamenáno prostřednictvím jámových stvolů a otevřených důlních patrových chodeb, které v závěrečné fázi exploatace ložiska zprostředkovávaly oběh důlních větrů.

Termometrická křivka ukazuje na dva separované konvekční proudy vod v ložisku kdy do cirkulace jsou zapojeny systémy otevřených důlních chodeb. Do 9. patra se projevuje mísení vody přitékající z povrchu s vodou ohřátou v systému hlubších důlních prostor. Na 9. patře přitékají studené vody z důlních chodeb a klesají až na 15. patro, kde vstupují opět do důlních chodeb. Toto proudění (chladných vod) do systému 15. patra strhává s sebou vzestupný proud teplých hlubinných vod. Teplota vod se vyrovnává a tyto jámou č. 11A sestupují na 20. - 23. patro a ohřívají se. Jsou převedeny do jámy č. 19 a termický okruh se uzavírá.

Rezistivimetrie svědčí o vodivě homogenním prostředí s výjimkou hladinového mísení s málo mineralizovanými srážkovými vodami do 200 m pod hladinou.

V termometrické křivce pro jámu č. 19 je patrný vliv odčerpávání důlních vod a jejich mísení v jámovém stvolu narozdíl od křivky v jámě č. 15, kde dochází pouze k omezenému horizontálnímu proudění.

Závěr

V době zatápění ložiska jsou vody "ukládány" do volných prostor pouze průsaky horninou a nejkratší vertikální cestou důlními díly k hladině. K laterálnímu pohybu vod dochází pouze po horizontálních důlních dílech mezi svislými důlními díly a to po spádu počvy díla. Na pohybu vod ve volných prostorách dostatečných rozměrů se podílí i konvekční tepelné proudění. Hladina vody v tomto období stoupá a tím vstupují do hry další více méně otevřená důlní díla. Chemismus vod se vyvíjí v závislosti na přerušování oxidačních procesů. Zároveň se zmenšuje průsaková zóna - zóna aerace.

V době zatopení ložiska je konečná hladinová úroveň udržována vyváděním důlních vod v objemu rovnajícím se jejich přirozenému přítoku. Objem kolísá v závislosti na srážkových poměrech v oblasti.
Dynamický režim vod v celém ložisku se stabilizuje. Laterální proudění vod se děje pouze po průběžných horizontálních dílech s nejmenším odporem a to převážně ve směru k jejich drenážnímu místu.V případě protáhlého ložiska Příbram je voda řízeně (udržování rozmezí hladinové úrovně těsně pod 434 m n.m.) čerpána na jednom jeho konci na dekontaminační stanici, zbavena kontaminantů a vyváděna do recipientu. Již v tomto okamžiku lze vyčlenit tří hloubková pásma důlních vod v ložisku (rozdělení je zkonstruováno z výsledků hloubkového vzorkování a karotážních měření a vztaženo na dobu ustáleného režimu vypouštění důlních vod):

1. Pásmo dotace průsakovými atmosférickými vodami nad 15. patrem. Srážkové vody tvoří příhladinovou vrstvu vod se silně sníženou koncentrací rozpuštěných látek o mocnosti okolo 200 m. Nárůst hladiny pouze zvyšuje hydraulické napjetí v úrovni hlubších důlních pater.
2. Pásmo drenážních důlních děl odvádějících vody k místu jejich vyvedení (jáma číslo 19). Jedná se zhruba o pásmo mezi 15. a 20. v jihozápadní části ložiska, respektive 23. patrem v severovýchodní části ložiska. Toto pásmo lze charakterizovat jako oblast dynamického režimu s prakticky vertikálním prouděním. V oblasti Kamenné a Lešetic proudí vody sestupně. V tomto pásmu dochází ke sběru všech vod z pásma dotace do "potrubního" systému průběžných pater a k jejímu odvádění k čerpací jámě číslo 19.
3. Pásmo stagnující vody hlubokých pater se nalézá pod úrovní 20. patra respektive 22. až 23. patra. Pouze termické proudění může ve volných vertikálních hlavních důlních dílech vynášet tuto vodu do pásma drenážních důlních děl s dynamickým režimem.

Z uvedeného je patrné, jak důležitou roli pro poznání dynamiky důlních vod v konkrétním zatopeném ložisku hraje možnost hloubkově orientovaného vzorkování a karotážního měření do maximálních hloubek ložiska. Tímto způsobem je možné prognózovat kvalitu nátokových vod do dekontaminační a čistící stanice. Ložisko Příbram má k tomuto všechny podmínky a poznatky z něho je možné uplatnit i na ložiscích zatápěných či již zatopených.

Schématický graf nám ukazuje obsah vybraných komponent v důlní vodě v závislosti na absolutní úrovni odebraného vzorku vody. Posuzovaný vzorek je získán ze všech dosud prováděných hloubkově orientovaných vzorkování v oblasti ložiska Příbram. Je patrné, že u některé složky směrem do hloubky dochází ke zvyšování a u některé ke snižování její koncentrace. Příhladinový rozkyv je způsobený různým časem odběru a z toho plynoucí různé absolutní úrovně "brakické" vrstvy důlních vod mísených s vodami atmosferickými či oplachovými důlními vodami z hald zaváděnými do dolu.
Z grafu lze vyčíst kupříkladu nárůst koncentrace uranu s hloubkou. Odfiltrováním rušivých výsledků a odběrů za rozdílných hydrodynamických podmínek je možné výsledky upřesnit.

RNDr. Karel Lusk
DIAMO, s. p., Máchova 201, 471 27 Stráž pod Ralskem, e-mail: lusk@diamo.cz

Použitá literatura

[1] Vzorový technický projekt likvidace - zajištění hlubinného dolu - Sociální program [metodický návod] GSP, s. r. o., Ostrava, květen 1994.

[2] Likvidace těžebních a úpravárenských kapacit ložiska Příbram, Studie - aktualizace, arch. číslo 30649 - září 1994 - DIAMOS, Ostrov nad Ohří.

[3] Závěrečná zpráva ložiska Příbram, DIAMO, o. z. SUL Příbram, r. 1995.
[4] Likvidace nadbilančních vod z odkaliště Bytíz - 1. a 2. etapa, ČVUT Praha, březen 1997.

[5] Posouzení odvalu jámy číslo 19 na přírodní a životní prostředí, SG Geotechnika - prosinec 1997.
[6] Analýza rizik vlivu těžby uranové rudy na ložisku Příbram na povodí bezejmenné vodoteče a Bytízského potoka, SG Geotechnika - srpen 1997.

[7] Hydrogeologické posouzení povodí příbramského potoka, SG Geotechnika - říjen 1999.

[8] Analýza rizik při sanaci uranového ložiska Příbram, SOM, s. r. o., Mníšek p. Brdy - červenec 2000.

[9] Likvidace jámy číslo 15 popílkovou a cemento-popílkovou směsí, arch. číslo 1610-TP/02, EnviCon G s. r. o. - únor 2000.

[10] PZP Háje - vertikální katodická ochrana - projekt využití jámy číslo 13, arch. číslo PNP-6-79569, Plynoprojekt Praha - leden 2000.

[11] Projektová dokumentace: Likvidace ložiska Příbram - důl I, důl III, důl IV prosinec 1994 - duben 1997

[12] Zhodnocení vodnosti Příbramského potoka - SG, Aquatest - září 1990