Obr. 1 Příklad mapy zobrazující stará důlní díla v Karlovarském kraji (ČGS-Geofond ČR)
| Doc. RNDr. Zdeněk Kaláb, CSc. | Ústav geoniky AV ČR Ostrava, (též FAST VŠB-Technická univerzita Ostrava) |
||
| ng. Jaromír Knejzlík, CSc. | Ústav geoniky AV ČR Ostrava, | ||
| Doc. Ing. Robert Kořínek, CSc. | FAST VŠB-Technická univerzita Ostrava, | ||
| Doc. Ing. Petr Žůrek, CSc. | HGF VŠB-Technická univerzita Ostrava |
Abstract Historic mining workings as natural experimental research laboratories Abandoned historical mines are very suitable to use as natural experimental research laboratories. Medieval Mine Jeroným is presented as example for presentation of distributed control and measurement system for measurement of hydrologic, geomechanic and other parameters.
Důl Jeroným je jedním z mnoha historických důlních děl na území České republiky. Na jeho příkladě ukážeme dostupnost základních informací a možnost využití historického důlního díla jako přírodní experimentální laboratoře. Zde demonstrujeme realizaci distribuovaného měřícího systému pro seizmologický monitoring a opakovaná geomechanická měření.
Častý výskyt starých důlních děl se odvíjí od bohaté hornické historie našeho státu. Počátky hornictví na našem území lze datovat již do doby kamenné, přičemž pozdější rozkvět nastal v době bronzové a železné. K dalšímu vzestupu hornictví docházelo díky rýžování a hlubinnému dobývání zlata, cínu a stříbra. S různými výkyvy, vzestupy a úpadky, se hornická činnost na našem území úspěšně rozvíjela až do 90. let 20. století, kdy byla zahájena likvidace rudného a útlum nerudného a uhelného hornictví. (www.hornictvi.info).
Spolu s velkým množstvím starých a opuštěných důlních děl vyvstává zásadní problém, jak s takovýmto dílem, často nebezpečným pro okolní prostředí (neznalost důlních prostor, pokročilý stupeň degradace důlního díla a okolních hornin, nepříznivé účinky na povrchu, ...) naložit. Obecně lze tuto situaci řešit následujícím způsobem (viz Geomont, 1994):
Zjišťování starých důlních děl zabezpečuje Ministerstvo životního prostředí, provádí jejich zajišťování nebo likvidaci a vedením jejich registru je pověřen ČGS-Geofond ČR.
Starým důlním dílem se podle zákona 44/1988 Sb., "O ochraně a využití nerostného bohatství (horní zákon)" rozumí důlní dílo v podzemí, které je opuštěno a jehož původní provozovatel ani jeho právní nástupce neexistuje nebo není znám. Podle úpravy platné od roku 2002 je starým důlním dílem také opuštěný lom po těžbě vyhrazených nerostů, jehož původní provozovatel ani jeho právní nástupce neexistuje nebo není znám.
Vlastní registr starých důlních děl je veden formou složek, obsahujících záznamový list, výřez mapy s lokalizací díla, vyjádření ČGS-Geofondu ČR pro MŽP, veškerou korespondenci a další související materiály. K registru patří i tzv. dokladová část, zahrnující plány zabezpečení, závěrečné technické zprávy a další pomocné zprávy a posudky. Jednotlivá důlní díla a jejich projevy na povrch jsou zakreslovány do map poddolovaných území, které jsou pravidelně poskytovány orgánům státní správy, samosprávy a územního plánování a řízení. Tyto vlivy důlní činnosti jsou prezentovány v rozsahu takzvané základní informace na webových aplikacích ČGS-Geofondu, příklad viz obr.1 - 3.
Šetřením ČGS - Geofondu je každý ohlášený objekt zařazen do příslušné kategorie (typ díla). Rozlišují se: stará důlní díla (SDD) dle definice v § 35 horního zákona, opuštěná průzkumná důlní díla (OPDD), provozovaná ze státních prostředků v rámci geologického průzkumu, která nebyla po ukončení prací předána těžbě, opuštěná důlní díla (ODD), díla mimo provoz, která mají svého majitele nebo jeho právního nástupce a ostatní objekty (jiné), většinou podzemní prostory, které byly vyraženy za jiným účelem než pro těžbu a průzkum nerostných surovin.
Registr starých důlních děl vznikl v roce 1988 a od této doby každým rokem přibývá počet ohlášených a registrovaných objektů. Ke 31.12.2005 byl stav registru starých důlních děl následující (podle webových stránek MŽP):
| SDD | 1587 objektů |
| OPDD | 101 objektů |
| ODD | 93 objektů |
| jiné | 83 objektů |
| Celkem | 1864 objektů |
Obr. 1 Příklad mapy zobrazující stará důlní díla v Karlovarském kraji (ČGS-Geofond ČR)
Obr. 2 Detail mapy zobrazující stará důlní díla (ČGS-Geofond ČR) - lokalita Dolu Jeroným, pod mapou je uveden podrobný výpis vrstev systému GIS
Obr. 3 Detail mapy zobrazující poddolovaná území spolu s hlavními důlními díly (ČGS-Geofond ČR) - lokalita Dolu Jeroným, pod mapou je uveden podrobný výpis vrstev systému GIS
Pro potřeby výuky, experimentálních výzkumných aktivit a ověřování nově vyvíjených metodik pro geotechnická, geofyzikální a inženýrsko-geologická měření mohou být zřizovány podzemní laboratoře. S ohledem na vysoké pořizovací náklady pro vybudování takového zařízení se jako vhodné řešení přímo nabízí využít některých starých či opuštěných důlních děl. V zahraničí se s takovými zařízeními občas setkáváme, v naší republice se připravuje vybudování takového pracoviště na štole Josef v Mokrsku-Čelině (Pacovský, 2006). Základním požadavkem na podzemní laboratoř, vynecháme-li finanční úvahy a dopravní dostupnost, jsou vhodné geologické podmínky pro provádění plánovaných geotechnických, geofyzikálních a inženýrsko-geologických experimentů "in situ".
Důl Jeroným, který se nachází v lokalitě CHKO Slavkovský les, je unikátní památkou hornické kultury 15. až 16. století (např. Iványi, 2000). V důlních prostorách jsou zachovány komory po vytěžené cínové rudě se stopami po sázení ohněm a chodby s charakteristickými úspornými profily a stopami po práci želízkem a mlátkem. V roce 1990 byl Důl Jeroným prohlášen Ministerstvem kultury ČR nemovitou kulturní památkou a do budoucna se předpokládá zpřístupnění tohoto důlního díla také širší veřejnosti, konkrétně ve formě historického hornického muzea (např. Žůrek a Kořínek, 2001/02, 2003). Pro zpřístupnění tohoto důlního díla veřejnosti je nutno v první řadě zabezpečit stabilitu důlních prostor a zajistit takové vnitřní mikroklimatické podmínky, aby nemohlo dojít k degradaci důlního díla a tím k ohrožení bezpečnosti pracovníků provádějících rekonstrukční práce a později k ohrožení návštěvníků.
V roce 2001 byl v prostorách Dolu Jeroným zahájen pravidelný geomechanický monitoring s kvartálním odečetem sledovaných veličin (detailní strukturně - tektonická měření a sledování pohybu bloků na stávajících puklinách, konvergenční měření, sledování pohybu hladiny důlních vod); od roku 2004, kdy začala rekonstrukce dědičné štoly, byl zahájen také kontinuální seizmologický monitoring (např. Kaláb et al., 2006, Žůrek et al., 2005, Kaláb a Knejzlík, 2004).
Od roku 2006 se podařilo získat tříletý vědecký projekt podporovaný Grantovou agenturou České republiky, který umožní rozšíření stávajícího monitoringu a tím zpřesnění některých stávajících poznatků. V současné době je zahájena realizace variabilního monitorovacího systému s "kontinuálním" záznamem dat (vzorkování v intervalu hodin). Systém má umožnit na vybraných bodech měření:
Seizmické zatížení důlního díla je monitorováno seizmickou stanicí, vybavenou seizmometry SM3 a registrační aparaturou PCM3-EPC s telemetrickým přenosem dat prostřednictvím GSM sítě. Registrační aparatura je vybavena vestavěným jednodeskovým PC. Seizmické jevy se registrují ve spouštěném režimu. Způsob jeho připojení k PC je znázorněn na blokovém schématu na obr. 4 (převzato z Knejzlík, 2006). Seizmická část aparatury je zjednodušeně znázorněna jako bloky seismometrů Z, NS a EW, přijímače časového signálu Rx DCF a bloku pro digitalizaci seizmických signálů PCM3. Data a požadavek na spuštění registrace (TRF) se z PCM3 se do jednodeskového PC přenáší přes paralelní port LPT. Na port COM2 PC je připojen GSM modem. Koncepce, podrobnější blokové schéma aparatury a způsob telemetrického přenosu dat jsou podrobně popsány v práci (Kaláb a Knejzlík, 2004). Takto upravená registrační aparatura byla označena jako PCM3-MU. V programu pro registraci seizmických jevů se v obsluze přerušení časovače (interval 55ms) testuje TRF, a podle stavu se řídí základní funkce programu:
Po ukončení obsluhy přerušení program běží v základní smyčce, v níž vypisuje na display časy a ostatní hlášení. V této smyčce zbývá čas na zařazení dalších funkcí s nejnižší prioritou, což umožňuje využití vestavěného PC také jako řídicí jednotky distribuovaného měřicího systému.
Obr. 4 Blokové schéma připojení distribuovaného měřicího systému k seizmické registrační aparatuře
Pro realizaci distribuovaného měřícího systému jsme zvolili stavebnicový systém jednotek MicroUnit firmy Tedia a.s., které komunikují po sběrnici RS485 protokolem Aibus2 (www.tedia.cz). Tato sběrnice je připojena na sériový port COM1 PC přes převodník RS232/RS485 s automatickým přepínáním směru komunikace. Rychlost komunikace byla nastavena na 9600 bps. Protokol Aibus2 umožňuje adresaci až 255 funkčních jednotek. Spolu s datovou sběrnicí je k funkčním jednotkám rozvedena z registrační aparatury napájecí sběrnice (12V, na obr. 4 není vyznačeno). Jednotky MicroUnit lze kalibrovat tak, aby data vyjadřovala měřenou veličinu ve fyzikálních jednotkách.
Jako první byla v dole Jeroným instalována tenzometrická tlaková čidla k měření úrovní hladin vod V1 a V2. Použili jsme vestavné sondy pro měření výšky hladiny vody LMP331i (JSP, s.r.o) s rozsahy 3m (V1) a 10m (V2). Výstupní signály se přenáší proudovými smyčkami 4-20 mA do měřicí ústředny s funkční jednotkou MU611 (ADR1). Čidla LMP331i jsou vybavena krytím z plastické hmoty, která je chrání proti korozivním účinkům důlní vody. Vstupy pro snímání atmosférického tlaku jsou od důlní atmosféry odděleny jemnou pryžovou membránou (Konstrukce ing. Rambouský, nepublikováno). Jednotka MU611 má 6 analogových vstupů (IN1-IN6), které lze konfigurovat pro různé standardní úrovně analogových signálů. Rozlišovací schopnost analogově-číslicového (AD) převodníku je 12 bitů. Pro napájení obvodů čidel na vstupech IN1-IN6 je do měřicí ústředny instalován izolační DC/DC konvertor. Pro experimentální provoz byl nastaven vzorkovací interval 1 hodina. Datum čas a naměřené hodnoty jsou zapisovány do textového souboru, který lze telemetricky přenést ke zpracování do ÚGN spolu se seizmickými záznamy.
Pro měření rozevírání puklin je vyvíjen zapouzdřený snímač, jehož základem je tenzometrické čidlo posunutí VISHAY typ HS25. Snímač bude připojen na jednotku MicroUnit MU111, které má vstup pro tenzometrický most. Čidlo HS25 má rozsah měření 25 mm, jednotka MU111 je vybavena AD převodníkem s rozlišením 21 bitů. Při nižších nárocích na přesnost měření lze čidlo HS25 vybavit převodníkem signálu z tenzometrického mostu na proudovou smyčku 4-20 mA a připojit jej na volné vstupy jednotek MU611. Konvergence lze měřit podobným způsobem s vhodně zapouzdřenými čidly posunutí série VISHAY HS s větším rozsahem měření. Pro měření změn geometrie důlního díla předpokládáme použití komerčních laserových dálkoměrů (LD) vybavených komunikačním interface, např. Leica DISTO Plus 5, který bude příslušně zapouzdřen a připojen na zálohovaný napájecí zdroj.
Změny tenzoru napjatosti horninového masivu budeme měřit kuželovou tenzometrickou sondou, která byla v ÚGN AV ČR vyvinuta pro metodu CCBO (Compact Conical-ended Borehole Overcoring (Staš et al., 2005). Z hlediska začlenění obou posledně jmenovaných metod měření do měřícího systému jde o podobný problém, kdy inteligentní senzor komunikuje sériově, ale jiným protokolem než ostatní slave jednotky a nelze je tedy jednoduše adresovat. Navíc může být jiná i rychlost komunikace. To by byl značný problém při použití komerčního software pro řízení distribuovaného měřícího systému a sběr dat. V našem případě však lze řídicí program upravit tak, aby byl schopen v systému komunikovat několika protokoly, případně i komunikačními rychlostmi.
Historická důlní díla nemusí být jen "zátěží", ale lze je též účelně využívat. Ponecháme-li mimo diskuzi jejich využití jako kulturních památek (muzeí), další možností je upravit je jako přírodní experimentální laboratoře. Na příkladu historického Dolu Jeroným v Čisté dokládáme, že už při přípravě otevření důlního díla pro veřejnost jsou důlní prostory využity pro různá experimentální měření. Větší část ze získaných výsledků bude využita ke zpřesnění informací o stabilitě důlního díla. Vybudováním distribuovaného měřícího systému byly a ještě budou provedeny výzkumy nových metod měření a měřících postupů.
Příspěvek byl zpracován za finanční podpory GAČR, projekt č. 105/06/0068 "Výzkum faktorů ovlivňujících stabilitu středověkého Dolu Jeroným v Čisté"
Iványi, K. (2000): Důl Jeroným - historie a možnost současného využívání. Uhlí - Rudy - Geologický průzkum, 11/2000, 42-45.
Kaláb, Z. a Knejzlík, J. (2004): Experimentální měření seismických účinků trhacích prací v historickém dole Jeroným. Transactions (Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava, řada stavební), roč. IV, č.2/2004,159-166.
Kaláb, Z., Knejzlík, J., Kořínek, R. and Žůrek, P. (2006): Cultural monument Jeroným Mine, Czech Republic - contribution to the geomechanical stability assessment. Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc., M-29(395).
Knejzlík, J. (2006): Distribuovaný systém pro monitorování v Dole Jeroným v Čisté. Transactions (Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava, řada stavební), roč. VI, č.2/2006. Pacovský, J. (2006): Podzemní laboratoř stavební fakulty ČVUT. Tunel, 15. roč., č. 1/2006, 61-62.
Staš, L., Knejzlík, J. and Rambouský, Z. (2005): Conical strain gauge probe for stress measurement. Eurock 2005- Impact of Human Activity on the Geological Environment - Konečny (ed). Baalkema, 587-592. Žůrek, P. and Kořínek, R. (2001/2002): Opening of the Medieval Jeroným Mine in the Czech Republic to the Public. Journal of Mining and Geological Science, Belgrade, Vol. 40-41, 51-72.
Žůrek, P. a Kořínek, R. (2003): Zpřístupnění středověkého Dolu Jeroným v České republice. Acta Montanistica Slovaca, roč. 8, č. 2-3, 96-100.
Žůrek, P., Kořínek, R., Michalčík, P., Štěpánková, H., Daněk, T., Kukutsch, R., Kaláb, Z., Knejzlík, J. a Lednická, M. (2005): Komplexní sledování geotechnických problémů lokality Čistá - Důl Jeroným, období 2004-2005. Uhlí, Rudy, Geologický průzkum, 31-34