STARÁ DŮLNÍ DÍLA V OSTRAVSKÉM REGIONU A PLYN

Ing. Petr Nováček, OKD, DPB PASKOV, a.s.


1. ÚVOD

V ostravsko-karvinském revíru se černé uhlí dobývá déle než dvě stě let. V roce 1991 byl na základě usnesení vlády České republiky zahájen útlum těžby na ostravských dolech, v první etapě na dílčích lokalitách dolů Šverma, Ostrava a Odra, následně se přistoupilo k likvidaci celých důlních podniků ostravské dílčí pánve (ODP). S výjimkou lokality Vodní jámy Jeremenko neexistuje ve druhé polovině roku 1998 na Ostravsku žádná nezasypaná jáma. Organizačním sjednocením bývalých ostravských dolů do jednoho celku - Dolu Odra - vznikla nástupnická organizace, která dostala do vínku integrovaný dobývací prostor o rozloze 111 km2.
Čerpání důlních vod na likvidovaných dolech bylo ukončeno k 30. 6. 1997 s tím, že po dobu dobývání uhlí v karvinské části revíru bude hladina důlních vod udržována čerpáním v lokalitě Jeremenko na úrovni 600 m pod povrchem. Důvodem tohoto náročného řešení, a to jak po stránce technické, tak i ekonomické, je zabránění přetékání důlních vod do dobývacích prostorů petřvaldské a karvinské dílčí pánve. Ponecháním nezatopeného prostoru o kubatuře kolem 50 - 100 mil. m3 se zkomplikovala situace nejen v problematice řešení výstupu důlních plynů z uzavřených dolů, ale i se zajišťováním stability dříve zlikvidovaných jam.
Ostravské doly se vždy vyznačovaly výraznou plynodajností a byly z hlediska báňských bezpečnostních předpisů zařazeny do kategorie dolů s největším nebezpečím výskytu metanu. Plynodajnost metanu je sledována více než 100 let a svého maxima dosáhla v šedesátých létech, kdy byly dosahovány na Ostravsku nejvyšší těžby. V té době přesahovala denní plynodajnost hodnotu 500 tis. m3 CH4 a plyn byl z dolů odváděn větráním (před zahájením útlumu v roce 1990 bylo v provozu 17 výdušných jam) a důlní degazací. Plynodajnost se dnes, po likvidaci takřka všech jam ustálila na hodnotě 80 tis. m3 CH4 za den. Na základě průběhu výše plynodajnosti v uplynulých letech a s využitím zahraničních zkušeností lze vyslovit prognózu, že plyn se bude z důlních prostor na Ostravsku uvolňovat řadu let.

2. MOŽNOSTI VÝSTUPU PLYNU Z UZAVŘENÝCH DOLŮ

Na Ostravsku, především pak v oblasti Slezské Ostravy, ale i vrchu Landek, byly vydobyty sloje nacházející se v malých hloubkách (někdy jen 20 m) pod povrchem. Dobývání uhlí však dosáhlo i hloubek kolem 1200 m pod povrchem. Z mapy plynových cest podzemí ostravské dílčí pánve, kterou zpracovala specializovaná organizace OKD, DPB PASKOV, akciová společnost v roce 1994, vyplynula existence souvislé sítě plynových cest v podzemí Ostravy. Až důsledky intenzivního zatápění oderských jam při povodních v červenci 1997 naznačily určité hydraulické oddělení tzv. oderského bazénu od bazénu ostravského. Z hlediska proudění plynů v podzemí hraje značnou roli až tisící metrový rozdíl hloubek ve stařinách.
Výsledky průzkumu při realizaci sítě odplyňovacích vrtů ukázaly, že složení stařinné atmosféry je velmi různorodé, zejména podle místních podmínek. Koncentrace metanu se pohybuje od 1 do 85%, významný je i podíl oxidu uhličitého (do 15 %). Že se jedná o stařinnou atmosféru dosvědčuje fakt, že v podzemí v místech bez ovlivnění změnami barometrického tlaku se prakticky nenachází kyslík.
Atmosféra zjišťovaná v neovlivněném důlním prostředí nemá kyslík, nevybuchuje ani nehoří. Nebezpečnou se stává především při smíchání se vzduchem.
Podzemní prostory, ve kterých se stařinná atmosféra nachází, jsou spojeny s povrchem hlavními důlními díly - jamami a štolami. Každé toto dílo, pokud má návaznost na důlní prostory, je komunikací pro důlní plyny a ohrožuje bezpečnost obyvatel. Významnou roli v ovlivňování intenzity výstupu plynů z podzemí na povrch hrají změny barometrického tlaku, zejména ty výrazné. Na obr. č. 1 je schematicky znázorněn vliv změn barometrického tlaku na chování stařinných prostorů.
Obr. 1 Vliv barometrického tlaku na pohyb důlních plynů v jámě

Při setrvalém stavu barometrického tlaku vzdušiny jamami v podstatě neproudí a působení je pouze difuzní. Při nárůstu barometrického tlaku se vyrovnává tlak vzdušin v podzemí tak, že vzduch přes důlní díla proudí do dolu a naplňuje tak určitý objem stařin kyslíkem, naopak při poklesu barometrického tlaku je děj opačný a z dolu vystupuje do povrchové atmosféry důlní plyn. Z tohoto schématu vyplývá, že z podzemí starými důlními díly vystupuje již směs obohacená kyslíkem, tedy výbušná nebo hořlavá. Zkušenosti z měření prováděných na vrtech či sanovaných jamách ukazují, že svůj vliv má "generální" úroveň barometrického tlaku - dlouhodobá hodnota buď vysoká nebo nízká.
Měření uskutečněná v rámci průzkumu metanu v půdním vzduchu (metan screeningu) v poslední době ukazují, že obdobně se zřejmě chová i plyn v půdním vzduch ve specifických podmínkách na Slezské Ostravě, kde lze předpokládat v pokryvném útvaru značný podíl haldoviny z historické hornické činnosti, případně jiných navážek. Ve vztahu ke starým dílům, především jamám to má za následek např. zjištění, že metanu je v půdě více ve vzdálenějším okolí než v tělese vlastní jámy, obzvláště tehdy, je-li plynopropustný zásyp jámy přikryt pro plyny nepropustnou vrstvou, například betonovým ohlubňovým povalem. Metan pak může v horizontálním směru migrovat i desítky metrů a z bodového zdroje nekontrolovatelného výstupu metanu se pak stává zdroj plošný.

3. JÁMY A ŠTOLY V OSTRAVSKÉ DÍLČÍ PÁNVI

Na Ostravsku se podle současných poznatků nachází 378 hlavních důlních děl, z toho je 316 jam a 62 štol. Tak velký počet komunikací pro plyny nelze řešit plošně, proto bylo nutno již na začátku systematického řešení problematiky výstupu plynů stanovit určité priority, a to z důvodu, že sanace starých jam byla jednou z podmínek, které stanovil Obvodní báňský úřad v Ostravě pro povolení zatápění likvidovaných dolů. Obecně platí, že jámy zlikvidované před zahájením útlumu ostravských dolů, tedy před rokem 1991 jsou z dnešního pohledu a požadavků stávajících předpisů zlikvidovány nedostatečně. I když při zasypávání jam od roku 1991 byly získávány zkušenosti a názory na správný technologický postup se vyvíjely, lze považovat rozdíl ve způsobu zajištění za velmi výrazný.
Z hlediska nebezpečí výstupu plynů byly jámy zlikvidované do roku 1990 rozděleny na dvě kategorie:

Hlavními kriterii kategorizace byla návaznost na důlní díla, druh a stav výztuže jámy, způsob zásypu (pokud se podařil zjistit), umístění v zástavbě a další.
Všechny jámy byly začleněny do katalogů, kde jsou uvedeny všechny dostupné informace, včetně fotodokumentace. Zajišťování dokladů k jámám nebylo jednoduchou záležitostí, zejména proto, že velký počet jam vznikl, ale i zanikl v minulém století. U určování skutečného místa jámy byly jedním z problémů změny souřadnicových sítí, takže v řadě případů bylo nutno polohu jámy ověřovat vrtným průzkumem či skrývkou vrchních vrstev zeminy.
Je nutno uvést, že do doby zahájení systematické likvidace ostravských dolů nebyla umísťování povrchových staveb v blízkosti starých důlních děl věnována potřebná pozornost a tak není nouze o rarity, jako jsou např.:
Štoly, jako horizontální úklonná díla existují na Ostravsku především tam, kde se uhlonosné karbonské souvrství nachází v blízkosti povrchu a v kopcovitém terénu. Specifické vlastnosti má dominantní staré horizontální dílo, Jaklovecká dědičná štola dlouhá více než 3000 m procházející pod Slezskou Ostravou často v hloubce menší než 50 m. Toto důlní dílo využívané k těžbě, větrání a odvádění důlních vod ve druhé polovině 19. století, propojuje stařiny a důlní díla ve slojích v malých hloubkách pod povrchem a je důležitou plynovou komunikací.

4. STARÁ DŮLNÍ DÍLA

V souvislosti s povolením zatápění zlikvidovaných ostravských dolů stanovila Státní báňská správa povinnost sanovat především 55 jam se zvýšeným nebezpečím. S ohledem na poznatky získané v letech řešení problematiky výstupu plynů lze konstatovat, že sanovány, samozřejmě v odpovídající míře, musí být takřka všechny staré jámy a štoly. To je ovšem otázka dlouhé doby a značných finančních nákladů. Jak ukázaly bilance dosud provedených sanačních prací, budou se celkové náklady na sanaci jam, štol pohybovat nejméně na úrovni milionů korun. Finanční zabezpečení tak náročné akce vyvolalo upřesnění názorů na členění jam a štol, a to na základě Horního zákona, kde je uplatňován pojem "staré důlní dílo".
Ve smyslu § 35 Zákona č. 44/Sb (Horní zákon) je za staré důlní dílo považováno důlní dílo v podzemí, které je opuštěno a jehož původní provozování ani jeho právní nástupce neexistuje nebo není znám.
Z tohoto pohledu, ze mezní dobu pro stanovení, zda se jedná o staré důlní dílo či nikoliv, bylo stanoveno datum 1. 1. 1946, které souvisí se znárodněním dolů. Stará důlní díla jsou pak ta, která byla zlikvidována před tímto datem a tím nebyla předmětem předání od bývalých provozovatelů. Do souboru starých důlních děl bylo tak zařazeno 245 ze 316 jam a všech 62 štol. Zjišťování těchto jam a štol zabezpečuje dle odst. 2 a 4 § 35 Horního zákona Ministerstvo životního prostředí České republiky a taktéž pomocí pověřené organizace - GEOFONDU - vede jejich registr. Z citovaného zákona pro zmíněné ministerstvo plyne i povinnost zajištění nebo likvidace starých důlních děl, pokud tato díla ohrožují zákonem chráněný zájem, a to v nezbytně nutném rozsahu. Postup při řešení této problematiky je stanoven ve Vyhlášce MŽP ČR č. 363/1992 Sb. Pro OKD, a.s., by pak podle zákona vyplývala ve vztahu ke starým důlním dílům pouze ohlašovací povinnost. Je však třeba uvést, že ne všechny zainteresované organizace takto jednoznačně problematiku starých důlních děl chápou a posuzují.

Zajišťování starých jam

 V ostravské dílčí pánvi se nad uhlonosným karbonem nachází pokryvný útvar v různé mocnosti a z hlediska plynopropustnosti v různé kvalitě. Místně vystupuje karbonské souvrství až na povrch a vytváří tzv. karbonské okno. Stanovení míst, kde může důlní plyn vystupovat přes zeminu až na povrch byla věnována velká pozornost a z tohoto pohledu bylo území ODP podrobeno důsledné kategorizaci. Mocnost pokryvu větší než 50 m se na základě zkušenosti v zahraničí a po diskusi s odborníky považuje za nepropustnost pro plyny bez ohledu na to, jakého složení pokryvný útvar je. Izoline mocnosti 50 m pokryvu pak vyčlenila poměrně velké území s mocností pokryvu 0 - 50 m. Pro detailní řešení výstupu plynů, zejména ve vazbě na obsah metanu v půdě a současnou i uvažovanou výstavbu byla kategorizace dále upřesněna a území s mocností pokryvu menší než 50 m bylo dále členěno, nejdříve podle mocnosti miocenních jílů a zvodnění kvartéru, následně podle důlní situace, tj. situování stařin v blízkosti povrchu.

Vznikly celkem tři kategorie území ve vztahu k možnému výstupu metanu z uzavřených dolů:
Do kategorie "nebezpečné výstupy plynu" jsou s ohledem na svůj charakter zařazeny i lokality všech jam a štol v rozsahu podle existence podpovrchových děl, které na ně navazují.
Zajišťování starých jam, které byly dříve zasypány, řeší dva problémy:
Součástí zajišťovacích prací je průzkum obsahu metanu v půdním ovzduší (metan screening) v lokalitě jámy, a to ve dvou etapách:
Pro zajištění každé jámy je zpracován prováděcí projekt, vlastní zajištění jámy má charakter hornické činnosti a je projednáno s Obvodním báňským úřadem v Ostravě.

5.1 PRINCIP ZAJIŠŤOVÁNÍ STARÝCH JAM

Jámy určené k zajištění v první etapě, je jich 55, mají některé podmínky podobné, ne-li stejné, jiné, zejména ve vazbě např. na okolní zástavbu podstatně odlišné. Lze konstatovat, že všem jamám je společná nedostatečná likvidace (zásypem) jámového stvolu, ale také děl pod povrchem, která na jámu navazují. Kanály hlavních ventilátorů, různé štoly sloužící například k odvádění vody, ale i protiletecké kryty bývají komunikacemi pro plyny zejména proto, že nebývají zaplněny zásypem a nezřídka ústí do budov umístěných v blízkosti vlastní jámy. Rovněž skutečné situování jámy je společným problémem. Vyhledávání ústí jámy není jednoduché, protože za dobu od likvidace jámy, někdy v minulém století se až třikrát změnila souřadnicová síť, takže se předpoklad od skutečnosti někdy liší i o 15 m. Proto je pro určení vlastního jámového stvolu nutno realizovat geofyzikální, ale i vrtný průzkum, v jiných případech odpověď dá až skrytí zeminy pod úroveň podpovrchových děl.
Rozdílnost podmínek vyplývá především z umístění jámy v současné zástavbě. Jinak je řešena, zejména z hlediska stability, jáma Šalamoun v podchodech v oblasti Frýdlantských mostů, jinak jáma Karolina těžní na území určeném k dekontaminaci po likvidované koksovně.
Pomineme-li zcela specifické případy, například výše uvedené, lze říci, že projekty zajištění většiny jam mají charakter typového projektu. V lokalitě jámy j nutno pomocí geofyzikálního a vrtného průzkumu určit obrysy jámy a děl, které na ni v podzemí navazují. Po skrytí vrchní vrstvy zeminy je vybudován betonový uzavírací poval se základy pod zamrznou hloubkou. Základy obebínají původní půdorys jámy, přičemž takto uzavřený prostor pod povalem je vyplněn hrubozrnnou struskou pro průchod plynu. V betonovém povalu jsou komínky pro odvádění plynu, jeden ústí do plynopropustné struskové vrstvy, druhý nad trenážní vrt, který by měl mít účinnou hloubku alespoň po úroveň karbonu. V povalu je dále umístěn otvor pro možnost dodatečného dosypání jámy při slehnutí nebo ujetí zásypu. Uspořádání je uvedeno na schématu na obr. č. 6. Podpovrchová díla navazující na jámu jsou zaplňována popílkocementovou směsí pomocí vrtů z povrchu (obr. č. 7).
OBR. 6
Obr. 6 Schéma zajištění staré jámy 		OBR. 7
Obr. 7 Schéma zajištění podzemních děl navazujících na jámy


5.2. METAN SCREENING V LOKALITÁCH JAM

Průzkum metanu v půdním ovzduší (metan screening) realizovaný v lokalitách jednotlivých jam před zajišťovacími pracemi prokázal v půdě metan v koncentracích od ppm (desetisíciny procenta) až po desítky procent. Pro měření koncentrací metanu byly použity přístroje ECOPROBE 3.0 a CATEX+. Přístroj ECOPROBE 3.0 měří sumu organických látek v půdním ovzduší v rozsahu 1 ppm - 4 %. Pokud se dají vyloučit v měřeném prostředí ropné látky, pak měřený údaj koncentraci metanu. Přístroj CATEX+ měří metan do 100 % a používá se zejména při zjištění koncentací přesahujících rozsah ECOPROBE 3.0. Měření koncentrace metanu se provádí v hloubkových hladinách 1,1 m a 3,0 m v pravidelné síti vytlučených děr. Naměřené hodnoty se interpretují pomocí počítače programem SURFER do přehledné grafické formy.
Metan v půdním ovzduší v lokalitách jam byl zjištěn takřka u všech jam, v některých případech bylo zjištění závažné, protože koncentrace metanu byly v desítkách procent a ve vzdálenostech desítek metrů od vlastní jámy. Izolinie koncentrací metanu vedly i k nalezení podpovrchových děl.
Na základě zjištěného stavu v lokalitách jam bylo rozhodnuto o měření i po ukončení zajišťovacích prací. Ne vždy splnilo zajištění svůj účel v protiplynové prevenci. U některých jam (např. u všech tří trojických jam) byl zjištěn stav přinejmenším stejný, ne-li horší. Měření prokázala v podstatě nedodržení technologie při nadkrývání plynopropustné struskové vrstvy a v provedení komínku pro odvod plynů. Pro odstranění tohoto stavu byl upraven a doplněn projekt zajištění. Podstatnou změnou je realizace drenážního vrtu v tělese jámy od účinné hloubky. Vrt bude uplatněn tam, kde metan v půdě byl zjištěn ve vyšších koncentracích. Vrtání takového vrtu není snadnou záležitostí, protože při zasypávání se do jámy dostaly často kuriozní předměty (v jednom případě i těžní klec).

6. VÝHLED ZAJIŠŤOVÁNÍ JAM

Řešení plynové problematiky v rámci zajišťování starých jam je pouze jednou z částí celkového objemu prací v problematice zamezení nekontrolovatelným výstupům plynu z uzavřených dolů. Metan neohrožuje jen v lokalitách jam, ale na poměrně velkém a místy i hustě zastavěném území. V oblasti Slezské Ostravy, kde byl metan v půdě na pozemcích určených k výstavbě až v desítkách procent, probíhá v současné době systematický metan screening. Situace na tomto území je komplikována existencí 84 jam a 28 štol.
Problém metanu vystupujícího z uzavřených dolů není vlastní jen ostravské dílčí pánvi. V dobývacím prostoru bývalého dolu Julius Fučík, který vstoupil do fáze útlumu, je rovněž více než 80 jam, z nichž řada je situována stejně jako jámy na Ostravsku. A navíc, ani karvinsko nebude ušetřeno problémů s výstupem plynů. Zejména v oblasti košicko - bohumínské dráhy je řada starých jam, které budou muset být zajišťovány. Jde tedy o proces dlouhodobý, který bude trvat řadu let po ukončení dobývání uhlí.


Literatura
  1. Soubor opatření řešících zamezení nekontrolovatelným výstupům OKD, DPB PASKOV, a.s. 1996.
  2. Zpráva ze služební cesty do Velké Británie OKD, DPB PASKOV, a.s. 1996.
  3. Katalogy jam a štol - Báňský výzkum, poradenství a ekologie - Ing. J. Klát, Ostrava.
  4. Vyhláška MŽP ČR č. 363/1992 Sb.
  5. Kategorizace území Slezské Ostravy z hlediska nebezpečí výstupu plynů OKD, DPB PASKOV, a.s. 1997.
  6. Projekt zajištění bezpečnosti zlikvidovaných jam Ema a Lucie Fa Halfar, projekční činnost, Ostrava 1997.