Ukládání vedlejších energetických produktů ve vnitřní výsypce

Vedlejší energetické produkty (VEP) a jejich ukládání ve vnitřní výsypce představují zajímavou a bezpečnou alternativu pro zahlazování důlní činnosti. Pro rozšíření kapacit skladování VEP v dalších místech vnitřní výsypky je však nezbytné provádět průběžný geotechnický monitoring a dodržovat bezpečný technologický postup zakládání vnitřní výsypky.

Důl Bílina (DB) je největším povrchovým lomem na hnědé uhlí v České republice s celkovou roční produkcí uhlí na úrovni 10 mil. tun. Přibližně polovina ročního těženého množství je zpracována v elektrárně Ledvice (ELE), primárně pro výrobu elektrické energie. Dle aktuálních prognóz je těžba uhlí v DB projektována do roku 2035. S postupující těžbou uhlí úzce souvisí správné nakládání s hlušinou, zejména s ohledem na její zapracování do tělesa vnitřní výsypky.Z geotechnického hlediska mají tyto materiály velmi heterogenní vlastnosti, což v kombinaci s povětrnostními vlivy (degradace vlivem přívalových dešťů, regelace atd.) představuje rizikový faktor z hlediska stability vnitřní výsypky.

Stabilita vnitřní výsypky je zásadní v krátkodobém i dlouhodobém horizontu – v současnosti pro bezpečnost báňského provozu a v buducnosti při realizaci rekultivačních opatření po ukončení těžby uhlí.Nezbytným opatřením pro zajištění stability tělesa vnitřní výsypky je minimalizování, resp. zabránění přítoku vod do těchto prostorů. Veškeré stavby související s vodami by proto měly být důsledně utěsněné. Od roku 2017byla v rámci vnitřní výsypky v oblasti 1. úložného prostoru (ÚP) realizována stavba kazet pro ukládání VEPvyprodukovaných v ELE. Tento ÚP je situován západně až jihozápadně od ELE v prostoru vnitřní výsypky a je rozdělen do tří kazet (s označením K1, K2 a K3). Tyto VEP se vyznačují výrazně lepšími geotechnickýmia geomechanickými parametry ve srovnání s běžnými skrývkovými materiály, čímž představují vhodnou alternativu pro rekultivaci prostoru po těžbě.

Produkce VEP a jejich geomechanické vlastnosti

Vedlejší energetické produkty představují nespalitelné materiály reprezentující 25 až 30% původního objemu paliva při spalování uhlí.V rámci provozu elektrárny je zásadní tyto materiály použít nebo uložit mimo prostor elektrárny (např. do tělesa vnitřní výsypky). Mezi hlavní VEP vznikající spalováním uhlí v ELE lze zařadit popílek, energosádrovec (EGS), strusku a stabilizát/litý granulát (LG). V rámci ELE jsou v provozu dvě technologická zařízení na zpracování VEP s označením B4, resp. B6.

Hlavním účelem obou technologických zařízení na zpracování VEP je odtah tuhých zbytků po spalování hnědého uhlí (ložového popele/strusky, úletového popílku/popílku z elektroodlučovačů a popílku ze zadního tahu kotle). Obě technologická zařízení využívají pneumatickou dopravu pro transport popílků z elektroodlučovačů a zadního tahu kotle do popílkového sila. V dalších krocích vykazuje technologický proces výroby LG určité odlišnosti.

V rámci popílkového sila technologického zařízení B4 je ložový popel skladován odděleně od popílku ze zadního tahu kotle a popílků z elektroodlučovačů v jednotlivých komorách sila. Litý granulát s označením LG3 se produkuje v míchacím centru stabilizátu 2 smícháním ložového a úletového popílku s vápnem a záměsovou vodou (technologickou vodou z provozu elektrárny).

V technologickém zařízení B6 je popílek z elektroodlučovačů a zadního tahu kotle transportován do dvou popílkových sil. Struska z kotle je pasovou dopravou umístěna ve dvou silech strusky. Pod sily probíhá odvodnění a drcení strusky pro zapracování do LG. Výroba LG1 probíhá v míchacím centru stabilizátu 3 smícháním popílku a suspenze EGS z odsíření s vápnem (v minimálním množství 2 hm.%) a záměsovou vodou (ostatní vody z provozu elektrárny). Obsah vody představuje 32–38% z celkového objemu.

V případě souběžného provozu obou technologických zařízení je produkován a transportován litý granulát LG2. Všechny typy LG jsou certifikovány a probíhá neustálý dohled technologického procesu.

Všechny druhy LG jsou dopravovány pomocí technologie GEHO (řízené plavení zahuštěné směsi vysokotlakými membránovými čerpadly) do vytěžených prostor vnitřní výsypky (kazety K1, K2 a K3 v 1. ÚP). V případě transportu LG1 se v domíchávači GEHO přidává i odvodněná struska.

K zásadním změnám mechanických vlastností (ve srovnání s původními neupravenými surovinami) dochází po zatuhnutí stabilizátu. Speciálně vyráběné typy stabilizátů jsou charakterizovány jako nepropustné materiály s vysokou pevností v prostém tlaku, odolné vůči mrazu a vodě. Vytvrdlý stabilizát vykazuje významně větší hodnotu úhlu vnitřního tření ve srovnání s výsypkou a signifikantní (10x) nárůst hodnot efektivní soudržnosti výsypky. Zároveň má vyzrálý stabilizát menší objemovou tíhu oproti výsypce.

Při dodržení certifikovaných technologických postupů lze zmíněnéVEP využít pro širokou škálu technologických a stavebních aplikací. Strusku lze využít pro násypy, tvarové úpravy krajiny či vyplňování vytěžených prostor. Produkty odsíření jsou vhodné pro výrobu a stabilizaci směsí v silničním stavitelství. Certifikované popílky z ELE jsou využívány pro stavební účely, výrobu malt a betonu nebo podkladní vrstvy vozovek. Stabilizát je zásadním prvkem v obnově krajiny postižené důlní těžbou.

Charakteristika V. ÚP

Plánovaný V. ÚP je situovaný v jv. části DB; hlavním důvodem pro jeho budoucí realizaci je rozšíření skladovacích kapacit VEP v prostoru vnitřní výsypky.Z jihu a východu je V. ÚP ohraničen asfaltovou provozní komunikací spojující administrativní objekty DB s jižní části dolu, v s.-sv. směru od V. ÚP se nacházejí kazety 1-3 situované v 1. ÚP pro plavení LG z ELE.

Přirozené geologické podloží oblasti V. ÚP tvoří horniny miocenního stáří, svrchní část mosteckého souvrství. Jedná se zejména o jíly až jílovce, méně zastoupeny jsou písky a prachovce, ojediněle se vyskytují tufy, tufity a bazalty. Nadmořská výška podložky výsypky v prostoru V. ÚP dosahuje kóty 70 m n.m. v severní části, resp. cca 105 m n.m. ve východní části v okolí úpravny důlních vodEmerán a vodní nádržeBučilka.

Z geologického a geotechnického hlediska lze výsypku klasifikovat jako nezhutněný násyp ze sypaniny složené převážně z úlomků jílovců. Při zatěžování vlastní vahou prochází daný materiál sérií strukturních změn. Z počátečního charakteru propustné partikulární sypaniny se při dalším zatěžování vytváří souvislé kontinuum, ve kterém se uplatňuje tlak vzduchu i vody. Zvláště v prvním období po uložení je tento proces komplikován zvětráním uložených zemin a jejich měknutím při průsaku vody sypaninou. Zeminy výsypky lze rozdělit na nekonsolidovanou zónu (cca 5 až 15 m pod povrchem terénu) a hlubší konsolidovanou zónu; rozhraní zón není konstantní a je proměnné v čase (např. postupem zakladače).

V oblasti V. ÚP byl v letech 2017-2018 proveden inženýrskogeologický průzkum (IGP)společností INSET s.r.o. Tento IGP byl výrazně redukován z důvodu chybějícího výsypkového materiálu, místy dosahující mocnosti až 54 m. Proto byl IGP proveden téměř výlučně na okraji V. ÚP; celkem se jedná o 6 ks jádrových IG vrtů a 3 ks sond dynamické penetrace. Dvě sondy dynamické penetrace (DP5 a DP8) i všechny průzkumné vrty byly vystrojeny jako pozorovací pro vybudování sítě bodů předstihového monitoringu.

Geotechnický monitoring V. ÚP

Realizace monitoringu v prostoru V. ÚP je zásadní pro získání a vyhodnocení vývoje geotechnických parametrů před, v průběhu a po ukládání VEP v dotčené oblasti.Jsou sledovány následujícíparametry – úrovně hladin podzemních vod (HPV), měření pórových tlaků (MPT) a inklinometrie (IK).Vyhodnocení těchto dat je klíčové pro stanovení případného vlivu budování stavby na okolní prostředí s probíhající důlní činností a posouzení eventuálních změn úrovně HPV a jejího chemického složení vlivem terénních úprav při výstavbě a následně při ukládání stabilizátu.

Za účelem sledování úrovně HPV byly v zájmové oblasti realizovány 2 vystrojené jádrové vrty – HJ1 (BI92) s hloubkou 60,0 m a HJ2 (BI93) s hloubkou 30,0 m u východní, resp. jižní hranice V. ÚP. Pozorovací vrty slouží pro monitoring úrovně mělkého oběhu podzemní vody a pro hydrochemické sledování předmětné stavby (dynamický odběr vzorků podzemní vody). Již od počátku měření v září 2017 nebyla zastižena HPV ve vrtu HJ1 (BI92), a proto bylo s cílem doplnění hydrogeologických (HG) informací přistoupeno k vystrojení dvou pozorovacích piezometrů (PDP5 a PDP8). Pozorovací piezometry PDP5 (s hloubkou 6,9 m) a PDP8 (s hloubkou 5,7 m) byly provedeny pomocí dynamické penetrace; do dočasně otevřeného penetračního stvolu byla vždy bezprostředně po sondáži zapuštěna perforovaná pozorovací pažnice (PVC o průměru 25 mm) bez obsypu.

Počáteční úroveň HPV ve vrtu HJ2 (BI93) byla zjištěna v 188,85 m n.m. Nejnižší úroveň HPV byla pozorována měřením v listopadu 2019 na úrovni 187,31 m n.m. (o 1,54 m méně oproti počáteční úrovni), zatímco nejvyšší úroveň HPV byla dosažena měřením v říjnu 2023 na úrovni 189,01 m n.m. (o 0,16 m vyšší oproti počáteční úrovni HPV).

V případě obou vystrojených pozorovacích piezometrů (PDP5 a PDP8) lze konstatovat, že nedochází k výrazným změnám HPV v sledovaném období. V případě pozorovacího piezometru PDP5 se hladina podzemní vody změnila pouze o 8 cm (s max. na úrovni 217,11 m n.m.) ve srovnání s počáteční hodnotou (217,03 m n.m.) z května 2018. Měření HPV v piezometru PDP5 bylo předčasně ukončeno v prosinci 2021 z důvodu zničení objektu.

V pozorovacím piezometru PDP8 byla zjištěna počáteční úroveň HPV v 211,70 m n.m. (měření z července 2018). Nejnižší úroveň HPV byla zaznamenána v srpnu 2019 na úrovni 211,20 mn.m. (o 0,50 m méně ve srovnání s počáteční hladinou), zatímco maximum úrovně HPV bylo zjištěno v únoru 2019 na úrovni 211,83 m n.m. (o 0,13 m vyšší oproti počáteční úrovni HPV).

Měřidla pórových tlaků (typ GLÖTZL) zapojená do hydrogeologických vrtů sledují vývoj pórových tlaků v podloží hranice úložného prostoru; hodnoty jsou ovlivněny výkyvy spodní úrovně HPV. Pro MPT byly vybrány dva vystrojené jádrové vrty – HJ1 (BI92) a HJ2 (BI93). Měření bylo realizováno zařízením W9 VibratingWirePiezometer společnosti Soil Instruments s rozsahem 0 až 500 kPa a třídy přesnosti 0,1 %. V obou vrtech bylo vždy instalováno jedlo čidlo MPT umístěné ve vhodné hloubce (propustnější prostředí) ve dně vrtu. Měření pórových tlaků bylo zahájeno v říjnu 2017; po instalaci technologie byl v obou vrtech na počátku roku 2018 sledován úbytek pórových tlaků o 1,67 kPa (vrt HJ1), resp. o 124,96 kPa (vrt HJ2).

U vrtu HJ1 probíhalo měření do prosince 2021, přičemž hodnota pórových tlaků na konci měření vykázala pokles o 6,29 kPa ve srovnání s počáteční hodnotou po instalaci technologie. Hodnoty z MPT ve vrtu HJ2 po počátečním prudkém poklesu (viz výše) vykazují velmi pozvolný sestup, ze 105,60 kPa v lednu 2018 po 98,06 kPa v červnu 2024 (minima bylo dosaženo v říjnu 2023 na úrovni 94,79 kPa).

Změny hodnot HPV a MPT jsou primárně vyvolány nerovnoměrným úhrnem srážek v zájmové oblasti; v případě vrtu HJ2 i postupem zakladače vnitřní výsypky. Právě kombinace postupu zakladače s abnormálně suchým měsícem (únor 2018 s celkovým úhrnem srážek pouze 5 mm) je příčinou výrazného poklesu hodnoty pórových tlaků ve vrtu HJ2 (viz výše). Z důvodu preferenčního odtoku podzemních vod směrem k terénní depresi situované v jv. části zájmové oblasti se nárůst hodnot HPV ve vrtech v srážkově nadprůměrných měsících projevuje pouze částečně (viz nejvyšší dosažená hodnota HPV ve vrtu HJ2 z října 2023 s měsíčním úhrnem srážek 80 mm).

Při realizaci GT monitoringu jsou inklinometrická měření zásadní pro včasnou interpretaci pohybů a deformací v zemním tělese. V rámci V. ÚP byly po odvrtání vystrojeny tři průzkumné sondy jako inklinometrické– IK1 (BZ531) s hloubkou 50,2 m, IK2 (BZ532) s hloubkou 50,5 m a IK3 (BI91) s hloubkou 50,0 m. Tyto sondy jsou situovány na východní až jihovýchodní hranici V. ÚP a mají za úkol monitorovat stabilitu paty V. ÚP.

Pro měření inklinometrie (IK) byla použita výstroj inklinometrických drážkovaných pažnic (60/70 mm) s aparaturou výrobce GLÖTZL, složenou z IK sondy NMG30/2 délky 0,5 m, kabelu NMK50 a odečítacího přístroje NMA9. Náklony spouštěné IK sondy související s deformací vrtu jsou softwarově převedeny na horizontální posuny v jednotlivých měřených úrovních s následným grafickým vyhodnocením.

Od konce roku 2017 do června 2024 bylo provedeno celkem 12 IK měření na vrtu IK1 (BZ531), resp. 11 IK měření na vrtu IK2 (BZ532). Z důvodu havárie na inklinometrickém vrtu IK3 byly zaznamenány hodnoty IK měření pouze v prosinci 2017 a únoru 2018.

Na základě provedených dlouhodobých IK měření na vrtech IK1 (BZ531) a IK2 (BZ532) vyplývá, že v obou vrtech dochází k pohybům zeminy typu creep v řádu maximálně prvních centimetrů ročně.Vzhledem k probíhající důlní činnosti i výkyvům povětrnostních podmínek v zájmové oblasti (např. přívalové deště, dlouhá období sucha) je však nezbytné pokračovat v IK měřeních s cílem zachytit případné negativní změny stabilitních parametrů. V současnosti inklinometrická měření v zájmové oblasti neindikují rizikové deformace; při dodržení stávajících technologických postupů zakládání vnitřní výsypky a pokračování GT monitoringu v stávajícím rozsahu (event. jeho rozšířením) není realizace stavby úložiště VEP ohrožena.

Vyhodnocení monitoringu ve vazbě na postup zakládání výsypky

GT monitoring v kombinaci se stabilitními analýzami výsypkových těles představuje nezbytnou součást kontroly bezpečného postupu zakládání výsypky a poskytuje informaci o vývoji rizikových deformací. Data získaná z GT monitoringu jsou rovněž klíčová pro návrh vhodných stabilizačních opatření.

Technologie zakládání vnitřní výsypky má významnou roli na GT parametry stability vnitřní výsypky. Charakter založených zemin v prostoru vnitřní výsypky závisí na technologickém postupu těžby skrývky, následné přepravě a ukládání zemin do tělesa výsypky. Těžená zemina skrývky je dopravována pomocí několika sekcí pásových dopravníků od jednotlivých rypadel na vlastní výsypku. Založení vnitřní výsypky v prostoru V. ÚP bylo dle Plánu otvírky a přípravy dobývání (POPD) navrženo ve formě tří etáží – každé o mocnosti 15 m se založením první etáže v úrovni 235 m n.m., druhé etáže v 250 m n.m. a třetí etáže v úrovni 265 m n.m.

Od roku 2018 (zjištění absence výsypkového materiálu, viz sekce Charakteristika V. ÚP) proběhlo doplnění výsypky pásovým zakladačem. Z ortofoto snímků zájmové oblasti je sypání materiálu patrné na podzim 2018 v západní části; v průběhu roku 2019 bylo v jv. části vybudováno montážní místo pro zakladač.Sypání materiálu ze zakladače na západním rozhraní zájmové oblasti rovněž proběhlo v průběhu podzimu 2019 až do března 2020, dále je z ortofoto map viditelný posun pásového zakladače do prostoru mimo oblast V. ÚP. Montážní práce na zakladači probíhaly od podzimu 2019 do února 2021.

Od ledna do dubna 2021 bylo v jz. cípu zájmové oblasti zahájeno sypaní další etáže vnitřní výsypky.V průběhu roku 2021 postupoval pásový zakladač směrem k severu mimo zájmovou oblast. V letních měsících roku 2022 byl podél silnice u východního okraje zájmové oblasti rozšířen manipulační prostor pro důlní techniku. Další etapy zakládání vnitřní výsypky v letech 2023 a 2024 byly realizovány mimo zájmovou oblast V. ÚP. Pro realizaci V. ÚP je nutné dodržet stávající technologii zakládání vnitřní výsypky ve formě etáží uvedených v POPD (viz výše).

Závěr a doporučení

Realizace a vyhodnocení dat předstihového geotechnického monitoringu (měření HPV, pórových tlaků a inklinometrická měření) v zájmové oblasti V. ÚP potvrdila stabilní geologické a geotechnické podmínky pro realizaci projektového záměru úložiště VEP.

Při rekognoskaci terénu byla zjištěna plošně významnější deprese v jv. části zájmové oblasti s dočasným opětovným zatápěním. Toto zatápění lze přičíst kombinaci vlivu srážek, event. postupu zakladače vnitřní výsypky a kumulaci podzemních vod. Právě tato deprese představuje komplikaci s hromaděním srážkové a mělké podpovrchové vody v níže položených místech; v průběhu budování V. ÚP bude nezbytné čerpat tyto vody vně zájmový prostor. Jako vhodné řešení pro dlouhodobé čerpání těchto vod se jeví předem vybudovaná drenáž ve formě potrubí vedoucí směrem k vodní nádrži Bučilka.

Stanovení základové spáry (ZS) úložného prostoru se doporučuje upravit tak, aby bylo bezpečně nad zjištěnou úrovni HPV, vč. její sezónní oscilace minimálně na kótě 220 m n.m. Zcela zásadní pro vybudování a následný bezpečný provoz V. ÚP je včasné a důkladné utěsnění zhutněnou vhodnou nepropustnou zeminou s dobrými izolačními vlastnostmi (např. jíly libkovických vrstev). Tyto jíly jsou k dispozici v jiných částech vnitřní výsypky a jsou používány pro jejich velmi dobré izolační vlastnosti.

Dodržením současného technologického postupu zakládání vnitřní výsypky a zachováním (event. rozšířením) stávajícího geotechnického monitoringu lze docílit realizaci a dlouhodobý bezpečný provoz V. ÚP v zájmové oblasti se stabilními geologickými a geotechnickými podmínkami, obdobně jako v případě kazet 1–3 v 1. úložném prostoru severně od zájmové oblasti.

TEXT: Mgr. Matúš Sadloň, Mgr. Petr Černoch, Ing. Jiří Košťál, Ph.D.

FOTO: INSET s.r.o.

Matúš Sadloň působí ve společnosti INSET s.r.o., Divize Energetika.

Jiří Košťál působí na Českém vysokém učení technickém (ČVUT) v Praze a je výrobním ředitelem společnosti INSET s.r.o.

Petr Černoch působí ve společnosti ČEZ Energetické produkty s.r.o., propachtovaná část INSET s.r.o., Divize Energetika a na ČVUT v Praze.