Oddělení geomechaniky a báňského výzkumu

Vedoucí
RNDr. Lubomír Staš, CSc.
Tým
Mgr. Andrea Berčáková
Ing. Hana Doležalová, Ph.D.
Anna Dombková
Ing. Lucie Georgiovská
RNDr. Jan Chura
Ing. Vlastimil Kajzar, Ph.D.
Ing. Tomáš Kaláb
Prof. RNDr. Zdeněk Kaláb, CSc.
Jan Klos
Doc. Ing. Petr Koníček, Ph.D.
Ing. Radovan Kukutsch, Ph.D.
Ing. Markéta Lednická, Ph.D.
Jaroslav Makovský
Zdeněk Nohejl
Ing. Alice Petrlíková
Ing. Jiří Ptáček, Ph.D.
Jana Rušajová
Tomáš Rutar
Ing. Kamil Souček, Ph.D.
Tomáš Souček
Ing. Jarmila Šimkovičová
Doc. Ing. Richard Šňupárek, CSc.
Ing. Martin Vavro, Ph.D.
Ing. Petr Waclawik, Ph.D.
Ing. Vendula Zajícová

Oddělení geomechaniky a báňského výzkumu navazuje na výzkumné směry, které jsou v Ústavu geoniky rozvíjeny od jeho založení - napětí v horninovém masivu a jeho projevy, stabilita důlních děl, aplikace v hornictví a geotechnice. Dále se rovněž rozvíjí výzkum v dalších oblastech od ovlivňování vlastností horninového masivu až po využití metod počítačové tomografie. V roce 2012 došlo ke sloučení s Oddělením geofyziky s cílem provázat a sjednotit aktivity v in situ výzkumu horninového masivu a zemské kůry, včetně metod monitoringu procesů probíhajících v geologickém prostředí. Tím se výrazně rozšířil výzkumný záměr oddělení.

Hlavní témata výzkumu

Vědecká náplň oddělení se zaměřuje převážně na výzkum geomechanických a geofyzikálních procesů v zemské kůře. Mimo procesy přirozené jsou středem zájmu zejména procesy vyvolané lidskou činností spojenou s využíváním zemské kůry. V rámci řešení různých problematik (např. měření a interpretace napěťových polí, pozorování a interpretace seizmicity v oblasti severní Moravy) se provádí dlouhodobý vědecký výzkum, který je doplněn o řešení aktuálních praktických problémů v oblastech hlubinného dobývání ložisek, podzemních konstrukcí, zásobníků, podzemního ukládání vyhořelého jaderného paliva, CO2 apod.

Pracovníci oddělení jsou zapojeni do řady výzkumných i aplikačních projektů. Zvláště významná je účast v projektu Institut čistých technologií těžby a užití energetických surovin (ICT), jehož nositelem je VŠB-TU Ostrava. Zapojení do tohoto projektu s sebou přineslo mj. vybudování specializované laboratoře tomografického výzkumu hornin a dalších materiálů. Další velké projekty jsou zaměřeny na výstavbu podzemních úložišť ať již radioaktivních odpadů, tak i energetických surovin (plyn, stlačený vzduch) a problematiku bezpečné těžby surovin.

Výzkum napěťových a deformačních stavů horského masivu. Jedná se o zjišťování prostorové distribuce, velikosti a orientace přirozeného i indukovaného napěťového pole v závislosti na geologické a tektonické situaci, antropogenních aktivitách v masivu a analýzu jeho projevů. Výzkum je zaměřen na:

  • zjišťování skutečného napěťového pole v masivu a jeho změn metodou hydroporušování, využitím kuželové tenzometrické sondy a tenzometrických svorníků;
  • geomechanický monitoring, měření deformací podzemních prostor a analýzu stabilitních stavů;
  • aplikaci matematických modelů na geomechaniku a geotechniku s důrazem na zkoumání procesů v horninách a zeminách z inženýrského hlediska;
  • dynamické geomechanické jevy v horském masivu;
  • charakter vlivů geologie a antropogenní podzemní aktivity na pohyby zemského povrchu.

Výzkum prostředků zpevňování a cílené úpravy vlastností masivu. Hlavní náplň toho výzkumného směru lze charakterizovat následovně:

  • Rozvoj moderních metod stabilizace masivu zejména chemickými injektážními médii, svorníkováním a kotvením, resp. vzájemnou kombinací.
  • Studium vlastností používaných injektážních médií - chemoreologie, pružnosti, pevnosti, přetvárnosti, propustnost v závislosti na různých parametrech aplikace.
  • Příprava a studium fyzikálně mechanických vlastností vzniklých geokompozitů, včetně adhezní pevnosti.
  • Proudění injektážních hmot v pórovitém a mezerovitém materiálu.
  • Ověřování technologických postupů.
  • Návrhy a hodnocení reálných projektů zpevňování chemickou injektáží, svorníkováním a kotvením, resp. jejich kombinací, z hlediska geotechnického zajištění stability a funkčnosti podzemní stavby, měření únosnosti svorníkové výztuže.

Výzkum metod cíleného ovlivňování nebezpečných napěťových stavů masivu. Výzkum je zaměřen na bezvýlomové trhací práce v horninovém masivu, které v podmínkách české části hornoslezské uhelné pánve patří k nejdůležitějším aktivním prostředkům protiotřesové prevence. Jsou realizovány v uhelných slojích a v jejich průvodních horninách. Hodnocení účinnosti bezvýlomových trhacích prací ve smyslu uvolnění koncentrací napětí je důležitou součástí protiotřesové prevence. Současný systém hodnocení účinnosti je prováděn na základě údajů zjištěných při seizmologickém monitoringu. Výzkum je zaměřen na parametry použitelné pro hodnocení účinnosti (registrovaná seizmická energie, magnitudo, maximální objemové změny v ohniskové oblasti), přírodní podmínky a technické parametry realizovaných bezvýlomových trhacích prací.

Monitorování a interpretace seizmicity na severní Moravě. Seizmicitu severní Moravy představují jak přirozená zemětřesení, tak důlně indukované jevy. Přirozená zemětřesení jsou monitorována třemi provozovanými solitérními stanicemi a stanicí Ostrava – Krásné Pole (patřící do České regionální seizmické sítě), jež je provozována ve spolupráci s VŠB-TU Ostrava. Interpretovaná data jsou předávána do centra České národní seizmické sítě a jsou k dispozici na webu Ústavu geoniky. Cílem monitoringu je získat informace pro stanovení seizmického režimu severní Moravy. Interpretace dat probíhají v kooperaci s Geofyzikálním ústavem AVČR, Ústavem fyziky Země MU Brno a VŠB-TU Ostrava.

Důlně indukovaná seizmicita z karvinské oblasti je monitorována povrchovými stanicemi. Cílem je přispět ke stanovení vibrací vyvolaných těžbou, experimentálně a výpočty prozkoumat dynamické chování technologických konstrukcí a staveb vystavených nestacionárnímu dynamickému zatížení technickou seizmicitou. Součástí výzkumů na Karvinsku je stanovení vlivu lokální geologie na velikost vibračních projevů na povrchu.

Aktivita je provozována v rámci Velké infrastruktury výzkumu CzechGeo/EPOS – Distribuovaný systém observatorních a terénních měření geofyzikálních polí v České republice.

Vývoj přístrojového vybavení, metod měření a monitoringu. S výzkumem souvisí vývoj speciálních přístrojů – kuželové sondy pro měření napětí metodou Compact Conical Borehole Overcoring (CCBO) and Monitoring (CCBM), seizmometru pro měření rotační složky seizmických otřesů, metod jejich využití a interpretace měření (mj. užití waveletové transformace v seizmologii).

V historickém Dole Jeroným (u Sokolova) je budován distribuovaný měřicí systém (DMS) s cílem přispět ke studiu geomechanických a geotechnických parametrů hornin a horninových struktur. Výsledným efektem je posouzení stability podzemních prostor, z nichž některé jsou datovány do 16. století. DMS umožňuje měření:

  • seizmického zatížení,
  • změn úrovně hladin důlních vod v zatopených prostorách,
  • fyzikálních vlastností důlních vod,
  • rozevírání puklin bloků horninového masivu, konvergencí, změn geometrie důlních děl (deformace komor) a změn tenzoru napjatosti horninového masivu.

Využití rentgenové počítačové tomografie pro studium hornin a geomateriálů. Nově, v rámci již zmíněného projektu ICT, bylo na Oddělení geomechaniky a báňského výzkumu založeno a vybudováno pracoviště rentgenové počítačové tomografie. Pracoviště je vybaveno dvěma průmyslovými RTG počítačovými tomografy od fy Nikon Metrology (dříve X-Tek Systems Ltd) umožňující přesnou analýzu a studium vnitřní stavby materiálů. Menší systém XTH 225 pracuje s energií / výkonem RTG zdroje do 225 keV / 225 W a skenované objekty mohou být až o průměru a výšce 0,5 m a vahou do 50 kg. Větší systém XTH 450 2D/3D pracuje s energií / výkonem do 450 keV / 640 W. Toto zařízení je schopno pojmout vzorek o průměru 0,6 m, resp. výšky 0,8 m dosahující hmotnosti až 100 kg. V obou zařízeních jsou plošné detektory s uspořádáním 2000 x 2000 pixelů. Větší ze systémů navíc disponuje liniovým detektorem.

Výzkum s využitím CT bude zaměřen na:

  • studium deformace a způsob porušování geomateriálů v závislosti na jejich stavbě, struktuře a způsobu zatěžování,
  • studium proudění kapalin a plynů v geomateriálech v souvislosti s hydraulickými vlastnostmi a rozložení pórového prostoru,
  • studium interakce geomateriálů při svorníkování, injektáži, proudění CO2 v materiálech apod.
  • určení prostorové charakterizace stavby a struktury geomateriálů (určení porosity, analýza velikosti zrn a jejich zastoupení v geomateriálech, vizualizace vnitřní stavby,
  • popis mikrostruktury pro následné matematické modelování procesů v mikrostruktuře a upscaling.

Vzhledem k navržené technické specifikaci CT systémů se nabízí i široké využití v defektoskopii materiálů (ocel, slitiny), kontrole strojírenských součástí apod. Dané zařízení lze využívat rovněž ke studiu biologických materiálů, zkamenělin, ale i v archeologii apod.

Hlavní vědecké a aplikační výsledky

Napěťové pole v hornoslezské uhelné pánvi. Podařilo se vytvořit unikátní soubor měření horizontálních napětí v české části hornoslezské pánve a získány poznatky o anizotropii napětí (σH ≈ σV, σh ≈ 0,5-0,6 σV), orientaci ovlivněné nejen významnými tektonickými poruchami, ale i vrásovými strukturami. Potvrzuje se silný vliv původních tektonických variských napětí, ale i vliv napěťových a deformačních procesů vyvolaných alpinským vrásněním při nasouvaní karpatských příkrovů na konsolidovanou platformu Českého masivu. Tento vliv je větší, než se dosud předpokládalo. To mění do určité míry pohled na význam a uplatnění tektonických napětí v OKR a upřesňuje znalost napěťových poměrů na styku dvou evropských geotektonických jednotek, Českého masivu a Karpat.

Konstrukce a použití kuželové tenzometrické sondy. Na základě ideové spolupráce s prof. Obarou (Kumamoto University, Japonsko) byla na ústavu vyvinuta koncepčně zcela nová aparatura pro měření napětí kuželovou sondou a to ve variantách měření absolutní velikosti napětí metodou odlehčeného vrtného jádra (CCBO) a měření změn napětí CCBM). Pomocí tenzometrických měření deformací povrchu dna vrtu ve tvaru kužele, umožňuje uvedená sonda získat dostatek informací pro následný numerický výpočet celého tenzoru napětí (jinak je vyžadováno měření ve dvou nerovnoběžných vrtech). Navržená metodika byla mnohokrát úspěšně aplikována a odzkoušena. Při dlouhodobém sledování deformací byla také indikována složka reologické plouživé deformace horninového materiálu. Hardwarové a softwarové vybavení také umožňuje pracovat v různých režimech sledování, od jednotlivých měření až po kontinuální resp. semikontinuální autonomní měření s možností připojení koncentrátoru dat, nebo využít obousměrný dálkový přenos dat např. prostřednictvím GSM nebo Internetu.

3D model zemské kůry v moravsko-slezské oblasti - analýza mikroseizmů. Vypracování modelu vychází z dostupných seizmických dat, získaných při měřeních na mezinárodních seizmických profilech a s využitím lokální sítě provozované Ústavem geoniky. Jako zdroje seizmických vln byly využívány odstřely v kamenolomech, otřesy indukované těžbou v OKR a přirozená mikrozemětřesení. Inverze dat je založena na 3D seizmické tomografii využívající výhradně P-vln, ale současně zahrnuje i relokalizaci mikrozemětřesení, při které jsou využívány jak P-vlny, tak i S-vlny. Aplikaci nového rychlostního modelu lze využít:

  • při lokalizaci vybraných mikrozemětřesení,
  • při stanovování mechanizmu vzniku tektonických jevů,
  • při extrapolaci povrchových geologických struktur směrem do hloubky,
  • při korelaci mezi rychlostmi šíření seizmických vln a mezi dalšími parametry geologického prostředí.

Zmíněný rychlostní model je v zásadě prvním prostorovým modelem, který byl sestaven pro území, které zahrnuje větší část Moravy, Slezsko a část severovýchodních Čech.

Interpretace seizmických dat z regionální sítě provozované ústavem byly využity i k analýze vzniku sekundárních (dlouhoperiodických) mikroseizmů vyvolaných vichřicemi (Kyrill a Emma), či odezvami silných světových zemětřesení (v Tohoku 2011, Chile 2010 a na Sumatře 2010).

Sledování a hodnocení vývoje poklesové kotliny. Pohyby a deformace nadložních vrstev a následně povrchu, ke kterým při hlubinném dobývání ložisek nerostných surovin dochází, vždy negativně působí jak na zmíněný povrch, tak na objekty s ním spojené. Pro lepší pochopení probíhajících procesů, resp. jejich následků byla po dobu několika let studována vybraná těžebně aktivní oblast v české části hornoslezské pánve vyznačující, se zejména různorodou, místy dosti komplikovanou, geologickou stavbou. Využitím globálních družicových polohových systémů, konkrétně systému GPS, bylo možné pravidelně získávat informace o postupné změně prostorové pozice sledovaných bodů nově vybudované pozorovací stanice v této lokalitě. Tím se podařilo zaznamenat reálné prostorové změny povrchu nejen během samotné těžby, ale také v obdobích mezi těžbou jednotlivých porubů a během konečného období po ukončení všech těžebních aktivit. Pro získání doplňujících informací o vývoji pohybů a deformací v širším kontextu studované oblasti bylo využito metod dálkového průzkumu Země (letecké fotogrammetrie a okrajově radarové interferometrie).

Provedená komplexní studie reálných časoprostorových změn poddolovaného území shrnuje nové poznatky využití moderních prostředků geoinformatiky během jednotlivých fází studia vlivů hlubinného dobývání nerostných surovin na povrch. Přináší rovněž nové přístupy řešení dané problematiky a naznačuje možné směry vývoje v této oblasti do budoucna.

Hodnocení účinnosti bezvýlomových trhacích prací pro uvolnění napětí v horninovém masivu. Důlní otřesy představují jeden s nejnebezpečnějších fenoménů vystupujících při dobývání černého uhlí v české části hornoslezské uhelné pánve. Bezvýlomové trhací práce patří v těchto podmínkách k nejdůležitějším aktivním protiotřesovým opatřením. Seizmický efekt (jako indikátor uvolnění napětí) představuje poměr registrované seizmické energie k ekvivalentu seizmické energie odpovídající hmotnosti odpálené nálože trhaviny. Výzkum představuje analýzu velkého souboru dat z cca 900 bezvýlomových trhacích prací a dat seizmologického monitoringu získaných v letech 2000 - 2008. Je prezentován nový resp. verifikovaný systém hodnocení účinnosti bezvýlomových trhacích prací při použití registrované seizmické energie a magnituda.

Studium seizmických účinků v závislosti na místních geologických podmínkách. Intenzita důlně indukované seizmicity je dána především stavem masivu, který je ovlivňován současnými i předchozími těžebními aktivitami. Na povrchu nad poddolovaným územím dochází po vzniku důlně indukovaného seizmického jevu k vibračním projevům, které jsou výsledkem působení zdrojových parametrů seizmického jevu a fyzikálních parametrů hornin v místě měření. K posouzení vlivu byla realizována měření seizmických účinků na dvou stanovištích (s příznivými a též nepříznivými základovými podmínkami). Rovněž byly provedeny modelové výpočty deformační odezvy zeminového prostředí v závislosti na lokální geologické stavbě a hloubce hladiny podzemní vody pod povrchem. Dále byl simulován vliv reálně monitorovaného důlně indukovaného seizmického zatížení z oblasti Karvinska (maximální amplituda rychlosti 25 mm/s). Zatímco změna mocnosti kvartérních sedimentů v rozmezí 2,5 – 11,5 m se v modelech téměř neprojevila, změna mocnosti terciérních sedimentů v rozmezí 25 – 70 m prokázala změny v charakteru časového vývoje signálu a též v maximálních hodnotách vibrací. Významný vliv prokázaly také výpočty uvažující změny výšky hladiny pozemních vod.

Úprava kyvadlového seizmometru S-5-S pro měření rotační složky seizmických vibrací. Pro registraci rotačních kmitů byl adaptován ruský seizmometr S-5-S, který je kyvadlového typu (Mass-on-Rod Pendulum). Měřicí a tlumicí elektrodynamické měniče jsou instalovány na nesymetrické dvouramenné páce, jejíž osa otáčení je realizovaná křížovým závěsem z plochých per. Kyvadlo je v rovnovážné poloze udržováno astazovaným pružinovým závěsem. Při úpravě pro snímání rotačních kmitů je odstraněn pružinový závěs a na kratší stranu páky je přidáno závaží, pomocí něhož je kyvadlo vyváženo tak, aby těžiště celkové hmoty leželo v ose otáčení. Na křížový pérový závěs je instalován tenzometrický snímač polohy kyvadla. Dynamické parametry upraveného kyvadlového systému, tj. vlastní perioda a tlumení, jsou nastaveny pomoci zpětných vazeb, na základě signálu z měniče úhlové rychlosti a tenzometrického snímače polohy kyvadla.

Metodický návod pro navrhování a používání vysokého kotvení pro stabilizaci důlních děl v OKR. Vysoké kotvení je způsob zesílení výztuže porubních chodeb vybavených především podpěrnou výztuží, kdy pomocí lanových nebo pramencových kotev délky obvykle 4 m až 9 m, někdy i 12 m, se síly zatěžující výztuž přenášejí hlouběji do horského masivu. Horský masiv se tak stává součástí konstrukce zajišťující stabilitu důlního díla. Vypracovaný metodický návod umožňuje na základě výpočtu vycházejícího z fyzikálního modelu působení sil v okolí důlního díla dimenzovat jednotlivé parametry vysokého kotvení, zejména tedy únosnost, hustotu kotev dané nosnosti a potřebnou délku kotev. Parametry zesílení výztuže a příslušný vypočet je řešen pro: přitížení v důsledku působení předporubních tlaků, přitížení při průchodu stěnového porubu, zesílení odpovídající náhradě středních stojek budovaných v důsledku legislativních požadavků na vedení vybraných důlních děl (chodby u některých porubů ve třetím stupni nebezpečí otřesů apod.), při eliminaci vlivu lokálních přitížení z dalších příčin (nadrubání důlních děl, působení hran nevýrubů, při dynamických jevech v masivu apod.).

Optimalizace časoprostorového postupu dobývání porubních bloků s využitím matematického modelování napěťových poměrů, zejména ve slojích ohrožených důlními otřesy. Napěťová pole ve slojích, v nichž jsou vedeny jednotlivé poruby, jsou determinována jednak primárním napěťovým stavem a geologickou stavbou, jednak historií vedení okolních důlních děl. Pro zhodnocení indukovaných napěťových polí bylo použito matematické modelování, které umožnilo kvantifikovat indukovaná napěťová pole v závislosti na vzájemném situování odrubávaných porubních bloků.

Ukázalo se, že je možné specifikovat rizikové situace vyplývající z nevhodného časoprostorového vedení porubu, a tudíž se jim při projektování postupu dobývání vyvarovat. Na základě vyhodnocení vybraných situací bylo možno přistoupit k zobecnění výsledků, což přispělo k formulaci zásad pro vedení důlních děl a situování porubů ve vymezených částech slojí, které zamezují nebo alespoň omezují nepříznivé koncentrace napětí, vedoucí v kritických případech i důlním otřesům.

Posouzení technické seizmicity při vedení mělkých podzemních děl v městské zástavbě. Realizace mělkých důlních děl souvisí s výstavbou komunikací, komunikačních sítí, kolektorů, podzemních garáží a dalších stavebních objektů. Vedení důlních děl v malých hloubkách je spojeno mimo jiné s vyvoláním vibrací v okolí stavby. Při výzkumu bylo analyzováno seizmické vlnění indukované při vedení mělkých podzemních děl a vliv této seizmicity na povrchovou zástavbu. K nejvýznamnějším projevům při takových ražbách patří především trhací práce, ale i další technická seizmicita – beranění pilot, používání vibračního válce, apod. Posuzován byl také vliv technické seizmicity z povrchu na vznikající, či existující důlní dílo. Současně byly analyzovány příčiny ovlivňující velikost seizmických projevů.

Návrh legislativních úprav báňských předpisů v rámci vyhlášky ČBÚ 659/2008 Sb. Byly navrženy úpravy legislativních norem, které řeší:

  • problematiku plánování a projektování vedení dlouhých důlních děl,
  • postup vyhodnocování výsledků seizmického monitorování se zaměřením na výškovou souřadnici 'Z' ohniskové oblasti seizmických jevů,
  • použití bezvýlomové trhací práce s následným zavlažením průvodních hornin přes odpálené vývrty.

Směrnice pro projektování a vyztužování porubních chodeb určených k dvojímu použití. Idea dvojího využití porubních chodeb spočívá v tom, že se těžní chodba dobývaného bloku s postupem porubu řízeně nezavaluje, ale udržuje tak, aby po ukončení dobývání tohoto bloku mohla sloužit jako výdušná chodba následujícího bloku. Tímto postupem se eliminují meziblokové pilíře a současně se podstatně zkracuje doba potřebná na přípravu následného porubního bloku. Provedená analýza geologických a geomechanických poměrů v OKR ve vybraných lokalitách umožňuje zhodnotit vhodnost nasazení a specifikovat opatření pro úspěšné využití této technologie. Byl vypracován původní legislativní podklad Směrnice pro projektování a vyztužování porubních chodeb určených k dvojímu použití, která již byla akceptována Obvodním báňským úřadem v Ostravě, a která na základě geomechanické analýzy problému stanoví pravidla pro navrhování a realizaci kombinované výztuže – to je výztuže svorníkové a ocelové obloukové výztuže - která má být v chodbách pro dvojí použití aplikována.

Další informace