Je možné předpovědět důlní otřes ?

Na otázku zda je možno předpovědět důlní otřes lze odpovědět následovně. Zatím se to nikomu nepodařilo ale to neznamená že to bude jednou možné. Pro předpovídání důlních otřesů byla v ostravsko-karvinském uhelném revíru zkoušena řada metod. Jsou to zejména: měření vývinu plynů radonu a metanu, metoda odlehčeného vrtného jádra, měření elektrického odporu hornin, metoda elektromagnetické indukce, měření tlaku ve vrtech a v hydraulickém obvodu mechanizované výztuže, metoda vrtných testů a obdoba této metody kontrola tyčí na svíraní ve vrtech a jiné. Běžně se v současné době uplatňují metody seismoakustického a seismologického pozorování a to přibližně asi třicet let. Dosud se těmito metodami důlní otřes nepodařilo předpovědět. Ve svém článku bych se chtěl zmínit o metodě kontinuálního měření konvergence, o které jsem přesvědčen že by bylo možno touto metodou důlní otřes předpovědět. Pro prognózu neboli předpověď důlních otřesů má význam měření především svislé konvergence. Jak je všeobecně známo, je to měření zmenšování vzdálenosti mezi stropem a počvou důlního díla obvykle chodby nebo překopu. Přitom konvergenci můžeme měřit periodicky nebo kontinuálně. Periodická měření probíhají v časových intervalech a to např. jednou denně nebo týdně, měsíčně apod. Je třeba zdůraznit, že toto měření pro prognózu důlních otřesů nemá žádný význam. Jedině kontinuální tj. průběžné měření konvergence pomocí konvergometrů, které zachycuje stav konvergence v každém okamžiku má jisté předpoklady předpovědět důlní otřes. Přitom nerozhoduje naměřená velikost neboli hodnota konvergence ale její průběh tj. její změna v čase zvláště pak zrychlení případně zpomalení, to se označuje jako rychlost konvergence. Myšlenka měřit konvergenci průběžně je velmi stará. Již před padesáti lety byly sestrojeny jednoduché mechanické registrační přístroje pro měření konvergence s hodinovým strojkem jak je znázorněno na obr.1 a uvedeno v literatuře/1/.

Poznatky z kladenského revíru

První známé kontinuální konvergenční měření zaměřené na prognózu důlních otřesů bylo uskutečněno v kladenském uhelném revíru pracovníky Ústavu geologie a geotechniky ČSAV v Praze/2/,/3/. Jak je zachyceno na obr.2, měřilo se mechanickými a elektromechanickými konvergometry s přesností jedné desetiny milimetru. U mechanických konvergometrů se konvergence přenášela pákovým mechanizmem na ručičku zapisovače a ten rydlem zaznamenával konvergenci na voskový papír připevněném na bubínku, kterým otáčel hodinový strojek. U elekromechanických konvergometrů pak ručička pákového mechanizmu pojížděla po elektrickém odporu a hodnoty elektrického proudu byly přenášeny do ústředny v dole nebo na povrchu. Měřilo se v hlavní kladenské sloji v předpolí porubů na chodbách. Postupovalo se tak, že se nejdříve sledovala konvergence v neotřesových oblastech a ta se pak porovnávala s konvergencí, kde docházelo k otřesům. Konvergence v neotřesových oblastech byla celkem plynulá s postupným nárůstem. Konvergence z otřesových oblastí, kde v nadloží sloje byly mocné vrstvy pískovců a slepenců, se vyznačovala nepravidelností a náhlými změnami souvisejícími s porušováním nadloží a se vznikem důlních otřesů. V otřesových oblastech bylo zaznamenáno celkem 32 případů sledování, které byly zařazeny do tří skupin a to: 1.skupina Průběh konvergence nebyl ovlivněn důlním otřesem – 5 případů. Měřící stanice byla zřejmě umístěna mimo oblast ovlivněnou otřesem. 2.skupina Nárůst konvergence se projevil v okamžiku důlního otřesu a nebo s určitým zpožděním – 10 případů, jak zachycuje obr.3. Měřící stanice byla pravděpodobně umístěna mimo oblast, kde docházelo k postupnému hromadění napětí před otřesem. 3.skupina Nárůst konvergence se výrazně projevil dvě až deset hodin, vyjímečně dvacet před okamžikem vzniku důlního otřesu a to v 17ti případech – obr.4. V tomto případě se předpokládalo, že se měřilo v místě, kde docházelo k postupnému hromadění napětí před otřesem. Je zřejmé, že tato skupina je z hlediska prognózy nejdůležitější a je proto potřebné nalézt způsob, jak toto místo určit. K uváděným převzatým grafům z literatury /2/ a /3/ na obr. 2 a 3, které jsou poněkud nečitelné je třeba dodat, že na svislou osu byly vynášeny hodnoty svislé konvergence od 0 do 1,5mm a na vodorovnou osu hodnoty času od 0 do max. 10hod. Šipka v grafech znázorňuje okamžik důlního otřesu.

Poznatky z pensylvánského revíru

V pensylvánském uhelném revíru v USA se pro zjišťování nebezpečí neřízeného závalu, což je jev podobný otřesu, využívalo kontinuální měření konvergence/4/. Používaly se elektromechanické a také ultrazvukové konvergometry jak zachycuje obr.5. Tyto přístroje automaticky vypočítávaly rychlost konvergence a při dosažení kritické hodnoty varovaly světelným a zvukovým signálem. V literatuře/4/ jsou uváděny dva případy sledování. První je z dolu, kde se dobývalo metodou komora-pilíř. Nadloží bylo postupně tvořeno vrstvou uhlí, jílovce a pak pískovce. Zvýšené hodnoty rychlosti konvergence se objevovaly 30 až 90 minut před neřízeným závalem. V druhém případě se dobývalo směrným stěnováním. Nadloží tvořily vrstvy jílovce a pískovce. Nárůst konvergence bylo možno pozorovat týden až čtrnáct dní před neřízeným závalem. Ve zprávě se také uvádí, že nárůst zvýšených hodnot konvergence je závislý na místních podmínkách a pro každou lokalitu bude zřejmě jiný. To bych také mohl potvrdit z vlastní zkušenosti, kdy jsem pracoval jako havíř v porubu v 10.sloji na Dole Ludvík. Bezprostřední nadloží této sloje bylo tvořeno asi 15m mocnou vrstvou prachovce. Docházelo zde téměř pravidelně co čtrnáct dní k neřízenému závalu. Jeho nebezpečí signalizovala asi 20minut předem zvýšená četnost prokluzů mechanických třecích stojek typu Schwatz.

Poznatky z ostravsko-karvinského revíru

První známé kontinuální měření konvergence uskutečněné v ostravsko-karvinském revíru bylo v porubech pomocí speciálních konvergometrů umístěných na mechanizované výztuži, jak znázorňuje obr.6 a je uvedeno v literatuře/5/. Měřilo se ve slojích sedlových vrstev, kde v převážné většině bylo nadloží tvořeno pevnými pískovcovými vrstvami o větší mocnosti. Bylo zjištěno, že zvýšený nárůst konvergence se objevoval 1 až 2 hodiny před důlním otřesem nebo otřesovým jevem. Asi před 20ti roky jsem řešil výzkumný úkol, který byl zaměřen na možnost prognózy důlních otřesů z kontinuálních konvergenčních měření/6/. Ověřovací provoz se uskutečnil na Dole Doubrava v 37 sloji, jak je znázorněno na obr.7. Bezprostřední nadloží této sloje do výše asi 50ti metrů bylo tvořeno střídajícími se vrstvami jílovců, prachovců a pískovců o mocnosti do 10m a to až po nebilanční sloje 35 a 36. Výše se pak nacházela celistvá vrstva pískovce o mocnosti asi 65m. Vrchní lávka sloje 37 byla zde dobývána dvěma společně postupujícími poruby o průměrné mocnosti 2,7m. Celková mocnost sloje se pohybovala kolem 5,5m. Technologie dobývání ve vrchním porubu, kde se uskutečnilo měření na výdušné chodbě bylo směrné stěnování s mechanizovanou výztuží a foukanou základkou. Již při počátečním postupu porubu byl zaznamenán v oblasti výdušné chodby důlní otřes o intenzitě 4.106 J, který způsobil zvednutí počvy o 1m a deformaci ocelové výztuže chodby v délce 53m. Po tomto otřesu byly instalovány na této chodbě dvě pozorovací stanice pro kontinuální měření svislé konvergence ve staničení 315 a 415m. V každé stanici pro které bylo nutno podél chodby vytvořit výklenky byly umístěny dva elektromechanické konvergometry typu EKT s přesností odečítání jedné desetiny milimetru. Usazení konvergometru zachycuje obr.8. Ocelová trubka upevněná ve stropu pomocí svorníku prochází v konvergometru mezi dvěma pryžovými válečky. Otáčení válečku se pomocí jezdce přenáší na kruhový elektrický odpor, který byl dálkově odčítán. Usazení konvergometru ve výklenku na chodbě zachycuje fotografie na obr.9. K tomuto snímku se váže zvláštní událost. V době jeho pořizování došlo na sousední chodbě vzdálené asi 600m k důlnímu otřesu při plenění ocelové výztuže na chodbě. Mohutné dunivé hřmění se náhle přiblížilo z levé strany, kde k otřesu došlo, pak se třásla celá chodba a následně se ztratilo na opačné straně. Potom následovalo silné praskání v počvě, která byla tvořena uhelnou slojí. Vše trvalo asi 5 až 8 vteřin. Naštěstí chodba, kde jsme snímky pořizovali nebyla poškozena. Z fotografie je zřejmé, že naměřené hodnoty byly přenášeny káblem a to na vzdálenost asi 800m do měřící ústředny, která je zachycena na snímku obr.10, kde byly zaznamenávány. Měření již v počáteční fázi, citlivě reagovalo na vnější podněty a to především v bližší pozorovací stanici k porubu PS 415. Její vzdálenost od porubu byla z počátku 80 a zmenšovala se až na 40m. Na obr. 11 jsou zachyceny vybrané úseky vývoje konvergence na obou pozorovacích stanicích dále pak vzdálenost porubu včetně vyuhlování, otřasná trhací práce a otřesové jevy. Mírné zvýšení konvergence vyvolalo odlehčovací vrtání a otřasná trhací práce v porubu. Výraznější změny až dva milimetry obvykle způsobilo vyuhlování kombajnem. Otřesové jevy o intenzitě 102 až 5.103J se často projevovaly výraznými skoky až dva milimetry. Možnou předpověď těchto jevů znemožňovala skutečnost, jak je zřejmé z grafu na obr.11 že k nim docházelo v době vyuhlování kombajnem a nebo těsně po něm. Takže nelze určit zda nárůst konvergence způsobilo vyuhlování a nebo blížící se otřesový jev. Vyvrcholením sledování byl důlní otřes o energii 3.107J, ke kterému došlo dne 29.3.1988. Předcházely mu významné změny konvergence na obou pozorovacích stanicích. Především to bylo na stanici PS 315, která byla od porubu vzdálená 140m. Zde došlo 5 hodin před otřesem, jak zachycuje obr.11, k výraznému nárůstu konvergence. Křivka nárůstu se nápadně podobala křivkám naměřeným v kladenském revíru. Navíc tento nárůst, jak zachycuje následující obr.12, je tak značný, že nebyl naměřen nejen na této vzdálenější stanici ale nebyl naměřen za celou dobu měření vůbec, dosáhl totiž až 5mm. Na druhé pozorovací stanici PS 415, která byla blíže porubu, což bylo 40m, byly několik dní před otřesem zaznamenány naopak snížené hodnoty konvergence. Také četnost seismologických jevů se výrazně snížila, jak je zřejmé z obr.12. Mimoto byly v porubu zaregistrovány negativní vrtné testy a to 9 hod. před otřesem a následná otřasná trhací práce zde nevyvolala žádné změny. Lze se tedy domnívat, že před otřesem došlo v porubu a v jeho blízkém předpolí k poklesu napětí. Zajímavé je, že zde bylo následně umístěno ohnisko otřesu. Bylo mně několikrát vytýkáno, že nedostatkem záznamu konvergence je, že po otřesu záznam nepokračuje. V okamžiku otřesu došlo totiž k značnému vývinu metanu a relé metanoměru vyplo el. proud v celé oblasti včetně ústředny a záznam byl proto přerušen. Nechápu ale nesmyslnost této námitky. Změny konvergence v okamžiku otřesu a po něm logicky již pro jeho předpověď nemají žádný význam. Na změny konvergence by se dalo usuzovat z měřické dokumentace, jak uvádí následující obr. 13 a 14. Na obou stanicích zcela určitě došlo k náhlému nárůstu konvergence a navíc stanice PS 415 umístěná blíže porubu byla zničena. Otřes až v okamžiku jeho vzniku zaregistrovalo seismoakustické a seismologické měření, kdy dochází již k výraznému porušování hornin. To je pozdě a je to o těchto měřeních všeobecně známé již 30 let. Mohu to potvrdit z vlastní zkušenosti. Pracoval jsem totiž později na středisku geomechaniky na Dole Doubrava, kde jsem se s těmito měřeními blíže seznámil včetně také s aparaturou SAIS. Proč k změnám v měření konvergence před důlním otřesem dochází lze vysvětlit z laboratorní pevnostní zkoušky hornin o vyšší pevnosti v daném případě pískovců znázorněné na obr. 15 a převzatých z literatury/7/. Po počátečním ustálení vzorku v zatěžovacím zařízení dochází k jeho pružným deformacím, které jsou přímo úměrné zatěžovací síle až do meze pružnosti. To lze porovnávat s téměř pravidelným nárůstem konvergence od počátku měření. V následující fázi lze pak zaznamenat pružněpseudoplastické deformace, které dosahují vyšších hodnot v porovnání se zatěžující silou až do meze pevnosti. Ty odpovídají zvýšeným hodnotám konvergence pět hodin před důlním otřesem. V závěrečné rychle probíhající fázi dochází k porušování vzorku až po mez porušení, což je okamžik důlního otřesu. Tyto změny je teprve schopno zaznamenat seismologické a seismoakustické měření. To je pochopitelně pro možnou předpověď otřesu pozdě. Další měření konvergence se uskutečnilo na Dole Čs. armáda v 39sloji ve 3.kře. Uvedená oblast je znázorněna na obr.16 a vyznačovala se tím, že zde došlo v 37c1c2 sloji k největšímu důlnímu otřesu v OKR. Energie otřesu dosáhla údajně 109J a byla při něm zdevastována výdušná chodba porubu v délce asi 300m. Stalo se tak při dobývání zbytkového pilíře při postupu porubu asi 50m od úvodní prorážky. Následně pak bylo rozhodnuto, že se v dobývání pilíře nebude pokračovat a pilíř bude podrubán z 39 sloje. Nadloží 39sloje, jak je zřejmé z řezu na obr. 16, je tvořeno vrstvou prachovců, dále nebilanční slojí 38b, vrstvou pískovce, slojí 37c1c2. Nad touto slojí se nacházejí střídající se vrstvy prachvců a pískovců o celkové mocnosti asi 60m. Výše pak je uložena asi 100m mocná vrstva pískovce, která byla pravděpodobně příčinou uváděného otřesu. Technologie dobývaní v porubu v 39sloji bylo směrné stěnování s foukanou základkou. Měření v Dole Čs. armáda jsem se zúčastnil již jako řadový pracovník a neměl jsem tedy možnost ovlivnit jeho postup a způsob. Během měření jsem si však pořizoval četné záznamy včetně výpisů z počítačů jak je uvedeno dále. Bylo to velmi rozsáhlé a nákladné měření, na kterém se podílelo velmi mnoho pracovníků různých profesí. Měřilo se na porubních chodbách v předpolí porubu a v nadloží na chodbě v 37c1c2 sloji. Na každé chodbě bylo instalováno až 12 pozorovacích stanic ve výklencích, které byly od sebe vzájemně vzdáleny 40m. Konvergometry byly zřejmě elektomechanické, zahraniční výroby, jejich konstrukce se tajila. Naměřená data byla předávána do ústředny v dole a potom digitálně posílána na povrch a zpracovávána počítačem. Přesto, že měření bylo mimořádně rozsáhlé a nákladné, dosažené výsledky nedosáhly úrovně měření v Dole Doubrava a v kladenském revíru, jak lze usoudit z dále předkládaných záznamů konvergence. Na obr.17 je jako příklad uveden podrobný záznam konvergence z chodby v 37c1c2 sloji zpracovaný počítačem. Je třeba dodat, že ostatní záznamy byly pořízeny stejným způsobem. Je to jakási zubatá křivka, kdy k záznamu skokem docházelo až se konvergence zvýšila o 3mm a to po několika dnech v daném případě to bylo 8 až 22. Z průběhu křivky se nedá usuzovat na vyuhlování kombajnem nebo na trhací práci a vůbec ne na nebezpečí blížícího se otřesu. V úvodu přednášky bylo zdůvodněno, že kontinuální měření musí být takové, které zachycuje průběh konvergence v každém okamžiku a ne až po 8mi až 22 dnech. Dále musí být dostatečně citlivé a to alespoň desetinu milimetru a ne 3mm. Nelze vlastně hovořit o průběžném neboli kontinuálním záznamu ale o jakémsi mechanizovaném periodickém záznamu, kdy nevíme co se mezi jednotlivými skoky neboli záznamy konvergence dělo a přitom ani zvýšení konvergence skokem neodpovídá situaci v daném okamžiku. Snažil jsem se alespoň dávat do souvislostí otřesové jevy o energii 106J a celkový průběh konvergence na všech třech chodbách jak je zřejmé z obr. 18, 19 a 20. Je možné pouze pozorovat jakési zvýšení konvergence v okamžiku otřesového jevu. To ale pro prognózu již nemá význam. Celkové hodnocení měření na Dole Čs. armáda je, že nepřineslo žádné nové poznatky a spíše uškodilo této metodě. Řada pracovníků se totiž dodnes na toto měření odvolává s tím,že tato metoda nemá pro prognózu důlních otřesů význam, přitom ale vůbec s výsledky z Dolu Čs. armáda není blíže seznámena. Možná jim také podstata kontinuálního konvergenčního měření není jasná. Tento nevhodný způsob měření údajně ještě pokračoval na dalších dolech OKR.Výzkumné zprávy jsou však nedostupné a výsledky měření nebyly nikde publikovány.

Závěr

Závěrem je třeba dodat, že kontinuální konvergenční měření má tu přednost, že dokáže zaznamenat celý průběh pružné a následně pseudoplastické deformace horského masivu před důlním otřesem. Z tohoto průběhu je pak možno usuzovat na okamžik vzniku otřesu. Podmínkou ale je, že měření bude kontinuální a budou použity konvergometry s dostatečnou přesností a budou vhodně umístěny. Byla učiněna celá řada pokusů, znovu uplatnit kontinuální konvergenční měření pro prognózu důlních otřesů. Byla podána přihláška na udělení grantu, napsáno několik článků a předneseno několik přednášek. Poslední akce se uskutečnila před několika roky, kdy byl na Obvodní báňský úřad v Ostravě podán návrh projektu výzkumu a vývoje, kde bylo na tento problém upozorněno.

Literatura

/1/ ŘÍMAN, A.: Základy mechaniky hornin a důlních tlaků, Statní nakladatelství
technické literatury, Praha 1955

/2/ ROČEK, V.-SKOŘEPOVÁ, J.: Možnost stanovení prognostických parametrů náhlého porušení části horninového masivu z konvergenčních měření in situ, výzkumná zpráva, ÚGG ČSAV Praha 1979

/3/ SKOŘEPOVÁ, J.-ROČEK, V.: Vliv dynamických projevů horninového masivu a důlně technologických faktorů na průběh konvergence, Akta Montana 55, ÚGG ČSAV Praha 1980, s. 209-221

/4/ MALEKI, H.N.-MC VEY, J.R.: Detekcion of Roof Instability by Monitorink the Rate of Movement, Bureau of Mines, Raport of Investigations, 1988

/5/ BUDIRSKÝ,S.: Součinnost mechanizované porubní výztuže s horninovým masivem při dobývání mocných a velmi mocných slojí sedlových vrstev československé části Hornoslezké uhelné pánve, doktorská disertační práce, VŠB Ostrava 1984

/6/ POŽÁR, J.: Sledování projevů napjatosti v závalovém prostoru, dílčí výzkumná zpráva, Vědecko-výzkumný uhelný ústav Ostrava-Radvanice, 1989

/7/ STRAUBE, R. a kol.: Důlní otřesy v karbonském pohoří, Státní nakladatelství technické literatury, Praha 1972