Problematika výstavby a možnosti realizací protivýbuchových a uzavíracích hrází v OKR - Česká republika

1. Problematika požáru a rizika výbuchu v hornictví

Důlní požáry jsou velmi významných zdrojem nebezpečí v podzemí. Mohou být také iniciátorem
výbuchu. Zplodiny požáru mohou vytvářet nebezpečnou explozivní směs na plynujících i na neplynujících dolech nebo v obdobných prostorách.

V rámci možnosti vzniku požáru v podzemí můžeme rozdělit důlní požáry dle vzniku:

• z vnějších příčin – exogenní požáry
• z vnitřních příčin – endogenní požáry

V zásadě jsou výbuchy prudkými oxidačními procesy, u kterých musí být zachovány tři
základní podmínky hoření.

Podmínky výbušnosti:

• přítomnost výbušné směsi
• dostatek kyslíku
• zápalná teplota

V dolech jsou nejčastější výbuchy metanu, méně časté potom výbuchy uhelného prachu, ale také výbuchy plynných směsí obsažených v požárních zplodinách.

Vytvoření či nahromadění výbušných materiálů má různé příčiny (např. nedostatečné odvětráním trvale se uvolňujícího plynu, nebo jeho náhlé proniknutím ve větším množství do důlních děl). Vytvoření výbušné koncentrace uhelného prachu je možné jen zpravidla prudkým rozvířením usazeného uhelného prachu předcházejícím výbuchem plynu, ale také trhací prací, případně náhlým uvolněním značné pohybové energie (zával, otřes, nehoda při dopravě apod.). Iniciací výbuchu výbušné směsi může být otevřený plamen, elektrická jiskra, frikční jiskra, trhací práce nebo vysoké zahřátí pohybujících se částí strojů.

2. Metody likvidace požáru a typy opatření proti vzniku požáru

Abychom zamezili vzniku požáru nebo výbuchu, je potřeba přijmout určitá opatření. Ta je možné rozdělit na aktivní a pasivní.
Aktivní opatření:

• kontrola koncentrace ovzduší
• eliminace četnosti rizikové činnosti v prostoru a čase
• umělé větrání
• inertizace potenciálního ohniska inertním plynem,(N2 a CO2)
• inertizace uhelného prachu inertním prachem
• těsnící nástřiky a injektáže inhibitory
• vyloučení iniciačního zdroje

Pasivní opatření:

• uvolnění exploze do volného prostoru (pozn. nelze provést v otevřených systémech hornické činnosti.)
• automatické potlačení exploze (pozn. neprovádí se při hornické činnosti.)
• zabránění přenosu exploze

Přímou likvidaci požáru aktivním zásahem je působení na ohnisko požáru, díky kterému dochází ke snižování teploty, odebírání hořlavin nebo odejmutí kyslíku.

Nelze-li uhasit požár přímým zásahem nebo by to bylo nebezpečné pro záchranné čety, přistupuje se k nepřímé likvidaci požáru. Principem této metody je zabránění přístupu vzdušného kyslíku do požářiště. V praxi to znamená výstavbu těsných výbuchuvzdorných uzavíracích hrází, které zamezí pronikání ovzduší bohatého na kyslík do požářiště a ochránilo okolní pracoviště a přístupové chodby od účinků případné výbuchové vlny.

3. Typy a způsob výstavby uzavíracích a protivýbuchových hrází

Špalíkové (kulatinové) hráze. Tento typ hrází je stále používán v ekonomických slabších státech.

Hráze ze zakládkového kamene. Jedná se o historický typ hráze ze zakládkového kamene.

Pytlové hráze. Uzavírací pytlové hráze lze v dole použít pro zdolávání havárií pro rychlé, výbuchu vzdorné a těsné uzavření ohroženého prostoru.

Hráze betonové. Pro stavbu betonové hráze se používá monolitického betonu min. třídy B 15. Hráz musí být ukotvena do záseku po celém obvodu důlního díla. Klínový nebo obdélníkový zásek se zřizuje na neporušenou horninu nebo uhelný pilíř. Hloubka záseku se stanoví s ohledem na pevnost horniny v místě zapuštění, nejméně však 50 cm. [1]

Hráze zděné. Zděná hráz může být tvořena cihlami nebo tvárnicemi betonovými nebo ze škvárobetonu o minimální pevnosti v tlaku 20 MPa. Cementová nebo vápenoce-mentová malta musí mít pevnost v tlaku minimálně 10 MPa. Mohou být použity cihly a tvárnice z jiných materiálů, ale musí být odzkoušeny na odolnost hráze proti výbuchu [1]

Plavené popílkové hráze. Pro stavbu plavené hráze musí být použita směs popílku a vody, směs popílku, vody a cementu, přičemž hmotnostní poměr popílku a cementu je 4:1 až 1:1, jiné materiály, pokud byly odzkoušeny na odolnost hráze proti výbuchu [1,2]. Plavenou popílkovou hráz lze považovat za výbuchuvzdornou nejprve za 2 měsíce po dokončení její stavby.

1 - čelní peření
2 - zadní peření
3 - kontrolní potrubí
4 - plavicí potrubí
5 - výlom ve stropu
6 - průlez
7 - odběrové potrubí
8 - odvodňovací potrubí
9 -zásek po obvodu důlního díla

Obr. č. 1 Příklad popílkocementové hráze v důlním díle s ocelovou obloukovou výztuží

4. Hráze z rychle tuhnoucích hmot

Pro stavbu hráze z rychle tuhnoucích nebo speciálních hmot se používá sádry nebo jiných materiálů, které byly odzkoušeny na odolnost hráze proti výbuchu.

Nejmenší tloušťka hráze se řešila na základě matematického modelování, laboratorního ověření pevnostních vlastností hmot a praktických zkoušek výbuchovzdornosti na pokusné štole. Byl vypracován metodický postup, který je součástí Instrukce č. 1/2003 HBZS a jejího doplňku nebo je stanoven expertním posudkem znalce v oboru stavebních konstrukcí[2,5].

Sádrové hráze

Tento druh hráze se zřizuje sádrou dopravovanou mezi dvojici opěrných peření pomocí sádrovacího adregátu. Velikost hráze je stanovována na základě pevnosti v prostém tlaku po 2 hod u použitého typu sádry maximálního rozměru díla. Pro praktické zjednodušení stanovování rozměrů insitu jsou Instrukcí 1/2003 stanoveny pracovní nomogramy [2].

Hráze z rychle tuhnoucích a speciálních hmot

Způsob výstavby protivýbuchových hrází z rychle tuhnoucích popílko-cementových směsí je určen několika faktory. Především jde o hustotu směsi v okamžiku jejího výstřiku do tělesa hráze a následně rychlost tuhnutí.

Riziko úniku je na úkor rozlevnosti při plnění hráze velmi vysoké. Je nutné provádět důsledné obvodové těsnění. Plocha peření se pokrývá filtrační tkaninou umožňující tělesu hráze „dýchat" při dozrávání.

Jsou používány speciální betonové směsi s urychleným zráním, které jsou výbuchuvzdorné již po 24 hodinách a dále dozrávají na pevnostní parametry průvodních hornin. Tyto mají obrácené požadavky na způsob provedení konstrukce opěrných peření. Na pokusné štole byl testován systém havarijního plnění tělesa hráze dvojicí čerpadel MONO WT 820 S (Minova Ekochem) s hmotami Ekobet a Adibet W 30ES. Speciální betonové směsi vyžadují vyšší nároky na meziosovou vzdálenost stojek – 0,8 m a kvalitu použitých odkorů či desek. [3]

5. Výsledky vývoje a typické parametry používaných uzavíracích a protivýbuchových hrází v OKD, a.s.

Plavené popílkové hráze

V praxi jde o nejrozšířenější typ výbuchuvzdorné hráze. Jako základní surovina je používán fluidní popílek, který je tuhým zbytkem po spalování uhlí často s příměsemi vápence. Po smísení s vodou vzniká stabilizát. Protože vodní součinitel se mění v závislosti od typu popílku a dopravní vzdálenosti a sorpce vody stabilizátu je různá, jsou také výsledné pevnosti hrází různé. Rychlost narůstání pevnosti je dána filtračními schopnostmi tělesa hráze – předního a zadního peření a především obsahem volného CaO.

V ideálních podmínkách lze naměřit již po 24 hod pevnost v prostém tlaku na hodnotách okolo 1 MPa. Po 28 dnech může pevnost dosahovat až 3 MPa. [3] Částečný vliv dozrávání stabilizátu je dán také mikroklimatickými podmínkami, schopnosti odpařování vody z tělesa hráze do okolního prostředí a naopak zpětně sorpcí vodních přítoků a vlhkosti z prostředí. Z těchto důvodů je vyhláškou ČBÚ č.4/1994 Sb. v §17 Uzavírací hráz plavená považována za výbuchuvzdornou až po 2 měsících po dokončení její výstavby. Pro účely dimenzování se ovšem používá parametr pevnosti v prostém tlaku po 28 dnech.

Z důvodů fitrace a odpařování vody do prostředí se objem tělesa hráze musí vícenásobně doplavovat, Teprve po tomto dotlakování vrchlíku tělesa hráze lze hovořit o ukončení stavby a začátku doby 2 měsíců zrání k prohlášení tělesa hráze za výbuchuvzdornou hráz. Tzn., že takovéto typy hrází nelze používat jindy než v podmínkách bez rizika probíhající havárie, výskytu CO ve vzorcích vzdušin.

Hráze z rychle tuhnoucích hmot

Sádrové hráze

Tento druh hráze se vyvinul na základě požadavku HBZS jako náhrada pracně budovaných pytlových a kulakových hrází. Cílem bylo zvýšení těsnosti a zkrácení doby realizace výstavby uzavírací vúbuchuvzdorné hráze v havarijních podmínkách. Konstrukce tělesa hráze v porovnání s popílkovými hrázemi se zjednodušila z důvodu rychlosti tuhnutí. Po první hodině tuhnutí sádra již dosahuje okolo 80% koncové pevnosti v prostém tlaku.

Velkou výhodou sádrových hrází je počátek a rychlost tuhnutí, přilnavost sádry a její rozpínavost při tuhnutí. Z pohledu tepelně izolačních je do doby vypaření hygroskopické vody také dobrým izolantem, čímž garantuje svou ohnivzdornost. Nevýhodou je naopak omezená doba a podmínky skladovatelnosti suché práškové směsi a rizika související s nedodržením vodního součinitele.

Hráze z popílkocementových směsí

S léty důlně-záchranářské praxe a vývoje stavebních hmot vznikl požadavek na možnost zvýšení rychlosti stavby uzavíracích výbuchuvzdorných hrází v havarijním režimu dolů. Za limitující byl shledán faktor času potřebný k přepravě desítek tun sádry na místo stavby v podzemí. Byly stanoveny tyto požadavky:

1. Odstranění nedostatků stávajících hrází: Např. časová náročnost stavby; netěsnost stávajících materiálů (sádra), problematická rozebíratelnost; ekonomika. [4]
2. Stanovení požadavků na stavbu hrází: Odolnost proti tlaku výbuchu 1 MPa; stanovení čekací doby tuhnutí hmot, kdy je hráz odolná proti výbuchu min. 2 hod., max. 8 hod.; stanovení optimální délky hráze v návaznosti na délku průlezových tahů, jejich průměr a armaturu.
3. Stanovení požadavků na technologii a stavbu opěrných peření z hlediska ochrany zasahujících báňských záchranářů.
4. Analýza pevnostních a technologických charakteristik nových rychletuhnoucích hmot .

Výsledkem byla nová technologie výstavby výbuchuvzdorných hrází za pomocí lehkých rychletuhnoucích betonových směsí Tekblend H a Izolitex C. [4]. Pro posouzení bezpečnosti staveb uzavíracích hrází nového typu byly provedeny nejen praktické zkoušky výbuchuvzdornosti na pokusných štolách, ale především matematické 3D modely. Praxe prokázala vhodnost používání lehkých cementových směsí jako náhrady sádry. Těleso hráze je rozebíratelné řezáním řetězovou pilou, sbíjecími kladivy či pomocí trhací práce. Nevýhodou je, že nelze provádět přerušovaná plnění, omezená dopravní vzdálenost a výbuchuvzdornost nastávající až po 8 hodinách. Také doba plnění šnekovými čerpadly je 2-3 krát vyšší než u sádrovacích agregátů. Významnou výhodou je především těsnost hráze, rozlevnost materiálu, přídržnost k hornině a objemová stálost.

Hráze na bázi cementových směsí

Přetrvávajících nedostatky staveb výbuchuvzdorných hrází ze sádry a popíl-kocementových směsí se podařilo odstranit teprve s vývojem nového typu směšovacích a dopravních čerpacích zařízení umožňujících práci se směsmi o nízkém vodním součiniteli při současném zvýšení dopravních vzdáleností.

Dalším nedostatkem limitujícím technologii výstavby byl počátek a rychlost tuhnutí. Z předchozího vývoje byl závěr jednoznačný: „Zmenšit objem tělesa hráze"!.
Vývoj směsných cementů umožňoval volně posouvat počátek a rychlost tuhnutí při za-chování cílové pevnosti v prostém tlaku i ohybu. Jediným limitem zůstala pouze ekonomika – cenový náklad na výrobu rychletuhnoucích cementových směsí. Společnost Minova Bohemia s.r.o. vyvíjela společně s polskou firmou ADI směšovací a čerpací zařízení PUMA a hmoty ADIBET. [3]
Na základě požadavků HBZS, a.s. v Ostravě byly stanoveny nové požadavky na pevnost – tj. blízkou min. pevnosti průvodních hornin, tak aby nedocházelo k poškozování tělesa hráze při působení přídatných tlakových napětí Byla stanovena nová minimální mezní hodnota 20 MPa. Dalším požadavkem bylo zachování možnosti přerušovaného plnění bez použití vnitřních armatur po dobu až 60 minut. Požadované parametry splnilo minerálně-cementové pojivo Ekobet a také ADIBET W 30 ES. [5]

Závěr

Technologie staveb uzavíracích a protivýbuchových hrází prošla v posledních 50 letech několika zásadními generačními obměnami. Průběžně se opouštěly všechny rizikové typy jako hráze ze základkového kamene, pytlové či kulakové. Rozhodujícím faktorem vždy byla rychlost a kvalita provedení stavby. Nově byla vyvinuta výkonná šneková čerpadla, která nahradila pneumatický systém dopravy za hydraulický.

Literatura

1. Vyhláška ČBÚ č. 4/1994 Sb., kterou se stanoví požadavky na provedení a stavbu objektů a zařízení pro rozvod a izolaci větrů a uzavírání důlních děl,
2. ČBÚ – Zpráva o stavu bezpečnosti v hornictví za rok 2009, 2010,2011,2012,2013
3. Vnitřní dokumenty společnosti Minova Bohemia s. r. o.,
4. Grantový projekt ČBÚ č. 48-06 „Navržení nového typu uzavíracích hrází z hlediska konstrukce a použitých materiálů, bezpečnosti pracovníků v hlubinných dolech a v podmínkách podzemního stavitelství"
5. HRUBEŠOVÁ,E., ALDORF,J., ĎURIŠ,L.: Znalecký posudek číslo ZU-FAST 89/2014- Posouzení použití výrobku ADIBET – W30 ES ke stavbě uzavíracích hrází v důlních dílech, včetně matematického modelu s výpočtem limitní tloušťky hráze

Prof.Ing.Vlastimil Hudeček,CSc.,Ing.Petr Urban,Ph.D.,
Ing.Václav Zubíček,Ph.D. - VŠB TU-Ostrava,HGF
Ing.Michaela Pitrunová, Minova Bohemia s.r.o.