Mechanické chování výsypek Jan Najser Mezinárodní vzdělávací projekt udržitelné a efekivní využívání zdrojů číslo projektu: 100246598 TESEUS
Obsah Těžba uhlí v severních Čechách Mechanické vlastnosi a přeměna struktury výsypek Modelování násypu na výsypce v geotechnické centrifuze Interpretace výsledků
Těžba uhlí v severních Čechách
Těžba uhlí v severních Čechách
Terciérní pánve v severních Čechách Sokolovská pánev Chebská pánev Mostecká pánev www.geology.cz
Proil Mosteckou pánví v oblasi lomu Bílina Chlupáč et al., 2002
Historie těžby 15. stol. lokální těžba primiivním způsobem v mělkých jámách 19. stol. rozvoj těžby v důsledku výstavby železnic, průmyslový charakter těžby 20. stol. postupně narůstající význam povrchové těžby Od 40. let dominance povrchové těžby, otvírka prvních velkolomů 70.-80. léta největší produkce (přes 70 mil. tun/rok) 90. léta postupný útlum, zavedení územních limitů Od 2010 stabilní produkce cca 35-40 mil. tun/rok Výhled pokračování těžby do cca 2050 (?) s postupně klesající roční produkcí
Akivní povrchové doly v severních Čechách Mostecká pánev ČSA Povrchové doly v Mostecké pánvi Vršany Bílina Nástup Tušimice Sokolovská pánev Jiří Družba ČSA Vršany Doly Nástup - Tušimice 10 km Bílina
Průběh těžby nadložních jílů 1) Odtěžování pomocí velkorypadel htps://www.stavebni-technika.cz
Průběh těžby nadložních jílů 2) Transport pásovými dopravníky
Průběh těžby nadložních jílů 3) Sypání zakladačem na výsypku
Průběh těžby nadložních jílů Vnitřní výsypka dolu Bílina (srpen 2016) www.mapy.cz
Výsypky povrchových dolů vnější výsypka: vnitřní výsypka: zejména v počáteční fázi těžby nevýhodná varianta v pokročilejší fázi těžby upřednostňovaná varianta z dlouhodobého pohledu výhodnější (stabilita, vodní režim, rozsah dotčeného území)
Mechanické vlastnosi a přeměna struktury výsypek
Dvojí pórovitost výsypek struktura čerstvě nasypané výsypky: hroudy (vnitřní pórovitost) mezery mezi hroudami (makropóry, mezerovitost). důsledkem je vysoká pórovitost výsypek, až 70%
Přeměna struktury POČÁTEČNÍ STAV ( rockill) KONEČNÝ STAV ( rekonsituovaný jíl s relikty hrud)
Přeměna struktury POČÁTEČNÍ STAV ( rockill) smyková pevnost vysoká stlačitelnost- proměnlivá (prostor, čas), riziko kolapsu struktury propustnost vysoká, propojené mezery KONEČNÝ STAV ( rekonsituovaný jíl s relikty hrud) smyková pevnost (Φ cr ) stlačitelnost méně proměnlivá propustnost nízká, uzavření preferenčních cest
Přeměna struktury POČÁTEČNÍ STAV ( rockill) smyková pevnost vysoká stlačitelnost- proměnlivá (prostor, čas), riziko kolapsu struktury propustnost vysoká, propojené mezery KONEČNÝ STAV ( rekonsituovaný jíl s relikty hrud) smyková pevnost (Φ cr ) stlačitelnost rovnoměrná propustnost nízká, uzavření preferenčních cest PŘEMĚNA STRUKTURY: - neodvratný proces - závisí na vlivu vody a napět - může být doprovázen náhlými kolapsy struktury - pevnost, stlačitelnost i propustnost se snižuje - na konci procesu je výrazně homogennější materiál s předvídatelnějším chováním, které je stabilní v čase naším zájmem je proces přeměny urychlit
Nerovnoměrné sedání Ervěnický koridor
verikální napět Přetvárné mechanismy ve výsypce stupeň nasycení zplasizování na kontaktech nárůst pórovitosi drcení, přeuspořádání zrn plasické přetváření, uzavírání makropórů
Modelování násypu na výsypce v geotechnické centrifuze
Dálnice D8 Praha - Drážďany Ústí nad Labem úsek 807/I: 5.9 km přechází území výsypek Kurka, 2005
Pokusné násypy na trase D8 Násyp 1 Násyp 2 Vybudovány na 20 let staré vnitřní výsypce dolu Antonína Zápotockého Mocnost výsypky 25-30 m, výsypka plně nasycená vodou Doba monitoringu: 1998-2001 (násyp 1), 2001-2004 (násyp 2) Monitoring obsahoval proily hydrostaické nivelace, hloubkové referenční značky ve vrtech a měření pórových tlaků
Modelování chování výsypky pod pokusnými násypy Popis chování staré výsypky při zatžení na základě informací z: - terénního monitoringu? - modelování v centrifuze - laboratorních zkoušek - numerického modelování
Princip geotechnické centrifugy Model rotuje v horizontální rovině kolem verikální osy rotace. Velikost napět uvnitř modelu narůstá se zvyšujícím se zrychlením (hodnota g).
Měřítkové zákony (scaling laws) veličina měřítkový zákon (model/ prototyp) zrychlení n rozměry, posuny 1/n napět 1 čas difůzní procesy 1/n 2 (konsolidace) Principem modelování je, že na relaivně malých modelech lze simulovat stejná napět jako v reálné situaci a to v krátkém čase.
Příprava modelu výsypky Hroudy z výsypky vysušené hroudy Zmenšení velikosi motor Vysušení (při 50 C) drtcí deska Podrcení podrcené hroudy Prosévání a míchání na požadovanou zrnitostní distribuci
Příprava modelu výsypky Hroudy z výsypky Zrnitostní distribuce modelu a prototypu: 100 90 Zmenšení velikosi Vysušení (při 50 C) Percentage smaller than 80 70 60 50 40 30 Podrcení 20 10 Prosévání a míchání na požadovanou zrnitostní distribuci 0 0.1 1 10 100 1000 diameter of lumps (mm) 150g - model 150g - prototype in situ distribution 'VCSA' in situ distribution 'MERKUR'
Příprava modelu výsypky Hroudy z výsypky Zmenšení velikosi Vysušení (při 50 C) Podrcení Prosévání a míchání na požadovanou zrnitostní distribuci
Bubnová centrifuga na ETH Zurich
Laserové skenování povrchu modelu 40cm 40cm
Laserové skenování povrchu modelu 200 P1 P2 P3 190 výška modelu (mm) 180 170 160 150 140 doba po vybudování násypu (roky): 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 mm 0.2 0.6 1.4 2.8 4.1 5.4 6.7 7.9 10.5 12.4
Měření pórových tlaků
Sednut modelu výsypky po přitžení násypem s t á ř í v ý s y p k y ( r o k y ) 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 s e d n u t í p o v r c h u v ý s y p k y ( m ) - 6-4 - 2 0 k o n s o l id a c e v ý s y p k y - c e n t r i f u g a s e d n u t í p o p ř it í ž e n í n á s y p e m - c e n t r if u g a s e d n u t í p o p ř it í ž e n í n á s y p e m - p o k u s n ý n á s y p v ý s t a v b a n á s y p u 2
Sednut v hloubkovém proilu pod násypem 0 S e d n u t í ( c m ) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 H l o u b k a - p r o t o t y p ( m ) 5 1 0 1 5 2 0 p o k u s n ý n á s y p m o d e l v c e n t r i f u z e 2 5
Interpretace výsledků
Vysvětlení odlišných výsledků - Zrnitostní distribuce hrud - Zvětrávání v přípovrchové zóně výsypky Hrouda ponořená do vody: Hrouda jílu vystavená 4 cyklům zalit-vysušení: Kostkanová et al., 2014
Ověření numerickým modelováním 0-0. 5 s e d n u t í ( m ) - 1-1. 5-2 N Á S Y P 1 : t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l N Á S Y P 2 : t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l - 2. 5-3 p o k l e s H P V 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 d o b a p o v y b u d o v á n í n á s y p u ( r o k y ) ( a ) s e d n u t í ( m ) s e d n u t í ( m ) 0 5 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 P O P Í L E K 0 5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 K A M E N N Á S A N A C E h lo u b k a ( m ) 1 0 1 5 2 0 N á s y p 1 - t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l V Ý S Y P K A h lo u b k a ( m ) 1 0 1 5 2 0 N á s y p 2 - t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l V Ý S Y P K A 2 5 2 5 3 0 3 0 ( b ) ( c )
Ověření numerickým modelováním 0-0. 5 s e d n u t í ( m ) - 1-1. 5-2 - 2. 5-3 p o k l e s H P V 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 d o b a p o v y b u d o v á n í n á s y p u ( r o k y ) ( a ) N Á S Y P 1 : t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l N Á S Y P 2 : t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l Čerstvá výsypka s e d n u t í ( m ) 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 0 5 P O P Í L E K 15 let stará výsypka 0 5 s e d n u t í ( m ) 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 K A M E N N Á S A N A C E h lo u b k a ( m ) 1 0 1 5 2 0 N á s y p 1 - t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l V Ý S Y P K A h lo u b k a ( m ) 1 0 1 5 2 0 N á s y p 2 - t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l V Ý S Y P K A 2 5 2 5 3 0 3 0 ( b ) ( c )
Ověření numerickým modelováním 0-0. 5 s e d n u t í ( m ) - 1-1. 5-2 - 2. 5-3 p o k l e s H P V N Á S Y P 1 : t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l ( b e z v li v u z v ě t r á v á n í ) n u m. m o d e l v č e t n ě v l iv u z v ě t r á v á n í N Á S Y P 2 : t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l ( b e z v l iv u z v ě t r á v á n í ) n u m. m o d e l v č e t n ě v liv u z v ě t r á v á n í 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 d o b a p o v y b u d o v á n í n á s y p u ( r o k y ) ( a ) s e d n u t í ( m ) s e d n u t í ( m ) 0 5 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 P O P Í L E K 0 5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 K A M E N N Á S A N A C E h lo u b k a ( m ) 1 0 1 5 2 0 2 5 V Ý S Y P K A N á s y p 1 - t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l v č e t n ě v li v u z v ě t r á v á n í n u m. m o d e l ( b e z v l i v u z v ě t r á v á n í ) h lo u b k a ( m ) 1 0 1 5 2 0 2 5 V Ý S Y P K A N á s y p 2 - t e r é n n í d a t a n u m. m o d e l v č e t n ě v l i v u z v ě t r á v á n í n u m. m o d e l ( b e z v l iv u z v ě t r á v á n í ) 3 0 3 0 ( b ) ( c )
Ověření numerickým modelováním Aplikované zmenšení objemu makropórů ve výsypce: % makropórů vyplněných jílem: 1. 2 1 0 % h l o u b k a ( m ) 0. 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 ž á d n ý v l i v z v ě t r á v á n í z a h r n u t í v l i v u z v ě t r á v á n í ( n á s y p 1 ) z a h r n u t í v l i v u z v ě t r á v á n í ( n á s y p 2 ) 0 5 % v y p l n ě n ý c h m a k r o p ó r ů 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 n á s y p 1 n á s y p 2 l n v ( - ) 0. 8 0. 6 1 0 0 % h l o u b k a ( m ) 1 0 1 5 0. 4 2 0 0. 2 % m a k r o p ó r ů v y p ln ě n ý c h jí le m - 2 0 2 4 6 8 1 0 l n ( p ') 2 5
Závěr Výsypky představují složité prostředí z pohledu zakládání staveb (kombinace nepříznivé zeminy a struktury, která dlouhodobě ovlivňuje její chování. Kombinace terénního měření (monitoringu), fyzikálního modelování, laboratorních zkoušek a numerického modelování umožnila ideniikovat procesy ovlivňující stlačitelnost. Stlačitelnost je zásadně ovlivněna mezerovitost výsypky. Informace o počáteční hodnotě mezerovitosi jsou nedostatečné. Mezerovitost postupně degraduje jako důsledek zvětrávacích procesů a napět ve výsypce. Při plánování staveb na výsypkách je třeba mezerovitost minimalizovat, aby bylo chování výsypek více předvídatelné.
Děkuji za pozornost