Geomechanika a báňský výzkum

Vybrané projekty


Projekt je zaměřen na posílení mezinárodní spolupráce a rozvoj vědeckých pracovníků z Ústavu geoniky AV ČR. Realizace projektu přispěje k posílení spolupráce se zahraničními výzkumnými organizacemi a jejich vědeckými pracovníky. Uskutečnění jednotlivých mobilit přispěje k rozvoji jak samotných účastníků, tak i pracoviště. Současně lze očekávat vyšší publikační činnost a zapojení ÚGN do řešení mezinárodních projektů.

Cílem projektu je podpora profesního rozvoje začínajících mladých výzkumných pracovníků a prohloubení poznatků již zkušených výzkumných pracovníků, kteří získají na prestižních zahraničních pracovištích nové dovednosti a zahraniční kontakty. V průběhu návratové fáze realizace projektu se počítá s následným předáním získaných zkušeností ostatním pracovníkům ÚGN.

Předpokládanými výstupy budou příprava příspěvku, účast na mezinárodní konferenci a rozvoj spolupráce se zahraniční institucí, tak aby byla zajištěna efektivita vynaložených finančních prostředků. Interní podmínkou realizovaných stáží bude příprava kvalitní odborné publikace na zahraničním pracovišti, která bude vydána v renomovaném zahraničním periodiku.

Celkem bude uskutečněno 6 aktivit, a to: 3 pracovní pobyty výzkumných pracovníků - juniorů v zahraničí a 3 pracovní pobyty výzkumných pracovníků - seniorů v zahraničí s následnou návratovou fází.

Projekt se zabývá řešením problematiky nebezpečí spojené s neočekávanými pohyby zemského povrchu vyvolané dřívější těžbou v daném regionu. Hlavním cílem projektu je prohloubit znalosti o příčinách po-hornických seismických událostí ve vztahu k povrchovým deformacím dotčeného regionu, vytvořit plány dlouhodobého monitorování takových oblastí, otřesové mapy a nadnárodní pokyny, jak řešit a zmírnit nebezpečí projevující se jako seismické otřesy v regionech po ukončení těžby.

Výsledky studia vlastností horninového masivu s ohledem na přítomnost významné tektonické zóny. Studium se zaměřilo na změnu vlastností v okolí tzv. první zóny ložiska Rožná, ale také na změnu těchto vlastností s hloubkou na úrovni 12. - 24. patra bývalého dolu, resp. v intervalu 550 - 1200 m pod povrchem. Realizované práce zahrnuly geologický, petrografický, geochemický popis horninového prostředí, geofyzikální práce (zejm. seismika), studium fyzikálně mechanických vlastností hornin, transportní experimenty a ložiskovou revalidaci ložiska Rožná. Veškeré práce byly provedeny pro účely popsání studované zóny a jejího projevu s důrazem na prokázání bezpečnosti potenciálního umístění hlubinného úložiště.

Cílem navrhovaného projektu je nalézt takový soubor geotechnických a geofyzikálních metod, který podá informace o geologické stavbě ve směru kolmém i podélném k podzemnímu dílu a o jejím časovém vývoji a soubor metod, které by přispěly k dokonalejšímu popsání geologické stavby horninového masivu v okolí podzemního díla. Podstatou je vývoj takových metod, které vidí dovnitř horninového masívu. Je nutné stanovit a ověřit postupy zahrnujícím jak metody, kterým postačuje měření na povrchu báňského díla, tak i metody, které pracují v systému vrt - vrt nebo vrt - povrch báňského díla. Pro interpretaci geofyzikálních a geotechnických měření je pak vhodné mít k dispozici speciální software, který umožní naměřená data předzpracovávat, zpracovávat a komplexně interpretovat. Mimo to budou zkoumány závislosti mezi jednotlivými fyzikálními a geotechnickými vlastnostmi včetně studia jejich trendů závislosti a vývoje. Dílčími cíli je jednak otestovat co nejširší komplex geotechnických a geofyzikálních metod a z nich určit takové, které co nejlépe poslouží k řešení dané problematiky, a jednak vytvořit softwarové nástroje pro integraci výsledků a další zpracování experimentálních měření. Snahou bude nalézt postupy pro generování takových výstupů, které budou dostatečně komplexní a čitelné nejen specialistům geotechnikům a geofyzikům, ale i geologům, projektantům a pracovníkům báňských společností, včetně specialistů pracujících ve státní správě.

Modernizace a rozšíření uceleného systému pozorování geofyzikálních polí provozovaného geovědními institucemi v ČR. Tento systém je tvořen permanentními observatořemi, převážně zapojenými do světových sítí, lokálními stanicemi ve vybraných oblastech, které jsou významné z hlediska dlouhodobého pozorování pro potřeby základního nebo aplikovaného výzkumu, a mobilními stanicemi, které slouží pro dočasná měření ve vybraných lokalitách, obvykle v rámci velkých mezinárodních VI a projektů. 5 tematických sekcí: Seismologie, GNSS a gravimetrie, Geodynamika, Geomagnetismus, Geologické a geofyzikální databáze.

Cílem projektu je zajistit stabilní provoz, rozvoj a modernizaci systému pozorování geofyzikálních polí provozovaný geovědními institucemi v ČR. Tento systém je tvořený permanentními observatořemi (seismika, GNSS, geomagnetismus, gravimetrie, geotermika, geodynamika) převážně zapojenými do celosvětových sítí, lokálními stanicemi či sítěmi stanic ve vybraných oblastech, které jsou významné z hlediska dlouhodobého pozorování pro potřeby základního nebo aplikovaného výzkumu, a mobilními stanicemi, které slouží pro opakovaná měření na vybraných bodech nebo pro dočasná terénní měření, obvykle v rámci velkých mezinárodních projektů. CzechGeo/EPOS je součástí panevropské výzkumné infrastruktury EPOS (European Plate Observing Systém). Prioritami pro příští období je uživatelsky přívětivý přístup ke globálním a regionálním databázím nebo úložištím, zvyšování počtu stanic s real-time vzdáleným přístupem, zprostředkování produktů vyšší úrovně a integrace dat v rámci implementační fáze projektu EPOS. V rámci projektu EPOS se bude CzechGeo/EPOS podílet na tvorbě tematických a integrovaných služeb a tyto služby dále využívat.

Úprava sondy k měření napětí v horninovém masivu pro prostředí s nebezpečím výbuchu plynů a uhelného prachu. Vytvoření software pro výpočet úplného tenzoru napětí a jeho jednoduchou vizualizaci v okolí sondy.

Cílem projektu je rozvoj a provoz infrastruktury a vědeckovýzkumných týmů vytvořených v rámci projektu Institut čistých technologií těžby a užití energetických surovin na půdě řešitele VŠB - Technické univerzity Ostrava a partnera Ústavu geoniky AV ČR. Projekt zachovává vybudovanou síť výzkumných týmů navázaných na laboratorní infrastrukturu a je rozdělen do dvou výzkumných programů, které jsou provázány a vzájemně se doplňují.

Zadáním výzkumného programu 1 Vícefázové horninové prostředí je získat poznatky o fyzikálních, chemických, izotopových, strukturních a mechanických vlastnostech složek prostředí pomocí moderní instrumentální techniky, která zásadním způsobem zvyšuje úroveň poznání a možnosti jejich zobecnění pro dané geologické podmínky pomocí matematického modelování. Tyto informace jsou základním předpokladem pro návrh environmentálně šetrných technologií při exploataci nerostných surovin i při dalším využívání horninového prostředí.

Výzkumný program 2 Environmentálně šetrné technologie vychází z poznatků výzkumného programu 1 a zabývá se orientovaným výzkumem a aplikačními řešeními v oblasti těžby energetických surovin, využitím vedlejších produktů pro zavedení bezodpadových technologií při těžbě nerostných surovin, vytvořením podmínek pro minimalizaci bezpečnostních rizik na základě poznání příčinných procesů a metodami oceňování a ovlivňování horninového prostředí v souvislosti s připravovanými velkými projekty týkajícími se využívání geotermální energie, trvalého ukládání jaderného odpadu a podzemích zásobníků energetických surovin.

Hlavní výzkumné aktivity výzkumného programu 1 a 2, které jsou řešeny v gesci Ústavu geoniky, jsou následující:

  • Vlastnosti a chování geomateriálů v závislosti na jejich vnitřní stavbě, způsobu zatěžování a fyzikálních podmínkách. Komplexní znalost petrologických, chemicko-fyzikálních a mechanických vlastností horninového prostředí je základním předpokladem pro efektivní, bezpečný a environmentálně šetrný návrh technologií těžby, úpravy a využití nerostných surovin, nebo realizaci důlních děl a náročných podzemních a geotechnických staveb. Cílem je získání poznatků o vlivu složení a charakteru vnitřní stavby hornin a horninového masívu na jejich pevnostně-deformační a transportní chování a získání spolehlivých a relevantních dat, přímo použitelných jako vstupy do numerických modelů a dat pro jejich experimentální ověřování a inverzní analýzu.
  • Intenzifikace účinků vysokorychlostních vodních paprsků při dezintegraci. Cílem řešení této aktivity je intenzifikovat účinky vysokorychlostních vodních paprsků využitím fyzikálního jevu, vznikajícího při dopadu kapky na pevný povrch. Při střetu kapaliny pohybující se vysokou rychlostí s tuhým tělesem totiž vzniká krátkodobý přechodový jev, který je provázen výrazným nárůstem tlaku v místě dopadu kapaliny na povrch a může způsobit vážné poškození jak na povrchu, tak i ve vnitřní struktuře materiálu vystaveného působení dopadající kapaliny. Proto bude řešení zaměřeno na studium možností ovlivnění proudění před tryskou tak, aby byl generován paprsek využívající k dezintegraci materiálu výše uvedený fyzikální jev.
  • Vývoj změn indukovaných napěťových a deformačních polí při podzemním využití horninového masivu. Při hlubinné exploataci ložisek nerostů a budování podzemních staveb dochází v důsledku této činnosti ke změnám napěťových stavů v horninovém masivu. Napěťové změny mohou při překročení příslušných mezních parametrů stavebních jednotek horského masivu indukovat porušování křehkým lomem, což v postižené oblasti vyvolává seismické jevy. Tento proces může být ve složitých přírodních a hornických podmínkách doprovázen náhlým uvolněním energie akumulované v masivu a vznikem anomálních geomechanických jevů s projevy v podzemních prostorách. Významné napěťové a deformační změny horninového masivu se mohou také nepříznivě projevit na povrchu, hrají významnou roli v procesu dimenzování důlních děl realizovaných v horninovém masivu za účelem jeho využití a ovlivňují transportní vlastnosti horninového masivu. Cílem výzkumu bude získání poznatků v této oblasti a jejich aplikace při hornické činnosti a podzemní výstavbě.

V rámci projektu získal ústav řadu unikátních přístrojů pro výzkum horninového prostředí a vývoj geotechnologií. Jedná se analytické přístroje, softwarové vybavení, ale především o zkušební zařízení a triaxiální komoru pro zkoušky hornin, robotické zařízení pro použití pulzního vysokotlakého vodního paprsku nebo rentgenový počítačový tomograf pro oblasti nedestruktivního studia plošných i prostorových nehomogenit materiálů a defektoskopii.

V návaznosti na nové unikátní přístrojové vybavení Centrum umožňuje zavést nové směry výzkumu - pracoviště tomografických metod, nebo významně rozšířit stávající výzkumné aktivity - pracoviště výzkumu THM procesů v horninách a pracoviště výzkumu vysokorychlostního vodního paprsku.

Projekt zahrnoval jak rešeršní část popisující zahraniční zkušenosti a poznatky z podobných lokalit, tak i realizační část zajišťující monitorování změn napěťového pole v průběhu výstavby v okolí PVP Bukov. Řešení tohoto projektu mělo přímou vazbu na paralelně řešený projekt Komplexní geologická charakterizace prostorů PVP Bukov. Je popsán vyvinutý a nasazený distribuovaný měřicí systém umožňující odečítat data z různých typů měřicích senzorů, ukládat data a předávat je na vzdálené instituce ke zpracování a interpretaci. DMS zejména obsluhuje 6 sond typu CCBM a 4 trojice měřicích svorníků pro zjišťování napěťového pole v předmětné lokalitě PVP Bukov, dále odsluhuje řadu snímačů zejména pro sledování hydrogeologického a teplotního režimu masivu. Jsou provedena vyhodnocení napěťových měření CCBO i CCBM v této lokalitě v návaznosti na postup ražby. V rámci projektu jsou popsány výstupy aplikace 3D scanování jak samotné zkušební laboratoře BZ1-XII, tak přístupového překopu BZ-XIIJ. V rámci etapy matematického modelování napěťového pole byly připraveny a následně použity sw nástroje pro stanovení plného tenzoru napětí z měření sondami CCBO a CCBM a konfrontovány s určením napěťového pole z konvergencí stěn důlního díla při jeho ražbě. Oblasti stupně bezpečnosti byly stanoveny na základě aplikace kritérií porušení na výsledný matematický model napětí. V roce 2015–2017 byly na lokalitě PVP Bukov provedeny také geofyzikální práce. V rámci geofyzikálního průzkumu bylo provedeno měření metodami elektrické odporové tomografie (ERT) a seizmické tomografie (ST). Geoelektrické měření bylo zaměřeno na pravý bok překopu BZ-XIIJ a chodbu BZ1-XII podzemní laboratoře, zatímco seizmická tomografie využívala systému vrt S-3 - překop BZ-XIIJ. Výsledky měření poskytly představy o rozložení měrného odporu a rychlostí podélných vln za stěnou báňského díla, respektive mezi překopem BZ-XIIJ a vrtem S-3.

Značná část zásob uhlí se nachází v ochranných pilířích, které leží pod zastavěnými oblastmi v aktivně těžených regionech v české části hornoslezské uhelné pánve (USCB). Běžně používaná metoda těžby stěnováním s řízeným závalem není v těchto oblastech použitelná, protože není povolena výrazná deformace povrchu. Z tohoto důvodu byla testována modifikovaná metoda Komora - pilíř (Chodba - pilíř) se stabilními uhelnými pilíři, aby se minimalizovala konvergence vrstev. V hlubinném uhelném dole v hloubce 900 m byl dokončen čtyřletý pilotní projekt nové dobývacíí metody Chodba - pilíř, což je nejhlubší zkušební nasazení této metody na světě. Monitorování zahrnovalo napěťové a deformační změny v pilířích a nadložních vrstvách stropu, zatížení stropních a pilířových svorníků a deformaci povrchu. Výsledky tohoto rozsáhlého monitorování napěťově-deformačního stavu HM, ověřené numerickými modely a další analýzy potvrdily stabilitu ponechaných uhelných pilířů a účinnost stropního svorníkování v podmínkách vysoce namáhaného HM. Rovněž byly prokázány minimální účinky sedání na povrchu. Tyto výsledky byly spolu s ověřenými technologickými postupy hlavním zdrojem schvalovacího řízení nové dobývací metody báňským úřadem. S ohledem na hloubku těžby do 900 m jsou výsledky významné nejen z pohledu českého hornictví, ale i celosvětově.

V rámci komplexní geotechnické charakterizace prostorů PVP Bukov byl Ústavem geoniky AV ČR v Ostravě realizován komplex laboratorních a terénních prací, jejichž cílem bylo zejména detailní popsání geotechnických a geomechanických vlastností a kvality horninového masivu. Tyto práce konkrétně zahrnovaly: stanovení a zhodnocení fyzikálně-mechanických vlastností hornin, odebraných z boků důlních děl, z vrtů a z povrchových lokalit; stanovení napěťového stavu a přetvárného chování horninového masívu metodami hydraulického štěpení stěn vrtů, Goodman Jack a CCBO, resp. CCBM; stanovení kvality horninového masívu dle vybraných indexových geomechanických klasifikací; periodická dlouhodobá tenzometrická a konvergenční měření a posouzení vlivu technické a důlně indukované seismicity na zájmový horninový masív. Realizovaný soubor výzkumných prací by měl poskytnout dostatečně ucelený soubor geotechnických a geomechanických poznatků, nezbytných pro následnou realizaci rozsáhlých výzkumných experimentů zaměřených na dlouhodobou bezpečnost a technickou proveditelnost budoucího národního hlubinného úložiště radioaktivních odpadů.

Znalost napjatostních a strukturně-geologických poměrů granitového prostředí je potřebná pro vyhodnocení dlouhodobé bezpečnosti vybraného horninového prostředí pro umístění hlubinného úložiště. Mezinárodní projekt „Large-Scale Monitoring“ (LASMO) si kladl za cíl komplexním způsobem popsat změny v horninovém masivu způsobené jeho odlehčením a zatížením. Terénní část projektu probíhá v podzemní laboratoři Grimsel, která je situována ve švýcarských Alpách. Měření, následný monitoring napjatostních poměrů a speciální studium vnitřní anizotropie v horninovém masivu poskytuje důležité charakteristiky o celkovém tektonickém vývoji oblasti, včetně stability horninového masivu. Výše zmíněný dílčí projekt SÚRAO podporoval aktivity v rámci mezinárodního projektu LASMO. Na tomto dílčím projektu dále pracovali: Ústav Geoniky AV ČR, Česká Geologická Služba a Ústav Struktury a mechaniky hornin AV ČR.

Zapojení do tohoto mezinárodního projektu umožnilo získat důležité poznatky pro tvorbu 3D geomechanických modelů potřebných pro hodnocení bezpečnosti úložiště. Hlavním cílem tohoto dílčího projektu je získat obecné charakteristiky chování horninového masivu podzemní laboratoře při jeho zatěžování a odlehčování ve velkém měřítku.

Základním cílem projektu bylo stanovit míru reprodukovatelnosti výstupů laboratorního studia transportních procesů stopovačů v porovnání s výsledky experimentu většího měřítka (dm) následně ji implementovat do reálných podmínek granitických hornin (experiment in-situ) a do modelů, vyhodnocujících difúzi radionuklidů do horniny. Výsledky významně přispěly ke snížení nejistot kvantifikace transportních parametrů stopovačů v horninovém prostředí, plynoucí ze zjednodušení reálných procesů při použití vzorků malých rozměrů v laboratorních podmínkách. Současně bylo cílem zhotovit vhodné aparatury a sestavit pracovní a metodické postupy, které zajistí přenos informace o vlastnostech hornin a procesech v nich probíhajících z mikroměřítka (mm) do reálného měřítka prostředí horninového masivu (desítky metrů). A konečně bylo cílem zavést metodiky, které tyto předcházející cíle umožňují dosáhnout a nebyly doposud v širší míře aplikovány, ať už jde o využití speciální stopovačů či moderních analytických metod. ÚGN se podílel na výzkumu struktur materiálu s využitím RTG-CT.

Projekt byl zaměřen na výzkum procesů v geologickém prostředí, jejichž znalost je žádoucí pro prokázání dlouhodobé stability a bezpečnosti hlubinné úložiště a dlouhodobě udržitelný provoz podzemních zásobníků plynu. První část projektu je orientována na experimentální činnost související s výzkumem THM procesů a to především v podmínkách podzemních laboratoří na Experimentálním pracovišti Bedřichov, v UEF Josef a na dalších dostupných lokalitách. Ve druhé stěžejní části projektu byl prováděn vývoj specializovaných softwarových nástrojů použitelných v procesu simulace a hodnocení zvolené lokality v dlouhodobém časovém horizontu pro výstavbu podzemního díla pro ukládání odpadů vzniklých při výrobě energie v jaderných elektrárnách.

Cílem CzechGeo/EPOS bylo vybudovat a provozovat národní uzel pan-evropského projektu EPOS. Kostru stávajícího observačního systému v České republice tvořily permanentní seismické, slapové, geodynamické, geomagnetické a geotermické observatoře. Systém doplňují lokální sítě a krátkodobá terénní měření. Na provozu systému se podílelo sedm geovědních pracovišť. Projekt EPOS si kladl za cíl vytvořit jednotnou trvale provozovatelnou distribuovanou infrastrukturu, která umožní integrovat geofyzikálních data ze sítí v Evropě a Středomoří, zlepšit jejich dostupnost a zajistit jejich dlouhodobou stabilitu a archivaci. EPOS bude rovněž vyvíjet inovační strategii založenou na propojování a třídění distribuovaných infrastrukturních dat z observatoří a laboratorních experimentů se superpočítačovými nástroji s vysokým rozlišením, která jsou schopna překonat propast mezi analýzami dat a geofyzikálním modelováním. Toho mělo být dosaženo přímým propojením moderních simulačních technologií s observatorními databázemi. EPOS si tak kladl za cíl vytvořit špičkovou evropskou výzkumnou infrastrukturu, která poskytne zásadně nové podmínky a perspektivy pro výzkum pevné Země v Evropě.