Abstrakt

          Tento příspěvek přináší úvod do problematiky řešení úkolu, jehož cílem má být odhalení zákonitostí chování důlního plynu (metanu) v podzemí a jeho výstupu k zemskému povrchu na základě modelování. Geografický informační systém je zde představen jako nástroj pro správu prostorově lokalizovaných dat, která jsou využívána při vytváření matematického modelu a dále jako nástroj pro vizualizaci výsledků modelování.

1. Úvod

          Přestože vědecký důkaz o prvním využití černého uhlí člověkem váže tuto událost, která se stala před více než 25 000 lety, do lokality Landek na území dnešní Ostravy, můžeme za skutečný objev uhlí na Ostravsku považovat až přesně lokalizovaný a úředně zaznamenaný nález, k němuž došlo před více než 200 lety (r. 1763) v údolí Burňa ve Slezské (tehdejší Polské) Ostravě [3]. Tento objev znamenal pro tehdy poměrně malé město Ostravu a její okolí, jako pro nepříliš industrializovanou oblast někdejšího Rakouska-Uherska, nebývalý impuls k obrovskému rozvoji v nejrůznějších oblastech.
          Černé uhlí se na Ostravsku těžilo více než 200 let. Jedním z dalších zásadních mezníků byla změna společenských a politických podmínek po listopadu 1989, která přinesla prudký útlum hornictví na Ostravsku, což pro samotné město Ostravu znamenalo zpočátku útlum a posléze i úplné zastavení těžby (r. 1994).
          Je všeobecně známé, že hornická činnost přináší do krajiny negativní důsledky zásadního charakteru, z nichž mnohé mají dlouhodobý nebo dokonce trvalý charakter (změny terénu v důsledku poklesů příp. ukládání balastních materiálů získaných v průběhu výstavby dolů a těžby). Ve většině případů mohou tyto negativní jevy po několik desetiletí ovlivňovat život posthornické krajině. Nezanedbatelným aspektem takového negativního působení důsledků těžby a zpracování uhlí je bezpečnost.
          Jedním z uvedených negativních jevů je také uvolňování důlního plynu, v tomto případě především metanu, z podzemí [6]. Uvolňování metanu, jeho hromadění v důlních prostorách a posléze i jeho pronikání z důlních akumulací k povrchu je jev, který je v oblastech těžby uhlí běžný. S tím je spojené nebezpečí, kterým může být za vhodných podmínek při určité koncentraci vznícení případně i výbuch metanu ve směsi se vzduchem. V uzavřeném prostoru, kde dochází k hromadění metanu může nastat nedostatek kyslíku potřebného k dýchání příp. mohou vzniknout i jiné zdravotní problémy. Nekontrolovaný výstup metanu z podzemí a nebezpečí s tím spojená je možné považovat za nedořešený důsledek těžby černého uhlí na Ostravsku.
          Případná nebezpečí vyplývající z výskytu metanu jsou známá (mimořádné události v souvislosti s nahromaděním metanu) a navíc stále naléhavěji vyvstává potřeba, aby byly získány pro výstavbu některé dosud nevyužité plochy uvnitř města, v těsné blízkosti centra, na nichž platí kvůli výskytu metanu z bezpečnostních důvodů stavební uzávěra. To jsou dva hlavní důvody pro to, aby byly odhaleny zákonitosti chování důlního plynu v podzemí a jeho výstupu na povrch a dále realizována ekonomicky únosná opatření k ochraně obyvatelstva a majetku před případným nebezpečím souvisejícím s jeho výstupem.
          Tato problematika je řešena v rámci komplexního grantového úkolu, který je nazván "Projekt realizace systému ochrany atmosféry před únikem metanu z uzavřených dolů v ostravské aglomeraci.( Jde o grant přidělený Grantovou agenturou ČR, který bude řešen po dobu šesti let řešitelskými kolektivy tří subjektů jimiž jsou: Důlní průzkum a bezpečnost Paskov, a.s., ViP, s.r.o., a Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava (fakulta hornicko-geologická).

2. Základní informace o důlním metanu

2.1 Výskyt metanu v důlních prostorách

          Metan se vyskytuje mimo jiné v oblasti uhelných ložisek jako jeden z produktů prouhelňovacího procesu. Při hornické činnosti se intenzivně uvolňuje a stává se součástí důlního ovzduší. Při samotné těžbě je z bezpečnostních důvodů nezbytné zachovávat jeho koncentraci pod nebezpečnou hranicí. Takové udržování koncentrace se zajišťuje systematickým umělým větráním důlních prostor. Po ukončení těžby a uzavření dolu se větrat přestává, ale uvolňování metanu nekončí, pouze se zredukuje. Koncentrace metanu v důlním prostředí vzrůstá a plyn migruje vhodnými komunikacemi (důlní díla, vhodné geologické struktury,) a hromadí se ve volných prostorách v podzemí, vhodných pro jeho akumulaci. Prostory vhodné pro akumulaci metanu jsou velmi rozsáhlé. Původní odhadnutá kubatura volných důlních prostor by měla být podle [1] přibližně 50 mil. m3. Po zatopení jejich menší části (asi 20 mil. m3) by mělo zůstat asi 30 mil. m3 nad hladinou čerpání a tudíž se bude jednat o prostory podzemní akumulace metanu. Některé další základní kvantitativní údaje o výskytu metanu v ostravských stařinách uvádí též [1]. Mezi nejzajímavější patří nepochybně odhad plynodajnosti ostravských stařin v roce 1997. Ta měla dosahovat asi 80 000 m3 CH4/den.
          Zajímavá skutečnost, související s horizontální migrací metanu v podzemí, se projevila v období katastrofálních povodní v červenci 1997. Voda, která se v oblasti záplav dostala do stařin na území Ostravy, neměla ve všech místech stejnou hladinu výšku hladiny. Rozdíl výšek hladin takto zatopených částí dolů, který dosahoval několika desítek metrů, naznačuje, že by bylo vhodné korigovat touto informací představu, kterou uvádí [1], o propojení výrubů slojí a důlních děl pod Ostravou jako o souvislém prostoru. Lze připustit, že prostor souvislý být může, ale snad až nad určitou úrovní.

2.2 Migrace metanu z důlních prostorů k povrchu

          Metan však nezůstává pouze nahromaděn v podzemních akumulacích, nýbrž posléze migruje vhodnými cestami též k povrchu. Tyto komunikační cesty lze generalizovat z hlediska charakteru výstupu plynu na povrch do dvou skupin:

a) zdroje "bodového charakteru" - vyústění některých důlních děl (jáma, štola aj.) a jeho okolí na povrch. Za nebezpečnou oblast je považováno ústí důlního díla na povrch a jeho bezprostřední okolí,
b) zdroje "plošného charakteru" - dílčí části uhlonosného karbonského souvrství s absencí nepropustného pokryvu. Za pokryv nepropustný pro výstup metanu považuje [5] jeho více než 50 metrovou mocnost

          Výstup metanu, který je lehčí než vzduch, k povrchu je závislý kromě jiného především na atmosférickém tlaku [6]. Růst atmosférického tlaku proces výstupu metanu k povrchu zpomaluje případně i zastavuje, naopak jeho pokles znamená zintenzivnění výstupu plynu k povrchu. Uvedené konstatování platí v obecné rovině, neboť se vyskytují také situace (dokumentované měřením) vztažené ke konkrétnímu časovému údaji, kdy v případě některých zdrojů metanu bodového charakteru dochází k výstupu metanu k povrchu a u jiných zdrojů dochází k nasávaní vzduchu z vnějšího okolí do dolu. To vše za barometrického tlaku, který je srovnatelný v celé zájmové oblasti. Toto je jen jedna z celé řady nejasností okolo výstupu důlního metanu.
          Po výstupu na povrch nastává řada možností, pokud jde o další osud metanu. Mezi ty patří například jeho smísení s atmosférickým vzduchem, nahromadění v objektech souvisejících s lidskou činností (budovy - především sklepní prostory, kolektory, kanalizace apod.) a jeho akumulace v půdě. Kromě prvního případu, kdy je metan jako nebezpečná látka znehodnocen, existuje v souvislosti s ostatními dvěma případy potenciální nebezpečí (viz Úvod).

3. Hlavní cíle výzkumu

          Mezi hlavní problémy [7], které by měl výzkum vedený v rámci grantu řešit, patří (mimo jiné):

• zjištění vazby mezi obsahem metanu v půdním vzduchu, stařinou a odplyňovacím vrtem,
• objasnění vertikální a horizontální migrace plynu ve stařinných prostorách,
• objasnění migrace plynu z aktivních vrstev do výše uložených stařin,
• objasnění závislostí mezi zdrojem plynu, obsahem složky půdního vzduchu a způsoby odvádění plynu z půdy (nucenými i přirozenými cestami),
• množství plynu odvedeného z odplyňovacích vrtů a sledovaných jam ve vazbě na kolísání tlaku,
• objasnění funkce pokryvu z hlediska těsnosti a úlohy zvodně jako izolátoru,
• stanovení dimenze proudění metanu v půdě,
• formulace teorie chování jedno a dvousložkových soustav plyn + voda pro etapu doznívání hornické činnosti,
• stanovení vývoje plynodajnosti v závislosti na fázích útlumu,
• vytvoření matematického modelu odplyňovacího systému

4. Matematický model chování metanu

          Matematický model znamená pochopitelně výrazné zjednodušení modelované skutečnosti. Horninový masív, který představuje jednu z významných složek modelu je totiž nesmírně složité a nestejnorodé prostředí, které se matematicky velmi obtížně popisuje. Popis prostředí vychází především ze znalostí geologické stavby a ze znalosti výskytu důlních děl.
          Vytvoření matematického modelu chování metanu je závislé na celé řadě informací, které lze získat monitorováním výskytu metanu na vhodných lokalitách. Tyto lokality pro měření koncentrací škodlivých plynů lze podle režimu měření rozdělit na:

a) lokality s pravidelným měřením
b) lokality s nepravidelným měřením

          Mezi lokality s pravidelným měřením koncentrací patří některé funkční nebo i asanované jámy. Čidla sledující koncentrace škodlivých plynů, umístěná na těchto lokalitách, jsou napojena na centrální řídící stanoviště, které se nachází v areálu dolu Maršál Jeremenko. Tím je zajištěna signalizace a registrace naměřených hodnot v intervalu po osmi hodinách. Jako lokality s nepravidelným měřením jsou využívány tzv. odplyňovací vrty, kterých se nachází na zájmovém území několik desítek a na nichž je možno podle potřeby vykonávat čerpací zkoušky.

4.1 Modelování migrace metanu v oblasti Slezské Ostravy

          Řešitelský tým v současné době pracuje na tvorbě matematického modelu chování metanu v oblasti Slezské Ostravy. Hlavní cíle výzkumu popsané v předchozí kapitole lze zčásti řešit modelováním proudění plynu v podzemí. Modelování bylo rozděleno na stanovení struktury propustných vrstev a spojení nacházející se v podzemní části zkoumané oblasti, dále je to stanovení parametrů těchto propustných vrstev a spojení a závěrečná fáze je vytvoření matematického modelu, pomocí něhož bude možno lépe popsat resp. předpovídat únik metanu. Důležitou oblastí zkoumání výstupu metanu na povrch je také zjišťování závislosti koncentrace vystupujícího metanu na barometrickém tlaku.

4.2 Zjišťování závislosti koncentrace metanu na barometrickém tlaku

          Při výpočtech se vycházelo ze souboru naměřených dat poskytnutých Dolem Odra, odštěpným závodem akciové společnosti OKD. Tento soubor obsahuje informace o koncentraci metanu unikajícího z komínku volného odfuku uzavřených jam a vrtů a o velikosti barometrického tlaku v rozmezí 24. ledna 1998 až 31. května 1998. Hodnoty byly naměřeny automaticky v osmihodinových intervalech vždy v 600, 1400 a 2200 hodin. Metan se měří na každém vrtu zvlášť, zatímco barometrický tlak se měří pouze na jednom místě což by mohlo způsobit nepřesnosti v konečných výpočtech. K další nepřesnosti by mohlo dojít vlivem kvality použitých čidel. V současné době se uvádí do provozu nová, zdokonalená síť čidel s mnohem větší spolehlivostí, takže data, která budou získána po 1. lednu 1999, by měla být mnohem věrohodnější.
          Základními úkoly zkoumání tohoto souboru dat je zjištění závislosti koncentrace metanu na velikosti barometrického tlaku a s tím spojeného zpoždění mezi chováním tlaku a koncentrací metanu. Ze získaného souboru dat bylo zjištěno, že zpoždění mezi změnou barometrického tlaku a reakcí koncentrace metanu na tuto změnu je menší než 8 hodin, tedy než perioda měření. Kvůli nízké frekvenci měření tedy nelze toto zpoždění více zpřesnit. Tato situace by se měla zlepšit po 1. lednu 1999, kdy bude v rutinním provozu zmiňovaná nová měřící síť. Dalším úkolem je zjišťování anomálií v chování koncentrace metanu. Tyto anomálie slouží ke sledování pohybu plynu v podzemí a k získávání řady dalších informací. Účinnou metodou sledování těchto souvislostí v čase je animace vizualizovaných izolinií koncentrací metanu. Vzhledem k malé frekvenci měření, jak již bylo uvedeno výše, nelze tyto pohyby dostatečně přehledně sledovat, neboť dochází k příliš velkým náhlým změnám koncentrací plynu.
          Zmíněné zpoždění mezi chováním tlaku a koncentrací metanu je zjišťováno metodou statistické identifikace, ale tato práce je teprve v počátku. Metody statistické identifikace umožňují získat matematický model systému, u kterého není známa vnitřní struktura. V této fázi výzkumu je to právě případ podzemních propustných vrstev a spojení ve Slezské Ostravě.
          Další metoda použitelná k identifikaci dané soustavy a úspěšného předpovídání jejího chování je metoda identifikace pomocí neuronové sítě. Tato metoda je uvedena pouze okrajově, protože nikdo z řešitelského kolektivu se jí doposud blíže nezabýval, ale lze předpokládat, že by v budoucnu při řešení úkolu mohla významně pomoci.

4.3 Zjištění struktury propustných vrstev a spojení v dané oblasti a vytvoření matematického modelu

          Toto je jedna z nejsložitějších fází celého problému, protože řešitelský tým zatím nemá k dispozici všechny informace o průběhu starých důlních děl nacházejících se v dané oblasti a geologické stavbě dané oblasti. V současné době jsou prováděny první kroky k vytvoření 3D modelu celé oblasti tak, aby jej bylo možno vyžít právě pro automatickou identifikaci struktury celé oblasti. Otázkou je, jak vytvořit tento model tak, aby se dal v budoucnosti jednoduše použít právě pro automatické zjištění struktury propustných vrstev a spojení. K vytvoření 3D modelu byl původně uvažován jazyk VRML. Další úvaha předpokládala vytvoření 3D modelu za pomoci programu MICROSTATION, kde by byl nejdříve vytvořen 3D model a program napsaný za použití integrovaného makrojazyka by automaticky zjistil na základě zadaných podmínek strukturu propustných vrstev a spojení.
          V podzemí se nachází velké množství zásobníků plynu a naší snahou je za pomocí matematického modelu, který simuluje chování plynu v zásobníku odhadnout, jak velký objem mají zásobníky nacházející se pod sledovaným územím, nebo jak zásobníky sledované území ovlivňující.
          Při znalosti struktury a parametrů sítě lze za pomocí programového vybavení nazvaného SIT, pocházejícího z VŠB-TU, vytvořit použitelný matematický model. V současné době se pracuje na identifikaci struktury propustných vrstev a spojení.

5. Úloha geografického informačního systému

          Data využívaná pro vytvářený matematický model jsou prostorově lokalizovaná (důlní díla, odplyňovací vrty, hranice objektů a ohraničení jevů na zemském povrchu i pod ním). Pro jejich správu a prezentaci je s výhodou využit geografický informační systém. Programovým vybavením použitým pro GIS je Arc/Info 7.2.1 a ArcView 3.1.
          Ten je postupně naplňován daty získanými pro jednotlivé etapy výzkumu. Naplňování datových struktur je prováděno nejčastěji konverzí a importem dat získaných z různých zdrojů (OKD, DPB Paskov, a.s., Magistrát města Ostravy, ...), ale použita byla i metoda digitalizace dat jejich zadáváním pomocí souřadnic v prostředí grafického editoru (ARCEDIT).
          Popisná data vztahující se k jednotlivým geoprvkům reprezentujícím objekty reálného světa jsou spravována přímo v datových strukturách tematických vrstev (tzv. coverages), které jsou k tomu určeny.
          Nezanedbatelným přínosem GIS pro řešení rozsáhlého úkolu je i možnost tvorby grafických výstupů (tematické mapky, plány, ...) přesně podle naformulovaných požadavků. Možnosti tvorby nejrůznějších kartografických výstupů na profesionální úrovni, ale i jednoduchých a rychlých interaktivně vytvářených grafických výstupů jsou velmi silnou stránkou obou programů, na nichž je GIS o důlním metanu založen. Tvorba kartografických výstupů je formou vizualizace a prezentace výsledků modelování za pomoci GIS.

6. Závěr

          Vzhledem k tomu, že řešení úkolu je teprve v počátečním stadiu, zdaleka není možné formulovat závěry řešení grantového úkolu a to ani závěry jeho dílčích etap. Skutečností však je, že byly formulovány jednotlivé problémové oblasti, které je třeba řešit, byl navržen datový model pro geografický informační systém, byly částečně naplněny i datové struktury GIS a v neposlední řadě byly podniknuty první kroky k vytvoření matematického modelu chování důlního metanu.

Literatura:

[1] Bentkovský P., Janáková D., Krzemieň A., Bezpečnostní důsledky útlumu těžby v ostravské dílčí pánvi a možnost jejich promítnutí do GIS města Ostravy. Závěrečná práce postgraduálního studia GIS, Vysoká škola báňská - technická univerzita Ostrava (fakulta hornicko-geologická), Ostrava, září 1998, 15-21,
[2] GSP (Geografické systémy a projekce), s.r.o., Trojrozměrné zobrazení výrubů slojí a Jaklovecké štoly v oblasti Slezské Ostravy. Studie, Ostrava, prosinec 1998,
[3] Jiřík K. a kolektiv, Dějiny Ostravy, Nakl. Sfinga 1993, kap. 1. a 5.,
[4] Krejča J., Plyny v podzemních vodách, SNTL, Praha 1977,
[5] OKD, DPB Paskov, a.s., Hydraulické zhodnocení možnosti úniku metanu z karbonských stařin na povrch terénu, Technická zpráva, říjen 1996,
[6] Šiška F., Otáhal A., Prokop P., Sedlatý V., Banské vetranie, Nakl. Alfa, Bratislava 1993, kap. 2.3.5.,str. 24-29,
[7] ViP, s.r.o., Využití modelu vztahu barometrického tlaku a koncentrace CH4 v oblasti Slezské Ostravy. Studie, Ostrava, září 1998,