Rozvoľňovanie horninového prostredia

   Princíp

Úlohou rozvoľňovania horninového prostredia pri sanácii je vytvorenie nového systému otvorených priepustnejších priestorov (puklín, trhlín). V praxi sa stretávame s tromi spôsobmi rozvoľňovania horninového prostredia:

•      hydraulické rozvoľňovanie,

•      pneumatické rozvoľňovanie,

•      torpédovanie.

Pred posúdením jednotlivých metód je potrebné zistiť najmä tieto riziká (Schuring, 2002):

•      riziko mobilizácie kontaminácie vplyvom rozvoľňovania horninového prostredia, ktorá môže nastať vplyvom zvýšenia priepustnosti prostredia. Zvyšuje sa schopnosť prostredia transportovať znečisťujúce látky vplyvom zmenených hydraulických vlastností prostredia (najmä zvýšenie rýchlosti prúdenia podzemnej vody);

•      riziko ovplyvnenia stability budov a nadzemných konštrukcií. Pri rozvoľňovaní horninového prostredia sa deformuje hornina v okolí novovytvorených voľných priestorov a tým vzniká aj možnosť vertikálnych pohybov v prostredí, prejavujúcich sa na povrchu. Miera vertikálnych pohybov na povrchu závisí od metódy rozvoľňovania, hĺbky aplikovania technológie, počtu vzniknutých trhlín, lokálnej geológie a od iných faktorov.

V súvislosti s voľbou vhodnej technológie rozvoľňovania je potrebné zhodnotiť viaceré faktory. Všeobecne platí, že čím menšia je priepustnosť pôvodného horninového prostredia, tým vyššia je účinnosť technológie rozvoľňovania a naopak. V sanačnej praxi sa rozvoľňovanie zvyčajne uplatňuje do hĺbky zhruba 30 m pod terénom, pri ktorej je možné predpokladať subhorizontálnu orientáciu vznikajúcich voľných priestorov. Napríklad rozvoľňovanie jemnozrnných nespevnených hornín (íly) sa realizuje zvyčajne hydraulickým alebo pneumatickým spôsobom, zatiaľ čo pri rozvoľňovaní pevných skalných hornín sa môžu využiť všetky metódy. Hĺbka rozvoľňovania nie je limitujúcim faktorom, pokiaľ je možné zaistiť dostatočný prietok a tlak pri danej hĺbkovej pozícii.

V silno plastických a súdržných horninách s veľkým množstvom ílových minerálov môžu pri rozvoľňovaní vznikať plastické deformácie. Plastické materiály menia svoj objem so zmenou vlhkosti, pričom pri nízkej vlhkosti sú plastické horniny všeobecne vhodnejšie na rozrušovanie. V horninách s vysokou plasticitou je vysoká pravdepodobnosť, že vzniknutá trhlina sa spätne uzavrie.

Dôležitým faktorom ovplyvňujúcim smer a rýchlosť šírenia trhliny sú tzv. sekundárne štruktúry (prirodzená vrstvovitosť a puklinovitosť horninového prostredia, foliačné plochy, prípadne prítomnosť koreňových kanálikov alebo antropogénne narušenie – staré výkopy, vrty, podzemné vedenie a pod.). Horninové prostredie je možné rozvoľňovať v pásme nasýtenia aj pásme prevzdušnenia. Prítomnosť podzemnej vody len málo ovplyvňuje priebeh prác a správanie prostredia po rozvoľňovaní. Napríklad pri pneumatickom rozvoľňovaní prítomnosť vody v horninovom priestore zvyšuje tesnosť prostredia na prenikanie plynov a tým je možné očakávať väčší dosah rozvoľňovania (Schuring, 2002).

   Použiteľnosť

Technológie rozvoľňovania je všeobecne možné aplikovať na podporu sanácie pásma prevzdušnenia aj pásma nasýtenia, ako aj na sanáciu tzv. zavesených kolektorov (US EPA, 2001c).

Hydraulické rozvoľňovanie sa realizovalo najmä v prostredí súdržných zemín (íly a hliny), spevnených sedimentárnych hornín, ako aj v prostredí hornín pevného skalného podložia (Roote, 2000; US EPA, 1995b). Technológia sa zvyčajne kombinuje s inými sanačnými postupmi, napr. extrakciou pôdnej vlhkosti, biosanáciou in situ, resp. systémom čerpania a čistenia ex situ.

Technológia pneumatického rozvoľňovania bola úspešne aplikovaná v prostredí jemnozrnných a prachovitých pieskov a ílov, hornín s rôznym podielom prachovitej a ílovitej frakcie, resp. spevnených (konsolidovaných) sedimentárnych hornín (pieskovce, prachovce, ílovce, bridlice). Naopak, využitie pneumatického rozrušovania v nespevnených (nekonsolidovaných) horninách s hrubozrnnejším materiálom je vo všeobecnosti neefektívne (novovzniknuté trhliny v piesčitom prostredí sa môžu spätne uzatvárať a utesňovať vo veľmi krátkom čase, aj po zhruba 2 týždňoch aplikácie). V prípade kombinácie technológie s injektážou kvapalných, pevných alebo plynných materiálov sa metóda aplikovala aj v prostredí stredne zrnitých pieskov až hrubozrnných štrkov (Miller, 1996d; Roote, 2000; US EPA, 1993; US EPA, 1995b).

Torpédovanie sa vo všeobecnosti využíva iba v prostredí spevnených hornín skalného podložia (pieskovce, prachovce, dolomity, granity, ruly a iné). Hoci prevažná časť doterajších realizácií torpédovania bola zameraná na pásmo nasýtenia (Roote, 2000; Miller, 1996d), nie je vylúčené ani jeho využitie s cieľom zvýšiť priepustnosť pásma prevzdušnenia (aplikovateľnosť a vhodnosť metódy v tomto prípade zvyčajne limituje hrúbka prevzdušnenej vrstvy).

   Výhody a limitácie

Výhodou použitia technológií rozrušovania v praxi je možnosť účelového a efektívneho prínosu (injektáž, infiltrácia) rozličných vhodných podporných látok, činidiel a živín do prostredia s cieľom zintenzívniť priebeh sanačných procesov in situ (napr. biosanáciu).

Všeobecné faktory, ktoré môžu limitovať využiteľnosť, resp. efektivitu rozvoľňovacích technológií (Marks et al., 1994):

•      nevhodnosť aplikovania v seizmicky aktívnych oblastiach,

•      riziko otvorenia nových preferenčných ciest a nežiaduceho šírenia kontaminácie ďalej do prostredia,

•      v prostredí sa môžu aj po realizácii metódy rozvoľňovania vyskytovať polohy s nízkou priepustnosťou,

•      v mnohých prípadoch zložitosť až nemožnosť sledovania konečných pozícií alebo veľkosti vytvorených puklín,

•      v dôsledku nadložného tlaku môže nastať kolaps novovytvorených voľných priestorov.

Využiteľnosť, výhody a limitácie hydraulického a pneumatického rozvoľňovania sú zhrnuté v tab. 4.2.15.

 

Tab. 4.2.15. Využiteľnosť, výhody a limitácie hydraulického a pneumatického rozvoľňovania (Matějů et al., 2006).

Hydraulické rozvoľňovanie	Pneumatické rozvoľňovanie
efektívne v pôdach aj horninovom prostredí	efektívne v horninovom prostredí
dlhodobé zlepšenie priepustnosti prostredia	krátkodobé zlepšenie priepustnosti prostredia v nespevnených sedimentoch
väčšia náročnosť na zabezpečenie špeciálnych zariadení a prevádzky, skúsenosti s aplikovanými chemikáliami	menšia náročnosť na prevádzku a zabezpečenie špeciálnych zariadení
lepšie sledovanie parametrov vznikajúcich trhlín (priestorov) v dôsledku zanedbateľných únikov aplikovaných viskóznych zmesí z prostredia	obťažné sledovanie a predvídanie procesov rozvoľňovania v dôsledku veľkých únikov aplikovaného vzduchu cirkulujúceho v podzemnom priestore
ďalšie šírenie kontaminácie vplyvom úniku zmesí z prostredia aplikácie je zriedkavé	injektovaný vzduch môže potenciálne šíriť kontamináciu ďalej do prostredia
geofyzikálne a vizuálne mapovanie individuálnych trhlín je pomerne rutinnou záležitosťou	mapovanie a predvídanie vznikajúcich trhlín je extrémne náročné
možnosť súbežnej injektáže celého radu podporných látok (napr. chemických činidiel, látok podporujúcich biosanáciu, živín atď.) v dôsledku prenosnej kapacity viskóznej zmesi	limitovaná možnosť injektáže podporných látok v procese rozvoľňovania v dôsledku nízkej prenosnej kapacity vzduchu
zanášanie trhlín jemným materiálom je minimalizované, pretože hrubozrnnejší (piesčitý) materiál v mieste zabezpečovania zvýšenej priepustnosti prostredia je zároveň aj geotechnickým filtrom	trhliny sú nevystužené a migrácia jemných častíc ich rýchlo zanáša
dobrá adaptabilita s inými sanačnými technológiami (napr. dvojfázová extrakcia, biosanácia)	slabšia adaptabilita s inými sanačnými technológiami
väčšie skúsenosti s technológiou (do praxe bola zavedená už v roku 1949)	vývoj technológie nastal až v období neskorých 80. rokov minulého storočia

   Trvanie sanácie a účinnosť

V prípade, ak nenastanú komplikácie, na vytvorenie jednej trhliny pri pneumatickom rozvoľňovaní je potrebné počítať s časom 30 až 60 minút. V normálnych podmienkach zvyčajne prevádzku obsluhujú dvaja ľudia, denný postup je 15 až 25 trhlín s polomerom 4 až 6 m do hĺbky 15 až 30 m. V prípade dlhodobejšieho sanačného programu sa môže vyžadovať opätovné rozvoľňovanie spätne uzavretých priestorov v cykle 6 až 12 mesiacov.

Účinnosť technológií rozvoľňovania je možné hodnotiť z niekoľkých pohľadov (výsledky hydraulického, resp. pneumatického postupu sú zhrnuté v tab. 4.2.16):

•      zmena priepustnosti horninového prostredia (hydrodynamické skúšky),

•      zmena polomeru dosahu vrtov (hydrodynamické skúšky),

•      zmena výťažnosti kontaminantov,

•      meranie veľkosti vzniknutej trhliny (meranie mikroskopických vertikálnych pohybov na povrchu, odhad veľkosti vzniknutej trhliny na základe objemu injektovaného materiálu).

Z tab. 4.2.16 vyplýva pomerne porovnateľná efektivita hydraulického a pneumatického rozvoľňovania na základe hodnotených ukazovateľov.

Efektivita a úspešnosť torpédovania sa zvyčajne hodnotí najmä z pohľadu zmeny priepustnosti horninového prostredia. Na základe výsledkov aplikovania technológie sa predpokladá v priemere až 39-násobné zvýšenie priepustnosti horninového prostredia (s maximom na úrovni až zhruba 100-násobného zvýšenia priepustnosti).

Tab. 4.2.16. Účinnosť technológií hydraulického a pneumatického rozvoľňovania (Schuring, 2002).

 

Technológie rozvoľňovania sa zaraďujú k stredne drahým metódam (hydraulický spôsob je zvyčajne najdrahší, ale vyvážený veľkou spoľahlivosťou a najmenšou rizikovosťou). Celkové náklady sú v značnej miere ovplyvnené lokálnymi podmienkami, dostupnosťou lokality, vlastnosťami horninového prostredia, prípadne stupňom saturácie. Hlavné nákladové položky reprezentujú zvýšené nároky na kvalitu realizovaných vrtných prác, prevádzkové náklady tlakového zariadenia, náklady súvisiace s monitoringom priebehu rozvoľňovania, prípadne náklady súvisiace s posudzovaním stability budov, resp. revíziou všetkých potenciálnych vplyvov na objekty na povrchu pred rozvoľňovacími prácami a po ich realizácii. V prípade torpédovania je potrebné po odstrele v procese sanácie počítať so zabudovaním nových vrtov, resp. s prípadnou obnovou iných poškodených vrtov.

   Základná charakteristika

Hydraulické rozvoľňovanie sa realizuje vysokotlakovou injektážou vody alebo polyméru do vrtu tak, aby sa umelo vytvorila nová priepustnejšia poloha (trhlina) v danej hĺbke. Hydraulické rozvoľňovanie sa môže realizovať dvojakým spôsobom (Schuring, 2002; Bures, 2005):

•      systémom špeciálne vystrojených vrtov,

•      nevystrojenými penetračnými sondami vybudovanými tzv. metódou direct push.

Najmä nevystrojené penetračné sondy umožňujú pomerne jednoduchý a pravdepodobne aj menej nákladný spôsob realizácie rozrušovania v niekoľkých polohách ležiacich nad sebou, vytvorených systémom tzv. pakrov (požadovaný vertikálny interval medzi jednotlivými polohami sa pohybuje v rozpätí 1,0 až 2,0 m). Princíp hydraulického rozrušovania je uvedený na obr. 4.2.24.

 

Obr. 4.2.24. Princíp hydraulického rozvoľňovania (podľa Schuringa, 2002 – upravené).

Vysvetlivky: 1 – pásmo prevzdušnenia, 2 – pásmo nasýtenia, 3 – hladina podzemnej vody, 4 – monitorovací vrt, 5 – prívod tlaku (regulačný systém), 6 – zdroj kvapaliny, 7 – zdroj výplachu, 8 – zdroj stlačeného vzduchu, 9 – rozvoľňovací vrt (otvorený/zapažený), 10 – rozširovanie puklín, 11 – zemina alebo skalná hornina, 12 – pohyblivá tryska, 13 – pukliny môžu byť rozširované aj v pásme nasýtenia.

 

Pred začiatkom hydraulického rozrušovania je možné pomocou vysokotlakového lúča vody v požadovanej hĺbke najskôr založiť požadovaný priestor trhliny. Následne sa aplikuje injektáž rozrušovacej kvapaliny, ktorú väčšinou tvorí zmes sieťovaného alebo lineárneho polyméru na báze vody a piesku alebo zmes vody s pieskom a keramickým materiálom. Sieťovaný polymér (gél) by mal byť schopný udržať si svoju štruktúru po nevyhnutne dlhý čas (zvyčajne 12 až 24 hod.). Po tomto čase sa rozpadne na kvapalinu s obdobnou viskozitou ako voda a tým sa umožní jeho následné vypláchnutie z horninového prostredia.

Podľa požiadaviek sa môže na lokalite postupne realizovať väčší počet rozrušovacích vrtov. Očakávaná rýchlosť tvorby trhliny sa pohybuje na úrovni asi 0,1 m . s^–1 (Schuring, 2002). V závislosti od hĺbky aplikácie môže vznikať vertikálne alebo horizontálne orientovaná trhlina. V praxi je však v bežnej hĺbke (do 30 m pod terénom) vznik vertikálne orientovanej trhliny zriedkavý (v prípade inej ako horizontálne orientovanej prirodzenej vrstvovitosti horninového prostredia alebo v prípade prítomnosti vertikálne predisponovaných diskontinuít).

 

Pneumatické rozvoľňovanie sa realizuje vysokotlakovou injektážou plynu do vrtu tak, aby sa pri tom vytvorili nové pukliny a priepustnejšie polohy v horninovom prostredí. Pneumatické rozvoľňovanie rovnako ako hydraulické sa môže realizovať dvojakým spôsobom: a) systémom špeciálne vystrojených vrtov (bez obsypu), b) nevystrojenými penetračnými sondami. Rozvoľňovanie je možné realizovať jednoúrovňovo alebo viacúrovňovo, s využitím pakrov. Zdrojom stlačeného vzduchu je zvyčajne kompresor alebo vysokotlakové zásobné fľaše (Miller, 1996d; Schuring, 2002). V prípade viacúrovňového rozvoľňovania sa trhliny vytvárajú postupne, pričom rozvoľňovaný horizont býva vymedzený dvoma pakrami. Behom realizácie sa pakre postupne posúvajú podľa potreby tak, aby sa rozvoľnilo horninové prostredie s potrebným počtom vytvorených trhlín. Vertikálny interval medzi trhlinami býva zvyčajne v rozpätí 0,2 až 1,0 m. Rýchlosť vzniku trhliny je pomerne veľká (asi 2 m . s^–1). Okrem uvedeného postupu sa môžu v systéme využiť zariadenia na súbežnú injektáž kvapalných alebo pevných prídavných látok podporujúcich sanačné procesy. Proces pneumatického štiepenia je ilustrovaný na obr. 4.2.25.

 

Obr. 4.2.25. Typický proces pneumatického rozvoľňovania (podľa Schuringa, 2002 – upravené).

Vysvetlivky: 1 – zdroj stlačeného vzduchu, 2 – rozvoľňovaný horizont.

 

Realizácia pneumatického rozvoľňovania je založená na schopnosti horninového prostredia samovoľne udržať novovzniknutú trhlinu otvorenú. V prípade hornín skalného podložia vo väčšine prípadov nenastane spätné uzavretie vzniknutých trhlín, a to najmä kvôli nepravidelnému a hrubému povrchu puklín, resp. drobným posunom jednotlivých horninových blokov. V prípade plastických ílov sa však dokázalo, že vplyvom ich napučiavania sa vzniknuté trhliny môžu spätne uzavrieť. V takom prípade sa trhliny vypĺňajú priepustnou piesčito-keramickou zmesou (zmes sa vnáša do horninového prostredia priamo injektovaným plynom prúdiacim vysokou rýchlosťou).

 

Torpédovanie sa robí umiestnením vhodnej trhaviny do nevystrojených vrtov. Detonáciou trhaviny sa vytvoria nové systémy puklinovitosti pôvodne kompaktných a málo priepustných blokov. Torpédovanie sa môže robiť viacerými spôsobmi. Jedným zo spôsobov je umiestnenie detonačných vrtov v jednom alebo viacerých radoch vzdialených od seba asi 1 až 5 m (tzv. lineárna konfigurácia). Usporiadanie zvyčajne úzko súvisí s konkrétnymi vlastnosťami horninového prostredia na danej lokalite. Zvyčajne sa robí časovaný sériový odpal celej skupiny vrtov. Tým sa docieli rozvoľnenie pomerne veľkého objemu horninového prostredia. Ďalším metodickým postupom je explózia v samostatných nevystrojených vrtoch. V závislosti od typu horninového prostredia sa volí väčšia vzdialenosť medzi jednotlivými vrtmi (asi 5 až 20 m). Nálož sa môže do vrtu umiestniť v jednej alebo vo viacerých úrovniach. Štandardne sa na odstrel volí vhodný typ plastickej trhaviny odolnej proti vode (Schuring, 2002; Roote, 2000).

Cieľom torpédovania v horninovom masíve je najmä zväčšenie priepustnosti prostredia. Po uskutočnení odstrelu sa vytvorí rozvoľnená zóna. V prípade tzv. lineárnej konfigurácie detonačných vrtov by mala byť rozvoľnená zóna zámerne situovaná priečne k prirodzenému smeru prúdenia podzemnej vody a šíreniu kontaminačného mraku. Do rozvoľnenej zóny sa následne aplikuje sanačný systém, ktorého cieľom je odstránenie kontaminácie na požadovanú úroveň. Sanačný systém môže pozostávať z čerpania podzemnej vody alebo zapúšťania (infiltrácie, injektáže) vhodnej podpornej látky. Po torpédovaní je z pohľadu sanácie dôležitá schopnosť horninového prostredia samovoľne udržať novovytvorený systém puklinovitosti otvorený. V prípade skalných hornín však väčšinou spätné uzatvorenie vzniknutých puklín nenastáva (Schuring, 2002). Princíp rozvoľňovania horninového prostredia torpédovaním je uvedený na obr. 4.2.26.

 

Obr. 4.2.26. Princíp rozvoľňovania horninového prostredia torpédovaním (podľa Schuringa, 2002 – upravené).

Vysvetlivky: 1 – detonačné vrty; 2 – časované nálože; 3 – nespevnené nadložie; 4 – skalné podložie; 5 – rozvoľňovaná oblasť; 6 – rozvoľnená časť skalného podložia.

 

© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží

Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,

Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová

Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,

ISBN    978-80-89343-39-3