Obrazowanie ognisk pożarów w składowiskach odpadów z produkcji węgla metodą sondowań elektroopoorowych

Transkrypt

1 Andrzej Kotyrba, Łukasz Kortas, Sławomir Siwek Główny Instytut Górnictwa Obrazowanie ognisk pożarów w składowiskach odpadów z produkcji węgla metodą sondowań elektroopoorowych Imaging the outbreaks of fire in coal waste landfills by vertical electroresistivity soundings /VES/ Streszczenie: Składowiska odpadów z produkcji węgla są jednym ze szczególnie uciążliwych pogórniczych elementów przekształceń środowiska. Zawierają znaczne ilości węgla i z tego powodu są podatne na spontaniczne zapożarowanie. Własności elektryczne gruntów odpadowych a w szczególności węgla silnie zależą od temperatury. Ich pomiar w warunkach in situ pozwala na obrazowanie przestrzenne struktury zapożarowania składowisk. Zależność tę przedstawiono w niniejszym artykule na przykładzie wyników badań metodą sondowań elektrooporowych składowiska odpadów, zlokalizowanego w dawnym wyrobisku gliny na terenie kopalni Bielszowice w Rudzie Śląskiej. 1. Wstęp Składowiska odpadów z produkcji węgla są jednym ze szczególnie uciążliwych pogórniczych elementów przekształceń środowiska. Zawierają znaczne ilości węgla i z tego powodu są podatne na spontaniczne zapożarowanie. Tereny składowisk odpadów mogą być zagospodarowane w różnym kierunku (w tym i jako podłoże budowlane). Na przeszkodzie jednak staje ryzyko zapalenia się węgla i wszystkie ujemne wpływy tego procesu na stan środowiska oraz przydatność budowlaną. Z tego powodu poprawne odwzorowanie geometrii zapożarowania w układzie przestrzennym składowiska powinno być podstawą każdego projektu jego rekultywacji i zagospodarowania. Cechy strukturalno-termiczne zapożarowanych składowisk powęglowych mogą być określone pomiarami różnymi metodami geoelektrycznymi. W artykule przedstawiono charakterystykę oraz interpretację wyników testowych badań wykonanych metodą sondowań elektrooporowych na składowisku odpadów powęglowych, zlokalizowanym w Rudzie Śląskiej przy ulicy Bukowej. Położenie terenu oraz 1

2 jego znaczna powierzchnia stwarzają, iż teren składowiska (hałdy) mógłby być atrakcyjnym obszarem inwestycyjnym. Składowisko jednak wykazuje znaczny stopień zapożarowania. W niektórych jego fragmentach temperatura przypowierzchniowych gruntów przekracza 0 stopni celsjusza. Gazy powstające w wyniku spalania węgla są wyczuwalne na powierzchni składowiska oraz w jego otoczeniu. Zadaniem badań elektrooporowych było zobrazowanie przestrzenne rozmieszczenia rejonów zapożarowanych a w szczególności ich ognisk dla potrzeb wyboru technologii rekultywacji składowiska. Zostało ono rozwiązane przez wykonanie pomiarów metodą sondowań elektrooporowych w 28 punktach składowiska oraz przedstawienie ich wyników na płaskich odwzorowaniach ortogonalnych xy, i x,z. Ponieważ zapożarowanie hałdy jest procesem dynamicznym przedstawione w niniejszym opracowaniu odwzorowania struktury składowiska w rozkładach oporu elektrycznego są poprawne jedynie dla momentu czasu w którym wykonano pomiary. 2. Charakterystyka składowiska Podpoziomowe składowisko odpadów powęglowych zlokalizowane jest w Rudzie Śląskiej w rejonie ulic: Bukowej, Glinianej i Wysokiej. Zajmuje powierzchnię ok. 9,5 ha. Szacuje się, że w ciągu 8 lat zgromadzono tu ok m 3 odpadów. Na obszarze tym, w wyniku działalności nieistniejącej już Cegielni Bielszowice powstały liczne wyrobiska i pustki poeksploatacyjne o głębokości od 4 do 20 m. Cegielnia eksploatowała gliny powstałe w wyniku zwietrzenia łupków ilastych karbonu, które opiniowanym rejonie odsłaniały się przy powierzchni. Wg. archiwalnych map geologicznych kopalni Wawel strop utworów karbonu występował w tym miejscu na rzędnej +300 m n.p.m. Był lokalnie przykryty osadami czwartorzędowymi o niewielkiej grubości. Orientacyjne położenie zasięgu wyrobisk odkrywkowych dla potrzeb eksploatacji gliny ilustruje archiwalna mapa sytuacyjno-wysokościowa terenu powstała w latach 60-tych i przedstawiona na fig. 1. Na mapie tej rejon dawnych wyrobisk jest już wypełniony wodą i opisany jako gliniak. 2

3 Fig.1 Usytuowanie składowiska odpadów powęglowychna mapie sytuacyjno-wysokościowej z lat 60-tych W roku 1992 KWK Wawel zrealizowała projekt rekultywacji terenu likwidowanej cegielni. Zgodnie z ówczesnym Planem Zagospodarowania Przestrzennego miasta Ruda Śląska teren miał zostać przeznaczony na bazy przemysłowe a częściowo zagospodarowany zielenią zwartą. Projekt zakładał: zasypanie byłych pustek poeksploatacyjnych odpadami z zakładu przeróbczego kopalni wraz z zabezpieczeniem przed negatywnymi zjawiskami towarzyszącymi zwałowaniu, odtworzenie warunków glebowych (rekultywację szczegółową), zagospodarowanie biologiczne przez zadrzewienie, kompleksowe uregulowanie stosunków wodnych. Przed przystąpieniem do zwałowania Cegielnia Bielszowice została zobowiązana do usunięcia pozostałości infrastruktury technicznej oraz zgromadzonych niewielkich pryzm odpadów komunalnych. Odpady były dostarczane na teren wyrobiska koleją. Specjalnie ułożone do tego celu torowiska przekładano dostosowując ich lokalizację do frontu robót. Ze względu na wysoką zawartością części palnych (24,5-32,5%) odpady zgodnie z projektem były rozkładane warstwowo i systematycznie zagęszczane do wymaganych parametrów. Dowiezione i rozłożone odpady były przykrywane cm warstwą materiału inertnego. Po wypełnieniu 3

4 całego wyrobiska teren pokryto warstwą gruntu urodzajnego. Wykonano 3 rowy opaskowe dla przechwycenia wód opadowych z terenów przyległych do zwałowiska. Wody opadowe miały być gromadzone w podłużnym zbiorniku retencyjnym, który nie został jednak zbudowany. Prace związane z rekultywacją biologiczną zostały zrealizowane w niedostatecznym stopniu (widoczne śladowe nasadzenia drzew i krzewów). 3. Opis i metodyka badań Badania metodami geoelektrycznymi składowisk odpadów powęglowych pozwalają na określenie ich cech strukturalnych oraz termicznych. Cechami strukturalnymi są geometria i sposób ułożenia odpadów (warstw), typ i rodzaj odpadów oraz zaburzenia ich jednorodności przez kawerny i szczeliny powstałe w miejscach w których węgiel uległ lub ulega wypalaniu. W zależności od zastosowanej metody dane z pomiarów metod geoelektrycznych można wykorzystać do odwzorowania własności elektrycznych materiału hałdowego oraz ich podłoża w układach poziomych i pionowych (2D) względnie przestrzennych (3D). Zastosowanie metod geoelektrycznych (bazujących na pomiarze przewodnictwa elektrycznego) w badaniach stanu termicznego składowisk odpadów powęglowych polega na wykorzystaniu silnej zależności własności elektrycznych skał a w szczególności węgla od temperatury. Przewodzenie prądu elektrycznego przez skały odbywa się głównie na drodze jonowej z wykorzystaniem zawartej w nich wody. Niektóre skały jednak przewodzą również prąd na drodze elektronowej. Do takich skał należy węgiel. Jego przewodnictwo zależy od temperatury i od jej zakresu. W temperaturach z zakresu węgiel zachowuje się jak półprzewodnik. Górna wartość w przedziale zależna jest od typu i własności węgla. W temperaturach przekraczających przedział C przewodnictwo węgla jest analogiczne jak większości pozostałych skał a więc typu jonowego. Proces spalania cząstek węglowych w masie gruntu odpadowego składającego się z łupka, piaskowca powoduje redukcję zawartości wody (zarówno tej związanej chemicznie jak i wolnej w przestrzeniach szczelinowych). To z kolei powoduje spadek przewodnictwa elektrycznego (wzrost oporu elektrycznego), generując anomalie w rozkładach danych pomiarowych. Metoda elektrooporowa wykorzystuje zróżnicowanie własności elektrycznych ośrodków geologicznych do obrazowania ich budowy strukturalnej. Parametrem oznaczanym z pomiarów w tej metodzie jest pozorny, elektryczny opór właściwy skał p (będący (będący odwrotnością przewodnictwa właściwego, w funkcji rozstawu elektrod zasilających AB 4

5 będącym odwrotnością elektrycznego przewodnictwa właściwego,) w funkcji rozstawu elektrod zasilających AB będącym analogiem głębokości. W fazie projektowania badań na terenie hałdy wytypowano 30 punktów do przeprowadzenia w nich pomiarów. Punkty te oznaczono symbolami od G1 do G30. Sondowania rozmieszczono na terenie hałdy oraz poza nią w nieregularnej siatce w ten sposób, że: sondowania o numerach od G4 G9 usytuowano wzdłuż drogi przecinającej hałdę na przybliżonym kierunku NE-SW; sondowania G G13 znajdowały się poza obrębem hałdy za jej SW skarpą - kilkanaście metrów niżej od pozostałych. W centralnym obszarze płaskowyżu hałdy zlokalizowane były sondy o numerach od G14 do G30 oraz G2 i G3. Położenie punktów badań w układzie współrzędnych geograficznych określono w terenie zestawem GPS. Po wyrównaniu i korekcie wartości te zostały przeliczone na współrzędne państwowego układu geodezyjnego 2000 oraz naniesione na cyfrową mapę terenu (fig.2). 5

6 Fig.2 Lokalizacja sondowań na mapie satelitarnej oraz sytuacyjno -wysokościowej W trakcie prac terenowych stwierdzono znaczne wysuszenie przypowierzchniowej warstwy gruntu (rejony silnie zapożarowane) w punktach oznaczonych numerami 1 i 28. W punktach tych nie można było zamknąć obwodu prądowego AB (nie można było wprowadzić prądu do ziemi). Z tego względu ostateczna ilość wykonanych sondowań wyniosła Wyniki badań 4.1 Charakterystyka zbioru danych pomiarowych W poniższych tabelach zestawiono podstawowe parametry zbioru zarejestrowanych wartości pozornego oporu elektrycznego dla wykonanych sondowań. Charakterystykę zbioru wartości pomiarowych pozornego oporu elektrycznego dla wszystkich zastosowanych rozstawów elektrod AB przedstawia tabela 1. Tab.1 Charakterystyka całego zbioru danych zarejestrowanych we wszystkich sondowaniach Parametr k Min 18,48 Max 9562,00 Średnia 244,53 6

7 W zbiorze tym wartość minimalna jest charakterystyczna dla zwietrzałych łupków ilastych (odpad) glin występujących w naturalnych warunkach geologicznych. Technologia prac rekultywacyjnych wykonanych w 1990 roku polegała na zagęszczaniu kolejnych warstw nasypowych oraz przykrywania ich materiałem inertnym. Materiałem tym najprawdopodobniej była glina o własnościach elektrycznych zbliżonych do wietrzelin łupka. Wartość maksymalna w zbiorze danych rzadko jest spotykana w naturalnych warunkach geologicznych. Jest charakterystyczna dla silnie przesuszonych skał i gruntów. W tabeli 2 przedstawiono charakterstykę danych w podzbiorach wydzielonych ze zbioru wszystkich danych wg. kryterium głębokości penetracji (rozstawu elektrod AB). W podzbiorach tych nie obserwuje się wyraźnego trendu. Tab.2 Charakterystyka danych ze względu na głębokość penetracji (odpowiada mapom izoom na poszczególnych głębokościach) parametr/głęb. 0,60 0,80 1,04 1,36 1,80 2,40 3,20 Min 55,89 57,53 54,65 48,78 42,23 40,34 42,75 Max 7347, , , ,00 717,18 960, ,00 Średnia 569,48 251,77 351,56 580,93 214,24 188,76 182,35 parametr/głęb. 4,20 5,60 7,20 9,60 12,80 16,80 22,00 min 26,43 43,47 18,48 18,72 23,53 31,44 40,11 max 1401, , ,00 72,72 953,97 929,45 368,08 średnia 178,78 214,72 185,77 183,67 146,45 143,77 114,50 Z analizy danych w tabeli 2 wynika, że najwyższe wartości pozornego oporu elektrycznego wszystkich trzech parametrów statystycznych zarejestrowano w strefie głębokości od 0 do 1.5 m. Wartości średniej arytmetycznej oraz maksymalne w podzbiorach danych zarejestrowano przy największym z zastosowanych rozstawów linii AB odpowiadającym estymowanej głębokości 22 m. Wartości minimalne oporu elektrycznego w podzbiorach danych zmieniają się w zależności od głębokości od 18,5 ohm-m (głębokość 7.2m) do 57.5 ohm-m (głębokość 0.8 m). Wartości te odpowiadają w większości badanych miejsc hałdy elektrycznemu oporowi pozornemu niezapożarowanych odpadów (kamienia łupkowego z lokalnymi domieszkami piaskowca. Występujące w podłożu składowiska naturalne grunty to skały karbońskie wykształcone w postaci łupków ilastych o oporze elektrycznym nie przekraczającym 30 ohm-m. 7

8 4.2 Charakterystyka opornościowa składowiska w przekrojach poziomych Celem szacunkowego określenia odniesienia wartości rozstawu elektrod AB względem rzeczywistej głębokości w punkcie pomiarowym przyjęto współczynnik 0.4 do transformacji rozstawu na głebokość. Następnie po wstępnej analizie wyników w programie Golden Software Surfer 8.0 wygenerowano interpolacyjnie (metodą krigingu) mapy izoom dla poszczególnych rozstawów elektrod zasilających AB. Przy przyjętym współczynniku transformacji odpowiadają one następującym poziomom głębokościowym w obrębie hałdy: 0.6, 0.8, 1.04, 1.36, 1.80, 2.40, 3.20, 4.20, 5,60, 7.20, 9.60, 12.80, i m ppt. Mapy przedstawiają rozkład pozornego oporu gruntów odpadowych oraz gruntów rodzimych podłoża geologicznego na ustalonych poziomach głębokościowych pod powierzchnią terenu. Przykładowe mapy izoom dla wybranych głębokości ok. 1, 5 i 13 m przedstawiono na figurach obszary niezapożarowane - obszary zapożarowane głębokość 1.36 m ppt G4 - ogniska pożaru G25 G26 G3 G5 Rejon 1 G29 G24 G27 G2 G6 G23 G30 G22 G7 G20 G13 G9 G8 G21 G19 G18 G G11 G12 G14 G15 G17 G16 Rejon omm Fig. 3 Przykładowy rozkład pozornego oporu gruntów odpadowych oraz rodzimych podłoża na poziomie głębokościowym 1.36m ppt. 8

9 - obszary niezapożarowane - obszary zapożarowane głębokość 5.60 m ppt G4 - ogniska pożaru G25 G26 G3 G5 G29 G23 G24 G27 G6 G2 Rejon 1 G30 G22 G7 G20 G13 G9 G8 G21 G19 G18 G G11 G12 G14 G15 Rejon 2 G16 G Fig. 4 Przykładowy rozkład pozornego oporu gruntów odpadowych oraz rodzimych podłoża na poziomie głębokościowym 5.60m ppt. omm - obszary niezapożarowane - obszary zapożarowane głębokość m ppt G4 - ogniska pożaru G5 G25 G24 G26 G27 G3 Rejon 1 G2 G29 G6 G23 G30 G22 G7 G20 G13 G9 G8 G21 G19 G18 G G11 G12 G14 G15 G16 Rejon 2 G Fig. 3 Przykładowy rozkład pozornego oporu gruntów odpadowych oraz rodzimych podłoża na poziomie głębokościowym 12.80m ppt. omm 9

10 A pparent R esistiv ity (O hm -m ) E levation (m ) 4.3 Charakterystyka opornościowa składowiska w płaszczyznach pionowych (x, z) (interpretowane przekroje ) Celem określenia budowy strukturalnej składowiska w jego przekrojach pionowych krzywe sondowań poddano modelowaniu numerycznemu wykorzystując specjalistyczny program komputerowy do matematycznej inwersji danych. W tym celu do programu wprowadzono zbiór danych pomiarowych obejmujących współrzędne punktów pomiarowych x,y,z oraz parametry krzywych (wartości oporu elektrycznego i rozstawy elektrod). Wysokości powierzchni w punktach wykonanych pomiarów określono z dostarczonej mapy sytuacyjno-wyskościowej. Pomimo w zasadzie prostej budowy geoelektrycznej terenu składowiska, opisanej przez ośrodek składający się z dwóch warstw (odpadów i gruntów podłoża rodzimego) lub trzech warstw (grunt odpadowy zapożarowany, grunt odpadowy niezapożarowany, grunt podłoża) typy zarejestrowanych krzywych w poszczególnych punktach pomiaru znacznie się różnią. Typy krzywych określają relacje pomiędzy wartościami oporu elektrycznego następujących po sobie warstw przy przyjęciu modelu wielowarstwowego i płaskorównoległego ośrodka w punkcie sondowania. W badanym składowisku wpływ litologii warstw gruntowych na opór elektryczny jest znacznie mniejszy aniżeli wpływ temperatury. Zmienia ona całkowicie relacje opornościowe jakie byłyby obserwowane w składowisku nie zapożarowanym. Z powyżej opisanego powodu do interpretacji zarejestrowanych na terenie składowiska krzywych sondowań nie można przyjąć jednego modelu warstwowego. Analiza kształtu krzywych pozwala na przyjmowanie trzech, znacznie różniących się pomiędzy sobą modeli geoelektrycznych podłoża. Są one przedstawione na figurach 6, 7 i G A ndrzej K otyrba Fig.6 Syntetyczna i pomiarowa krzywa PSE w punkcie G4 (lewa część). Warstwowy i wygładzony dla potrzeb inwersji model hałdy w północnej części obszaru badań (prawa część). Od głębokości ok. 2.5 m najprawdopodobniej zalegają grunty rodzime Spacing (m ) R esistivity (O hm -m )

11 A pparent R esistiv ity (O hm -m ) E levation (m ) A pparent R esistiv ity (O hm -m ) E levation (m ) 4 G A ndrzej K otyrba 00 1 Fig.7 Syntetyczna i pomiarowa krzywa PSE w punkcie G2 (lewa część). Model warstwowy i wygładzony dla zapożarowanego na dwóch głębokościach odpadu w północnej części obszaru badań (prawa część) Spacing (m ) G R esistivity (O hm -m ) A ndrzej K otyrba Fig.8 Syntetyczna i pomiarowa krzywa PSE w punkcie G6 (lewa część). Model warstwowy i wygładzony dla zapożarowanego na wielu poziomach głębokości odpadu w północnej części obszaru badań (prawa część) Spacing (m ) R esistivity (O hm -m ) 4 Z uwagi na powyższe obraz struktury podłoża przedstawiono w postaci interpolowanych przekrojów izoom wygenerowanych z tzw.wygładzonych modeli krzywych sondowań (dla interwałów podziału krzywych na segmenty do inwersji). W obszarze wykonanych pomiarów wyznaczono linii przekrojowych oznaczonych symbolami od P1 do P. Obrazy izoom w liniach przekrojów (dolna część) wraz z samymi krzywymi PSE (górna część) uwidoczniono w postaci załączników od 3.1 do 3.. Wartości oporu w przekrojach przedstawiono w skali barwnej w której najniższym wartościom oporu odpowiada kolor niebieski a najwyższym kolor czerwony. Duży przedział zmienności wartości oporu w liniach przekrojowych powoduje, że nawet niewielkie zmiany odcienia barw w odwzorowaniach są istotne dla charakterystyki zapożarowania składowiska. Podkreślenia wymaga fakt, iż interpretowane z krzywych wartości rzeczywistego oporu elektrycznego zapożarowanych gruntów odpadowych (opory elektryczne warstw w 11

12 przyjętych modelach) nie różnią się znacznie od wartości tzw. pozornego oporu elektrycznego (opory elektryczne wprost z danych pomiarowych). Analiza przekrojów wskazuje, że w badanym obszarze nie występują izolowane ogniska pożarowe. Poszczególne rejony zapożarowania połączone są ze sobą systemami szczelinowymi widocznymi w odwzorowaniach oporu elektrycznego. Jedynym przekrojem w liniii którego istnieje pewne prawdopodobieństwo, że odpady nie są zapożarowane to profil P (północna część składowiska). Ale nawet w tym miejscu wartości oporu elektrycznego podłoża wydają się być za wysokie jak dla utworów karbonu. Jest jednak możliwe, że w miejscu tym pod warstwą gruntu odpadowego zalega warstwa rodzimych gruntów czwartorzędowowych wykształconych w postaci zawodnionych piasków. Sugerowałby to zasięg dawnej glinianki widoczny na archiwalnej mapie sytuacyjno-wysokościowej (fig.2). Wyniki badań wskazują, że w okresie wykonywania pomiarów najsilniej zapożarowane rejony zlokalizowane były w okolicy punktów sondowań G7,G6 i G2 (centralna część przekroju P1 rejon 1) oraz punktów G15,G16 i G17 (centralna i wschodnia część przekroju P2 rejon 2). Pod względem strukturalnym rejony te bardzo się różnią. Rejon 1 to system warstw palących się na kilku głębokościach praktycznie od spągu odpadów. Tlen potrzebny do zasilania procesu spalania najprawdopodobniej pochodzi z wody i być może częściowo z powietrza migrującego od strony skarpy południowej (sugerują to przekroje izoom). Fig. 9 Krzywe PSE (górna część) i rozkład oporu elektrycznego (dolna część) w linii profilu P1 12

13 Fig. Krzywe PSE (górna część) i rozkład oporu elektrycznego (dolna część) w linii profilu P2 Rejon 2 to klasyczne zapożarowanie hałdy powęglowej, rozwijające się poczatkowo poziomo od skarpy i dalej przechodzi wgłąb korpusu składowiska. Tlen dostarczany jest z powietrza migrującego od skarpy wgłąb korpusu składowiska. Wymiary poziome obu rejonów w liniach przekrojów to ok. 150 m. 5. Podsumowanie Analiza wyników przeprowadzonych badań pozwala na sformułowanie nastepujących wniosków dla potrzeb zaprojektowania testowych prac technologicznych na terenie składowiska: 1/ Wyniki badań wskazują, że składowisko jest zapożarowane w całej swej masie. Węgiel pali się na różnych głębokościach. Rejony w których pali się węgiel są połączone ze sobą szczelinami powstałymi w masie odpadów pod wpływem naprężeń termicznych i jako efekt ubytku masy. Prawie we wszystkich punktach wykonanych sondowań opór elektryczny odpadów jest anomalnie zawyżony. 2/ Przedstawione na mapach izoom rejony zapożarowania zostały wydzielone wg. kryterium średniej wartości oporu w zbiorze danych danych pomiarowych (opór >200 ohmm). Wyniki interpretacji krzywych sondowań metodami inwersji nakazują uznać, że wartość ta jest zawyżona. W tej sytuacji wydzielone na mapach rejony anomalne należy wiązać z położeniem głównych ognisk zapożarowania hałdy w okresie wykonywania pomiarów. 13

14 3/ Do testowania technologii likwidacji zapożarowania składowiska najwłaściwsze wydają się dwa rejony (1 i 2). Rejon 1 usytuowany jest w rejonie skarpy od strony południowej. Jest klasycznym modelem obszaru w którym najczęściej następuje samozapłon węgla zalegającego w składowiskach odpadów (od skarp poziomo wgłąb masy składowisk). Rejon 2 jest usytuowany w części środkowej składowiska. Obrazy uzyskane z interpretacji ilościowej sondowań wskazują, że w obrazie strukturalnym trudno wskazać tutaj ognisko aktualnego pożaru. Węgiel pali się na wielu głębokościach (od 1-20m ) przypominając obraz wielorusztowej komory spalania. Jest ona zasilany w tlen pochodzący z wody oraz powietrza dopływającego od strony skarpy południowej systemem szczelinowym. Miejsce to najprawdopodobniej odpowiada najgłębszej części dawnego wyrobiska gliny. Położenie rejonów 1 i 2 uwidoczniono na zał.1. Praca została zrealizowana w ramach projektu "System zarządzania likwidacją emisji CO2 ze zwałowisk odpadów powęglowych" COOL (nr. umowy UDA-POIG /08-00) 14