Ochrana staveb proti metanu vystupujícímu z podloží I

V posledních letech dochází v řadě lokalit, kde byla ukončena hornická činnost, k výstupu důlních plynů, jejichž součástí je také výbušný metan, na zemský povrch. Důsledkem toho je pak vážné ohrožení majetku a bezpečnosti osob. Problém není zcela nový, je doložen i historicky. Nejstarší písemný doklad o výronu důlního plynu je z r. 1852 a nachází se v Městském archívu v Ostravě. Od té doby je zaznamenána a popsána celá řada událostí spjatých s problematikou nekontrolovaného výstupu důlních plynů.

Velmi akutním se stal problém nekontrolovaného výstupu důlních plynů v regionu Ostravska a Karvinska v posledních letech, tedy v souvislosti s ukončením těžby a likvidací několika důlních děl. Tato záležitost se stala natolik závažnou, že vedla vládu ČR k vydání usnesení č. 993 ze dne 14. 10. 2002, kterým uložila Ministerstvu pro místní rozvoj ve spolupráci s Českým báňským úřadem v Praze připravit směrnici, která by řešila problematiku výstupu důlních plynů na zemský povrch na územích s utlumenou hornickou činností, jak při výstavbě nových staveb, tak při užívání či odstraňování stávajících staveb.

Z pověření Českého báňského úřadu v Praze byl v roce 2003 na Fakultě stavební VŠB – TU Ostrava zpracován projekt č. 19/2002 ČBÚ Praha s názvem „Eliminace nebezpečí z unikajícího plynu karbonského pohoří z hlediska ochrany povrchových objektů“. Výstupem daného úkolu, který byl v prosinci 2003 předán ČBÚ Praha, byl „Návrh vyhlášky Českého báňského úřadu, kterou se stanoví podmínky k zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci a bezpečnosti provozu u staveb na území s výstupem důlních plynů“.

Uvedený návrh vyhlášky je východiskem pro další výzkum, vývoj, navrhování a realizaci ochranných opatření proti průniku důlních plynů, resp. metanu, do nových i stávajících staveb na takto postiženém území. Pro ochranu staveb proti pronikání metanu zatím neexistuje v České republice žádný schválený legislativní předpis.

Problém spočívá ve skutečnosti, že směs metanu se vzduchem může vytvořit výbušnou nebo hořlavou koncentraci. Výbušná koncentrace metanu, v závislosti na obsahu plynu ve směsi se vzduchem, se pohybuje přibližně v rozmezí 5–15 %.

 

A – území s možným nahodilým výstupem,

B – území ohrožené výstupy,

C – území nebezpečné výstupy,

D – výchozy karbonu,

E – území v okolí starého důlního díla, nebo v okolí likvidovaného hlavního důlního díla nebo vrtu.

 

a) 1. stupeň – stavba bezpečná – naměřené koncentrace metanu v žádném místě v interiéru nepřesáhnou 0,1 %,

b) 2. stupeň – stavba ohrožená – naměřené koncentrace metanu v interiéru jsou vyšší než 0,1 %, ale nepřesahují 0,5 %,

c) 3. stupeň – stavba je nebezpečná – naměřené koncentrace metanu v interiéru jsou vyšší než 0,5 %.

Problematiku metanu vystupujícího z podloží, jehož koncentrace v půdním vzduchu se výrazně mění v závislosti na barometrickém tlaku a který proniká skrze kontaktní konstrukce (podlahy, obvodové stěny) dovnitř staveb, je nutno řešit pomocí stavebních opatření, jež radikálně omezí jeho přísun. A to tak, aby ve vnitřních prostorách staveb byla po celou dobu životnosti zajištěna koncentrace metanu pod limitní hodnotou 0,1 %, která zajišťuje jejich bezpečné užívání.

 

 

Ochranná opatření proti pronikání metanu z podloží dovnitř stavebních objektů rozlišujeme pro:

● Nové stavby,

● Stávající stavby.

 

Jak u novostaveb, tak také u stávajících staveb je nutno nejprve rozlišit, zda se jedná o stavbu typu M – stavby, u kterých se může důlní plyn hromadit (např. uzavřené budovy, podzemní stavby, kolektory apod.), nebo o stavbu typu N – stavby, u kterých je hromadění důlního plynu vyloučeno (např. otevřené stavby, liniové nadzemní stavby apod.).

Opatření proti pronikání metanu se navrhují pouze u staveb typu M. U staveb typu N nejsou žádná opatření potřebná. Ochranná opatření musí být, pokud je to technicky možné, navržena tak, aby jejich funkce byla nezávislá na uživateli stavby.

Základním podkladem pro návrh opatření proti pronikání metanu dovnitř stavebních objektů jsou atmogeochemická měření koncentrací metanu v půdním vzduchu. Hodnoty naměřených koncentrací se pak zakreslí do výkresu situace, ze kterého jsou posléze patrné různé hodnoty v různých půdorysných plochách (viz obr. 1).

 

Ochranná opatření u novostaveb

U novostaveb rozlišujeme dvě základní konstrukční opatření, a to:

2) osazení vstupního podlaží nad úroveň terénu. A to tak, aby byl úplně vyloučen jeho kontakt s podložím. Princip je znázorněn na obr. 2.

 

V obou případech je nutno zajistit plynotěsnost spojů vnitřní kanalizace (včetně provedení její zkoušky v souladu s ČSN 73 6760). Ventilační hlavice vnitřní kanalizace pak musí být osazeny v takové výšce nad rovinou střechy, aby v místě jejich vyústění nemohlo dojít k manipulaci s otevřeným ohněm (např. v budoucnu při opravě střechy, klempířských prvků apod.). Případně se tento požadavek zajistí jiným vhodným způsobem, který je v souladu s příslušnými bezpečnostními předpisy.

Veškeré podzemní konstrukce (základové konstrukce, revizní šachty apod.) musí být navrženy tak, aby v nich nemohlo docházet ke kumulaci metanu.

U obou způsobů je zároveň nutno v kontaktním podlaží objektu instalovat zařízení na registraci a informaci o výskytu důlního plynu a metanu (CH₄) včetně příslušného počtu čidel. Zmíněné zařízení je pak napojeno na centrální záchranný systém, který v případě výskytu nadměrné koncentrace zajistí vyslání zásahové jednotky, která učiní opatření pro její snížení (zpravidla intenzívním odvětráním).

 

Povlaková izolace proti pronikání metanu z podloží se provede na konstrukcích kontaktního podlaží, které jsou v kontaktu s podložím (podlaha, svislé obvodové stěny nejnižšího podlaží). Zároveň se zajistí splnění požadavku uvedeného v odst. 7.2.1 ČSN 73 0540 – 2, který stanoví nejnižší hodnotu intenzity výměny ­vzduchu v neužívané místnosti n_{min, N} = 0,1 h^–1. Zmíněná bariérová izolace radikálním způsobem snižuje difuzi metanu skrze kontaktní konstrukce dovnitř objektu, a to v závislosti na hodnotě jejího koeficientu difuze D [m².s^–1 ] pro metan.

 

1. Pokud bude stavba situována na poddolovaném území, musí být v rámci projektu rovněž řádně navržena její odolnost proti účinkům poddolování v souladu s ČSN 73 0039.

2. Izolace proti pronikání metanu je zároveň hydroizolací, případně také izolací proti pronikání radonu. Musí být tedy navržena v souladu s ČSN P 73 0606 a ČSN P 73 0600, případně také v souladu s ČSN P 73 0601.

3. Izolace se navrhne z vhodné polymerní fólie, případně z asfaltového pásu typu S s nenasákavou vložkou. Návrh tloušťky izolace se doloží výpočtem (viz níže).

Na základě dosavadních měření součinitelů difuze metanu D_m [m².s^–1] je možno konstatovat následující:

● Jako nejvhodnější materiály se jeví fólie na bázi vysokohustotního polyetylénu (PE-HD) a polypropylénu (PP). To proto, že vykazují velmi nízké hodnoty součinitelů difuze metanu D_m [m².s^–1].

● Jako nevhodné materiály se jeví asfaltové pásy. To proto, že i nejkvalitnější asfaltové pásy (včetně pásů s kovovými fóliemi) vykazují vysoké hodnoty součinitelů difuze metanu D_m [m².s^–1] (o několik řádů vyšší než zmíněné fólie s jejich nízkými hodnotami). Tato skutečnost při praktickém navrhování izolace znamená nutnost návrhu jejich značné tloušťky (řádově několik centimetrů, či dokonce decimetrů), což je pro praktické použití, samozřejmě, nereálné.

Příklady hodnot součinitelů difuze metanu D_m u některých materiálů jsou uvedeny v tabulce.

 

a) Musí mít stanoven součinitel difuze metanu D_m [m².s^–1], a to jak v ploše, tak také ve spoji. Je nepřípustné, například u fóliových izolačních systémů nahrazovat svařované spoje pomocí samolepicích pásků, jejichž těsnost může být z hlediska pronikání metanu problematická.

b) Tažnost izolačního materiálu musí být taková, aby izolace byla schopna přenést mezní deformace, které jsou pro určitý typ konstrukce uvedeny v ČSN 73 1001. Pokud bude objekt ovlivněn účinky poddolování, musí být izolace schopna přenést také deformace v důsledku účinků poddolování, pokud je objekt zajištěn konstrukčním systémem poddajným nebo smíšeným podle ČSN 73 0039. V případě zajištění na principu tuhosti zde zpravidla problém nebude.

c) Trvanlivost izolačního materiálu musí odpovídat předpokládané životnosti stavby.

d) Izolační materiál musí splňovat všechny požadavky, které vyplývají z konkrétních podmínek na staveništi (odolnost proti mechanickému namáhání, koroznímu namáhání apod.).

e) Veškeré prostupy izolací proti průniku metanu musí být řešeny pomocí ocelových plášťových trub s navařenými pevnými přírubami, kde se hydroizolační povlak sevře mezi pevnou a volnou přírubu. Prostor mezi plášťovou troubou a prostupujícím potrubím či kabelem se vyplní vhodným plynotěsným těsněním (např. trvale pružným tmelem, pryžovými profily, apod.). Zde je možno uplatnit stejné zásady, které platí pro izolace proti průniku radonu, a to požadavky z kap. 6.8 ČSN 73 0601.

 

4. Pod vodorovnou izolaci se provede podkladní vrstva – podkladní beton (třída betonu min. B 15), o minimální tloušťce 150 mm, která se vyztuží ocelovou svařovanou sítí (min. ø 5/150 – 150 mm) při horním povrchu. V místech nad základy (pásy, patkami) se provede vyztužení ocelovou svařovanou sítí také při dolním povrchu.

5. Podkladní beton se výškově umístí nad úroveň horního líce základové konstrukce (pásů, patek, roštů).

6. Na poddolovaném území se doporučuje podkladní beton vyztužit ocelovou svařovanou sítí při horním i dolním povrchu v celém rozsahu, čímž dojde k vytvoření souvislé železobetonové ztužující desky (tzv. membránové desky) tak, jak je uvedeno v odst. 3.2.7 bod 4) ČSN 73 0039.

7. Na poddolovaném území je možno podkladní beton doplnit z důvodu snížení smykových napětí v základové spáře také kluznou spárou tak, jak je popsáno v ČSN 73 0039, popřípadě reologickou kluznou spárou. Smyková napětí v základové spáře a pod podkladním betonem je možno částečně snížit také položením vhodné separační vrstvy (např. geotextilie) pod vrstvu podkladního betonu, tedy přímo na terén, nebo na štěrkopískový polštář.

a) přímo na rostlý terén – u propustného podloží z hlediska podzemní vody;

b) na štěrkopískový polštář – v případě nepropustného podloží z hlediska podzemní vody (v případě zemin o hodnotě součinitele propustnosti k ≥1.10^–4 m.s^–1– viz ČSN P 73 0600.

Tloušťka štěrkopískové vrstvy – min. 200 mm. Rovinnost a vlhkost podkladu musí respektovat druh použitého izolačního materiálu. Tyto jsou zpravidla předepsány příslušnými výrobci.

9. Pro ochranu izolace, její provádění a přejímku platí obecně zásady jako v případě hydroizolací.

U všech místností v kontaktním podlaží i u všech dalších místností objektu je nutno vždy zajistit, aby byl splněn požadavek odst. 7.2.1 ČSN 73 0540n_{min, N} = 0,1 h, který stanoví hodnotu nejnižší intenzity výměny vzduchu v neužívané místnosti ^–1.

To v praxi znamená:

a) u místností s okny nesmějí být použita těsná okna nebo venkovní dveře, ani provedeno jejich dodatečné utěsnění;

b) u vnitřních místností bez oken musí být výše uvedená hodnota nejnižší intenzity výměny vzduchu zajištěna ventilačním průduchem s přirozeným prouděním vzduchu nebo jejich propojením s některou sousední místností (např. pomocí větracích mřížek umístěných nad sebou v místě podlahy a pod stropem).

To proto, aby v případě, že budova nebo její určité místnosti budou uzavřeny a nebudou delší dobu užívány, nemohlo dojít ke kumulaci metanu v interiéru.

 

1) pokud je to možné, omezit kontakt stavby s podložím na minimum;

2) na zásypy kolem objektů použít materiály s vysokou plynopropustností, tzn. zeminou štěrkovitou nebo písčitou třídy G1, G2, G3, S1, S2, S3 podle ČSN 73 1001. Nepoužívat kolem staveb ve větších plochách terénní úpravy z materiálů, které mají nízkou plynopropustnost (např. asfalt, beton apod.).

 

Návrh druhu a tloušťky povlakové izolace proti pronikání metanu závisí také na dalších požadavcích, které má izolace splňovat (viz výše). Z tohoto důvodu musí být provedeno její komplexní posouzení z hlediska všech funkcí, které budou na ni kladeny v konkrétních podmínkách.

Níže uvedený postup návrhu tloušťky povlakové izolace proti pronikání metanu byl sestaven na základě lit., ze které byly převzaty vztahy (2)
a (4). Tento postup umožňuje navrhnout minimální potřebnou tloušťku izolace b_min. [m] tak, aby intenzita hmotnostního toku metanu přes izolaci dovnitř objektu Q_m byla menší, než je její maximální dovolená hodnota Q_{m, max.}.

 

a) Nejnepříznivější místnost je místnost, která má největší hodnotu poměru P [m]:

 

                            A

                    P = –––– [m^–1]   (1),

                            V

kde: A [m²] – celková plocha konstrukcí, které jsou v kontaktu s podložím – viz vztah (3),

V [m³] – celkový objem posuzované místnosti.

 

Pokud bychom navrhovali tloušťku izolace proti pronikání metanu podle skutečné hodnoty intenzity větrání infiltrací u posuzované místnosti n [–], pak by se tato vypočetla podle ČSN 06 0210. Nejnepříznivější místnost by se pak musela klasifikovat také podle tohoto kritéria, tedy s nejnižší hodnotou intenzity větrání infiltrací n [–], obdobně, jak je tomu v případě navrhování protiradonových izolací podle ČSN P 73 0601. Zde však z důvodu zajištění bezpečnosti uvažujeme vždy n = 0,05 h^–1 (viz níže).

 

b) Minimální potřebnou tloušťku izolace b_min. [m] proti pronikání metanu určíme:

     A . (v₁ – v₂ )

b_min. = D_m.–––––––––––– . [m]   (2),

       n . V . v₂

 

kde: D_m [m².s^–1] – součinitele difuze metanu, v₁ [%] – koncentrace metanu vycházejícího z podloží, v₂ [%] – maximální přípustná koncentrace metanu za izolací (uvnitř objektu), A [m²] – celková plocha konstrukcí, které jsou v kontaktu s podložím viz vztah (3), V [m³] – celkový objem posuzované místnosti, n [s^–1] – intenzita větrání infiltrací u posuzované místnosti.

 

● v₂ = 1.10^–3, tedy 0,1 %,

● Hodnotu v₁ pak dosazujeme následovně:

a) na území kategorie A hodnotou 10%;

b) na území kategorie B až D dvojnásobkem hodnoty naměřené jako podklad pro projektování. Nejméně však 10 % a nejvýše 100 %;

c) na území kategorie E hodnotou 100 %.

● Hodnotu D_m [m².s^–1] dosadíme podle konkrétního izolačního materiálu. A to z naměřených hodnot v ploše a ve spoji hodnotu nepříznivější, tedy hodnotu vyšší.

● Z bezpečnostních důvodů dosadíme hodnotu n = 0,05 h^–1 (n = 1,39.10^–5 s^–1), tedy hodnotu poloviční, než je n_{min, a} = 0,1 h^–1.

 

Celkovou plochu konstrukcí A [m²], které jsou v kontaktu s podložím, vypočteme ze vztahu:

 

A = A_p + A_s [m^–2]   (3),

kde: A_p [m²] – plocha podlahy, která je v kontaktu s podložím, A_s [m²] – celková plocha všech částí stěn, které jsou v kontaktu s přilehlou zeminou.

 

c) Dobu t_k [s], za kterou vzroste koncentrace metanu v místnosti na kritickou hodnotu koncentrace metanu v_{2, krit.} = 4 %, vypočteme:

kde: b [m] – je navržená skutečná tloušťka izolace, v_{2, krit.} [%] – je kritická koncentrace metanu. Dosazujeme vždy v_{2, krit.} = 4 %. Význam ostatních veličin je stejný jako u vztahu (2).

Doba t_k se počítá za předpokladu hodnoty intenzity větrání n = 0.

Musí být splněna podmínka: t_k ≥ 90 dní   (5).

 

Související normy: ČSN 73 0039, ČSN 73 0540, ČSN 06 2010, ČSN 73 1001, ČSN P 73 0606, ČSN P 73 0600, ČSN P 73 0601, ČSN P 73 0610, ČSN 73 6760.

 

 

  

obr. archiv autora