Těsnicí stěny pro těžbu diamantů v arktické Kanadě

Cut-off walls for diamond mining in the Arctic of Canada

A 3,800 m long temporary water-retaining dike has been constructed under extreme climate conditions to enable two kimberlite pipes at the Diavik Diamond Project reserve to be mined using open pits. The Diavik Diamond Project is located in Canada’s Northwest Territories, appr. 200 km south of the Arctic Circle. The dike, which has been constructed in up to 25 m deep water from crushed granite, was first compacted by TR 75 deep vibrators. Then an 800 mm wide diaphragm cut-off wall constructed of bentonite, cement and crushed rock, of 33,000 m², and a two-phase jet grouted curtain wall at its base, of 8,400 m², have been installed through the dike and underlying till foundation into bedrock. In 2000, Bauer Maschinen, Germany were awarded the contract for the supply of all specialist foundation equipment including technical support to the Canadian main contractor Lac-de-Gras-Construction.

PŮVOD DIAMANTŮ
Kimberlit, hornina obsahující diamanty, se nachází v hloubce přibližně 150 km pod zemským povrchem, kde se v magmatu utvořily diamanty před zhruba miliardou let pod tlakem 500 MPa a za teploty více než 1.000 °C. Vlivem sopečné činnosti se před 55 miliony let žhavá hornina vyvěrající rychlostí 10–30 km/h dostala hlubokými štěrbinami v zemské kůře na povrch. Zde se ochladila a vytvořila kimberlitové trubky, sopečné komíny v původní hornině, naplněné kimberlitovou rudou. Na severu Kanady je často původní horninou žula, tedy velmi tvrdá hmota. Zpočátku je sopečná usazenina formována do tvaru kužele, jeho vrchní část však zpravidla rozrušuje ledovcová činnost. Erozí vzniklý materiál dále sestupuje po ledovci – až tisíce kilometrů. Jelikož je kimberlit poměrně měkká hornina, procesy eroze uvolňují diamanty z jejich „hostitelské“ rudy.
Řez horninou
 

Těžba začala v prosinci 2002. Letecký pohled.

 

SHRNUTÍ PROJEKTU DIAVIK
Projekt Diavik je realizován na ostrově v oblasti Lac de Gras, přibližně 300 km severovýchodně od Yellowknife, hlavního města Northwest Territories. Kimberlitové trubky leží nedaleko břehu, v hloubce 15–30 m pod hladinou vody. Plány předpokládají, že všechny kimberlitové trubky budou vytěženy povrchovou technikou. Proto byly postupně vybudovány obvodové kanály s nepropustnými těsnícími stěnami z plastického betonu.

Napojení na povrch umožnila technologie tryskové injektáže, praskliny ve svrchní části žulového podloží byly utěsněny tlakovou injektáží. Jakmile je kanál dostavěn a v těsnících stěnách je dokončena montáž vodních filtrů, následuje vypumpování nádrží. Vzhledem k poloze naleziště daleko na severu (pouhých 200 km jižně od polárního kruhu) je doba, vhodná pro stavbu kanálů a zvláště pro hloubení těsnících stěn, každoročně omezena na období mezi polovinou května a polovinou října. Jindy mohou teploty klesat až na -54 °C a práce během dlouhé zimy nejsou možné. Z Yellowknife je naleziště přístupné jen po každoročně budované ledové silnici asi jen 10 týdnů od začátku února. Důkladné plánování a logistika jsou během letních stavebních prací nezbytné. Když je zimní silnice uzavřena, musí se jakékoli chybějící součástky či materiál přepravit na místo lodí.

TECHNICKÉ PARAMETRY
Stavba kanálu
Jelikož na ostrově nebyl vhodný přírodní zdroj, musel být veškerý materiál potřebný na stavbu kanálu, vyroben z vytěžených hornin. Byl zde založen žulový důl, jenž zásoboval mobilní drtírnu a třídírnu 28 000 t horniny denně. Přeprava zařízení a materiálu začala v únoru 2001, stavba těsnící zdi skončila v srpnu 2002, těžební činnost a zpracování diamantů začalo v prosinci 2002. Údaje o stavbě kanálu je možné shrnout následovně:
Délka kanálu 3.809 m
Trysková injektáž stěn 33.000 m³
Objem použitého materiálu 3,000.000 m³
Odvodnění 10,300.000 m³
Vibrační zhutňování 290.000 m³
Průměrná rychlost filtrace 800 l/min
Stěna membrány 33.000 m²

Středovou část kanálu zhutnil hloubkový vibrátor Bauer TR75 nesený pásovým jeřábem BS 6100 s integrovanou hydraulikou. Ve vzdálenosti 5 m od středu každého z dílců stěn kanálu musela být půda zhutněna od povrchu směrem dolů až ke kontaktu materiálu A1 se dnem jezera. Maximální hloubka vibračního zhutňování činila 27 m. Tímto hloubkovým zpevněním se deformační odolnost uvnitř kanálu zvýšila, potenciál poklesu půdy se snížil a vytvořil se hutný materiál na podporu stavby těsnících stěn. Testy před a po vibračním zhutnění prokázaly, že bylo dosaženo velmi dobrého zpevnění v zóně materiálu A1. Celkově bylo zpevněno 290.000 m³ materiálu A1.

Stavba membrány těsnící stěny
Membrána těsnící stěny byla hloubena v pěti různých půdních podmínkách:

• Kamenná drť
  Díky pečlivé kontrole kvality gradace (odstupňování) během drcení, třídění a čištění a díky vibračnímu zhutnění po uložení byl tento materiál při hloubení velmi stabilní.
• Till (nezpevněná usazená hornina, jejíž materiál byl původně transportován ledovcem)
  Ledovcové nánosy zde byly velmi heterogenní. Zejména na mělčině poblíž břehů se nacházela pole až třímetrových balvanů. V jiných oblastech byla nalezena písčitá pásma různé konzistence.
• Zmrzlý till
  Místo realizace projektu je v zóně souvislého permafrostu a trvale zmrzlá půda se vyskytuje na všech ostrovech oblasti Lac de Gras – jak na pevnině, tak u pobřeží, kde hloubka vody dosahuje maximálně 2 m. Zemský povrch taje pouze v létě, do maximální hloubky 3 m. Složení zmrzlého tillu je identické se složením nezmrzlého, až na výskyt ledu. V tillu zamrzlý balvanitý materiál nešlo lehce rozlomit, muselo být použito speciálně vybavené zařízení na hloubení.
• Balvanitý materiál
  Balvany se zde zpravidla skládají z tvrdé žuly s pevností v tlaku dosahující v průměru 115 MPa. Balvany do velikosti 1 m byly vytěženy hydraulickým bagrem, zatímco ty větší byly rozděleny strojem (Trench Cutter Bauer BC 40).
• Zvětralé skalní podloží
  K utěsnění musela být membrána těsnící stěny spojena s podložím.

K utěsnění kanálu bylo dvoufázově vybudováno celkem 32.700 m² membrány tloušťky 80 cm. Při hloubení ji podporovala bentonitová směs, která byla následně odstraněna výsypkou směsi plastického betonu. Při výběru této směsi byly zváženy tyto faktory:

• na místě bylo dostupné pouze drcené kamenivo,
• zásoby písku byly omezené,
• cement a bentonit bylo nutné na stavbu přivážet ze značných vzdáleností,
• voda, odebíraná z Lac de Gras, teplá +3 °C, musela být před použitím ohřívána,
• betonovalo se výsypnými rourami,
• nákladní vozy na převoz plastického betonu snášejí jen teploty do -20 °C,
• v zóně permafrostu bude beton vystaven teplotám půdy kolem -10 °C,
• plastický beton bude muset odolat deformacím kanálu při odvodňování,
• plastický beton musí být odolný vůči otřesům způsobeným důlní činností,
• dlouhá životnost,
• střídání mrazu a tání v zóně permafrostu.

Směs, která vyhovovala uvedeným kritériím, byla vyvinuta po třech letech výzkumu v kanadských laboratořích.

Trysková injektáž
Vzhledem k tomu, že se trysková injektáž nemohla uskutečnit dříve, než byl vyvinut vyhovující plastický beton, a jelikož byla posledním krokem při stavbě těsnícího systému, jednalo se o nejkritičtější úsek stavebního plánu. Původní návrh membrány počítal s instalací do vrchní části podloží. S tryskovou injektáží se mělo začít v hloubce 1,5 m a postupovat po 0,5 m směrem nahoru do již postavené membrány. Kritickým požadavkem, zvláště při navrtávání otvorů pro injektáž do tillu, bylo dosažení požadované tolerance odchylky svislosti 0,5% ve všech směrech, a tím zajištění adekvátních překryvů sousedících pilot. Bylo také nezbytné dodržet přesnost navrtání otvorů do již vybudované panelové stěny, aniž by byla provrtána. Dokázala to vrtná souprava UBW 09 a vrták o průměru 152 mm. Všechny vrty byly přeměřeny, zhruba 98% splňovalo požadované specifikace. Pilotážní souprava BG 22 umožnila stavbu až 27 m vysokých pilot bez rozpojování vrtných tyčí. Maximálně dosažitelná hloubka vrtných tyčí činila 33 m.

KONTROLA KVALITY A ZÁZNAM VÝROBNÍCH DAT
Harmonogram stavby značně závisel na počasí. Veškeré výrobní údaje (o stavbě) a o zařízeních byly nepřetržitě zaznamenávány a ukládány v elektronické podobě. Na konci každé směny byla shromážděná data předávána do hlavní kanceláře, kde byla vyhodnocována a archivována. Výsledky se každý den posílaly zákazníkovi poštou i v elektronické podobě. Hodnoty byly graficky zpracovávány do podoby „výkresu skutečného stavu“, který znázorňoval postup prací na membráně, pilotách a napojení na podloží. Souhrnná výkresová dokumentace značně usnadnila vyhodnocování dat a kontrolu kvality.

SHRNUTÍ
Stavba poslední piloty byla dokončena v polovině července 2002. Po deseti dnech začalo odčerpávání nádrže kanálu a následovala těžba tillu z těžebních prostor uvnitř kanálu. Díky vysoké kvalitě systému těsnících stěn bylo dosaženo průměrné rychlosti filtrace 800 l/min. První diamanty byly vytěženy na konci listopadu 2002 a regulérní těžba a zpracování diamantů začalo v prosinci 2002.

Autor

• (red)