Metanonośność złoża węgla kamiennego w południowo-wschodniej części GZW

Metanonośność złoża węgla kamiennego w południowo-wschodniej części cechuje się dużym zróżnicowaniem zarówno w planie powierzchniowym, jak i w skali głębokościowej [26]. Ilość, forma występowania oraz rozmieszczenie metanu w górotworze były kształtowane w trakcie całej historii rozwoju sedymentacji basenu węglowego, jego przebudowy oraz następujących procesów diastroficznych i akumulacji osadów młodszych na utworach karbonu. Na obserwowaną obecnie regionalną zmienność pola metanonośności pokładów węgla zasadniczy wpływ wywarły następujące czynniki:

ü odsłonięcie utworów karbonu trwające do miocenu w części południowej GZW, co spowodowało na całym obszarze odgazowanie górotworu karbonu do znacznej głębokości,

ü przykrycie utworów karbonu południowej części GZW nieprzepuszczalnymi ilastymi osadami formacji skawińskiej miocenu. Spowodowało to wstrzymanie lub ograniczenie procesu migracji i ucieczki gazu do atmosfery oraz akumulację migrującego gazu w węglach części stropowych karbonu (pierwotnie odgazowanych). W szczególnych warunkach proces ten doprowadził do utworzenia się złóż metanu wolnego (np. OG „Czechowice II”),

ü przebieg procesu uwęglenia i stopnia uwęglenia substancji wyjściowej,

ü zmiany tektoniczne, które nastąpiły w złożu po zakończeniu głównej fazy procesu uwęglania, a które ukształtowały obecna strukturę złoża i spowodowały przemieszczanie się mas gazu i wody w złożu.

Fakty te stanowią główna przyczynę obserwowanej dwudzielności obszaru południowo-wschodniej części GZW na dwa regiony geologiczno-gazowe, różniące się zasadniczo

warunkami akumulacji metanu w górotworze i charakterem zmienności głębokościowej metanonośności osadów karbońskich: [71]

ü region południowy, gdzie głębokościowa zmienność metanonośności węgla cechuje się występowaniem dwóch maksimów; w stropowej części osadów karbońskich, pod uszczelniającymi utworami miocenu oraz w pewnej odległości poniżej, poza strefą pierwotnego przedmioceńskiego odgazowania górotworu, czego przykładem jest obszar górniczy „Czechowice II” i „Brzeszcze II”,

ü region wschodni, gdzie górotwór karboński został odgazowany do znacznych głębokości rzędu 500-1000 m , czego przykładem są obszary górnicze: Lędziny I, Wola, Bieruń I.

Stwierdza się wyraźną zależność pomiędzy metanonośnością a tektoniką w tym znaczeniu, że dyslokacje w sposób wyraźny rozgraniczają bloki o różnym stopniu nasycenia metanem. Obecność uskoków, szczególnie uskoków mioceńskich, może zmienić ogólny obraz, tzn. spowodować lokalny wzrost metanonośności pokładów. Wynika z tego konieczność prowadzenia stałych badań metanonośności pokładów, stanowiących główny akumulator metanu. Nagromadzenia metanu w skałach towarzyszących są na ogół nieznaczne. Badania porowatości efektywnej piaskowców karbońskich poszczególnych serii stratygraficznych wykazały, że średnie jej wartości wahają się w granicach od 2,5 do 10 %. Z głębokością zalegania średnia porowatość maleje. Szczelinowatość nie wpływa w sposób istotny na powiększenie porowatości piaskowców, jednak jest ona elementem stanowiącym o drożności górotworu. Mając połączenia z większymi szczelinami uskokowymi przecinającymi pokłady węgla mogą przewodzić większe ilości metanu desorbowanego pokładów i stwarzać przez to większe zagrożenia. Obecną metanonośność należy rozpatrywać jako zjawisko dynamiczne w znaczeniu geologicznym, w którym nadal następuje w złożu transfer dużych mas gazu. Na dynamikę zmian spowodowaną procesami tektonicznymi nakładają się lokalne wpływy eksploatacji górniczej na tym obszarze. Ze wzrostem głębokości eksploatacji dynamika procesu będzie wzrastać [35].

Metanonośność pokładów węgla. Południowa – wschodnia część GZW pokrywa się z

południowo-wschodnim skłonem niecki górnośląskiej. Struktura niecki w tej części złoża jest korzystna dla migracji gazów. W procesie uwęglenia humusowej substancji organicznej powstały ogromne ilości metanu. Potencjał generowania metanu 1 Mg węgla końcowego produktu w przedziale uwęglenia od 40 - 25 % V^daf wynosi około 110 m³ [32].

Akumulacja metanu w utworach węglonośnych, a zwłaszcza w południowo-wschodniej części GZW związana jest z pokładami węgla oraz kompleksami piaskowcowymi,

szczególnie w przystropowych partiach karbonu. Na rozkład gazonośności w utworach górnego karbonu mają wpływ strefy tektoniczne związane z tektoniką dysjunktywną. Obserwuje się wzrost metanonośności pokładów węgla i piaskowców w przystropowych partiach karbonu ekranowanych utworami miocenu. Zauważalny jest wzrost metanonośności z głębokością, w strefie gazów metanowych ze stopniem uwęglenia pokładów oraz w strefach metamorfizmu kontaktowego z przejawami magmatyzmu [31], [33a], [66], [67], [68], [69], [49]. W południowej części GZW na utworach silezu zalegają bezpośrednio uszczelniające utwory miocenu. Według Kotarby, po wypiętrzeniu utworów węglonośnych pod koniec orogenezy waryscyjskiej przez ponad 260 mln lat, od górnego karbonu do miocenu, trwała jej erozja i denudacja [69]. Nastąpiła intensywna degazacja złoża, ucieczka autochtonicznych gazów termokatalitycznych do atmosfery i powstanie strefy naturalnej degazacji (desorpcji). Dopiero sedymentacja utworów miocenu doprowadziła do uszczelniania utworów węglonośnych i zatrzymania w nich allochtonicznych gazów termokatalitycznych migrujących z głębiej zalegających pokładów. Wielostrefowy rozkład głębokościowy gazonośności złoża [69] jest spowodowany odpływem gazów autochtonicznych, a następnie akumulacją w partii przystropowej utworów górnego karbonu allochtonicznych gazów termokatalitycznych. Rozkład zawartości metanu i wyższych węglowodorów gazowych [32] pozwoliły ustalić strefę naturalnej degazacji (wietrzenia gazowego) złoża, która sięga do głębokości 1000 m poniżej stropu górnego karbonu. Poniżej tej głębokości przeważają autochtoniczne gazy termokatalityczne. Wśród hipotez na ten temat przeważa pogląd migracyjnego pochodzenia metanu: z kierunku pionowego - od głębiej zalegających struktur zarówno karbońskich jak i dewońskich oraz z kierunku poziomego - od zapadliska przedkarpackiego, w którym występują poziomy gazonośne związane z formacją mioceńską. Złoże węgla kamiennego OG „Czechowice II" charakteryzuje się obecnością znacznych ilości gazu - metanu występującego zarówno w stanie związanym fizyko-chemicznie z substancją węglową jako tzw. metan sorbowany jak również wypełniającego pory i szczeliny w węglu i skałach płonnych jako tzw. metan wolny. Złoże położone jest w strefie o zaburzonej strukturze metanowej, gdzie strefa wysokometanowa o metanonośności powyżej 4,5 m³CH4/Mgcsw zalega na zmiennych głębokościach od ok. 260 m (otwór Silesia 14) do ok. 1080 m (otwór Silesia 19) i gdzie nie ma stref odgazowanych. Obserwuje się generalny wzrost metanonośności z głębokością. Zawartości metanu w pokładach węgla do poziomu -760 m wahają się w szerokich granicach od 0,221 m³CH4/Mgcsw do 10,519 m³CH4/Mgcsw. Na OG „Czechowice II” obserwuje się wyraźny wzrost metanonośności pokładów węgla (pokład 214/1-2, 212) i piaskowców w przystropowych partiach karbonu ekranowanych utworami

miocenu. Następnie występuje wyraźny spadek metanonośności pokładów węgla, poczym wraz z głębokością (poziom 760 m) daje się zauważyć ponowny wzrost metanonośności. Badania desorbometryczne wykazały, że własności desorpcyjne węgli wahają się w granicach 0,3 kPa – 1,0 kPa dla ciśnienia nasycenia 1 MPa i nie odbiegają od przeciętnych wartości dla GZW. Żaden badany pokład nie wykazał skłonności do wyrzutów gazu. Na OG „Czechowice II” w czynnych poziomach nie stwierdzono dotąd występowania zjawisk związanych z wyrzutami gazów i skał. Nie mniej, sądząc na podstawie doświadczeń z podobnych obszarów, takiej możliwości nie można wykluczyć w bliskim sąsiedztwie dużych uskoków równoleżnikowych (uskok Bzie-Czechowice). Badania własności sorpcyjnych węgli wykazały niedosycenie pokładów.

Na OG „Brzeszcze II” metan w pokładach węgla występuje głównie w postaci sorbowanej. Udział gazu wolnego jest niewspółmiernie mniejszy. Pokłady węgla charakteryzują się niską porowatością i przepuszczalnością rzędu (1 – 3) · 10^-15 m² natomiast posiadają ogromną powierzchnię sorpcyjną, mogącą wchłonąć do 20 i więcej m³ metanu na tonę węgla. Zdolności sorpcyjne węgli zależą od wielu czynników, a więc od składu petrograficznego, budowy strukturalnej węgla, temperatury, ciśnienia, wilgotności i wielu innych. Procesy uwęglenia substancji organicznej i generowania się gazu były bardzo złożone, zmienne w czasie, ulegające wpływom różnych czynników geologicznych stąd metanonośność pokładów dziś obserwowana waha się w szerokich granicach, i to często w małym obszarowo wycinku. Na podstawie wyników badań metanonośności pokładów węgla ustalono pewne prawidłowości.

Stwierdzono, że:

§ generalnie metanonośność rośnie w kierunku południowym, uwzględniając kierunek poprzeczny - także ku zachodowi,

§ pokł. 327/328 (także na OG „ Czechowice II” i w rejonie Międzyrzecze- Bieruń) jest pokładem pod względem gazowym reperowym, wytyczającym spąg strefy występowania pokładów niemetanonośnych i słabometanonośnych (co najwyżej II kat. zagrożenia metanowego),

§ strop strefy występowania pokładów silnie metanonośnych III - IV kat. zagrożenia metanowego (poniżej pokł. 327 obniża się w kierunku północnym, do głębokości około 650 - 700 m),

§ w strefie występowania silnie metanonośnych pokładów (>4,5 m3

CH4 Mgcsw) zdarzają się również niskie metanonośności i to w obrębie tego samego pokładu. Mimo to ocenia się, że pokłady węgla występujące w obszarze OG „Brzeszcze II”

charakteryzują się stosunkowo dużą stałością pod względem metanonośności. Potwierdzeniem tego faktu są bardzo wysokie średnie metanonośności obliczone dla poziomów i znaczący bo 60 - 100 % udział pokładów o metanonośności powyżej 4.5 m³ /Mgcsw,

§ pokłady charakteryzują się wyjątkowo dobrymi zdolnościami desorpcyjnymi, wielokrotnie stwierdzono ∆P2> 2 kPa [76].

Strop karbonu nie jest metanonośny. Metanonośność pokładów węgla rośnie z głębokością, osiągając wartość maksymalną 21,059 Mgcsw - dane dotyczą pokładu 364 w chodniku taśmowym nr 127 na głębokości około 600 m.

Metanonośność utworów skał płonnych karbonu. W południowej części GZW (deniwelacje

stropu karbonu i jego przykrycie grubym nadkładem iłów mioceńskich), może dojść do wtórnych nagromadzeń metanu, migrującego z głębszych partii karbonu w przepuszczalnych skałach płonnych (piaskowcach) zalegających w stropie. W części południowego skrzydła GZW utwory karbonu wynurzają się do rzędnych sięgających +140 m n.p.m., stanowiąc rozległy grzbiet rozciągający się na linii Mszana-Brzeszcze. Częścią tego grzbietu jest tzw. wyniesienie „Goczałkowice-Dębina” zalegające na obszarze złoża OG „Czechowice II”. Silnie porowate piaskowce warstw łaziskich uformowane w kształcie kopuły, pod nieprzepuszczalnym nadkładem miocenu stanowią doskonały kolektor dla gazu i wody. W tej części złoża stwierdzono występowanie wolnego gazu w ilości nadającej się do przemysłowej eksploatacji. Od początku prowadzenia prac geologiczno-poszukiwawczych w otworach z powierzchni stwierdzano silne objawy wypływów gazu (metanu), a nawet wybuchy metanu. Piaskowce charakteryzują się najlepszymi warunkami kolektorskimi, dlatego też metan w piaskowcach występuje często, zwłaszcza w tych zalegających bezpośrednio nad lub pod metanonośnymi pokładami węgla. Na ogół są to niewielkie ilości dające rzadko makroskopowe objawy. W większości przypadków pory wypełnione są wodą, solanką zawierającą co najwyżej rozpuszczony gaz. W miarę wzrostu głębokości zalegania pojemność porowa zmniejsza się, a więc i problemy metanonośności skał płonnych stają się mniej istotne. Zdarzają się jednak przypadki dużych nagromadzeń metanu w skałach płonnych. Zawsze związane jest to z makroporowatością, strefami rozluźnionego górotworu, lub tektonicznie zaburzonymi.

Metanonośność utworów nadkładu. Nie zachowały się żadne materiały źródłowe świadczące

o występowaniu poziomów metanonośnych w nadkładzie. Utwory czwartorzędowe z uwagi na wykształcenie litologiczne i przypowierzchniowe położenie, w strefie intensywnej infiltracji i aeracji, nie są metanonośne. Natomiast głębiej zalegające utwory mioceńskie

posiadają predyspozycję gazogenną. Znajdujące się wśród nieprzepuszczalnych iłów i iłołupków piaski i piaskowce są doskonałymi kolektorami dla wód i gazów. W wielu punktach GZW obecność metanu w mioceńskim nadkładzie była stwierdzana. Prawdopodobieństwo występowania nagromadzeń gazu wolnego w utworach miocenu maleje z odległością od krawędzi nasunięcia karpackiego.