Lokalizacja przypuszczalnych stref akumulacji gazu na poziomie wapienia podstawowego w kopalni miedzi Rudna

Transkrypt

1 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Jerzy DEC, Paweł MARZEC, Kaja PIETSCH AGH Akademia Górniczo Hutnicza, Kraków Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Lokalizacja przypuszczalnych stref akumulacji gazu na poziomie wapienia podstawowego w kopalni miedzi Rudna Słowa kluczowe Seismika 3D, strefy koncentracji gazu, wapień cechsztyński Streszczenie Kopalnia miedzi Rudna prowadząc rozcinkę złoża natrafiła na pułapkę sprężonego gazu, co było przyczyną wyrzutu do chodnika rozdrobnionego materiału skalnego oraz gazu. W sytuacji powstałego zagrożenia wyrzutami gazu istotnym stało się znalezienie metody pozwalającej na wyprzedzającą lokalizację stref potencjalnej koncentracji gazu. Powierzchniowe badania sejsmiczne to podstawowa metoda wykorzystywana do rozpoznanie budowy strukturalnej górotworu oraz do lokalizacji złóż gazu ziemnego. W związku z powyższym nad miejscem wyrzutu w kopalni wykonano powierzchniowe, trójwymiarowe zdjęcie sejsmiczne 3D. Celem badań było rozpoznanie utworów cechsztynu i stropowych utworów czerwonego spągowca oraz próba identyfikacji w zapisie sejsmicznym na poziomie P1 (granica cechsztyn/czerwony spągowiec) stref anomalnych, które mogą być związane z nasyceniem gazem dolomitów Ca1. Wykonana interpretacja wskazała obecność niewielkich uskoków przecinających stropowe utwory czerwonego spągowca i spągowe utwory cechsztynu. Uskoki mogą być drogami migracji gazu karbońskiego. Na powierzchni P1 zlokalizowano strefy o prawie zerowej amplitudzie odbić, które wskazują na obniżenie parametrów sprężystych dolomitu Ca1. Obniżenie to można wiązać ze wzrostem porowatości i szczelinowatości dolomitu oraz nasyceniem gazem (obniżenie prędkości propagacji fal sejsmicznych). 1. Wstęp Kopalnia miedzi Rudna prowadzi roboty przygotowawcze związane z udostępnieniem nowej partii złoża w rejonie Obszaru Górniczego Głogów Głęboki Przemysłowy. Rozcięcie złoża postępuje w kierunku północno-zachodnim. Roboty górnicze, polegające na wykonaniu wiązek chodników rozcinających złoże, prowadzone są na poziomie około 1190 m i z racji na małą miąższość łupka miedzionośnego drążone są tak, że swym przekrojem obejmują też skały piaskowe białego spągowca (partia stropowa czerwonego spągowca) jak i dolomity wapienia podstawowego Ca1. Miąższość 56

2 J. DEC i in. Lokalizacja przypuszczalnych stref akumulacji gazu na poziomie wapienia... dolomitu wynosi w rejonie robót około 11 m, a wysokość wyrobisk 4 m, z czego 3.2 m drążone jest w dolomicie. We wrześniu 2009 roku, prowadząc wiązkę chodników 169 (Rys. 1.1), kopalnia Rudna natrafiła w chodniku T169a na pułapkę gazową o niewielkiej kubaturze, lecz dużym ciśnieniu. W wyniku spękania skał pod wpływem robót strzałowych, sprężony gaz spowodował wyrzut rozdrobnionego materiału skalnego (drobne okruchy dolomitu) i gazów do chodnika W- 169a. Według geomechanicznej analizy zjawiska (Zorychta 2010) przyczyną wyrzutu było oderwanie od anhydrytów półki stropowej dolomitu osłabionej wykonanymi robotami strzałowymi, co spowodowało odsłonięcie pułapki (kawerny) wypełnionej materiałem okruchowym i gazem. W związku z powstałym zagrożeniem wyrzutami gazu wstrzymano roboty górnicze do czasu wyjaśnienia przyczyn wyrzutu oraz określenia ewentualnych miejsc potencjalnej koncentracji gazu. Rys. 1.1 Kopalnia Rudna - Lokalizacja badań na tle sieci wyrobisk Fig Rudna mine - map of drifts and location of seismic 3D surveys Pobrane próby gazowe w otoczeniu kawerny gazowej jak i z otworu badawczego Jm20H5 poddane zostały badaniom geochemicznym pod kątem oznaczenia składu cząsteczkowego i izotopowego. Wykonane badania wskazują, że jest on genetycznie najbardziej zbliżony do gazu ziemnego akumulowanego w złożach znajdujących się w skałach zbiornikowych wapienia podstawowego i czerwonego spągowca na Niżu Polskim (Kotarba 2010), w tym na obszarze 57

3 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie przedsudeckim, a więc w odległości km od obszaru górniczego kopalni "Rudna". Gaz ten powstał z substancji organicznej zawartej w utworach karbonu i częściowo dewonu. Wysokie stężenie helu w badanej próbce gazu (0,52 %) również świadczy o jego migracyjnym pochodzeniu ze skał podłoża - karbonu. W rejonie prowadzonych robót górniczych, bądź też w bezpośrednim sąsiedztwie, występują liczne uskoki. Tak więc, można przyjąć tezę, że gaz mógł dopłynąć piaskowcami czerwonego spągowca, a następnie migrował systemem uskoków na poziomie Ca1 i wypełnił szczelinowate partie dolomitu. Powierzchniowe badania sejsmiczne to podstawowa metoda wykorzystywana do rozpoznawania budowy strukturalno-tektonicznej górotworu, a także do lokalizacji złóż węglowodorów. Stąd zaproponowano wykonanie zdjęcia sejsmicznego 3D, którego celem było rozpoznanie układu strukturalnego, przede wszystkim utworów cechsztynu i stropowych utworów czerwonego spągowca. 2. Rozpoznanie górnicze Niezależnie, służby geologiczne kopalni przystąpiły do wykonywania otworów badawczych, mających na celu stwierdzenie występowania ewentualnych miejsc koncentracji gazu w partii górotworu otaczającej miejsce wystąpienia kawerny gazowej (Rys. 2.2). Rys. 2.2 Kopalnia Rudna miejsce wyrzutu, lokalizacja otworów badawczych i miejsc koncentracji gazu Fig. 2.2 Rudna mine site of gas eruption, location of investigation boreholes and gas concentration zones 58

4 J. DEC i in. Lokalizacja przypuszczalnych stref akumulacji gazu na poziomie wapienia... Łącznie wywiercono 11 otworów poziomych bądź nachylonych, o różnych azymutach, prowadzonych w skałach wapienia cechsztyńskiego Ca1 (dolomit). Spośród wykonanych odwiertów w trzech z nich stwierdzono objawy gazowe (Materiały WUG 2010). W otworze Jm20H5 uzyskano wypływ gazu (głównie azotu) o ciśnieniu 27at i łącznej objętości 6956 m 3, przy zawartości metanu 2.6 %, natomiast w otworze Jm20H8 pojawił się gaz o ciśnieniu 60at i łącznej objętości aż m 3 przy zawartości metanu 5.1 %, a w otworze Jm20H10 o ciśnieniu 38at i łącznej objętości 2088 m 3 przy zawartości metanu 5.25 %. Wyniki wierceń wskazują na nieregularne występowanie stref koncentracji gazu wokół miejsca pierwszej kawerny gazowej w chodniku T-169a. 3. Badania sejsmiczne W świetle wyników podziemnych badań otworowych stało się tym bardziej koniecznym wykonanie powierzchniowego zdjęcia sejsmicznego 3D dla wskazania miejsc o zwiększonej porowatości całkowitej na poziomie granicy P1 (granica cechsztyn/czerwony spągowiec), gdyż miejsca te mogą stanowić strefy koncentracji gazu w obrębie dolomitów Ca1. Na wniosek autorów kopalnia Rudna zleciła wykonanie badań sejsmicznych. Na obszarze 1 km 2, zlokalizowanym nad miejscem wyrzutu w kopalni, wykonano trójwymiarowe zdjęcie sejsmiczne Duża Wólka 3D.Wykonawcą pomiarów i przetwarzania została Geofizyka Kraków Sp. z o.o. Przetworzenie uzyskanych danych pozwoliło na stworzenie przekrojów sejsmicznych, map strukturalnych jak i map zmienności parametrów fizycznych (Geofizyka Kraków Sp. z o.o., dokumentacja 2010). W oparciu o uzyskane rozkłady atrybutów sygnału sejsmicznego podjęto próbę identyfikacji stref anomalnych w sejsmicznym obrazie 3D na poziomie P1. Strefy te, jak założono, mogą korelować z miejscami podwyższonej porowatości i/lub szczelinowatości cechsztyńskich dolomitów, będąc potencjalnymi strefami koncentracji gazu. Natomiast odnośnie zaburzeń tektonicznych, przyjęto założenie, że uskoki mogą być drogami migracji gazu do stref rozluźnionych w dolomitach Ca1. Dowiązanie zapisu sejsmicznego Wiarygodna interpretacja danych sejsmicznych możliwa jest jedynie w powiązaniu z danymi geologiczno-geofizycznymi uzyskanymi z głębokich otworów wiertniczych. Dla szczegółowego rozpoznania właściwości petrofizycznych, przede wszystkim utworów cechsztynu i czerwonego spągowca, w odległości 250 m od miejsca występowania kawerny gazowej wywiercono otwór badawczy S-421A (Rys.1.1). Dowiązanie danych sejsmicznych wykonano przy użyciu sejsmogramów syntetycznych (SS). Dane niezbędne do konstrukcji SS to krzywa prędkości (Velocity) i krzywa gęstości (RHOB) uzyskane z profilowań akustycznych (Geofizyka Kraków Sp. z o.o., 2010) i gęstościowych wykonanych w otworze wiertniczym S-421a oraz sygnał sejsmiczny o częstotliwości Hz, który wyekstrahowany został z tras zarejestrowanych w pobliżu otworu. Tak niskie częstotliwości powodują, że w rejestrowanym zapisie sejsmicznym w sposób jednoznaczny można wyznaczyć tylko odbicia od mioceńskich pokładów węgla oraz stropu utworów triasu, który w stosunku do nadległego trzeciorzędu charakteryzuje się większą prędkością i gęstością. 59

5 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Niestety sejsmiczny zapis utworów cechsztynu nie jest tak jednoznaczny. Wyraźnie widać to na fragmencie sejsmogramu syntetycznego, obejmującym utwory cechsztynu (Rys. 3.1). Z sejsmicznego punktu widzenia cechsztyn jest ośrodkiem cienkowarstwowym. Przy częstotliwościach rzędu 25 Hz, aby uzyskać oddzielne odbicie od stropu i spągu warstwy jej miąższość musi wynosić: dla prędkości ok m/s (prędkość w anhydrycie i dolomicie) ok m, a dla prędkości ok m/s (sól) ok m. Przy miąższościach występujących w tej części kopalni jedynie odbicia od stropu soli najstarszej Na1 (silny sygnał ujemny) oraz stropu anhydrytu dolnego A1D (silny refleks dodatni) dowiązane są w sposób jednoznaczny. Natomiast sygnały, które można wiązać ze stropem (Ztop) jak i spągiem cechsztynu (P1) są sygnałami interferencyjnymi. Rys Dowiązanie danych sejsmicznych 3D do profilu w otworze S-421A w interwale cechsztyńskim GR krzywa profilowania gamma; VELOCITY prędkość fali P; RHOB gęstość, SEISMIC fragment profilu sejsmicznego, SS sejsmogram syntetyczny Fig Part of synthetic seismogram for Zechstein interval correlation to seismic GR Gamma ray profiling; VELOCITY P wave velocity; RHOB bulk density, SEISMIC part of seismic profile, SS - synthetic seismogram Szczególnie ważny dla prowadzonej rozcinki złoża jest refleks P1, który obejmuje warstwę dolomitu Ca1, łupka miedzionośnego ŁM oraz białego piaskowca BP. Nieznaczny wzrost prędkości w stropie dolomitu (Ca1) niwelowany jest spadkiem gęstości tak, że współczynnik odbicia ma prawie zerową wartość. W tej sytuacji granica anhydryt/dolomit nie wpływa na kształtowanie sygnału i w związku z tym sejsmiczna granica P1 jednoznacznie związana jest z silną granicą odbijającą występującą pomiędzy dolomitem Ca1 a piaskowcami białego spągowca BP (strop czerwonego spągowca). Jego amplituda jest zależna nie tylko od parametrów petrofizycznych wymienionych powyżej warstw, ale także od parametrów stropowego anhydrytu dolnego (A1D) i spągowego czerwonego spągowca (CS). Analizując obliczony sejsmogram syntetyczny zestawienie prędkości i gęstości (Rys. 3.1) należy 60

6 J. DEC i in. Lokalizacja przypuszczalnych stref akumulacji gazu na poziomie wapienia... stwierdzić, że refleks wiązany z granicą cechsztyn/czerwony spągowiec ma ujemną amplitudę. Jej wielkość zależy nie tylko od parametrów petrofizycznych wszystkich warstw tworzących strefę złożową, o czym wspomniano wyżej, ale również od ich miąższości. Podsumowując wykonane dowiązania danych otworowych do zapisu sejsmicznego należy stwierdzić, że przy dzisiejszych możliwościach sejsmiki uzyskanie wyższych częstotliwości, co jest warunkiem uzyskania oddzielnego odbicia od stropu Ca1 oraz spągu cechsztynu (P1) wydaje się nierealne. Przypomnieć należy również, że w rejonie badań ze względu na zbliżone parametry petrofizyczne A1D i Ca1 granica stropu Ca1 nie jest granicą sejsmiczną. Analiza zapisu sejsmicznego Miejsce wyrzutu gazu, jak widać na mapie strukturalnej granicy sejsmicznej P1 (Rys. 3,2), zlokalizowane jest w pobliżu uskoku A. Jest on sprzężony z walnym uskokiem 2, będącym południowym ograniczeniem rowu biegnącego z NW na SE. Uskok A występuje pomiędzy otworem S-421A a miejscem wyrzutu. Założono, że stanowił on drogę migracji gazu karbońskiego do kieszeni zbudowanej z porowato-szczelinowych utworów Ca1. Rys. 3.2 Mapa strukturalna horyzontu P1 (strop czerwonego spągowca) Fig Structural map of the P1 horizon (top of Rotliegend sandstone) 61

7 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Rejestrowane w tej strefie pole falowe obrazują arbitralne sejsmiczne przekroje czasowe poprowadzone prostopadle do biegu uskoku. Są to kolejno przekroje U-U (Rys. 3.3a), V-V (Rys. 3.3b), W-W (Rys. 3.3c) i przekrój X-X (Rys. 3.3d). Interpretację uskoku wykonano na przekrojach sejsmicznych bez migracji, w związku z tym w strefie uskokowej widoczne są dodatkowo fale dyfrakcyjne, powstające w miejscach przerwania ciągłości granic sejsmicznych. Fale te, szczególnie przy małych zrzutach uskoków, są pomocne w ich identyfikacji. Rys. 3.3.Arbitralne sejsmiczne przekroje czasowe (lokalizacja- patrz rys. 3.2) A - profil U-U, B- profil V-V, C - profil W-W i D - profil X-X Fig Arbitrary time seismic profiles (location see Fig. 3.2) A profile U-U, B profile V-V, C profile W-W, D profile X-X Na pierwszych dwóch profilach, tj. U-U (Rys. 3.3a) oraz V-V (Rys. 3.3b), na obecność uskoku normalnego wskazują wyraźne przerwanie ciągłości horyzontu P1 i przemieszczenie skrzydła zrzuconego o ok. 20 ms (ok. 30 m), zaburzenie w ciągłości horyzontu A1D (strop anhydrytu dolnego), obecność fal dyfrakcyjnych oraz obniżenie w strefie zrzuconej amplitudy refleksu P1. 62

8 J. DEC i in. Lokalizacja przypuszczalnych stref akumulacji gazu na poziomie wapienia... Na profilu W-W (Rys. 3.3c), który poprowadzony został przez miejsce wyrzutu obserwuje się zdecydowane zmniejszenie zrzutu uskoku jak i jego zasięgu. Na obecność uskoku wskazuje w tym przypadku jedynie przerwanie ciągłości horyzontu P1 oraz niewielki zrzut. Zmniejszeniu zrzutu uskoku towarzyszy też ograniczenie jego zasięgu pionowego, granica A1D nie jest przerwana. Na ostatnim z przekrojów X-X (Rys. 3.3d) uskok jest już właściwie niezauważalny. Jest to miejsce wygaszenia uskoku. Jak wykazały wykonane modelowania (Dec i in. 2011), amplituda refleksu wiązanego z granicą dolomit/biały piaskowiec (Ca1/BP) osiąga maksymalną ujemną wartość, gdy dolomit charakteryzuje się dobrymi własnościami sprężystymi. Natomiast osłabienie dolomitu, wywołane np. wzrostem porowatości i szczelinowatości, prowadzi do zbliżenia wartości parametrów petrofizycznych Ca1 do parametrów BP, co powoduje zmniejszenie ujemnej amplitudy (Dec i in. 2011). Dodatkowym czynnikiem obniżającym amplitudę może być nasycenie gazem (obniżenie prędkość propagacji fal sejsmicznych). Powierzchniowy rozkład amplitudy refleksu P1 wiązanego z granicą cechsztyn/czerwony spągowiec pokazany jest na rysunku 3.4. Rys Mapa amplitudy refleksu P1 (horyzont korelowany z granicą Ca1/BP) Fig Map of P1 reflection amplitude (seismic horizon Zechstein/Rotliegend) 63

9 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Wykonane z chodnika W169, w celu wyjaśnienia przyczyny wyrzutu, wiercenie Jm20H5 o długości 150 m nie pokazało uskoku A. Lokalizacja wiercenia przedstawiona jest na mapie rozkładu amplitudy refleksu P1, co obrazuje rysunek 3.4. Widać, że wiercenie zostało skończone zbyt wcześnie i w związku z tym nie uzyskano informacji o uskoku A zlokalizowanym na podstawie danych sejsmicznych. Jak wynika z analizy powyższej mapy końcowa część wiercenia prowadzona była w strefie wyraźnego zmniejszenia wartości ujemnej amplitudy refleksu P1, do wartości prawie zerowej. Taka zmiana amplitudy wskazuje na obniżenie właściwości sprężystych dolomitu, związane tak ze wzrostem porowatości i szczelinowatości jak i z nasyceniem gazem. W wierceniu Jm20H5, pomiędzy 92 m a 98 m uzyskano dopływ gazu o ciśnieniu 27at, którego łączna objętość wyniosła ok m 3. Lokalizacja strefy wypływu gazu na mapie amplitudy refleksu P1 (Rys. 3.5) pokrywa się ze strefą niewielkich amplitud ujemnych. Rys Fragment mapy amplitudy refleksu P1 z pozycją wyrzutu i wierceń dołowych: Jm20H5, Jm20H8 i Jm20H10 Fig Part of P1 reflection amplitude map with location of gas eruption site and mine boreholes: Jm20H5, Jm20H8 and Jm20H10 64

10 J. DEC i in. Lokalizacja przypuszczalnych stref akumulacji gazu na poziomie wapienia... Na rysunku 3.6 przedstawiony jest sejsmiczny przekroju arbitralny G-G, którego przebieg pokrywa się z linią wiercenia (lokalizacja - Rys. 3.4 i 3.5). Analiza refleksu P1 na odcinku pokrywającym się z przebiegiem wiercenia pokazuje zmniejszanie się jego amplitudy, które ciągnie się aż do zinterpretowanego uskoku A, obejmując zarówno skrzydło zrzucone jak i wiszące. Strefa ta mogła gromadzić gaz migrujący uskokiem A z utworów czerwonego spągowca. Rys Sejsmiczny przekrój arbitralny G-G wzdłuż linii wiercenia Jm20H5 Fig Arbitrary time seismic profile G-G, along drilling line of borehole Jm20H5 Podsumowanie Słuszność przyjętej koncepcji interpretacji potwierdzają częściowo dane z wykonanych przez kopalnię otworów, prowadzonych w skałach wapienia podstawowego. 65

11 WARSZTATY 2012 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Jednak jakość danych sejsmicznych a także brak informacji o charakterze strefy wyrzutu i parametrach petrofizycznych skał w tej strefie nie pozwala na jednoznaczną interpretację obserwowanego anomalnego zapisu sejsmicznego w otoczeniu miejsca wyrzutu. Jak widać z mapy amplitud na granicy P1 (Rys. 3.6) przedłużenie przez kopalnię wiercenia Jm20H5 mogłoby istotnie zweryfikować wykonaną interpretację. Wiarygodność wykonanej interpretacji i odpowiedź na pytanie o możliwości sejsmiki 3D przy lokalizacji sieci małych uskoków oraz stref zagrożonych wyrzutami powinna być z jednej strony potwierdzona pracami dołowymi, z drugiej zaś wymaga prowadzenia badań pozwalających na lepsze geofizyczne rozpoznanie górotworu. Szczególnie dotyczy to określenia zmienności właściwości fizycznych utworów czerwonego spągowca (z uwagi na dość silną zmienność spoiwa białych piaskowców), których parametry w istotnym stopniu wpływają na formowanie refleksu P1. Dokładne rozpoznanie zmienności białego piaskowca, a tym samym jego cech petrofizycznych, umożliwiłoby opracowanie bardziej jednoznacznych kryteriów interpretacji subtelnych zmian rejestrowanego pola falowego. Literatura [1] Dec J., Pietsch K., Marzec P.: Application of seismic methods to identify potential gas concentration zones at the Zechstein limestone level in the Rudna mining area. Annales Societatis Geologorum Poloniae. 2011, vol. 81, [2] Geofizyka Kraków Sp. z o.o.: Dokumentacja wyników badań sejsmicznych, temat - sejsmiczne badania powierzchniowe 3D Duża Wólka. Kraków, [3] Geofizyka Kraków Sp. z o.o.: Zestawienie wyników przetwarzania itransformacji danych geofizyki wiertniczej do standardów sejsmicznych, temat - Duża Wólka 3D. Kraków, [4] KGHM POLSKA MIEDŹ S.A.,OZG Rudna : Aktualny stan rozpoznania stanu zagrożenia gazowego w chodnikach T-169 i W-169. Materiały WUG. Katowice, [5] Kotarba M.: Badania geochemiczne i interpretacja genetyczna gazu ziemnego z otworu badawczego JM-20-H-5. Dokumentacja Towarzystwa Badania Przemian Środowiska Geosfera, Kraków, [6] Zorychta A.: Geomechaniczne i gazowe uwarunkowania wystąpienia zdarzenia o charakterze wyrzutu gazów i skał jakie miało miejsce w rejonie chodników T,W-169 O/ZG Rudna w dniu r. Dokumentacja Fundacji Nauka i Tradycje Górnicze, Kraków, Lokaction of probably gas concentration zones at the zechstein limestone level in the copper mine Rudna Key words 3D seismics, seismic modelling, gas accumulation zones, Zechstein limestone, Rudna copper mine 66

12 J. DEC i in. Lokalizacja przypuszczalnych stref akumulacji gazu na poziomie wapienia... Summary A block development operation at the Rudna copper mine encountered a compressed gas trap that caused the ejection of fragmented rock material into a drift. Faced with a new threat of gas ejection the mine needed to find methods to identify potential gas concentration zones prior to any further exploration work. Surface seismic surveying was chosen as a widely-accepted standard method of investigating rockmass structure and tectonics and pinpointing natural gas deposits. In area directly above the ejection site a 3D seismic survey was performed. The objective was to investigate the overall rock structure, especially the structure of Zechstein and top Rotliegend formations, as well as to attempt identifying anomalous zones, which could be linked with the gas saturation of Ca1 dolomites, on the 3D seismic image at the P1 level (Zechstein/Rotliegend boundary). An interpretation of recorded seismic data helped to recognize the structure and tectonics of the area, including minor faults cutting through the top-level Rotliegend formations and floorlevel Zechstein formations. Such faults could constitute migration channels for Carboniferousperiod gases. At the surface P1, zones with nearly zero reflection amplitude was located. It would suggest a reduction of elastic parameters of the Ca1 dolomite. This reduction could be linked to an increased porosity and fracturing of the dolomite and its saturation with gas (a reduction of the seismic wavelet propagation velocity). Przekazano: 19 marca 2012 r. 67