Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ Polskiej Akademii Nauk

Transkrypt

1 Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ Polskiej Akademii Nauk nr 88, rok 2014 S³awomir KÊDZIOR* Potencja³ metanotwórczy wêgli kamiennych w odniesieniu do ich pojemnoœci sorpcyjnej oraz wspó³czesnej iloœci zakumulowanego metanu termogenicznego w z³o u Paw³owice (Górnoœl¹skie Zag³êbie Wêglowe) Streszczenie: Metan wystêpuj¹cy w z³o ach wêgla kamiennego powstaje przede wszystkim wskutek przemian termokatalitycznych substancji wêglowej podczas procesu uwêglania. Jednym ze wskaÿników iloœci wytworzonych gazów jest m.in. ubytek czêœci lotnych (V daf ), tzn. im wiêkszy ubytek V daf, tym nale y oczekiwaæ wiêkszej iloœci wytworzonych gazów. W zwi¹zku z tym podjêto próbê oszacowania mo liwej iloœci wytworzonego metanu w obrêbie z³o a wêgla Paw³owice na podstawie wspó³czesnej zawartoœci czêœci lotnych w wêglu. Podstawê obliczeñ stanowi jeden z modeli generowania metanu z pok³adów wêgla opracowany przez Kowalskiego i in. (1995). Na jego podstawie oszacowano, e w omawianym z³o u wytworzy³o siê mln m 3 metanu. Szacunek ten porównano z potencjaln¹ pojemnoœci¹ gazow¹ wêgli z omawianego z³o a skalkulowan¹ na mln m 3 gazu na podstawie danych uzyskanych z izoterm sorpcji metanu, a tak e z obliczon¹ iloœci¹ wspó³czeœnie zakumulowanego metanu termogenicznego ze z³o a wynosz¹c¹ oko³o mln m 3. Otrzymane ró nice pomiêdzy wytworzon¹ i zakumulowan¹ wspó³czeœnie iloœci¹ gazu maj¹ znaczenie interpretacyjne zarówno co do rozmiarów migracji metanu i odgazowania serii wêglonoœnej w przesz³oœci geologicznej, jak i mo liwoœci ekonomicznego pozyskania tego gazu. Skalkulowane na podstawie doœwiadczeñ amerykañskich zasoby przemys³owe metanu wynosz¹ 373,69 mln m 3. Zale noœæ pomiêdzy iloœci¹ wygenerowanego metanu i wspó³czesnymi jego zasobami jest znana w skali ca³ego Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego (GZW) i sprawdza siê tak e w przypadku pojedynczego i dobrze rozpoznanego otworowo z³o a wêgla Paw³owice. S³owa kluczowe: metan termogeniczny, wêgiel kamienny, czêœci lotne, II skok uwêglenia, Górnoœl¹skie Zag³êbie Wêglowe * Dr hab., Uniwersytet Œl¹ski, Wydzia³ Nauk o Ziemi, Sosnowiec; slawomir.kedzior@us.edu.pl 119

2 Methane-productive potential of coal in relation to sorption capacity and current quantity of thermogenic methane accumulated in coal deposit Paw³owice (the Upper Silesian Coal Basin) Abstract: Methane associated with deposits of hard coal generates mainly as a result of thermal alterations of coal substance during coalification process. The one of quantitative indicators of generated gases is among others the volatiles (V daf ) loss, i.e. more V daf loss involves more quantities of generated gases. Owing to this, the attempt was made to assess the possible quantities of generated gas within Paw³owice coal deposit based on the present V daf content in coal. The base of calculation is one of patterns of methane generation from coal seams worked out by Kowalski et al. (1995). On the ground of this, 100,604 mln m 3 of generated methane within the area of research was estimated. This estimation was compared with sorption capacity of coal which was calculated based on sorption isotherms at 23,549 mln m 3 and also with calculated value of currently accumulated thermogenic methane in coal deposit, which amounts about 5,358 mln m 3. The obtained differences between the quantities of generated and currently accumulated methane have an interpretive meaning with reference to both scale of methane migration and degassing of coal series in geological past, and also possibilities of economic using for methane. Based on American experiences the economic reserves of methane for the investigated area were calculated at mln m 3. The dependence between the quantities of generated methane and current methane resources is well-known in the whole of the Upper Silesian Coal Basin and the same trend is observed in case of individual Paw³owice coal deposit which is well geologically prospected by the bore-holes. Key words: thermogenic methane, hard coal, volatiles, the second coalification jump, the Upper Silesian Coal Basin. Wprowadzenie Metan towarzysz¹cy formacjom wêglonoœnym, genetycznie zwi¹zany z substancj¹ wêglow¹, zarówno skupion¹ w pok³adach wêgla, jak i rozproszon¹ w ska³ach osadowych, powstaje przede wszystkim na drodze przemian termokatalitycznych materii organicznej, stanowi¹c jeden z produktów tych przemian. Decyduj¹cymi procesami zmierzaj¹cymi do wytworzenia metanu jest stopniowe pogr¹ anie serii wêglonoœnej, z czym zwi¹zany jest wzrost temperatury i ciœnienia. Towarzysz¹ce temu przemiany substancji wêglowej polegaj¹ g³ównie na zmniejszeniu udzia³u pierwiastka wodoru i zwiêkszeniu pierwiastka wêgla. Wraz z postêpuj¹cym procesem uwêglania maleje zawartoœæ czêœci lotnych (V daf ) i nastêpuje wydzielanie siê ró nych produktów, m.in. dwutlenku wêgla, metanu oraz wody (np. Kopp et al. 2000). Charakterystycznym punktem na œcie ce uwêglenia jest tzw. II skok uwêglenia, odpowiadaj¹cy mniej wiêcej granicy pomiêdzy wêglami energetycznymi i koksowymi, podczas którego wêgiel nabywa w³aœciwoœci termoplastycznych i mo e podlegaæ procesowi koksowania (Kruszewska i Dybova-Jachowicz 1997; Teichmuller 1989). Podczas II skoku uwêglenia wêgiel traci oko³o 10% V daf, co poci¹ga za sob¹ wytwarzanie metanu i innych produktów. Oznacza to, e im wiêkszy ubytek V daf, tym nale y oczekiwaæ wiêkszej iloœci wytworzonych gazów. Jak wykaza³y badania izotopowe, metan i jego gazowe homologi powsta³y w Górnoœl¹skim Zag³êbiu Wêglowym (GZW) g³ównie wskutek przemian termokatalitycznych zwi¹zanych z powstawaniem wêgli kamiennych w póÿnym karbonie i proces ten zakoñczy³ siê wraz z faz¹ asturyjsk¹, oko³o 290 mln lat temu (np. Kotarba 1980, 2001). Kolejne badania procesu temperaturowo-uwêgleniowego w GZW przy zastosowaniu metody trakowej i helowej (Botor 2014) raczej wykluczy³y wznowienie procesu uwêglania na szerok¹ skalê i wytwarzanie metanu w czasie póÿniejszym. Przyjmuje siê natomiast wytwarzanie i aku- 120

3 mulacjê metanu mikrobialnego wtórnego w czasie oko³omioceñskim wskutek infiltracji wód zawieraj¹cych po ywki dla bakterii metanowych (Kotarba i Pluta 2009). W po³owie lat dziewiêædziesi¹tych XX wieku podjêto próbê oszacowania iloœci metanu wytworzonego oraz pojemnoœci gazowej pok³adów wêgla w GZW (np. Kotarba i Ney 1995). Z szacunków tych wynika, e z substancji wêglowej wytworzy³o siê oko³o 84 bln m 3 metanu, z czego na pok³ady wêgla przypada oko³o 48 bln m 3, reszta na rozproszon¹ substancjê wêglow¹ w ska³ach p³onnych. Potencjalna pojemnoœæ gazowa utworów wêglonoœnych oszacowana zosta³a na oko³o 5,5 bln m 3 metanu, w tym pok³adów wêgla oko³o 3,4 bln m 3 (Kotarba i Ney 1995), zatem jest du o ni sza od iloœci wytworzonych gazów. Zasoby perspektywiczne metanu obliczone na pocz¹tku lat dziewiêædziesi¹tych XX wieku (np. Kotas et al. 1992) wynosz¹ oko³o 365 mld m 3, a wiêc jeszcze mniej ni podane wielkoœci. Celem artyku³u jest próba oszacowania iloœci metanu wytworzonego, pojemnoœci gazowej wêgli oraz iloœci wspó³czeœnie zakumulowanego gazu w z³o u wêgla Paw³owice, które znajduje siê na po³udniu GZW i charakteryzuje siê znaczn¹ metanonoœnoœci¹ pok³adów wêgla. Podjêto tak e próbê oszacowania zasobów przemys³owych metanu jako kopaliny g³ównej. Niniejszy artyku³ mia³ tak e na celu sprawdzenie, jak poznana w GZW zale noœæ pomiêdzy iloœci¹ metanu wytworzonego, zakumulowanego i pojemnoœci sorpcyjnej wêgla sprawdza siê w przypadku pojedynczego i dobrze rozpoznanego otworowo z³o a wêgla Paw³owice. 1. Charakterystyka geologiczno-zasobowa z³o a Paw³owice Z³o e wêgla kamiennego Paw³owice znajduje siê w po³udniowej czêœci GZW pomiêdzy dyslokacj¹ Bzie-Czechowice na po³udniu i rejonami perspektywicznymi Warszowice-Paw³owice Pó³noc i Studzionka-Mizerów na pó³nocy. Od wschodu omawiane z³o e graniczy z rejonem Kobiór-Pszczyna, a od zachodu z Kopalni¹ Wêgla Kamiennego Pniówek (rys. 1). W tych granicach z³o e zajmuje 26 km 2 powierzchni. Zachodnia czêœæ z³o a, nazwana polem Paw³owice 1 (rys. 1), przylegaj¹ca do obszaru górniczego Pniówek, objêta jest koncesj¹ wydobywcz¹ wêgla, nale ¹c¹ do Jastrzêbskiej Spó³ki Wêglowej (JSW), która od 2012 r. prowadzi dzia³ania zmierzaj¹ce do wszczêcia eksploatacji w Polu Paw³owice polegaj¹ce na odwierceniu zespo³u otworów rozpoznawczych oraz dr¹ eniu wyrobisk przygotowawczych i eksploatacyjnych. Z³o e Paw³owice jest rozpoznane w kategorii C 1 siatk¹ ponad 35 otworów o g³êbokoœci >1000 m i odleg³oœci od siebie oko³o 1 km. W budowie geologicznej z³o a do g³êbokoœci udokumentowania (ok m) wyró niæ mo na utwory karbonu górnego (seria z³o owa), miocenu oraz czwartorzêdu (nadk³ad). Utwory karboñskie reprezentowane s¹ przez seriê mu³owcow¹ o mi¹ szoœci oko³o 1300 m oraz górnoœl¹sk¹ piaskowcow¹, które ró ni¹ siê od siebie udzia³em piaskowców w profilu oraz regularnoœci¹ wystêpowania pok³adów wêgla na korzyœæ tej drugiej. Oprócz piaskowców obecne s¹ tak e i³owce oraz mu³owce, które przewa aj¹ nad piaskowcami w obrêbie serii mu³owcowej. Le ¹ce powy ej serii wêglonoœnej utwory mioceñskie wykszta³cone s¹ g³ównie w postaci i³ów oraz sporadycznie utworów piaszczystych. Przeciêtna mi¹ szoœæ utworów mioceñskich wynosi 200 m i zwiêksza siê w kierunku po³udniowym do ponad 121

4 Anna Rydu³towy Marcel 1 Maja (zlikw.) Rymer (zlikw.) Jankowice Chwa³owice Pole Marklowice N Za Rowem Be³ckim Borynia ory (zlikw.) Krupiñski Zofiówka Jas-Mos Morcinek (zlikw.) Pniówek rej. Studzionka- Mizerów Rej. Dankowice Silesia Piast Brzeszcze Paw³owice 1 Rej. Paw³owice by³a Moszczenica Bzie Dêbina 2 Zachód Rej. Bzie Dêbina Rej. Go³kowice Rej. Zebrzydowice Rej. Warszowice-Paw³owice Pó³noc Rej. Kobiór-Pszczyna Rej. Æwiklice strefa uskokowa Bzie-Czechowice Rep. Czeska nasuniêcie karpackie 0 6 km Rej. Miêdzyrzecze strefa uskokowa jawiszowicka GZW Rys. 1. Lokalizacja z³o a Paw³owice w po³udniowo-zachodniej czêœci GZW (Kêdzior 2012, zmodyfikowane) 1 granice obszarów kopalñ lub rejonów perspektywicznych wydobycia wêgla, 2 nasuniêcia, 3 wa niejsze uskoki, 4 granica pañstwa, 5 rejon Paw³owice Fig. 1. Location of Paw³owice coal deposit in the south-west part of the USCB (modified after Kêdzior 2012) 1 boundaries of mining areas or prospective areas of coal mining, 2 overthrusts, 3 important faults, 4 state border, 5 Paw³owice area 122

5 500 m w strefie uskoku Bzie-Czechowice. Osady czwartorzêdu pokrywaj¹ce badany obszar w ca³oœci stanowi¹ mu³ki, piaski oraz wiry akumulacji lodowcowej i rzecznej. Pod wzglêdem tektonicznym badany obszar obejmuje fragment po³udniowego skrzyd³a niecki g³ównej, warstwy zapadaj¹ w kierunku pó³nocnym oraz pó³nocno-wschodnim pod k¹tem kilku stopni, jedynie w pobli u uskoków wystêpuj¹ lokalne podgiêcia warstw i zwiêkszenie k¹ta upadu. Sieæ uskokowa w omawianym z³o u jest stosunkowo gêsta, g³ówn¹ dyslokacj¹ jest uskok Bzie-Czechowice o orientacji NW-SE i zrzucie kilkuset metrów na po³udnie oraz o rozpoznanych kilku szczelinach uskokowych. Jest to dyslokacja regionalna w skali GZW. Oprócz niej wystêpuje tak e szereg mniejszych uskoków o zrzutach od kilku do kilkudziesiêciu metrów, ró nych kierunkach przebiegu, dziel¹cych z³o e na bloki ró nej wielkoœci. W z³o u wystêpuje wêgiel energetyczny (typu 31-33) o zawartoœci czêœci lotnych rzêdu 36 28% oraz koksowy (typu 34-35) o zawartoœci czêœci lotnych poni ej 28%. Œrednia wartoœæ opa³owa dla ca³ego z³o a wynosi 26 MJ/m 3 a przeciêtna zawartoœæ siarki mieœci siê w przedziale 0,5 0,6%. Zasoby bilansowe wêgla w niezagospodarowanym rejonie Paw³owice wed³ug stanu na koniec 2013 r. wynosi³y 414,3 mln ton, natomiast w zagospodarowywanym przez JSW rejonie Paw³owice 1 zasoby te oszacowano na 303,8 mln ton wêgla (Szuflicki i in., red. 2014). Metan wystêpuje praktycznie w ca³ym profilu utworów wêglonoœnych z³o a. Najwiêcej tego gazu nagromadzi³o siê w partii stropowej utworów karboñskich (strefa wtórnego nagromadzenia metanu o metanonoœnoœci pok³adów do 20 m 3 /t czystej substancji wêglowej, csw) oraz w tzw. strefie g³êbokiej, której górn¹ granicê stanowi powierzchnia wyznaczona przez izarytmê metanonoœnoœci równ¹ 4,5 m 3 /t csw. W obrêbie tej strefy metanonoœnoœæ pok³adów wynosi do kilkunastu m 3 /t csw. Obie strefy nagromadzenia metanu rozdziela interwa³ obni onej metanonoœnoœci (rys. 2a), którego wystêpowanie jest zró nicowane a do ca³kowitego zaniku w niektórych rejonach. W omawianym z³o u metanonoœnoœæ pok³adów zasadniczo zwiêksza siê w kierunku zachodnim i po³udniowym. Oszacowano zasoby bilansowe metanu jako kopaliny towarzysz¹cej wêglowi kamiennemu na 3,6 mld m 3 w polu Paw³owice 1 (Szuflicki i in., red 2014). 2. Metodyka Podstaw¹ opracowania s¹ archiwalne wyniki metanonoœnoœci i zawartoœci czêœci lotnych (V daf ) pok³adów wêgla oraz dane dotycz¹ce typu wêgla przechowywane w Narodowym Archiwum Geologicznym w Warszawie oraz jego oddziale w Sosnowcu. Dane te pos³u y³y do konstrukcji wykresów zmiennoœci pionowej (rys. 2 a i b), a tak e map stropu pok³adów metanowych oraz wêgli koksowych (rys. 3 i 4) i ponadto do obliczenia teoretycznej iloœci wytworzonych gazów. Podstawê tych obliczeñ stanowi jeden z modeli generowania metanu z pok³adów wêgla opracowany przez Kowalskiego i in. (1995). Polega on na za³o eniu, e w miarê wzrostu stopnia uwêglenia pok³adów (zmniejszania siê zawartoœci czêœci lotnych) uwalnia siê z substancji wêglowej coraz wiêcej metanu. Przyk³adowo, spadek V daf o 1% powoduje wytworzenie metanu w iloœci 7,1 m 3 /tonê wêgla, spadek o 10% 73,5 m 3 /tonê, a o 35% 123

6 250 metanonoœnoœæ [m 3 /t csw] 250 V daf [%] 0 miocen 0 miocen g³êbokoœæ [m npm] strefa wtórnego nasycenia metanem strefa metanu termogenicznego Rys. 2. Zmiennoœæ metanonoœnoœci (a) oraz zawartoœci czêœci lotnych Vdaf (b) z g³êbokoœci¹ w obszarze Paw³owice Fig. 2. Variability of methane contents (a) and volatiles Vdaf (b) with depth in Paw³owice area odpowiednio 255,8 m 3 /tonê (Kowalski i in. 1995). Model ten zak³ada pocz¹tek wytwarzania gazów termokatalitycznych na poziomie V daf równym 40% (przybli ona granica pomiêdzy wêglem brunatnym i kamiennym). Na ni szym stopniu uwêglenia (etap wêgla brunatnego i torfu) wytwarzaj¹ siê wprawdzie gazy, lecz brak dobrze rozwiniêtej mikroporowatej struktury oraz szczelnego nadk³adu powoduje, e gazy te nie zachowuj¹ siê w strukturze wêgla (Kowalski i in. 1995). Pocz¹tek wytwarzania metanu termokatalitycznego na poziomie 40% przyjêto tak e w niniejszym opracowaniu. Wielkoœæ potencjalnej iloœci wytworzonego metanu uzyskano mno ¹c jednostkow¹ iloœæ metanu wygenerowanego przypadaj¹c¹ na 1 tonê czystej substancji wêglowej (adekwatn¹ do ubytku czêœci lotnych w stosunku do 40%) przez ca³kowit¹ liczbê ton wêgla na poziomie obliczeniowym (ca³kowit¹ masê wêgla). Uzyskany szacunek iloœci wytworzonych gazów porównano z potencjaln¹ pojemnoœci¹ gazow¹ wêgli z omawianego z³o a skalkulowan¹ na podstawie danych uzyskanych z izoterm sorpcji metanu (Kêdzior 2012), a tak e z obliczon¹ iloœci¹ wspó³czeœnie zakumulowanego metanu termogenicznego w z³o u. Iloœæ tê oszacowano metod¹ objêtoœciow¹ zgodnie z metodyk¹ obliczania zasobów metanu jako kopaliny towarzysz¹cej na podstawie dokumentacji geologicznej z³o a Paw³owice (Krzanowska 2002) rozszerzaj¹c zakres g³êbokoœciowy sza- 124

7 Rej. Warszowice- Paw³owice WP 28 WP 6 WP 7 h-70 m. Pa 6 Pa 1 Pa 5 Pa 9 Pa 2 h-50 m Pa 4 h-30 m Kr 28 WP 24 WP 88/2/91 Kr 22 WP 19 Kr 26 Pa IG 7 WP 13 WP 25 WP 26 WP 22 WP 1 WP 20 WP 17 WP 18 WP 15 Rej. Studzionka- Mizerów Rej. Paw³owice WP 5 Pa 3 Pa 10 Ps 2 0 Pa 16 Pa 8 Pa 15 Pa 12 Pa 13 Pa 14 Pa 11 h-110 m Kr 27 WP 9 h-200 m Pniówek h-160 m uskok Bzie-Czechowice Kr 33 Pa 19 h-180 m St IG-1 Pa 18 1km WP 3 WP 11 WP 12 WM Pa 17 Pa 18 Rys. 3. Strop wêgli koksowych (typu 35) w obszarze Paw³owice (na podstawie Kêdzior 2008b, zmodyfikowane) 1 granica obszaru, 2 otwór wiertniczy, 3 uskok, 4 izarytma stropu pok³adów wêgla koksowego [m n.p.m.] Fig. 3. Top of coking coals (type 35) in Paw³owice area (modified after Kêdzior 2008b) 1 boundary of the area, 2 bore hole, 3 fault, 4 isoline of the top of coking coal seams [m above sea level] N KP 116 Rej. Kobiór- Pszczyna h-30 m h-220 m

8 Rej. Warszowice- Paw³owice h-70 m. Pa 16 Pa 6 Pa 8 Pa 1 Pa 5 Pa 15 Pa 12 Pa 9 Pa 13 Pa km WM Pa 2 h-50 m Pa 4 h-30 m Kr 22 Kr 28 Pa 11 h-110 m h-200 m h-160 m uskok Bzie-Czechowice Kr 33 WP 24 Pniówek WP 88/2/91 Kr 27 WP 9 WP 13 WP 22 WP 19 Kr 26 Pa IG 7 Pa 19 h-180 m WP 28 St IG-1 WP 6 WP 25 WP 26 WP 1 WP 17 WP 18 Pa 18 WP 20 WP 15 WP 3 WP 11 WP 7 Rej. Studzionka- Mizerów Rej. Paw³owice WP 12 WP 5 Pa 3 Pa 10 Ps 2 Pa 17 N KP Rej. Kobiór- Pszczyna h-30 m h-220 m Pa 18 Rys. 4. Strop strefy wysokometanowej (o metanonoœnoœci pok³adów M>4,5 m 3 /t csw) w obszarze Paw³owice (na podstawie Kêdzior 2008b, zmodyfikowane) 1 granica obszaru, 2 otwór wiertniczy, 3 uskok, 4 izarytma stropu pok³adów o metanonoœnoœci > 4,5 m 3 /t csw [m n.p.m.] Fig. 4. Top of high-methane zone (with methane content of coal seams M>4,5 m 3 /t coal daf) in Paw³owice area (modified after Kêdzior 2008b) 1 boundary of the area, 2 bore hole, 3 fault, 4 isoline of the top of coal seams with methane content > 4,5 m 3 /t coal daf [m above sea level] 126

9 cowania do granicy rozpoznania z³o a (ok m n.p.m.), która dla potrzeb niniejszego opracowania stanowi tak e granicê obliczenia iloœci wytworzonego metanu. Iloœæ zakumulowanego wspó³czeœnie metanu obliczono ze wzoru: V CH4 = Q A B (M ŒR M R ) W T (1) gdzie: V zasoby metanu [m 3 ], Q zasoby wêgla [tony], A wspó³czynnik powiêkszaj¹cy zasoby wêgla o pok³ady i wk³adki wêglowe nieudokumentowane, B wspó³czynnik przeliczeniowy ca³kowitych geologicznych zasobów wêgla na ca³kowite geologiczne zasoby czystej i suchej substancji wêglowej [csw], M ŒR œrednia arytmetyczna metanonoœnoœci w m 3 CH 4 /t csw w interwale obliczeniowym, M R metanonoœnoœæ resztkowa w m 3 CH 4 /tonê csw, okreœlona metod¹ degazacji pró niowej, W T wspó³czynnik temperaturowy (0,9017) okreœlaj¹cy zasoby gazu w warunkach normalnych (0 C, 760 mm Hg). W celu zobrazowania przestrzennego rozk³adu iloœci metanu zgodnie z g³êbokoœci¹, obliczeñ dokonano w rozbiciu na poziomy dokumentacyjne przyjête za Krzanowsk¹ (2002) (tab. 1). Dodano interwa³ od ostatniego poziomu dokumentacyjnego ( 740 m n.p.m.) do granicy rozpoznania z³o a (ok m n.p.m.) oraz zrezygnowano z poziomu przystropowego (powy ej 300 m n.p.m.) z uwagi na to, e w stropowej partii z³o a mo e wystêpowaæ przede wszystkim metan pochodzenia mikrobialnego oraz migracyjnego (np. Kêdzior 2011; Kotarba i Pluta 2009), w zwi¹zku z czym jego iloœæ w omawianym interwale prawdopodobnie nie jest zwi¹zana z procesem uwêglania (ubytkiem czêœci lotnych) dotycz¹cym wêgla le ¹cego na tej g³êbokoœci. G³êbiej zwiêksza siê udzia³ gazu o genezie termokatalitycznej (np. Kotarba i Ney 1995), a wiêc mo na oczekiwaæ wiêkszej zale noœci pomiêdzy ubytkiem V daf i iloœci¹ wytworzonego metanu. Dlatego zdecydowano siê uwzglêdniæ interwa³ g³êbokoœciowy obliczeñ pocz¹wszy od poziomu 300 m n.p.m. (ok. 550 m p.p.t.) do g³êbokoœci rozpoznania z³o a (ok m n.p.m., 1500 m p.p.t.). Ponadto przeanalizowano zmiennoœæ pionow¹ metanonoœnoœci oraz V daf na podstawie wykresów oraz poziom¹, porównuj¹c mapy stropu strefy wysokometanowej i stropu wystêpowania wêgli koksowych (typu 35). Zwrócono szczególn¹ uwagê na pokrycie siê pierwotnego (g³êbokiego) maksimum metanonoœnego ze zmian¹ gradientu spadku V daf (skokiem uwêglenia) (rys. 2 a i b) oraz na zbie noœæ przebiegu izarytm na mapach (rys. 3 i 4) w celu sprawdzenia czy i w jakim zakresie procesy zwi¹zane z II skokiem uwêglenia wywar³y wp³yw na wspó³czesne wystêpowanie gazów w badanym rejonie. 127

10 TABELA 1. Iloœæ metanu wytworzonego, wspó³czeœnie zakumulowanego oraz pojemnoœæ sorpcyjna pok³adów w rozbiciu na poziomy obliczeniowe TABLE 1. Quantity of generated and currently accumulated methane with sorption capacity of coal divided in calculation levels Poziom [m n.p.m.] Stosunek [%] od do S/G M/G Mi¹ szoœæ poziomu [m] Masa pok³adów wêgla csw [mln ton] Pocz¹tkowe V daf [%] V daf œrednie dla poziomu [%] Ubytek V daf [%] Jednostkowa iloœæ wytworzonego metanu [m 3 /tonê] Ca³kowita iloœæ wytworzonego metanu [mln m 3 ] (G) Pojemnoœæ sorpcyjna wêgla [mln m 3 ] (S) Skalkulowana wspó³czesna iloœæ metanu [mln m 3 ] (M) , , ,00 839,86 332, , , , ,84 418, , , , ,76 708, , , , , , SUMA 1 296, , , ,

11 3. Wyniki i dyskusja W tabeli 1 przedstawiono wyniki dotycz¹ce potencjalnej iloœci wytworzonego metanu wskutek ubytku czêœci lotnych, wielkoœci pojemnoœci sorpcyjnej pok³adów wêgla oraz wspó³czesnej iloœci zakumulowanego metanu w rozbiciu na trzy poziomy dokumentacyjne (wed³ug Krzanowskiej 2002) oraz jeden poziom dodatkowy do poziomu 1250 m n.p.m. (granicy rozpoznania z³o a Paw³owice). W omawianym z³o u w ca³ym przedziale g³êbokoœci wytworzy³o siê ogó³em ponad mln m 3 metanu, z czego najwiêcej ( mln m 3 ) przypada na poziom najg³êbszy od 740 m n.p.m. do granicy rozpoznania z³o a. Jest to uwarunkowane przede wszystkim najwiêksz¹ mi¹ szoœci¹ poziomu (oko³o 500 m) i co siê z tym wi¹ e wiêkszym udzia³em pok³adów i wk³adek wêgla, bêd¹cych g³ównymi oœrodkami wytwarzaj¹cymi metan. Nie bez znaczenia jest tak e najwiêksza g³êbokoœæ poziomu, a zatem i najwiêkszy ubytek czêœci lotnych (prawo Hilta), co poci¹ga za sob¹ najwiêksz¹ iloœæ wytworzonych gazów (w tym metanu). Jednak zarówno pojemnoœæ sorpcyjna wêgla w tym interwale ( mln m 3 metanu), jak i wspó³czesna iloœæ zakumulowanego metanu (3 899 mln m 3 ) s¹ du o ni sze ni przytoczona wczeœniej iloœæ wytworzonego metanu. Zdolnoœæ sorpcyjna wêgla to 20%, a wspó³czeœnie zakumulowany metan stanowi zaledwie 4% metanu potencjalnie wytworzonego. Poziomy le ¹ce wy ej cechuj¹ siê korzystniejszym stosunkiem procentowym powy - szych wielkoœci do iloœci wytworzonego gazu odpowiednio 37 78% i 10 31%, z tendencj¹ zwy kow¹ w miarê zmniejszania siê g³êbokoœci (tab. 1). Mo e byæ to zwi¹zane po pierwsze z malej¹c¹ iloœci¹ wytworzonego metanu w miarê zwiêkszania siê zawartoœci czêœci lotnych na mniejszej g³êbokoœci, a po drugie z coraz wiêkszym udzia³em metanu migracyjnego (wytworzonego poza macierzystymi pok³adami wêgla). Jak wykaza³y badania izotopowe (np. Kotarba, Ney 1995) do g³êbokoœci 1000 m ( 740 m n.p.m. w badanym rejonie) wystêpuj¹ g³ównie gazy migracyjne, pochodz¹ce z g³êbszych poziomów utworów wêglonoœnych, natomiast poni ej tej g³êbokoœci dominuj¹ gazy autochtoniczne, wystêpuj¹ce w pok³adach, w których powsta³y. Niski, bo zaledwie czteroprocentowy udzia³ gazów zakumulowanych w stosunku do wytworzonych w interwale najg³êbszym oraz piêcioprocentowy w ca³ym analizowanym profilu (tab. 1) sugeruje, e ogromna iloœæ metanu (rzêdu 95% gazów wytworzonych) opuœci³a macierzyste wêgle i nastêpnie migrowa³a albo w kierunku wy ej le ¹cych pok³adów, które by³y w stanie zaadsorbowaæ migruj¹cy gaz, albo do atmosfery. Dzia³o siê tak z powodu znacznie wiêkszej iloœci wytworzonych gazów w stosunku do pojemnoœci gazowej pok³adów wêgla. Dla badanego obszaru wêgiel jest w stanie pomieœciæ przeciêtnie oko³o 20% wytworzonego metanu (tab. 1). Liczne publikacje podaj¹, e istotn¹ przyczyn¹ tak znacznego transferu metanu by³o stopniowe podnoszenie górotworu karboñskiego i jego erozja w mezozoiku i paleogenie. Akumulacja i³ów w miocenie, które pokrywaj¹ utwory wêglonoœne w ca³ym badanym obszarze spowolni³a lub zatrzyma³a ten proces (np. Kêdzior 2009; Kotarba 1980, 2001; Kotarba et al. 1995; Kotas, red. 1994; Kwarciñski, Hadro 2008; Tarnowski 1989). Mo e to t³umaczyæ stopniowo zwiêkszaj¹cy siê udzia³ gazów zakumulowanych w stosunku do wytworzonych na p³ycej po³o onych poziomach (tab. 1). Kolejnym zagadnieniem zwi¹zanym z przywo³anym problemem, jest ma³e nasycenie pok³adów wêgla metanem, rozumiane jako stosunek wspó³czesnej iloœci zakumulowanego 129

12 metanu do pojemnoœci sorpcyjnej pok³adów wêgla. W badanym z³o u stosunek ten wynosi nieca³e 23%, co oznacza ponad 77% niedosycenia metanem. W miarê zmniejszania siê g³êbokoœci niedosycenie maleje do oko³o 60% na poziomie 300 m n.p.m. Metoda szacowania iloœci powsta³ego metanu na podstawie ubytku czêœci lotnych nie jest jedyna. Przeprowadzona analiza potencja³u metanotwórczego w GZW na podstawie pirolizy oraz hydropirolizy próbek wêgla (Kotarba, Lewan 2004) wykaza³a, e w po³udniowej czêœci GZW mog³o powstaæ o oko³o 50% metanu mniej w przypadku pirolizy i nawet 80% mniej w przypadku hydropirolizy w stosunku do wyliczeñ na podstawie ubytku V daf. Jednak nawet w takim wariancie iloœæ ta bêdzie przekracza³a wspó³czesny stan zasobów metanu zakumulowanego w z³o u. Analiza map (rys. 3 i 4) i wykresów (rys. 2 a i b) wskazuje na to, i strop strefy pok³adów metanowych pokrywa siê czêœciowo ze stropem wêgli koksowych typu 35 oraz w profilach niektórych otworów maksimum metanonoœne g³êbokiego interwa³u metanu termogenicznego pokrywa siê ze zmian¹ gradientu V daf. Oznaczaæ to mo e, e w badanym obszarze widoczna jest zale noœæ pomiêdzy procesem uwêglania (zwi¹zanym z II sokiem uwêglenia) i iloœci¹ wytworzonych gazów, która nieco zatarta wskutek póÿniejszych procesów migracji i akumulacji gazów, przetrwa³a do czasów obecnych. 4. Uwagi o zasobach przemys³owych metanu jako kopaliny g³ównej Zasoby przemys³owe metanu stanowi¹ tê czêœæ zasobów bilansowych, która mo e byæ odzyskana ze z³o a przy przyjêciu odpowiednich rozwi¹zañ technicznych i warunków ekonomicznych eksploatacji w ramach projektu zagospodarowania z³o a (Nieæ 1993). Dotychczas nie zestawiano zasobów przemys³owych metanu w polach niezagospodarowanych górniczo z uwagi na brak dostatecznej liczby danych dotycz¹cych produktywnoœci z³o a, np. przepuszczalnoœci pok³adów, która w du ym stopniu decyduje o powodzeniu otworowej eksploatacji metanu z powierzchni (np. Kêdzior 2008a). Zasoby przemys³owe metanu obliczane s¹ jedynie w przypadku metanu jako kopaliny towarzysz¹cej, przewidzianego do uzysku wskutek odmetanowania wyrobisk kopalnianych. W ostatnim czasie nasili³y siê dzia³ania zmierzaj¹ce do ponownego przetestowania mo liwoœci wydobycia metanu z tzw. pól dziewiczych z zastosowaniem technologii intersekcji otworu horyzontalnego pojedynczego (Gilowice k. Brzeszcz) lub otworu horyzontalnego multilateralnego otworem pionowym ze sztucznym szczelinowaniem odcinka horyzontalnego w celu odmetanowania wyprzedzaj¹cego rejonów przysz³ej eksploatacji wêgla (kop. Weso³a) (np. Hadro i Wójcik 2013; Jureczka 2013; Hadro i Kêdzior 2012). Z tego wzglêdu podjêto próbê orientacyjnego szacunku zasobów metanu teoretycznie mo liwego do sczerpania otworami produkcyjnymi wierconymi z powierzchni w badanym obszarze. Jako bazê obliczeñ przyjêto wielkoœæ zasobów metanu jako kopaliny g³ównej w warunkach normalnych, obliczon¹ ze wzoru (tab. 2). V CH4g³ = Q B (M ŒR 2,5) W T (2) gdzie: V CH4g³ zasoby metanu jako kopaliny g³ównej, pozosta³e objaœnienia jak we wzorze (1). 130

13 TABELA 2. Zestawienie zasobów wêgla, metanonoœnoœci œredniej oraz zasobów metanu jako kopaliny g³ównej w rozbiciu na poziomy obliczeniowe TABLE 2. Statement of coal resources, mean methane content and methane resources as a main commodity divided in calculation levels Mi¹ szoœæ poziomu [m] Masa pok³adów wêgla > 0,6 m [mln ton] Wspó³czynnik csw Zasoby wêgla csw [mln ton] Œrednia metanonoœnoœæ dla poziomu [m 3 /tonê csw] Metanonoœnoœæ desorbowalna [m 3 /tonê csw] Zasoby metanu [mln m 3 ] Wspó³czynnik temperaturowy Zasoby metanu jako kopaliny g³ównej [mln Nm 3 ] Poziom [m npm] od do ,4 0,8 8,7 8,1 5,6 48,5 0,9 43, ,6 0,8 36,2 4,8 2,3 83,1 0,9 75, ,7 0,8 49,8 6,3 3,8 191,6 0,9 172, ,5 0,9 379,3 6,2 3, ,6 0, ,6 SUMA 553,2 474, , ,0 131

14 Tak obliczona wielkoœæ zasobów bilansowych metanu jako kopaliny g³ównej dla z³o a Paw³owice wynosi w interwale od 300 do 1250 m n.p.m mln m 3. Wielkoœæ ta nie uwzglêdnia iloœci metanu wystêpuj¹cego bezpoœrednio pod stropem utworów karboñskich ze wzglêdu na wczeœniejsze za³o enia dotycz¹ce metanu termokatalitycznego (rozdz. 3). W przypadku przemys³owych zasobów metanu istotne s¹ tzw. wspó³czynniki odzysku metanu ze z³o a oraz zagospodarowania z³o a (Nieæ 1993), których iloczyn stanowi wspó³czynnik wykorzystania z³o a wahaj¹cy siê pomiêdzy 0,2 i 0,8 (op. cit.) w zale noœci od warunków jego produktywnoœci (przepuszczalnoœci pok³adów, zawodnienia itp.). Z uwagi na to, e przepuszczalnoœæ w du ym stopniu decyduje o wydajnoœci metanu z otworów, wielkoœæ tê powinno siê uwzglêdniaæ przy obliczeniu zasobów przemys³owych metanu. Zgodnie z badaniami Boyer a i Kuuskraa (Nieæ 1993) przy przepuszczalnoœci 1 md mo na wykorzystaæ do 24% zasobów metanu, przy 5 md 47%, a przy 25 md odpowiednio 73%. Wed³ug obliczeñ przepuszczalnoœci pok³adów w czasie trwania testów produkcyjnych metanu prowadzonych przez spó³kê Texaco w pobli u badanego obszaru (Kêdzior 2012), przepuszczalnoœæ pok³adów wêgla nie przekracza 1 md, zatem obliczaj¹c zasoby przemys³owe metanu przyjêto wspó³czynnik sczerpania na poziomie 0,24. Zatem: V CH4przem = V CH4g³ S (3) gdzie: V CH4przem zasoby przemys³owe metanu, V CH4g³ zasoby bilansowe metanu jako kopaliny g³ównej, S wspó³czynnik sczerpania metanu (0,24). Wielkoœæ zasobów przemys³owych metanu wynosi 373,69 mln m 3, a przewidywane wydobycie z jednego otworu w ci¹gu 20 lat przy przepuszczalnoœci rzêdu 1mD to 31,1 mln m 3 metanu (Boyer i Kuuskraa, Nieæ 1993). Ten szacunek oparty wy³¹cznie na doœwiadczeniach amerykañskich i dotycz¹cy otworów pionowych mo e nie mieæ bezpoœredniego odniesienia do zag³êbia górnoœl¹skiego, jednak móg³by stanowiæ punkt wyjœcia do dalszych rozwa añ na temat zagospodarowania metanu jako kopaliny g³ównej w GZW przy uwzglêdnieniu zarówno lokalnych warunków produktywnoœci z³ó, zwa ywszy e rezultaty badañ w tym zakresie s¹ wci¹ skromne, jak i zastosowania nowych technologii pozyskiwania metanu. Podsumowanie W z³o u wêgla kamiennego Paw³owice w przedziale g³êbokoœci od 300 m n.p.m. do 1250 m n.p.m. wytworzy³o siê ,52 mln m 3 metanu, jeœli przyj¹æ ubytek V daf wystêpuj¹cych wêgli. Iloœæ wspó³czeœnie wystêpuj¹cych gazów w z³o u wynosi 5 357,90 mln m 3, zatem jest du o ni sza zarówno od iloœci metanu wytworzonego oraz od pojemnoœci sorpcyjnej wêgli dla metanu. Iloœæ ta stanowi zaledwie 5% gazu wytworzonego przy uwzglêdnieniu ubytku V daf i 23% pojemnoœci sorpcyjnej wêgla. 132

15 Stosunek iloœci gazu zakumulowanego w z³o u do iloœci gazu wytworzonego oraz pojemnoœci gazowej wêgla w omawianym z³o u oznacza, e pojemnoœæ gazowa wêgli nie jest w stanie pomieœciæ ca³oœci wytworzonego metanu. Niezakumulowane nadwy ki wskutek migracji albo s¹ akumulowane w innych pok³adach wêgla, bêd¹cych w stanie przyj¹æ pewne iloœci tego gazu, albo s¹ wydalane do atmosfery. Czynnikami wspomagaj¹cymi migracjê i akumulacjê metanu s¹ m.in. ciœnienie i temperatura, rzutuj¹ce na zdolnoœci sorpcyjne pok³adów wêgla. D³ugotrwa³a erozja górotworu karboñskiego w mezozoiku i paleogenie przyczyni³a siê do znacznych rozmiarów odgazowania serii wêglonoœnej, co poci¹gnê³o za sob¹ po pierwsze znaczne (kilkudziesiêcioprocentowe) niedosycenie pok³adów wêgla metanem, a po drugie znacznie mniejsz¹ iloœæ wspó³czeœnie zakumulowanego metanu w z³o u w stosunku do metanu wytworzonego. Znane z ca³ego GZW zale noœci pomiêdzy iloœci¹ metanu wytworzonego, zakumulowanego oraz pojemnoœci sorpcyjnej wêgla sprawdzaj¹ siê tak e w przypadku z³o a Paw³owice. Obliczona na podstawie doœwiadczeñ amerykañskich wielkoœæ zasobów przemys³owych metanu w z³o u Paw³owice wynosz¹ca zaledwie 373,69 mln m 3 jest jedynie szacunkiem orientacyjnym i stanowiæ mo e wy³¹cznie punkt wyjœcia do dalszych rozwa añ nad mo liwoœci¹ wszczêcia produkcji przemys³owej metanu z tego z³o a. Badania do niniejszej publikacji zosta³y sfinansowane z grantu Narodowego Centrum Nauki, nr 2013/11/B/ST10/ Literatura Botor, D Wiek uwêglenia utworów górnokarboñskich w Górnoœl¹skim Zag³êbiu Wêglowym w œwietle datowañ apatytów za pomoc¹ metody trakowej i helowej. Gospodarka Surowcami Mineralnymi Mineral resources Management t. 30, s Hadro, J. i Kêdzior, S Testowanie mo liwoœci eksploatacji metanu pok³adów wêgla w Górnoœl¹skim Zag³êbiu Wêglowym otworami horyzontalnymi. [W:] Jureczka J. red. Mat. konf. LXXXII Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Geologicznego. Wyzwania geologii regionu górnoœl¹skiego w XXI w. Warszawa: Pañstwowy Instytut Geologiczny Pañstwowy Instytut Badawczy, s. 72. Hadro, J. i Wójcik, I Metan pok³adów wêgla: zasoby i eksploatacja. Przeg. Geol. t. 61, s Jureczka, J Perspektywy i problemy eksploatacji metanu z pok³adów wêgla w warunkach z³o owych, górniczych i œrodowiskowych Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. [W:] Jureczka J. red. Mat. konf. LXXXII Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Geologicznego. Wyzwania geologii regionu górnoœl¹skiego w XXI w. Warszawa: Pañstwowy Instytut Geologiczny Pañstwowy Instytut Badawczy, s Kêdzior, S. 2008a. Potencja³ zasobowy metanu pok³adów wêgla w Polsce w kontekœcie uwarunkowañ geologicznych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi Mineral resources Management t. 24, z. 4/4, s Kêdzior, S. 2008b. Wystêpowanie p³ytkiej strefy wysokometanowych pok³adów wêgla w rejonie Paw³owic. Biuletyn Pañstwowego Instytutu Geologicznego t. 429, s Kêdzior, S Accumulation of coal-bed methane in the south-west part of the Upper Silesian Coal Basin (southern Poland). International Journal of Coal Geology t. 80, s Kêdzior, S The occurrence of a secondary zone of coal-bed methane in the southern part of the Upper Silesian Coal Basin (southern Poland): potential for methane exploitation. International Journal of Coal Geology t. 86, s Kêdzior, S Przystropowa strefa gazonoœna w utworach karbonu po³udniowej czêœci Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego wystêpowanie, parametry zbiornikowe wêgla oraz mo liwoœci pozyskania metanu. Katowice: Wyd. UŒ. 133

16 Kopp i in Kopp, O.C., Bennett, III M.E. i Clark, C.E Volatiles lost during coalification. International Journal of Coal Geology t. 44, s Kotarba, M Wp³yw czynników geologicznych na akumulacjê gazów górnego karbonu po³udniowej czêœci ROW-u w œwietle badañ izotopowych. Zeszyty Naukowe AGH, Ser. Górnictwo Z. 110, Kraków: AGH, s Kotarba, M.J Composition and origin of gases in the Upper Silesian and Lublin Coal Basins, Poland. Organic Geochemistry t. 32, s Kotarba, M.J. i Lewan, M.D Characterizing thermogenic coalbed gas from Polish coals of different ranks by hydrous pyrolysis. Organic Geochemistry t. 35, s Kotarba, M. i Ney, R Wêglowodory w utworach wêglonoœnych górnego karbonu Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. [W:] Ney R., Kotarba M., red. Opracowanie modeli oraz bilansu generowania i akumulacji gazów w serii wêglonoœnej Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Kraków: Centrum PPGSMiE PAN, s Kotarba i in Kotarba, M., Pêka³a, Z., Daniel, J., Wiêc³aw, D. i Smolarski, L Rozk³ad g³êbokoœciowy zawartoœci metanu i wêglowodorów wy szych w utworach wêglonoœnych górnego karbonu Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. [W:] Ney R., Kotarba M., red. Opracowanie modeli oraz bilansu generowania i akumulacji gazów w serii wêglonoœnej Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Kraków, Centrum PPGSMiE PAN, s Kotarba, M.J. i Pluta, I Origin of natural waters and gases within the Upper Carboniferous coal-bearing and autochthonous Miocene strata in South-Western part of the Upper Silesian Coal Basin, Poland. Applied Geochemistry t. 24, s Kotas i in Kotas, A., Kwarciñski, J. i Jureczka, J Methods of the estimation of coal bed methane reserves in the Silesia Coal Basin. [W:] Workshop on the Recovery and End-Use of Coal Bed Methane, Katowice. Kotas, A. red Coal-bed methane potential of the Upper Silesian Coal Basin, Poland. Prace Pañstwowego Instytutu Geologicznego t. 142, Warszawa, 81 s. Kowalski i in Kowalski, A., Kotarba, M. i Semyrka, G Model i bilans generowania gazów z pok³adów wêgla utworów górnego karbonu Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. [W:] Ney R., Kotarba M., red. Opracowanie modeli oraz bilansu generowania i akumulacji gazów w serii wêglonoœnej Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Kraków, Centrum PPGSMiE PAN, s Kruszewska, K. i Dybova-Jachowicz, S Zarys petrologii wêgla. Katowice: Wyd. UŒ. Krzanowska, A Dodatek Nr 1 do dokumentacji geologicznej z³o a wêgla kamiennego Paw³owice w kat. C 1, C 2. Warszawa, NAG Pañstwowy Instytut Geologiczny Pañstwowy Instytut Badawczy (nie publ.) Kwarciñski, J. i Hadro, J Metan pok³adów wêgla na obszarze Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Przegl¹d Geologiczny t. 56, s Nieæ, M Z³o a metanu w formacjach wêglonoœnych. Materia³y Szko³y Eksploatacji Podziemnej t. 2, s Szuflicki M. i in. red Szuflicki, M., Malon, A. i Tymiñski, M Bilans zasobów kopalin w Polsce wg stanu na 31 XII 2013 r. Pañstwowy Instytut Geologiczny Pañstwowy Instytut Badawczy. Warszawa, 466 s. Tarnowski, J Geologiczne warunki wystêpowania metanu w Górnoœl¹skiej Niecce Wêglowej. Zeszyty Naukowe Politechniki Œl¹skiej, Górnictwo z. 166, Gliwice, 126 s. Teichmüller, M The genesis of coal from the viewpoint of coal petrology. International Journal of Coal Geology t. 12, s