WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie

Transkrypt

1 Materiały Warsztatów str Stanisław BURLIGA*, Grzegorz MISIEK**, Sylwester JANIÓW**, Emil DUMICZ* * Uniwersytet Wrocławski, Instytut Nauk Geologicznych, Wrocław ** Kopalnia Soli Kłodawa S.A., Kłodawa Tektoniczne uporządkowanie zjawisk gazodynamicznych w wysadzie solnym Kłodawy Streszczenie Rozpoznanie rozprzestrzenienia zjawisk gazodynamicznych w wysadzie umożliwia zaprojektowanie bezpiecznego przebiegu wyrobisk górniczych, nienaruszającego struktury stref zgazowanych. Jak wykazały badania prowadzone w obrębie pola nr IV w Kopalni Soli Kłodawa S.A., wystąpienia zjawisk emanacji i wyrzutów gazów mają ścisłą korelację litologiczną i tektoniczną oraz wykazują ciągłość na znacznej przestrzeni wysadu. Większość zjawisk wiąże się z wystąpieniami anhydrytu podstawowego i łupka cuchnącego, a ponadto ze strefami tektonicznych kontaktów wielkoskalowych struktur fałdowych. Identyfikacja ich przebiegu w złożu możliwa jest na podstawie kartowania geologicznego, szczegółowo ujmującego litostratygrafię utworów. Przeprowadzone badania wskazują, że identyfikacja stref gazonośnych w złożu soli może mieć również istotne znaczenie stabilności i szczelności podziemnych magazynów węglowodorów i składowisk. 1. Wstęp Bezpieczeństwo eksploatacji kopalin uzależnione jest w głównej mierze od stopnia rozpoznania budowy geologicznej złoża, wyboru optymalnej lokalizacji i kształtu wyrobisk górniczych. Większość zagrożeń naturalnych występujących w złożach kontrolowana jest bowiem przez strukturę wewnętrzną pierwotnego ośrodka skalnego oraz jego tektoniczną przebudowę. W złożach soli największe niebezpieczeństwo stanowią zagrożenia wodne, które mogą wymusić likwidację kopalni, czego przykładem jest katastrofa w kopalni soli w Wapnie w roku Zagrożenia gazodynamiczne, mimo iż powodują mniejsze zniszczenia w porównaniu do kopalń węgla, znacząco wpływają na eksploatację. W kopalni soli w Kłodawie częstotliwość występowania zjawisk gazowych stanowiła jedną z przyczyn zaniechania eksploatacji w polu IV. Tym samym zarzucona została łatwo dostępna część złoża obfitującego w wysokiej jakości czystą sól kamienną. Prowadzone dotychczas badania nad gazonośnością skał solnych w wysadzie Kłodawy koncentrowały się głównie nad analizą składu gazów (np. Biały 1962), zasięgiem stref zgazowanych w solach (Cybulski 1983) oraz statystycznym ujęciem występowania zjawisk gazodynamicznych (Krause, Kobiela 2004), nie rozpoznano natomiast prawidłowości przestrzennego rozkładu tych zjawisk. Celem prac podjętych przez autorów było określenie prawidłowości rozprzestrzenienia zjawisk gazodynamicznych 167

2 S. BURLIGA, G. MISIEK, S. JANIÓW, E. DUMICZ Tektoniczne uporządkowanie zjawisk w obrębie IV pola eksploatacyjnego (SW część kopalni soli) oraz ocena możliwości przewidywania przebiegu stref gazonośnych w złożu. 2. Rodzaje zagrożeń gazowych oraz ogólne uwagi o rozmieszczeniu zjawisk gazodynamicznych w obrębie wysadu Kopalnia Soli Kłodawa zaliczona została do III stopnia zagrożenia wyrzutami gazów oraz II stopnia zagrożenia metanowego. Odnotowane dotychczas wyrzuty nie stanowiły zagrożenia dla ruchu górniczego, gdyż masa większości z nich nie przekraczała 500 Mg, a jedynie w nielicznych przypadkach była większa niż 1000 Mg. W strefach wyrzutów stwierdzano przede wszystkim obecność wybuchowych mieszanin CH 4, C xh y, H 2S oraz N 2, mniejszy udział stanowią CO, CO 2 i H 2. Największe utrudnienie w eksploatacji stanowią jednakże wypływy gazów, w których głównym składnikiem jest silnie toksyczny H 2S. Powolna emanacja siarkowodoru z calizny skalnej i otworów wiertniczych prowadziła nawet do kilkumiesięcznego wyłączania z ruchu górniczego wyrobisk w polu IV. Rozmieszczenie stref gazonośnych w obrębie pól górniczych nie jest jednorodne. Najliczniejsze zjawiska odnotowano w polach nr I i IV oraz w wyrobiskach międzypolowych, a nieliczne, niewielkiej wielkości, w polach nr II, III i V. Wskazuje to na silny związek między częstotliwością występowania zjawisk a budową geologiczną złoża, gdyż właśnie w polach I i IV występują najintensywniejsze zaburzenia tektoniczne serii solnej. W pozostałych polach zachowane jest pierwotne następstwo stratygraficzne utworów, pomimo ich stromego ustawienia. Wcześniejsze obserwacje przypisują wystąpienia zjawisk gazowych głównie do obszarów antyklin solnych oraz ich skłonów (Bąkowski i in. 1977; Poborski 1971, Cybulski 1983), jednakże stwierdzenie to nie jest w pełni poprawne, gdyż wiele zjawisk gazowych odnotowano w zubrach zajmujących na ogół pozycje synklinalne. Litologia wpływa również na rodzaj występujących zjawisk gazowych. Emisja azotu wiąże się przede wszystkim ze strefami wystąpień zubrów, natomiast węglowodorów i siarkowodoru z solami kamiennymi i przeławicającymi je anhydrytami. Badania Cybulskiego (1983) wykazały, iż szerokość stref gazonośnych jest stosunkowo niewielka zawartość niebezpiecznych gazów w skałach ograniczona jest do kilku metrów i może zanikać w odległości zaledwie 1 m od strefy wyrzutu. Stwierdzono również, że gazy występują w trzech rodzajach nagromadzeń: w postaci zbiornikowej w szczelinach i pustkach, w porach międzyziarnowych oraz w obrębie kryształów mineralnych w postaci inkluzji (Krauze, Kobiela 2004). 3. Źródło gazów W świetle wcześniejszych badań (Bąkowski, Tokarski 1966; Poborski 1971; Bąkowski i in. 1977; Cybulski 1983) oraz badań własnych wnioskować można, iż gazy występujące w skałach budujących wysad są dwojakiego pochodzenia. Nagromadzenia siarkowodoru mają prawdopodobnie pierwotną genezę i wiążą się w głównej mierze z poziomem łupka cuchnącego. Obserwacje z obszaru monokliny przedsudeckiej wskazują, że siarkowodór występuje także pierwotnie w niektórych odmianach najstarszej soli kamiennej (Kijewski, Salski 1978). Wystąpienia węglowodorów mają natomiast charakter wtórny. Wniknęły 168

3 w obręb złoża ze skał otaczających wysad i ich obecność jest ściśle powiązana ze strefami tektonicznymi. Nie można jednoznacznie określić czasu migracji węglowodorów w obręb skał solnych. Przypuszczać należy, iż proces ten rozpoczął się wraz z deformacją mas solnych i stworzeniem tektonicznych nieciągłości w solach, o zwiększonej przepuszczalności. Uwięzienie gazów w kryształach halitu wskazuje ponadto, że proces ten zachodził podczas dynamicznej rekrystalizacji minerału, zatem towarzyszył płynięciu soli. Niestety na obecnym etapie rozpoznania nie można określić czy węglowodory występują w złożu w postaci reliktowej, czy też proces ich migracji w obręb wysadu ciągle postępuje. Nieokreślona jest również geneza azotu w złożu. Silne powiązanie wyrzutów azotu z zubrami, wskazuje na genetyczny związek tego gazu z solami bogatymi w substancje ilaste 4. Lokalizacja wypływów i wyrzutów gazów w kontekście tektonicznym Analiza przestrzennego rozmieszczenia zjawisk gazodynamicznych w polu IV wskazuje na ich ścisły związek z litologią oraz tektoniką. W większości odnotowanych miejsc wypływu i wyrzutów gazów stwierdzana jest obecność anhydrytów, wśród których najliczniej reprezentowany jest anhydryt podstawowy. Obserwacja ta jest zgodna z wnioskami na temat genezy gazów, gdyż macierzystym zbiornikiem siarkowodoru jest przylegający łupek cuchnący oraz najstarsza sól kamienna. Trudno jest jednoznacznie określić pozycję siarkowodoru w samych anhydrytach, gdyż skały te cechują się większą porowatością pierwotną i wtórną niż sole. Występujące w nich gazy mogły zatem migrować ze skał otaczających zarówno na etapach diagenezy, jak i deformacji. Występowanie siarkowodoru w anhydrytach różnego wieku sugeruje jednakże, iż znajduje się on często w pozycji wtórnej. Określenie przebiegu stref siarkowodoronośnych w wysadzie koreluje się zatem z przebiegiem granicy między cyklotemem PZ1 a PZ2 i wystąpieniami łupka cuchnącego i anhydrytu podstawowego. Interferencja fałdów z okresu połogiego płynięcia soli i ich późniejszej pionowej migracji zaburzyła układ pierwotny i obecnie anhydryt podstawowy występuje w formie blokowej, a łupek cuchnący zachowany jest w reliktowej postaci w nielicznych miejscach. Tym samym dochodzi do bezpośredniego kontaktu soli najstarszych i starszych, co znacząco utrudnia identyfikację stref gazonośnych. Najczęściej jednakże na kontakcie cyklotemów zachowuje się roztarta smuga anhydrytowo-ilasta (rys. 4.1), w której wyczuwalna jest obecność siarkowodoru. Szerokość takich stref może nie przekraczać 1 cm podobny zasięg ma strefa zgazowania skał. Pozostałości roztartych bloków anhydrytowo-ilastych zwiększają przepuszczalność soli wzdłuż tektonicznych spawów soli kamiennych należących do cyklotemu PZ1 i PZ2. Z tego względu wykorzystywane są one również przez migrujące węglowodory, co tłumaczy obecność wyrzutów gazów przy kontaktach z anhydrytami. Ponieważ w skrajnych przypadkach roztarcia materia anhydrytowo-ilasta może być makroskopowo niewidoczna (rys. 4.2), wielu zjawiskom gazowym przypisano występowanie w obrębie czystych soli kamiennych. Jednakże szczegółowe oprofilowanie litostratygraficzne wielokrotnie weryfikuje te miejsca jako tektoniczny kontakt soli należących do różnych cyklotemów. 169

4 S. BURLIGA, G. MISIEK, S. JANIÓW, E. DUMICZ Tektoniczne uporządkowanie zjawisk Rys Kontakt najstarszej i starszej soli kamiennej z roztartym anhydrytem podstawowym (wskazany strzałkami; starsza sól kamienna z lewej strony) Fig Border zone of the Oldest and Older Halite with distorted Basal Anhydrite (indicated with arrows; the Older Halite on the left) Rys Kawerna wyrzutowa na kontakcie najstarszej i starszej soli kamiennej pozbawiona bloków anhydrytu. Widoczna niewielka szerokość strefy zgazowania Fig Methane-explosion cavern at the border of the Oldest and Older Halite with the Basal Anhydrite totally distorted (arrow). Narrowness of the gas-bearing zone is remarkable 170

5 Nadmieniona powyżej interferencja fałdów spowodowała przerwanie ciągłości ławic soli należących do różnych cyklotemów. Układ ten został jeszcze silniej zaburzony przez ścinanie towarzyszące płynięciu soli i redukcję miąższości poszczególnych ogniw. Obecnie w najsilniej zaangażowanych tektonicznie strefach wysadu w tym w polu nr IV stwierdzane są lokalnie kontakty tektoniczne soli różnego wieku (w każdym z możliwych obocznych konfiguracji, np. soli starszej i najmłodszej). Wynika to ze zróżnicowania tempa płynięcia soli w poszczególnych strukturach fałdowych i wyprzedzenia soli młodszych przez sole najstarsze, co w makroskali stwierdzone zostało już przez Poborskiego (Werner i in. 1960). Granice pomiędzy poszczególnymi strukturami fałdowymi mają charakter spawów tektonicznych analogicznych do opisanych kontaktów soli najstarszej i starszej (rys 4.3). Najczęściej podkreślone są one również nagromadzeniem substancji anhydrytowo-ilastej i obecnością bloków anhydrytów, co zwiększa przepuszczalność soli i sprzyja ich wykorzystaniu przez migrujące gazy i roztwory. Ze względu na znaczną pionową rozciągłość kontaktów między wielkoskalowymi fałdami, stanowią one nadrzędne drogi migracji gazów i cieczy w wysadzie. Ciągłość niektórych stref została stwierdzona na wszystkich poziomach rozcięcia wysadu, tym samym oznacza to, iż umożliwiają one migrację gazów na odcinku ponad 150 m w pionie. Fakt ten uświadamia jak ważne jest prawidłowe skartowanie wewnętrznej struktury wysadu, gdyż umożliwi to ominięcie najpoważniejszych stref zagrożeń. Rys Tektoniczny spaw wzdłuż strefy kontaktowej między wielkoskalowymi fałdami Fig The welded contact between two large-scale fold structures Stosunkowo nieliczne wystąpienia zjawisk gazowych odnotowano w obrębie samych wielkoskalowych struktur fałdowych. Na ogół wiążą się one z obecnymi w jądrach fałdów blokami anhydrytów i prawdopodobnie ze strefami ścinania równoległymi do powierzchni osiowych. Rzadko spotykany jest również skośny do laminacji przebieg stref gazonośnych. Ma 171

6 S. BURLIGA, G. MISIEK, S. JANIÓW, E. DUMICZ Tektoniczne uporządkowanie zjawisk on jednak zawsze charakter lokalny i prawdopodobnie wynika z rozwoju podrzędnych struktur ścięciowych w wysadzie. Obserwacje te wymagają dalszej weryfikacji. Potwierdzone zostały ustalenia Cybulskiego (1983) o niewielkiej szerokości stref gazonośnych bez względu na ich rangę. Rozcięcie niektórych stref gazonośnych przez analogicznie rozłożone wyrobiska górnicze na poszczególnych poziomach kopalnianych pozwala stwierdzić, że zgazowanie jest silnie zlokalizowane i migracja gazów zachodzi zasadniczo wzdłuż opisanych kontaktów tektonicznych. Przykłady z pola nr IV wskazują, że prowadzenie wyrobiska nawet w odległości kilku metrów od strefy gazonośnej, w której na poziomach wyżej- i niżejległych doszło do silnych wyrzutów, zapobiega ich wystąpieniu. Tym samym przy odpowiednim rozpoznaniu budowy możliwa jest eksploatacja bez nacinania stref zwiększonej przewodności hydraulicznej. 5. Podsumowanie i wnioski Zgodnie z poglądami J. Bąkowskiego (1962), nie można wykluczyć występowania zjawisk gazodynamicznych w którymkolwiek z członów cechsztyńskiej serii solnej budującej wysad Kłodawy. Jednakże prawdopodobieństwo nacięcia stref zagrożeń można zasadniczo ograniczyć, rozpoznając szczegółowo budowę geologiczną złoża i na jej podstawie odpowiednio projektując ciągi technologiczne. Niezbędna jest do tego bardzo dobra znajomość litostratygrafii cechsztynu, gdyż jak wykazano, rozmieszczenie zjawisk gazodynamicznych powiązane jest ze strefami tektonicznymi, których rozciągłość można określić jedynie na podstawie obocznych kontaktów pomiędzy skałami solnymi różnego wieku i typu. Ciągłość tych stref w pionie i poziomie oraz zwiększona przewodność hydrauliczna wskazuje, iż ich identyfikacja może mieć również kluczową rolę nie tylko dla bezpiecznej eksploatacji soli w strukturze wysadowej, ale również dla stabilności i szczelności podziemnych magazynów węglowodorów i składowisk odpadów. Serdecznie dziękujemy Zarządowi Kopalni Soli Kłodawa za umożliwienie przeprowadzenia powyższych badań i udostępnienie materiałów archiwalnych. Prace badawcze częściowo finansowane były z funduszu na naukę w roku Stanisław Burliga, Emil Dumicz Literatura [1] Bąkowski J. 1962: Wytyczne dla obserwacji i dokumentowania zjawisk występowania gazów w Kopalni Soli Kłodawa, Archiwum Kopalni Soli Kłodawa S.A., Kłodawa, ss. 6. [2] Bąkowski J., Brańka S., Cybulski C. 1977: Zagrożenie wyrzutowe z uwzględnieniem wystąpień siarkowodoru (H2S) w górnictwie solnym PRL. Materiały z 9. Międzynarodowego Kolokwium. Mikołów. [3] Bąkowski J., Tokarski A. 1966: Wschodnia ściana Kłodawy jako element naftowo-poszukiwawczy. Zesz. Nauk. AGH 139, [4] Biały U. 1962: Przebadanie skał solonośnych oraz soli na zawartość gazów w poziomie 600 m Kopalni Soli Kłodawa, Archiwum Kopalni Soli Kłodawa S.A., Kłodawa, ss. 8. [5] Cybulski C. 1983: Nowsze poglądy na migrację bituminów wraz z próbą prognozowania zagrożenia wyrzutowego poprzez określenie aureoli kontaktowej na przykładzie pola 4 Kopalni Soli Kłodawa S.A. Materiały z prac Komisji, z. 7. Wałbrzych. [6] Kijewski P., Salski W. 1978: Cechsztyńska sól kamienna cyklotemu Z1 w południowo-zachodniej części monokliny przedsudeckiej. Geologia Sudetica 13, 1,

7 [7] Krause E., Kobiela Z. 2004: Ocena stanu zagrożenia gazowego oraz zagrożenia wyrzutami gazów i skał w Kopalni Soli Kłodawa z uwzględnieniem przestrzennego rozwoju eksploatacji, Kraków, Archiwum Kopalni Soli Kłodawa S.A. [8] Poborski J. 1971: Przewrót w poglądach na tektonikę wysadów solnych w Regionie Kujawskim. Materiały z kolokwium. Prace Inst. Min. i Złóż Sur. Min. AGH w Krakowie. [9] Werner Z., Poborski J., Orska J., Bąkowski J. 1960: Złoże solne w Kłodawie w zarysie geologiczno-górniczym. Prace Inst. Geol. 30, Tectonic arrangement of gas hazards in the Kłodawa Salt Structure Identification of gas hazards in salts structures is crucial for safe excavation of salt as well as for stability and impermeability of underground caverns. The studies carried in SW part of mining area within the Kłodawa Salt Mine indicate that the occurrence of gas hazards is controlled by lithology and tectonics, and that the gas-bearing zones make up continuous horizons over large sections of the salt structure. They are dominantly linked with the boundary of Zechtein 1 and 2 cyclothems (PZ1/PZ2) and along tectonic contacts between large scale fold structures. The potential gas hazard zones can be identified based on detailed mapping of lithostratigraphic units, which reveals the individual fold boundaries and the location of the PZ1/PZ2 boundary. Przekazano: 10 marca 2007 r. 173