Stratification Dynamics and Geothermal Potential of a Deep Shaft in the Flooded Wolf Mine, Siegerland/Germany

Abstract

Mine water hydraulics and geothermal potential of a deep shaft of the flooded Wolf mine in the Siegerland ore district of the Rhenish Massif in Germany were investigated. The electrical conductivity (EC), temperature, pH, and E_h were logged to 580 m below water table using multi-parameter borehole tools in 2009 and 2015. Some variations were detected, which were interpreted to indicate the inflow of water with almost the same temperature from the neighbouring San Fernando mine. Borehole camera observations showed that the deeper mine levels are directly connected to the shaft and are not blocked by natural or manmade barriers. The temperature was relatively uniform throughout the underground water catchment, but variations were found in pH and E_h. The EC profile was relatively uniform in 2009, but some anomalies were seen in 2015 between the depths of 80 and 220 m, indicating changes to the mine water dynamics. Stratification at a depth of 300 m was inferred from the investigation data. The logging results and calculations suggest that the mine could be exploited to supply sustainable geothermal energy. This flooded mine could supply up to a few gigawatt hours of energy per year, and could be used as an important source of low-carbon energy for heating and cooling nearby properties.

Zusammenfassung

In der gefluteten Grube Wolf im Erzrevier Siegerland im Rheinischen Massiv wurden in einem tiefen Schacht die Hydraulik und das geothermische Potential des Grubenwassers untersucht. In den Jahren 2009 und 2015 wurden mittels Multiparametersonde die elektrische Leitfähigkeit, die Temperatur, der pH-Wert und das Redoxpotential bis in eine Tiefe von 580 m unter dem Wasserspiegel gemessen. Dabei wurden kleine Unterschiede beobachtet und als Indikator für zuströmendes Wasser gleicher Temperatur aus der nahegelegenen Mine San Fernando interpretiert. Kontrollen mittels Bohrlochkamera zeigen, dass die Tiefbausohlen direkt mit dem Schacht verbunden und nicht durch natürliche oder künstliche Barrieren blockiert sind. Die Temperatur war im gesamten unterirdischen Einzugsgebiet relativ einheitlich. Unterschiede wurden jedoch für die Parameter pH-Wert und Redoxpotential beobachtet. In den Untersuchungen von 2009 waren die Profile der elektrischen Leitfähigkeit noch relativ einheitlich. Im Unterschied dazu wurden im Jahr 2015 in einer Tiefe zwischen 80 und 220 m Abweichungen in den Profilen gefunden. Anhand der Untersuchungsergebnisse wurde eine Schichtung in einer Tiefe von etwa 300 m beobachtet. Die Untersuchungsergebnisse legen nahe, dass die Grube zur geothermischen Energiegewinnung genutzt werden kann. Die geflutete Mine könnte bis zu einigen Gigawattstunden Energie pro Jahr liefern und als wichtige kohlenstoffarme Energiequelle zur Heizung und Kühlung nahegelegener Gebäude genutzt werden.

Resumen

Se investigaron la dinámica hidráulica del agua de mina y el potencial geotérmico de un pozo profundo de la inundada mina Wolf en el distrito minero de Siegerland del Macizo Renano en Alemania. La conductividad eléctrica (EC), la temperatura, el pH y el Eh se registraron a 580 m por debajo del nivel freático en 2009 y 2015. Se detectaron algunas variaciones, que se interpretaron como indicadores del flujo de entrada de agua con casi la misma temperatura de la mina vecina de San Fernando. Las observaciones de la cámara de pozo mostraron que los niveles más profundos de la mina están directamente conectados al pozo y no están bloqueados por barreras naturales o artificiales. La temperatura fue relativamente uniforme en toda la captación de agua subterránea pero se encontraron variaciones en pH y Eh. El perfil de la EC fue relativamente uniforme en 2009, pero se observaron algunas anomalías en 2015 entre las profundidades de 80 y 220 m, lo que indica cambios en la dinámica del agua de la mina. La estratificación a una profundidad de 300 m fue inferida de los datos de la investigación. Los resultados de los registros y los cálculos sugieren que la mina podría ser explotada para suministrar energía geotérmica sostenible. Esta mina inundada podría suministrar hasta unos pocos gigavatios de energía por año y podría utilizarse como una fuente importante de energía baja en carbono para calentar y enfriar propiedades cercanas.

抽象

研究了德国莱茵山区Siegerland矿区闭坑被淹wolf矿的深竖井的矿井水动力学特征和地热开发潜力。于2009年和2015年,使用多参数测井仪器监测了潜水面下580 m深处的电导率(EC)、温度、pH和Eh。监测参数的变异特征表明相邻的Fernando矿汇入了相同温度的矿井水。钻孔摄像显示矿井深部开采水平与竖井直接相联,并未为天然或人造屏障阻挡。整个地下集水区的水温相对均匀,但pH和Eh变异明显。2009年的电导率(EC)剖面相对均匀分布,但2015年的电导率(EC)剖面已在深度80m~220 m之间发现异常,预示着矿井水动力场发生改变。根据研究数据推断,矿井水在300m深发生了分层。测井和计算结果表明矿井可用作可持续的地热资源。这座闭坑淹井每年可供电达几个千兆瓦小时,也可以作为一种重要的低碳的加热和冷却能源。