Petrophysical and geomechanical characterization of coal-bearing strata in the Upper Silesian Coal Basin based on well logs and core data
DOI:
https://doi.org/10.7494/geol.2026.52.2.109Keywords:
well log interpretation, petrophysical parameters, elastic moduli, 1D modeling, coal basins, lithological interpretationAbstract
Reducing methane emissions from hard coal mining and optimizing its utilization are currently key objectives in the Polish energy transition. This study aims to support these efforts by identifying methane accumulation zones and potential migration pathways and assessing the stability of the rock mass. We present an integrated petrophysical and geomechanical analysis based on geophysical wireline logs calibrated with laboratory measurements from six deep surface and underground boreholes in the Upper Silesian Coal Basin (USCB), one of Europe’s most important coal-bearing regions. The analysis includes the estimation of porosity, permeability, bulk density, Young’s modulus, Poisson’s ratio, and compressive and tensile strength, with attention to lithological heterogeneity. Rock types were classified using cross-plotting and statistical tagging techniques, enabling the definition of five major rock types: coal, shale-coal, sandstone, shaly sandstones, and mudstone. Permeability was calculated from porosity using empirical formulas calibrated with core data. Elastic parameters were derived from acoustic and density logs, then corrected to static values using laboratory data. The results reveal that coal rock exhibits the highest permeability, despite having moderate porosity, while sandstones show low permeability due to compaction and cementation. This well log-scale parametric model forms the basis for spatial modeling to optimize methane drainage borehole trajectories and improve gas capture efficiency. The integrated methodology supports safer mining operations and more effective emission control, and informs future CO2 storage strategies in post-mining coal seams.
Downloads
References
Baran P., Zarębska K., Krzystolik P., Hadro J. & Nunn A., 2014. CO2-ECBM and CO2 sequestration in Polish coal seam – Experimental study. Journal of Sustainable Mining, 13(2), 22–29. https://doi.org/10.7424/jsm140204.
Bukowska M., 2002. Geomechanical properties of rocks from the rockburst hazard point of view. Archives of Mining Sciences, 47(2), 111–138.
Bukowska M., 2003. Własności pokrytyczne skał karbońskich Górnośląskiego Zagłębia Węglowego w warunkach zmiennych prędkości odkształcenia i ciśnień okólnych [Post-critical properties of Carboniferous rocks in the Upper Silesian Coal Basin under varying strain rate and confining pressure conditions]. Archives of Mining Sciences, 48(4), 561–575.
Bukowska M., 2006. The probability of rockburst occurrence in the Upper Silesian Coal Basin area dependent on natural mining conditions. Journal of Mining Science, 42(6), 570–577. https://doi.org/10.1007/s10913-006-0101-0.
Bukowska M. & Gawryś J., 2010. Właściwości fizyczne węgli GZW w aspekcie wyrzutów gazów i skał [Physical properties of coals in the Upper Silesian Coal Basin in the aspect of coal and methane outbursts]. Górnictwo i Geoinżynieria, 34(2), 121–129.
Bukowska M., Sanetra U. & Wadas M., 2012. Chronostratigraphic and depth variability of porosity and strength of hard coals of Upper Silesian Basin. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, 28(4), 151–166.
Bukowska M., Sanetra U. & Wadas M., 2016. Zonation of deposits of hard coals of different porosity in the Upper Silesian Coal Basin. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, 32(1), 5–24. https://doi.org/10.1515/gospo-2016-0009.
Buła Z., Habryn R., Jachowicz-Zdanowska M. & Żaba J., 2015. The Precambrian and Lower Paleozoic of the Brunovistulicum (eastern part of the Upper Silesian Block, southern Poland) – The state of the art. Geological Quarterly, 59(1), 123–134. https://doi.org/10.7306/gq.1203.
Buła Z. & Żaba J., 2008. Struktura prekambryjskiego podłoża wschodniej części bloku górnośląskiego (Brunovistulicum) [Structure of the Precambrian basement of the eastern part of the Upper Silesian block (Brunovistulicum)]. Przegląd Geologiczny, 56(6), 473–480.
Castagna J.P., Batzle M.L. & Eastwood R.L., 1985. Relationships between compressional-wave and shear-wave velocities in clastic silicate rocks. Geophysics, 50(4), 571–581. https://doi.org/10.1190/1.1441933.
Castagna J.P., Batzle M.L. & Kan T.K., 1993. Rock physics: the link between rock properties and AVO response. [in:] Castagna J.P. & Backus M.M. (eds.), Offset-Dependent Reflectivity: Theory and Practice of AVO Analysis, Society of Exploration Geophysicists, 135–171.
Ceglarska-Stefańska G., Stachurski J. & Vogt E., 1995. Porosity of the Polish hard coals. Archives of Mining Sciences, 40(3), 303–315.
Chang C., Zoback M.D. & Khaksar A., 2006. Empirical relations between rock strength and physical properties in sedimentary rocks. Journal of Petroleum Science and Engineering, 51(3–4), 223–237. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2006.01.003b
Chudek M., Duży S., Kleta H., Kłeczek Z., Stoiński K. & Zorychta A., 2000. Zasady doboru i projektowania obudowy wyrobisk korytarzowych i ich połączeń w zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
Dembowski Z., 1972. Ogólne dane o Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. [in:] Rühle W. (red.), Karbon Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, Prace – Instytut Geologiczny, 61, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa, 9–22.
Doveton J.H., 1994. Geologic Log Analysis Using Computer Methods (2nd ed.). AAPG Computer Applications in Geology, 2, American Association of Petroleum Geologists, Tulsa.
Drzęźla B., Mendera Z., Barchan A., Głąb L. & Schinohl J., 2000. Obudowa górnicza: zasady projektowania i doboru obudowy wyrobisk korytarzowych w zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny. Wydawnictwo Górnicze, Katowice.
Dubiński J., Stec K. & Bukowska M., 2019. Geomechanical and tectonophysical conditions of mining-induced seismicity in the Upper Silesian Coal Basin in Poland: A case study. Archives of Mining Sciences, 64(1), 163–180. https://doi.org/10.24425/ams.2019.126278.
Fisher R.A., 1936. The use of multiple measurements in taxonomic problems. Annals of Eugenics, 7(2), 179–188. https://doi.org/10.1111/j.1469-1809.1936.tb02137.x.
Fryanov V.N., 2018. Geomechanical substantiation of technology parameters for coal mining in interaction zone of longwall face and gate roadway. Journal of Mining Science, 54(6), 906–914. https://doi.org/10.1134/S1062739118065047.
Fu X., Qin Y., Wang G.G.X. & Rudolph R., 2009. Evaluation of coal structure and permeability with the aid of geophysical logging technology. Fuel, 88(11), 2278–2285. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2009.05.018.
Jura D., 2001. Morfotektonika i ewolucja różnowiekowej niezgodności w stropie utworów karbonu Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Prace Naukowe Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, 1952, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice.
Jureczka J., 1988. Nowe dane o charakterystyce litostratygraficznej kontaktu serii paralicznej i górnośląskiej serii piaskowcowej karbonu zachodniej części GZW. [in:] Lipiarski I. (red.), XI sympozjum: Geologia formacji węglonośnych Polski: Formacja karbońska, Kraków, 20–22 kwietnia 1988: Materiały, Wydawnictwo AGH, Kraków, 41–46.
Jureczka J. & Nowak G.J., 2016. Polskie zagłębia węgla kamiennego – przegląd informacji i badań geologicznych. Przegląd Geologiczny, 64(9), 617–630.
Kawęcka J., 1988. Struktura porowata węgli kamiennych. [in:] Lasoń M. (red.), Sorpcja gazów i par a własności polskich węgli kamiennych jako układów dyspersyjnych. Cz. 1, Zeszyty naukowe Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica, 1212, Chemia, 8, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, 69–88.
Kędzior S., 2012. Przystropowa strefa gazonośna w utworach karbonu południowej części GZW – występowanie, parametry zbiornikowe węgla oraz możliwości pozyskania metanu. Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice.
Kotas A., 1982. Zarys budowy geologicznej Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. [in:] Różkowski A. & Ślósarz J. (red.), Przewodnik LIV Zjazdu Polskiego Towarzystwa Geologicznego, Sosnowiec, 23–25 września 1982, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa, 45–72.
Kotas A. & Malczyk W., 1972. Seria paraliczna piętra namuru dolnego Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. [in:] Rühle W. (red.), Karbon Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, Prace – Instytut Geologiczny, 61, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa, 329–411.
Krzanowska A., 2002. Dodatek nr 1 do dokumentacji geologicznej złoża węgla kamiennego Pawłowice w kat. C1, C2. CAG Państwowy Instytut Geologiczny [unpublished].
Li D., Wang E., Kong X., Ali M. & Wang D., 2019. Mechanical behaviors and acoustic emission fractal characteristics of coal specimens with a pre-existing flaw of various inclinations under uniaxial compression. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 116, 38–51. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2019.03.022.
Majkrzak M., 2019. Wpływ zmian wybranych parametrów pokładu węgla kamiennego na przebieg i efektywność procesu eksploatacji metanu. Nafta-Gaz, 75(5), 254–264. https://doi.org/10.18668/NG.2019.05.03.
Małkowski P. & Niedbalski Z., 2024. The meaning of average compressive and tensile strength for Hoek–Brown mi constant determination. Archives of Mining Sciences, 69(3), 485–508. https://doi.org/10.24425/ams.2024.151447.
Murariu G., Dinca L. & Munteanu D., 2025. Trends and applications of principal component analysis in forestry research: A literature and bibliometric review. Forests, 16(7), 1155. https://doi.org/10.3390/f16071155.
Moska R. & Kędzior S., 2015. Możliwości występowania niekonwencjonalnych akumulacji gazu ziemnego w serii mułowcowej na terenie GZW. Nafta-Gaz, 71(10), 729–736.
Pearson K., 1901. On lines and planes of closest fit to systems of points in space. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 2(11), 559–572. https://doi.org/10.1080/14786440109462720.
Probierz K., Marcisz M. & Sobolewski A., 2012. Rozpoznanie warunków geologicznych występowania węgla koksowego w rejonie Jastrzębia dla potrzeb projektu „Inteligentna koksownia” [The recognition of geological conditions of coking coal occurrence in the Jastrzębie area for the project: Smart coke plant fulfilling requirements of best available techniques]. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego, 452, 245–256.
Prusek S., Krause E. & Skiba J., 2020. Designing coal panels in the conditions of associated methane and spontaneous fire hazards. International Journal of Mining Science and Technology, 30(4), 525–531. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2020.05.015.
Ranjith P.G. & Perera M.S.A., 2012. Effects of cleat performance on strength reduction of coal in CO2 sequestration. Energy, 45(1), 1069–1075. https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.05.041.
Rybacki E., Reinicke A., Meier T., Makasi M. & Dresen G., 2015. What controls the mechanical properties of shale rocks? – Part I: Strength and Young’s modulus. Journal of Petroleum Science and Engineering, 135, 702–722. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2015.10.028.
Singh B., Jethwa J.L. & Dube A.K., 1995. A classification system for support pressure in tunnels and caverns. Journal of Rock Mechanics and Tunnelling Technology, 1, 13–24.
Słoczyński T., Drozd A. & Sowiżdżał K., 2017. Ocena potencjału zasobowego CBM (coal bed methane) oraz możliwości występowania akumulacji gazu ziemnego typu tight w formacjach piaskowcowo-mułowcowych GZW. Nafta-Gaz, 73(10), 711–722. https://doi.org/10.18668/NG.2017.10.03.
Sobczyk E.J. 2022. Uciążliwość eksploatacji złóż węgla kamiennego wynikająca z warunków geologicznych i górniczych [Onerousness of hard coal mining resulting from geological and mining conditions]. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków.
Song J., Liu Y., Luo Y., Yang F. & Hu D., 2024. Effect of lateral confining pressure on shale’s mechanical properties and its implications for fracture conductivity. Applied Sciences, 14(13), 5825. https://doi.org/10.3390/app14135825.
Srinaiah J., Raju D., Udayalaxmi G. & Ramadass G., 2017. Application of well logging techniques for identification of coal seams: A case study of Auranga Coalfield, Latehar District, Jharkhand State, India. Journal of Geology & Geophysics, 7(1), 322. https://doi.org/10.4172/2381-8719.1000322.
Strugała A., 2001. Porowatość węgli bitumicznych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, 17(2), 5–17.
Wood D.A. & Cai J., 2022. Coal-bed methane reservoir characterization using well-log data. [in:] Wood D.A. & Cai J. (eds.), Sustainable Geoscience for Natural Gas Subsurface Systems, The Fundamentals and Sustainable Advances in Natural Gas Science and Engineering, 2, Gulf Professional Publishing, 243–274. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85465-8.00006-6.
Wood G.H., Kehn T.M., Carter M.D. & Culbertson W.C., 1983. Coal Resource Classification System of the U.S. Geological Survey. U.S. Geological Survey Circular, 891, U.S. Geological Survey, Denver, Co. https://doi.org/10.3133/cir891.
Wójcicki A. & Jureczka J., 2010. Rozpoznanie formacji i struktur do bezpiecznego geologicznego składowania CO2 wraz z ich programem monitorowania. Raport merytoryczny nr 3: Segment I, rejon GZW. https://skladowanie.pgi.gov.pl/twiki/pub/CO2/WynikiPrac/I-0-wst%EAp.pdf [access: 12.05.2026].
Xie H., Zhang L., Sun X., Wang X. & Cao Y., 2023. Tensile failure characteristics of coal and its 3D cohesive zone model. Geotechnical and Geological Engineering, 41(4), 2299–2312. https://doi.org/10.1007/s10706-023-02398-5.
Ye Y., 2025. A comprehensive review of principal component analysis. Academic Journal of Science and Technology, 17(1), 224–227. https://doi.org/10.54097/5 mmrkr11.
Zarębska K. & Ceglarska-Stefańska G., 2006. The kinetics of sorption of CO2 and CH₄ mixtures with regard to possibility of CO2 sequestration in the coal seams. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, 22(3), 301–309.
Downloads
Published
Issue
Section
License
Authors have full copyright and property rights to their work. Their copyrights to store the work, duplicate it in printing (as well as in the form of a digital CD recording), to make it available in the digital form, on the Internet and putting into circulation multiplied copies of the work worldwide are unlimited.
The content of the journal is freely available according to the Creative Commons License Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
