Study on effective influence radius of liquid CO2 phase transition fracturing in high drainage roadway of deep coal seam

في أعماق الأرض، حيث يضغط وزن الأرض بقوة ساحقة، غالبًا ما تحتجز طبقات الفحم كميات هائلة من الغاز الطبيعي. في هذه البيئات العميقة وعالية الضغط، يكون الفحم نفسه متراصًا بإحكام شديد لدرجة أن الغاز لا يمكنه التدفق بحرية إلى السطح. وهذا يخلق وضعًا خطيرًا للمناجم، حيث يمكن للغاز المحبوس أن ينفجر فجأة في انفجارات عنيفة تُعرف باسم "الاندفاعات". ولمنع هذه الكوارث واستخراج الغاز بأمان كمصدر للوقود، يجب على المهندسين أولاً تفتيت الفحم لإنشاء مسارات تسمح للغاز بالهروب. ومع ذلك، فإن الطرق التقليدية لتفتيت الصخور غالبًا ما تكون خشنة للغاية أو خطيرة للتعامل مع هذه الطبقات الغنية بالغاز والحساسة. وقد بحث العلماء عن وسيلة لتفتيت الفحم بفعالية دون المخاطر المرتبطة بالمتفجرات التقليدية، بحثًا عن طريقة قوية بما يكفي لكسر الصخر ولكنها محكومة بما يكفي لتكون آمنة لبيئة المنجم.

في دراسة حديثة، استقصى باحثون من شركة تعدين فحم وجامعة في الصين تقنية تسمى "تفتيت انتقال طور ثاني أكسيد الكربون السائل". تستخدم هذه الطريقة أنبوبًا متخصصًا مملوءًا بثاني أكسيد الكربون السائل. فعند تسخينه، يتحول السائل بسرعة إلى غاز، ويتمدد بقوة هائلة. هذا التمدد يبني ضغطًا داخل الأنبوب حتى يتحطم قرص معدني صغير محدد مسبقًا في نهاية الأنبوب. وبمجرد كسر القرص، ينطلق الغاز عالي الضغط فورًا، مما يخلق موجة صدمة تشقق الفحم المحيط. أراد الباحثون معرفة مدى وصول تأثير التكسير هذا بدقة. فإذا عرفوا المسافة الدقيقة التي تصل إليها القوة، يمكنهم وضع ثقوب الحفر بمسافات مثالية لضمان تفتيت منطقة الفحم بأكملها وتصريف الغاز بكفاءة، دون إهدار الطاقة أو ترك جيوب خطيرة من الغاز دون معالجة.

للإجابة على هذا السؤال، دمج الفريق بين ثلاثة نهج مختلفة: الحسابات الرياضية، والمحاكاة الحاسوبية، والاختبارات الواقعية في منجم عميق. أولاً، قاموا بحساب الطاقة المنبعثة من الجهاز. ووجدوا أن قوة الانفجار تعتمد على سمك القرص المعدني الذي يحجز الضغط. فالقرص الأكثر سمكًا يتطلب ضغطًا أكبر لكسره، مما يؤدي إلى إطلاق أكثر قوة للغاز. ومن خلال قياس سمك هذه الأقراص، تمكن الباحثون من تحديد كمية الطاقة المنبعثة بالضبط، والتعبير عنها بما يعادل وزن متفجر قياسي يسمى "TNT". ووجدوا أن تغيير سمك القرص من 3.5 مليمتر إلى 5.5 مليمتر زاد الطاقة من ما يعادل 117 جرامًا تقريبًا من الـ TNT إلى أكثر من 220 جرامًا.

ومع هذه القيم الطاقية في أيديهم، توجه الفريق إلى نموذج حاسوبي لتصور ما يحدث داخل الفحم. قاموا بإنشاء تمثيل رقمي لطبقة فحم وحاكات لحظة إطلاق الغاز. أظهرت المحاكاة أن موجة الصدمة تنتقل نحو الخارج، مما يخلق منطقة من الضرر الشديد بالقرب من المصدر ومنطقة أوسع من الشقوق الأصغر بعيدًا عنه. أشارت نتائج الكمبيوتر إلى أن الضرر الأكثر أهمية يحدث ضمن نصف قطر يبلغ حوالي 5 أمتار، حيث يتم تفتيت الفحم تمامًا. وخلف هذه المنطقة المباشرة، تستمر الشقوق في الانتشار، لكنها تصبح أقل كثافة. واقترحت المحاكاة أنه مع شحنة طاقة أصغر، تمتد المنطقة الفعالة حيث يتم تفتيت الفحم بشكل كافٍ حوالي 15 مترًا من الثقب. وعندما زادوا شحنة الطاقة، نمت هذه المنطقة الفعالة لتصل إلى ما يقرب من 18 مترًا.

وللتحقق من هذه التوقعات الحاسوبية، نقل الباحثون طريقتهم إلى المنجم الفعلي، وتحديدًا إلى طريق عميق في منطقة "بينغدينغشان تيان آن" للتعدين. يقع هذا المنجم على عمق يقتر de 1,000 متر تحت الأرض، حيث يقع الفحم تحت ضغط هائل ويحتوي على مستويات عالية من الغاز. قاموا بحفر سلسلة من الثقوب وثبتوا أجهزة ثاني أكسيد الكربون السائل. في إحدى مجموعات الاختبارات، استخدموا شحنة تعادل 300 جرام من الـ TNT، وفي مجموعة أخرى، استخدموا شحنة تعادل 450 جرامًا من الـ TNT. وبعد إطلاق الشحنات، راقبوا تدفق الغاز في ثقوب التصريف القريبة على مسافات مختلفة لمعرفة مدى تحسن تصريف الغاز.

أكدت الاختبارات الميدانية أن التقنية تعمل، لكن النتائج الواقعية كانت أكثر إثارة للإعجاب مما توقعته النماذج الحاسوبية. فعند استخدام شحنة تعادل 300 جرام من الـ TNT، لاحظ الباحثون أن تصريف الغاز تحسن بشكل ملحوظ في الثقوب الواقعة على مسافة تتراوح بين 16.59 و23 مترًا من ثقب التفتيت. وعندما زادوا الشحنة إلى 45الـ 450 جرامًا، توسع النطاق الفعال أكثر، ليصل إلى مسافات تتراوح بين 21.08 و30.16 مترًا. وهذا يعني أنه بمجرد إضافة أنبوب واحد آخر من ثاني أكسيد الكربون السائل إلى الثقب، فقد زادوا نصف قطر التأثير الفعال بنسبة 30 بالمائة تقريبًا. وأظهرت البيانات أن تدفق الغاز زاد بشكل كبير في هذه المناطق، مما يثبت أنه قد تم تفتيت الفحم بنجاح للسماح للغاز بالهروب.

تخلص الدراسة إلى أنه بالنسبة لطبقات الفحم العميقة ذات النفاذية المنخفضة، فإن استخدام شحنة طاقة أعلى هو الاستراتيجية الأكثر فعالية. ويوصي الباحثون بوضع ثقوب الحفر على مسافة حوالي 5 أمتار من بعضها البعض واستخدام شحنة تعادل 450 جرامًا من الـ TNT. يضمن هذا المزيج تداخل مناطق التفتيت من الثقوب المتجاورة، مما يخلق شبكة مستمرة من الشقوق تسمح بأقصى قدر من تصريف الغاز. وبينما وفرت عمليات المحاكاة الحاسوبية تقديرًا مفيدًا للحد الأدنى، كشفت الاختبارات الميدانية الفعلية أن التقنية قادرة على التأثير في مساحة أكبر بكثير مما تم حسابه في البداية. تقدم هذه النتيجة دليلاً عمليًا واضحًا لمهندسي المناجم: فمن خلال ضبط طاقة جهاز التفتيت وتباعد الثقوب، يمكنهم بأمان وكفاءة فتح الغاز المحبوس في أعمق وأصعب طبقات الفحم.