Research and applications of gas distribution space form under the synergistic effect of injection and extraction in goaf of high gas and thick coal seam

في أعماق الأرض، حيث تكون طبقات الفحم سميكة وغنية، يكمن خطر خفي عانى منه عمال المناجم لقرون: تراكم الغاز المتفجر غير المرئي. فعندما يتم تعدين طبقة فحم، ينهار السقف فوقها، مما يخلق مساحة شاسعة وفوضوية مليئة بالصخور المكسورة والحطام تُعرف باسم "الغوّاف" (goaf). هذا الحطام ليس صلباً، بل هو إسفنجة مسامية من الفجوات والشقوق حيث يتسرب الغاز، وبشكل أساسي الميثان، من الصخور والفحم المحيط. ولأن هذا الغاز أخف من الهواء، فإنه يرتفع طبيعياً ويمكن أن ينحصر في جيوب بالقرب من السقف أو في الزوايا العلوية لمنطقة العمل. وإذا تراكم قدر كافٍ من هذا الغاز والتقى بشرارة، فقد يتسبب في انفجار كارثي. لعقود من الزمن، حاول المهندسون حل هذه المشكلة عن طريق سحب الغاز باستخدام مضخات قوية، ولكن في طبقات الفحم الضخمة والسميكة، غالباً ما يختبئ الغاز في جيوب عميقة يصعب الوصول إليها لا تستطيع المضخات القياسية إزالتها بفعالية.

ولمعالجة هذه المشكلة المستمرة، لجأ فريق من الباحثين من جامعة شيان للعلوم والتكنولوجيا ومؤسسات أخرى في الصين إلى استراتيجية مختلفة: فبدلاً من مجرد محاولة سحب الغاز للخارج، قرروا دفعه. لقد بحثوا في طريقة تجمع بين إجراءين: حقن غاز النيتروجين في المنجم وسحب الخليط في الوقت نفسه باستخدام مضخة تفريغ. والنيتروجين غاز خامل، مما يعني أنه لا يحترق ولا ينفجر، وهو أثقل من الميثان. ومن خلال ضخ النيتروجين في أسفل منطقة الصخور المنهارة، هدف الباحثون إلى إنشاء تيار صاعد من شأن أن يزيح الميثان الأخف وزناً، مما يدفعه للأعلى وبعيداً عن العمال في الأسفل. وكان الهدف هو فهم كيفية عمل هاتين القوتين معاً — دفع النيتروجين وسحب التفريغ — لتحريك الغاز عبر المساحة المعقدة المملوءة بالحطام تحت الأرض.

بنى الباحثون نموذجاً رقمياً مفصلاً لـ "غوّاف" منجم نموذجي، يمثل مساحة يبلغ ارتفاعها حوالي 400 متر، وعرضها 300 متر، وطولها 130 متراً، مليئة بالصخور المكسورة. وفي هذه البيئة الافتراضية، قاموا بمحاكاة حقن النيتروجين بسرعات مختلفة وسحب الغاز بقوى شفط مستويات مختلفة. ووجدوا أن السرعة التي يُحقن بها النيتروجين هي العامل الأكثر حرجاً. فعندما يتم ضخ النيتروجين ببطء، فإنه يكاد لا يحرك الغاز. ومع ذلك، مع زيادة معدل التدفق، يعمل النيتروجين مثل مدٍ صاعد، يدفع بعمق داخل الحطام ويزيح الميثان. كان هذا الإزاحة فعالة للغاية لدرجة أنها زادت من نطاق حركة الغاز بنسبة تزيد عن 30 بالمائة. فالنيتروجين الأثقل استقر في الأسفل، مكوناً وسادة أجبرت الميثان الأخف على الطفو إلى أعلى نقطة في مساحة المنجم. وهناك، تراكم الغاز في شكل يشبه القبة، بعيداً عن وجه العمل حيث يعمل المنقبون.

وبينما كان حقن النيتروجين يحرك الغاز، كانت مضخة التفريغ ضرورية لالتقاطه. واكتشف الباحثون أن مجرد زيادة قوة الشفط لا يساعد دائماً؛ فإذا كان الشفط قوياً جداً، فقد يسحب النيتروجين خارج المنجم قبل أن تتاح له الفرصة للقيام بمهمته في إزاحة الميثان. والمفتاح يكمن في إيجاد التوازن الصحيح. وباستخدام نهج رياضي يسمى "تحسين سطح الاستجابة"، حدد الفريق مجموعة محددة من الإعدادات التي تعمل بشكل أفضل: سرعة حقن نيتروجين تبلغ 1.20 متر في الثانية مقترنة بضغط استخراج قدره 20 كيلوباسكال. عند هذا الإعداد المحدد، دفع النيتروجين الغاز بعمق في المنجم، وقام التفريغ بسحب الخليط بكفاءة، مما منع الغاز من العلوق في جيوب خطيرة. وأظهر النموذج أن هذا المزيج يمكن أن يقلل تركيز الغاز بشكل كبير أكثر من استخدام أي من الطريقتين بمفردهما.

ولإثبات أن هذا الحل الرقمي يعمل في العالم الحقيقي، طبق الفريق هذه النتائج في منجم فحم في شينجيانغ. فقد قاموا بتثبيت نظام يحقن النيتروجن ويستخرج الغاز باستخدام الإعدادات المثلى التي اكتشفوها. وعلى مدار 80 يوماً، راقبوا النتائج وقارنوها بالأداء السابق للمنجم. أظهرت البيانات تحسناً واضحاً: زادت كمية الغاز النقي المستخرج بنسبة 36 بالمائة. والأهم من ذلك، ظل النظام مستقراً بمرور الوقت. فحتى بعد شهرين من التشغيل، ظل حجم الاستخراج ثابتاً باستمرار فوق 50 متراً مكعباً في الدقيقة، وهو مستوى كان من الصعب الحفاظ عليه بالطرق التقليدية. لقد نجح النيتروجين في دفع الغاز من المناطق العميقة والخفية في المنجم، وحافظت مضخة التفريغ على سلامة الهواء في منطقة العمل.

تخلص الدراسة إلى أن طريقة "الدفع والسحب" هذه توفر وسيلة موثوقة لإدارة الغاز في أكثر ظروف التعدين تحدياً. فمن خلال فهم كيفية تفاعل حقن النيتروجين مع ضغط التفريغ، يمكن للمهندسين الآن التنبؤ بدقة بكيفية ضبط معداتهم للحفاظ على سلامة المناجم. وتوضح الأبحاث أنه من خلال المطابقة الدقيقة بين سرعة الحقن وقوة الاستخراج، من الممكن إزالة الغاز من أعمق أجزاء المنجم وتوجيهه بأمان إلى السطح. ولا يزيل هذا النهج الخطر المباشر فحسب، بل يوفر أيضاً طريقة منهجية لمنع تراكم الغاز إلى مستويات حرجة مرة أخرى، مما يقدم حلاً عملياً للتعدين الآمن لطبقات الفحم السميكة والغنية بالغاز.