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

Tief unter der Erde, wo das Gewicht der Erde mit erdrückender Kraft nach unten drückt, bergen Kohlenflöze oft riesige Mengen an natürlichem Gas. In diesen tiefen, unter hohem Druck stehenden Umgebungen ist die Kohle selbst so dicht gepackt, dass das Gas nicht frei an die Oberfläche fließen kann. Dies schafft eine gefährliche Situation für Bergleute, da eingeschlossenes Gas plötzlich in heftigen Explosionen, sogenannten Ausbrüchen, hervorbrechen kann. Um diese Katastrophen zu verhindern und das Gas sicher als Brennstoff zu gewinnen, müssen Ingenieure die Kohle zuerst aufbrechen, um Wege zu schaffen, auf denen das Gas entweichen kann. Herkömmliche Methoden zum Brechen von Gestein sind jedoch oft zu stumpf oder zu gefährlich für diese empfindlichen, gasreichen Schichten. Wissenschaftler suchen nach einem Weg, die Kohle effektiv zu spalten, ohne die mit konventionellen Sprengstoffen verbundenen Risiken einzugehen – sie suchen nach einer Methode, die stark genug ist, um das Gestein zu brechen, aber kontrolliert genug, um sicher für die Minenumgebung zu sein.

In einer aktuellen Studie untersuchten Forscher eines Kohlebergbauunternehmens und einer Universität in China eine Technik namens Flüssig-Kohlendioxid-Phasenübergangs-Frakturierung. Diese Methode verwendet ein spezielles Rohr, das mit flüssigem Kohlendioxid gefüllt ist. Wenn es erhitzt wird, verwandelt sich die Flüssigkeit schnell in ein Gas und dehnt sich mit enormer Kraft aus. Diese Ausdehnung baut den Druck im Inneren des Rohres auf, bis eine kleine, voreingestellte Metallscheibe am Ende des Rohres zerbricht. Sobald die Scheibe bricht, wird das Hochdruckgas schlagartig freigesetzt, was eine Schockwelle erzeugt, die die umgebende Kohle aufreißt. Die Forscher wollten genau wissen, wie weit diese Spaltwirkung reicht. Wenn sie die präzise Distanz wüssten, über die die Kraft wirkt, könnten sie ihre Bohrungen in den perfekten Abständen platzieren, um sicherzustellen, dass das gesamte Kohleareal frakturiert wird und das Gas effizient abgeführt werden kann, ohne Energie zu verschwenden oder gefährliche Gasnester unberührt zu lassen.

Um diese Frage zu beantworten, kombinierte das Team drei verschiedene Ansätze: mathematische Berechnungen, Computersimulationen und reale Tests in einem Tiefbauwerk. Zuerst berechneten sie die durch das Gerät freigesetzte Energie. Sie fanden heraus, dass die Stärke der Explosion von der Dicke der Metallscheibe abhängt, die den Druck zurückhält. Eine dickere Scheibe benötigt mehr Druck, um zu brechen, was zu einer kraftvolleren Freisetzung des Gases führt. Durch Messung der Dicke dieser Scheiben konnten die Forscher die exakte Menge der freigesetzten Energie bestimmen, ausgedrückt in der äquivalenten Masse eines Standardsprengstoffs namens TNT. Sie stellten fest, dass eine Änderung der Scheibendicke von 3,5 Millimetern auf 5,5 Millimeter die Energie von etwa dem Äquivalent von 117 Gramm TNT auf über 220 Gramm erhöhte.

Mit diesen Energiewerten in der Hand wandte sich das Team einer Computermodellierung zu, um zu visualisieren, was im Inneren der Kohle geschieht. Sie erstellich eine digitale Darstellung eines Kohleflözes und simulierten den Moment der Gasfreisetzung. Die Simulation zeigte, dass die Schockwelle von der Bohrung nach außen wandert und eine Zone intensiver Schädigung nahe der Quelle sowie ein größeres Gebiet mit kleineren Rissen weiter entfernt erzeugt. Die Computerergebnisse deuteten darauf hin, dass die signifikantesten Schäden innerhalb eines Radius von etwa 5 Metern auftreten, wo die Kohle gründlich zertrümmert wird. Jenseits dieser unmittelbaren Zone setzen sich die Risse fort, werden aber weniger dicht. Die Simulation legte nahe, dass bei einer kleineren Energieladung das effektive Gebiet, in dem die Kohle ausreichend gebrochen ist, sich etwa 15 Meter vom Bohrloch aus erstreckt. Als sie die Energieladung erhöhten, wuchs dieses effektive Gebiet auf nahezu 18 Meter an.

Um diese Computerprognosen zu verifizieren, brachten die Forscher ihre Methode in den tatsächlichen Bergbau, speziell in ein tiefes Streifenbauwerk im Bereich der Pingdingshan TianAn Kohleminen. Die Mine befindet sich fast 1.000 Meter unter der Erde, wo die Kohle unter immensem Druck steht und hohe Gasmengen enthält. Sie bohrten eine Reihe von Löchern und installierten die Flüssig-Kohlendioxid-Vorrichtungen. In einem Testlauf verwendeten sie eine Ladung, die dem Äquivalent von 300 Gramm TNT entspricht, und in einem anderen Test eine Ladung, die dem Äquivalent von 450 Gramm TNT entspricht. Nachdem sie die Ladungen ausgelöst hatten, überwachten sie den Gasfluss in nahegelegenen Entwässerungslöchern in verschiedenen Entfernungen, um zu sehen, wie sehr sich die Gasgewinnung verbessert hatte.

Die Feldtests bestätigten, dass die Technik funktioniert, aber die Ergebnisse in der Praxis waren sogar noch beeindruckender als die der Computermodelle. Bei Verwendung einer Ladung mit dem Äquivalent von 300 Gramm TNT beobachteten die Forscher, dass sich die Gasentwässerung in Löchern, die zwischen 16,59 und 23 Metern vom Frakturierungsloch entfernt lagen, signifikant verbesserte. Als sie die Ladung auf das Äquivalent von 450 Gramm erhöhten, weitete sich der effektive Bereich weiter aus und erreichte Distanzen zwischen 21,08 und 30,16 Metern. Das bedeutet, dass sie durch das bloße Hinzufügen eines weiteren Rohres mit flüssigem Kohlendioxid in das Loch den effektiven Einflussradius um etwa 30 Prozent steigerten. Die Daten zeigten, dass der Gasfluss in diesen Zonen dramatisch zunahm, was bewies, dass die Kohle erfolgreich aufgebrochen wurde, um das Gas entweichen zu lassen.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass für tiefe Kohleflöze mit geringer Permeabilität (Durchlässigkeit) die Verwendung einer höheren Energieladung die effektivste Strategie ist. Die Forscher empfehlen, die Bohrungen in einem Abstand von etwa 5 Metern zu platzieren und eine Ladung zu verwenden, die dem Äquivalent von 450 Gramm TNT entspricht. Diese Kombination stellt sicher, dass sich die Frakturzonen benachbarter Löcher überschneiden und so ein kontinuierliches Netzwerk von Rissen bilden, das eine maximale Gasentnahme ermöglicht. Während die Computersimulationen eine nützliche Untergrenze lieferten, zeigten die tatsächlichen Feldtests, dass die Technik in der Lage ist, ein viel größeres Gebiet zu beeinflussen als ursprünglich berechnet. Diese Erkenntnis bietet einen klaren, praktischen Leitfaden für Bergbauingenieure: Durch die Anpassung der Energie des Frakturierungsgeräts und des Abstands der Bohrungen können sie das in den tiefsten, schwierigsten Kohleschichten gefangene Gas sicher und effizient erschließen.