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

Tief unter der Erde, wo die Kohlenflöze dick und reichhaltig sind, liegt eine verborgene Gefahr, die Bergleute seit Jahrhunderten plagt: die Ansammlung von unsichtbarem, explosivem Gas. Wenn ein Kohleflöz abgebaut wird, stürzt die darüber liegende Decke ein und schafft einen riesigen, chaotischen Raum, der mit zerbrochenem Gestein und Schutt gefüllt ist, bekannt als Gebirgsschutt oder „Goaf“. Dieser Schutt ist nicht massiv, sondern ein poröser Schwamm aus Lücken und Rissen, aus dem Gas, primär Methan, aus dem umliegenden Gestein und der Kohle austritt. Da dieses Gas leichter als Luft ist, steigt es natürlicherweise auf und kann sich in Taschen nahe der Decke des Stollens oder in den oberen Ecken des Arbeitsbereichs ansammeln. Wenn sich genug dieses Gases ansammelt und auf einen Funken trifft, kann dies eine katastrophale Explosion verursachen. Seit Jahrzehnten versuchen Ingenieure, dieses Problem zu lösen, indem sie das Gas mit leistungsstarken Pumpen absaugen, aber in massiven, dicken Kohleflözen versteckt sich das Gas oft in tiefen, schwer erreichbaren Taschen, die Standardpumpen nicht effektiv leeren können.

Um dieses hartnäckige Problem anzugehen, wandte sich ein Team von Forschern der Xi'an University of Science and Technology und anderer Institutionen aus China einer anderen Strategie zu: Anstatt nur zu versuchen, das Gas abzusaugen, beschlossen sie, es zu drücken. Sie untersuchten eine Methode, die zwei Aktionen kombiniert: das Injizieren von Stickstoffgas in den Stollen und das gleichzeitige Absaugen der Mischung mit einer Vakuumpumpe. Stickstoff ist ein inertes Gas, was bedeutet, dass er nicht brennt oder explodiert, und er ist schwerer als Methan. Durch das Pumpen von Stickstoff in den unteren Teil der zerbrochenen Gesteinszone wollten die Forscher einen aufsteigenden Strom erzeugen, der das leichtere Methan verdrängt und es nach oben sowie weg von den Arbeitern unterhalb wegdrückt. Das Ziel war es zu verstehen, wie genau diese beiden Kräfte – der Druck des Stickstoffs und der Sog des Vakuums – zusammenwirken, um das Gas durch den komplexen, mit Schutt gefüllten unterirdischen Raum zu bewegen.

Die Forscher erstellten ein detailliertes digitales Modell eines typischen Bergbau-Goafs, das einen Raum von etwa 400 Metern Höhe, 300 Metern Breite und 130 Metern Länge darstellt, der mit zerbrochenem Gestein gefüllt ist. In dieser virtuellen Umgebung simulierten sie die Injektion von Stickstoff bei verschiedenen Geschwindigkeiten und die Extraktion von Gas bei unterschiedlichen Saugstärken. Sie fanden heraus, dass die Geschwindigkeit, mit der der Stickstoff injiziert wurde, der kritischste Faktor war. Wenn der Stickstoff langsam hineingepumpt wurde, bewegte er das Gas kaum. Doch als die Durchflussrate zunahm, wirkte der Stickstoff wie eine steigende Flut, die tief in den Schutt drang und das Methan verdrängte. Diese Verdrängung war so effektiv, dass sie den Bereich der Gasbewegung um mehr als 30 Prozent vergrößerte. Der schwerere Stickstoff setzte sich unten ab und bildete ein Kissen, das das leichtere Methan dazu zwang, bis ganz nach oben in den Minenraum zu schweben. Dort sammelte sich das Gas in einer kuppelförmigen Gestalt an, weit entfernt von der Arbeitsfront, an der die Bergleute arbeiten.

Während die Stickstoffinjektion das Gas bewegte, wurde die Vakuumpumpe benötigt, um es aufzufangen. Die Forscher entdeckten, dass eine bloße Erhöhung der Saugkraft nicht immer half; wenn der Sog zu stark war, konnte der Stickstoff aus dem Bergwerk gesaugt werden, bevor er seine Aufgabe der Methanverdrängung erfüllen konnte. Der Schlüssel lag darin, das richtige Gleichgewicht zu finden. Durch einen mathematischen Ansatz namens Response-Surface-Optimierung identifizierte das Team eine spezifische Kombination von Einstellungen, die am besten funktionierte: eine Stickstoffinjektionsgeschwindigkeit von 1,20 Metern pro Sekunde gepaart mit einem Extraktions-Saugdruck von 20 Kilopascal. Bei dieser spezifischen Einstellung drückte der Stickstoff das Gas tief in den Stollen, und das Vakuum zog die Mischung effizient ab, wodurch verhindert wurde, dass das Gas in gefährlichen Taschen stecken blieb. Das Modell zeigte, dass diese Kombination die Gaskonzentration deutlich stärker senken konnte als die Anwendung einer der beiden Methoden allein.

Um zu beweisen, dass diese digitale Lösung in der realen Welt funktionierte, wandte das Team diese Erkenntnisse auf eine Kohlemine in Xinjiang an. Sie installierten ein System, das Stickstoff injizierte und Gas unter Verwendung der entdeckten optimierten Einstellungen extrahierte. Über einen Zeitraum von 80 Tagen überwachten sie die Ergebnisse und verglichen sie mit der bisherigen Leistung der Mine. Die Daten zeigten eine klare Verbesserung: Die Menge des extrahierten Rein-Gases stieg um 36 Prozent. Noch wichtiger war, dass das System über die Zeit stabil blieb. Selbst nach zwei Monaten des Betriebs blieb das Extraktionsvolumen konstant über 50 Kubikmetern pro Minute – ein Niveau, das mit traditionellen Methoden schwer aufrechtzuerhalten war. Der Stickstoff drückte das Gas erfolgreich aus den tiefen, verborgenen Bereichen der Mine heraus, und die Vakuumpumpe hielt die Luft im Arbeitsbereich sicher.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese „Druck-und-Zug“-Methode einen zuverlässigen Weg bietet, das Gas unter den anspruchsvollsten Bergbaubedingungen zu managen. Durch das Verständnis dessen, wie Stickstoff und Vakuumdruck interagieren, können Ingenieure nun genau vorhersagen, wie sie ihre Ausrüstung einstellen müssen, um die Minen sicher zu halten. Die Forschung zeigt, dass es durch die sorgfältige Abstimmung der Injektionsgeschwindigkeit mit der Stärke der Extraktion möglich ist, das Gas aus den tiefsten Teilen einer Mine zu klären und es sicher zur Oberfläche zu leiten. Dieser Ansatz beseitigt nicht nur die unmittelbare Gefahr; er bietet eine systematische Möglichkeit, die Entstehung von Gas überhaupt erst zu verhindern, bevor es kritische Werte erreicht, und bietet somit eine praktische Lösung für den sicheren Abbau in dicken, gasreichen Kohleflözen.