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

En las profundidades del subsuelo, donde el peso de la tierra presiona con una fuerza aplastante, las vetas de carbón suelen albergar grandes cantidades de gas natural. En estos entornos profundos y de alta presión, el propio carbón está tan densamente compactado que el gas no puede fluir libremente hacia la superficie. Esto crea una situación peligrosa para los mineros, ya que el gas atrapado puede estallar repentinamente en explosiones violentas conocidas como estallidos o "outbursts". Para prevenir estos desastres y extraer el gas de forma segura como fuente de combustible, los ingenieros deben primero romper el carbón para crear vías por las cuales el gas pueda escapar. Sin embargo, los métodos tradicionales para romper la roca suelen ser demasiado rudimentarios o peligrosos para estas delicadas capas ricas en gas. Los científicos han estado buscando una forma de fracturar el carbón de manera efectiva sin los riesgos asociados con los explosivos convencionales, buscando un método que sea lo suficientemente potente para agrietar la roca pero lo suficientemente controlado como para ser seguro en el entorno minero.

En un estudio reciente, investigadores de una empresa minera de carbón y una universidad en China investigaron una técnica llamada fracturación por transición de fase de dióxido de carbono líquido. Este método utiliza un tubo especializado lleno de dióxido de carbono líquido. Al calentarse, el líquido se convierte rápidamente en gas, expandiéndose con una fuerza tremenda. Esta expansión acumula presión dentro del tubo hasta que un pequeño disco metálico preestablecido al final del tubo se rompe. Una vez que el disco se rompe, el gas de alta presión se libera instantáneamente, creando una onda de choque que agrieta el carbón circundante. Los investigadores querían saber exactamente hasta dónde llega este efecto de agrietamiento. Si conocían la distancia precisa a la que viaja la fuerza, podrían colocar sus pozos de perforación a los intervalos perfectos para asegurar que toda el área de carbón sea fracturada y el gas pueda drenarse eficientemente, sin desperdiciar energía o dejar depósitos peligrosos de gas intactos.

Para responder a esta pregunta, el equipo combinó tres enfoques diferentes: cálculos matemáticos, simulaciones por computadora y pruebas en el mundo real en una mina profunda. Primero, calcularon la energía liberada por el dispositivo. Descubrieron que la fuerza de la explosión depende del grosor del disco metálico que retiene la presión. Un disco más grueso requiere más presión para romperse, lo que resulta en una liberación de gas más potente. Al medir el grosor de estos discos, los investigadores pudieron determinar la cantidad exacta de energía que se estaba liberando, expresándola en términos del peso equivalente de un explosivo estándar llamado TNT. Encontraron que cambiar el grosor del disco de 3.5 milímetros a 5.5 milímetros aumentó la energía de aproximadamente el equivalente a 117 gramos de TNT a más de 220 gramos de TNT.

Con estos valores de energía en mano, el equipo recurrió a un modelo computacional para visualizar qué sucede dentro del carbón. Crearon una representación digital de una veta de carbón y simularon el momento en que se libera el gas. La simulación mostró que la onda de choque viaja hacia afuera desde el agujero, creando una zona de daño intenso cerca de la fuente y un área más amplia de grietas menores más lejos. Los resultados de la computadora indicaron que el daño más significativo ocurre dentro de un radio de aproximadamente 5 metros, donde el carbón queda completamente destrozado. Más allá de esta zona inmediata, las grietas continúan extendiéndose, pero se vuelven menos densas. La simulación sugirió que con una carga de energía menor, el área efectiva donde el carbón está suficientemente roto se extiende unos 15 metros desde el agujero. Cuando aumentaron la carga de energía, esta área efectiva creció a casi 18 metros.

Para verificar estas predicciones computacionales, los investigadores llevaron su método a la mina real, específicamente a una vía profunda en el área de minería de carbón Pingdingshan TianAn. La mina se encuentra a casi 1,000 metros de profundidad, donde el carbón está bajo una presión inmensa y contiene altos niveles de gas. Perforaron una serie de pozos e instalaron los dispositivos de dióxido de carbono líquido. En un conjunto de pruebas, utilizaron una carga equivalente a 300 gramos de TNT, y en otro conjunto, utilizaron una carga equivalente a 450 gramos de TNT. Después de detonar las cargas, monitorearon el flujo de gas en pozos de drenaje cercanos a varias distancias para ver cuánto mejoró la extracción de gas.

Las pruebas de campo confirmaron que la técnica funciona, pero los resultados en el mundo real fueron incluso más impresionantes de lo que los modelos computacionales habían predicho. Al usar la carga equivalente a 300 gramos de TNT, los investigadores observaron que el drenaje de gas mejoró significamente en los pozos ubicados entre 16.59 y 23 metros de distancia del pozo de fracturación. Cuando aumentaron la carga a 450 gramos, el rango efectivo se expandió aún más, alcanzando distancias entre 21.08 y 30.16 metros. Esto significa que, simplemente añadiendo un tubo más de dióxido de carbono líquido al pozo, aumentaron el radio de influencia efectiva en aproximadamente un 30 por ciento. Los datos mostraron que el flujo de gas aumentó drásticamente en estas zonas, demostrando que el carbón había sido fracturado con éxito para permitir que el gas escape.

El estudio concluye que para vetas de carbón profundas con baja permeabilidad, utilizar una carga de energía más alta es la estrategia más efectiva. Los investigadores recomiendan colocar los pozos de perforación a unos 5 metros de distancia y utilizar una carga equivalente a 450 gramos de TNT. Esta combinación asegura que las zonas fracturadas de los pozos adyacentes se solapen, creando una red continua de grietas que permite el máximo drenaje de gas. Si bien las simulaciones por computadora proporcionaron una estimación de límite inferior útil, las pruebas de campo reales revelaron que la técnica es capaz de influir en un área mucho mayor de lo calculado inicialmente. Este hallazgo ofrece una guía clara y práctica para los ingenieros de minas: al ajustar la energía del dispositivo de fracturación y el espaciamiento de los pozos, pueden desbloquear de forma segura y eficiente el gas atrapado en las vetas de carbón más profundas y difíciles.