Study on effective influence radius of liquid CO2 phase transition fracturing in high drainage roadway of deep coal seam
Cette étude intègre des méthodes théoriques, numériques et de terrain pour déterminer que la fracturation par transition de phase du CO2 liquide, avec une masse équivalente de 450 g de TNT, permet d'atteindre efficacement un rayon d'influence de 21,08 à 30,16 m dans les veines de charbon profondes, recommandant un espacement de forage de 5 m pour améliorer significativement l'extraction de gaz dans les environnements à haute teneur en gaz et faible perméabilité.
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Profondément sous terre, là où le poids de la terre exerce une pression écrasante, les veines de charbon renferment souvent de vastes quantités de gaz naturel. Dans ces environnements profonds et à haute pression, le charbon lui-même est si étroitement compacté que le gaz ne peut circuler librement vers la surface. Cela crée une situation dangereuse pour les mineurs, car le gaz piégé peut soudainement éclater en explosions violentes appelées dégagements de poussières ou de gaz (outbursts). Pour prévenir ces catastrophes et extraire le gaz en toute sécurité comme source de combustible, les ingénieurs doivent d'abord briser le charbon pour créer des voies permettant au gaz de s'échapper. Cependant, les méthodes traditionnelles de rupture de la roche sont souvent trop brutales ou dangereuses pour ces couches riches en gaz et délicates. Les scientifiques recherchent un moyen de fracturer le charbon efficacement sans les risques associés aux explosifs conventionnels, cherchant une méthode assez puissante pour fissurer la roche mais assez contrôlée pour être sûre dans l'environnement minier.
Dans une étude récente, des chercheurs d'une entreprise minière de charbon et d'une université en Chine ont étudié une technique appelée fracturation par transition de phase du dioxyde de carbone liquide. Cette méthode utilise un tube spécialisé rempli de dioxyde de carbone liquide. Lorsqu'il est chauffé, le liquide se transforme rapidement en gaz, se dilatant avec une force phénoménale. Cette expansion accumule la pression à l'intérieur du tube jusqu'à ce qu'un petit disque métallique pré-réglé à l'extrémité du tube se brise. Une fois le disque rompu, le gaz à haute pression est libéré instantanément, créant une onde de choc qui fissure le charbon environnant. Les chercheurs voulaient savoir exactement jusqu'où s'étend cet effet de fissuration. S'ils connaissaient la distance précise parcourue par la force, ils pourraient placer leurs trous de forage à des intervalles parfaits pour garantir que toute la zone de charbon soit fracturée et que le gaz puisse être drainé efficacement, sans gaspiller d'énergie ni laisser de poches de gaz dangereuses intactes.
Pour répondre à cette question, l'équipe a combiné trois approches différentes : des calculs mathématiques, des simulations informatiques et des tests en conditions réelles dans une mine profonde. D'abord, ils ont calculé l'énergie libérée par le dispositif. Ils ont découvert que la force de l'explosion dépend de l'épaisseur du disque métallique qui retient la pression. Un disque plus épais nécessite plus de pression pour se briser, ce qui entraîne une libération de gaz plus puissante. En mesurant l'épaisseur de ces disques, les chercheurs pouvaient déterminer la quantité exacte d'énergie libérée, exprimée en termes de poids équivalent d'un explosif standard appelé TNT. Ils ont constaté qu'en changeant l'épaisseur du disque de 3,5 millimètres à 5,5 millimètres, l'énergie passait d'environ l'équivalent de 117 grammes de TNT à plus de 220 grammes.
Avec ces valeurs énergétiques en main, l'équipe s'est tournée vers un modèle informatique pour visualiser ce qui se passe à l'intérieur du charbon. Ils ont créé une représentation numérique d'une veine de charbon et ont simulé l'instant de la libération du gaz. La simulation a montré que l'onde de choc se déplace vers l'extérieur à partir du trou, créant une zone de dommages intenses près de la source et une zone plus large de fissures plus petites plus loin. Les résultats informatiques ont indiqué que les dommages les plus importants se produisent dans un rayon d'environ 5 mètres, où le charbon est complètement déchiqueté. Au-delà de cette zone immédiate, les fissures continuent de se propager, mais deviennent moins denses. La simulation a suggéré qu'avec une charge d'énergie plus faible, la zone effective où le charbon est suffisamment brisé s'étend à environ 15 mètres du trou. Lorsqu'ils ont augmenté la charge d'énergie, cette zone effective est passée à près de 18 mètres.
Pour vérifier ces prédictions informatiques, les chercheurs ont appliqué leur méthode sur le terrain, plus précisément dans une galerie profonde de la zone minière de Pingdingshan TianAn. La mine est située à près de 1 000 mètres de profondeur, là où le charbon est soumis à une pression immense et contient des niveaux élevés de gaz. Ils ont foré une série de trous et installé les disposités de dioxyde de carbone liquide. Dans une série de tests, ils ont utilisé une charge équivalente à 300 grammes de TNT, et dans une autre, une charge équivalente à 450 grammes de TNT. Après avoir déclenché les charges, ils ont surveillé le débit de gaz dans les trous de drainage à proximité à diverses distances pour voir à quel point l'extraction de gaz s'était améliorée.
Les tests sur le terrain ont confirmé que la technique fonctionne, mais les résultats réels étaient encore plus impressionnants que les modèles informatiques ne l'avaient prédit. En utilisant la charge équivalente à 300 grammes de TNT, les chercheurs ont observé que le drainage du gaz s'est considérablement amélioré dans les trous situés entre 16,59 et 23 mètres de l'orifice de fracturation. Lorsqu'ils ont augmenté la charge à 450 grammes, la portée effective s'est étendue davantage, atteignant des distances comprises entre 21,08 et 30,16 mètres. Cela signifie qu'en ajoutant simplement un tube supplémentaire de dioxyde de carbone liquide dans le trou, ils ont augmenté le rayon d'influence effectif d'environ 30 %. Les données ont montré que le débit de gaz augmentait de manière spectaculaire dans ces zones, prouvant que le charbon avait été fracturé avec succès pour permettre l'échappement du gaz.
L'étude conclut que pour les veines de charbon profondes à faible perméabilité, l'utilisation d'une charge d'énergie plus élevée est la stratégie la plus efficace. Les chercheurs recommandent de placer les trous de forage à environ 5 mètres d'intervalle et d'utiliser une charge équivalente à 450 grammes de TNT. Cette combinaison garantit que les zones fracturées des trous adjacents se chevauchent, créant un réseau continu de fissures qui permet un drainage maximal du gaz. Bien que les simulations informatiques aient fourni une estimation de la limite inférieure, les tests réels sur le terrain ont révélé que la technique est capable d'influencer une zone beaucoup plus vaste que prévu initialement. Cette découverte offre un guide pratique clair pour les ingénieurs miniers : en ajustant l'énergie du dispositif de fracturation et l'espacement des trous, ils peuvent débloquer de manière sûre et efficace le gaz piégé dans les veines de charbon les plus profondes et les plus difficiles.
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