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

Profondément sous la terre, là où les veines de charbon sont épaisses et riches, se cache un danger invisible qui tourmente les mineurs depuis des siècles : l'accumulation de gaz explosif et invisible. Lorsqu'une veine de charbon est exploitée, le toit situé au-dessus d'elle s'effondre, créant un espace vaste et chaotique rempli de roches brisées et de débris appelé « goaf ». Ces débris ne sont pas solides ; ils forment une éponge poreuse de vides et de fissures où le gaz, principalement le méthane, s'échappe de la roche et du charbon environnants. Comme ce gaz est plus léger que l'air, il monte naturellement et peut se retrouver piégé dans des poches près du plafond ou dans les coins supérieurs de la zone de travail. Si une quantité suffisante de ce gaz s'accumule et rencontre une étincelle, cela peut provoquer une explosion catastrophique. Pendant des décennies, les ingénieurs ont tenté de résoudre ce problème en aspirant le gaz à l'aide de puissantes pompes, mais dans les veines de charbon massives et épaisses, le gaz se cache souvent dans des poches profondes et difficiles d'accès que les pompes standards ne parviennent pas à dégager efficacement.

Pour s'attaquer à ce problème persistant, une équipe de chercheurs de l'Université de science et technologie de Xi'an et d'autres institutions chinoises se sont tournés vers une stratégie différente : au lieu de simplement essayer d'aspirer le gaz, ils ont décidé de le pousser. Ils ont étudié une méthode qui combine deux actions : injecter du gaz azoté dans la mine et extraire simultanément le mélange avec une pompe à vide. L'azote est un gaz inerte, ce qui signifie qu'il ne brûle pas et n'explose pas, et il est plus lourd que le méthane. En pompant de l'azote dans la zone de roche effondrée, les chercheurs visaient à créer un courant ascendant qui déplacerait le méthane plus léger, le forçant à monter et à s'éloigner des travailleurs en dessous. L'objectif était de comprendre exactement comment ces deux forces — la poussée de l'azote et l'aspiration du vide — travaillent ensemble pour déplacer le gaz à travers l'espace complexe et rempli de débris de la mine.

Les chercheurs ont construit un modèle numérique détaillé d'un goaf de mine typique, représentant un espace d'environ 400 mètres de haut, 300 mètres de large et 130 mètres de long, rempli de roche brisée. Dans cet environnement virtuel, ils ont simulé l'injection d'azote à diverses vitesses et l'extraction de gaz à différents niveaux de puissance d'aspiration. Ils ont découvert que la vitesse à laquelle l'azote était injecté était le facteur le plus critique. Lorsque l'azote était pompé lentement, il déplaçait à peine le gaz. Cependant, à mesure que le débit augmentait, l'azote agissait comme une marée montante, poussant profondément dans les débris et déplaçant le méthane. Ce déplacement était si efficace qu'il augmentait la portée du mouvement du gaz de plus de 30 %. L'azote, plus lourd, se déposait au fond, créant un coussin qui forçait le méthane plus léger à flotter jusqu'au sommet même de l'espace minier. Là, le gaz s'accumulait sous une forme de dôme, loin de la face de travail où opèrent les mineurs.

Si l'injection d'azote déplaçait le gaz, la pompe à vide était nécessaire pour le capturer. Les chercheurs ont découvert que le simple fait d'augmenter la puissance d'aspiration n'aidait pas toujours ; si l'aspiration était trop forte, elle pouvait aspirer l'azote hors de la mine avant qu'il n'ait eu le temps de remplir sa fonction de déplacement du méthane. La clé consistait à trouver le bon équilibre. En utilisant une approche mathématique appelée optimisation par la méthode de la surface de réponse, l'équipe a identifié une combinaison spécifique de réglages qui fonctionnait le mieux : une vitesse d'injection d'azote de 1,20 mètre par seconde couplée à une pression d'extraction de 20 kilopascals. À ce réglage spécifique, l'azote poussait le gaz profondément dans la mine, et la pompe à vide extrayait le mélange efficacement, empêchant le gaz de rester bloqué dans des poches dangereuses. Le modèle a montré que cette combinaison pouvait réduire la concentration de gaz de manière bien plus significative qu'en utilisant l'une ou l'autre des méthodes seules.

Pour prouver que cette solution numérique fonctionnait dans le monde réel, l'équipe a appliqué ces résultats dans une mine de charbon au Xinjiang. Ils ont installé un système qui injecte de l'azote et extrait le gaz en utilisant les réglages optimisés qu'ils avaient découverts. Sur une période de 80 jours, ils ont surveillé les résultats et les ont comparés aux performances antérieures de la mine. Les données ont montré une amélioration claire : la quantité de gaz pur extrait a augmenté de 36 %. Plus important encore, le système est resté stable au fil du temps. Même après deux mois de fonctionnement, le volume d'extraction est resté constamment supérieur à 50 mètres cubes par minute, un niveau difficile à maintenir avec les méthodes traditionnelles. L'azote a réussi à pousser le gaz hors des zones profondes et cachées de la mine, et la pompe à vide a maintenu l'air sûr dans la zone de travail.

L'étude conclut que cette méthode de « poussée et de traction » offre un moyen fiable de gérer le gaz dans les conditions minières les plus difficiles. En comprenant comment l'azote et la pression du vide interagissent, les ingénieurs peuvent désormais prédire exactement comment régler leurs équipements pour assurer la sécurité des mines. La recherche démontre qu'en faisant correspondre soigneusement la vitesse d'injection avec la force d'extraction, il est possible de dégager le gaz des parties les plus profondes d'une mine et de le guider en toute sécurité vers la surface. Cette approche ne se contente pas d'éliminer le danger immédiat ; elle fournit un moyen systématique d'empêcher le gaz de s'accumuler à nouveau à des niveaux critiques, offrant une solution pratique pour l'exploitation sûre des veines de charbon épaisses et riches en gaz.