Numerical study on roadway stress control of surrounding rock through hydraulic fracturing-induced cracks in gob-side roof based on phase-field theory
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए एक फेज़-फील्ड मॉडल का उपयोग करता है कि फ्रैक्चर नेटवर्क कनेक्टिविटी को अधिकतम करने के लिए हाइड्रोलिक फ्रैक्चरिंग मापदंडों को अनुकूलित करना, गॉब-साइड कोयला खदान मार्गों में सड़क तनाव को प्रभावी ढंग से नियंत्रित करने और तनाव एकाग्रता को कम करने के लिए महत्वपूर्ण है।
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पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, जहाँ शहरों को शक्ति देने के लिए कोयला निकाला जाता है, सुरंगों के आसपास की चट्टानें निरंतर, कुचलने वाले दबाव का सामना करती हैं। जैसे ही खनिक कोयले की एक परत हटाते हैं, ऊपर के पहाड़ों का भार स्थानांतरित हो जाता है, जिससे सुरंग की छतों को सहारा देने के लिए छोड़ी गई चट्टान की संकीर्ण पट्टियों पर अत्यधिक दबाव केंद्रित हो जाता है। यह दबाव चट्टान को विकृत, खंडित और कभी-कभी ढहा देता है, जिससे सुरंगें खतरनाक और रखरखाव में कठिन हो जाती हैं। इन रास्तों को खुला रखने के लिए, इंजीनियरों ने लंबे समय से 'हाइड्रोलिक फ्रैक्चरिंग' नामक तकनीक का उपयोग किया है। इसमें चट्टान में तरल पंप किया जाता है ताकि दरारें पैदा की जा सकें, जो प्रेशर वाल्व की तरह काम करती हैं, जिससे चट्टान शिथिल हो पाती है और तनाव सुरंग से दूर पुनर्वितरित हो जाता है। हालांकि, यह सटीक भविष्यवाणी करना कि ये दरारें कैसे बढ़ेंगी और वे दबाव को कितना कम करेंगी, बेहद कठिन है, विशेष रूप से एक खान के जटिल और बदलते वातावरण में।
चीन यूनिवर्सिटी ऑफ माइनिंग एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रक्रिया को उच्च सटीकता के साथ सिम्युलेट (अनुकरण) करने का एक नया तरीका विकसित किया है। यह अनुमान लगाने के बजाय कि दरारें कहाँ बन सकती हैं, उन्होंने एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल बनाया है जो वास्तविक समय में, चरण दर चरण चट्टान के टूटने की निगरानी करता है। उनका कार्य एक विशिष्ट और चुनौतीपूर्ण परिदृश्य पर केंद्रित है: "गॉब-साइड" (gob-side) रोडवे, जो उस क्षेत्र के ठीक बगल में चलने वाली सुरंग है जहाँ कोयला पहले ही निकाला जा चुका है। इस क्षेत्र में, चट्टान को बलों के एक अद्वितीय और हिंसक मिश्रण का सामना करना पड़ता है। शोधकर्ताओं ने 'फेज़-फील्ड थ्योरी' (phase-field theory) नामक विधि का उपयोग किया, जो चट्टान को एक ठोस ब्लॉक के रूप में नहीं देखती जो अचानक टूट जाता है, बल्कि एक ऐसे पदार्थ के रूप में देखती है जो धीरे-धीरे कमजोर होता है और टूटता है, जिससे कंप्यूटर को यह जानने की आवश्यकता के बिना कि दरार कहाँ होगी, हर छोटी दरार के जन्म और विकास को ट्रैक करने की अनुमति मिलती है।
अपने मॉडल का परीक्षण करने के लिए, टीम ने एक वास्तविक कोयला खान के 15108 वर्किंग फेस की स्थितियों को फिर से बनाया, जहाँ चट्टान लगभग 400 मीटर गहरी दबी हुई है। उन्होंने एक ऐसी स्थिति का अनुकरण किया जहाँ सुरंग के ऊपर की चट्टान मोटी और मजबूत है, जो एक भारी, वेज-आकार (wedge-shaped) की संरचना बनाने की प्रवृत्ति रखती है जो खाली स्थान के ऊपर लटकती है और सुरंग पर दबाव डालती है। शोधकर्ताओं ने अपने मॉडल को एक चरणबद्ध हाइड्रोलिक फ्रैक्चरिंग प्रक्रिया की नकल करने के लिए प्रोग्राम किया। इसमें कई छेद करना और तीन अलग-अलग चरणों में, सुरंग के पीछे की ओर बढ़ते हुए, पानी इंजेक्ट करना शामिल है। लक्ष्य खाली स्थान के एक तरफ लटकती चट्टान को सुरक्षित रूप से गिरने देने के लिए उसे काटना था, जबकि साथ ही दूसरी ओर दरारों का एक जाल बनाना था ताकि सुरंग की दीवारों पर दबाव को कम किया जा सके।
सिमुलेशन से पता चला कि दरारों का व्यवहार पृथ्वी के प्राकृतिक दबाव और पानी द्वारा बनाई गई नई दरारों के बीच एक नाजुक नृत्य है। जब आसपास की चट्टान का दबाव मध्यम था, तो दरारें क्षैतिज रूप से फैलने लगीं, और आपस में जुड़कर एक विस्तृत, परस्पर जुड़े जाल का निर्माण किया। इस जाल ने सफलतापूर्वक भारी भार को सुरंग से दूर स्थानांतरित कर दिया, जिससे चट्टान की दीवारों पर तनाव लगभग 20 प्रतिशत तक कम हो गया। हालाँकि, जैसे ही शोधकर्ताओं ने सिम्युलेटेड दबाव को अत्यधिक स्तरों तक बढ़ाया, दरारों के व्यवहार में बदलाव आया। फैलने के बजाय, वे सीधे ऊपर और नीचे की ओर बढ़ने लगीं। इस ऊर्ध्वाधर वृद्धि ने उन्हें एक-दूसरे से जुड़ने से रोक दिया, जिससे ऐसे अंतराल रह गए जहाँ उच्च दबाव अभी भी बन सकता था। इन उच्च-दबाव की स्थितियों में, तनाव राहत बहुत कम प्रभावी हो गई, जिसमें चट्टान की दीवारों में दबाव में बहुत मामूली कमी देखी गई।
अध्ययन ने दरार नेटवर्क की गुणवत्ता को मापने का एक नया तरीका भी पेश किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि दरारों की एक विशाल संख्या या एक बहुत जटिल, उलझा हुआ पैटर्न होने का मतलब जरूरी नहीं कि बेहतर परिणाम हों। वास्तव में, सबसे महत्वपूर्ण कारक केवल यह था कि दरारें एक-दूसरे से कितनी अच्छी तरह जुड़ी हुई हैं। यदि दरारें एक निरंतर पथ बनाती थीं, तो दबाव आसानी से बह सकता था। यदि वे अलग-थलग थीं या आसपास की तीव्र तनाव द्वारा बाधित थीं, तो दबाव राहत विफल हो गई। टीम ने पाया कि सबसे अच्छे परिणाम तब आए जब दरारें मध्यम तनाव की स्थितियों में एक अच्छी तरह से जुड़े हुए नेटवर्क का निर्माण करती थीं, न कि अत्यधिक तनाव के तहत एक अराजक अव्यवस्था के रूप में।
इन दरारों के बढ़ने और परस्पर क्रिया करने के तरीके का सटीक मानचित्रण करके, शोधकर्ताओं ने इंजीनियरों को इन सुरक्षा उपायों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान की है। उन्होंने दिखाया कि हाइड्रोलिक फ्रैक्चरिंग की सफलता खान की विशिष्ट तनाव स्थितियों पर बहुत अधिक निर्भर करती है। यदि दबाव बहुत अधिक है, तो दरारें ठीक से नहीं जुड़ पाएंगी, और यह तकनीक सुरंग की रक्षा करने में संघर्ष करेगी। निष्कर्ष बताते हैं कि इंजीनियरों को जुड़ी हुई दरारों के निर्माण को प्रोत्साहित करने के लिए अपने ड्रिलिंग कोणों और इंजेक्शन के समय को सावधानीपूर्वक समायोजित करना चाहिए, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि चट्टान अपनी संचित ऊर्जा को सुरक्षित रूप से छोड़ सके। यह कार्य यह भविष्यवाणी करने का एक अधिक विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है कि जमीन कैसा व्यवहार करेगी, जिससे भूमिगत खनन को अधिक सुरक्षित और स्थिर बनाने में मदद मिलती है।
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