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

गहराई में, जहाँ पृथ्वी का भार अत्यधिक दबाव के साथ नीचे की ओर दबा होता है, कोयले की परतों में अक्सर भारी मात्रा में प्राकृतिक गैस जमा होती है। इन गहरे, उच्च-दबाव वाले वातावरणों में, कोयला स्वयं इतना सघन होता है कि गैस सतह तक स्वतंत्र रूप से नहीं बह पाती। यह खनिकों के लिए एक खतरनाक स्थिति पैदा करता है, क्योंकि फंसी हुई गैस अचानक हिंसक विस्फोटों के रूप में फूट सकती है, जिन्हें 'आउटबर्स्ट' (outbursts) कहा जाता है। इन आपदाओं को रोकने और ईंधन के रूप में गैस को सुरक्षित रूप से निकालने के लिए, इंजीनियरों को पहले कोयले को तोड़ना पड़ता है ताकि गैस के निकलने के लिए मार्ग बन सके। हालाँकि, चट्टानों को तोड़ने के पारंपरिक तरीके अक्सर इन नाजुक, गैस-युक्त परतों के लिए बहुत कठोर या खतरनाक होते हैं। वैज्ञानिक एक ऐसे तरीके की तलाश कर रहे थे जिससे पारंपरिक विस्फोटकों से जुड़े जोखिमों के बिना कोयले को प्रभावी ढंग से तोड़ा जा सके, एक ऐसा तरीका जो चट्टान को तोड़ने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली हो लेकिन खनन वातावरण के लिए पर्याप्त नियंत्रित भी हो।

हाल ही में एक अध्ययन में, चीन की एक कोयला खनन कंपनी और एक विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने 'लिक्विड कार्बन डाइऑक्साइड फेज ट्रांजिशन फ्रैक्चरिंग' नामक तकनीक की जांच की। यह विधि लिक्विड कार्बन डाइऑक्साइड से भरी एक विशेष ट्यूब का उपयोग करती है। जब इसे गर्म किया जाता है, तो तरल तेजी से गैस में बदल जाता है, जो जबरदस्त बल के साथ फैलता है। यह विस्तार ट्यूब के भीतर दबाव बनाता है जब तक कि ट्यूब के अंत में लगी एक छोटी, पूर्व-निर्धारित धातु की डिस्क टूट न जाए। एक बार जब डिस्क टूट जाती है, तो उच्च-दबाव वाली गैस तुरंत निकल जाती है, जिससे एक शॉकवेव (आघात तरंग) उत्पन्न होती है जो आसपास के कोयले को तोड़ देती है। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि यह दरार पैदा करने वाला प्रभाव कितनी दूर तक पहुँचता है। यदि उन्हें इस बल द्वारा तय की जाने वाली सटीक दूरी का पता चल जाए, तो वे अपने ड्रिलिंग छिद्रों को आदर्श अंतराल पर रख सकते हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि कोयले का पूरा क्षेत्र टूट जाए और गैस कुशलतापूर्वक निकल सके, बिना ऊर्जा बर्बाद किए या गैस के खतरनाक भंडारों को अछूता छोड़े।

इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, टीम ने तीन अलग-अलग दृष्टिकोणों को मिलाया: गणितीय गणना, कंप्यूटर सिमुलेशन और गहरे खान में वास्तविक परीक्षण। सबसे पहले, उन्होंने उपकरण द्वारा छोड़ी गई ऊर्जा की गणना की। उन्होंने पाया कि विस्फोट की शक्ति उस धातु की डिस्क की मोटाई पर निर्भर करती है जो दबाव को रोककर रखती है। एक मोटी डिस्क को दबाव झेलने के लिए अधिक दबाव की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप गैस का अधिक शक्तिशाली उत्सर्जन होता है। इन डिस्क की मोटाई को मापकर, शोधकर्ता गैस छोड़े जाने की सटीक मात्रा निर्धारित कर सके, जिसे उन्होंने 'टीएनटी' (TNT) नामक एक मानक विस्फोटक के समकक्ष वजन के रूप में व्यक्त किया। उन्होंने पाया कि डिस्क की मोटाई को 3.5 मिलीमीटर से बढ़ाकर 5.5 मिलीमीटर करने से ऊर्जा लगभग 117 ग्राम टीएनटी के बराबर से बढ़कर 220 ग्राम से अधिक हो गई।

इन ऊर्जा मानों के साथ, टीम ने कोयले के भीतर क्या होता है, इसका दृश्य बनाने के लिए एक कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया। उन्होंने कोयले की एक परत का डिजिटल प्रतिनिधित्व बनाया और गैस निकलने के क्षण का अनुकरण (सिमुलेशन) किया। सिमुलेशन ने दिखाया कि शॉकवेव छेद से बाहर की ओर फैलती है, जिससे स्रोत के पास तीव्र क्षति का क्षेत्र बनता है और दूर स्थित एक व्यापक क्षेत्र में छोटे दरारें बनती हैं। कंप्यूटर परिणामों ने संकेत दिया कि सबसे महत्वपूर्ण क्षति लगभग 5 मीटर की त्रिज्या के भीतर होती है, जहाँ कोयला पूरी तरह से बिखर जाता है। इस तत्काल क्षेत्र के परे, दरारें फैलती तो हैं, लेकिन वे कम घनी हो जाती हैं। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि कम ऊर्जा चार्ज के साथ, प्रभावी क्षेत्र जहाँ कोयला पर्याप्त रूप से टूट जाता है, छेद से लगभग 15 मीटर तक विस्तृत होता है। जब उन्होंने ऊर्जा चार्ज बढ़ाया, तो यह प्रभावी क्षेत्र बढ़कर लगभग 18 मीटर हो गया।

इन कंप्यूटर भविष्यवाणियों को सत्यापित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपनी विधि को वास्तविक खान में, विशेष रूप से पिंगडिशान तियानआन कोयला खनन क्षेत्र की एक गहरी सड़क में ले गए। यह खान लगभग 1,000 मीटर नीचे स्थित है, जहाँ कोयला अत्यधिक दबाव में है और इसमें गैस का स्तर उच्च है। उन्होंने छेदों की एक श्रृंखला ड्रिल की और लिक्विड कार्बन डाइऑक्साइड उपकरणों को स्थापित किया। परीक्षणों के एक सेट में, उन्होंने 300 ग्राम टीएनटी के बराबर का चार्ज उपयोग किया, और दूसरे सेट में, उन्होंने 450 ग्राम टीएनटी के बराबर का चार्ज उपयोग किया। चार्जेस को सक्रिय करने के बाद, उन्होंने विभिन्न दूरियों पर पास के ड्रेनेज होल्स (निकासी छिद्रों) में गैस के प्रवाह की निगरानी की ताकि यह देखा जा सके कि गैस निकासी में कितना सुधार हुआ है।

क्षेत्र परीक्षणों ने पुष्टि की कि यह तकनीक काम करती है, लेकिन वास्तविक दुनिया के परिणाम कंप्यूटर मॉडल की तुलना में और भी अधिक प्रभावशाली थे। 300 ग्राम के समकक्ष चार्ज का उपयोग करते समय, शोधकर्ताओं ने देखा कि गैस निकासी में उल्लेखनीय सुधार हुआ, जो फ्रैक्चरिंग होल से 16.59 और 23 मीटर की दूरी के बीच के छेदों में देखा गया। जब उन्होंने चार्ज बढ़ाकर 450 ग्राम कर दिया, तो प्रभावी सीमा और आगे बढ़ गई, जो 21.08 और 30.16 मीटर के बीच की दूरी तक पहुँच गई। इसका अर्थ यह है कि केवल एक अतिरिक्त लिक्विड कार्बन डाइऑक्साइड ट्यूब जोड़ने से, उन्होंने प्रभावी प्रभाव त्रिज्या को लगभग 30 प्रतिशत बढ़ा दिया। डेटा ने दिखाया कि इन क्षेत्रों में गैस का प्रवाह नाटकीय रूप से बढ़ गया, जिससे सिद्ध हुआ कि गैस को निकलने देने के लिए कोयले को सफलतापूर्वक तोड़ दिया गया था।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि कम पारगम्यता (permeability) वाली गहरी कोयले की परतों के लिए, उच्च ऊर्जा चार्ज का उपयोग करना सबसे प्रभावी रणनीति है। शोधकर्ता सलाह देते हैं कि ड्रिलिंग छिद्रों को लगभग 5 मीटर की दूरी पर रखा जाना चाहिए और 450 ग्राम टीएनटी के बराबर का चार्ज उपयोग किया जाना चाहिए। यह संयोजन सुनिश्चित करता है कि आस-पास के छेदों से उत्पन्न दरार वाले क्षेत्र आपस में मिल जाएं, जिससे दरारों का एक निरंतर नेटवर्क बन सके जो अधिकतम गैस निकासी की अनुमति दे। जबकि कंप्यूटर सिमुलेशन ने एक उपयोगी निचली सीमा का अनुमान प्रदान किया, वास्तविक क्षेत्र परीक्षणों ने खुलासा किया कि यह तकनीक शुरू में गणना किए गए क्षेत्र की तुलना में कहीं अधिक बड़े क्षेत्र को प्रभावित करने में सक्षम है। यह निष्कर्ष खनन इंजीनियरों के लिए एक स्पष्ट, व्यावहारिक मार्गदर्शिका प्रदान करता है: फ्रैक्चरिंग डिवाइस की ऊर्जा और छेदों की दूरी को समायोजित करके, वे सबसे गहरी और सबसे कठिन कोयला परतों में फंसी गैस को सुरक्षित और कुशलता से मुक्त कर सकते हैं।