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

पृथ्वी की गहराइयों में, जहाँ कोयले की परतें मोटी और समृद्ध हैं, वहाँ एक छिपा हुआ खतरा है जिसने सदियों से खनिकों को परेशान किया है: अदृश्य, विस्फोटक गैस का संचय। जब कोयले की एक परत का खनन किया जाता है, तो उसके ऊपर की छत ढह जाती है, जिससे एक विशाल, अराजक स्थान बन जाता है जो टूटे हुए पत्थरों और मलबे से भरा होता है जिसे 'गोफ' (goaf) कहा जाता है। यह मलबा ठोस नहीं है; यह अंतराल और दरारों वाला एक छिद्रपूर्ण स्पंज है जहाँ आसपास की चट्टानों और कोयले से मुख्य रूप से मीथेन जैसी गैस रिसती है। क्योंकि यह गैस हवा से हल्की होती है, यह स्वाभाविक रूप से ऊपर उठती है और खान की छत के पास या कार्य क्षेत्र के ऊपरी कोनों में फंस सकती है। यदि इतनी गैस जमा हो जाए और किसी चिंगारी से मिल जाए, तो यह एक विनाशकारी विस्फोट का कारण बन सकती है। दशकों से, इंजीनियरों ने शक्तिशाली पंपों के साथ इस गैस को खींचकर इसे हल करने की कोशिश की है, लेकिन विशाल, मोटी कोयला परतों में, गैस अक्सर गहरी, कठिन पहुँच वाली जगहों में छिप जाती है जिसे मानक पंप प्रभावी ढंग से साफ नहीं कर पाते हैं।

इस निरंतर समस्या से निपटने के लिए, श्यान (Xi'an) यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और चीन के अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अलग रणनीति अपनाई: केवल गैस को खींचने के बजाय, उन्होंने इसे धकेलने का निर्णय लिया। उन्होंने एक ऐसी विधि की जांच की जो दो क्रियाओं को जोड़ती है: खान में नाइट्रोजन गैस डालना और साथ ही वैक्यूम पंप के साथ मिश्रण को बाहर निकालना। नाइट्रोजन एक अक्रिय गैस है, जिसका अर्थ है कि यह जलती या फटती नहीं है, और यह मीथेन से भारी होती है। ढही हुई चट्टान के क्षेत्र में नीचे से नाइट्रोजन पंप करके, शोधकर्ताओं का लक्ष्य एक ऊपर उठती धारा बनाना था जो हल्की मीथेन को विस्थापित कर सके, जिससे उसे ऊपर की ओर और श्रमिकों से दूर धकेला जा सके। लक्ष्य यह समझना था कि ये दो बल—नाइट्रोजन का धक्का और वैक्यूम का खिंचाव—जटिल, मलबे से भरे भूमिगत स्थान में गैस को चलाने के लिए एक साथ कैसे काम करते हैं।

शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट खान के गोफ का एक विस्तृत डिजिटल मॉडल बनाया, जो लगभग 400 मीटर ऊँचा, 300 मीटर चौड़ा और 130 मीटर लंबा स्थान है, जो टूटे हुए पत्थरों से भरा है। इस आभासी वातावरण में, उन्होंने विभिन्न गति पर नाइट्रोजन के इंजेक्शन और विभिन्न स्तरों पर सक्शन शक्ति के साथ गैस के निष्कर्षण का अनुकरण किया। उन्होंने पाया कि नाइट्रोजन किस गति से इंजेक्ट किया जा रहा है, यह सबसे महत्वपूर्ण कारक था। जब नाइट्रोजन को धीरे पंप किया गया, तो इसने गैस को मुश्किल से हिलाया। हालाँकि, जैसे-जैसे प्रवाह दर बढ़ी, नाइट्रोजन एक बढ़ते ज्वार की तरह काम करने लगा, जो मलबे में गहराई तक घुस गया और मीथेन को विस्थापित कर दिया। यह विस्थापन इतना प्रभावी था कि इसने गैस की गति की सीमा को 30 प्रतिशत से अधिक बढ़ा दिया। भारी नाइट्रोजन नीचे जम गया, जिससे एक कुशन (तकिया) बन गया जिसने हल्की मीथेन को खान के स्थान के बिल्कुल शीर्ष तक तैरने के लिए मजबूर किया। वहाँ, गैस एक गुंबद के आकार में जमा हो गई, जो कार्य क्षेत्र (working face) से बहुत दूर थी जहाँ खनिक काम करते हैं।

जबकि नाइट्रोजन इंजेक्शन ने गैस को हटाया, वैक्यूम पंप की आवश्यकता उसे पकड़ने के लिए थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल सक्शन शक्ति बढ़ाने से हमेशा मदद नहीं मिलती; यदि सक्शन बहुत अधिक शक्तिशाली हो, तो यह नाइट्रोजन को खान से बाहर खींच सकता है इससे पहले कि वह मीथेन को विस्थापित करने का अपना काम कर सके। कुंजी सही संतुलन खोजने में थी। 'रिस्पॉन्स सरफेस ऑप्टिमाइज़ेशन' नामक गणितीय दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, टीम ने एक विशिष्ट संयोजन की पहचान की जो सबसे अच्छा काम करता था: 1.20 मीटर प्रति सेकंड की नाइट्रोजन इंजेक्शन गति के साथ 20 किलोपास्कल का निष्कर्षण सक्शन दबाव। इस विशिष्ट सेटिंग पर, नाइट्रोजन ने गैस को खान में गहराई तक धकेला, और वैक्यूम ने मिश्रण को कुशलतापूर्वक बाहर खींचा, जिससे गैस को खतरनाक जेबों में फंसने से रोका जा सका। मॉडल ने दिखाया कि यह संयोजन अकेले किसी भी विधि का उपयोग करने की तुलना में गैस की सांद्रता को काफी कम कर सकता है।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह डिजिटल समाधान वास्तविक दुनिया में काम करता है, टीम ने इन निष्कर्षों को झिंजियांग (Xinjiang) की एक कोयला खान में लागू किया। उन्होंने एक प्रणाली स्थापित की जो खोजे गए अनुकूलित सेटिंग्स का उपयोग करके नाइट्रोजन इंजेक्ट करती थी और गैस निकालती थी। 80 दिनों की अवधि में, उन्होंने परिणामों की निगरानी की और खान के पिछले प्रदर्शन के साथ उनकी तुलना की। डेटा ने एक स्पष्ट सुधार दिखाया: निकाली जा रही शुद्ध गैस की मात्रा में 36 प्रतिशत की वृद्धि हुई। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह प्रणाली समय के साथ स्थिर रही। दो महीने के संचालन के बाद भी, निष्कर्षण की मात्रा लगातार 50 घन मीटर प्रति मिनट से ऊपर बनी रही, जो एक ऐसा स्तर था जिसे पारंपरिक तरीकों से बनाए रखना कठिन था। नाइट्रोजन ने सफलतापूर्वक गैस को खान के गहरे, छिपे हुए क्षेत्रों से बाहर धकेला, और वैक्यूम पंप ने कार्य क्षेत्र में हवा को सुरक्षित रखा।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह "धक्का और खिंचाव" (push-and-pull) विधि सबसे चुनौतीपूर्ण खनन स्थितियों में गैस के प्रबंधन का एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करती है। यह समझकर कि नाइट्रोजन और वैक्यूम दबाव कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इंजीनियर अब यह अनुमान लगा सकते हैं कि अपने उपकरणों को सुरक्षित रखने के लिए उन्हें कैसे सेट किया जाए। अनुसंधान प्रदर्शित करता है कि इंजेक्शन की गति को निष्कर्षण की शक्ति के साथ सावधानीपूर्वक मिलाने से, खान के सबसे गहरे हिस्सों से गैस को साफ करना और उसे सुरक्षित रूप से सतह तक ले जाना संभव है। यह दृष्टिकोण न केवल तत्काल खतरे को हटाता है; यह गैस को फिर से गंभीर स्तर तक जमा होने से रोकने का एक व्यवस्थित तरीका प्रदान करता है, जो मोटी, गैस-समृद्ध कोयला परतों के सुरक्षित खनन के लिए एक व्यावहारिक समाधान पेश करता है।