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

Profondamente sottoterra, dove il peso della terra preme con una forza schiacciante, i filoni di carbone contengono spesso grandi quantità di gas naturale. In questi ambienti profondi e ad alta pressione, il carbone stesso è così densamente compattato che il gas non può fluire liberamente verso la superficie. Ciò crea una situazione pericolosa per i minatori, poiché il gas intrappolato può esplodere improvvisamente in violente eruzioni note come outburst. Per prevenire questi disastri e per estrarre il gas in modo sicuro come fonte di combustibile, gli ingegneri devono prima rompere il carbone per creare percorsi che permettano al gas di fuoriuscire. Tuttavia, i metodi tradizionali per rompere la roccia sono spesso troppo rudimentali o pericolosi per questi strati delicati e ricchi di gas. Gli scienziati sono alla ricerca di un modo per fratturare il carbone efficacemente senza i rischi associati agli esplosivi convenzionali, cercando un metodo che sia abbastanza potente da incrinare la roccia ma abbastanza controllato da essere sicuro per l'ambiente minerario.

In uno studio recente, ricercatori di un'azienda mineraria del carbone e di un'università cinese hanno indagato su una tecnica chiamata fratturazione per transizione di fase dell'anidride carbonica liquida. Questo metodo utilizza un tubo specializzato riempito di anidride carbonica liquida. Quando riscaldato, il liquido si trasforma rapidamente in gas, espandendosi con una forza tremenda. Questa espansione accumula pressione all'interno del tubo finché un piccolo disco metallico preimpostato all'estremità del tubo non si frantuma. Una volta rotto il disco, il gas ad alta pressione viene rilasciato istantaneamente, creando un'onda d'urto che incrina il carbone circostante. I ricercatori volevano sapere esattamente quanto arrivi l'effetto di questa fratturazione. Se avessero conosciuto la distanza precisa per cui la forza si propaga, avrebbero potuto posizionare i loro fori di perforazione agli intervalli perfetti per garantire che l'intera area di carbone venga fratturata e che il gas possa essere drenato efficientemente, senza sprecare energia o lasciare pericolose sacche di gas intatte.

Per rispondere a questa domanda, il team ha combinato tre diversi approoli: calcoli matematici, simulazioni al computer e test nel mondo reale in una miniera profonda. Per prima cosa, hanno calcolato l'energia rilasciata dal dispositivo. Hanno scoperto che la forza dell'esplosione dipende dallo spessore del disco metallico che trattiene la pressione. Un disco più spesso richiede più pressione per rompersi, il che si traduce in un rilascio di gas più potente. Misurando lo spessore di questi dischi, i ricercatori potevano determinare l'esatta quantità di energia rilasciata, esprimendola in termini di peso equivalente di un esplosivo standard chiamato TNT. Hanno scoperto che cambiando lo spessore del disco da 3,5 millimetri a 5,5 millimetri, l'energia aumentava da circa l'equivalente di 117 grammi di TNT a oltre 220 grammi.

Con questi valori energetici in mano, il team si è rivolto a un modello informatico per visualizzare cosa accade all'interno del carbone. Hanno creato una rappresentazione digitale di un filone di carbone e simulato il momento del rilascio del gas. La simulazione ha mostato che l'onda d'urto si propaga verso l'esterno dal foro, creando una zona di danni intensi vicino alla sorgente e un'area più ampia di crepe minori più lontano. I risultati del computer hanno indicato che il danno più significativo avviene entro un raggio di circa 5 metri, dove il carbone è completamente frantumato. Oltre questa zona immediata, le crepe continuano a diffondersi, ma diventano meno dense. La simulazione ha suggerito che con una carica energetica minore, l'area effettiva in cui il carbone è sufficientemente rotto si estende per circa 15 metri dal foro. Quando hanno aumentato la carica energetica, quest'area effettiva è cresciuta fino a quasi 18 metri.

Per verificare queste previsioni informatiche, i ricercatori hanno portato il loro metodo nell'azione reale, specificamente in una galleria profonda dell'area mineraria di Pingdingshan TianAn. La miniera si trova a quasi 1.000 metri di profondità, dove il carbone è sotto un'immensa pressione e contiene alti livelli di gas. Hanno perforato una serie di fori e installato i dispositivi di anidride carbonica liquida. In un set di test, hanno utilizzato una carica equivalente a 300 grammi di TNT e, in un altro set, hanno utilizzato una carica equivalente a 450 grammi di TNT. Dopo aver azionato le cariche, hanno monitorato il flusso di gas in fori di drenaggio vicini a varie distanze per vedere quanto fosse migliorato il drenaggio del gas.

I test sul campo hanno confermato che la tecnica funziona, ma i risultati reali sono stati ancora più impressionanti di quanto previsto dai modelli informatici. Utilizzando la carica equivalente a 300 grammi, i ricercatori hanno osservato che il drenaggio del gas è migliorato significamente nei fori situati tra 16,59 e 23 metri di distanza dal foro di fratturazione. Quando hanno aumentato la carica a 450 grammi, l'intervallo efficace si è ampliato ulteriormente, raggiungendo distanze comprese tra 21,08 e 30,16 metri. Ciò significa che aggiungendo semplicemente un altro tubo di anidride carbonica liquida nel foro, hanno aumentato il raggio di influenza effettiva di circa il 30 percento. I dati hanno mostrato che il flusso di gas è aumentato drasticamente in queste zone, provando che il carbone era stato fratturato con successo per permettere al gas di uscire.

Lo studio conclude che per i filoni di carbone profondi con bassa permeabilità, l'uso di una carica energetica più elevata è la strategia più efficace. I ricercatori raccomandano di posizionare i fori di perforazione a circa 5 metri di distanza e di utilizzare una carica equivalente a 450 grammi di TNT. Questa combinazione assicura che le zone fratturate dei fori adiacenti si sovrappongano, creando una rete continua di crepe che permette il massimo drenaggio del gas. Sebbene le simulazioni al computer abbiano fornito una stima utile del limite inferiore, i test sul campo hanno rivelato che la tecnica è capace di influenzare un'area molto più ampia di quanto inizialmente calcolato. Questa scoperta offre una guida chiara e pratica per gli ingegneri minerari: regolando l'energia del dispositivo di fratturazione e la spaziatura dei fori, possono sbloccare in modo sicuro ed efficiente il gas intrappolato nei filoni di carbone più profondi e difficili.