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

Profondamente sotto la terra, dove i filoni di carbone sono spessi e ricchi, giace un pericolo invisibile che affligge i minatori da secoli: l'accumulo di gas esplosivo. Quando un filone di carbone viene estratto, il tetto sovrastante crolla, creando un vasto spazio caotico pieno di rocce frammentate e detriti noto come goaf. Queste macerie non sono solide; sono una spugna porosa di spazi e crepe dove il gas, principalmente metano, filtra dalle rocce e dal carbone circostanti. Poiché questo gas è più leggero dell'aria, sale naturalmente e può rimanere intrappolato in sacche vicino al soffitto o negli angoli superiori dell'area di lavoro. Se una quantità sufficiente di questo gas si accumula e incontra una scintilla, può causare un'esplosione catastrofica. Per decenni, gli ingegneri hanno cercato di risolvere questo problema aspirando il gas con potenti pompe, ma nei massicci e spessi filoni di carbone, il gas spesso si nasconde in sacche profonde e difficili da raggiungere che le pompe standard non riescono a liberare efficacemente.

Per affrontare questo problema persistente, un team di ricercatori della Xi'an University of Science and Technology e di altre istituzioni cinesi si è rivolto a una strategia diversa: invece di cercare solo di aspirare il gas, hanno deciso di spingerlo. Hanno investigato un metodo che combina due azioni: iniettare azoto nel tunnel e contemporaneamente estrarre la miscela con una pompa a vuoto. L'azoto è un gas inerte, il che significa che non brucia né esplode, ed è più pesante del metano. Pompando azoto nella parte inferiore della zona di roccia crollata, i ricercatori miravano a creare una corrente ascendente che spostasse il metano più leggero, forzandolo verso l'alto e lontano dai lavoratori sottostanti. L'obiettivo era capire esattamente come queste due forze — la spinta dell'azoto e la trazione del vuoto — lavorino insieme per muovere il gas attraverso lo spazio complesso e pieno di detriti sotterranei.

I ricercatori hanno costruito un modello digitale dettagliato di un tipico goaf minerario, rappresentando uno spazio alto circa 400 metri, largo 300 metri e lungo 130 metri, riempito di roccia frammentata. In questo ambiente virtuale, hanno simulato l'iniezione di azoto a varie velocità e l'estrazione del gas a diversi livelli di potenza di aspirazione. Hanno scoperto che la velocità con cui l'azoto veniva iniettato era il fattore più critico. Quando l'azoto veniva pompato lentamente, quasi non muoveva il gas. Tuttavia, all'aumentare della velocità di flusso, l'azoto agiva come una marea crescente, spingendo in profondità tra le macerie e spostando il metano. Questo spostamento è stato così efficace da aumentare l'intervallo di movimento del gas di oltre il 30 percento. L'azoto più pesante si è depositato sul fondo, creando un cuscino che ha costretto il metano più leggero a fluttuare fino alla sommità dello spazio minerario. Lì, il gas si è accumulato in una forma a cupola, lontano dalla zona di lavoro dove operano i minatori.

Sebbene l'iniezione di azoto muovesse il gas, la pompa a vuoto era necessaria per catturarlo. I ricercatori hanno scoperto che aumentare semplicemente la potenza di aspirazione non aiutava sempre; se l'aspirazione era troppo forte, poteva estrarre l'azoto dalla miniera prima che avesse la possibilità di svolgere il suo compito di spostamento del metano. La chiave era trovare il giusto equilibrio. Utilizzando un approccio matematico chiamato ottimizzazione della superficie di risposta, il team ha identificato una specifica combinazione di impostazioni che funzionava meglio: una velocità di iniezione dell'azoto di 1,20 metri al secondo abbinata a una pressione di estrazione a vuoto di 20 kilopascal. Con questa specifica impostazione, l'azoto spingeva il gas in profondità nella miniera e il vuoto estraeva la miscela in modo efficiente, impedendo al gas di rimanere bloccato in sacche pericolose. Il modello mostrava che questa combinazione poteva ridurre la concentrazione di gas in modo significativamente maggiore rispetto all'uso di uno dei due metodi da solo.

Per dimostrare che questa soluzione digitale funzionasse nel mondo reale, il team ha applicato queste scoperte in una miniera di carbone nello Xinjiang. Hanno installato un sistema che iniettava azoto ed estraeva gas utilizzando le impostazioni ottimizzate che avevano scoperto. Per un periodo di 8o giorni, hanno monitorato i risultati e li hanno confrontati con le prestazioni precedenti della miniera. I dati hanno mostrato un netto miglioramento: la quantità di gas puro estratto è aumentata del 36 percento. Ancora più importante, il sistema è rimasto stabile nel tempo. Anche dopo due mesi di operatività, il volume di estrazione è rimasto costantemente sopra i 50 metri cubi al minuto, un livello difficile da mantenere con i metodi tradizionali. L'azoto ha spinto con successo il gas dalle aree profonde e nascoste della miniera, e la pompa a vuoto ha mantenuto l'aria sicura nell'area di lavoro.

Lo studio conclude che questo metodo "spinta e trazione" offre un modo affidabile per gestire il gas nelle condizioni minerarie più impegnative. Comprendendo come l'azoto e la pressione del vuoto interagiscono, gli ingegneri possono ora prevedere esattamente come impostare le loro apparecchiature per mantenere le miniere sicure. La ricerca dimostra che, accoppiando attentamente la velocità di iniezione con la forza di estrazione, è possibile liberare il gas dalle parti più profonde di una miniera e guidarlo in sicurezza verso la superficie. Questo approccio non si limita a rimuovere il pericolo immediato; fornisce un modo sistematico per prevenire che il gas si accumuli nuovamente a livelli critici, offrendo una soluzione pratica per l'estrazione sicura di filoni di carbone spessi e ricchi di gas.