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

地中深く、地球の重みが押しつぶすような力で圧力をかける場所では、石炭層が膨大な量の天然ガスを保持していることがよくあります。このような深部の高圧環境では、石炭自体が非常に密に詰まっているため、ガスが自由に地表へと流れることができません。これは炭鉱労働者にとって危険な状況を生み出します。なぜなら、閉じ込められたガスが突発的に激しい爆発（出ガス現象）を引き起こす可能性があるからです。こうした災害を防ぎ、燃料としてのガスを安全に抽出するために、エンジニアはまず石炭を砕いて、ガスが逃げるための経路を作る必要があります。しかし、従来の岩石破砕法は、こうしたデリケートでガスを多く含む層に対しては、あまりに無骨すぎるか、あるいは危険すぎることがあります。科学者たちは、従来の爆薬に伴うリスクなしに、効果的に石炭を破砕する方法を求めてきました。つまり、岩石を割るのに十分な力強さを持ちつつ、炭鉱環境において安全であるほど制御された手法を探していたのです。

最近の研究において、中国の炭鉱会社と大学の研究チームは、「液化二酸化炭素相転移破砕」と呼ばれる技術について調査を行いました。この手法は、液化二酸化炭素を満たした特殊なチューブを使用します。加熱されると、液体は急速にガスへと変化し、凄まじい力で膨張します。この膨張によってチューブ内部に圧力が蓄積され、チューブの端にあるあらかじめ設定された小さな金属製の円盤が粉砕されます。円盤が壊れると、高圧ガスが一瞬にして放出され、衝撃波が発生して周囲の石炭をひび割れさせます。研究者たちは、このひび割れ効果が正確にどこまで及ぶのかを知りたいと考えました。もし力の伝わる正確な距離を知ることができれば、エネルギーを無駄にしたり、危険なガスの塊を残したりすることなく、全域の石炭を確実に破砕し、ガスを効率的に排出できるよう、掘削孔を最適な間隔で配置できるからです。

この問いに答えるため、チームは数学的計算、コンピュータ・シミュレーション、そして深い炭鉱での実地試験という3つの異なるアプローチを組み合わせました。まず、装置によって放出されるエネルギーを計算しました。その結果、爆発の強さは圧力を抑えている金属円盤の厚みに依存することが分かりました。円盤が厚ければ厚いほど、より多くの圧力を必要とし、その結果、ガスの放出がより強力になります。これらの円盤の厚さを測定することで、研究者たちは放出される正確なエネルギー量を、標準的な爆薬であるTNTの等価重量として算出することができました。彼らは、円盤の厚さを3.5ミリメートルから5.5ミリメートルに変更すると、エネルギーが約117グラムのTNT相当から220グラム超へと増加することを発見しました。

これらのエネルギー値を得たチームは、コンピュータモデルを用いて、石炭内部で何が起きているかを可視化することに乗り出しました。彼らはデジタル上の石炭層を作成し、ガスが放出される瞬間をシミュレートしました。シミュレーションの結果、衝撃波は孔から外側に向かって伝わり、発生源の近くには激しい損傷ゾーンを作り、さらに離れた場所にはより広範囲の小さな亀裂を作る様子が示されました。コンピュータの結果によれば、最も顕著な損傷は半径約5メートルの範囲内で発生し、そこでは石炭が徹底的に粉砕されます。この直接的なゾーンを超えると、亀裂は広がり続けますが、その密度は低くなります。シミュレーションは、より小さなエネルギー電荷を用いた場合、石炭が十分に破砕される有効な領域は孔から約15メートルの範囲に及ぶことを示唆しました。エネルギー電荷を増大させると、この有効な領域は18メートル近くまで拡大しました。

コンピュータによる予測を検証するため、研究者たちはこの手法を実際の炭鉱、具体的には平鼎山天安炭鉱エリアの深い坑道へと持ち込みました。この炭鉱は地下約1,000メートルの場所に位置しており、石炭は巨大な圧力の下にあり、高濃度のガスを含んでいます。彼らは一連の孔を掘削し、液化二酸化炭素装置を設置しました。一連のテストでは、一方のセットでは300グラム相当の電荷を使用し、もう一方のセットでは450グラム相当の電荷を使用しました。電荷を作動させた後、彼らは破砕孔から様々な距離にある近接の排水孔におけるガスの流量を監視し、ガスの排出がどの程度改善されたかを確認しました。

現場でのテストにより、この技術が機能することが確認されましたが、実際の結果はコンピュータモデルの予測よりもさらに素晴らしいものでした。300グラム相当の電荷を使用した際、研究者たちは、破砕孔から16.59メートルから23メートルの間にある孔において、ガス排水が大幅に改善されることを観察しました。電荷を450グラムに増やすと、有効範囲はさらに広がり、21.08メートルから30.16メートルの距離にまで達しました。これは、液化二酸化炭素のチューブをたった1本追加するだけで、有効な影響半径を約30パーセント増加させられることを意味しています。データは、これらのゾーンにおいてガス流量が劇的に増加したことを示しており、石炭が正常に破砕されてガスが逃げやすくなったことを証明しました。

本研究は、浸透率の低い深部石炭層においては、より高いエネルギー電荷を使用することが最も効果的な戦略であると結論付けています。研究者たちは、掘削孔の間隔を約5メートルとし、450グラムのTNT相当の電荷を使用することを推奨しています。この組み合わせにより、隣接する孔からの破砕ゾーンが重なり合い、連続した亀裂のネットワークが形成され、最大限のガス排水が可能になります。コンピュータ・シミュレーションは有用な下限推定値を提供しましたが、実際の実地テストは、この技術が当初の計算よりもはるかに広い範囲に影響を及ぼす能力があることを明らかにしました。この知見は、炭鉱エンジニアに対し、明確で実践的なガイドを提供します。すなわち、破砕装置のエネルギーと孔の間隔を調整することで、最も深く、最も困難な石炭層に閉じ込められたガスを、安全かつ効率的に解き放つことができるのです。