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

石炭層が厚く豊かな地中深くには、何世紀にもわたって炭鉱労働者を苦しめてきた隠れた危険、すなわち目に見えない爆発性ガスの蓄積が存在します。石炭層が採掘されると、その上部の屋根が崩落し、「ゴーフ（採掘跡）」と呼ばれる、砕けた岩石や瓦礫で満たされた広大で混沌とした空間が形成されます。この瓦礫は固形ではなく、隙間や亀裂が入り込んだ多孔質のスポンジのような状態であり、そこから周囲の岩石や石炭からメタンを中心としたガスが染み出してきます。このガスは空気よりも軽いため、自然に上昇し、坑内の天井付近や作業エリアの上部コーナーに閉じ込められることがあります。もし、このガスが十分に蓄積し、火花に触れると、壊滅的な爆塞を引き起こす可能性があります。数十年にわたり、技術者たちは強力なポンプでガスを吸い出すことでこの問題を解決しようとしてきましたが、巨大で厚い石炭層においては、標準的なポンプでは効果的に除去できない、深く到達困難なポケットにガスが隠れてしまうことがよくあります。

この根深い問題に取り組むため、西安科技大学および中国のその他の機関の研究チームは、異なる戦略へと目を向けました。単にガスを吸い出すのではなく、「押し出す」という方法を検討したのです。彼らは、窒素ガスを坑内に注入すると同時に、真空ポンプでその混合物を抽出するという、二つの動作を組み合わせた手法を調査しました。窒素は不活性ガスであり、燃焼したり爆発したりしないことを意味し、またメタンよりも重い性質を持っています。研究者たちは、崩落した岩石帯の底部に窒素を送り込むことで、上昇気流を作り出し、より軽いメタンを押し上げ、作業員の下方から遠ざけることを目的としました。その狙いは、窒素による「押し」の力と、真空による「引き」の力が、複雑で瓦礫に満ちた地下空間の中でどのように作用してガスを移動させるのか、その仕組みを正確に理解することにありました。

研究チームは、典型的な坑内のゴーフの詳細なデジタルモデルを構築しました。これは、高さ約400メートル、幅300メートル、長さ130メートルで、砕けた岩石で満たされた空間を表しています。この仮想環境において、彼らは様々な速度での窒素注入と、様々なレベルの吸引力によるガス抽出をシミュレーションしました。その結果、窒素を注入する速度が最も重要な要因であることが判明しました。窒素をゆっくりとポンプ注入する場合、ガスの移動はほとんど起こりませんでした。しかし、流量が増加するにつれて、窒素は上昇する潮のように振る舞い、瓦礫の奥深くへと入り込み、メタンを押し退けました。この置換効果は非常に効果的で、ガスの移動範囲を30パーセント以上拡大させました。重い窒素が底部に沈み込み、クッションのような役割を果たすことで、軽いメタンを坑内の最上部へと押し上げたのです。その結果、ガスは作業面から遠く離れた場所に、ドーム状の形で蓄積されました。

窒素の注入はガスを動かしましたが、それを捕まえるためには真空ポンプが必要でした。研究者たちは、単に吸引力を強めるだけでは必ずしも効果的ではないことを発見しました。もし吸引力が強すぎると、メタンを押し退けるという役割を果たす前に、窒素自体が坑外へ吸い出されてしまう可能性があるからです。鍵となるのは、適切なバランスを見つけることでした。「応答曲面法」と呼ばれる数学的手法を用いることで、チームは最適な設定の組み合わせを特定しました。それは、窒沢注入速度1.20メートル毎秒と、抽出吸引圧20キロパスカルの組み合わせです。この特定の条件下では、窒素がガスの奥深くまで押し込み、真空が混合物を効率的に引き抜くことで、ガスが危険なポケットに停滞することを防ぎました。モデルによれば、この組み合わせは、どちらか一方の手法を用いるよりも大幅にガス濃度を低下させることができました。

このデジタルによる解決策が現実世界でも機能することを証明するため、チームは新疆ウイグル自治区の炭鉱にこの知見を適用しました。彼らは、発見した最適化された設定を用いて、窒素を注入しガスを抽出するシステムを設置しました。80日間にわたり、彼らはその結果を監視し、その炭鉱の以前のパフォーマンスと比較しました。データは明確な改善を示しました。純粋なガスの抽出量は36パーセント増加しました。さらに重要なことに、このシステムは長期間にわたって安定していました。2ヶ月間の稼働後も、抽出量は一貫して毎分50立方メートルを上回っており、これは従来の方法では維持が困難だったレベルです。窒素は、坑内の深く隠れた領域からガスを押し出すことに成功し、真空ポンプが作業エリアの空気を安全に保ちました。

本研究は、この「押し引き（push-and-pull）」の手法が、最も困難な採掘条件下においてガスを管理するための信頼できる方法であることを結論付けています。窒素と真空圧がどのように相互作用するかを理解することで、エンジニアは今や、坑内の安全を守るために機器をどのように設定すべきかを正確に予測できるようになりました。この研究は、注入速度と抽出強度を注意深く一致させることで、炭鉱の最も深い部分からガスを排出し、安全に地上へと導くことが可能であることを示しています。このアプローチは、単に目の前の危険を取り除くだけでなく、ガスが再び臨界レベルまで蓄積することを防ぐための体系的な方法を提供し、厚くガスが豊富な石炭層の安全な採掘に対する実用的な解決策を提示しています。