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

지표면 깊은 곳, 지구의 무게가 압쇄하는 힘으로 내리누르는 곳에는 석탄층이 종종 막대한 양의 천연가스를 머금고 있습니다. 이러한 깊고 고압적인 환경에서 석탄 자체는 매우 조밀하게 압축되어 있어 가스가 표면으로 자유롭게 흐를 수 없습니다. 이는 광부들에게 위험한 상황을 초화하는데, 갇혀 있던 가스가 갑작스럽게 격렬한 폭발인 '분출(outburst)'을 일으킬 수 있기 때문입니다. 이러한 재난을 방도하고 가스를 연료원으로 안전하게 추출하기 위해, 엔지니어들은 먼저 가스가 빠져나갈 수 있는 통로를 만들기 위해 석탄을 부수어야 합니다. 그러나 암석을 깨뜨리는 전통적인 방식들은 이러한 섬세하고 가스가 풍부한 층에 적용하기에는 너무 투박하거나 위험할 수 있습니다. 과학자들은 기존의 폭약을 사용하는 위험 없이 효과적으로 석탄을 균열시키는 방법을 찾아왔으며, 암석을 깰 만큼 강력하면서도 광산 환경에 안전할 만큼 제어 가능한 방법을 추구해 왔습니다.

최근 한 중국의 대학과 석탄 채굴 기업의 연구진은 액체 이산화탄소 상전이 파쇄(liquid carbon dioxide phase transition fracturing)라고 불리는 기술을 조사했습니다. 이 방법은 액체 이산화탄소가 채워진 특수 튜브를 사용합니다. 열을 가하면 액체가 급격히 기체로 변하며 엄청난 힘으로 팽창합니다. 이 팽창은 튜브 내부의 압력을 높여 튜브 끝에 있는 작고 미리 설정된 금속 디스크를 산산조각 냅니다. 디스크가 깨지면 고압의 가스가 즉각적으로 방출되어 주변의 석탄을 균열시키는 충격파를 생성합니다. 연구진은 이 균열 효과가 정확히 어디까지 도달하는지 알고 싶었습니다. 만약 힘이 전달되는 정확한 거리를 알 수 있다면, 에너지 낭비 없이, 또한 위험한 가스 포켓을 남겨두지 않고도 전체 영역의 석탄을 효과적으로 균열시키기 위해 드릴 구멍을 완벽한 간격으로 배치할 수 있기 때문입니다.

이 질문에 답하기 위해 연구팀은 수학적 계산, 컴퓨터 시뮬레이션, 그리고 실제 심부 광산에서의 현장 테스트라는 세 가지 접근 방식을 결합했습니다. 먼저, 그들은 장치에서 방출되는 에너지를 계산했습니다. 그들은 폭발의 강도가 압력을 견디고 있는 금속 디스크의 두께에 달려 있다는 것을 발견했습니다. 디스크가 두꺼울수록 더 많은 압력이 필요하며, 이는 더 강력한 가스 방출을 초래합니다. 연구진은 이 디스크의 두께를 측정함으로써, 방출되는 정확한 양의 에너지를 표준 폭약인 TNT의 등가 중량으로 표현하여 결정할 수 있었습니다. 그들은 디스크 두께를 3.5mm에서 5.5mm로 변경함에 따라 에너지가 약 117g의 TNT 등가량에서 220g 이상으로 증가한다는 것을 발견했습니다.

이러한 에너지 값을 확보한 후, 팀은 석탄 내부에서 어떤 일이 일어나는지 시각화하기 위해 컴퓨터 모델로 전환했습니다. 그들은 디지털 형태의 석탄층을 만들고 가스가 방출되는 순간을 시뮬레이션했습니다. 시뮬레이션 결과, 충격파는 구멍으로부터 바깥쪽으로 퍼져 나가며, 근원 근처에는 강렬한 손상 구역을, 더 멀리에는 더 넓은 범위의 작은 균열들을 만들어냈습니다. 컴퓨터 결과는 가장 심각한 손상이 약 5m 반경 내에서 발생하며, 이곳의 석탄이 철저히 파쇄된다는 것을 나타냈습니다. 이 즉각적인 구역 너머에서도 균열은 계속 퍼져나가지만, 밀도는 낮아집니다. 시뮬레이션은 더 작은 에너지 전하를 사용할 때, 석탄이 충분히 부서지는 유효 영역이 구멍으로부터 약 15m까지 확장된다고 시사했습니다. 에너지 전하를 높였을 때, 이 유효 영역은 거의 18m까지 성장했습니다.

컴퓨터의 이러한 예측을 검증하기 위해, 연구진은 이 방법을 실제 광산, 구체적으로는 핑딩산 톈안(Pingdingshan TianAn) 탄광 지역의 심부 도로로 가져갔습니다. 이 광산은 지하 약 1,000m 깊이에 위치하며, 이곳의 석탄은 엄청난 압력 아래 있고 높은 수준의 가스를 포함하고 있습니다. 그들은 일련의 구멍을 뚫고 액체 이산화탄소 장치를 설치했습니다. 한 세트의 테스트에서는 300g의 TNT 등가 전하를 사용했고, 다른 세트에서는 450g의 TNT 등가 전하를 사용했습니다. 전하를 터뜨린 후, 그들은 가스 추출이 얼마나 개선되었는지 확인하기 위해 다양한 거리의 인근 배수 구멍에서 가스 흐름을 모니터링했습니다.

현장 테스트는 이 기술이 작동함을 확인해주었으나, 실제 결과는 컴퓨터 모델이 예측했던 것보다 훨씬 더 인상적이었습니다. 300g 등가 전하를 사용했을 때, 연구진은 파쇄 구멍으로부터 16.59m에서 23m 사이에 위치한 구멍들에서 가스 배수가 유의미하게 개선되는 것을 관찰했습니다. 전하를 450g으로 높였을 때, 유효 범위는 더 확장되어 21.08m에서 30.16m 사이의 거리까지 도달했습니다. 이는 단순히 구멍에 액체 이산화탄소 튜브를 하나 더 추가함으로써 유효 영향 반경을 약 30% 증가시켰음을 의미합니다. 데이터는 이 구역에서 가스 흐름이 급격히 증가했음을 보여주었으며, 이는 석탄이 가스 배출을 위해 성공적으로 균열되었음을 입증했습니다.

연구는 투과율이 낮은 심부 석탄층의 경우, 더 높은 에너지 전하를 사용하는 것이 가장 효과적인 전략이라고 결론짓습니다. 연구진은 드릴 구멍을 약 5m 간격으로 배치하고 450g의 TNT 등가 전하를 사용할 것을 권장합니다. 이 조합은 인접한 구멍들로부터 발생하는 균열 구역이 서로 겹치게 하여, 최대 가스 배출을 가능하게 하는 연속적인 균열 네트워크를 형성합니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 유용한 하한선 추정치를 제공했지만, 실제 현장 테스트는 이 기술이 처음에 계산된 것보다 훨씬 더 넓은 영역에 영향을 미칠 수 있음을 밝혀냈습니다. 이 발견은 광산 엔지니어들에게 명확하고 실용적인 지침을 제공합니다. 즉, 파쇄 장치의 에너지와 구멍의 간격을 조정함으로써, 그들은 가장 깊고 다루기 어려운 석탄층에 갇힌 가스를 안전하고 효율적으로 열 수 있습니다.