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

Diep onder de grond, waar het gewicht van de aarde met verpletterende kracht naar beneden drukt, bevatten steenkoollagen vaak grote hoeveelheden aardgas. In deze diepe, hoogwaardige omgevingen is de steenkool zelf zo compact samengeperst dat het gas niet vrij naar het oppervlak kan stromen. Dit creëert een gevaarlijke situatie voor mijnwerkers, aangezien gevangen gas plotseling kan uitbarsten in gewelddadige explosies die bekend staan als uitbraken. Om deze rampen te voorkomen en het gas veilig als brandstofbron te extraheren, moeten ingenieurs eerst de steenkool verbrijzelen om paden te creëren waar het gas doorheen kan ontsnappen. Traditionele methoden om gesteente te breken zijn echter vaak te lomp of gevaarlijk voor deze delicate, gasrijke lagen. Wetenschappers zoeken al een tijd naar een manier om de steenkool effectief te breken zonder de risico's die gepaard gaan met conventionele explosieven, op zoek naar een methode die krachtig genoeg is om het gesteente te doen barsten, maar gecontroleerd genoeg om veilig te zijn in de mijnbouwomgeving.

In een recente studie onderzochten onderzoekers van een steenkoolmijnbedrijf en een universiteit in China een techniek genaamd vloeibare koolstofdioxide faseovergangsbreking. Deze methode maakt gebruik van een gespecialiseerde buis gevuld met vloeibare koolstofdioxide. Wanneer deze wordt verhit, verandert de vloeistof snel in een gas, waarbij het met enorme kracht uitzet. Deze expansie bouwt druk op in de buis totdat een kleine, vooraf ingestelde metalen schijf aan het uiteinde van de buis versplintert. Zodra de schijf breekt, wordt het hoogwaardige gas onmiddellijk vrijgelaten, wat een schokgolf creëert die het omliggende gesteente doet barsten. De onderzoekers wilden precies weten hoe ver dit brekingseffect reikt. Als zij de exacte afstand wisten die de kracht aflegt, zouden zij hun boorgaten op de perfecte intervallen kunnen plaatsen om ervoor te zorgen dat het gehele gebied van de steenkool wordt gebroken en het gas efficiënt kan worden afgevoerd, zonder energie te verspillen of gevaarlijke gaszakken ongemoeid te laten.

Om deze vraag te beantwoorden, combineerde het team drie verschillende benaderingen: wiskundige berekeningen, computersimulaties en praktijktesten in een diepe mijn. Eerst berekenden ze de energie die door het apparaat wordt vrijgegeven. Ze ontdekten dat de sterkte van de explosie afhangt van de dikte van de metalen schijf die de druk tegenhoudt. Een dikkere schijf vereist meer druk om te breken, wat resulteert in een krachtigere gasvrijgave. Door de dikte van deze schijven te meten, konden de onderzoekers de exacte hoeveelheid vrijgekomen energie bepalen, uitgedrukt in het equivalent gewicht van een standaard explosief genaamd TNT. Ze ontdekten dat het veranderen van de dikte van de schijf van 3,5 millimeter naar 5,5 millimeter de energie verhoogde van ongeveer het equivalent van 117 gram TNT naar meer dan 220 gram.

Met deze energiewaarden in handen, richtte het team zich op een computermodel om te visualiseren wat er binnen de steenkool gebeurt. Ze maakten een digitale representatie van een steenkoollaag en simuleerden het moment waarop het gas wordt vrijgelaten. De simulatie toonde aan dat de schokgolf naar buiten reist vanuit het gat, waarbij een zone van intense schade dicht bij de bron creëert en een breder gebied met kleinere scheuren verder weg. De computerresultaten gaven aan dat de meest significante schade plaatsvindt binnen een straal van ongeveer 5 meter, waar de steenkool grondig wordt verbrijzeld. Buiten deze onmiddellijke zone verspreiden de scheuren zich verder, maar ze worden minder dicht. De simulatie suggereerde dat met een kleinere energie lading het effectieve gebied waar de steenkool voldoende gebroken is, zich ongeveer 15 meter van het gat uitstrekt. Wanneer ze de energie lading verhoogden, groeide dit effectieve gebied naar bijna 18 meter.

Om deze computervoorspellingen te verifiëren, namen de onderzoekers hun methode mee naar de werkelijke mijn, specif으로 naar een diepe gang in het Pingdingshan TianAn kolenmijngebied. De mijn bevindt zich bijna 1.000 meter onder de grond, waar de steenkool onder enorme druk staat en hoge concentraties gas bevat. Ze boorden een reeks gaten en installeerden de vloeibare koolstofdioxide apparaten. In één reeks tests gebruikten ze een lading gelijk aan 300 gram TNT, en in een andere reeks gebruikten ze een lading gelijk aan 450 gram TNT. Nadat de ladingen waren afgegaan, monitorden ze de gasstroom in nabijgelegen afwateringsgaten op verschillende afstanden om te zien hoeveel de gasextractie verbeterde.

De veldtesten bevestigden dat de techniek werkt, maar de resultaten in de echte wereld waren nog indrukwekkender dan de computermodellen hadden voorspeld. Bij het gebruik van een lading gelijk aan 300 gram TNT, observeerden de onderzoekers dat de gasafwatering aanzienlijk verbeterde in gaten die zich tussen de 16,59 en 23 meter van het breukgat bevonden. Wanneer ze de lading verhoogden naar 450 gram TNT, breidde het effectieve bereik zich verder uit, tot afstanden tussen de 21,08 en 30,16 meter. Dit betekent dat door simpelweg één extra buis met vloeibare koolstofdioxide in het gat toe te voegen, ze de effectieve invloedsradius met ongeveer 30 procent hebben vergroot. De gegevens toonden aan dat de gasstroom in deze zones drastisch toenam, wat bewees dat de steenkool succesvol was gebroken om het gas te laten ontsnappen.

De studie concludeert dat voor diepe steenkoollagen met een lage permeabiliteit het gebruik van een hogere energie lading de meest effectieve strategie is. De onderzoekers bevelen aan om de boorgaten ongeveer 5 meter uit elkaar te plaatsen en een lading te gebruiken die gelijk is aan 450 gram TNT. Deze combinatie zorgt ervoor dat de gebroken zones van aangrenzende gaten overlappen, waardoor een continu netwerk van scheuren ontstaat dat maximale gasafvoer mogelijk maakt. Hoewel de computersimulaties een nuttige ondergrens boden, toonden de werkelijke veldtesten aan dat de techniek in staat is een veel groter gebied te beïnvloeden dan aanvankelijk berekend. Deze bevinding biedt een duidelijke, praktische gids voor mijnbouwingen: door de energie van het brekingsapparaat en de afstand tussen de gaten aan te passen, kunnen zij veilig en efficiënt het gas dat gevangen zit in de diepste, meest moeilijk bereikbare steenkoollagen ontsluiten.