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

Diep onder de aarde, waar steenkoollagen dik en rijk zijn, ligt een verborgen gevaar dat mijnwerkers al eeuwenlang teistert: de ophoping van onzichtbaar, explosief gas. Wanneer een steenkoollaag wordt afgegraven, stort het dak erboven in, waardoor een enorme, chaotische ruimte ontstaat die gevuld is met gebroken gesteente en puin, bekend als een goaf. Dit puin is niet solide; het is een poreuze spons van gaten en scheuren waar gas, voornamelijk methaan, uit de omringende rots en steenkool sijpelt. Omdat dit gas lichter is dan lucht, stijgt het van nature op en kan het vast komen te zitten in zakken nabij het plafond van de mijn of in de bovenhoeken van het werkgebied. Als er genoeg van dit gas ophoopt en een vonk ontmoet, kan dit een catastrofale explosie veroorzaken. Decennialang hebben ingenieurs geprobeerd dit op te lossen door het gas met krachtige pompen naar buiten te zuigen, maar in enorme, dikke steenkoollagen verbergt het gas zich vaak in diepe, moeilijk bereikbare zakken die standaardpompen niet effectief kunnen leegmaken.

Om dit hardnekkige probleem aan te pakken, richtte een team van onderzoekers van de Xi'an University of Science and Technology en andere instellingen in China zich op een andere strategie: in plaats van alleen te proberen het gas naar buiten te zuigen, besloten ze het weg te duwen. Ze onderzochten een methode die twee acties combineert: het injecteren van stikstofgas in de mijn en het gelijktijdig extraheren van het mengsel met een vacuümpomp. Stikstof is een inert gas, wat betekent dat het niet brandt of explodeert, en het is zwaarder dan methaan. Door stikstof in de onderkant van de ingestorte gesteentezone te pompen, wilden de onderzoekers een opwaartse stroom creëren die het lichtere methaan verdringt, waardoor het omhoog en weg van de arbeiders eronder wordt gedreven. Het doel was om precies te begrijpen hoe deze twee krachten — de duw van de stikstof en de trek van het vacuüm — samenwerken om gas door de complexe, met puin gevulde ondergrondse ruimte te verplaatsen.

De onderzoekers bouwden een gedetailleerd digitaal model van een typische mijngoaf, die een ruimte voorstelt van ongeveer 400 meter hoog, 300 meter breed en 130 meter lang, gevuld met gebroken gesteente. In deze virtuele omgeving simuleerden ze de injectie van stikstof bij verschillende snelheden en de extractie van gas bij verschillende niveaus van zuigkracht. Ze ontdekten dat de snelheid waarmee stikstof werd geïnjecteerd de meest kritieke factor was. Wanneer stikstof langzaam werd ingepompt, bewoog het de gas bijna niet. Echter, naarmate de doorstroomsnelheid toenam, fungeerde de stikstof als een stijgende vloed die diep in het puin drong en het methaan verdrukte. Deze verdringing was zo effectief dat het het bereik van de gasbeweging met meer dan 30 procent vergrootte. De zwaardere stikstof nestelde zich aan de onderkant, waardoor een kussen ontstond dat het lichtere methaan dwong om naar de uiterste bovenkant van de mijnruimte te drijven. Daar hoopte het gas zich op in een koepelvormige structuur, ver weg van het werkfront waar de mijnwerkers opereren.

Hoewel de stikstofinjectie het gas bewoog, was de vacuümpomp nodig om het op te vangen. De onderzoekers ontdekten dat het simpelweg vergroten van de zuigkracht niet altijd hielp; als de zuigkracht te sterk was, kon de stikstof uit de mijn worden gezogen voordat het zijn werk kon doen om het methaan te verdringen. De sleutel lag in het vinden van de juiste balans. Door een wiskundige benadering te gebruiken die 'response surface optimization' wordt genoemd, identificeerde het team een specifieke combinatie van instellingen die het beste werkte: een stikstofinjectiesnelheid van 1,20 meter per seconde gekoppeld aan een extractiezuigdruk van 20 kilopascal. Bij deze specifieke instelling duwde de stikstof het gas diep in de mijn, en trok het vacuüm het mengsel efficiënt naar buiten, waardoor werd voorkomen dat het gas in gevaarlijke zakken bleef zitten. Het model toonde aan dat deze combinatie de gaskoncentratie aanzienlijk meer kon verminderen dan het gebruik van slechts één van beide methoden alleen.

Om te bewijzen dat deze digitale oplossing in de echte wereld werkte, pasten het team de bevindingen toe in een kolenmijn in Xinjiang. Ze installeerden een systeem dat stikstof injecteerde en gas extraheerde met de ontdekte geoptimaliseerde instellingen. Gedurende een periode van 80 dagen monitorden ze de resultaten en vergeleken ze deze met de eerdere prestaties van de mijn. De gegevens toonden een duidelijke verbetering: de hoeveelheid geëxtraheerd puur gas nam met 36 procent toe. Belangrijker nog, het systeem bleef stabiel over de tijd. Zelfs na twee maanden operatie bleef het extractievolume consistent boven de 50 kubieke meter per minuut, een niveau dat met traditionele methoden moeilijk te handhaven was. De stikstof duwde het gas succesvol uit de diepe, verborgen gebieden van de mijn, en de vacuümpomp hield de lucht in het werkgebied veilig.

De studie concludeert dat deze "push-and-pull"-methode een betrouwbare manier biedt om gas te beheren in de meest uitdagende mijnbouwomstandigheden. Door te begrijpen hoe stikstof en vacuümdruk met elkaar interageren, kunnen ingenieurs nu precies voorspellen hoe ze hun apparatuur moeten instellen om mijnen veilig te houden. Het onderzoek toont aan dat het, door de injectiesnelheid zorgvuldig af te stemmen op de sterkte van de extractie, mogelijk is om gas uit de diepste delen van een mijn te verwijderen en het veilig naar de oppervlakte te leiden. Deze aanpak verwijdert niet alleen het onmiddellijke gevaar; het biedt een systematische manier om te voorkomen dat gas ooit weer tot kritieke niveaus ophoopt, wat een praktische oplossing biedt voor de veilige winning van dikke, gasrijke steenkoollagen.