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

Profundamente no subsolo, onde o peso da terra pressiona com uma força esmagadora, veios de carvão frequentemente contêm vastas quantidades de gás natural. Nesses ambientes profundos e de alta pressão, o próprio carvão é tão compactado que o gás não consegue fluir livremente para a superfície. Isso cria uma situação perigosa para os mineradores, pois o gás aprisionado pode irromper subitamente em explosões violentas conhecidas como surtos (outbursts). Para prevenir esses desastres e extrair o gás de forma segura como fonte de combustível, os engenheiros devem primeiro quebrar o carvão para criar caminhos para que o gás escape. No entanto, os métodos tradicionais de quebra de rocha são frequentemente muito brutos ou perigosos para essas camadas delicadas e ricas em gás. Cientistas têm buscado uma maneira de fraturar o carvão de forma eficaz sem os riscos associados aos explosivos convencionais, buscando um método que seja poderoso o suficiente para rachar a rocha, mas controlado o suficiente para ser seguro para o ambiente da mina.

Em um estudo recente, pesquisadores de uma empresa de mineração de carvão e de uma universidade na China investigaram uma técnica chamada fraturamento por transição de fase de dióxido de carbono líquido. Este método utiliza um tubo especializado preenchido com dióxido de carbono líquido. Quando aquecido, o líquido transforma-se rapidamente em gás, expandindo-se com uma força tremenda. Essa expansão acumula pressão dentro do tubo até que um pequeno disco metálico pré-definido na extremidade do tubo se estilhace. Uma vez que o disco se rompe, o gás de alta pressão é liberado instantaneamente, criando uma onda de choque que racha o carvão ao redor. Os pesquisadores queriam saber exatamente até onde esse efeito de rachadura alcança. Se soubessem a distância precisa que a força percorre, poderiam posicionar seus furos de perfuração nos intervalos perfeitos para garantir que toda a área de carvão seja fraturada e que o gás possa ser drenado eficientemente, sem desperdiçar energia ou deixar bolsões perigosos de gás intocados.

Para responder a essa questão, a equipe combinou três abordagens diferentes: cálculos matemáticos, simulações computacionais e testes no mundo real em uma mina profunda. Primeiro, eles calcularam a energia liberada pelo dispositivo. Descobriram que a força da explosão depende da espessura do disco de metal que retém a pressão. Um disco mais espesso requer mais pressão para quebrar, o que resulta em uma liberação de gás mais poderosa. Ao medir a espessura desses discos, os pesquisadores puderam determinar a quantidade exata de energia sendo liberada, expressando-a em termos do peso equivalente de um explosivo padrão chamado TNT. Eles descobriram que alterar a espessura do disco de 3,5 milímetros para 5,5 milímetros aumentou a energia de aproximadamente o equivalente a 117 gramas de TNT para mais de 220 gramas.

Com esses valores de energia em mãos, a equipe recorreu a um modelo de computador para visualizar o que acontece dentro do carvão. Eles criaram uma representação digital de um veio de carvão e simularam o momento em que o gás é liberado. A simulação mostrou que a onda de choque viaja para fora do furo, criando uma zona de danos intensos perto da fonte e uma área mais ampla de rachaduras menores mais longe. Os resultados do computador indicaram que o dano mais significativo ocorre dentro de um raio de cerca de 5 metros, onde o carvão é completamente despedaçado. Além dessa zona imediata, as rachaduras continuam a se espalhar, mas tornam-se menos densas. A simulação sugeriu que, com uma carga de energia menor, a área efetiva onde o carvão é suficientemente quebrado estende-se cerca de 15 metros a partir do furo. Quando aumentaram a carga de energia, essa área efetiva cresceu para quase 18 metros.

Para verificar essas previsões do computador, os pesquisadores levaram seu método para a mina real, especificamente para uma via profunda na área de Mineração TianAn de Pingdingshan. A mina está localizada a quase 1.000 metros de profundidade, onde o carvão está sob imensa pressão e contém altos níveis de gás. Eles perfuraram uma série de furos e instalaram os dispositivos de dióxido de carbono líquido. Em um conjunto de testes, utilizaram uma carga equivalente a 300 gramas de TNT e, em outro conjunto, utilizaram uma carga equivalente a 450 gramas de TNT. Após detonar as cargas, monitoraram o fluxo de gás em furos de drenagem próximos a várias distâncias para ver o quanto a extração de gás melhorou.

Os testes de campo confirmaram que a técnica funciona, mas os resultados do mundo real foram ainda mais impressionantes do que os modelos de computador haviam previsto. Ao utilizar a carga equivalente a 300 gramas, os pesquisadores observaram que a drenagem de gás melhorou significamente em furos localizados entre 16,59 e 23 metros de distância do furo de fraturamento. Quando aumentaram a carga para 450 gramas, o alcance efetivo expandiu-se ainda mais, atingindo distâncias entre 21,08 e 30,16 metros. Isso significa que, simplesmente adicionando mais um tubo de dióxido de carbono líquido ao furo, eles aumentaram o raio de influência efetiva em aproximadamente 30 por cento. Os dados mostraram que o fluxo de gás aumentou dramaticamente nessas zonas, provando que o carvão havia sido fraturado com sucesso para permitir que o gás escapasse.

O estudo conclui que, para veios de carvão profundos com baixa permeabilidade, usar uma carga de energia mais alta é a estratégia mais eficaz. Os pesquisadores recomendam posicionar os furos de perfuração a cerca de 5 metros de distância uns dos outros e utilizar uma carga equivalente a 450 gramas de TNT. Essa combinação garante que as zonas fraturadas de furos adjacentes se sobreponham, criando uma rede contínua de rachaduras que permite a máxima drenagem de gás. Embora as simulações computacionais tenham fornecido uma estimativa de limite inferior útil, os testes de campo reais revelaram que a técnica é capaz de influenciar uma área muito maior do que o inicialmente calculado. Essa descoberta oferece um guia prático e claro para engenheiros de minas: ao ajustar a energia do dispositivo de fraturamento e o espaçamento dos furos, eles podem desbloquear de forma segura e eficiente o gás preso nos veios de carvão mais profundos e difíceis.