دراسة تجريبية حول تأثير مسافة هدف الاصطدام على كفاءة تكسير الفحم بواسطة نفاثة ثنائية الطور غاز–سائل عالية الضغط

تكسير الفحم بنفاثات ماء وهواء أكثر ذكاءً

تواجه المناجم العميقة تحديًا مزدوجًا: تحرير الغاز المحتبس بأمان مع الحفاظ على استقرار الصخور وكفاءة الإنتاج. تستكشف هذه الدراسة أداة واعدة لهذه المهمة — نفاثة قوية تتكون من الماء والهواء المضغوط — وتطرح سؤالًا بسيطًا لكنه حاسم: ما المسافة المثلى بين الفحم والفوهة لكي تكسر النفاثة الفحم بكفاءة وتساعد على خروج الغاز؟

لماذا يهم غاز الفحم تحت الأرض

تحتوي طبقات الفحم غالبًا على كميات كبيرة من غاز الميثان. إذا لم يُصرف هذا الغاز مسبقًا، فقد يتسرب فجأة إلى أنفاق المناجم، مهددًا العمال ويعطل العمليات. يمكن لطرق حالية، مثل التكسير الهيدروليكي بالماء عالي الضغط، تحسين تدفق الغاز لكنها تستهلك كميات كبيرة من الماء، وتواجه صعوبة في إزالة الصخور المكسورة من الآبار، وقد لا تصل بعيدًا داخل الفحم. لذا يبحث المهندسون عن تقنيات تكسر الفحم بفعالية أكبر، وتستخدم ماء أقل، وتساعد على إخراج الحطام والغاز من الطبقة.

نوع جديد من النفاثات للفحم الصلب

تركز الدراسة على «نفاثة ثنائية الطور غاز–سائل»، حيث يُمزج الهواء المضغوط مع الماء عالي الضغط ويُدفعان عبر فوهة صغيرة نحو كتلة شبيهة بالفحم. بالمقارنة مع النفاثة المائية النقية، تتميز النفاثة المختلطة بمنطقة ارتطام أكبر، واستهلاك ماء أقل، وقدرة قوية على حمل الجسيمات المكسورة بعيدًا. أشارت أعمال سابقة إلى أن هذا النوع من النفاثات يمكنه تكسير الصخور والفحم بفعالية أكبر بنحو مرة ونصف مقارنة بالماء وحده. لكن سؤالًا رئيسيًا ظل مفتوحًا: عند أي مسافة من الفوهة تعمل النفاثة بأفضل شكل لفتح شقوق في الفحم ومسارات لمرور الغاز؟

قياس كيف تصطدم النفاثة وتُحدث تآكلًا

للإجابة، بنى الباحث نظام اختبار مخصصًا بمضخات قوية للماء والهواء، وجهاز خلط وفوهة، ومنصة اختبار تثبت عينات شبيهة بالفحم. سجّلت عشرات الحساسات الضغط كيف صدمت النفاثة هدفًا مستويًا عند مسافات 10–30 سنتيمترًا، كاشفة كيف تغيرت قوة التأثير ومساحة الاصطدام مع الزمن. ثم، عند مسافات أطول 65–85 سنتيمترًا، أُطلقت النفاثة على كتل شبيهة بالفحم لمدة دقيقة بضغوط ثابتة، وقيس عمق الحفر وعرضها وحجمها الناتج. اختبارات إضافية غيرت ضغط النفاثة مع إبقاء المسافة ثابتة لرصد مقدار الطاقة الإضافية التي تُترجم فعليًا إلى مزيد من إزالة الفحم.

مدى قصير للشقوق العميقة، ومدى طويل للمسارات العريضة

أظهرت التجارب أن إضافة الهواء يحول النفاثة المائية المستمرة إلى مطرقة نابضة: يرتفع الضغط عند الهدف وينخفض بسرعة، لكن معدل هذه النبضات يتغير بالكاد مع المسافة. مع تزايد المسافة، يؤدي اختلاط الهواء والاضطراب إلى تقلبات أكبر في الضغط، ومع ذلك تبقى أعلى الضغوط مماثلة ضمن مجال 10–30 سنتيمترًا. تبقى النفاثة المائية مركزة ومتماسكة، بينما تنتشر النفاثة المختلطة، فتزداد مساحة الاصطدام بسرعة مع المسافة. عند المديات الأطول المستخدمة في اختبارات التآكل، لا تزال النفاثة المختلطة تقطع حفرًا ملحوظة في الكتل الشبيهة بالفحم. ومع ذلك، كلما زادت المسافة تصبح الحفر أضحل وأصغر حجمًا، حتى وإن اتسعت قطرًا. وتجد الدراسة أيضًا نقطة توازن في نسبة ضغط الهواء إلى الماء — قلة الهواء تهدر الإمكانات، لكن الزيادة المفرطة تفقد النفاثة تركيزها وتقلل التآكل الكلي.

تصميم آبار صرف غاز أفضل

من هذه الأنماط يقترح الباحث إرشادات بسيطة للاستخدام الميداني. إذا كان الهدف هو دفع شقوق عميقة في الفحم حتى تتوفر مسارات طويلة ومباشرة لخروج الغاز، فيجب إبقاء الفوهة قريبة نسبيًا من واجهة الفحم، نحو 65 سنتيمترًا في الإعداد المختبر. أما إذا كانت الأولوية فتح منطقة تضرر واسعة تحسن النفاذية العامة، فمَسافة أطول تقارب 80 سنتيمترًا تعطي مساحة متأثرة أكبر، رغم أن كل نقطة تتآكل بشكل أقل كثافة. ضمن هذا النطاق الفعال، يؤدي رفع ضغط النفاثة إلى زيادة ملحوظة في كمية الفحم المزال، مما يشير إلى أن التقنية قابلة للتعديل وفقًا لأنواع الفحم واحتياجات التعدين المختلفة.

ما يعنيه هذا لتعدين أكثر أمانًا ونظافة

بشكل مبسط، تُظهر الدراسة أن خلط الهواء بالماء عالي الضغط يمكن أن يحول «مثقاب» مائي ضيق إلى زجاجة نابضة تجمع بين إزميل ومِقشة — تشقق الفحم وتُرخّيه وتساعد على كنس الغاز والحطام خارج الطبقة. من خلال اختيار المسافة بين الفوهة والفحم بعناية وضبط ضغوط الهواء والماء، يمكن لمهندسي المناجم إما حفر قنوات أعمق أو خلق مسارات تسرب أوسع للغاز. يوفر هذا الفهم لسلوك النفاثة والمسافة قواعد عملية لتصميم أنظمة صرف غاز أكثر أمانًا وكفاءة في المناجم العميقة للفحم.

الاستشهاد: Li, Y. Experimental study on the effect of impact target distance on coal breaking efficiency of high-pressure gas–liquid two-phase jet. Sci Rep 16, 6307 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36207-9

الكلمات المفتاحية: ميثان طبقات الفحم, نفاثة مائية, نفاثة غاز–سائل, التعدين تحت الأرض, تآكل الصخور