Experimentelle Studie zur Auswirkung der Aufprallzielentfernung auf die Kohlezertrümmerungseffizienz eines hochdruck Gas‑Flüssig‑Zweiphasenstrahls

Kohle aufbrechen mit intelligenteren Wasser‑ und Luftstrahlen

Tiefe Kohlebergwerke stehen vor einer doppelten Herausforderung: eingeschlossenes Gas sicher freisetzen und gleichzeitig die Felsstabilität sowie die Produktionseffizienz bewahren. Diese Studie untersucht ein vielversprechendes Werkzeug dafür — einen kraftvollen Strahl aus Wasser und Druckluft — und stellt eine einfache, aber entscheidende Frage: Wie weit sollte die Kohle von der Düse entfernt sein, damit der Strahl die Kohle effizient bricht und das Gas entweichen kann?

Warum Kohlegas unter Tage wichtig ist

Kohlenflöze enthalten häufig große Mengen Methangas. Wird dieses Gas nicht vorher abgebaut, kann es plötzlich in Stollen austreten, die Beschäftigten gefährden und den Betrieb stören. Aktuelle Methoden wie Hydrofracking mit Hochdruckwasser können den Gasdurchfluss verbessern, verbrauchen jedoch viel Wasser, haben Schwierigkeiten, zerkleinertes Gestein aus Bohrlöchern zu entfernen, und erreichen möglicherweise nicht sehr weit in das Flöz hinein. Ingenieure suchen daher nach Techniken, die Kohle effektiver aufbrechen, weniger Wasser benötigen und zerbrochene Partikel sowie Gas aus dem Flöz besser abtransportieren.

Ein neuer Strahltyp für harte Kohle

Die Untersuchung konzentriert sich auf einen „Gas‑Flüssig‑Zweiphasenstrahl“, bei dem Druckluft und Hochdruckwasser vermischt und durch eine kleine Düse auf einen kohleähnlichen Block gerichtet werden. Im Vergleich zu einem reinen Wasserstrahl hat dieser gemischte Strahl eine größere Aufprallfläche, einen geringeren Wasserverbrauch und eine starke Fähigkeit, zerkleinerte Partikel wegzuführen. Frühere Arbeiten deuteten darauf hin, dass ein derartiger Strahl Gestein und Kohle bis zu etwa eineinhalb Mal effektiver zerkleinern kann als reines Wasser. Unklar blieb jedoch eine zentrale Frage: In welcher Entfernung von der Düse arbeitet der Strahl am besten, um Kohle zu sprengen und Strömungspfade für Gas zu öffnen?

Messung von Aufprall und Erosion des Strahls

Um das zu beantworten, baute der Autor ein spezielles Prüfsystem mit leistungsfähigen Pumpen für Wasser und Luft, einer Mischvorrichtung und Düse sowie einem Prüfstand für kohleähnliche Proben. Dutzende Drucksensoren zeichneten auf, wie der Strahl ein flaches Ziel in Abständen von 10–30 Zentimetern traf und zeigten, wie Aufprallkraft und Aufprallfläche sich über die Zeit veränderten. Anschließend wurde der Strahl in größeren Entfernungen von 65–85 Zentimetern für eine Minute bei festen Drücken auf kohleähnliche Blöcke geschossen, und die entstehenden Erosionsmulden wurden in Tiefe, Breite und Volumen vermessen. Zusätzliche Tests variierten den Strahldruck bei konstanter Entfernung, um zu sehen, wie viel zusätzliche Leistung tatsächlich in mehr Materialabtrag umgesetzt wird.

Kurze Reichweite für tiefe Risse, lange Reichweite für breite Pfade

Die Experimente zeigten, dass das Hinzufügen von Luft einen gleichmäßigen Wasserstrahl in einen pulsierenden Hammer verwandelt: Der Druck am Ziel steigt und fällt schnell, wobei die Pulsrate mit der Entfernung kaum verändert wird. Während der Strahl längere Wege zurücklegt, führen Luftmischung und Turbulenzen zu stärkeren Druckschwankungen, doch die höchsten Drücke bleiben im Bereich von 10–30 Zentimetern vergleichbar. Der reine Wasserstrahl bleibt kompakt und fokussiert, während der gemischte Strahl sich ausbreitet und seine Aufprallfläche mit zunehmender Entfernung deutlich wächst. Bei den in den Erosionstests verwendeten größeren Entfernungen schneidet der gemischte Strahl weiterhin spürbare Löcher in die kohleähnlichen Blöcke. Mit zunehmender Entfernung werden die Mulden jedoch flacher und das Volumen kleiner, während sie gleichzeitig breiter werden. Die Studie identifiziert außerdem einen optimalen Bereich beim Verhältnis von Luft‑ zu Wasserdruck — zu wenig Luft verschwendet Potenzial, zu viel Luft lässt den Strahl die Fokussierung verlieren und reduziert den Gesamtabtrag.

Besseres Design für Gasentwässerungsbohrlöcher

Aus diesen Mustern leitet der Autor einfache Richtlinien für den Feldeinsatz ab. Wenn das Ziel darin besteht, tiefe Frakturen in die Kohle zu treiben, sodass das Gas lange, gerade Wege nach außen hat, sollte die Düse relativ nah an der Kohleoberfläche gehalten werden, in der untersuchten Anordnung etwa 65 Zentimeter. Wenn stattdessen vorrangig eine breite geschädigte Zone geschaffen werden soll, die die Gesamtpermeabilität verbessert, erzielt eine größere Entfernung von etwa 80 Zentimetern eine größere betroffene Fläche, obwohl jeder Punkt weniger intensiv erodiert wird. Innerhalb dieses wirksamen Bereichs führt eine Erhöhung des Strahldrucks zu einem deutlichen Anstieg des abgetragenen Materials, was darauf hindeutet, dass die Technologie an verschiedene Kohlearten und Bergbaubedürfnisse angepasst werden kann.

Was das für sichereren, saubereren Bergbau bedeutet

Alltäglich ausgedrückt zeigt die Studie, dass das Beimischen von Luft in Hochdruckwasser einen schmalen „Bohrer“ aus Wasser in eine pulsierende Meißel‑und‑Besen‑Kombination verwandeln kann — die Kohle aufbricht, lockert und hilft, Gas und Schutt aus dem Flöz herauszufegen. Durch die gezielte Wahl des Abstands zwischen Düse und Kohle sowie der Luft‑ und Wasserdrücke können Bergbauingenieure entweder tiefere Kanäle graben oder breitere Leckwege für Gas schaffen. Dieses Verständnis von Entfernung und Strahlverhalten liefert praktische Regeln für die Auslegung sichererer und effizienterer Gasentwässerungssysteme in tiefen Kohlebergwerken.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Steinkohlenflözmethan, Wasserstrahl, Gas‑Flüssig‑Strahl, Untertagebau, Gesteins Erosion