Estudio experimental sobre el efecto de la distancia de impacto en la eficiencia de rotura del carbón de un chorro bifásico gas–líquido de alta presión

Rompiendo el carbón con chorros de agua y aire más inteligentes

Las minas de carbón profundas afrontan un doble reto: liberar de forma segura el gas atrapado mientras se mantiene la estabilidad de la roca y la eficiencia de producción. Este estudio explora una herramienta prometedora para esa tarea: un chorro potente compuesto de agua y aire comprimido, y plantea una pregunta simple pero crucial: ¿a qué distancia debe estar el carbón de la boquilla para que el chorro rompa el carbón de forma eficiente y facilite la salida del gas?

Por qué importa el gas del carbón en el subsuelo

Los mantos de carbón suelen contener grandes cantidades de metano. Si ese gas no se drena previamente, puede liberarse de forma súbita en las galerías de la mina, poniendo en peligro a los trabajadores y perturbando las operaciones. Los métodos actuales, como la fracturación hidráulica con agua a alta presión, pueden mejorar el flujo de gas pero consumen mucha agua, tienen dificultades para eliminar los fragmentos de roca de los sondeos y pueden no alcanzar muy lejos en el carbón. Por ello, los ingenieros buscan técnicas que rompan el carbón con más eficacia, usen menos agua y ayuden a evacuar los escombros y el gas del manto.

Un nuevo tipo de chorro para carbones resistentes

La investigación se centra en un “chorro bifásico gas–líquido”, donde aire comprimido y agua a alta presión se mezclan y se expulsan por una pequeña boquilla hacia un bloque similar al carbón. En comparación con un chorro de agua puro, este chorro mixto tiene un área de impacto mayor, menor consumo de agua y una fuerte capacidad para transportar las partículas rotas. Trabajos previos sugirieron que este tipo de chorro puede romper roca y carbón hasta aproximadamente una vez y media más eficazmente que el agua sola. Pero quedaba una incógnita clave: ¿a qué distancia de la boquilla actúa mejor el chorro para agrietar el carbón y abrir vías de flujo para el gas?

Midiendo cómo impacta y erosiona el chorro

Para responder a esto, el autor construyó un sistema de ensayo dedicado con bombas potentes para agua y aire, un dispositivo de mezcla y boquilla, y una bancada de prueba que sostiene especímenes semejantes al carbón. Decenas de sensores de presión registraron cómo el chorro golpeaba un objetivo plano a distancias de 10 a 30 centímetros, revelando cómo la fuerza de impacto y el área de impacto cambiaban con el tiempo. Luego, a distancias mayores de 65 a 85 centímetros, el chorro se disparó contra bloques semejantes al carbón durante un minuto a presiones fijas, y las cuencas de erosión resultantes se midieron en profundidad, anchura y volumen. Ensayos adicionales variaron la presión del chorro manteniendo la distancia fija para ver cuánto del aumento de potencia se traducía en más remoción de carbón.

Corto alcance para grietas profundas, largo alcance para vías anchas

Los experimentos mostraron que añadir aire convierte un chorro continuo de agua en un martillo pulsante: la presión en el objetivo sube y baja rápidamente, aunque la frecuencia de estos pulsos apenas cambia con la distancia. A medida que el chorro viaja más lejos, la mezcla con el aire y la turbulencia hacen que la presión fluctúe más, sin embargo las presiones máximas se mantienen similares dentro de los 10–30 centímetros. El chorro solo de agua permanece compacto y concentrado, mientras que el chorro mixto se dispersa, con su área de impacto creciendo bruscamente al aumentar la distancia. En los rangos mayores usados en las pruebas de erosión, el chorro mezclado aún corta huecos apreciables en los bloques semejantes al carbón. No obstante, al aumentar la distancia, las cuencas se vuelven más superficiales y de menor volumen, aunque más anchas. El estudio también identifica un punto óptimo en la relación entre presión de aire y agua: muy poco aire desaprovecha el potencial, pero demasiado hace que el chorro pierda foco y erosione menos en conjunto.

Diseñando mejores sondeos de drenaje de gas

A partir de estos patrones, el autor propone directrices simples para el uso en campo. Si el objetivo es generar fracturas profundas en el carbón para que el gas tenga vías largas y rectas de salida, la boquilla debe mantenerse relativamente cerca del frente de carbón, alrededor de 65 centímetros en la configuración probada. Si, en cambio, la prioridad es abrir una zona dañada amplia que mejore la permeabilidad global, una distancia mayor, de aproximadamente 80 centímetros, ofrece una área afectada mayor, aunque cada punto sea erosionado con menos intensidad. Dentro de este rango efectivo, aumentar la presión del chorro incrementa de forma notable la cantidad de carbón removido, lo que sugiere que la tecnología puede ajustarse a distintos tipos de carbón y necesidades mineras.

Qué significa esto para una minería más segura y limpia

En términos cotidianos, el estudio muestra que mezclar aire con agua a alta presión puede convertir un “taladro” estrecho de agua en una herramienta pulsante que actúa a la vez como cincel y escoba: agrietando el carbón, aflojándolo y ayudando a barrer el gas y los escombros fuera del manto. Al elegir cuidadosamente la distancia entre la boquilla y el carbón y la presión de aire y agua a usar, los ingenieros de minas pueden bien excavar canales más profundos o crear vías de fuga más amplias para el gas. Esta comprensión del efecto de la distancia y del comportamiento del chorro proporciona reglas prácticas para diseñar sistemas de drenaje de gas más seguros y eficientes en minas de carbón profundas.

Cita: 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

Palabras clave: metano de hulla, chorro de agua, chorro gas–líquido, minería subterránea, erosión de roca