Étude expérimentale de l'effet de la distance cible d'impact sur l'efficacité de rupture du charbon par un jet bi‑phase gaz–liquide haute pression

Rompre le charbon avec des jets d'eau et d'air plus intelligents

Les mines de charbon profondes affrontent un double enjeu : libérer en sécurité les gaz piégés tout en maintenant la stabilité du massif rocheux et l'efficacité de la production. Cette étude examine un outil prometteur pour cette tâche — un jet puissant composé d'eau et d'air comprimé — et pose une question simple mais cruciale : à quelle distance la buse doit‑elle se trouver du charbon pour que le jet rompe efficacement le charbon et facilite l'évacuation des gaz ?

Pourquoi le gaz de houille importe en souterrain

Les couches de charbon contiennent souvent de grandes quantités de méthane. Si ce gaz n'est pas drainé au préalable, il peut se déverser soudainement dans les galeries, mettant en danger les travailleurs et perturbant l'exploitation. Les méthodes actuelles, comme la fracturation hydraulique à haute pression, améliorent l'écoulement du gaz mais consomment beaucoup d'eau, peinent à évacuer les débris des forages et peuvent avoir une portée limitée dans le charbon. Les ingénieurs recherchent donc des techniques qui fragilisent le charbon plus efficacement, utilisent moins d'eau et aident à extraire les débris et le gaz de la veine.

Un nouveau type de jet pour un charbon résistant

La recherche porte sur un « jet bi‑phase gaz–liquide », où l'air comprimé et l'eau haute pression sont mélangés puis forcés à travers une petite buse vers un bloc de matériau simulant le charbon. Par rapport à un jet d'eau pur, ce jet mixte présente une zone d'impact plus large, une consommation d'eau réduite et une forte capacité à emporter les particules détachées. Des travaux antérieurs laissaient entendre que ce type de jet peut fragmenter la roche et le charbon environ une fois et demie plus efficacement que l'eau seule. Mais une inconnue restait : à quelle distance de la buse le jet est‑il optimal pour fissurer le charbon et ouvrir des voies de circulation du gaz ?

Mesurer l'impact et l'érosion du jet

Pour répondre à cette question, l'auteur a construit un banc d'essai dédié avec des pompes puissantes pour l'eau et l'air, un dispositif de mélange et une buse, ainsi qu'un support accueillant des éprouvettes simulant le charbon. Des dizaines de capteurs de pression ont enregistré la façon dont le jet frappait une cible plane à des distances de 10 à 30 centimètres, révélant l'évolution dans le temps de la force d'impact et de la zone d'impact. Puis, à des distances plus longues de 65 à 85 centimètres, le jet a été tiré pendant une minute sur des blocs simulant le charbon à pression fixe, et les cavités d'érosion résultantes ont été mesurées en profondeur, largeur et volume. Des essais supplémentaires ont fait varier la pression du jet tout en gardant la distance fixe, pour évaluer dans quelle mesure l'augmentation de puissance se traduit par un enlèvement de charbon supplémentaire.

Court rayon pour des fissures profondes, long rayon pour des voies larges

Les expériences montrent que l'ajout d'air transforme un jet d'eau continu en un marteau pulsant : la pression sur la cible monte et descend rapidement, mais la fréquence de ces pulses varie peu avec la distance. À mesure que le jet parcourt plus de distance, le mélange d'air et la turbulence accentuent les fluctuations de pression, néanmoins les pics de pression restent similaires dans la plage 10–30 cm. Le jet d'eau seul reste compact et concentré, tandis que le jet mixte s'étale, sa zone d'impact augmentant fortement avec la distance. Aux distances plus longues utilisées pour les tests d'érosion, le jet mixte continue de creuser des trous visibles dans les blocs simulant le charbon. Cependant, à mesure que la distance augmente, les cavités deviennent moins profondes et de plus faible volume, tout en s'élargissant. L'étude identifie également un point optimal dans le rapport pression air/eau : trop peu d'air gaspille le potentiel, mais trop d'air disperse le jet et réduit l'érosion globale.

Concevoir de meilleurs forages de drainage des gaz

À partir de ces observations, l'auteur propose des lignes directrices simples pour l'usage en champ. Si l'objectif est d'entraîner des fractures profondes dans le charbon afin que le gaz dispose de voies longues et directes, la buse doit rester relativement proche du front de charbon, autour de 65 centimètres dans le dispositif testé. Si, au contraire, la priorité est d'ouvrir une zone endommagée large qui améliore la perméabilité globale, une distance plus longue d'environ 80 centimètres produit une surface affectée plus grande, même si chaque point est érodé moins intensément. Dans cette plage efficace, augmenter la pression du jet accroît sensiblement la quantité de charbon enlevée, ce qui suggère que la technique peut être adaptée à différents types de charbon et besoins miniers.

Ce que cela signifie pour une exploitation plus sûre et plus propre

En termes courants, l'étude montre que l'ajout d'air à l'eau haute pression peut transformer un « foret » étroit d'eau en un ciseau‑balai pulsant — fissurant le charbon, le fragmentant et aidant à balayer le gaz et les débris hors de la veine. En choisissant avec soin la distance de la buse par rapport au charbon et la pression d'air et d'eau, les ingénieurs miniers peuvent soit creuser des canaux plus profonds, soit créer des voies d'échappement de gaz plus larges. Cette compréhension du rôle de la distance et du comportement du jet fournit des règles pratiques pour concevoir des systèmes de drainage des gaz plus sûrs et plus efficaces dans les mines de charbon profondes.

Citation: 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

Mots-clés: méthane de houille, jet d'eau, jet gaz–liquide, exploitation minière souterraine, érosion des roches