高圧気液二相ジェットの衝突目標距離が石炭破砕効率に及ぼす影響の実験的研究

より賢い水と空気のジェットで石炭を破砕する

深部炭鉱は、閉じ込められたガスを安全に放出することと、岩盤を安定に保ち生産効率を維持することという二重の課題に直面しています。本研究はそのための有望な手段──水と圧縮空気を組み合わせた強力なジェット──を検討し、単純だが重要な問いを立てます：ジェットが石炭を効率的に破砕しガスを放出させるには、ノズルからどのくらい離して照射すべきか？

地下での炭層ガスが重要な理由

炭層にはしばしば多量のメタンガスが含まれています。事前に排出されないと、そのガスが坑道に突然漏れ出し作業者の生命を脅かし、操業を妨げます。高圧水による水圧破砕などの既存手法はガス流動を改善しますが、多量の水を消費し、破砕した岩片の孔内除去が困難であったり、炭層内部に十分に届かなかったりします。そこで、より少ない水でより効果的に石炭を破砕し、破片やガスの搬出を助ける技術が求められています。

硬い石炭に対する新しいタイプのジェット

本研究は「気液二相ジェット」に着目します。これは圧縮空気と高圧水を混合して小さなノズルから炭材に向け噴射する方式です。純水ジェットと比べ、この混合ジェットは作用域が広く、水の消費が少なく、破砕粒子を運搬する能力が高いとされています。先行研究では、単独の水より約1.5倍程度まで破砕効果が高まる可能性が示唆されました。しかし重要な未知は残っていました：石炭を割り、ガスの流路を開くのに最適なノズルからの距離はどの程度か、という点です。

ジェットの衝突と侵食を測る

この問いに答えるため、筆者は水と空気の強力なポンプ、混合装置とノズル、炭材模擬試料を載せる試験台を備えた専用試験装置を構築しました。10〜30センチメートルの距離で平坦なターゲットに衝突する際の圧力を複数の圧力センサーで数十回記録し、衝撃力と作用面積が時間とともにどう変化するかを明らかにしました。さらに65〜85センチメートルのより長い距離では、一定圧で1分間炭材模擬ブロックに噴射し、生成した侵食坑の深さ、幅、容積を測定しました。追加試験では距離を固定してジェット圧力を変え、追加の出力がどれだけ除去量に反映されるかも調べました。

深い割れ目には短距離、広い流路には長距離

実験の結果、空気を加えることで安定した水ジェットが脈動するハンマーのように変化することが示されました：ターゲットでの圧力は急速に上下しますが、これらの脈動の周波数は距離によってほとんど変わりません。距離が増すと空気の混合と乱流により圧力変動は大きくなりますが、10〜30センチメートルの範囲では最大圧はほぼ同程度に保たれます。水のみのジェットはコンパクトで集中的に作用する一方、混合ジェットは広がり、距離の増加に伴って作用面積が急速に増加します。侵食試験で用いたより長い射程でも、混合ジェットは炭材模擬ブロックに明確な穴を切削しました。しかし距離が増すと、坑は浅く容積は小さくなる一方で幅は広がる傾向がありました。また空気と水の圧力比には適正範囲があり、空気が少なすぎると潜在能力を生かしきれず、多すぎるとジェットが散って全体の侵食量が減少します。

より良い排ガス用ボーリング設計

これらの傾向から、筆者は現場で使える簡単な指針を提案します。もし目的が炭層に深い割れ目を導いてガスの長く直線的な流路を作ることなら、ノズルは炭面に比較的近く、試験装置では約65センチメートルに保つべきです。一方、全体の透水性を改善する広い損傷帯を開くことが優先であれば、約80センチメートルの長めの距離でより広い影響域が得られます（個々の点では侵食がやや弱まります）。この有効レンジ内でジェット圧を上げれば除去量は大きく増加するため、異なる石炭種類や採掘ニーズに合わせて技術を調整できます。

より安全でクリーンな採掘への意義

日常的に言えば、この研究は高圧水に空気を混ぜることで、狭い「ドリル」のような水流を脈動するのみならずのみ込んで掃く「ノミ」と「ほうき」を組み合わせた道具に変えられることを示しています──石炭を割り、ゆるめ、ガスや破片を炭層外へ掃き出すのです。ノズルの設置距離と空気・水圧を注意深く選ぶことで、鉱山技術者はより深いチャネルを掘るか、あるいはガスのためのより広い漏洩路を作るかを選択できます。距離とジェット挙動の理解は、深部炭鉱の安全で効率的な排ガスシステム設計に実務的な指針を与えます。

引用: 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

キーワード: 炭層メタン, 水ジェット, 気液ジェット, 地下採掘, 岩石侵食