Experimentele studie naar het effect van de afstand tot het impactdoel op de breukefficiëntie van steenkool door een hogedruk gas–vloeistof tweefasejet

Steenkool breken met slimmer water- en luchtjets

Diepe kolenmijnen staan voor een dubbele uitdaging: het veilig afvoeren van vastzittend gas en tegelijk het behoud van rotsstabiliteit en productiviteit. Deze studie onderzoekt een veelbelovend instrument voor die taak — een krachtige straal die zowel water als samengeperste lucht bevat — en stelt een eenvoudige maar cruciale vraag: hoe ver moet de steenkool van de mondstuk verwijderd zijn zodat de jet efficiënt breekt en gas laat ontsnappen?

Waarom kolengas ondergronds belangrijk is

Steenkoollagen bevatten vaak grote hoeveelheden methaangas. Als dat gas niet vooraf wordt afgedraineerd, kan het plotseling in mijnschachten lekken en zo werknemers in gevaar brengen en de operatie verstoren. Huidige methoden, zoals hydraulische breuk met hogedrukwater, kunnen de gasdoorstroming verbeteren maar verbruiken veel water, hebben moeite om gebroken puin uit boorgaten te verwijderen en reiken mogelijk niet ver in de koollaag. Ingenieurs zoeken daarom naar technieken die steenkool effectiever breken, minder water vereisen en helpen brokstukken en gas uit de laag te voeren.

Een nieuw soort jet voor taaie steenkool

Het onderzoek richt zich op een “gas–vloeistof tweefasejet”, waarbij samengeperste lucht en hogedrukwater worden gemengd en door een klein mondstuk op een steenkoolachtig blok worden gericht. Vergeleken met een zuivere waterjet heeft deze gemengde jet een groter impactgebied, lager waterverbruik en een sterke capaciteit om gebroken deeltjes mee te voeren. Eerder werk suggereerde dat dit type jet gesteente en steenkool tot ongeveer anderhalf keer effectiever kan breken dan alleen water. Maar een belangrijke onbekende bleef: op welke afstand van het mondstuk werkt de jet het beste om steenkool te kraken en stromingspaden voor gas te openen?

Meten hoe de jet inslaat en erodeert

Om dit te beantwoorden bouwde de auteur een speciaal testsysteem met krachtige pompen voor water en lucht, een menginrichting en mondstuk, en een testbank met steenkoolachtige proefstukken. Tientallen druksensoren registreerden hoe de jet een vlak doel trof op afstanden van 10–30 centimeter en onthulden hoe inslaankracht en impactgebied in de tijd veranderden. Vervolgens, op grotere afstanden van 65–85 centimeter, werd de jet gedurende één minuut bij vaste drukken op steenkoolachtige blokken gericht en werden de resulterende erosieputten in diepte, breedte en volume gemeten. Extra tests varieerden de jetdruk terwijl de afstand vastbleef om te zien hoeveel extra vermogen daadwerkelijk in meer materiaalafname resulteerde.

Korte afstand voor diepe scheuren, lange afstand voor brede paden

De experimenten toonden aan dat het toevoegen van lucht een stabiele waterjet verandert in een pulserende hamer: de druk op het doel stijgt en daalt snel, maar de frequentie van deze pulsen verandert nauwelijks met de afstand. Naarmate de jet verder reist, zorgen luchtvermenging en turbulentie voor sterkere drukfluctuaties, maar de hoogste drukken blijven vergelijkbaar binnen 10–30 centimeter. De puur waterige jet blijft compact en gefocusseerd, terwijl de gemengde jet zich uitspreidt en het impactgebied scherp toeneemt met afstand. Op de langere afstanden die in de erosietests werden gebruikt, snijdt de gemengde jet nog steeds merkbare gaten in de steenkoolachtige blokken. Echter, naarmate de afstand toeneemt, worden de putten ondieper en kleiner in volume, ook al worden ze breder. De studie vindt ook een optimaal bereik in de verhouding tussen lucht- en waterdruk — te weinig lucht verspilt potentieel, maar te veel lucht laat de jet zijn focus verliezen en vermindert de totale erosie.

Ontwerpen van betere gasafvoerboorgaten

Uit deze patronen stelt de auteur eenvoudige richtlijnen voor veldgebruik voor. Als het doel is diepe scheuren in de steenkool te drijven zodat gas lange, rechte paden naar buiten krijgt, moet het mondstuk relatief dicht bij het koolvlak worden gehouden, rond 65 centimeter in de geteste opstelling. Als de prioriteit daarentegen is om een breed beschadigd gebied te openen dat de totale permeabiliteit verbetert, levert een grotere afstand van ongeveer 80 centimeter een groter beïnvloed gebied op, ook al wordt elk punt minder intens geërodeerd. Binnen dit effectieve bereik vergroot het verhogen van de jetdruk aanzienlijk de hoeveelheid verwijderde steenkool, wat erop wijst dat de technologie kan worden afgestemd op verschillende koolsoorten en mijnbouwbehoeften.

Wat dit betekent voor veiliger, schonere mijnbouw

In eenvoudige bewoordingen toont de studie aan dat het mengen van lucht in hogedrukwater een smalle "boor" van water kan veranderen in een pulserend beitel- en bezemsysteem gecombineerd — het doet steenkool barsten, maakt het los en helpt gas en puin uit de laag te vegen. Door zorgvuldig te kiezen hoe ver het mondstuk van de kool staat en hoeveel lucht- en waterdruk te gebruiken, kunnen mijnbouwkundigen ofwel diepere kanalen graven of bredere ontsnappingspaden voor gas creëren. Dit begrip van afstand en straalgedrag biedt praktische regels voor het ontwerpen van veiligere, efficiëntere gasafvoersystemen in diepe kolenmijnen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: steenkoolmethaangas, waterjet, gas–vloeistofjet, ondergrondse mijnbouw, erosie van gesteente