Badania eksperymentalne nad wpływem odległości celu uderzenia na efektywność rozłupywania węgla za pomocą wysokociśnieniowego dwufazowego strumienia gaz‑ciecz

Łamanie węgla za pomocą sprytniejszych strumieni wody i powietrza

Głębokie kopalnie węgla stoją przed podwójnym wyzwaniem: bezpiecznym uwalnianiem uwięzionego gazu przy jednoczesnym zachowaniu stabilności skał i wydajności produkcji. W badaniu tym analizuje się obiecujące narzędzie — silny strumień składający się z wody i sprężonego powietrza — i stawia proste, lecz kluczowe pytanie: jak daleko od dyszy powinien znajdować się węgiel, aby strumień skutecznie go rozłupywał i ułatwiał odpływ gazu?

Dlaczego gaz z węgla ma znaczenie pod ziemią

Pokłady węgla często zawierają duże ilości metanu. Jeśli gaz nie zostanie odprowadzony wcześniej, może nagle przedostać się do chodników kopalnianych, zagrażając pracownikom i zakłócając prace. Stosowane metody, takie jak szczelinowanie hydrauliczne przy użyciu wysokociśnieniowej wody, mogą poprawić przepływ gazu, ale zużywają dużo wody, mają trudności z usuwaniem rozdrobnionego materiału z otworów wiertniczych i mogą nie sięgać daleko w głąb pokładu. Inżynierowie poszukują więc technik, które efektywniej rozłupią węgiel, zużyją mniej wody i pomogą transportować fragmenty skały oraz gaz na zewnątrz pokładu.

Nowy rodzaj strumienia do trudnego węgla

Badania koncentrują się na „dwufazowym strumieniu gaz‑ciecz”, w którym sprężone powietrze i wysokociśnieniowa woda mieszają się i są wypychane przez małą dyszę w stronę próbki przypominającej węgiel. W porównaniu z czystym strumieniem wodnym, strumień mieszany ma większy obszar oddziaływania, mniejsze zużycie wody i silną zdolność do transportu odłamków. Wcześniejsze prace sugerowały, że taki strumień może rozbijać skałę i węgiel do około półtora raza skuteczniej niż sama woda. Pozostało jednak istotne pytanie: w jakiej odległości od dyszy strumień działa najlepiej, by rozszczepić węgiel i udrożnić drogi przepływu gazu?

Pomiary uderzenia i erozji strumienia

Aby to ustalić, autor zbudował dedykowany układ testowy z wydajnymi pompami do wody i powietrza, urządzeniem mieszającym oraz dyszą, a także stanowiskiem do prób z próbkami przypominającymi węgiel. Dziesiątki czujników ciśnienia rejestrowały, jak strumień uderzał w płaski cel w odległościach 10–30 centymetrów, ujawniając, jak siła uderzenia i obszar oddziaływania zmieniały się w czasie. Następnie, na większych odległościach 65–85 centymetrów, strumień był kierowany na bloki przypominające węgiel przez jedną minutę przy stałych ciśnieniach, a powstałe zagłębienia erozyjne mierzone były pod względem głębokości, szerokości i objętości. Dodatkowe testy zmieniały ciśnienie strumienia przy stałej odległości, aby sprawdzić, ile dodatkowej mocy rzeczywiście przekłada się na większe usuwanie węgla.

Krótki zasięg dla głębokich pęknięć, długi dla szerokich dróg przepływu

Eksperymenty wykazały, że dodanie powietrza zmienia stały strumień wody w pulsujący młot: ciśnienie na celu szybko narasta i opada, ale częstotliwość tych pulsacji prawie nie zmienia się z odległością. W miarę jak strumień przemieszcza się dalej, mieszanie z powietrzem i turbulencje powodują silniejsze fluktuacje ciśnienia, choć najwyższe wartości ciśnienia pozostają podobne w zakresie 10–30 centymetrów. Strumień wyłącznie wodny pozostaje zwarty i skupiony, podczas gdy strumień mieszany rozprzestrzenia się, a jego obszar oddziaływania gwałtownie rośnie wraz z odległością. Na dłuższych dystansach użytych w testach erozyjnych strumień mieszany nadal wycinał zauważalne wgłębienia w blokach przypominających węgiel. Jednak w miarę wzrostu odległości zagłębienia stawały się płytsze i o mniejszej objętości, choć jednocześnie szersze. Badanie wykazało też istnienie optymalnego stosunku ciśnienia powietrza do wody — zbyt mała ilość powietrza marnuje potencjał, ale zbyt duża powoduje rozmycie strumienia i mniejszą łączną erozję.

Projektowanie lepszych otworów do odgazowania

Z tych zależności autor proponuje proste wytyczne do zastosowań polowych. Jeśli celem jest tworzenie głębokich szczelin w węglu, które dadzą gazowi długie, proste kanały odpływu, dyszę należy trzymać stosunkowo blisko ściany węglowej — około 65 centymetrów w testowanym układzie. Jeśli natomiast priorytetem jest otwarcie szerokiej strefy uszkodzenia poprawiającej ogólną przepuszczalność, dłuższa odległość około 80 centymetrów daje większy obszar wpływu, choć każdy punkt jest mniej intensywnie erodowany. W obrębie tego efektywnego zakresu zwiększanie ciśnienia strumienia znacząco zwiększa ilość usuwanego węgla, co sugeruje, że technologię można dostroić do różnych typów węgla i potrzeb górniczych.

Co to oznacza dla bezpieczniejszego, czystszego górnictwa

Mówiąc prostym językiem, badanie pokazuje, że domieszka powietrza do wysokociśnieniowej wody może przemienić wąski "wiertło" z wody w pulsujący dłuto i miotłę jednocześnie — pękając węgiel, rozluźniając go i pomagając zamiatać gaz oraz odłamki z pokładu. Poprzez ostrożny wybór odległości dyszy od węgla oraz odpowiednich ciśnień powietrza i wody inżynierowie kopalni mogą albo drążyć głębsze kanały, albo tworzyć szersze drogi odpływu gazu. Zrozumienie wpływu odległości i zachowania strumienia dostarcza praktycznych zasad projektowania bezpieczniejszych i bardziej efektywnych systemów odgazowania w głębokich kopalniach węgla.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: metan z pokładów węgla, strumień wodny, strumień gaz‑ciecz, górnictwo podziemne, erozja skał