Pilotowe testy ciągłej eksploatacji gazu przy użyciu ulepszonych odwiertów w kształcie litery L z obszarów wydobycia i zabudowań pokopalnianych

Przekształcenie zagrożenia kopalnianego w źródło czystej energii

Kopalnie węgla nie wydobywają tylko węgla. Uwalniają też duże ilości metanu — gazu palnego, który może wywołać śmiertelne wybuchy pod ziemią i przyczynia się do zmian klimatu, gdy przedostaje się do atmosfery. Niniejsze badanie analizuje, jak specjalny typ zakrzywionego odwiertu „w kształcie L” wierconego z powierzchni można przeprojektować, aby pojedynczy odwiert bezpiecznie i efektywnie zbierał metan zarówno podczas eksploatacji pokładu, jak i długo po opuszczeniu szybu przez górników.

Dlaczego metan w kopalniach ma znaczenie

Dla regionów produkujących węgiel metan jest jednocześnie zagrożeniem i surowcem. Wysokie stężenia gazu mogą wywoływać nagłe wyrzuty w chodnikach roboczych i podtrzymywać tleniące się pożary w dawnych, zapadniętych obszarach zwanych goafami. Równocześnie ten metan to praktycznie gaz ziemny, który można wykorzystać jako paliwo, jeśli zostanie wychwycony. Wiele krajów już przed i po eksploatacji wierci otwory w pokładach węgla, aby zmniejszyć ryzyko i zebrać gaz, lecz efekty bywają bardzo zróżnicowane. W Chinach, na przykład, średnia wydajność na odwiert gazowy jest niska, a stabilna produkcja często trwa krótko, co utrudnia odzyskanie poniesionych nakładów.

Jak odwierty w kształcie L mają pomagać

Odwierty w kształcie L wierci się pionowo z powierzchni, a następnie kieruje poziomo, tak że ich długa część przebiega nad lub w pobliżu pokładu węgla. Taka konfiguracja pozwala jednemu odwiertowi sięgnąć przez cały dach panelu wydobywczego bez kolidowania z pracami pod ziemią. W teorii takie odwierty mogą odprowadzać metan z rozdrobnionej skały nad aktywną ścianą wydobywczą, a później z rozkruszonej skały i pozostałego węgla w goafie. Autorzy przebadali trzy takie odwierty w dużych kopalniach w prowincji Shanxi, śledząc ilość produkowanego gazu najpierw podczas wydobycia, a następnie po porzuceniu paneli.

Co poszło nie tak w rzeczywistych kopalniach

Tylko jeden z trzech testowych odwiertów produkował wystarczającą ilość metanu w czasie, by uznać go za opłacalny. Szczegółowe pomiary wykazały, że w dwóch niesatysfakcjonujących przypadkach pozioma część odwiertu L znajdowała się zbyt wysoko ponad siecią spękań, które faktycznie przenoszą gaz uwalniany z węgla. Bez stabilnej ścieżki przepływu między rozkruszonym węglem a odwiertem produkcja gazu szybko malała. Dodatkowo dolna część każdego odwiertu pozostała jako otwarty przewód bez cementowania. W miarę jak zalegające skały osiadały i przesuwały się po wydobyciu, ta sekcja ulegała zginaniu i deformacjom, co jeszcze bardziej zakłócało przepływ gazu i skracało użyteczność odwiertów.

Projektowanie jednego odwiertu do dwóch zadań

W oparciu o obserwacje, teorie mechaniki skał i symulacje komputerowe badacze zaproponowali nowe rozwiązanie „jeden odwiert, dwa cele”. Zamiast prostego pojedynczego odcinka poziomego, długa część została podzielona na dwie części umieszczone na różnych wysokościach w głównej strefie spękań przenoszących gaz nad wydobytym pokładem. Około 60 procent długości leży w dolnej części tej strefy, gdzie spękania są szerokie i gaz przepływa łatwo, podczas gdy pozostałe 40 procent znajduje się nieco wyżej w mocniejszej skale, która lepiej przeciwdziała zgniataniu i zapadaniu. Sam odwiert został zmodernizowany do dużej średnicy, dwusekcyjnej konstrukcji z precyzyjnym segmentowym lub wielostopniowym cementowaniem w częściach pionowych i ukośnych, natomiast rurowa siatka szczelinowa w części poziomej pozwala na napływ gazu bez pozostawiania skały bez wsparcia.

Utrzymanie przepływu gazu od ściany do goafu

Ulepszony układ uzupełniono elastyczną strategią pompowania. Podczas aktywnego wydobycia, gdy ciśnienie gazu jest wysokie i powstają świeże spękania, na powierzchni stosuje się silne podciśnienie, aby szybko wypompować metan i zabezpieczyć front pracy. Po zakończeniu wydobycia i osiadaniu goafu ssanie jest zmniejszane, aby uniknąć zasysania zbyt dużej ilości powietrza, jednocześnie nadal wychwytując wolniejsze uwalnianie gazu z pozostałego węgla i pobliskich pokładów. Ponieważ ten sam odwiert w kształcie L pozostaje mechanicznie stabilny i dobrze połączony z siecią spękań, może produkować przez około sześć lat, obejmując obie fazy przy ogólnym odzysku gazu porównywalnym z oddzielnymi odwiertami zaprojektowanymi dla każdego etapu.

Co to oznacza dla kopalń i środowiska

W prostych słowach badanie pokazuje, że staranne umiejscowienie i konstrukcja odwiertów w kształcie L mogą przekształcić krótkotrwałe, ryzykowne narzędzie kontroli gazu w długoterminowy, dwufunkcyjny odwiert energetyczny. Umieszczając część poziomą tam, gdzie spękania skał faktycznie przenoszą metan, i wzmacniając otwór wiertniczy tak, aby przetrwał ruchy gruntowe, pojedynczy odwiert może bezpiecznie odprowadzać gaz podczas pracy górników i dalej wychwytywać metan z goafu po zakończeniu wydobycia. Pozwala to lepiej wykorzystać budżety wierceń, pomaga zapobiegać wybuchom i pożarom oraz ogranicza emisje metanu z górnictwa węglowego, przekształcając większą część ukrytego zagrożenia w użyteczne paliwo.

Cytowanie: Zhang, J., Qin, Y., Li, G. et al. Pilot tests of continuous gas extraction with improved L-shaped wells from mining and goaf areas. Sci Rep 16, 16597 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41494-3

Słowa kluczowe: metan z pokładów węgla, odwierty w kształcie L, górnictwo węglowe, odprowadzanie metanu, gaz z goaf