Экспериментальное исследование влияния расстояния до цели удара на эффективность разрушения угля высоконапорной газожидкостной двухфазной струёй

Разрушение угля умными потоками воды и воздуха

Глубокие угольные шахты сталкиваются с двойной задачей: безопасно выпустить захваченный газ и при этом сохранить устойчивость горных пород и производительность. В этом исследовании рассматривается перспективный инструмент — мощная струя, состоящая из воды и сжатого воздуха — и задаётся простой, но важный вопрос: на каком расстоянии от сопла струя эффективнее всего разрушает уголь и способствует выходу газа?

Почему угольный газ важен под землёй

Угольные пласты часто содержат большие объёмы метана. Если этот газ заранее не отвести, он может внезапно просочиться в выработки, создавая опасность для рабочих и нарушая работу шахты. Существующие методы, такие как гидравлический разрыв с применением высоконапорной воды, улучшают отток газа, но требуют большого расхода воды, испытывают трудности с удалением разрушенной породы из скважин и могут иметь ограниченный радиус воздействия в пласте. Инженеры поэтому ищут техники, которые бы эффективнее разрушали уголь, экономили воду и помогали выносить обломки и газ из пласта.

Новый тип струи для твёрдого угля

Исследование сосредоточено на «газожидкостной двухфазной струе», где сжатый воздух и высоконапорная вода смешиваются и через малое сопло направляются на образец, имитирующий уголь. По сравнению с чисто водяной струёй такая смесь даёт большую зону удара, снижает расход воды и эффективнее уносит разрушенные частицы. Ранее показали, что подобная струя может разрушать породу и уголь примерно в полтора раза эффективнее, чем одна вода. Но ключевой вопрос остался: на каком расстоянии от сопла струя наиболее эффективно раскалывает уголь и открывает каналы для газа?

Измерение удара струи и эрозии

Для ответа автор создал специализированную установку с мощными насосами для воды и воздуха, устройством смешения и соплом, а также стендом для образцов, имитирующих уголь. Десятки датчиков давления регистрировали, как струя ударяет по плоской мишени на расстояниях 10–30 сантиметров, показывая, как сила удара и площадь воздействия меняются во времени. Затем на большем расстоянии 65–85 сантиметров струю направляли на блоки-имитаторы угля в течение одной минуты при фиксированных давлениях, а образовавшиеся воронки измеряли по глубине, ширине и объёму. Дополнительные испытания меняли давление струи при фиксированном расстоянии, чтобы увидеть, какая дополнительная мощность реально приводит к увеличению удаления угля.

Короткая дистанция для глубоких трещин, длинная — для широких каналов

Эксперименты показали, что добавление воздуха превращает стабильную водяную струю в пульсирующий молот: давление на мишени быстро растёт и падает, причём частота этих импульсов почти не зависит от расстояния. По мере удаления струи смешение с воздухом и турбулентность усиливают флуктуации давления, но максимальные давления остаются схожими в пределах 10–30 сантиметров. Чисто водяная струя остаётся компактной и сфокусированной, тогда как смешанная струя расширяется — её площадь воздействия резко растёт с увеличением расстояния. На больших дистанциях, применённых в тестах эрозии, смешанная струя всё ещё оставляет заметные отверстия в блоках-имитаторах. Однако по мере увеличения расстояния воронки становятся мельче и меньше по объёму, хотя при этом они расширяются в ширину. В исследовании также выявлено оптимальное соотношение давлений воздуха и воды — слишком мало воздуха не раскрывает потенциал, а слишком много делает струю расплывчатой и в целом менее эрозионной.

Проектирование лучших скважин для отведения газа

Исходя из этих закономерностей, автор предлагает простые рекомендации для полевых работ. Если цель — создать глубокие трещины в угле, обеспечивающие длинные прямые каналы для газа, сопло следует держать относительно близко к забою, примерно на 65 сантиметров в испытанной установке. Если же приоритет — сформировать широкую зону повреждения, повышающую общую проницаемость, то большее расстояние около 80 сантиметров даёт большую затронутую площадь, хотя каждая точка разрушается менее интенсивно. В этом эффективном диапазоне повышение давления струи заметно увеличивает объём удаляемого угля, что позволяет настраивать технологию под разные типы угля и потребности шахты.

Что это значит для более безопасной и чистой добычи

Проще говоря, исследование показывает: смешение воздуха с высоконапорной водой может превратить узкую «сверловку» воды в пульсирующее долото и метлу одновременно — раскалывающее уголь, ослабляющее его и помогающее выметать газ и обломки из пласта. Правильно выбрав расстояние до сопла и соотношение давлений воздуха и воды, инженеры могут либо прорывать более глубокие каналы, либо создавать более широкие пути для оттока газа. Понимание влияния расстояния и поведения струи даёт практические правила для проектирования более безопасных и эффективных систем отведения газа в глубоких угольных шахтах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: метан угольных пластов, водяная струя, газожидкостная струя, подземная добыча, эрозия породы