Experimentell studie om påverkan av träffmålets avstånd på kolbrytningseffektiviteten hos högt tryck gas–vätske tvåfasstråle

Krossa kol med smartare vatten- och luftstrålar

Djupa kolgruvor står inför en dubbel utmaning: att säkert avlägsna instängd gas samtidigt som berget hålls stabilt och produktionen effektiv. Den här studien undersöker ett lovande verktyg för uppgiften — en kraftfull stråle bestående av både vatten och komprimerad luft — och ställer en enkel men avgörande fråga: hur långt bör kolet vara från munstycket för att strålen effektivt ska bryta kol och underlätta gasavgång?

Varför kolgas spelar roll under jord

Kolbäddar innehåller ofta stora mängder metangas. Om den gasen inte dräneras i förväg kan den plötsligt läcka ut i gruvgångar, hota arbetare och störa verksamheten. Befintliga metoder, som hydraulisk spräckning med högtrycksvatten, kan förbättra gasflödet men använder mycket vatten, har svårt att föra bort sönderslaget material ur borrhålen och når kanske inte särskilt långt in i kolet. Ingenjörer söker därför tekniker som bryter kol mer effektivt, använder mindre vatten och hjälper till att transportera bort partiklar och gas från lagret.

En ny typ av stråle för hårt kol

Forsningen fokuserar på en ”gas–vätske tvåfasstråle”, där komprimerad luft och högtrycksvatten blandas och pressas genom ett litet munstycke mot ett kol-liknande provblock. Jämfört med en ren vattenstråle har denna blandade stråle ett större påverkansområde, lägre vattenförbrukning och stark förmåga att transportera bort sönderdelade partiklar. Tidigare arbete antydde att denna typ av stråle kan bryta berg och kol upp till ungefär en och en halv gång mer effektivt än enbart vatten. Men en viktig fråga återstod: på vilket avstånd från munstycket fungerar strålen bäst för att spräcka kol och öppna flödesvägar för gas?

Mäta hur strålen träffar och nöter

För att besvara detta byggde författaren ett dedikerat testsystem med kraftfulla pumpar för vatten och luft, en blandeanordning och munstycke samt ett provbord som höll kol-liknande prover. Dussintals trycksensorer registrerade hur strålen slog mot en plan måltavla vid avstånd på 10–30 centimeter, vilket avslöjade hur slageffekt och slagyta förändrades över tid. Sedan, vid längre avstånd på 65–85 centimeter, sköts strålen mot kol-liknande block i en minut vid fasta tryck och de uppkomna erosionsgroporna mättes i djup, bredd och volym. Ytterligare tester varierade stråltrycket medan avståndet hölls konstant för att se hur mycket extra kraft som faktiskt omsattes i mer materialborttagning.

Kort räckvidd för djupa sprickor, lång räckvidd för breda gångar

Experimenten visade att tillsats av luft förvandlar en jämn vattenstråle till en pulserande hammare: trycket vid målet stiger och sjunker snabbt, men frekvensen hos dessa pulser förändras knappt med avståndet. När strålen färdas längre gör luftinblandning och turbulens att tryckvariationerna blir större, ändå förblir topptrycken liknande inom 10–30 centimeter. Ren vattenstråle håller sig kompakt och fokuserad, medan den blandade strålen sprider sig och dess påverkansområde växer kraftigt med ökat avstånd. Vid längre avstånd som användes i erosionstesterna skär den blandade strålen fortfarande märkbara hål i de kol-liknande blocken. Men när avståndet ökar blir groporna grundare och mindre i volym, även om de blir bredare. Studien hittar också en optimal balans i förhållandet mellan luft- och vattentryck — för lite luft slösar potential, men för mycket gör att strålen tappar fokus och nöter mindre totalt.

Utformning av bättre borrhål för gasdränering

Utifrån dessa mönster föreslår författaren enkla riktlinjer för fältbruk. Om målet är att driva djupa sprickor i kolet så att gas får långa, raka vägar ut, bör munstycket hållas relativt nära kolytan, omkring 65 centimeter i den testade uppställningen. Om prioriteten istället är att öppna upp en bred skadad zon som förbättrar den övergripande permeabiliteten, ger ett längre avstånd på ungefär 80 centimeter ett större påverkat område, även om varje punkt nöts mindre intensivt. Inom detta effektiva spann ökar ökat stråltryck avsevärt mängden avlägsnat kol, vilket tyder på att tekniken kan anpassas för olika koltyper och gruvbehov.

Vad detta betyder för säkrare, renare gruvdrift

I vardagstermer visar studien att att blanda in luft i högtrycksvatten kan förvandla en smal ”borr” av vatten till en pulserande mejsel och kvast i ett — som spräcker kol, lossar det och hjälper till att sopa ut gas och fragment ur lagret. Genom att noggrant välja hur långt munstycket sitter från kolet och hur mycket luft- och vattentryck som används kan gruvingenjörer antingen göra djupare kanaler eller skapa bredare läckvägar för gas. Denna förståelse för avstånd och strålbeteende ger praktiska regler för att utforma säkrare, mer effektiva system för gasdränering i djupa kolgruvor.

Citering: 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

Nyckelord: skiffergas i kol, vattenstråle, gas–vätske stråle, underjordisk gruvdrift, bergsnedbrytning