Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Эксперимент по uniaxial Сжатию с CO2-Bearing Coal с использованием визуализированной и постоянно-объемной газо-твердой системы сцепления

Published: June 12, 2019 doi: 10.3791/59405
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University

Summary

Этот протокол демонстрирует, как подготовить образец брикета и провести эксперимент по однооясному сжатию с брикетом в различных давлениях CO2 с использованием визуализированной и постоянной газовой системы тестирования соединения. Она также направлена на изучение изменений с точки зрения физических и механических свойств угля, индуцированных CO2 адсорпцией.

Abstract

Инъекция двуокиси углерода (CO2) в глубокий угольный пласт имеет большое значение для снижения концентрации парниковых газов в атмосфере и увеличения извлечения метана угольного пласта. Здесь внедряется визуализированная и постоянно-объемная газотвердая система связи для исследования влияния сорбции CO2 на физические и механические свойства угля. Будучи в состоянии держать постоянный объем и контролировать образец с помощью камеры, эта система предлагает потенциал для повышения точности прибора и анализа эволюции перелома с помощью метода фрактальной геометрии. Эта статья предоставляет все шаги для выполнения эксперимента по однооаксиальному сжатию с образцом брикета в различных давлениях CO2 с газотвердой системой тестирования соединения. Брикет, холодного отжима сырого угля и цемента натрия humate, загружается в CO2высокого давления, и его поверхность контролируется в режиме реального времени с помощью камеры. Однако сходство между брикетом и сырым углем все еще нуждается вулучшении, и горючий газ, такой как метан (CH 4), не может быть введен для испытания. Результаты показывают, что сорбция CO2 приводит к пиковой прочности и упругому модулю сокращения брикета, а эволюция перелома брикета в состоянии отказа указывает на фрактальные характеристики. Прочность, упругий модуль и фрактальный размеры коррелируют с давлением CO2, но не с линейной корреляцией. Визуализированная и постояннообъемная газотвердая система тестирования соединения может служить платформой для экспериментальных исследований о механике горных пород с учетом эффекта многополевого соединения.

Introduction

Растущая концентрация CO2 в атмосфере является прямым фактором, вызывающим эффект глобального потепления. Из-за сильной мощности сорбции угля, поглощение CO2 в угольном пласте рассматривается как практическое и экологически чистое средство для сокращения глобальных выбросов парниковых газов1,2,3. В то же время, впрыснутый CO2 может заменить CH4 и привести к продвижению добычи газа в углепромере извлечения метана (ECBM) 4,5,6. Экологические и экономические перспективы секвестра CO2 в последнее время привлекают внимание всего мира среди исследователей, а также среди различных международных групп по охране окружающей среды и правительственных учреждений.

Уголь является неоднородной, структурно анизотропной породой, состоящей из пор, перелома и угольной матрицы. Структура пор имеет большую специфическую площадь поверхности, которая может адсорбировать большое количество газа, играя жизненно важную роль в улавливании газа, а перелом является основным путем для свободного потока газа7,8. Эта уникальная физическая структура приводит к большой мощности адсорбции газа для CH4 и CO2. Шахтный газ откладывается в угольных пластах в нескольких формах: (1) адсорбируется на поверхности микропор и более крупных пор; (2) поглощается в молекулярной структуре угля; (3) как свободный газ при переломах и больших порах; и (4) растворяется в депозитной воде. Сорбционное поведение угля до CH4 и CO2 вызывает отек матрицы, и дальнейшие исследования показывают, что это неоднородный процесс и связан с литотипами угля9,10,11. Кроме того, газососение может привести к повреждению составной связи угля12,13,14.

Образец сырого угля обычно используется в экспериментах по совмещению угля и CO 2. В частности, большой кусок сырого угля с рабочего лица в угольной шахте вырезается для подготовки образца. Однако физические и механические свойства сырого угля неизбежно имеют высокую степень дисперсии из-за случайного пространственного распределения естественных пор и переломов в угольном пласте. Кроме того, газоносный уголь является мягким и трудно поддавив сяртый. В соответствии с принципами ортогонального экспериментального метода, брикет, который воссоздан с сырым угольным порошком и цементом, считается идеальным материалом, используемым в тесте сорбции угля15,16. Будучи холодным нажатием с металлом умирает, его прочность может быть предустановленной и остается стабильным путем корректировки количества цемента, который приносит пользу сравнительный анализ однопеременного эффекта. Кроме того, хотя пористость образца брикета составляет 4-10 раз, что из образца сырого угля, аналогичные характеристики адсорбции и десорбции и стресс-напряжение кривой были найдены в экспериментальных исследованиях17,18 , 19 лет , 20. В этом документе была принята схема аналогичного материала для газоносного угля для подготовки брикета21. Сырой уголь был взят из 4671B6 рабочего лица в Синьчжуанцзи угольной шахте, Хуайнань, провинция Аньхой, Китай. Угольный пласт находится примерно на 450 м ниже уровня земли и на 360 м ниже уровня моря, а толщина около 15 градусов и составляет около 1,6 м. Высота и диаметр образца брикета составляют 100 мм и 50 мм соответственно, что является рекомендуемым размером, предложенным Международным обществом рок-механики (ISRM)22.

Предыдущие uniaxial или триосиальные инструменты испытания нагрузки для газовых экспериментов угля в лабораторных условиях имеют некоторые недостатки и ограничения, представленные как стипендиаты23,24,25,26 ,27,28: (1) во время процесса погрузки, объем судна уменьшается при движении поршня, вызывая колебания давления газа и нарушения в газоподъемности; (2) трудно проводить мониторинг изображений образцов в режиме реального времени, а также измерения окружной деформации в условиях высокого давления газа; (3) они ограничиваются стимуляцией динамических нарушений нагрузки на предварительно загруженные образцы для анализа их механических характеристик реакции. Для повышения точности прибора и получения данных в газотвердом состоянии соединения была разработана визуализированная и постоянная система испытаний(рисунок1), включая (1) визуализированное погрузочное судно с постоянная камера громкости, которая является основным компонентом; (2) модуль газозаполнения с вакуумным каналом, двумя каналами заполнения и каналом выпуска; (3) осевой погрузочный модуль, состоящий из электрогидравлического сервопривода универсального испытательного аппарата и управляющего компьютера; (4) модуль сбора данных, состоящий из прибора измерения окружного смещения, датчика давления газа и камеры в окне визуализированного погрузочного судна.

Ядро визуализированного судна(рисунок 2) специально разработан так, что два регулирующих цилиндра фиксируются на верхней пластине и их поршни двигаться одновременно с погрузкой один через луч, и секционная область погрузочного поршня равна суммы регулировки цилиндров. Протекает внутреннее отверстие и мягкие трубы, связан газ высокого давления в сосуде и двух цилиндрах. Поэтому, когда погрузочный поршень перемещается вниз и сжимает газ, эта структура может компенсировать изменение объема и устранить помехи давления. Кроме того, во время испытания предотвращается огромная газо-индуцированная контрсила, прилагающая к поршеню, что значительно повышает безопасность прибора. Окна, которые оснащены закаленного боросиликатного стекла и расположены с трех сторон судна, обеспечивают прямой способ сфотографировать образец. Это стекло было успешно протестировано и доказало, что сопротивляется до 10 MPa газа с низкой скоростью расширения, высокой прочностью, световой передачей, и химической стабильности29.

В настоящем документе описывается процедура проведения экспериментапо однооядному сжатию сосущего CO 2-подшипникового угля с новой визуализированной и постоянно-объемной газотвердой системой испытаний соединения, которая включает описание всех частей, которые готовят брикет образец с использованием сырого угольного порошка и хмата натрия, а также последовательные шаги по введению CO2 высокого давления и проведению одноосного сжатия. Весь процесс деформации образца контролируется с помощью камеры. Этот экспериментальный подход предлагает альтернативный способ количественно госанализа разрушений, вызванных адсорбцией, и эволюции переломов, характерных для газоносного угля.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка образца

  1. Соберите сырые угольные блоки с рабочего лица 4671B6 с угольной шахты Синьчжуанцзи. Обратите внимание, что из-за низкой прочности и распущенности конструкции, сырой уголь нарушается и, вероятно, смешивается с примесями. Чтобы избежать влияния этих внутренних и внешних факторов, а также максимально уменьшить неоднородность угля, выберите крупные угольные блоки (длина около 15 см, ширина 10 см и высота 10 см).
  2. Используйте пинцет для удаления примесей, смешанных в угле и скраб дробилки камеры с абсорбирующим хлопком и ацетальдегидом.
  3. Разбейте угольные блоки на мелкие кусочки с помощью дробилки челюсти и укрываетих их в ситошей шейкере, оснащенном стандартными экранами 6 и 16 сетки. Поместите отсортированный угольный порошок отдельно в зависимости от диаметра.
  4. Взвешивание 1000 г и 300 г распыленного угля с распределением размеров частиц 0-1 мм и 1-3 мм соответственно. Сложите их вместе в стакан в массовой пропорции 0,76:0.24 и хорошо перемешайте со стеклянным стержнем (диаметром 6 мм).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Согласно функции Гаудиан-Шуман непрерывной теории упаковки, когда значение распределения размера частиц (м) составляет примерно 0,25 (масса размера частиц составляет 1-3 мм: общая масса 0,24), сила брикета составляет максимум30.
  5. Для приготовления цемента положите 4 г порошка натрия humate (99,99% чистоты) в стакан и добавьте около 96 мл дистиллированной воды. Используйте стеклянный стержень, чтобы перемешать их и убедитесь, что все humate натрия хорошо растворяется.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Концентрация цемента непосредственно влияет на сжатую прочность брикета. В таблице 1 приводятся конкретные соотношения подготовки брикетов, из которых выборка No 2 была использована для репрезентативных результатов.
  6. Положите 230 г смешанного угольного порошка и 20 г раствора натрия humate в стакан и смешайте их вместе.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Основываясь на предыдущем опыте изготовления образцов, брикет, произведенный с 250 г материала, используя метод холодного пресса, соответствует требованиям размера стандартной роховой выборки22, где угольный порошок составляет 92%, а цемент составляет 8%.
  7. Холодный пресс брикет с помощью формования инструментов, адаптированных к размеру брикета(рисунок 3).
    1. Для производства брикета стандартного размера покрасувнутренне внутреннюю поверхность формирующих инструментов смазав маслом. Соберите компоненты инструмента #2, #3 и #4 рисунок3, и заполните отверстие 250 г смешанного материала.
    2. Положите компонент #1 Рисунок 3 поверх материала, и поместите все под поршень электро-гидравлической сервоприводной универсальной испытательной машины.
    3. Запуск программного обеспечения WinWdw (или эквивалент) для управления электро-гидравлической сервоприводуниверсальной испытательной машины. В программном обеспечении нажмите на Force Range, чтобы установить максимальную силу до 50 кН, и нажмите на сбросить, чтобы очистить значение смещения.
    4. Слева щелкните по контрольной нагрузке силы опции. Установите коэффициент перемещения на уровне 0,1 кН/с. Установите целевое значение силы на уровне 29,4 кН и время удержания на уровне 900 с. Затем нажмите на Start.
    5. Выняйте инструменты для формирования и инвертировать их на резиновой пластине. Используйте резиновый молоток для разбора компонентов инструмента #4, #2, #3 и #1 в этом порядке.
  8. Положите брикет в инкубатор 40 градусов по Цельсию на 48 ч. Затем взвесьте его массу с помощью электронных весов (с точностью 0,01 г) и измерьте ее высоту и диаметр с помощью калибра Vernier (с точностью 0,02 мм) после сушки.
  9. Измерьте содержание влаги, содержание золы и летучее содержание брикета, используя прокси-анализатор (см. таблицу материалов) при температуре 20 градусов по Цельсию и относительной влажности 65% (в стандартном ГБ/Т 212-2008). Выполните измерение витринитной отражения на полированном брикете, используя фотометрический микроскоп (в стандартном GB/T 6948-2008).
  10. Измерьте униосиальную компрессионную прочность, прочность, сплоченность и внутренний угол трения, используя универсальную машину для тестирования и управляемый сдвига миноносный аппарат (в стандартном ГБ/Т 23561-2010). Выполните измерение соотношения Пуассона с помощью датчика штамма сопротивления (в стандартном GB/T 22315-2008).
  11. Провести адсорбционный тест сырого угля и брикета, используя изотермовый адсорбционный инструмент (в стандартном ГБ/Т19560-2008).

2. Экспериментальные методы

  1. Лабораторная установка
    1. Поместите тестовую систему в тихую, свободную от вибрации область чистой лаборатории без электромагнитных помех. Температура в помещении должна оставаться стабильной во время теста.
    2. Поместите визуализированный сосуд на платформу электрогидравлического сервопривода универсального испытательного аппарата. Соедините поршень испытательной машины с визуализированным сосудом с помощью конкретного инструмента (см. рисунок4).
    3. Установите ручной клапан, снижающий давление, в сопло бензобака. Соедините клапан с газозаправочным каналом в нижней пластине визуализированного сосуда мягкой трубой (с внутренним диаметром 5 мм и максимальным давлением 30 МПа). Свяжите вакуумный канал и вакуумный насос с одной и той же трубой.
    4. Закрепите заднюю дверь визуализированного судна высокопрочными болтами. Подключите компьютер, коробку для сбора данных (коробка DA') и встроенный датчик давления газа к задней двери.
  2. Испытание герметичности воздуха и пустое измерение
    1. Для получения данных о давлении газа в визуализированном судне запустите программное обеспечение DA'Sensor-16 (или эквивалент). На программное обеспечение, нажмите на начало.
    2. Запустите вакуумный насос. Откройте клапан V1(Рисунок2) и закройте V2, V3 и V4 (рисунок2). Вакуумная визуализированная камера судна. Выключите V1 и вакуум-насос его, пока он находится под вакуумом.
    3. Открыть V2 и бензобак (с гелием). Используйте ручной клапан снижения давления, чтобы регулировать давление розетки бензобака до приблизительно2 MPa (относительное давление).
    4. Внимательно следите за кривой давления газа, отображаемый на датчике ДАЗ-16. Когда речь идет о 2 MPa, выключите V2 и бензобак.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После 24 ч, если снижение давления газа составляет менее 5%, герметичность визуализированного сосуда хороша.
    5. Чтобы измерить силу трения погрузочного поршня, движущегося вниз, запустите программное обеспечение WinWdw для управления электрогидравлическим сервоприводом универсального испытательного аппарата.
    6. В программном обеспечении нажмите на Force Range, чтобы установить максимальную силу до 5 кН, и нажмите на сбросить, чтобы очистить значение смещения. Слева щелкните по коэффициенту загрузки опции Смещение. Установите движущееся соотношение на уровне 1 мм/мин; затем нажмите на Start.
    7. Когда смещение отображается на WinWdw составляет около 5 мм, нажмите на Stop. Слева щелкните по data Save, чтобы сохранить кривую смещения силы.
    8. Откройте V4 и разряжаем гелий в воздух. Разобрать заднюю дверь визуализированного судна и закрыть V4.
      ВНИМАНИЕ: Дверь и окна должны быть открыты для вентиляции во время выброса газа из-за возможной опасности удушья.
  3. Эксперимент по сжатию конькси
    1. Измерьте высоту (h) и диаметр (d) брикета с помощью калибра Вернье (с точностью 0,02 мм). Взвесьте массу (м) брикета с электронными весами (с точностью 0,01 г). РассчитайтеEquation 1его кажущуюся плотность () со следующим уравнением.
      Equation 2
    2. Установите цепной ролик окружного испытательного аппарата деформации вокруг среднего положения брикета(рисунок 5, #1) и зафиксите держатель зажима(рисунок 5, #2). Соедините датчик(рисунок 5, #3) с коробкой ДАЗ через авиационный разъем в визуализированном сосуде (рисунок2) и поместите их под погрузочный поршень.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для обеспечения точности получения данных отрегулируйте цепной ролик и верхнюю поверхность образца таким образом, чтобы они были параллельны погрузочному поршню.
    3. Запуск WinWdw для управления универсальной испытательной машины. В программном обеспечении, слева нажмите на опцию Перемещение Скорость загрузки. Установите коэффициент перемещения на уровне 10 мм/мин. Нажмите кнопку Down на пульте дистанционного управления универсального испытательного автомата до тех пор, пока расстояние между поршнем и образцом не будет равен 1-2 мм. Затем соберите заднюю дверь визуализированного судна.
    4. Повторите шаги 2.2.1-2.2.2. Открыть V3 и бензобак (CO2, чистота 99,99%). Используйте ручной клапан для снижения давления, чтобы настроить давление розетки бензобака до определенного значения.
    5. Внимательно следите за кривой давления газа, отображаемый в датчике ДАЗ-16. Когда он получает достаточно близко к целевому значению,закройте V3 и бензобак (CO 2).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда кривая давления газа остается стабильной, брикет достиг своего адсорбции и опреснения динамического состояния равновесия. Как правило, это занимает 6-8 ч для брикета, чтобы полностью адсорб. В этом тесте время адсорбции установлено на уровне 24 ч.
    6. После 24 ч поместите камеру с штативом рядом с окном визуализированного судна. Отрегулируйте высоту и угол, чтобы убедиться, что изображение образца отображается в центре экрана камеры.
    7. Начните программное обеспечение SDU деформации приобретения V2.0 (или эквивалент) для мониторинга окружной деформации брикета. Нажмите на кнопку "Начало".
    8. На WinWdw, нажмите на новый образец и введите в высоту и диаметр брикета, нажмите на секционной области, а затем нажмите на Подтверждение. Нажмите на Force Range, чтобы установить максимальную силу до 5 кН, и нажмите на сбросить, чтобы очистить значение перемещения.
    9. Слева щелкните по опции Перемещение Скорость загрузки и установить соотношение перемещения на 1 мм / мин. Нажмите на начало сжать образец. В то же время, нажмите кнопку "Пуск" на камеру, чтобы начать видеозапись.
    10. Когда образец полностью не удается, нажмите на стоп и сохранение данных , в этом порядке, как в WinWdw и SDU деформации приобретения V2.0. Нажмите кнопку "Пуск" снова на камеру, чтобы остановить видеозапись.
    11. Повторите шаг 2.2.8, чтобы выпустить CO2 в камере судна. Отключите авиационные разъемы для датчика давления газа и испытательного аппарата окружной деформации.
    12. Слева щелкните по опции Перемещение Скорость загрузки на WinWdw. Установите коэффициент перемещения на уровне 10 мм/мин. Нажмите кнопку Up на пульте дистанционного управления универсального испытательного автомата. Когда погрузочный поршень судна находится на 2-3 мм над брикетом, выньте брикет и снимите его с цепного ролика.
    13. Уничтожаем соединительный инструмент между поршнями. Очистите визуализированный сосуд с помощью пылесоса.
  4. Завершения
    1. На основе кривой стрессообразного напряжения и кривой окружного напряжения, полученной от приобретения WinWdw и SDU деформации V2.0,вычислите объем штамма образца со следующим уравнением.
      Equation 3
      Здесь, Equation 4 штамм объема; Equation 5 - осевая деформация; Equation 6 - окружное напряжение.
    2. Получить максимальную прочность от стрессо-осевой кривой деформации. Скорость снижения прочности рассчитывается следующим образом.
      Equation 7
      Здесь, Equation 8 - скорость снижения прочности; Equation 9 пиковая прочность образца под другимдавлением CO 2; Equation 10 пиковая прочность образца в атмосферном воздухе.
    3. Рассчитайте упругий модуль, используя линейную стадию в кривой напряжения осевых стрессовых отношений в соответствии со следующим уравнением.
      Equation 11
      Здесь Equation 12 - эластичный модуля образца; Equation 13 - приравлиние напряжения линейной стадии (в мегапаскале); Equation 14 - процедить приращение линейной стадии. Рассчитайте упругий темп снижения модуля следующим образом.
      Equation 15
      Здесь Equation 16 упругий темп Equation 12 снижения модуля, эластичный модуля образца под другим давлением CO2; Equation 17 - упругий модуль образца в атмосферном воздухе.
    4. Выберите выборочные фотографии во время теста и область разлома статистики с помощью программы (например, написанной в MATLAB) в соответствии с методом измерения ящиков.
      Equation 18
      Здесь, Equation 19 номер сетки для покрытия области перелома Equation 20 на квадратной длине боковой сетки ; Equation 21 - константа; Equation 22 фрактальное измерение; Equation 20 - боковая длина квадратной сетки. Минимальный размер сетки равен размеру пикселя в этом тесте.
      1. Рассчитайте коэффициент корреляции в соответствии со следующим уравнением.
        Equation 23
        ЗдесьEquation 24 коэффициент корреляции; Equation 25 - ковариантность Equation 26 и Equation 27 ; Equation 28 - дисперсия Equation 26 ; Equation 29 - дисперсия Equation 27 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Средняя масса образца брикета составила 230 г. В зависимости от промышленного анализа брикет показал содержание влаги в 4,52% и содержание золы 15,52%. Кроме того, летучий контент составил примерно 31,24%. Поскольку хмат натрия был извлечен из угля, компоненты брикета были похожи на сырой уголь. Физические характеристики отображаются в таблице 2.

Сравнение механических свойств между сырым углем и брикетом показано в таблице3, и изотермальный тест адсорбции доказал их аналогичную способность к адсорбции газа (рисунок6). Сила образцов брикета, использованных в тесте, имела некоторые колебания(рисунок 7). Однако, по сравнению с снижением силы, вызванным адсорбцией CO 2, она была довольно незначительной и оказала незначительное влияние на анализ экспериментальных результатов.

Когда под различными давлениями CO 2, стрессос-осевые кривые деформации показали очевидное уплотнение, эластичные и пластиковые фазы деформации (рисунок8a). В постпиковом состоянии брикет постепенно дал сбой, при этом поверхностная трещина расширяется и соединяется. Увеличение объема наблюдалось от кривых напряжения стресс-объема, и оно увеличилось с повышением давления CO2 (рисунок8a). Сорбция CO2 нанесла ущерб угольному корпусу, что непосредственно уменьшило его одноаксиальную компрессионную прочность. Пик овсяных сил брикета составил 1,011 MPa, 0,841 MPa, 0,737 MPa, 0,659 MPa, 0,611 MPa, и 0,523 MPa под давлением CO2 от 0 MPa, 0,4 MPa, 0,8 MPa, 1,2 MPa, и 1,6 MPa до 2,0 MPa. По мере повышения давления CO2 пиковая прочность образца угля снизилась, где она показала нелинейную связь (рисунок8b). Кроме того, упругие модули были 66,974 MPa, 48,271 MPa, 42,234 MPa, 36,434 MPa, 32,509 MPa, и 29,643 MPa, в этом порядке, CO2 давление от 0 до 2,0 MPa. Результаты показывают, что упругий модуля уменьшился при насыщенном состоянии CO2 и что связь между упругим модулем и давлением газа была нелинейной, что было похоже на пиковую прочность (Рисунок 8c ).

Изображения, полученные через камеру, свидетельствуют об эволюции переломов на поверхности образца под различными давлениями CO 2. Чтобы различать различные переломы, все фотографии были переданы в двоичные изображения и несколько цветов были использованы для обозначения областей, покрытых переломами(рисунок 9a). Метод измерения коробки был принят для описания особенности переломовEquation 30в Equation 31 состоянии отказа (; здесь, - стресс образца в постпиковом состоянии; Equation 32 пиковая прочность образца при различных давлениях CO 2. Коэффициенты корреляции между номеромEquation 33коробки ()Equation 34и длиной стороны ( ) были все более 0,95 (Рисунок 9b), который проверяет очевидные фрактальные характеристики переломов. Фрактальные размерыEquation 35( ) были 1.3495, 1.3711, 1.4336, 1.4637, 1.5175, и 1.5191 для брикета под 0 MPa, 0.4 MPa, 0.8 MPa, 1.2 MPa, 1.6 MPa, 1.6 MPa, и 2.0 MCO2, соответственно. Значения фрактального измерения пропорциональны значениям давления CO 2, и их тенденция указывает на сходство со степенью повреждения угольного тела.

Figure 1
Рисунок 1: Экспериментальная установка визуализированной и постоянной газотвердой системы тестирования соединения. На рисунке показана установка эксперимента по однооаксийному сжатию социоподъемного угля. (A) Визуализированное погрузочное судно. (B) Модуль газозаполнения. (C) Осевой погрузочный модуль. (D) Модуль для сбора данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Визуализированное погрузочное судно. На рисунке показаны схемные чертежи судна. В то время как образец (высота 100 мм, диаметр 50 мм) лежал внутри сосуда, осевое давление применялось независимой универсальной испытательной машиной через погрузочный поршень, и газ высокого давления вводился из бензобака через мягкую трубу и начинку Канал. Когда образец был деформирован термическим контрактным пластиковым рукавом, ограничивающее давление также обеспечивалось гелием высокого давления. Два регулировки поршни цилиндра и загрузка одного из визуализированного судна двигались одновременно, где изменение громкости, вызванное движением, было компенсировано из-за их одинаковой секционной области. Эта структура сохранила объем судна постоянной и ликвидировала противотанковые силы, применяемые на погрузочном поршне из газа. За образцом можно следить с помощью камеры через окна с трех сторон. В судне был установлен авиационный разъем для подключения провода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: Формирование инструментов, необходимых для холодного пресса стандартный брикет. 3D схематические виды того, как брикет был нажат (29,4 KN в течение 15 минут). Образец лежал во внутреннем отверстии компонентов инструмента, а его высота и диаметр составляли 100 мм и 50 мм соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4: Инструмент, необходимый для подключения погрузочных поршней. 3D схематические виды инструмента крепления между поршнем электрогидравлического сервопривода и видом визуализированного судна. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5: Стандартный испытательный аппарат для окружной деформации образцов породы. Схематическое и физическое представление о приобретении окружной деформации, используемой в протоколе. Путем измерять угловое смещение наведенное образцовой окружной деформацией, окружное напряжение было получено. Этот аппарат может надежно работать в газе высокого давления и гидравлическом масле. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 6
Рисунок 6: Сравнение адсорбционной мощности между сырым углем и брикетом. Панель показывает метан изотермальных адсорбционных данных с использованием сырого угля и брикета в соответствии со стандартным GB/T19560-2008. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 7
Рисунок 7: Полные кривые напряжения, генерируемые из тестовой системы с помощью брикета. Однооaxный тест на сжатие был проведен с использованием трех образцов брикета без заполнения CO2, и результаты показывают, что брикет имеет стабильную силу одноосного сжатия (1,0 MPa). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 8
Рисунок 8: Эксперимент по однооясному сжатию CO 2-подшипникового угля. (A) Стресс-напряжение кривых под различными давленияМИ CO2. (B) Тенденция изменения в пиковой прочности. (C) Тенденция изменения в эластичной модуле. Кривые напряжения осевойEquation 36нагрузки (), кривыеEquation 37напряжения стресс-обхода (),Equation 38и кривые напряжения напряжения напряжения напряжения напряжения напряжения усилия () показаны в панели A. После заполнения CO2брикет испытал максимальную прочность и упругие снижение модуля, а кривые в панелях B и C указывают на нелинейную связь между скоростью снижения и давлением газа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 9
Рисунок 9: Изображения переломов и фрактальных расчетов вEquation 39состоянии отказа(). (A) Эволюция перелома на поверхностях брикетов, с различными цветами, представляющими разнообразные переломы. (B) Fractal кривые измерения с помощью метода подсчета размеров коробки. Были извлечены трещины и область покрытия была рассчитана на основе фрактальной геометрии. Все коэффициенты корреляции (R2) при различных давлениях CO2 были более 0,95, что доказывает фрактальные характеристики. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 10
Рисунок 10: Инструменты, необходимые для нанесения динамической нагрузки и фото тестовой системы. 3D вид и физическое изображение направляющего стержня и цилиндрический вес для динамической нагрузки применения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Нет. Состав угольного зерна
(0-1 мм:1-3 мм)		 Концентрация
твердое решение humate/ %		 Райто
(угольный порошок: цемент)		 Масса/г Давление молдинга
/ МПА		 Время
/ мин		 Пик силы
/ МПА
1 0,76:0.24 1 0,92:0.08 250 г. 15 лет 15 лет 0,5
2 4 1
3 7 (г. 1,5
4 12 Лет 2

Таблица 1: Схема подготовки брикетов.

Образец очевидной плотности
(г/см3)		 Пористость
(%)		 Влажности
(%)		 Зольность
(%)		 Летучий контент
(%)		 Максимальная витринитная отражательная
(%)
Брикетов 1.17 15 лет 4.52 Год 15.52 Для того, чтобы 31.24 Год 0,82
Сырой уголь 1.4 3,45 4.09 4,09 15.36 31.17 03.03.2017 Ук 0,85

Таблица 2: Сравнение параметров промышленного анализа брикетов и сырого угля.

Образец Uniaxial
Сжимающее
прочность (MPa)		 Упругой
Модуль
(Гпа) Я не стою.		 Растяжение
Силы
(MPa) Я не против.		 Внутренние
Трения
угол (к)		 Сплоченности
(MPa) Я не против.		 Pission
Соотношение
сырой уголь 25.23 02.03.20.201 4.529 2.30 23.03.2016 30 год 0,800 0,25
Брикетов 1.011 0,067 0,11 29 0,117 0,25

Таблица 3: Механические характеристики сырого угля и брикета.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Учитывая опасность газа высокого давления, некоторые критические шаги имеют важное значение во время испытания. Клапаны и кольца O должны регулярно проверяться и заменяться, и любой источник зажигания не должен допускаться в лабораторию. При использовании ручного клапана, регулирующего давление, экспериментатор должен медленно скручивать клапан, чтобы давление в визуализированном сосуде постепенно увеличивалось. Не разбирайте судно во время испытания. По завершении эксперимента задняя дверь судна должна быть открыта после полного выброса газа высокого давления; в противном случае существует опасность получения травмы. Используйте пылесос, чтобы удалить все кусочки брикета из сосуда, чтобы не повлиять на количество адсорбции газа во время следующего испытания.

Экспериментальный метод соединения CO2был разработан для повышения точности испытаний и мониторинга фотографий для экспериментов с газоносным углем. Образец брикета обладает рядом преимуществ, таких как рентабельность, нетоксичность, легкое производство, стабильная производительность и регулируемая прочность, и его изотермическая кривая адсорбции хорошо согласуется с кривой сырого угля. Модельный тест угольного и газового взрыва также доказывает, что брикет может имитировать адсорбирующее и озорное поведение газоносного угля29,31. Кроме того, после пяти поколений усовершенствования экспериментальный аппарат теперь обладает высокой точностью, точностью, стабильностью и безопасностью, что соответствует стандартам безопасности экспериментов высокого давления. Особых требований к виду образца нет, если это пористая порода, включая сырой уголь и сланцевую породу.

Основными ограничениями экспериментального метода соединения CO2являются, во-первых, то, что брикет имеет меньшую прочность по сравнению с сырым углем, благодаря своему способу формирования. Сходство механических свойств между сырым углем и брикетом все еще нуждается в улучшении, и соответствующие экспериментальные результаты должны быть оценены и подтверждены сырым углем и тестом на месте. Во-вторых, так как светодиодные фонари и авиационный разъем были установлены в визуализированном сосуде, он не должен быть заполнен каким-либо легковоспламеняющимся газом, таким как CH4. В противном случае во время заправки газа может произойти взрывная авария. К счастью, негорючий газ,похожий на метан, может имитировать взаимодействие CH 4-угольной системы, и было доказано, что он является безопасным и эффективным материалом для применения в экспериментах физического моделирования угольных и газовых взрывов32.

Кроме того, брикет обернут термическим сжатым пластиковым рукавом для ограничения давления, применяемого во время трехосного сжатия, что, очевидно, ухудшит качество изображения образца. При загрузке образца под другим давлением газа, температуры и газа динамический индекс преломления должен учитываться при захвате изображения. Поскольку разница в давлении в тесте относительно низка, индекс преломления можно рассматривать как постоянный33.

Помимо однооясного и трехосного сжатия, во время теста можно применять динамическое нарушение нагрузки для исследования взаимодействия образца с газом. Между поршнями универсальной испытательной машины и визуализированным сосудом (рисунок10)добавляются направляющий стержень и цилиндрический вес 1 кг. Датчик давления устанавливается на дне погрузочного поршня для получения динамического давления, применяемого к образцу. Во время теста цилиндрический вес, на определенной высоте, высвобождается в различных состояниях стресса для изучения динамических характеристик отказа образца.

Наводненное сорбцией повреждение угольного тела макроскопически раскрывается как уменьшение одноосевой компрессионной силы и эластичного модуля. Чем выше давление сорбции, тем больше причин повреждения угля, что является нелинейной взаимосвязи. Процесс адсорбции может быть описан моделью Langmuir34. В соответствии с Equation 40 моделью уравнения, (V эквивалентный объем адсорбции; Vm, b й константа; р и давление газа), количество адсорбции увеличивается по мере увеличения давления газа. Эта разница приводит к различным темпам снижения пиковой прочности брикета. Прочность угля или упругое снижение модуля на насыщение CO2 наблюдается по экспериментальным результатам имеют хорошее соответствие с предыдущими исследованиями35,36,37. В заключение, должна быть определенная связь между механическими повреждениями, вызванными сорбцией, и количеством адсорбции газа.

Характеристики деформации брикета суммируются как сжатие/расширение соединения микротрещин и окончательное образование макроскопических переломов. Предполагается, что эволюцияперелома СО 2-подшипникового угля показала фрактальные характеристики. Максимальное фрактальное измерение составило 1,5191 (2 MPa CO2)в тесте. Учитывая, что сырой уголь является более неоднородным, чем брикет, значение фрактального измерения может быть различным для испытания сырого угля.

Рок является твердой среде, и различные внешние эффекты нанесут ей ущерб. Из-за неопределенности распространения трещины во время процесса отказа, особенно учитывая эффект соединения сорбции и нагрузки, некоторые традиционные методы исследования рок-механики проявляют очевидные ограничения. Тем не менее, фрактальная теория предоставляет новый способ описания и изучения сложных механических процессов и механизмов развития перелома породы. Предыдущие исследования показали, что эволюция перелома горных материалов имеет фрактальные характеристики38,39,40,41. Однако не хватает испытательных исследований по эволюции перелома газоносного угля, главным образом из-за ограничения экспериментального аппарата. Экспериментальный метод соединения CO2(CO 2) предоставляет ученым возможность захвата и извлечения поверхностной сети переломов образца через окна и получения фрактального измерения в различных условиях соединения. Фрактальное измерение может быть использовано для количественного описания степени повреждения, развития трещин и сложности сечения угольного тела в состоянии погрузки. Он может стать индексом оценки структурных характеристик и механических свойств угля. Поэтому он имеет большое значение для оценки емкости хранения газа и параметров влияния закачки в практике геологического секвестра CO 2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана Китайским национальным проектом развития научных инструментов (Грант No 51427804) и Национальным фондом естественных наук провинции Шаньдун (Грант No. NO2017MEE023).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3Y-Leica MPV-SP photometer microphotometric system Leica,Germany M090063016 Used for vitrinite
reflectance measurement
Automatic isotherm adsorption instrument BeiShiDe Instrument Technology (Beijing)CO.,Ltd. 3H-2000PH Isothermal adsorption test
Electro hydraulic servo universal testing machine Jinan Shidaishijin testing machine CO.,Ltd WDW-100EIII Used to provide
axial pressure
Gas pressure sensor Beijing Star Sensor Technology CO.,LTD CYYZ11 Gas pressure monitoring
Gas tank(carbon dioxide/helium) Heifei Henglong Gas.,Ltd Gas resource
high-speed camera Sony corporation FDR-AX30 Image monitoring
Incubator Yuyao YuanDong Digital Instrument Factory XGQ-2000 Briquette drying
jaw crusher Hebi Tianke Instrument CO.,Ltd EP-2 Coal grinding
Manual pressure reducing valve Shanghai Saergen Instrument CO.,Ltd R41 Outlet gas pressure adjustment
Proximate Analyzer Changsha Kaiyuan Instrument CO.,Ltd 5E-MAG6700 Coal industrial analysis
Resistance strain gauge Jinan Sigmar Technology CO.,LTD ASMB3-16/8 Poisson ratio measurement
Sieve shaker (6,16mesh) Hebi Tianguan Instrument CO.,Ltd GZS-300 Coal powder shelter
Soft pipe Jinan Quanxing High pressure pipe CO.,Ltd Inner diameter=5 mm
maximal pressure=30 MPa
Standard rock sample circumferential deformation test apparatus Huainan Qingda Machinery CO.,Ltd Circumferential deformation
acquisition
Strain controlled
direct shear apparatus		 Beijing Aerospace Huayu Test Instrument CO.,LTD ZJ-4A Tensile strength, cohesion, internal friction
angle measurement
Vaccum pump Fujiwara,Japan 750D Used to vaccumize the vessel
Valve Jiangsu Subei Valve Co.,Ltd S4 NS-MG16-MF1 Gas seal
Visual loading vessel Huainan Qingda Machinery CO.,Ltd Instrument for sample
loading and real-time monitoring

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mazzotti, M., Pini, R., Storti, G. Enhanced coalbed methane recovery. Journal of Supercritical Fluids. 47 (3), 619-627 (2009).
  2. Litynski, J., et al. U.S. Department of Energy’s Regional Carbon Sequestration Partnership Program: Overview. Energy Procedia. 1 (1), 3959-3967 (2009).
  3. Lackner, K. S. A Guide to CO2 Sequestration. Science. 300 (5626), 1677-1678 (2015).
  4. Zhou, F. D., et al. A feasibility study of ECBM recovery and CO2, storage for a producing CBM field in Southeast Qinshui Basin, China. International Journal of Greenhouse Gas Control. 19 (19), 26-40 (2013).
  5. Zhou, F., Hussain, F., Cinar, Y. Injecting pure N2 and CO2 to coal for enhanced coalbed methane: Experimental observations and numerical simulation. International Journal of Coal Geology. 116 (5), 53-62 (2013).
  6. Pini, R., Ottiger, S., Storti, G., Mazzotti, M. Pure and competitive adsorption of CO2, CH4 and N2 on coal for ECBM. Energy Procedia. 1 (1), 1705-1710 (2009).
  7. Nie, B. S., Li, X. C., Cui, Y. J., Lu, H. Q. Theory and application of gas migration in coal seam. , Science Press. Beijing, China. (2014).
  8. Scott, A. R. Improving coal gas recovery with microbially enhanced coalbed methane. Coalbed Methane: Scientific, Environmental and Economic Evaluation. Mastalerz, M., Glikson, M., Golding, S. D. , Springer. Netherlands. 89-110 (1999).
  9. Gorucu, F., et al. Effects of matrix shrinkage and swelling on the economics of enhanced-coalbed-methane production and CO2 sequestration in coal. Spe Reservoir Evaluation Engineering. 10 (4), 382-392 (2007).
  10. Liu, S. M., Wang, Y., Harpalani, S. Anisotropy characteristics of coal shrinkage/swelling and its impact on coal permeability evolution with CO2 injection. Greenhouse Gases Science & Technology. 6 (5), 615-632 (2016).
  11. Larsen, J. W. The effects of dissolved CO2, on coal structure and properties. International Journal of Coal Geology. 57 (1), 63-70 (2004).
  12. Mastalerz, M., Gluskoter, H., Rupp, J. Carbon dioxide and methane sorption in high volatile bituminous coals from Indiana, USA. International Journal of Coal Geology. 60 (1), 43-55 (2004).
  13. Li, X. C., Nie, B. S., He, X. Q., Zhang, X., Yang, T. Influence of gas adsorption on coal body. Journal of China Coal Society. 36 (12), 2035-2038 (2011).
  14. Du, Q. H., Liu, X. L., Wang, E. Z., Wang, S. J. Strength Reduction of Coal Pillar after CO2 Sequestration in Abandoned Coal Mines. Minerals. 7 (2), 26-41 (2017).
  15. Zhao, B., et al. Similarity criteria and coal-like material in coal and gas outburst physical simulation. International Journal of Coal Science and Technology. 5 (2), 167-178 (2018).
  16. Xu, J., Ye, G. -b, Li, B. -b, Cao, J., Zhang, M. Experimental study of mechanical and permeability characteristics of moulded coals with different binder ratios. Rock and Soil Mechanics. 36 (1), 104-110 (2015).
  17. Barbara, D., et al. Balance of CO2/CH4 exchange sorption in a coal briquette. Fuel Processing Technology. 106 (2), 95-101 (2013).
  18. Benk, A., Coban, A. Molasses and air blown coal tar pitch binders for the production of metallurgical quality formed coke from anthracite fines or coke breeze. Fuel Processing Technology. 92 (5), 1078-1086 (2011).
  19. Zhao, H. B., Yin, G. Z. Study of acoustic emission characteristics and damage equation of coal containing gas. Rock and Soil Mechanics. 32 (3), 667-671 (2011).
  20. Cao, S. G., Li, Y., Guo, P., Bai, Y. J., Liu, Y. B. Comparative research on permeability characteristics in complete stress-strain process of briquette and coal samples. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 29 (5), 899-906 (2010).
  21. Wang, H. P., et al. Development of a similar material for methane-bearing coal and its application to outburst experiment. Rock and Soil Mechanics. 36 (6), 1676-1682 (2015).
  22. Ulusay, R. The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007-2014. , Springer International Publishing. Switzerland. (2015).
  23. Ranathunga, A. S., Perera, M. S. A., Ranjith, P. G. Influence of CO2 adsorption on the strength and elastic modulus of low rank Australian coal under confining pressure. International Journal of Coal Geology. 167, 148-156 (2016).
  24. Ranjith, P. G., Perera, M. S. A. Effects of cleat performance on strength reduction of coal in CO2, sequestration. Energy. 45 (1), 1069-1075 (2012).
  25. Masoudian, M. S., Airey, D. W., El-Zein, A. Experimental investigations on the effect of CO2, on mechanics of coal. International Journal of Coal Geology. 128 (3), 12-23 (2014).
  26. Wang, S. G., Elsworth, D., Liu, J. S. Rapid decompression and desorption induced energetic failure in coal. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 7 (3), 345-350 (2015).
  27. Hadi Mosleh, M., Turner, M., Sedighi, M., Vardon, P. J. Carbon dioxide flow and interactions in a high rank coal: Permeability evolution and reversibility of reactive processes. International Journal of Greenhouse Gas Control. 70, 57-67 (2018).
  28. Abhijit, M., Harpalani, S., Liu, S. M. Laboratory measurement and modeling of coal permeability with continued methane production: Part 1 – Laboratory results. Fuel. 94 (1), 110-116 (2012).
  29. Li, Q. C., et al. Development and application of a gas-solid coupling test system in the visualized and constant volume loading state. Journal of China University of Mining & Technology. 47 (1), 104-112 (2018).
  30. Allen, T. Particle Size Measure. , China Architecture & Building Press. Beijing, China. (1984).
  31. Wang, H. P., et al. Coal and gas outburst simulation system based on CRISO model. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 34 (11), 2301-2308 (2015).
  32. Zhang, Q. H., et al. Exploration of similar gas like methane in physical simulation test of coal and gas outburst. Rock and Soil Mechanics. 38 (2), 479-486 (2017).
  33. Xia, G. Z. Study on density and refractive index of near-critical fluid. , Huazhong University of Science and Technology. Master’s degree thesis (2009).
  34. Ruppel, T. C., Grein, C. T., Bienstock, D. Adsorption of methane on dry coal at elevated pressure. Fuel. 53 (3), 152-162 (1974).
  35. Ranjith, P. G., Jasinge, D., Choi, S. K., Mehic, M., Shannon, B. The effect of CO2 saturation on mechanical properties of Australian black coal using acoustic emission. Fuel. 89 (8), 2110-2117 (2010).
  36. Viete, D. R., Ranjith, P. G. The effect of CO2, on the geomechanical and permeability behaviour of brown coal: Implications for coal seam CO2 sequestration. International Journal of Coal Geology. 66 (3), 204-216 (2006).
  37. Jiang, Y. D., Zhu, J., Zhao, Y. X., Liu, J. H., Wang, H. W. Constitutive equations of coal containing methane based on mixture theory. Journal of China Coal Society. 32 (11), 1132-1137 (2007).
  38. Xie, H. P., Gao, F., Zhou, H. W., Zuo, J. P. Fractal fracture and fragmentation in rocks. Journal of Seismology. 23 (4), 1-9 (2003).
  39. Miao, T. J., Yu, B. M., Duan, Y. G., Fang, Q. T. A fractal analysis of permeability for fractured rocks. International Journal of Heat & Mass Transfer. 81 (81), 75-80 (2015).
  40. Liu, R. C., Jiang, Y. J., Li, B., Wang, X. S. A fractal model for characterizing fluid flow in fractured rock masses based on randomly distributed rock fracture networks. Computers & Geotechnics. 65, 45-55 (2015).
  41. Pan, J. N., et al. Micro-pores and fractures of coals analysed by field emission scanning electron microscopy and fractal theory. Fuel. 164, 277-285 (2016).

Tags

Экологические науки Выпуск 148 Экологическая наука сорбция двуокиси углерода угольный брикет мониторинг изображений в реальном времени однооясная сжатие фрактальное измерение
Эксперимент по uniaxial Сжатию с CO<sub>2</sub>-Bearing Coal с использованием визуализированной и постоянно-объемной газо-твердой системы сцепления
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hou, W., Wang, H., Wang, W., Liu,… More

Hou, W., Wang, H., Wang, W., Liu, Z., Li, Q. A Uniaxial Compression Experiment with CO2-Bearing Coal Using a Visualized and Constant-Volume Gas-Solid Coupling Test System. J. Vis. Exp. (148), e59405, doi:10.3791/59405 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter