Um experimento de compactação uniaxial com carvão de rolamento de CO₂usando um sistema de teste de acoplamento de gás sólido de volume visualizado e constante

A crescente concentração de CO₂ na atmosfera é um fator direto que causa o efeito do aquecimento global. Devido à forte capacidade de sorção de carvão, o sequestro de CO₂ em uma costura de carvão é considerado como um meio prático e favorável ao meio ambiente para reduzir a emissão global de gases de efeito estufa^1,2,3. Ao mesmo tempo, o co₂ injetado pode substituir o ch₄ e resultar na promoção da produção de gás na recuperação de metano coalleito (ecbm)^4,5,6. As perspectivas ecológicas e econômicas do sequestro de CO₂ têm atraído recentemente a atenção mundial entre os pesquisadores, bem como entre diferentes grupos internacionais de proteção ambiental e agências governamentais.

O carvão é uma rocha heterogênea, estruturalmente anisotrópica, composta por poros, fraturas e matriz de carvão. A estrutura do pore tem uma grande área de superfície específica, que possa adsorver uma grande quantidade de gás, jogando um papel vital no sequestro do gás, e a fratura é o trajeto principal para o fluxo de gás livre^7,8. Esta estrutura física original conduz a uma grande capacidade da adsorção do gás para CH₄ e co₂. O gás de mina é depositado em do do em algumas formas: (1) adsorvida na superfície de microporos e poros maiores; (2) absorvido na estrutura molecular de carvão; (3) como gás livre em fraturas e poros maiores; e (4) dissolvidos em água de depósito. O comportamento de sorção de carvão para CH₄ e co₂ provoca inchaço da matriz, e estudos adicionais demonstram que é um processo heterogêneo e está relacionado com os litotipos de carvão^9,10,11. Além disso, a sorção de gás pode resultar em danos na relação constitutiva do carvão^12,13,14.

A amostra de carvão cru é geralmente usada em experimentos de acoplamento de carvão e CO₂ . Especificamente, um grande pedaço de carvão cru da face de trabalho em uma mina de carvão é cortado para preparar uma amostra. No entanto, as propriedades físicas e mecânicas do carvão cru inevitavelmente têm um alto grau de dispersão devido à distribuição espacial aleatória de poros naturais e fraturas em uma costura de carvão. Além disso, o carvão de rolamento de gás é macio e difícil de ser remodelada. De acordo com os princípios do método experimental ortogonal, o briquete, que é reconstituído com pó de carvão cru e cimento, é considerado como um material ideal utilizado no teste de sorção de carvão^15,16. Sendo prensado a frio com o metal morre, sua força pode ser predefinida e permanece estável ajustando a quantidade de cimento, que beneficia a análise comparativa do efeito da único-variável. Adicionalmente, embora a porosidade da amostra de briquete seja ~ 4-10 vezes, a da amostra de carvão cru, características similares de adsorção e dessorção e curva tensão-deformação foram encontradas na pesquisa experimental^{17,18 , 19} anos de ^{, 20}. neste artigo, foi adotado um esquema de material similar para carvão com gás para preparar o briquete²¹. O carvão cru foi tomado da cara 4671B6 de trabalho na mina de carvão de Xinzhuangzi, Huainan, província de Anhui, China. A costura de carvão é de aproximadamente 450 m abaixo do nível do solo e 360 m abaixo do nível do mar, e mergulha em cerca de 15 ° e é de aproximadamente 1,6 m de espessura. A altura e o diâmetro da amostra de briquete são de 100 mm e 50 mm, respectivamente, que é o tamanho recomendado sugerido pela sociedade internacional de mecânica de rochas (ISRM)²².

Os instrumentos de teste de carga uniaxial ou triaxial anteriores para experimentos de carvão com gás em condições laboratoriais têm algumas deficiências e limitações, apresentadas como bolsistas^{23,24,25,26 ,27,28}: (1) durante o processo de carregamento, o volume do vaso diminui com o movimento do pistão, causando flutuações na pressão do gás e distúrbios na sorção de gás; (2) a monitoração da imagem do tempo real das amostras, assim como medidas circunferenciais da deformação em um ambiente elevado da pressão de gás, é difícil de conduzir; (3) limitam-se à estimulação de distúrbios de carga dinâmica em amostras pré-carregadas para analisar suas características de resposta mecânica. A fim de melhorar a precisão do instrumento e a aquisição de dados na condição de acoplamento gás-sólido, foi desenvolvido um sistema de teste de volume constante e visualizado²⁹ (Figura 1), incluindo (1) um vaso de carga visualizado com um Câmara de volume constante, que é o componente principal; (2) um módulo de enchimento de gás com um canal de vácuo, dois canais de enchimento, e um canal de liberação; (3) um módulo de carregamento axial que consiste em uma máquina de teste universal servo electro-hydraulic e em um computador do controle; (4) um módulo de aquisição de dados composto por um aparelho de medição de deslocamento circunferencial, um sensor de pressão de gás e uma câmera na janela do vaso de carga visualizado.

O núcleo visualizado embarcação (Figura 2) é projetado especificamente de modo que dois cilindros de ajuste são fixados na placa superior e seus pistões se movem simultaneamente com o carregamento um através de um feixe, e a área secional do pistão do carregamento é igual ao soma dos cilindros de regulação. Fluindo através de um furo interno e de umas tubulações macias, o gás de alta pressão na embarcação e nos dois cilindros é conectado. Conseqüentemente, quando o pistão do navio-carregamento se move para baixo e comprime o gás, esta estrutura pode compensar a mudança no volume e eliminar a interferência da pressão. Além disso, a enorme contraforça induzida por gás exercida sobre o pistão é impedida durante o teste, melhorando significativamente a segurança do instrumento. As janelas, que são equipadas com o vidro de borosilicato moderado e situadas em três lados da embarcação, fornecem uma maneira direta de tomar uma fotografia da amostra. Este vidro foi testado com sucesso e provou resistir a um gás de até 10 MPa com uma baixa taxa da expansão, um transmittance de grande resistência, claro, e uma estabilidade química²⁹.

Este trabalho descreve o procedimento para realizar uma experiência de compressão uniaxial de carvão de CO₂-Bearing com o novo sistema de teste de acoplamento gás-sólido visualizado e de volume constante, que inclui a descrição de todas as peças que preparam um briquete amostra usando pó de carvão cru e Humate do sódio, assim como as etapas sucessivas para injetar a alta pressão CO₂ e para conduzir a compressão uniaxial. Todo o processo de deformação da amostra é monitorado usando uma câmera. Esta abordagem experimental oferece uma forma alternativa de analisar quantivamente os danos induzidos pela adsorção e a evolução da fratura característicos do carvão de carga gasosa.