Un experimento de compresión uniaxial con carbón de CO₂mediante un sistema de prueba de acoplamiento de gas sólido de volumen fijo y de volumen constante

La creciente concentración de_CO2 en la atmósfera es un factor directo que causa el efecto del calentamiento global. Debido a la fuerte capacidad de sorción del carbón, el secuestro de CO₂ en una costura de carbón se considera un medio práctico y respetuoso con el medio ambiente para reducir la emisión mundial de gases de efecto invernadero^1,2,3. Al mismo tiempo, el CO₂ inyectado puede sustituir a CH₄ y dar lugar a la promoción de la producción de gas en la recuperación de metano carbonilado (ECBM)^4,5,6. Las perspectivas ecológicas y económicas del secuestro de CO₂ han atraído recientemente la atención mundial entre los investigadores, así como entre diferentes grupos internacionales de protección del medio ambiente y organismos gubernamentales.

El carbón es una roca heterogénea, estructuralmente anisotrópica compuesta de poro, fractura y matriz de carbón. La estructura de los poros tiene una gran superficie específica, que puede adsorser una gran cantidad de gas, jugando un papel vital en el secuestro de gas, y la fractura es el camino principal para el flujo de gas libre^7,8. Esta estructura física única conduce a una gran capacidad de adsorción de gas para CH₄ y CO_2. El gas minero se deposita en el lecho de carbón en pocas formas: (1) adsorbido en la superficie de los microporos y los poros más grandes; 2) absorbido en la estructura molecular del carbón; (3) como gas libre en fracturas y poros más grandes; y (4) disuelto en agua de depósito. El comportamiento de sorción del carbón a CH₄ y CO₂ causa hinchazón de la matriz, y otros estudios demuestran que es un proceso heterogéneo y está relacionado con los limorfos de carbón^9,10,11. Además, la sorción de gas puede causar daños en la relación constitutiva del carbón^12,13,14.

La muestra de carbón crudo se utiliza generalmente en experimentos de acoplamiento de carbón y CO 2. Específicamente, una gran pieza de carbón crudo de la cara de trabajo en una mina de carbón se corta para preparar una muestra. Sin embargo, las propiedades físicas y mecánicas del carbón crudo inevitablemente tienen un alto grado de dispersión debido a la distribución espacial aleatoria de los poros naturales y fracturas en una costura de carbón. Además, el carbón que lleva gas es suave y difícil de remodelar. De acuerdo con los principios del método experimental ortogonal, la briqueta, que se reconstituye con polvo de carbón crudo y cemento, se considera como un material ideal utilizado en la prueba de sorción de carbón^15,16. Al ser prensado en frío con matrices de metal, su resistencia puede ser preestablecida y se mantiene estable ajustando la cantidad de cemento, lo que beneficia el análisis comparativo del efecto de una sola variable. Además, aunque la porosidad de la muestra de briqueta es de 4-10 veces, la de la muestra de carbón crudo, características similares de adsorción y desorción y curva de tensión-deformación se han encontrado en la investigación experimental^{17,18 , 19 , 20}. En este documento, se ha adoptado un sistema de material similar para el carbón de gas para preparar la briqueta²¹. El carbón crudo fue tomado de la cara de trabajo 4671B6 en la mina de carbón Xinzhuangzi, Huainan, provincia de Anhui, China. La costura de carbón está aproximadamente 450 m por debajo del nivel del suelo y 360 m por debajo del nivel del mar, y se sumerge a unos 15o y tiene aproximadamente 1,6 m de espesor. La altura y el diámetro de la muestra de briqueta son de 100 mm y 50 mm, respectivamente, que es el tamaño recomendado sugerido por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM)²².

Los anteriores instrumentos de prueba de carga uniaxial o triaxial para experimentos de carbón de gas en condiciones de laboratorio tienen algunas carencias y limitaciones, presentados como becarios^{23,24,25,26 ,27,28}: (1) durante el proceso de carga, el volumen del recipiente disminuye con el movimiento del pistón, causando fluctuaciones en la presión del gas y perturbaciones en la sorción de gas; 2) el monitoreo de imágenes en tiempo real de las muestras, así como las mediciones de deformación circunferencial en un entorno de alta presión de gas, es difícil de llevar a cabo; (3) se limitan a la estimulación de perturbaciones de carga dinámicas en muestras precargadas para analizar sus características de respuesta mecánica. Con el fin de mejorar la precisión del instrumento y la adquisición de datos en la condición de acoplamiento gassólido, se ha desarrollado un sistema de ensayo visualizado y de volumen constante²⁹ (Figura1), incluyendo (1) un recipiente de carga visualizado con un cámara de volumen constante, que es el componente principal; (2) un módulo de llenado de gas con un canal de vacío, dos canales de llenado y un canal de liberación; 3) un módulo de carga axial que consiste en una máquina de pruebas universal esservohidráulica y una computadora de control; (4) un módulo de adquisición de datos compuesto por un aparato de medición de desplazamiento circunferencial, un sensor de presión de gas y una cámara en la ventana del recipiente de carga visualizado.

El recipiente visualizado del núcleo (Figura2) está diseñado específicamente para que dos cilindros de ajuste se fijan en la placa superior y sus pistones se mueven simultáneamente con el recipiente de carga a través de una viga, y el área seccional del pistón de carga es igual a la suma de la de los cilindros de ajuste. Fluyendo a través de un agujero interior y tuberías blandas, el gas de alta presión en el recipiente y los dos cilindros están conectados. Por lo tanto, cuando el pistón de carga del recipiente se mueve hacia abajo y comprime el gas, esta estructura puede compensar el cambio de volumen y eliminar la interferencia de presión. Además, se evita la enorme contrafuerza inducida por gas que ejerce sobre el pistón durante la prueba, mejorando significativamente la seguridad del instrumento. Las ventanas, que están equipadas con vidrio de borosilicato templado y situadas en tres lados del recipiente, proporcionan una manera directa de tomar una fotografía de la muestra. Este vidrio ha sido probado con éxito y demostrado para resistir hasta 10 MPa de gas con una baja tasa de expansión, alta resistencia, transmitancia de luz, y estabilidad química²⁹.

Este documento describe el procedimiento para realizar un experimento de compresión uniaxial de carbón de CO₂con el nuevo sistema de prueba de acoplamiento de gas sólido de volumen constante y visualizado, que incluye la descripción de todas las piezas que preparan una briqueta muestra utilizando polvo de carbón crudo y humate de sodio, así como los pasos sucesivos para inyectar CO₂ de alta presión y realizar compresión uniaxial. Todo el proceso de deformación de la muestra se supervisa con una cámara. Este enfoque experimental ofrece una forma alternativa de analizar cuantitativamente el daño inducido por la adsorción y la evolución de fracturas característica del carbón portador de gas.