Une expérience de compression uniaxiale avec co₂-Bearing Coal using a Visualized and Constant-Volume Gas-Solid Coupling Test System

La concentration croissante de CO₂ dans l’atmosphère est un facteur direct à l’origine de l’effet du réchauffement climatique. En raison de la forte capacité de sorption du charbon, la séquestration du CO₂ dans une veine de charbon est considérée comme un moyen pratique et respectueux de l’environnement pour réduire les émissions mondiales de gaz à effet de serre^1,2,3. Dans le même temps, le CO₂ injecté peut remplacer le CH₄ et entraîner la promotion de la production de gaz dans la récupération du méthane de houille (ECBM)^4,5,6. Les perspectives écologiques et économiques de la séquestration du CO₂ ont récemment attiré l’attention du monde entier parmi les chercheurs, ainsi que parmi les différents groupes internationaux de protection de l’environnement et les organismes gouvernementaux.

Le charbon est une roche hétérogène et structurellement anisotrope composée d’une matrice de pores, de fractures et de charbon. La structure des pores a une grande surface spécifique, qui peut adsorb une grande quantité de gaz, jouant un rôle vital dans la séquestration du gaz, et la fracture est le chemin principal pour le flux de gaz libre^7,8. Cette structure physique unique conduit à une grande capacité d’adsorption de gaz pour CH₄ et CO₂. Le gaz de mine est déposé dans le lit de houille sous quelques formes : (1) adsorbé à la surface des micropores et des pores plus grands; (2) absorbédans la structure moléculaire du charbon; (3) comme gaz libre dans les fractures et les pores plus grands; et (4) dissous dans l’eau du dépôt. Le comportement de sorption du charbon au CH₄ et co₂ provoque l’enflure de matrice, et d’autres études démontrent qu’il s’agit d’un processus hétérogène et est lié aux lithotypes de charbon^9,10,11. En outre, la sorption de gaz peut entraîner des dommages dans la relation constitutive du charbon^12,13,14.

L’échantillon de charbon brut est généralement utilisé dans les expériences de couplage de charbon et de CO 2. Plus précisément, un gros morceau de charbon brut provenant du visage de travail dans une mine de charbon est coupé pour préparer un échantillon. Cependant, les propriétés physiques et mécaniques du charbon brut ont inévitablement un degré de dispersion élevé en raison de la distribution spatiale aléatoire des pores naturels et des fractures dans une couture de charbon. De plus, le charbon gazeux est doux et difficile à remodeler. Selon les principes de la méthode expérimentale orthogonale, la briquette, qui est reconstituée avec de la poudre de charbon brut et du ciment, est considérée comme un matériau idéal utilisé dans le test de sorption de charbon^15,16. Pressé à froid avec des matrices métalliques, sa résistance peut être préfixée et reste stable en ajustant la quantité de ciment, ce qui profite à l’analyse comparative de l’effet à une seule variable. De plus, bien que la porosité de l’échantillon de briquette soit de 4 à 10 fois, celle de l’échantillon de charbon brut, des caractéristiques similaires d’adsorption et de desorption et de la courbe de contrainte-souche ont été trouvées dans la recherche expérimentale^{17,18 , 19 ans,} états-unis qui ^{, 20}. Dans ce document, un schéma d’un matériau similaire pour le charbon gazeux a été adopté pour préparer la briquette²¹. Le charbon brut a été prélevé sur le visage de travail 4671B6 dans la mine de charbon de Xinzhuangzi, Huainan, province d’Anhui, Chine. La veine de charbon est d’environ 450 m sous le niveau du sol et 360 m sous le niveau de la mer, et elle plonge à environ 15 degrés et est d’environ 1,6 m d’épaisseur. La hauteur et le diamètre de l’échantillon de briquette sont respectivement de 100 mm et 50 mm, soit la taille recommandée par l’International Society for Rock Mechanics (ISRM)²².

Les précédents instruments d’essai de chargement uniaxial ou triaxial pour les expériences sur le charbon gazeux dans des conditions de laboratoire présentent certaines pénuries et limitations, présentés comme boursiers^{23,24,25,26 ,27,28}: (1) pendant le processus de chargement, le volume du navire diminue avec le déplacement du piston, provoquant des fluctuations de la pression du gaz et des perturbations dans la sorption de gaz; (2) la surveillance d’image en temps réel des échantillons, ainsi que les mesures circonférences de déformation dans un environnement à haute pression de gaz, est difficile à conduire; (3) ils se limitent à la stimulation des perturbations dynamiques de la charge sur les échantillons préchargés afin d’analyser leurs caractéristiques de réponse mécanique. Afin d’améliorer la précision des instruments et l’acquisition de données dans l’état d’accouplement gazeux, un système d’essai visualisé et à volume constant²⁹ a été mis au point (figure 1), y compris (1) un navire de chargement visualisé avec un chambre à volume constant, qui est la composante centrale; (2) un module de remplissage de gaz avec un canal de vide, deux canaux de remplissage, et un canal de libération; (3) un module de chargement axial composé d’une machine d’essai et d’un ordinateur de contrôle universels servo électro-hydrauliques; (4) un module d’acquisition de données composé d’un appareil de mesure du déplacement circonférence, d’un capteur de pression de gaz et d’une caméra à la fenêtre du navire de chargement visualisé.

Le vaisseau visualisé de base (Figure 2) est spécialement conçu de sorte que deux cylindres d’ajustage sont fixés sur la plaque supérieure et leurs pistons se déplacent simultanément avec le chargement d’un à travers un faisceau, et la zone sectionnelle du piston de chargement est égale à la somme de celle des cylindres d’ajustement. Flottant à travers un trou intérieur et des tuyaux mous, le gaz à haute pression dans le navire et les deux cylindres est connecté. Par conséquent, lorsque le piston de chargement du navire se déplace vers le bas et comprime le gaz, cette structure peut compenser le changement de volume et éliminer les interférences de pression. En outre, l’énorme contre-force induite par le gaz exercée sur le piston est empêchée pendant l’essai, améliorant considérablement la sécurité de l’instrument. Les fenêtres, qui sont équipées de verre borosilicate trempé et situé sur trois côtés du navire, fournissent un moyen direct de prendre une photographie de l’échantillon. Ce verre a été testé avec succès et s’est avéré résister jusqu’à 10 mPa de gaz avec un faible taux d’expansion, haute résistance, transmission de la lumière, et la stabilité chimique²⁹.

Cet article décrit la procédure pour effectuer une expériencede compression uniaxiale de charbon co 2-portant avec le nouveau système visualisé et à volume constant d’essai de couplage gaz-solide, qui inclut la description de toutes les pièces qui préparent une briquette échantillon à l’aide de poudre de charbon brut et de humate de sodium, ainsi que les étapes successives pour injecter du CO₂ à haute pression et effectuer une compression uniaxiale. L’ensemble du processus de déformation de l’échantillon est surveillé à l’aide d’une caméra. Cette approche expérimentale offre une autre façon d’analyser de façon quantitive les dommages causés par l’adsorption et l’évolution des fractures caractéristiques du charbon gazeux.