تجربة ضغط أحادية المحورمع CO 2-وإذ تضع الفحم باستخدام تصور وثابت الحجم الغاز الصلبة اقتران نظام اختبار

يوضح هذا البروتوكول كيفية إعداد عينة فحم حجري وإجراء تجربة ضغط أحادي المحور مع فحم حجري في ضغوط CO₂ مختلفة باستخدام نظام اختبار اقتران الغاز الصلب ة ذات الحجم الثابت والمرئي والثابت. كما يهدف إلى التحقيق في التغيرات من حيث الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للفحم الناجمة عن امتصاص ثاني أكسيد الكربون.

وحقن ثاني أكسيدالكربون (CO 2) في التماس فحم عميق له أهمية كبيرة في الحد من تركيز غازات الدفيئة في الغلاف الجوي وزيادة استعادة الميثان بالفحم. يتم إدخال نظام اقتران الغاز الصلبة ذات الحجم الثابت والمرئي والثابت هنا للتحقيق في تأثير امتصاص ثاني أكسيد الكربون على الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للفحم. القدرة على الحفاظ على حجم ثابت ورصد العينة باستخدام الكاميرا، وهذا النظام يوفر القدرة على تحسين دقة الصك وتحليل تطور الكسر مع طريقة الهندسة كسورية. توفر هذه الورقة جميع الخطوات لإجراء تجربة ضغط أحادي المحور مع عينة فحم حجري في مختلف ضغوط ثاني أكسيد الكربون مع نظام اختبار اقتران الغاز الصلبة. يتم تحميل فحم حجري، مضغوط الباردة من الفحم الخام والاسمنت هوميتالصوديوم، في ارتفاع ضغط CO 2، ويتم رصد سطحه في الوقت الحقيقي باستخدام الكاميرا. ومع ذلك، فإن التشابه بين فحم حجري والفحم الخام لا يزال يحتاج إلىتحسين، ولا يمكن حقن غاز قابل للاشتعال مثل الميثان (CH 4) للاختبار. وتظهر النتائج أن CO₂ sorption يؤدي إلى ذروة القوة والحد من معامل مرنة من فحم حجري، وتطور كسر فحم حجري في حالة فشل يشير إلى خصائص كسورية. ترتبط كل من القوة، ومعامل مرن، والبعد كسوري مع ضغط CO₂ ولكن ليس مع ارتباط خطي. يمكن أن يكون نظام اختبار اقتران الغاز الصلب ة والثابتة من تصوّر وثابت الحجم بمثابة منصة للبحوث التجريبية حول ميكانيكا الصخور مع النظر في تأثير اقتران متعدد الحقول.

إن التركيز المتزايد لثاني أكسيد الكربون_في الغلاف الجوي عامل مباشر يسبب تأثير الاحترار العالمي. نظرا ً لقدرة الامتصاص القوية للفحم، يعتبر عزل ثاني أكسيد الكربون في التماس الفحم وسيلة عملية وصديقة للبيئة للحد من الانبعاثات العالمية لغازات الاحتباس الحراري^{1 و2}و3. وفي الوقت نفسه، يمكن أن يحل ثاني أكسيد الكربون المحقون محل الميثان₄ ويؤدي إلى تعزيز إنتاج الغاز في استعادة الميثان بالفحم (ECBM)^4و5و6. وقد اجتذبت الآفاق الإيكولوجية والاقتصادية لعزل ثاني أكسيد الكربون مؤخرا ً اهتماماً عالمياً بين الباحثين، وكذلك بين مختلف المجموعات الدولية لحماية البيئة والوكالات الحكومية.

الفحم هو صخرة غير متجانسة، غير متجانسة هيكليا تتكون من المسام، والكسر، ومصفوفة الفحم. هيكل المسام لديه مساحة سطح ية كبيرة محددة، والتي يمكن أن تتنكم كمية كبيرة من الغاز، ولعب دورا حيويا في عزل الغاز، والكسر هو المسار الرئيسي لتدفق الغاز الحر^7،8. هذا الهيكل المادي الفريد يؤدي إلى قدرة امتصاص الغاز كبيرة لCH₄ وCO_2. ويودع غاز المناجم في مفرش الفحم في أشكال قليلة: (1) ممتز على سطح المسام الدقيقة والمسام الأكبر؛ (2) الغازات الممتزة على سطح الجراثيم والمسام الأكبر حجماً؛ (3) الغازات الممتزة على سطح الجراثيم والمسام الأكبر حجماً؛ (3) الغازات الممتزة على سطح الجراثيم والمسام الأكبر حجماً؛ (3) الغازات الممتزة على (2) استيعابها في الهيكل الجزيئي للفحم؛ (3) كغاز حر في كسور والمسام أكبر. و (4) حل في مياه الودائع. سلوك امتصاص الفحم إلى CH₄ وCO₂ يسبب تورم المصفوفة، ودراسات أخرى تبين أنه عملية غير متجانسة ويرتبط بالكائنات الحجرية الفحم^9،10،11. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي امتصاص الغاز إلى تلف في العلاقة التأسيسية للفحم^12،13،14.

وتستخدم عينة الفحم الخام عموما في الفحم وCO₂ تجارب اقتران. وعلى وجه التحديد، يتم قطع قطعة كبيرة من الفحم الخام من الوجه العامل في منجم للفحم لإعداد عينة. ومع ذلك، فإن الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للفحم الخام لا بد أن يكون لها درجة تشتت عالية بسبب التوزيع المكاني العشوائي للالمسام الطبيعية والكسور في التماس الفحم. وعلاوة على ذلك، فإن الفحم الحامل للغاز لين ويصعب إعادة تشكيله. وفقا لمبادئ الطريقة التجريبية المتعامدة ، ويعتبر فحم حجري ، الذي أعيد تشكيله مع مسحوق الفحم الخام والاسمنت ، كمادة مثالية تستخدم في اختبار امتصاص الفحم^15،16. يجري الباردة الضغط مع يموت المعادن، يمكن أن تكون قوتها مسبقا وتبقى مستقرة عن طريق ضبط كمية من الاسمنت، مما يعود بالفائدة على التحليل المقارن للتأثير واحد متغير. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أن المسامية من عينة فحم حجري هو ~ 4-10 مرات، أن من عينة الفحم الخام، وخصائص الامتزاز مماثلة وخصائص الامتصاص ومنحنى الإجهاد الإجهاد الإجهاد تم العثور عليها في البحوث التجريبية^{17،18 , 19 سنة , 20}- وفي هذه الورقة، اعتُمد مخطط لمادة مماثلة للفحم الحامل للغاز لإعداد فحم حجري^21. تم أخذ الفحم الخام من وجه العمل 4671B6 في منجم فحم شينتشوانغزي، هواينان، مقاطعة انهوى، الصين. يبلغ مستوى الفحم حوالي 450 مترًا تحت مستوى سطح الأرض و360 مترًا تحت مستوى سطح البحر، وينخفض عند حوالي 15 درجة وسمكًا يبلغ حوالي 1.6 متر. ارتفاع وقطر عينة فحم حجري هي 100 ملم و 50 ملم، على التوالي، وهو الحجم الموصى به الذي اقترحته الجمعية الدولية لميكانيكا الصخور (ISRM)²².

أجهزة اختبار التحميل أحادية المحور أو الثلاثي المحور السابقة لتجارب الفحم الحاملة للغاز في ظل الظروف المختبرية لديها بعض النقص والقيود، وقدمت كزملاء^{23،24،25،26 ،27،28}: (1) خلال عملية التحميل ، ينخفض حجم السفينة مع تحرك المكبس ، مما تسبب في تقلبات في ضغط الغاز واضطرابات في امتصاص الغاز؛ (2) من الصعب إجراء رصد الصورة في الوقت الحقيقي للعينات، فضلا عن قياسات تشوه محيطي في بيئة ارتفاع ضغط الغاز؛ (3) وهي تقتصر على تحفيز اضطرابات الحمل الديناميكي على عينات محملة مسبقا لتحليل خصائص الاستجابة الميكانيكية. من أجل تحسين دقة الأداة والحصول على البيانات في حالة اقتران الغاز الصلبة، تم تطويرنظام اختبار تصور وثابت الحجم²⁹ (الشكل 1)، بما في ذلك (1) سفينة تحميل تصور مع غرفة حجم ثابت، وهو العنصر الأساسي؛ (2) وحدة تعبئة الغاز مع قناة فراغ، قناتين ملء، وقناة الإفراج؛ (3) وحدة تحميل محورية تتكون من جهاز اختبار عالمي للأجهزة الكهربائية الهيدروليكية وكمبيوتر التحكم؛ (4) وحدة لاقتناء البيانات تتألف من جهاز لقياس الإزاحة المحيطة، وجهاز استشعار لضغط الغاز، وكاميرا عند نافذة سفينة التحميل المتصورة.

تم تصميم السفينةتصور الأساسية (الشكل 2) على وجه التحديد بحيث يتم إصلاح اثنين من اسطوانات ضبط على اللوحة العليا والمكابس الخاصة بهم تتحرك في وقت واحد مع تحميل واحد من خلال شعاع، والمنطقة المقطعية من مكبس التحميل يساوي مجموع ذلك من اسطوانات ضبط. يتدفق من خلال ثقب داخلي وأنابيب لينة، يتم توصيل الغاز الضغط العالي في السفينة والأسطوانتين. لذلك، عندما يتحرك المكبس تحميل السفينة إلى أسفل ويضغط الغاز، يمكن لهذا الهيكل تعويض التغير في الحجم والقضاء على تداخل الضغط. وبالإضافة إلى ذلك، يتم منع القوة المضادة الهائلة الناجمة عن الغاز التي تمارس على المكبس أثناء الاختبار، مما يحسن بشكل كبير من سلامة الأداة. وتوفر النوافذ، المجهزة بزجاج البورسليكات المقسى وتقع على ثلاثة جوانب من السفينة، طريقة مباشرة لالتقاط صورة للعينة. وقد تم اختبار هذا الزجاج بنجاح وثبت لمقاومة ما يصل إلى 10 MPa الغاز مع انخفاض معدل التوسع، وقوة عالية، ونفاذية الضوء، والاستقرار الكيميائي^29.

تصف هذه الورقة الإجراء لإجراء تجربة ضغطأحادي المحور من ثاني أكسيد الكربون- تحمل الفحم مع نظام اختبار اقتران الغاز الصلبة الجديدة والثابتة الحجم، والذي يتضمن وصف جميع القطع التي تعد فحم حجري عينة باستخدام مسحوق الفحم الخام وهومات الصوديوم، فضلا عن الخطوات المتعاقبة لحقن الضغط العالي CO₂ وإجراء ضغط أحادي المحور. يتم مراقبة عملية تشوه العينة بأكملها باستخدام كاميرا. ويوفر هذا النهج التجريبي طريقة بديلة لتحليل الضرر الناجم عن الامتزاز وتطور الكسور التي تتسم بها خصائص الفحم الحامل للغاز.

1. إعداد عينة

1. جمع كتل الفحم الخام من وجه العمل 4671B6 من منجم الفحم Xinzhuangzi. لاحظ أنه، بسبب انخفاض قوة ومرونة الهيكل، يتم كسر الفحم الخام وربما مختلطة مع الشوائب. لتجنب تأثير هذه العوامل الداخلية والخارجية، فضلا عن الحد من عدم تجانس الفحم قدر الإمكان، حدد كتل الفحم الكبيرة (حوالي 15 سم طويلة، 10 سم واسعة، وارتفاع 10 سم).
2. استخدام ملاقط لإزالة الشوائب مختلطة في الفحم وفرك غرفة محطم مع القطن ماصة والأسيتالدهايد.
3. سحق كتل الفحم إلى قطع صغيرة مع كسارة الفك، والمأوى لهم في شاكر غربال مجهزة شاشات القياسية من 6 و 16 شبكة. وضع مسحوق الفحم فرزها بشكل منفصل وفقا للقطر.
4. وزن 1000 غرام و300 غرام من الفحم المسحوق مع توزيع حجم الجسيمات من 0-1 مم و 1-3 مم، على التوالي. وضعها معا في كوب في نسبة كتلة من 0.76:0.24 ومزجها بشكل جيد مع قضيب زجاجي (بقطر 6 ملم).
   ملاحظة: وفقا لوظيفة Gaudian-Schuman من نظرية التعبئة المستمرة، عندما تساوي قيمة توزيع حجم الجسيمات (م) ما يقرب من 0.25 (كتلة حجم الجسيمات هو 1-3 ملم: الكتلة الإجمالية = 0.24)، وقوة فحم حجري هو الحد الأقصى³⁰.
5. لإعداد الاسمنت، وضع 4 غرام من مسحوق هوميت الصوديوم (نقاء 99.99٪) في كوب وإضافة ما يقرب من 96 مل من الماء المقطر. استخدام قضيب زجاجي لتحريكها وتأكد من أن كل هوميت الصوديوم هو ذاب بشكل جيد.
   ملاحظة: تركيز الأسمنت يؤثر مباشرة على قوة الضغط من فحم حجري. ويبين الجدول 1 نسبا محددة من إعداد قوالب حجرية، استخدمت العينة رقم 2 منها للنتائج التمثيلية.
6. ضعي 230 غرام من مسحوق الفحم المختلط و20 غ من محلول هوميت الصوديوم في كوب وامزجهما معاً.
   ملاحظة: استنادا إلى التجارب السابقة لصنع العينات، وفحم حجري المنتجة مع 250 غرام من المواد، وذلك باستخدام طريقة الصحافة الباردة، ويلبي متطلبات حجم عينة الصخور القياسية^22،حيث يمثل مسحوق الفحم 92٪ والاسمنت يمثل 8٪.
7. الباردة اضغط على فحم حجري باستخدام أدوات تشكيل تكييفها معحجم فحم حجري (الشكل 3).
   1. لإنتاج فحم حجري بحجم قياسي، قم بطلاء السطح الداخلي لأدوات التشكيل بزيت التشحيم. تجميع مكونات أداة #2، #3، #4 من الشكل3، وملء الحفرة مع 250 غرام من المواد المختلطة.
   2. وضع مكون #1 من الشكل 3 على رأس المواد، ووضع كل شيء تحت المكبس من جهاز اختبار عالمي مضاعفات الكهربائية الهيدروليكية.
   3. إطلاق البرنامج WinWdw (أو ما يعادلها) للسيطرة على الكهربائية الهيدروليكية مضاعفات آلة الاختبار العالمي. في البرنامج، انقر على نطاق القوة لتعيين القوة القصوى إلى 50 كيلو إين، وانقر على إعادة تعيين لمسح قيمة الإزاحة.
   4. انقر بزر الماوس الأيمن على عنصر تحكم تحميل قوة الخيار. تعيين نسبة النقل عند 0.1 كيلوN/s. تعيين قيمة القوة المستهدفة عند 29.4 كيلو ً او وقت الاحتجاز عند 900 ق. ثم انقر على ابدأ.
   5. إخراج أدوات تشكيل وعكس لهم على لوحة مطاطية. استخدم مطرقة مطاطية لتفكيك مكونات الأدوات #4 #2 #3 #1 بهذا الترتيب.
8. ضعي الفحم في حاضنة بزاوية 40 درجة مئوية لمدة 48 ساعة. ثم، تزن كتلتها مع المقاييس الإلكترونية (مع دقة 0.01 غرام) وقياس ارتفاعها وقطرها مع الفرجار فيرنييه (بدقة 0.02 ملم) بعد التجفيف.
9. قياس محتوى الرطوبة، ومحتوى الرماد، والمحتوى المتقلب للفحم حجري، وذلك باستخدام محلل قريب (انظر جدولالمواد) عند درجة حرارة 20 درجة مئوية والرطوبة النسبية من 65٪ (لكل GB/T القياسية 212-2008). إجراء قياس انعكاس vitrinite على فحم حجري مصقول، وذلك باستخدام مجهر مقياس ضوئي (حسب معيار GB/T 6948-2008).
10. قياس قوة الضغط أحادي المحور، وقوة الشد، والتماسك، وزاوية الاحتكاك الداخلي، وذلك باستخدام آلة اختبار عالمية وسلالة تسيطر على جهاز القص المباشر (وفقا للمعيار GB / T 23561-2010). إجراء قياس نسبة Poisson باستخدام مقياس إجهاد المقاومة (لكل معيار GB/T 22315-2008).
11. إجراء اختبار الامتزاز من الفحم الخام وفحم حجري، وذلك باستخدام أداة الامتزاز isotherm (لكل GB/T19560-2008 القياسية).

2- الأساليب التجريبية

1. الإعداد للمختبرات
   1. ضع نظام الاختبار في منطقة هادئة خالية من الاهتزاز في مختبر نظيف دون تدخل كهرومغناطيسي. يجب أن تظل درجة حرارة الغرفة مستقرة أثناء الاختبار.
   2. وضع السفينة تصور على منصة الكهربائية الهيدروليكية مضاعفات آلة الاختبار العالمي. ربط مكبس آلة الاختبار مع مكبس السفينة المرئية باستخدام أداة محددة (انظر الشكل4).
   3. قم بتثبيت صمام يدوي للحد من الضغط في فوهة خزان الغاز. ربط صمام مع قناة تعبئة الغاز في اللوحة السفلية للسفينة تصور بواسطة الأنابيب الناعمة (مع قطر داخلي من 5 ملم وضغط أقصى من 30 MPa). ربط قناة فراغ ومضخة فراغ مع نفس الأنابيب.
   4. إصلاح الباب الخلفي للسفينة تصور مع مسامير عالية القوة. قم بتوصيل الكمبيوتر، ومربع الحصول على البيانات (مربع DAQ)، ومستشعر ضغط الغاز المضمن إلى الباب الخلفي.
2. اختبار ضيق الهواء وقياس فارغة
   1. للحصول على بيانات ضغط الغاز في السفينة المرئية، قم بتشغيل برنامج DAQ Sensor-16 (أو ما يعادله). على البرنامج، انقر على ابدأ.
   2. بدء تشغيل مضخة فراغ. فتح صمام V1(الشكل 2) وإغلاق V2، V3، وV4 (الشكل2). فراغ غرفة السفينة تصور. إيقاف V1 وفراغ مضخة حتى يكون تحت فراغ.
   3. فتح V2 وخزان الغاز (مع الهليوم). استخدم صمام تقليل الضغط اليدوي لضبط ضغط منفذ خزان الغاز لتقريب 2 MPa (الضغط النسبي).
   4. مراقبة بعناية منحنى ضغط الغاز المعروضة على DAQ الاستشعار-16. عندما يكون حوالي 2 MPa، إيقاف V2 وخزان الغاز.
      ملاحظة: بعد 24 ساعة، إذا كان الحد من ضغط الغاز أقل من 5٪، وسهولة الختم من السفينة تصور جيدة.
   5. لقياس قوة الاحتكاك من مكبس التحميل تتحرك إلى أسفل، وإطلاق برنامج WinWdw للسيطرة على الكهربائية الهيدروليكية أجهزة آلة الاختبار العالمي.
   6. في البرنامج، انقر على نطاق القوة لتعيين القوة القصوى إلى 5 كيلو واط وانقر على إعادة تعيين لمسح قيمة الإزاحة. انقر بزر الماوس الأيمن على خيار معدل تحميل الإزاحة . تعيين نسبة نقل في 1 مم / دقيقة؛ ثم، انقر على ابدأ.
   7. عندما يكون الإزاحة المعروضة على WinWdw حوالي 5 مم، انقر على إيقاف. انقر بزر الماوس الأيمن على حفظ البيانات لحفظ منحنى إزاحة القوة.
   8. فتح V4 وتصريف الهليوم في الهواء. تفكيك الباب الخلفي للسفينة تصور وإغلاق V4.
      تحذير: يجب أن يكون الباب والنوافذ مفتوحة للتهوية أثناء إطلاق الغاز بسبب خطر الاختناق المحتمل.
3. تجربة الضغط الأحادي المحوري
   1. قياس الارتفاع (ح) وقطر (د) من فحم حجري مع الفرجار فيرنييه (بدقة 0.02 ملم). وزن كتلة (م) من فحم حجري مع المقاييس الإلكترونية (بدقة 0.01 غرام). حساب كثافتها الظاهرة () مع المعادلة التالية.
      
   2. تثبيت الأسطوانة سلسلة من جهاز اختبار تشوه محيطي حول الموقف الأوسط من فحم حجري (الشكل5، #1) وإصلاح حامل المشبك (الشكل5، #2). قم بتوصيل جهاز الاستشعار (الشكل5، #3) مع مربع DAQمن خلال موصل الطيران في السفينة تصور (الشكل 2) ووضعها تحت مكبس التحميل.
      ملاحظة: لضمان دقة الحصول على البيانات، اضبط الأسطوانة السلسلة والسطح العلوي للعينة بحيث تكون متوازية مع مكبس التحميل.
   3. إطلاق WinWdw للسيطرة على آلة الاختبار العالمي. في البرنامج، انقر بزر الماوس الأيمن على خيار معدل تحميل الإزاحة . تعيين نسبة تتحرك في 10 مم / دقيقة. ثم، تجميع الباب الخلفي للسفينة تصور.
   4. كرر الخطوات 2.2.1 إلى 2.2.2. فتح V3 وخزان الغاز(CO 2، نقاء = 99.99٪). استخدم صمام تقليل الضغط اليدوي لضبط ضغط منفذ خزان الغاز إلى قيمة معينة.
   5. مراقبة بعناية منحنى ضغط الغاز المعروضة في DAQ الاستشعار-16. عندما يحصل على مقربة بما فيه الكفاية إلى القيمةالمستهدفة، وإغلاق V3 وخزان الغاز (CO 2).
      ملاحظة: عندما يبقى منحنى ضغط الغاز مستقرًا، يصل فحم حجري إلى حالة التوازن الديناميكي للامتصاص والإقباس. بشكل عام، يستغرق 6-8 ساعة للفحم إلى الامتزاز بالكامل. في هذا الاختبار، يتم تعيين وقت الامتزاز في 24 ساعة.
   6. بعد 24 ساعة، ضع الكاميرا مع ترايبود بجانب نافذة السفينة تصور. اضبط الارتفاع والزاوية للتأكد من عرض صورة العينة في وسط شاشة الكاميرا.
   7. بدء تشغيل البرنامج SDU تشوه اكتساب V2.0 (أو ما يعادلها) لرصد تشوه محيطي من فحم حجري. انقر على ابدأ.
   8. على WinWdw، انقر على عينة جديدة واكتب في ارتفاع وقطر فحم حجري ، انقر على المنطقة المقطعية ، ثم انقر على تأكيد. انقر على نطاق القوة لتعيين القوة القصوى إلى 5 كيلو واط، وانقر على إعادة تعيين لمسح قيمة الإزاحة.
   9. انقر بزر الماوس الأيمن على خيار معدل تحميل الإزاحة وتعيين نسبة النقل في 1 مم / دقيقة. وفي الوقت نفسه، اضغط على زر البدء على الكاميرا لبدء تسجيل الفيديو.
   10. عندما تفشل العينة تماما، انقر على إيقاف وحفظ البيانات ، في هذا الترتيب، في كل من WinWdw وSDU اكتساب تشوه V2.0. اضغط على الزر ابدأ مرة أخرى على الكاميرا لإيقاف تسجيل الفيديو.
   11. كرر الخطوة 2.2.8 لإطلاق ثاني أكسيد الكربون₂ في غرفة السفينة. افصل موصلات الطيران لمستشعر ضغط الغاز وجهاز اختبار التشوه المحيطي.
   12. انقر بزر الماوس الأيمن على خيار معدل تحميل الإزاحة على WinWdw. تعيين نسبة نقل في 10 مم / دقيقة. عندما يكون مكبس التحميل للوعاء حوالي 2-3 مم فوق فحم حجري، أخرج فحم حجري وأزاله من بكرة السلسلة.
   13. تفكيك أداة الاتصال بين المكابس. تنظيف السفينة تصور مع مكنسة كهربائية.
4. انجاز
   1. استناداً إلى منحنى الإجهاد المحوري ومنحنى الإجهاد المحيطي التي تم الحصول عليها من WinWdw وSDU اكتساب تشوه V2.0،حساب سلالة حجم العينة مع المعادلة التالية.
      
      هنا، = ضغط الحجم؛ = سلالة محورية؛ = سلالة محيطية.
   2. الحصول على قوة الذروة من منحنى الإجهاد المحوري. ويحسب معدل تخفيض القوة على النحو التالي.
      
      هنا، = معدل تخفيض القوة؛ = ذروة قوة العينة تحت ضغطمختلف من ثاني أكسيد الكربون 2؛ = ذروة قوة العينة في الهواء في الغلاف الجوي.
   3. حساب معامل مرنة باستخدام المرحلة الخطية في منحنى الإجهاد المحوري وفقا للمعادلة التالية.
      
      هنا، = معامل مرن للعينة؛ = زيادة الإجهاد الخطي المرحلة (في ميغاباسكال)؛ = زيادة سلالة المرحلة الخطية. حساب معدل تخفيض معامل مرنة على النحو التالي.
      
      هنا، = معدل تخفيض معامل مرن، = معامل مرن للعينة تحت ضغط مختلف من ثاني أكسيد الكربون₂؛ = معامل مرن للعينة في الهواء في الغلاف الجوي.
   4. حدد عينة من الصور أثناء الاختبار وإحصاءات كسر تغطي المنطقة باستخدام برنامج (على سبيل المثال، مكتوبة في MATLAB) وفقا لطريقة البعد عد مربع.
      
      هنا، = رقم الشبكة لتغطية منطقة الكسر في طول الجانب الشبكة المربعة من ; = ثابت؛ = البعد كسورية; = طول جانبي للشبكة المربعة. الحد الأدنى لحجم الشبكة يساوي حجم البكسل في هذا الاختبار.
      1. حساب معامل الارتباط وفقاً للمعادلة التالية.
         
         هنا، = معامل الارتباط؛ = التباين المشترك و; = الفرق في ؛ = الفرق في .

وكان متوسط كتلة عينة فحم حجري 230 غرام. وعلاوة على ذلك، كان المحتوى المتقلب حوالي 31.24٪. كما تم استخراج هومات الصوديوم من الفحم، وكانت مكونات فحم حجري مماثلة للفحم الخام. وترد الخصائص الفيزيائية في الجدول2.

وترد في الجدول 3مقارنة الخصائص الميكانيكية بين الفحم الخام وفحم حجري، وأثبت اختبار الامتزاز الخاثير قدرتها المماثلة على امتصاص الغاز (الشكل6). وكانت قوة عينات فحم حجري المستخدمة في الاختبار بعضالتقلبات (الشكل 7). ومع ذلك، بالمقارنة مع انخفاض القوة الناجم عن امتصاص ثاني أكسيد الكربون، كان طفيفا ً نوعاً ما ولم يكن له تأثير يذكر على تحليل النتائج التجريبية.

عندما تحت ضغوط CO₂ مختلفة، وأظهرت منحنيات الإجهاد المحوري ضغط واضح، ومرونة، ومراحل تشوه البلاستيك (الشكل8a). في حالة ما بعد الذروة، فشلت فحم حجري تدريجيا، مع توسيع صدع السطح والاتصال. ولوحظ توسع في حجم الضغط من منحنيات الإجهاد حجم الإجهاد، وزاد مع ضغط ثاني أكسيد الكربون تصبح أعلى (الشكل8أ). تسبب امتصاص ثاني أكسيد الكربون₂ في تلف جسم الفحم، مما أدى مباشرة إلى خفض قوته الضاغطة أحادية المحور. وكانت نقاط القوة القصوى للفحم حجري 1.011 مبا، 0.841 مبا، 0.737 مبا، 0.659 مبا، 0.611 مبا، و 0.523 مبا تحت ضغط ثاني أكسيد الكربون من 0 مبا، 0.4 مبا، 0.8 مبا، 1.2 مبا، و 1.6 مبا إلى 2.0 مبا. ومع زيادة ضغط ثاني أكسيد الكربون، انخفضت قوة ذروة عينة الفحم، حيث أظهرت علاقة غير خطية (الشكل8ب). وبالإضافة إلى ذلك، كان معامل مرن 66.974 MPa، 48.271 MPa، 42.234 MPa، 36.434 MPa، 32.509 MPa، و 29.643 MPa، في هذا الترتيب، من ضغط ثاني_أكسيد الكربون من 0 إلى 2.0 MPa. وتشير النتائج إلى أن معامل مرن انخفض في ظل حالة CO₂ المشبعة وأن العلاقة بين انخفاض معامل مرن وضغط الغاز كانت غير خطية، والتي كانت مماثلة لتلك التي من قوة الذروة (الشكل8ج ).

الصور التي تم الحصول عليها من خلال الكاميرا تدل على تطور الكسور على سطح العينة تحت ضغوط CO₂ مختلفة. للتمييز بين كسور مختلفة، تم نقل جميع الصور إلى الصور الثنائية واستخدمت عدة ألوان للإشارة إلى المناطق التي تغطيها الكسور (الشكل9أ). وقد اعتمدت طريقة البعد عد مربع لوصف ميزة الكسور في حالة الفشل (; هنا , = الإجهاد من العينة في حالة ما بعد الذروة; = ذروة قوة العينة) تحت ضغوط مختلفة CO 2. معاملات الارتباط بين رقم المربع( ) وطول الجانب () كانت كلها أكثر من 0.95 ( الشكل9ب) ، مما يتحقق من الخصائص الكسور كسور واضحة. وكانت الأبعاد كسورية () 1.3495 و1.3711 و1.4336 و1.4637 و1.5175 و1.5191 للفحم اللي تحت 0 مباً و0.4 مباو0.8 مبا و1.2 م با و1.6 م با و2.0 مبا CO₂على التوالي. وكانت قيم البعد الكسوري متناسبة مع قيم ضغط ثاني أكسيد الكربون، وأشار اتجاهها إلى تشابه مع درجة الضرر الذي لحق بجسم الفحم.

الشكل 1: الإعداد التجريبي لنظام اختبار اقتران الغاز الصلب ة والثابتة المتصور والثابت. ويبين هذا الرقم إعداد تجربة ضغط أحاديةالمحور للفحم الحامل لثاني أكسيد الكربون 2. (أ) سفينة تحميل متصورة. (ب) وحدة تعبئة الغاز. (C) وحدة التحميل المحورية. (د) وحدة الحصول على البيانات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: سفينة التحميل المتصورة. تظهر الرسومات التخطيطية للسفينة أعلاه. في حين أن العينة (الارتفاع = 100 ملم، القطر = 50 ملم) تكمن داخل السفينة، تم تطبيق الضغط المحوري من قبل آلة الاختبار العالمية المستقلة من خلال مكبس التحميل، وتم حقن الغاز عالي الضغط من خزان الغاز من خلال الأنابيب اللينة والحشوة قناه. وعندما شوهت العينة بالكم البلاستيكي الحراري القابل للتقلص، كان ضغط التحصر قد وفره الهيليوم عالي الضغط. تحرك مكبس الأسطوانات المعدلة وشحن إحدى السفينت المتصورة في وقت واحد، حيث تم تعويض تغيير الحجم الناجم عن الحركة بسبب نفس المساحة المقطعية. أبقى هذا الهيكل حجم السفينة ثابتة والقضاء على القوة المضادة المطبقة على مكبس التحميل من الغاز. ويمكن رصد العينة بكاميرا من خلال النوافذ على ثلاثة جوانب. تم تعيين موصل الطيران في السفينة لاتصال سلك الرصاص. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: أدوات التشكيل المطلوبة للضغط البارد على فحم حجري قياسي. طرق عرض تخطيطية ثلاثية الدّي (29.4 KN لمدّة 15 دقيقة). تكمن العينة في الثقب الداخلي لمكونات الأداة، وكان ارتفاعها وقطرها 100 مم و50 مم على التوالي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: الأداة المطلوبة لتوصيل مكابس التحميل. وجهات النظر التخطيطية 3D من أداة تحديد بين المكبس من اختبار المؤازرة الكهربائية الهيدروليكية والسفينة تصور. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: جهاز اختبار قياسي للتشوه المحيطي لعينات الصخور. التمثيل التخطيطي والمادي لاكتساب التشوه المحيطي المستخدم في البروتوكول. من خلال قياس الإزاحة الزاويّة الناجمة عن تشوه العينة المحيطية، تم الحصول على السلالة المحيطة. هذا الجهاز يمكن أن تعمل بشكل بارز في الغاز الضغط العالي والنفط الهيدروليكي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: مقارنة قدرة الامتزاز بين الفحم الخام وفحم حجري. ويبين الفريق بيانات امتصاص الميثان من اللاوثير باستخدام الفحم الخام وفحم حجري وفقا ً للمعيار GB/T19560-2008. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7: منحنيات الإجهاد الإجهاد الكامل المتولدة من نظام الاختبار باستخدام فحم حجري. تم إجراء اختبار ضغط أحادي المحور باستخدام ثلاث عينات فحم حجري دون ملء CO 2، وتظهر النتائج أن فحم حجري لديه قوة ضغط أحادي محوري مستقرة (1.0 MPa). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 8: تجربة ضغط أحاديالمحور للفحم الحامل لثاني أكسيد الكربون 2. (أ) منحنيات الإجهاد سلالة تحت ضغوط CO₂ مختلفة. (ب) اتجاه التغيير في قوة الذروة. (C) اتجاه التغيير في معامل مرنة. وتظهر منحنيات الإجهاد والإجهاد المحوري( ) ، ومنحنيات الإجهادالظرفية ( )، ومنحنيات الإجهاد الحجم ( ) في اللوحة A. بعد ملءمع CO 2، شهدت فحم حجري قوة الذروة والحد من معامل مرنة، والمنحنيات في لوحات B و C تشير إلى علاقة غير خطية بين معدل التخفيض وضغط الغاز. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 9: صور الكسور والحساب كسورية في حالة الفشل (). (أ) تطور الكسر على أسطح قوالب، مع ألوان مختلفة تمثل كسور متنوعة. (B) منحنيات البعد الكسورية باستخدام طريقة البعد عد مربع. تم استخراج الكسور وتم حساب منطقة التغطية على أساس الهندسة كسورية. وكانت جميع معاملات الارتباط (R²⁾تحت ضغوط CO₂ المختلفة أكثر من 0.95، مما يثبت الخصائص كسورية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 10: الأدوات اللازمة لتطبيق الحمل الديناميكي والصورة لنظام الاختبار. عرض 3D والصورة المادية للقضيب دليل والوزن أسطواني لتطبيق الحمل الديناميكي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 1: مخطط إعداد قوالب حجرية.

الجدول 2: مقارنة بارامترات التحليل الصناعي للفحم المنكمع والفحم الخام.

الجدول 3: الخصائص الميكانيكية للفحم الخام وفحم حجري.

وبالنظر إلى خطر ارتفاع ضغط الغاز، فإن بعض الخطوات الحاسمة مهمة أثناء الاختبار. وينبغي فحص الصمامات وحلقات O واستبدالها بانتظام، ولا ينبغي السماح بأي مصدر للاشتعال في المختبر. عند استخدام صمام تنظيم الضغط اليدوي، يجب على المجرب التواء الصمام ببطء لجعل الضغط في السفينة تصور زيادة تدريجيا. لا تقم بتفكيك السفينة أثناء الاختبار. وعند الانتهاء من التجربة، ينبغي فتح الباب الخلفي للسفينة بعد الإطلاق الكلي للغاز عالي الضغط؛ خلاف ذلك، هناك خطر الإصابة. استخدام مكنسة كهربائية لإزالة جميع القطع من فحم حجري من السفينة، حتى لا تؤثر على كمية امتصاص الغاز خلال الاختبار المقبل.

وقدصُممت الطريقة التجريبية لاقتران ثاني أكسيد الكربون بالفحم لتعزيز دقة الاختبار وتوفير رصد للصور الفوتوغرافية لتجارب الفحم الحاملة للغاز. عينة فحم حجري تمتلك العديد من المزايا، مثل فعالية التكلفة، وعدم السمية، وسهولة التصنيع، والأداء المستقر، وقوة قابلة للتعديل، ومنحنى الامتزاز isothermal يتفق بشكل جيد مع أن من الفحم الخام. اختبار نموذج من انفجار الفحم والغاز يثبت أيضا أن فحم حجري يمكن محاكاة السلوك الامتزاز وdesorptive من الفحم الحاملة للغاز^29،31. وبالإضافة إلى ذلك، بعد خمسة أجيال من التحسن، الجهاز التجريبي لديه الآن دقة عالية، والدقة، والاستقرار، والسلامة، والتي تتوافق مع معايير سلامة تجارب الضغط العالي. ولا يوجد شرط خاص لأنواع العينة، ما دامت صخرة مسامية، بما في ذلك الفحم الخام والصخور الصخرية.

الحدود الرئيسية لCO2-الفحم اقتران الأسلوب التجريبي هي، أولا، أن فحم حجري لديه قوة أقل مقارنة مع الفحم الخام، وذلك بسبب طريقة تشكيلها. ولا يزال التشابه بين الخصائص الميكانيكية بين الفحم الخام وفحم حجري يحتاج إلى تحسين، وينبغي تقييم النتائج التجريبية ذات الصلة والتحقق من صحتها عن طريق الفحم الخام واختبار في الموقع. ثانيا، منذ تم تعيين أضواء LED وموصل الطيران في سفينة تصور، فإنه لا ينبغيأن تملأ مع أي غاز قابل للاشتعال، مثل CH 4. وإلا، من المرجح أن يحدث حادث متفجر أثناء تعبئة الغاز. لحسن الحظ، يمكن للغاز غير قابل للاحتراقمماثلة للميثان محاكاة تفاعل CH 4-الفحم وقد ثبت كمادة آمنة وفعالة لتطبيقها في الفحم والغاز انفجار تجارب المحاكاة الفيزيائية³².

بالإضافة إلى ذلك، يتم تغليف فحم حجري من قبل كم من البلاستيك القابلة للتقلص الحراري ة لحصر الضغط المطبق خلال اختبار الضغط الثلاثي المحور، والتي من الواضح أنها سوف تتحلل نوعية صورة العينة. عندما يتم تحميل العينة تحت ضغط غاز ودرجة حرارة وغاز مختلف، يجب أن يؤخذ المؤشر الديناميكي للانكسار في الاعتبار أثناء التقاط الصور. وبما أن فرق الضغط في الاختبار منخفض نسبياً، يمكن النظر إلى مؤشر الانكسار على أنه ثابت^33.

وبصرف النظر عن ضغط أحادي المحور وثلاثي المحور، يمكن تطبيق اضطراب الحمل الديناميكي أثناء الاختبار للتحقيق في التفاعل بين العينة والغاز. يتم إضافة قضيب دليل و1 كجم الوزن أسطواني بين مكابس آلة الاختبار العالمي والسفينة تصور (الشكل10). يتم تثبيت جهاز استشعار الضغط على الجزء السفلي من مكبس التحميل للحصول على الضغط الديناميكي المطبق على العينة. أثناء الاختبار، يتم تحرير الوزن الأسطواني، في ارتفاع معين، في حالات إجهاد مختلفة لدراسة خصائص الفشل الديناميكي للعينة.

يتم الكشف عن الضرر الناجم عن الامتصاص في جسم الفحم بشكل عياني كانخفاض في قوة الضغط أحادي المحور ومعامل مرن. كلما ارتفع ضغط الامتصاص، كلما زاد سبب تلف الفحم، وهو علاقة غير خطية. يمكن وصف عملية الامتزاز من قبل نموذج Langmuir³⁴. وفقا لمعادلة النموذج، (V = حجم الامتزاز المكافئ؛ Vm, b = ثابت; p = ضغط الغاز)، وزيادة كمية الامتزاز مع زيادة ضغط الغاز. ينتج عن هذا الاختلاف معدلات انخفاض مختلفة من قوة الذروة من فحم حجري. قوة الفحم أو خفض معامل مرنة من قبل تشبع CO₂ لوحظ من النتائج التجريبية لها تطابق جيد مع البحوث السابقة^35،36،37. وفي الختام، يجب أن تكون هناك علاقة معينة بين الضرر الميكانيكي الناجم عن امتصاص وكمية امتصاص الغاز.

يتم تلخيص خصائص تشوه فحم حجري كما ضغط / توسيع اتصال microcracks والتكوين النهائي للكسور العيانية. ويقترح أن تطور كسر CO2-تحمل الفحم أظهرت خصائص كسورية. وكان الحد الأقصى للبعد كسورية 1.5191 (2 MPa CO₂₎في الاختبار. وبالنظر إلى أن الفحم الخام أكثر غير متجانسة من فحم حجري، فإن قيمة البعد الكسوري قد تكون مختلفة لاختبار الفحم الخام.

الصخرة هي وسيلة صلبة، والآثار الخارجية المختلفة سوف يسبب ضررا لها. ونظراً لعدم اليقين من انتشار الكراك أثناء عملية الفشل، لا سيما بالنظر إلى تأثير اقتران الامتصاص والتحميل، فإن بعض أساليب البحث التقليدية في ميكانيكا الصخور تظهر حدوداً واضحة. ومع ذلك، فإن نظرية كسورية توفر طريقة جديدة لوصف ودراسة العمليات الميكانيكية المعقدة وآليات تطوير كسر الصخور. وقد أوضحت الدراسات السابقة أن تطور كسر المواد الصخرية له ملامح كسورية^{38،39،40،41.} ومع ذلك، لا توجد بحوث اختبارية على تطور كسر الفحم الحامل للغاز، ويرجع ذلك أساسا إلى محدودية الجهاز التجريبي. طريقةCO 2-الفحم اقتران التجريبية يوفر العلماء مع وسيلة لالتقاط واستخراج شبكة كسر السطح من العينة من خلال النوافذ ويحصل على البعد كسورية في ظروف اقتران مختلفة. يمكن استخدام البعد كسورية لوصف كمية درجة الضرر، وتطوير الكسر، وتعقيد القسم من جسم الفحم تحت حالة التحميل. ويمكن أن يصبح مؤشر تقييم للخصائص الهيكلية والخصائص الميكانيكية للفحم. ولذلك، فإنه ذو أهمية كبيرة لتقييم قدرة تخزين الغاز ومعلمات تأثير الحقن في ممارسة العزل الجيولوجي لثاني أكسيد الكربون 2.

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

وقد دعم هذا العمل المشروع الوطني الصيني لتطوير الأدوات العلمية الرئيسية (المنحة رقم 51427804) والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في مقاطعة شاندونغ (المنحة رقم. ZR2017MEE023).