הניסוי דחיסה Uniaxial עם שיתוף₂-הנושאת פחם באמצעות דמיינו ובאופן קבוע נפח גז-מוצק צימוד מערכת בדיקה

פרוטוקול זה מדגים כיצד להכין מדגם בריקט ולנהל ניסוי דחיסה uniaxial עם בריקט ב שונים₂ לחצים באמצעות דמיינו וקבוע-נפח מוצק דלק מערכת הבדיקה צימוד. זה גם מטרתו לחקור שינויים מבחינת התכונות הפיזיות והמכאניות של הפחם הנגרמת על ידי שיתוף₂ adsorption.

הזרקת פחמן דו חמצני (CO₂) לתוך התפר פחם עמוק הוא משמעות רבה להפחתת ריכוז גזי החממה באטמוספירה והגדלת ההתאוששות של מתאן coalbed. המערכת מציגה כאן מערכת צימוד מוצק ובעלת נפח-רב, הנמצאת כאן כדי לחקור את ההשפעה של שיתוף₂ סורזיה על התכונות הפיזיות והמכאניות של הפחם. היכולת לשמור על נפח קבוע ולנטר את המדגם באמצעות מצלמה, מערכת זו מציעה את הפוטנציאל לשפר את דיוק המכשיר ולנתח את האבולוציה שבר עם שיטת הגיאומטריה פרקטלית. נייר זה מספק את כל הצעדים כדי לבצע ניסוי דחיסה uniaxial עם מדגם בריקט ב₂ לחצים שונים עם מערכת דלק מוצק צימוד המערכת. בריקט, קר-לחוץ על ידי פחם raw ו נתרן humate מלט, הוא נטען בלחץ גבוה CO₂, ועל פני השטח שלה מנוטרים בזמן אמת באמצעות מצלמה. עם זאת, הדמיון בין הבריקט והפחם הגולמי עדיין זקוק לשיפור, ואין אפשרות להזריק גז דליק כגון מתאן (CH₄) לבחינה. התוצאות מראות כי ה-CO₂ סורזיה מובילה לשיא חוזק ולהפחתת מודול אלסטי של הבריקט, והתפתחות השבר של הבריקט במצב כשל מצביעה על תכונות פרקטלית. החוזק, המודוללי האלסטי והמימד הפרקטלי הם כל הקורלציה עם הלחץ של CO₂ אך לא עם מתאם ליניארי. מערכת הבדיקה הבין-מוצקה של המערכת מסוגלת לשמש כפלטפורמה למחקרים ניסיוניים על מכניקת הרוק, בהתחשב באפקט הצימוד הרב.

הריכוז הגובר של CO₂ באטמוספירה הוא גורם ישיר הגורם לאפקט ההתחממות הגלובלית. בשל היכולת sorption חזקה של פחם, CO₂ קיבוע על בתפר פחם נחשב כאמצעי מעשי וסביבה ידידותית להפחית את פליטת הגלובלית של גז החממה^1,2,3. באותו הזמן, CO מוזרק₂ יכול להחליף CH₄ ותוצאה לקידום ייצור גז ב מתאן התאוששות coalbed (ecbm)^4,5,6. הסיכויים האקולוגיים והכלכליים של CO₂ קיבוע על לאחרונה משכו תשומת לב ברחבי העולם בקרב חוקרים, כמו גם בין קבוצות שונות להגנת הסביבה בינלאומיים סוכנויות ממשלתיות.

פחם הינו סלע אנאיזוטרופי מבנית המורכב מנקבובית, שבר ומטריצת פחם. מבנה נקבובית יש שטח מסוים גדול שטח, אשר יכול ספוח כמות גדולה של גז, משחק תפקיד חיוני קיבוע על גז, והשבר הוא הנתיב העיקרי של זרימת הגז בחינם^7,8. מבנה זה הפיזי הייחודי מוביל קיבולת הספיחה גז גדול עבור CH₄ ו-CO₂. גז שלי מופקד בתוך coalbed בכמה צורות: (1) נספחת על פני השטח של מיקרונקבוביות ונקבוביות גדולות יותר; (2) נספג במבנה המולקולרי של הפחם; (3) כגז חופשי בשברים ונקבוביות גדולות יותר; ו (4) הומס במים ההפקדה. התנהגות sorption של פחם ל CH₄ ו-CO₂ גורם נפיחות מטריקס, ומחקרים נוספים להדגים כי זהו תהליך הטרוגנית והוא קשור ללימטיפוסים פחם^9,10,11. בנוסף, סורזיה גז יכול לגרום נזק ביחס קונסטיטוטיבי של פחם^12,13,14.

דגימת הפחם הגולמי משמשת בדרך כלל ב פחם ו_-2 ניסויים צימוד. במיוחד, חתיכה גדולה של פחם גולמי מפני העבודה במכרה פחם הוא גזור להכין דגימה. עם זאת, תכונות פיזיות ומכניות של פחם גלם בהכרח יש רמת פיזור גבוהה עקב התפלגות מרחבית אקראית של נקבוביות טבעיות ושברים בתפר פחם. יתר על כן, פחם הנושאת גז רך וקשה להיות מעוצב מחדש. על פי עקרונות השיטה הניסיונית האורתוגונלית, הבריקט, אשר מחדש עם אבקת פחם גולמי וצמנט, נחשבת לחומר אידיאלי המשמש במבחן הפחם^15,16. להיות קר לחוץ עם מתכת מת, כוחה יכול להיות מראש ונשאר יציב על ידי התאמת כמות המלט, אשר מועילה ניתוח השוואתי של אפקט משתנה יחיד. בנוסף, למרות הדוגמאות של המדגם לבריקט הוא ~ 4-10 פעמים, זה של דגימת הפחם raw, מאפייני ספיחה דומה ומאפיינים desorption ומתח מתח נמצאו במחקר ניסיוני^{17,18 ,} מיכל ^{בן 19 , 20}. במאמר זה, ערכה של חומר דומה לפחם מנשא גז אומצה כדי להכין את בריקט²¹. הפחם הגולמי נלקח מ4671b6 הפנים הפועלים במכרה הפחם Xinzhuangzi, Huainan, מחוז אנחווי, סין. התפר הפחם הוא כ 450 מ' מתחת למפלס הקרקע 360 m מתחת לפני הים, וזה מטבלים בערך 15 ° והוא כ 1.6 m עובי. הגובה והקוטר של המדגם הבריקט הם 100 מ"מ ו 50 מ"מ, בהתאמה, שהוא הגודל המומלץ שהוצע על ידי החברה הבינלאומית למכניקה רוק (ISRM)²².

מכשירי מבחן העמסה היוניצירית הקודמים לניסויים בפחם גז בתנאי מעבדה יש כמה מחסורים ומגבלות, שהוצגו כחברים^{23,24,25,26 ,27,28}: (1) במהלך תהליך הטעינה, עוצמת כלי הקיבול יורדת עם הבוכנה נע, גורם לתנודות בלחץ הגז והפרעות של גז מסורזיה; (2) ניטור תמונה בזמן אמת של דגימות, כמו גם מדידות לדפורמציה בסביבת לחץ גז גבוה, קשה לנהל; (3) הם מוגבלים גירוי של הפרעות עומס דינמי על דגימות טעון מראש כדי לנתח את מאפייני התגובה המכנית שלהם. על מנת לשפר את דיוק המכשיר ואת רכישת הנתונים במצב מוצק גז צימוד, מערכת דמיינו ובדיקה קבועה במערכת²⁹ פותחה (איור 1), כולל (1) כלי העמסה דמיינו עם תא אמצעי אחסון קבוע, שהוא רכיב הליבה; (2) מודול מילוי גז עם ערוץ ואקום, שני ערוצי מילוי, וערוץ שחרור; (3) מודול טעינת צירית המורכב ממחשב בדיקה אוניברסלי הידראולי סרוו מחשב ובקרה; (4) מודול רכישת נתונים המורכב ממנגנון מדידה של הזחה בעורק, חיישן לחץ גז, ומצלמה בחלון של כלי הטעינה הדמיינו.

הכלי המרכזי דמיינו (איור 2) הוא תוכנן במיוחד כך שני צילינדרים התאמת קבועים על הלוח העליון ובוכנות להעביר בו זמנית עם הטעינה אחד דרך הקורה, ואת האזור הרציף של הטעינה בוכנה שווה ל סכום של זה של צילינדרים הכוונון. זורם דרך חור פנימי וצינורות רכים, גז בלחץ גבוה בכלי ושני צילינדרים מחובר. לכן, כאשר בוכנה טעינת הספינה נעה כלפי מטה ודוחסת את הגז, מבנה זה יכול לקזז את השינוי בעוצמה ולמנוע הפרעות לחץ. בנוסף, מונעת הפעלת כוח הנגד העצום על הבוכנה במהלך הבחינה ומשפרת באופן משמעותי את בטיחות הכלי. החלונות, המצוידים בזכוכית בורוסיליקט מחוסמת, ממוקמים בשלושה צדדים של כלי הקיבול, מספקים דרך ישירה לצלם את המדגם. זכוכית זו נבדקה בהצלחה והוכיחה להתנגד עד 10 גז MPa עם שיעור הרחבה נמוך, חוזק גבוה, העברה קלה, ויציבות כימית²⁹.

נייר זה מתאר את ההליך לבצע ניסוי דחיסה uniaxial של הפחם CO₂-הנושא עם החדש דמיינו ומתמיד גז-מוצק מערכת הבדיקה צימוד, אשר כולל את התיאור של כל החלקים להכין בריקט לדוגמה באמצעות אבקת פחם raw ו הנתרן humate, כמו גם את הצעדים הרצופים כדי להזריק בלחץ גבוה CO₂ ולבצע דחיסה uniaxial. כל תהליך דפורמציה לדוגמה מנוטר באמצעות מצלמה. הגישה הניסיונית הזאת מציעה דרך חלופית לנתח באופן כולל את הנזק והאבולוציה המושרה ביותר, האופייניים לפחם הנושאת גז.

1. הכנה לדוגמא

1. לאסוף גושי פחם raw מן 4671B6 הפנים עובד ממכרה פחם Xinzhuangzi. שים לב, בשל החוזק הנמוך והסיביים של המבנה, הפחם הגולמי הוא שבור וכנראה מעורבב עם זיהומים. כדי למנוע את ההשפעה של גורמים פנימיים וחיצוניים אלה, כמו גם להפחית את חוסר האחידות של פחם ככל האפשר, בחר גושי פחם גדול (כ 15 ס מ, רוחב 10 ס"מ, ו 10 ס מ גבוה).
2. השתמש פינצטה להסיר זיהומים מעורבים בפחם לקרצף את התא מועך עם כותנה סופג acetaldehyde.
3. לרסק את גושי הפחם לחתיכות קטנות עם מועך הלסת, ומחסה אותם מסננת שייקר מצויד עם מסכי רגיל של 6 ו 16 רשת שינוי. מניחים את אבקת הפחם הממוינת בנפרד בהתאם לקוטר.
4. שוקלים 1,000 g ו 300 g של פחם מרוסק עם התפלגות גודל החלקיקים של 0 – 1 מ"מ ו 1 – 3 מ"מ, בהתאמה. הכניסו אותם יחד בגביע בפרופורציה המונית של 0.76:0.24 וערבבו אותם היטב עם מוט זכוכית (עם קוטר של 6 מ"מ).
   הערה: על פי הפונקציה Gaudian-שומאן של תיאורית אריזה רציפה, כאשר ערך התפלגות גודל החלקיקים (m) שווה כ 0.25 (מסה של גודל החלקיקים הוא 1 – 3 מ"מ: סה כ מסה = 0.24), כוחה של הבריקט הוא³⁰מקסימלי.
5. כדי להכין את המלט, לשים 4 גרם של אבקת humate נתרן (99.99% טוהר) לתוך גביע ולהוסיף כ 96 מ ל של מים מזוקקים. השתמש במוט זכוכית כדי לעורר אותם ולוודא כי כל נתרן humate הוא התפרקה היטב.
   הערה: ריכוז המלט משפיע ישירות על החוזק החזק של הבריקט. טבלה 1 חושפת את היחס הסגולי של הכנת התיקט, שממנה נעשה שימוש במדגם מס ' 2 לתוצאות הנציגים.
6. לשים 230 g של אבקת פחם מעורב 20 גרם של הפתרון humate נתרן לתוך גביע ולערבב אותם יחד.
   הערה: מבוסס על חוויות קודמות של ביצוע דגימות, בריקט המיוצר עם 250 g של חומר, באמצעות שיטת העיתונות הקר, עונה על הדרישה גודל של מדגם רוק סטנדרטי²², שם אבקת פחם חשבונות עבור 92% וחשבונות מלט עבור 8%.
7. קר-לחצו על הבריקט בעזרת כלי העיצוב המותאמים לגודל הבריקט (איור 3).
   1. להפקת בריקט בגודל סטנדרטי, העילו את המשטח הפנימי של כלי העיצוב בשמן הסיכה. להרכיב רכיבי כלי2,3, ו4 של איור 3, ולמלא את החור עם 250 g של חומר מעורב.
   2. לשים את הרכיב1 של איור 3 על גבי החומר, ולמקם הכל תחת בוכנה של אלקטרו הידראולי סרוו מכונת בדיקה אוניברסלית.
   3. הפעל את התוכנה Winwdw (או שווה ערך) כדי לשלוט האלקטרו-הידראולי סרוו מכונת בדיקה אוניברסלית. בתוכנה, לחץ על טווח כוח כדי להגדיר את הכוח המקסימלי כדי 50 kN, ולחץ על איפוס כדי לנקות את ערך ההזחה.
   4. לחץ לחיצה שמאלית על האפשרות בקרת טעינת כוח. הגדר את יחס ההזזה ב-0.1 kN/s. הגדר את ערך כוח היעד ב-29.4 kN ובזמן ההמתנה ב-900 s. לאחר מכן, לחץ על התחל.
   5. להוציא את כלי העיצוב ולהפוך אותם על צלחת גומי. השתמש בפטיש גומי לפירוק רכיבי כלי4,2,3 ו1 בסדר זה.
8. שימו את הבריקט באינקובטור 40 ° c עבור 48 h. אז, לשקול מסה שלה עם סולמות אלקטרוניים (עם דיוק של 0.01 g) ולמדוד את גובהו וקוטר עם קליבר (עם דיוק של 0.02 מ"מ) לאחר ייבוש.
9. למדוד את תוכן הלחות, תוכן האפר, ותוכן נדיף של הבריקט, באמצעות מנתח פרוטיאט (לראות את הטבלה של חומרים) בטמפרטורה של 20 ° c ו לחות יחסית של 65% (לכל תקן GB/T 212-2008). בצעו מדידת השתקפות מבריקה על הבריקט המלוטש, בעזרת מיקרוסקופ פומטר (לכל תקן GB/T 6948-2008).
10. למדוד את כוח המדידה החד, חוזק מתיחה, לכידות, וזווית חיכוך פנימי, באמצעות מכונת בדיקה אוניברסלית מתח מבוקרת מנגנון הטיה ישירה (לכל תקן GB/T 23561-2010). ביצוע מדידה של יחס פואסון באמצעות מד מתח התנגדות (לכל תקן GB/T 22315-2008).
11. התנהלות בדיקת ספיחה של הפחם הגולמי והבריקט, תוך שימוש בכלי ספיחה (לפי תקן GB/T19560-2008).

2. שיטות נסיוניות

1. התקנת מעבדה
   1. מניחים את מערכת הבדיקה באזור שקט, ללא רטט של מעבדה נקייה ללא הפרעה אלקטרומגנטית. טמפרטורת החדר צריכה להישאר יציבה במהלך הבחינה.
   2. לשים את הכלי דמיינו על המשטח של המכונה האלקטרו-הידראולי סרוו בדיקה אוניברסלית. לחבר את הבוכנה של מכונת הבדיקה עם זה של כלי דמיינו עם שימוש בכלי מסוים (ראה איור 4).
   3. התקן שסתום ידני להפחתת לחץ. בזרבובית של מיכל הגז חברו את השסתום בערוץ מילוי הגז בצלחת התחתונה של כלי הקיבול לדמיין בצינור רך (עם קוטר פנימי של 5 מ"מ ולחץ מקסימלי של 30 MPa). קשר את תעלת ואקום ואת משאבת ואקום עם אותו צינור.
   4. תקן את הדלת האחורית של כלי דמיינו עם ברגים בעלי עוצמה גבוהה. חבר את המחשב, תיבת הרכישה של הנתונים (DAQ box), ואת חיישן הלחץ גז מוטבע לדלת האחורית.
2. בדיקת אטימות האוויר ומדידה ריקה
   1. כדי לרכוש את נתוני לחץ הגז בכלי דמיינו, הפעל את התוכנה DAQ חיישן-16 (או שווה ערך). בתוכנה, לחץ על התחל.
   2. . הפעל את משאבת הוואקום פתח את השסתום V1 (איור 2) וסגור V2, V3, ו-V4 (איור 2). . ואקום לחדר כלי הקיבול כבה V1 ו-ואקום-לשאוב אותו עד שהוא תחת ואקום.
   3. פתח V2 ואת מיכל הגז (עם הליום). השתמש בשסתום הידני להפחתת הלחץ כדי לכוונן את לחץ השקע של מיכל הגז לקירוב 2 MPa (לחץ יחסי).
   4. להתבונן בזהירות את עקומת לחץ הגז מוצג על DAQ חיישן 16. כאשר מדובר על 2 MPa, לכבות V2 ואת מיכל הגז.
      הערה: לאחר 24 שעות, אם הפחתת לחץ הגז היא פחות מ-5%, האטימה של כלי הקיבול היא טובה.
   5. כדי למדוד את כוח החיכוך של בוכנה טעינה נע כלפי מטה, הפעל את התוכנה Winwdw לשלוט האלקטרו-הידראולי סרוו מכונת בדיקה אוניברסלית.
   6. בתוכנה, לחץ על טווח כוח כדי להגדיר את הכוח המרבי כדי 5 kN ולחץ על איפוס כדי לנקות את ערך ההזחה. לחץ לחיצה שמאלית על קצבטעינת ההזחה. הגדר את יחס ההזזה ב-1 מ"מ/דקה; לאחר מכן, לחץ על התחל.
   7. כאשר העקירה המוצגת על Winwdw הוא כ 5 מ"מ, לחץ על לעצור. לחץ לחיצה ימנית על נתונים שמירה כדי לשמור את עקומת ההזחה של הכוח.
   8. V4 פתוח ופריקה הליום לאוויר. לפרק את הדלת האחורית של הכלי לדמיין ולסגור את ה-V4.
      התראה: הדלת והחלונות צריכים להיות פתוחים לאוורור במהלך שחרור הגז בשל סכנת החנק האפשרית.
3. ניסוי דחיסה יוניצירית
   1. מדוד את הגובה (h) ואת הקוטר (ד) של הבריקט עם קליבר (עם דיוק של 0.02 מ"מ). שוקלים את המסה (m) של הבריקט עם סולמות אלקטרוניים (עם דיוק של 0.01 g). חישוב הדחיסות הגלויהשלה () עם המשוואה הבאה.
      
   2. התקן את הרולר שרשרת של המנגנון בדיקת דפורמציה סביב המיקום האמצעי של הבריקט (איור 5,1 ) ולתקן את מחזיק התפס (איור 5,2 ). לחבר את החיישן (איור 5,3 ) עם תיבת DAQ דרך מחבר תעופה בכלי דמיינו (איור 2) ולמקם אותם תחת בוכנה טעינה.
      הערה: כדי להבטיח את הדיוק של רכישת הנתונים, התאם את משטח השרשרת ואת המשטח העליון של המדגם כך שיהיו מקבילים לכיוון הטעינה.
   3. הפעל Winwdw לשלוט מכונת בדיקה אוניברסלית. בתוכנה, לחץ שמאלה על קצב טעינת האפשרות הזחה. הגדר את יחס ההזזה ב-10 מ"מ לדקה . לחץ על לחצן למטה על הבקר המרוחק של מכונת הבדיקה האוניברסלית עד המרחק שמאלה בין הבוכנה לבין המדגם הוא 1 – 2 מ"מ. ואז, להרכיב את הדלת האחורית של הספינה דמיינו.
   4. חזור על שלבים 2.2.1 – 2.2.2. פתח V3 ואת מיכל הגז (CO₂, טוהר = 99.99%). השתמש בשסתום הידני להפחתת הלחץ כדי לכוונן את לחץ השקע של מיכל הגז לערך מסוים.
   5. להתבונן בזהירות את עקומת לחץ הגז מוצג DAQ חיישן 16. כאשר הוא מתקרב מספיק לערך היעד, לסגור V3 ואת מיכל הגז (CO₂).
      הערה: כאשר עקומת הלחץ גז נשאר יציב, הבריקט הגיע למצב שיווי משקל דינמי ומלא האיזון הדינאמי. באופן כללי, זה לוקח 6 – 8 h עבור הבריקט עד מלא adsorb. במבחן זה, זמן הספיחה נקבע 24 שעות ביממה.
   6. לאחר 24 שעות, מניחים את המצלמה עם חצובה ליד החלון של כלי דמיינו. כוונן את הגובה והזווית כדי לוודא שהתמונה של המדגם מוצגת במרכז מסך המצלמה.
   7. הפעל את גירסה 2.0 של רכישת דפורמציה (או שווה ערך) כדי לנטר את העיוות ההיקפי של הבריקט. לחץ על התחל.
   8. על winwdw, לחץ על מדגם חדש ולהקליד בגובה ובקוטר של בריקט, לחץ על אזור הסתחם, ולאחר מכן לחץ על אישור. לחץ על טווח הכוח כדי לקבוע את הכוח המקסימלי ל-5 kN, ולחץ על Reset כדי לנקות את ערך ההזחה.
   9. לחץ לחיצה שמאלית על קצב טעינת התזוזה של האפשרות והגדר את יחס ההזזה ב- 1 מ"מ/min. לחץ על התחל כדי לדחוס את הדוגמה. באותו הזמן, לחץ על לחצן התחל במצלמה כדי להתחיל בהקלטת וידאו.
   10. כאשר המדגם נכשל לחלוטין, לחץ על הפסקה ושמירת נתונים , בסדר זה, הן winwdw ו- sdu רכישת דפורמציה v 2.0. לחץ שוב על לחצן התחל במצלמה כדי להפסיק את הקלטת הווידאו.
   11. חזור על השלב 2.2.8 לשחרר CO₂ בתא כלי. נתק את מחברי התעופה עבור חיישן לחץ הגז ומכשיר דפורמציה בדיקה.
   12. לחיצה שמאלית על קצב הטעינה של התזוזה באפשרות ב- winwdw. הגדר את יחס ההזזה ב-10 מ"מ לדקה . לחץ על לחצן כלפי מעלה בבקר המרוחק של מכונת הבדיקה האוניברסלית. כאשר העמסה בוכנה של הכלי היא סביב 2 – 3 מ"מ מעל הבריקט, לקחת את לבריקט החוצה ולהסיר אותו מרולר שרשרת.
   13. לפרק את הכלי חיבור בין הפיסטונס. נקו את כלי הקיבול עם שואב אבק.
4. שלמת
   1. בהתבסס על עקומת מתח-צירית מאמץ לעקוף עקומת הזנים שהתקבלו Winwdw ו sdu רכישה דפורמציה v 2.0, לחשב את המתח נפח של המדגם עם המשוואה הבאה.
      
      כאן, = מתח נפח; = זן ציר; = מאמץ מתוח.
   2. השג את חוזק השיא מעקומת המתח בציר הלחץ. קצב הפחתת העוצמה מחושב כדלקמן.
      
      כאן, = קצב הפחתת כוח; = עוצמת שיא של המדגם תחת לחץ שונה של CO₂; = עוצמת שיא של המדגם באוויר אטמוספרי.
   3. חישוב מודול האלסטי באמצעות השלב הליניארי בעקומת המתח-צירית בהתאם למשוואה הבאה.
      
      כאן, = מודול אלסטי של המדגם; = תוספת מתח של השלב הליניארי (במגה-פיקסל); = תוספת מאמץ של השלב הליניארי. חשב את קצב הפחתת מודול האלסטי כדלקמן.
      
      כאן, = שיעור הפחתת מודול אלסטי, = מודול אלסטי של המדגם תחת לחץ שונה של CO₂; = מודול אלסטי של המדגם באוויר אטמוספרי.
   4. בחר תמונות לדוגמה במהלך הבדיקה והסטטיסטיקות באזור כיסוי השטח באמצעות תוכנית (למשל, שנכתב ב-MATLAB) בהתאם לשיטת הממד של ספירת תיבות.
      
      כאן, = מספר הרשת כדי לכסות את אזור השבר בחלק הרוחב של הרשת המרובעת של ; = קבוע; = מימד פרקטל; = אורך הצד של הרשת המרובעת. גודל הרשת המינימלי שווה לגודל הפיקסל במבחן זה.
      1. חשב את מקדם המתאם בהתאם למשוואה הבאה.
         
         כאן, = מקדם המתאם; = השונות המשותפת של ו ; = שונות של; = סטיה של .

המסה הממוצעת של הדגם הבריקט הייתה 230 g. בהתאם לניתוח התעשייתי, בריקט הציגו תוכן לחות של 4.52% ותוכן אפר של 15.52%. יתר על כן, התוכן הנדיף היה כ 31.24%. כפי שחולץ הנתרן מהפחם, מרכיבי הבריקט היו דומים לפחם גולמי. המאפיינים הפיזיים מוצגים בטבלה 2.

השוואת התכונות המכאניות בין פחם גלם ובריקט מוצגים בטבלה 3, והבדיקה איזותרמי ספיחה הוכיחה את הקיבולת הדומה שלהם עבור גז ספיחה (איור 6). כוחה של הדגימות הבריקט ששימשו במבחן היה תנודות (איור 7). עם זאת, לעומת הפחתת הכוח הנגרמת על ידי שיתוף₂ adsorption, זה היה די קל והיתה השפעה קטנה על ניתוח של תוצאות ניסיוני.

כאשר מתחת_לשני לחצים שונים, מאמץ המתח צירית עקומות הראה compaction ברור, אלסטי, ו דפורמציה שלבים פלסטיק (איור 8a). במצב לאחר השיא, הבריקט נכשל בהדרגה, עם סדק משטח הרחבה וחיבור. הרחבת אמצעי האחסון נצפתה מפני מאמץ המתח של אמצעי הלחץ, והוא גדל עם הלחץ של CO₂ להיות גבוה יותר (איור 8a). כתוצאה מכך נגרם נזק לגוף הפחם, שהפחית במישרין את חוזק החיזוק החד שלה. העוצמות השיא של הבריקט היו 1.011 MPa, 0.841 MPa, 0.737 MPa, 0.659 MPa, 0.611 MPa, ו-0.523 MPa תחת הלחץ של CO₂ מ-0 mpa, 0.4 mpa, 0.8 mpa, 1.2 mpa, ו-1.6 mpa ל-2.0 mpa. כמו הלחץ CO₂ גדל, חוזק השיא של דגימת הפחם ירד, שם הוא הראה מערכת יחסים לא לינארית (איור 8b). בנוסף, המודוללי האלסטיים היו 66.974 MPa, 48.271 MPa, 42.234 MPa, 36.434 MPa, 32.509 MPa, ו-29.643 MPa, בסדר זה, בלחץ של CO₂ מ -0 ל-2.0 mpa. התוצאות מצביעות על כך שהמודוללי האלסטי ירדו מתחת לתנאי הרוויה של CO₂ וכי הקשר בין המודוללי האלסטי ירד לבין לחץ הגז היה לא לינארי, שהיה דומה לזה של כוח השיא (איור 8c ).

התמונות שהתקבלו דרך המצלמה האבולוציה של השברים על פני השטח של המדגם תחת₂ לחצים שונים. כדי להבחין בין שברים שונים, כל התמונות הועברו לתמונות בינאריות ומספר צבעים שימשו לציון אזורים המכוסים על ידי שברים (איור 9a). שיטת הממד של ספירת תיבות אומצה כדי לתאר את התכונה של שברים במצבכישלון (; כאן, = לחץ על המדגם במצב לאחר שיא; = שיא החוזק של המדגם) תחת שיתוף₂ לחצים שונים. מקדמי המתאם בין מספר התיבה () והאורךהצדדי () היו כולם יותר מ-0.95 (איור 9b), אשר מוודא את המאפיינים הפרקטלית הברורה של שברים. מידות פרקטלית() היו 1.3495, 1.3711, 1.4336, 1.4637, 1.5175, ו-1.5191 עבור הבריקט תחת 0 mpa, 0.4 mpa, 0.8 mpa, 1.2 mpa, 1.6 mpa, ו-2.0 mpa ושות₂, בהתאמה. הערכים של המימד הפרקטליים היו יחסיים לאלה של הלחץ של CO₂ , והמגמה שלהם הצביע על דמיון זה של מידת הנזק לגוף הפחם.

איור 1: הכיוונון הנסיוני של מערכת הבדיקה היציבה והקבועה של המערכת האחידה. הדמות ממחישה את הכיוונון של ניסוי הדחיסה uniaxial של הפחם CO₂הנושאת. (א) דמיינו את כלי הטעינה. (ב) גז מילוי מודול. (ג) מודול טעינת צירית. (ד) מודול רכישת נתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: כלי הטעינה הדמיינו. ציורים סכמטית של כלי הקיבול מוצגים לעיל. בעוד המדגם (גובה = 100 מ"מ, קוטר = 50 מ"מ) שכב בתוך הכלי, לחץ צירית הוחל על ידי מכונת בדיקה אוניברסלית עצמאית דרך הטעינה בוכנה, גז בלחץ גבוה הוזרק ממיכל הגז דרך צינור רך מילוי ערוץ. כאשר המדגם היה מעוות על ידי השרוול פלסטיק תרמית כניסה, הלחץ הגבילה גם סופק על ידי הליום בלחץ גבוה. שני בוכנות צילינדר התאמת הטעינה אחד של כלי דמיינו זז בו זמנית, שבו התנועה המושרה השינוי באמצעי האחסון היה לקזז בגלל אזור הדו אותו. מבנה זה שמר על היקף הנפח של כלי הקיבול וביטלה את האנטי-כוחות שהוחלו על ההעמסה בוכנה מהגז. ניתן לעקוב אחר המדגם עם מצלמה דרך החלונות בשלושה צדדים. מחבר התעופה הוגדר בכלי הקיבול לחיבור חוט מוביל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: עיצוב כלים הנדרשים לקירור קר-לחץ על הבריקט הסטנדרטי. תצוגת סכמטית תלת-ממדית של אופן ההקשה על הבריקט (29.4 KN במשך 15 דקות). המדגם שכב בחור הפנימי של רכיבי הכלי, וגובהו וקוטרו היו 100 מ"מ ו 50 מ"מ, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: הכלי הנדרש כדי לחבר את בוכנות הטעינה. 3D השקפות סכמטית של כלי התיקון בין הבוכנה של הבוחן האלקטרו-הידראולי של הבודק ואת זה של כלי דמיינו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: מנגנון בדיקה סטנדרטי לדפורמציה ההיקפי של דגימות סלע. סכמטית וייצוג פיזי של הרכישה הפרפורמציה המשמשת בפרוטוקול. על ידי מדידת העקירה זוויתי הנגרמת על ידי דפורמציה מדגם היקפי, המתח ההיקפי הושג. המנגנון הזה יכול לפעול באופן בלתי נשכח גז בלחץ גבוה ושמן הידראולי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: השוואת יכולת הספיחה בין פחם גלם לבריקט. הפאנל מציג את נתוני מתאן איזותרמי ספיחה אמצעות פחם raw ו בריקט לפי תקן GB/T19560-2008. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7: המתח המלא-עקומות מאמץ שנוצרו ממערכת הבדיקה באמצעות בריקט. בדיקת דחיסה חד-צירית ביצעה שימוש בשלוש דגימות בלקט בלי CO₂ מילוי, והתוצאות מראות שבריקט יש חוזק דחיסה חד-צירית יציב (1.0 MPa). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 8: ניסוי דחיסה Uniaxial של פחם ושות₂הנושא. (א) מתח-מסננים עקומות תחת שונים₂ לחצים. (ב) מגמה של שינוי חוזק שיא. (ג) מגמה של שינוי במודוללי האלסטי. המתח-צירית מאמץ עקומות(), מתח הלחץ מסננים עקומות (), ומתח מתח הלחץ עקומות() מוצגים בלוח A. לאחר מילוי עם CO₂, בריקט מנוסה כוח שיא הפחתת מודול אלסטי, ואת עקומות לוחות B ו- C מצביעים על קשר לא לינארי בין קצב הפחתת לחץ הגז. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 9: התמונות של שברים וחישוב פרקטל במצב כישלון (). (א) שבר האבולוציה על משטחי הריקטים, עם צבעים שונים המייצגים שברים מגוונים. (ב) עקומות של ממד פרקטל באמצעות שיטת הממד של ספירת תיבות. שברים חולצו ואזור כיסוי חושבה על בסיס גאומטריה פרקטלית. כל מקדמי המתאם (R²) תחת שיתוף₂ לחצים שונים היו יותר מ 0.95, אשר מוכיח את המאפיינים הפרקטלית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 10: כלים הנדרשים להחלת עומס דינמי וצילום של מערכת הבדיקה. תצוגת תלת-ממד ותמונה פיזית של מוט העזר ומשקל גלילי להחלת טעינה דינמית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

שולחן 1: ערכת הכנה להכנת בלקט.

שולחן 2: השוואת מערכי הניתוח התעשייתי לבריקט ופחם גלם.

שולחן 3: המאפיינים המכניים של פחם גולמי ובריקט.

בהתחשב בסכנה של גז בלחץ גבוה, כמה צעדים קריטיים חשובים במהלך המבחן. השסתומים ו טבעות O צריך להיבדק והוחלף באופן קבוע, וכל מקור ההצתה לא צריך להיות מותר במעבדה. כאשר משתמשים בשסתום הידני לוויסות הלחץ, הנסניסה צריך לסובב את השסתום לאט כדי להפוך את הלחץ להגדיל את כלי הקיבול דמיינו בהדרגה. אין לפרק את הכלי במהלך הבדיקה. כאשר הניסוי מסתיים, יש לפתוח את הדלת האחורית של כלי הקיבול לאחר השחרור הכולל של הגז בלחץ גבוה; אחרת, קיימת סכנת פציעה. השתמש שואב אבק כדי להסיר את כל פיסות בריקט מן הכלי, כדי לא להשפיע על כמות של גז ספיחה במהלך המבחן הבא.

מצמד CO₂-פחם השיטה הניסיונית נועדה לקדם את דיוק הבדיקה ולספק ניטור צילום לניסויים פחם הנושאת גז. הדגם הבריקט מחזיק במספר יתרונות, כגון עלות-תועלת, חוסר רעילות, ייצור קל, ביצועים יציבים וחוזק מתכוונן, ועקומת איזותרמי ספיחה מסכימה היטב עם זה של פחם גולמי. מבחן המודל של התפרצות פחם וגז גם מוכיח כי בריקט יכול לדמות את ההתנהגות adsorptive ו desorptive של גז נושאת הפחם^29,31. בנוסף, לאחר חמישה דורות של שיפור, המנגנון הניסיוני מהווה כעת דיוק גבוה, דיוק, יציבות ובטיחות, העומד בסטנדרטים לבטיחות של ניסויים בלחץ גבוה. אין דרישה מיוחדת למינים של המדגם, כל עוד הוא סלע נקבובי, כולל פחם גלם וסלע פצלי.

המגבלות העיקריות של שיטת הזיווג של CO₂-פחם הן, הראשון, כי לבריקט יש כוח נמוך יותר לעומת פחם גולמי, בשל דרך היווצרות. הדמיון של תכונות מכניות בין הפחם הגולמי לבין הבריקט עדיין זקוק לשיפור, והתוצאות הנסיוניות הקשורות צריכות להיות מוערכות ומאומתות על-ידי פחם גולמי ובמבחן באתרו. שנית, כיוון שנורות ה-LED ומחבר התעופה הוגדרו בכלי מעין, אין למלא גז דליק, כגון CH₄. אחרת, עלולה להתרחש תאונת. חומר נפץ בזמן מילוי הגז למרבה המזל, גז שאינו דליק דומה מתאן יכול לדמות את האינטראקציה CH₄-פחם וזה הוכח כחומר בטוח ואפקטיבי ליישם פחם וגז התפרצות הסימולציה הפיזית ניסויים³².

בנוסף, הבריקט עטוף בשרוול פלסטיק תרמי לצורך כיווץ הלחץ המוחל במהלך בדיקת הדחיסה התלת-צירית, אשר ללא ספק לבזות את האיכות של התמונה לדוגמה. כאשר המדגם נטען תחת גז, טמפרטורה שונה ולחץ גז, המדד הדינאמי של השבירה צריך להילקח בחשבון במהלך לכידת תמונה. ככל שהפרש הלחץ במבחן נמוך יחסית, המדד של השבירה ניתן לראות כקבוע³³.

מלבד הדחיסה החד והתלת-צירית, ניתן ליישם הפרעת עומס דינמית במהלך הבדיקה כדי לחקור את האינטראקציה בין המדגם לבין הגז. מוט ההנחיה ומשקל גלילי במשקל 1 ק"ג מתווספים בין הפיסטונס של מכונת הבדיקה האוניברסלית לבין כלי הקיבול (איור 10). חיישן הלחץ מותקן בחלק התחתון של בוכנה טעינה כדי לרכוש את הלחץ הדינמי להחיל את המדגם. במהלך הבחינה, משקל גלילי, בגובה מסוים, שוחרר במצבי לחץ שונים כדי ללמוד את מאפייני הכשל הדינאמי של המדגם.

הנזק הנגרם לגוף הפחם מתגלה כהפחתה בחוזק החיזוק החד והמודוללי האלסטי. ככל שהלחץ הוא גבוה יותר, כך הנזק שנגרם לפחם הוא מערכת יחסים לא לינארית. תהליך הספיחה יכול להיות מתואר על ידי לאנגיור דגם³⁴. על פי משוואת המודל (V = אמצעי אחסון שווה ערך; V_m, b = קבוע; p = לחץ גז), כמות ספיחה עולה כמו לחץ הגז גדל. הבדל זה מביא להפחתת שיעורי ההפחתה השונים של חוזק בריקט. חוזק הפחם או הפחתת מודול אלסטי על ידי שיתוף₂ רוויה נצפתה מתוצאות ניסיוני יש התאמה טובה עם המחקר הקודם^35,36,37. לסיכום, חייב להיות מערכת יחסים מסוימת בין נזק מכני שנגרם על ידי כמות ספיחה וספיחה של גז.

המאפיינים הדפורמציה של הבריקט מסוכמים כחיבור דחיסה/הרחבה של סדקים והיווצרות סופי של שברים מאקרוסקופיים. הוא הציע כי האבולוציה שבר של CO₂-הנושאת פחם הראו מאפיינים פרקטלית. המימד הפרקטלי המקסימלי היה 1.5191 (2 MPa₂) במבחן. בהתחשב בכך כי פחם גולמי הוא הטרוגנית יותר מאשר בריקט, הערך של המימד הפרקטלי עשוי להיות שונה עבור מבחן הפחם הגולמי.

רוק הוא בינוני מוצק, ואפקטים חיצוניים שונים יגרום נזק. בשל אי הוודאות של הפצת הקראק במהלך תהליך הכישלון, במיוחד בהתחשב בהשפעה הצימוד של סורזיה וטעינה, מספר שיטות מחקר של מכניקת הסלע המסורתית מניפסט מגבלות ברורות. עם זאת, התיאוריה הפרקטלית מספקת דרך חדשה לתאר וללמוד את התהליכים המכניים המורכבים ומנגנונים של פיתוח שבר בסלע. מחקרים קודמים הבהירו כי שבר האבולוציה של חומרי סלע יש תכונות פרקטל^38,39,40,41. עם זאת, מחקר הבדיקה על האבולוציה של השבר פחם הנושאת גז חסר, בעיקר בגלל הגבלה של המנגנון הניסיוני. CO₂-פחם שיטה ניסיוני מספק מדענים עם דרך ללכוד ולחלץ את רשת השבר בפני השטח של המדגם דרך חלונות ומקבל את המימד הפרקטלי בתנאים צימוד שונים. ניתן להשתמש בממד הפרקטלי כדי לתאר את מידת הנזק, התפתחות השבר ומורכבות החתך של גוף הפחם תחת מצב הטעינה. זה יכול להיות מדד הערכה של מאפיינים מבניים ותכונות מכניות של פחם. לכן, זה מאוד משמעותי להערכת קיבולת אחסון גז ופרמטרים השפעת ההזרקה בפרקטיקה של CO₂ הגיאולוגי קיבוע על.

. למחברים אין מה לגלות

עבודה זו נתמכת על ידי הפרויקט הלאומי הלאומית של סין לפיתוח כלים מדעיים (גרנט No. 51427804) ו מחוז שאנדונג הלאומית למדע הטבע הקרן (גרנט לא. ZR2017MEE023).