Evolución de las características de resistencia de los fluidos que contienen briquetas y carbón crudo.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 593 (2023) Citar este artículo

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Las propiedades mecánicas del fluido que contiene carbón son un factor importante que afecta la extracción segura de vetas de carbón blando. En particular, en el caso del carbón de clase III-V, es probable que se produzcan explosiones de carbón y gas y otros fenómenos dinámicos debido a la influencia de la presión del gas y el agua subterránea, que amenazan gravemente la seguridad y la vida de los trabajadores de campo. Sin embargo, las muestras de briquetas se suelen utilizar en lugar de carbón bruto en las pruebas de laboratorio realizadas con muestras de carbón de clase III a V. Es necesario verificar más a fondo si las conclusiones de la investigación para las briquetas y el carbón en bruto son consistentes y si las briquetas de carbón pueden reemplazar al carbón en bruto en la investigación sobre las características de resistencia. En este artículo, se estudia la evolución de las características de resistencia del carbón en briquetas y del carbón en bruto. Se analizan en detalle las características de resistencia, las características de falla por inestabilidad y las características de emisión acústica del carbón crudo y de las briquetas de carbón bajo compresión uniaxial y triaxial. Además, se estudia más a fondo la influencia del contenido de agua y la presión de poro en las características de resistencia del carbón bruto y de las briquetas de carbón de clase III-V. Los resultados muestran que la característica de falla del carbón en bruto es una falla general frágil, principalmente falla por división axial, mientras que la de las briquetas es una falla dúctil general, principalmente desprendimiento continuo en forma de cono. Los parámetros de resistencia del carbón en bruto y de las briquetas de carbón mejoran bajo presión de confinamiento, pero la diferencia interna en el carbón en bruto se reduce significativamente. La cohesión de la muestra de carbón crudo inicialmente aumenta y luego disminuye al aumentar el contenido de agua, y el ángulo de fricción interna aumenta al aumentar el contenido de agua. Además, se verifica que la resistencia, la cohesión, el módulo elástico y el módulo de deformación de la briqueta disminuyen al aumentar la presión de poro bajo diferentes presiones de poro, pero la diferencia de resistencia del carbón de clase III-V disminuye al aumentar la presión de poro. Con base en los resultados mencionados anteriormente, los parámetros de resistencia de una masa de carbón se estiman utilizando el criterio de Hoek-Brown (H-B). Basándose en una comparación de los parámetros de resistencia de la muestra de carbón y la masa de carbón, los parámetros de resistencia estimados de la masa de carbón están más cerca de los valores reales en el sitio.

Las propiedades mecánicas del fluido que contiene carbón son un factor importante que afecta la extracción segura de vetas de carbón blando, especialmente para el carbón de clase III-V. Bajo la influencia de la presión del gas, el agua subterránea y otros factores, es probable que se produzcan explosiones de carbón y gas y otros fenómenos dinámicos, que amenazan gravemente la seguridad y la vida de los trabajadores de campo. Sin embargo, las muestras de briquetas se utilizan habitualmente en pruebas de laboratorio de muestras de carbón de clase III a V. Queda por verificar si las conclusiones de la investigación sobre las briquetas y el carbón en bruto son consistentes y si una briqueta puede reemplazar al carbón en bruto en la investigación sobre las características de resistencia. Durante mucho tiempo, muchos investigadores en China y en el extranjero han llevado a cabo numerosos estudios detallados y en profundidad sobre las propiedades mecánicas de los fluidos que contienen carbón. La muestra de carbón es una parte importante del cuerpo de carbón. Los objetos de investigación de las propiedades mecánicas de una muestra de carbón se dividen principalmente en dos tipos: carbón en bruto y briquetas. Para el carbón de clase I y II, la estructura del cuerpo de carbón es relativamente dura, lo que proporciona las condiciones necesarias para perforar una muestra de carbón en bruto, por lo que normalmente se utilizan muestras de carbón en bruto en dicha investigación. Para el carbón de clase III-V, la preparación de muestras de carbón en bruto es difícil y las briquetas son mucho más fáciles de obtener que las muestras de carbón en bruto, por lo que las muestras de briquetas se utilizan más comúnmente en este tipo de investigaciones. Sin embargo, una briqueta es una muestra de carbón secundaria para briquetas, que destruye las características estructurales de la propia muestra de carbón en bruto. El carbón de clase III-V está relativamente fragmentado y sus características son similares a las de la estructura a granel. Por lo tanto, aún es necesario verificar el nivel de diferencia entre las muestras de carbón de los tres tipos y si una briqueta puede reemplazar al carbón crudo en la investigación sobre las características de resistencia.

El carbón fluido y el carbón en bruto han sido ampliamente estudiados. Por ejemplo, Yang Ke et al.1 realizaron pruebas de división dinámica bajo carga de impacto en diferentes muestras de carbón cortado con agua. Se obtuvieron las características de disipación de energía de las muestras de carbón durante el proceso de falla para diferentes contenidos de agua y se analizó la influencia del contenido de agua en la dimensión fractal de las muestras de carbón roto. La dimensión fractal de las muestras de carbón aumentó al aumentar la presión de carga y la tasa de aumento disminuyó. Bajo la misma presión de carga, la dimensión fractal de la muestra de carbón saturado fue la más grande y la de la muestra de carbón seco fue la más pequeña. Lai Xingping2 llevó a cabo pruebas de compresión uniaxial en muestras de carbón y roca con diferentes contenidos de agua y encontró que bajo compresión uniaxial, el modo de falla de las muestras de carbón y roca con diferentes contenidos de agua era falla por corte, y la grieta por corte tendía a volverse más compleja con aumento del contenido de agua. Yubing Liu3 estudió la evolución de la permeabilidad direccional del carbón completo y del carbón fracturado en diferentes condiciones geológicas simuladas. La existencia de agua en el carbón puede reducir la permeabilidad en un orden de magnitud, y en muestras de carbón con macrofracturas rugosas, la permeabilidad disminuye significativamente. Lu Aihong4 discutió la influencia del contenido de agua en las propiedades mecánicas y la disipación de energía de un macizo rocoso bajo una carga dinámica. A medida que el contenido de agua aumentó de 0 a 2,58%, la tasa de trituración de las partículas grandes disminuyó y la tasa de trituración de las partículas pequeñas aumentó gradualmente. Cuando el contenido de agua era de 2,01 a 2,58%, la dimensión fractal aumentaba linealmente, lo que indica que cuanto mayor era el contenido de agua, mayor era la dimensión fractal de la arenisca rota. Los resultados del cálculo de energía revelaron que la energía de la muestra de arenisca alcanzó el valor máximo cuando el contenido de agua era del 0%. Cuando el contenido de agua era de 2,01 a 2,58%, la energía de reflexión aumentó, mientras que la energía de transmisión y la energía de disipación disminuyeron linealmente. Además, Qiangling Yao5 analizó la influencia del contenido de agua en las características de resistencia y deformación de las probetas. A medida que aumentó el contenido de agua de la muestra de carbón, la curva tensión-deformación total exhibió las características de la deformación plástica. Existe una relación lineal positiva entre la deformación máxima y el contenido de humedad y una relación lineal negativa entre la resistencia a la compresión y el contenido de humedad. Wang Wen6 discutió las características mecánicas de las muestras de carbón acuífero bajo carga dinámica y estática combinadas y llevó a cabo pruebas comparativas de carga dinámica y estática combinadas tridimensionales y carga estática tridimensional en muestras de carbón natural y muestras de carbón saturadas durante 7 días utilizando el Barra de presión Hopkinson dividida mejorada (SHPB) y sistema de prueba RMT-150. Los resultados revelaron que la saturación de agua tuvo un efecto significativo sobre la resistencia de las muestras de carbón, pero la tasa de deformación jugó un papel de control principal. En condiciones de velocidad de deformación media a alta, el acoplamiento entre el agua de fractura y la fractura da como resultado una mayor rigidez, y la resistencia dinámica de una muestra de carbón saturada de agua aumenta bajo cargas dinámicas y estáticas combinadas tridimensionales. Jiang Jingdong et al.7 estudiaron la influencia del contenido de agua en las propiedades mecánicas y el mecanismo de falla de las rocas. Descubrieron que cuanto menor era el contenido de agua, menor era la presión de confinamiento, más grave era el daño dentro de la lutita y más débil era la plasticidad. Durante mucho tiempo, muchos investigadores han realizado investigaciones relevantes desde la perspectiva de la resistencia mecánica de muestras de carbón con diferentes contenidos de agua, y se han obtenido abundantes resultados de investigación8,9,10,11. Sin embargo, se ha prestado poca atención a si el carbón con diferentes contenidos de agua puede reemplazar al carbón crudo en estudios experimentales y si las características de resistencia de las muestras de carbón con diferentes contenidos de agua pueden reflejar las características de resistencia del cuerpo de carbón. Por lo tanto, en este estudio, se estudiaron las características de resistencia del carbón fluido y del carbón crudo. A través del análisis comparativo de las características de resistencia, inestabilidad y características de emisión acústica de muestras de carbón crudo y briquetas bajo compresión uniaxial y triaxial, se estudiaron las variaciones en las características de resistencia de las briquetas y el carbón crudo bajo diferentes contenidos de agua y presiones de poro para revelar la evolución de las características de resistencia del carbón fluido y del carbón en bruto.

Para comparar las características de resistencia de las muestras de carbón crudo y briquetas, considerando la dificultad de procesar el carbón crudo, se seleccionó una muestra de carbón con estructura completa y alta dureza que fuera fácil de moler. La muestra de carbón se recogió de la veta de carbón número 3 en la mina de carbón Huoerxinhe, ciudad de Changzhi, provincia de Shanxi. Se obtuvo una muestra de carbón con una estructura relativamente completa y su tipo de falla fue carbón clase II. Primero, se cortaron dos planos paralelos con una máquina cortadora para delinear la muestra de carbón crudo, y luego se usó una máquina perforadora para perforar un núcleo de carbón cilíndrico con un diámetro de 50 mm × 100 mm perpendicular a la dirección del lecho. Los dos extremos de la muestra de carbón perforado se alisaron utilizando una trituradora. Se dejó secar la muestra de forma natural en un lugar ventilado durante 48 h y se prepararon varias muestras de carbón (Fig. 1).

Procesamiento de las muestras de carbón crudo.

Para comparar las diferencias en las características de resistencia de la briqueta y el carbón en bruto, se utilizó el carbón restante después de perforar las muestras de carbón en bruto para preparar las muestras de briquetas. El carbón bruto se trituró mediante un molino de bolas y se unificó. Luego, se colocó en un molde estándar, el cual estaba compuesto por un cilindro troquelador, un pistón de presión y un cilindro desmoldeador. El diámetro interior del cilindro de matriz era de 50 mm y la altura era de 200 mm. El carbón pulverizado se colocó en el cilindro del molde, se insertó el pistón de presión, se aplicó una presión de 100 MPa usando la prensa, la presión se mantuvo durante 30 minutos después de que se estabilizara y el cilindro del molde se colocó sobre la prensa para desmoldar. Luego de obtenida la muestra de briqueta, se midió y registró su tamaño, y también se dejó secar naturalmente en un lugar ventilado durante 48 h. En la Fig. 2 se muestran varias muestras de briquetas.

Procesamiento de las muestras de briquetas.

Las curvas tensión-deformación para las pruebas de compresión uniaxial realizadas en las dos muestras de carbón se muestran en la Fig. 3. La ordenada es la presión axial σ1 y la abscisa es la deformación ε. Las tendencias de cambio de las dos curvas que se muestran en la Fig. 3 son básicamente las mismas. Antes de alcanzar la resistencia máxima, pasan por una etapa de compactación, una etapa elástica lineal y una etapa plástica. La briqueta experimenta una etapa de falla, mientras que el carbón crudo sufre un colapso repentino en esta etapa.

Curvas tensión-deformación de muestras de carbón bajo compresión uniaxial.

En la etapa de compactación, dado que no existe un plano estructural obvio en los dos tipos de muestras de carbón, pero las grietas y poros internos se cierran gradualmente bajo la carga axial, las curvas exhiben un crecimiento no lineal, el incremento de deformación disminuye al aumentar la tensión y la curva se inclina hacia abajo. En esta etapa, la compactación de la muestra de carbón en bruto es más obvia y la curvatura es mayor que la de la muestra de briquetas, lo que revela que el cierre de los defectos internos originales en la muestra de carbón en bruto es más obvio. La curvatura de la curva en esta etapa puede reflejar la distribución más uniforme de la porosidad en la muestra de briquetas en comparación con la del carbón crudo. Debido al tamaño uniforme de las partículas y a la alta presión utilizada en el proceso de preparación, la parte interna de la muestra de briquetas puede considerarse isotrópica. Sin embargo, la pendiente de la curva del carbón bruto en esta etapa se debe a la existencia de poros, fisuras y cavidades, que provocan grandes cambios. La muestra de carbón crudo ingresa a la etapa lineal al 14-22% de la tensión máxima, mientras que la muestra de briquetas ingresa a la etapa elástica al 32% de la tensión máxima. Estos resultados reflejan el hecho de que el número total de grietas en la briqueta es mayor que en el carbón en bruto, y la etapa de compactación de la briqueta es más larga que la del carbón en bruto.

En la etapa elástica, la tensión y la deformación aumentan linealmente. La deformación de la muestra de carbón se puede recuperar después de la descarga. Sin embargo, debido a las nuevas microfisuras producidas en la muestra de carbón bajo carga axial, solo puede considerarse una etapa cuasi elástica. En esta etapa, las partículas de carbón pulverizado en la muestra de briquetas se recombinan y se deforman debido a la existencia de microfisuras, y la curva de la muestra de briquetas es más suave que la del carbón crudo. En comparación con la muestra de carbón en bruto, se puede ver que la plasticidad de la muestra de briquetas es más fuerte y la rigidez del carbón en bruto es más fuerte. Sin embargo, esta etapa refleja la deformación elástica de la muestra de carbón en su conjunto.

En la etapa plástica, que también puede denominarse etapa de propagación inestable de grietas, la curva tensión-deformación cambia de un crecimiento lineal a no lineal, las grietas internas comienzan a expandirse ligeramente por fricción, el deslizamiento entre las partículas produce nuevas grietas y el carbón La muestra presenta deformación plástica. En esta etapa, aumenta la curva de carga axial de la briqueta.

A medida que la carga axial aumenta continuamente, después de que el carbón bruto alcanza la tensión máxima, las grietas internas continúan expandiéndose en un corto período de tiempo y finalmente se convierten en macrofisuras. La tensión de soporte última de la muestra de carbón disminuye rápidamente debido a la formación de estas macrofisuras. En esta etapa existe un esfuerzo de carga residual en la muestra de briquetas, y en la curva, la reducción de esfuerzos presenta una forma de zigzag, mientras que la curva de la muestra de carbón crudo presenta una disminución abrupta, lo cual se relaciona con la formación de macrofisuras en la muestra de carbón.

Tomando como ejemplo una muestra representativa de carbón en bruto, el modo de falla de la muestra después de la prueba de compresión uniaxial se muestra en la Fig. 4. Después de alcanzar la resistencia máxima, debido a la gran rigidez del carbón en bruto, la tensión disminuye abruptamente y la curva tensión-deformación después de la falla no se puede registrar. Este fenómeno se almacena en la máquina experimental después de perder la tensión de soporte última debido a la rigidez insuficiente de la máquina experimental12. Cuando la energía potencial elástica del carbón se libera repentinamente, la muestra de carbón sufre una gran deformación.

Las formas de falla de la briqueta bajo compresión uniaxial.

La pequeña caída en la tensión cerca de la resistencia máxima13 se debe al aumento continuo de la tensión de tracción bajo la acción del deslizamiento cortante durante la compresión, lo que hace que la pared lateral de la muestra de carbón se separe y se convierta en una barra de compresión. Bajo la acción del esfuerzo de tracción último, la muestra de carbón se rompe y colapsa, presentando una falla frágil en su conjunto. Primero, la pared lateral de la muestra se rompe y luego la muestra de carbón se divide a lo largo de la grieta axial que la atraviesa.

El modo de falla de la briqueta bajo compresión uniaxial se muestra en la Fig. 5. La curva tensión-deformación de la muestra de briqueta en la etapa de falla exhibe un patrón de dientes de sierra decreciente. Una briqueta se forma mediante la oclusión mecánica entre las partículas y el efecto de retención de agua del carbón granulado mediante presurización. Aunque hay una capa de película de agua vinculante entre las partículas debido a la presencia de agua, que puede aumentar el efecto de lubricación entre las partículas y no favorece la formación de briquetas, se agrega una pequeña cantidad de agua durante el proceso de preparación. Después de esto, la briqueta se seca en un lugar ventilado para que el macrorendimiento general de la briqueta muestre oclusión mecánica de partículas. En el proceso de carga sin presión de confinamiento, las partículas dentro de la muestra se comprimen y se frotan entre sí bajo la carga, y algunas partículas se rompen nuevamente para formar partículas de diferentes tamaños, lo que debilita la fuerza de mordida entre las partículas. Cuando esta fuerza no es suficiente para soportar la carga axial, la pared lateral de la muestra se desprenderá continuamente de los extremos y la tensión disminuirá gradualmente. La rigidez del bloque amortiguador es mayor que la de la briqueta, y su energía potencial elástica interna es menor y se libera con el desconchado continuo de la pared lateral de la muestra de carbón. Debido al efecto final, la pared lateral de la muestra de carbón se desprende en forma de cono desde el extremo y, finalmente, la parte media de la muestra de carbón pierde su capacidad de carga, lo que provoca fracturas.

Las formas de falla de la muestra X2 bajo compresión uniaxial.

Las curvas triaxiales tensión-deformación de compresión de las muestras de briquetas y carbón crudo se muestran en la Fig. 6. El eje longitudinal en la Fig. 6 es la diferencia entre la presión axial σ1 y la presión de confinamiento σ3. Las tendencias de cambio de los dos grupos de curvas son aproximadamente las mismas y los parámetros de resistencia son mejores que los de compresión uniaxial. Bajo presión de confinamiento, la etapa de compactación de la briqueta no es obvia y las grietas y poros en la muestra de carbón están más cerrados que bajo compresión uniaxial. El aumento de la fricción reduce el deslizamiento entre las partículas. Bajo diferentes presiones de confinamiento, el grado de cierre de las grietas internas es diferente. A medida que aumenta la presión de confinamiento, aumenta la resistencia máxima de la muestra de carbón, la etapa elástica del carbón crudo se alarga y la etapa plástica de la briqueta se alarga. En comparación con los resultados de las pruebas de compresión uniaxial, la ductilidad general del carbón bruto es mayor, pero la falla general sigue siendo frágil. Una briqueta se forma presionando carbón granulado. La presión de confinamiento aumenta la deformación plástica de la muestra de carbón, haciendo que las partículas estén más densamente empaquetadas y toda la muestra aún sufre una falla dúctil. Cuando la presión de confinamiento del carbón bruto alcanza los 15 MPa, las curvas de las secciones elásticas lineales y de compactación casi coinciden. A medida que aumenta la presión de confinamiento, el alargamiento de las curvas es diferente y la estructura interna del carbón se vuelve densa bajo la acción de la presión de confinamiento. Debido a la presión de confinamiento, la muestra de carbón resulta gravemente dañada y no se puede obtener el modo de falla completo.

Curvas tensión-deformación de muestras de carbón bajo compresión uniaxial.

Para las pruebas de corte directo se utilizaron tres conjuntos de muestras típicas de carbón bruto de clases III, IV y V con diferentes contenidos de humedad.

Las muestras de carbón de clases III, IV y V se dividieron en 12 grupos según los contenidos de humedad diseñados de 6 a 28 % y se pesaron. Con base en los contenidos de humedad de los tres tipos de carbones, se calculó la masa de agua a agregar según la masa de la muestra de carbón. Se roció agua sobre la muestra de carbón plano con una jeringa y luego la muestra se agitó uniformemente y se selló en una bolsa de muestra durante 24 h.

Después de pesar la muestra de carbón durante 24 h, se aplicó vaselina en el interior de la cuchilla anular y se pesó. La muestra de carbón se cortó usando la cuchilla anular, se compactó usando un martillo de goma y el método de compactación unificado para controlar la compacidad, y luego la superficie se reparó repetidamente. La muestra de cuchillo anular preparada se cubrió con una placa de cubierta de plástico.

Se prepararon doce muestras con el mismo contenido de humedad y se realizaron tres grupos de ensayos de corte directo.

La variación en la fuerza cohesiva del carbón crudo a granel de clase III-V con contenido de agua se muestra en la Fig. 7. Para los tres tipos de muestras de carbón, la fuerza cohesiva inicialmente aumenta y luego disminuye al aumentar el contenido de agua. El rango de variación de la fuerza cohesiva de la muestra de carbón de clase III con contenido de agua es mayor que el de las muestras de carbón de clase IV y V. El contenido de humedad óptimo del carbón de clase III es aproximadamente del 17%, y el del carbón de clase IV y V es de aproximadamente el 15%. La cohesión del carbón de clase III es más sensible al contenido de humedad.

La relación entre la cohesión y el contenido de humedad.

El agua del carbón bruto a granel es principalmente agua libre y agua ligada. El agua unida está fuertemente adsorbida alrededor de las partículas de carbón debido a la atracción electrostática de las superficies de las partículas, por lo que no puede fluir libremente ni transferir la presión hidrostática14. El agua unida se puede dividir en dos tipos según la distancia entre las partículas: agua fuertemente unida y agua débilmente unida. El agua fuertemente unida se ve fuertemente afectada por la fuerza electrostática, mientras que el agua débilmente unida se ve menos afectada y puede moverse libremente, por lo que es una parte importante de la película de agua unida. Cuando el contenido de humedad es bajo, la película de agua aglomerante es delgada, el efecto de unión es débil y no se puede formar una estructura de aglomerado, por lo que la cohesión es baja15. Tomando el carbón de clase III como ejemplo, cuando el contenido de humedad alcanza el 0-17%, el efecto de unión de la película de agua aumenta gradualmente y se forma tensión superficial en la superficie de la película de agua bajo el efecto capilar, lo que es beneficioso para la unión de partículas internas. de la muestra de carbón. Cuando el contenido de humedad es superior al 17%, la película de agua entre las partículas se espesa gradualmente y el agua libre también debilita el grado de conexión. Además, debido al aumento de la saturación de agua, la succión de la matriz de la muestra de carbón disminuye gradualmente16 y la cohesión disminuye gradualmente, lo que también mejora la resistencia de la muestra de carbón.

La relación entre el ángulo de fricción interna y el contenido de agua para las muestras de carbón suelto de clase III-V se muestra en la Fig. 8. El ángulo de fricción interna disminuye al aumentar el contenido de agua, pero la relación tiene un bajo grado de ajuste y no hay una correlación general obvia. . Los resultados muestran que el ángulo de fricción interna del carbón de clase III y IV casi coincide con la curva de ajuste del contenido de agua, y el ángulo de fricción interna del carbón de clase V cambia mucho con el contenido de agua.

La relación entre el ángulo de fricción interna y el contenido de humedad.

El ángulo de fricción interna es principalmente la encarnación del rendimiento de fricción de la muestra de carbón, que supera principalmente la fricción causada por las superficies rugosas entre las partículas. A medida que aumenta el contenido de agua, la película de agua unida entre las partículas se espesa, debilitando el efecto de acoplamiento entre las partículas y aumentando el efecto de lubricación entre las partículas. Por tanto, el ángulo de fricción interna disminuye al aumentar el contenido de agua.

En el proceso de extracción de carbón real, se inyecta agua en la pared de carbón blando para mejorar la estabilidad de la pared de carbón y evitar accidentes por explosión de carbón y gas. Para determinar el contenido óptimo de agua de la pared de carbón, se prepararon muestras de briquetas con diferentes contenidos de agua. Se prepararon cinco tipos de muestras de briquetas con contenidos de agua del 2%, 4%, 6%, 8% y 10%. Debido a la pequeña dispersión de las muestras de briquetas, fue necesario preparar una muestra de briquetas para cada contenido de humedad.

Los resultados de la prueba de compresión uniaxial para las muestras de carbón con diferentes contenidos de humedad se presentan en la Tabla 1, y la curva tensión-deformación de compresión uniaxial se muestra en la Fig. 9.

Curvas tensión-deformación de muestras de briquetas de carbón con diferentes contenidos de humedad bajo compresión uniaxial.

La curva de la resistencia a la compresión uniaxial y el módulo elástico de las muestras de carbón con diferentes contenidos de agua se muestra en la Fig. 10. La resistencia y el módulo elástico de la briqueta aumentan al aumentar el contenido de agua dentro de un cierto rango. Cuando el contenido de agua es del 6%, la resistencia y el módulo elástico de la muestra de carbón alcanzan los valores máximos. A medida que el contenido de agua aumenta del 0 al 6%, la resistencia aumenta en un 28% y el módulo de elasticidad aumenta en un 27%. Cuando el contenido de humedad es superior al 6%, la resistencia y el módulo elástico de la muestra de carbón muestran tendencias decrecientes. Sin embargo, la humedad es un componente esencial y un contenido razonable de agua puede aumentar la cohesión entre las partículas de carbón durante el proceso de preparación de las briquetas.

Las curvas de ajuste del contenido de humedad versus (a) la resistencia a la compresión uniaxial y (b) el módulo de elasticidad.

La resistencia de la muestra de carbón se compone principalmente de su propia fuerza cohesiva y la fuerza de fricción generada por la carga17. Cuando el contenido de agua de la muestra de carbón es bajo, hay poca agua libre entre las partículas de la muestra de carbón y el puente líquido formado por el agua combinada casi no produce una fuerza efectiva. Bajo carga, las partículas de la muestra de carbón no pueden moverse entre sí y forman una estructura densa, lo que reduce la resistencia de la muestra. En este momento, la fuerza depende principalmente de la fricción. Cuando el contenido de humedad es demasiado alto, la película de agua entre las grietas internas y las partículas de la muestra de carbón es espesa, lo que debilita la conexión entre las partículas y disminuye la resistencia de la muestra18. Una cantidad razonable de humedad desempeña un papel lubricante entre las partículas de la muestra de carbón. Se forma una briqueta a alta presión, lo que facilita que las partículas se froten entre sí bajo una carga. Las partículas pequeñas entran en los espacios entre las partículas grandes, y la cohesión generada por la oclusión mecánica entre las partículas hace que la estructura de la muestra de carbón se vuelva más densa, lo que hace que la resistencia de la muestra de carbón alcance el máximo19,20. Por lo tanto, la determinación de un contenido de humedad razonable es útil para mejorar la resistencia de las muestras de carbón.

Para obtener las características de resistencia triaxial de muestras de carbón de clase III-V bajo diferentes presiones de poro y presiones de confinamiento, se seleccionaron presiones de poro de 0,2 MPa, 0,4 MPa, 0,6 MPa y 0,8 MPa. Para comparar los resultados con las características de resistencia presentadas anteriormente de una muestra de carbón sin presión de poro, se seleccionaron presiones de 0,6 MPa, 0,8 MPa y 1,0 MPa. Finalmente, se compararon las diferencias en las características de resistencia de muestras de carbón de clase III-V bajo la misma presión de poro y presión de confinamiento.

El sistema de prueba estaba compuesto principalmente por una máquina de prueba de mecánica de rocas RMT-150B, una cámara de muestra mejorada, una fuente de gas CO2 de alta presión (por razones de seguridad, se usó CO2 en lugar de CH4) y un sensor de presión de gas CY-60.

Para permitir la comparación con las características de resistencia de las muestras de carbón, se adoptó la misma presión de confinamiento y método de carga. Xu Jiang et al.21 determinaron que la saturación de adsorción de gas tenía poco efecto sobre el grado de deformación y la resistencia máxima de las muestras de carbón mediante la realización de experimentos comparativos en condiciones de gas y nitrógeno. Por lo tanto, si la muestra de carbón está saturada tiene poca influencia en los resultados experimentales. Después de instalar la muestra de carbón, se aplicó la presión de confinamiento al valor objetivo y se introdujo gas CO2. Después de descargar el gas al exterior del aparato a través de la muestra de carbón y estabilizarlo, se cerró la válvula de escape y se llevó a cabo el experimento.

De acuerdo con el esquema experimental diseñado, se llevaron a cabo un total de 10 grupos de experimentos de compresión triaxial con diferentes presiones de confinamiento, presiones de gas y tipos de muestras de carbón. Los resultados experimentales se presentan en la Tabla 2. La curva triaxial tensión-deformación para una presión de confinamiento constante de 1 MPa se muestra en la Fig. 11, y la curva de ajuste de la presión de poro versus la resistencia se muestra en la Fig. 12.

Curvas tensión-deformación de muestras de carbón con diferentes presiones de poro bajo compresión triaxial.

La curva de ajuste de la resistencia triaxial versus la presión de poro.

La resistencia de la muestra de carbón disminuye al aumentar la presión de poro. Como puede verse en la Fig. 12, a medida que aumenta la presión de poro, aumenta la duración de la etapa de deformación plástica de la muestra de carbón, lo que se debe al refuerzo de la presión de confinamiento fija durante la ventilación de la muestra de carbón en la etapa inicial. del experimento.

Las curvas triaxiales tensión-deformación para las muestras de carbón tipo IV bajo 0,8 MPa y 0 MPa se muestran en la Tabla 2. Bajo la presión de poro, en la etapa de compactación, la curva de la muestra de carbón se dobla hacia arriba porque hay presión de poro en el interior. poros en la muestra de carbón en la sección OA. En este momento, a medida que aumenta la carga axial, la dirección de la presión de poro es opuesta a la de la presión de confinamiento, y la presión de poro es beneficiosa para la formación y desarrollo de poros, compensando parte de la presión de confinamiento. Por tanto, la etapa de compactación apenas existe. Se puede ver en la Fig. 11 que a medida que la presión de poro disminuye, en la etapa de compactación, la curva cambia gradualmente de curvatura hacia arriba a curvatura hacia abajo.

Las curvas tensión-deformación de compresión triaxial para las muestras de carbón tipo III-V bajo presión de poro y condiciones convencionales se muestran en la Fig. 13. Las tres muestras de carbón exhiben diferencias obvias de resistencia en los experimentos de compresión triaxial convencionales; sin embargo, bajo presión de poro, las tres curvas son consistentes y la resistencia máxima y sus diferencias se reducen aún más. Además, bajo presión de poro, se reduce la diferencia en las estructuras internas de los tres tipos de muestras de carbón.

Curvas tensión-deformación de muestras de carbón de clase III-V bajo diferentes presiones de poro y compresión triaxial.

No existe ningún método teórico eficaz para demostrar la diferencia en los entornos mecánicos del carbón en briquetas y el carbón en bruto. En un macizo rocoso en el campo, el criterio generalizado de Hoek-Brown (H-B) y el índice de resistencia geológica (GSI) se utilizan para estimar los parámetros mecánicos del macizo rocoso y luego estudiar las propiedades mecánicas del macizo rocoso. Brown realizó una gran cantidad de pruebas triaxiales en muestras de carbón y descubrió que la resistencia máxima de las muestras de carbón se puede estimar utilizando el criterio H-B. Al ser una roca especial, los parámetros mecánicos del carbón se miden mediante experimentos de mecánica de rocas. Luego, los parámetros de resistencia de la masa de carbón se estiman utilizando el criterio H-B generalizado para proporcionar una referencia para estudiar las características de resistencia del carbón.

Criterio H-B generalizado:

\(\sigma_{1} = \sigma_{3} + \sigma_{ci} (m_{b} \frac{{\sigma_{3} }}{{\sigma_{ci} }} + s)^{a }\), σ1 es la tensión principal máxima en el caso de falla del macizo rocoso (MPa); σ3 es la tensión principal mínima en el caso de falla del macizo rocoso (MPa); σci es la resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta (MPa); mb es la depreciación del parámetro empírico mi de la roca completa; a es la constante característica de un macizo rocoso articulado; y s refleja el grado de fragmentación de la roca.

Los datos de compresión uniaxial y triaxial presentados anteriormente para las muestras de carbón crudo y briquetas se utilizaron para estimar los parámetros de resistencia del cuerpo de carbón utilizando los criterios generalizados H-B. Se estimó que el GSI era 55 describiendo las características del cuerpo de carbón del cual se obtuvieron las muestras de carbón. Los parámetros de resistencia del cuerpo de carbón se calcularon utilizando el criterio generalizado H-B. Los datos se presentan en la Tabla 3.

El componente principal del cuerpo de carbón es el bloque de carbón. Además, incluye un plano estructural compuesto por juntas y fisuras, que divide el cuerpo de carbón en bloques de carbón discontinuos. La principal diferencia entre las muestras de carbón en bruto y el cuerpo de carbón es que el plano estructural aumenta la complejidad de la tensión y la deformación por tensión del cuerpo de carbón, lo que hace que las características mecánicas de los dos sean diferentes.

Los parámetros mecánicos de la muestra de carbón y el cuerpo de carbón se muestran en la Tabla 3. En la Tabla 3 se puede ver que la cohesión, el ángulo de fricción interna y la resistencia a la compresión uniaxial de las muestras de carbón crudo y briquetas son mayores que los valores estimados correspondientes. para el cuerpo de carbón. Debido a la existencia de un plano estructural débil dentro del cuerpo de carbón, la resistencia a la compresión uniaxial del cuerpo de carbón es mucho menor que la de la muestra de carbón. La resistencia a la compresión uniaxial del cuerpo de carbón estimada utilizando muestras de carbón es aproximadamente tres veces mayor que la de las muestras de carbón en bruto y las muestras de briquetas. Hay poca diferencia entre los valores estimados de la fuerza de cohesión y el ángulo de fricción interna. Se puede ver en la fórmula que la fuerza de cohesión está relacionada con el tamaño del ángulo de fricción interno, la resistencia de la muestra de carbón y la selección del valor GSI de la estructura de carbón, pero el valor GSI de la estructura de carbón tiene una gran influencia en el valor estimado. El valor estimado es 55, por lo que la diferencia entre ambos no es grande. Los parámetros mecánicos de otros cuerpos de carbón están muy relacionados con la resistencia de las muestras de carbón, por lo que los parámetros de resistencia estimados utilizando muestras de carbón crudo y briquetas son diferentes.

Con base en los datos experimentales obtenidos para las muestras de carbón de clase III-V, se estima que los valores de GSI de la estructura del cuerpo de carbón de la cual se recolectaron las muestras de carbón de clase III-V son 20, 15 y 5, respectivamente, según la Tabla 4. Los resultados estimados se muestran en la Tabla 4.

La Tabla 4 presenta los parámetros mecánicos estimados de las muestras de carbón obtenidas en este estudio y el parámetro de resistencia al corte c del carbón y las muestras de carbón bajo dos condiciones. Los valores de φ se comparan en la Fig. 14. Los valores de los parámetros de las muestras de briquetas y carbón a granel difieren mucho de los valores estimados. La cohesión medida de las muestras de carbón a granel es demasiado pequeña y el ángulo de fricción interna es demasiado grande. La cohesión de las muestras de carbón disminuye de la clase III a la clase V, mientras que el ángulo de fricción interno no fluctúa significativamente. Por el contrario, la cohesión estimada de las muestras de carbón aumenta de la clase III a la V y el ángulo de fricción interna fluctúa ligeramente. Los valores estimados de los parámetros mecánicos deberían acercarse más a la realidad y aumentar la seguridad y confiabilidad de su uso en simulaciones numéricas y aplicaciones de ingeniería.

Gráficos de barras que comparan los ángulos de cohesión y fricción interna de muestras de carbón de clase III-V y masa de carbón.

Mediante ensayos de compresión uniaxial y triaxial se analizaron las diferencias entre las características de resistencia del carbón crudo y del carbón en briquetas. Las características de falla del carbón en bruto son principalmente falla por división axial y falla general por fragilidad, mientras que las de las briquetas de carbón son principalmente falla dúctil debido al desconchado continuo de la pared lateral en forma de cono. Los parámetros de resistencia del carbón en bruto y de las briquetas de carbón mejoran bajo presión de confinamiento y la diferencia interna en el carbón en bruto se reduce significativamente.

La cohesión c de la muestra de carbón suelto no tiene una correlación obvia con su dimensión fractal D, y el ángulo de fricción interna φ disminuye como una función exponencial negativa al aumentar la dimensión fractal D. La cohesión de la muestra de carbón inicialmente aumenta y luego disminuye al aumentar el agua. contenido, y el ángulo de fricción interna disminuye al aumentar el contenido de agua. La cohesión del carbón de clase III es más sensible a los cambios en el contenido de agua, y el ángulo de fricción interna del carbón de clase V es el más sensible a los cambios en el contenido de agua.

La resistencia, el módulo de elasticidad y el módulo de deformación de las briquetas de carbón aumentan inicialmente y luego disminuyen al aumentar el contenido de agua.

Bajo diferentes presiones de poro, la resistencia, la cohesión, el módulo elástico y el módulo de deformación de las briquetas de carbón disminuyen al aumentar la presión de poro, pero bajo el efecto de la presión de poro, la diferencia de resistencia de las muestras de carbón de clase III-V disminuye.

Utilizando el criterio H-B, se encontró que los parámetros de resistencia de las muestras de carbón y el valor GSI de la estructura del carbón tienen una gran influencia en la precisión de los valores estimados de los parámetros de resistencia del carbón. Al comparar los parámetros de resistencia de las muestras de carbón y los cuerpos de carbón, se encontró que los valores estimados de los parámetros de resistencia del carbón deberían estar más cerca de la situación real en el sitio.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 51974108 y 51404093), los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades de la Provincia de Henan (No. NSFRF210315), el Proyecto de Investigación Postdoctoral en la Provincia de Henan (No. 001701014) , la Base de Cultivo del Laboratorio Estatal Clave para Geología y Control del Gas (Universidad Politécnica de Henan) (Nos. WS2020B12 y WS2012A09), el Programa de Investigación Clave de la Administración Estatal de Seguridad en el Trabajo (Nos. Henan-0025-2015AQ y Henan-0007- 2015AQ), y la Fundación Doctoral de la Universidad Politécnica de Henan (Nº B2012-093, CCCC).

Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Seguridad, Universidad Politécnica de Henan, Jiaozuo, 454003, China

Feiyan Zhang y Chen Niu

Centro de innovación colaborativa para la seguridad en el trabajo con carbón y utilización limpia y de alta eficiencia, Jiaozuo, 454003, China

Feiyan Zhang

Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Energía, Universidad Politécnica de Henan, Jiaozuo, 454003, China

Ying Han

Base de cultivo de laboratorio clave estatal para geología y control de gas, Universidad Politécnica de Henan, Jiaozuo, 454003, China

Ying Han

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Análisis formal, investigación, redacción: preparación del borrador original, FZ y YH; recursos, curación de datos, supervisión, administración de proyectos, adquisición de fondos, FZ y CN; redacción: revisión y edición, FZ y YH Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Ying Han.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Zhang, F., Niu, C. y Han, Y. Evolución de las características de resistencia de briquetas y fluidos que contienen carbón crudo. Representante científico 13, 593 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27908-6

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Recibido: 14 de agosto de 2022

Aceptado: 10 de enero de 2023

Publicado: 11 de enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27908-6

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