Wyniki badań testu wytrzymałościowego próbki węgla w świetle badań tomograficznych

• Autorzy: Dohnalik Marek , Krakowska-Madejska Paulina , Puskarczyk Edyta , Jelonek Iwona

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.01.01

Warianty tytułu

EN

Research results of triaxial geomechanical tests of a coal sample in the light of tomographic tests

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem niniejszej pracy było sprawdzenie możliwości wykorzystania rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) do obserwacji spękań w badanej próbce węgla przed i po teście geomechanicznym, przeprowadzonym w stanie trójosiowych naprężeń (TRX). W pracy przedstawiono zastosowanie dwóch specjalistycznych technik laboratoryjnych: rentgenowskiej tomografii komputerowej i geomechanicznego trójosiowego testu ściskania. Testy geomechaniczne przeprowadzono za pomocą zestawu pomiarowego TRX-070, GCTS (USA), rejestrując pełną charakterystykę naprężeniowo-odkształceniową. Podczas trójosiowych testów ściskania wykonano też innowacyjne równoczesne pomiary prędkości fal P i S. Próbkę analizowano w dwóch etapach, zdefiniowanych ze względu na stan próbki w obrazie CT: pomiar CT wykonany na nienaruszonej próbce węgla (etap 1) oraz otrzymany po teście zniszczeniowym (etap 2). W pierwszym etapie próbka została zeskanowana w celu odzwierciedlenia początkowego stanu struktury porowej wraz z układem mikropęknięć. Drugi etap reprezentuje próbkę po badaniu geomechanicznym. Dla każdego z etapów przeprowadzono szczegółową analizę struktury porowej. W wyniku proponowanego połączenia wymienionych metod w każdym etapie uzyskano obrazy struktury porów. Próbkę analizowano pod kątem liczby i kierunków propagacji pęknięć i zmian w strukturze porów. Interpretacja jakościowa i ilościowa opierała się na rejestracji zmiany liczby pustek, średnic pęknięć, kątów zapadania i porównaniu struktury porowej pomiędzy stanem początkowym próbki oraz po badaniu geomechanicznym. W 1 etapie (przed testem) największy obiekt (zidentyfikowany jako mikroszczelina) przyjmował objętość powyżej 16 mm3 , po wystawieniu próbki na działanie naprężeń (po zniszczeniu próbki) największy zidentyfikowany obiekt charakteryzował się objętością około 15 razy większą (240 mm3 ). Zidentyfikowane w etapie 2 (po teście wytrzymałościowym) pory są wydłużone (wysokie wartości parametru Elongation), a także nie wykazują znaczącego spłaszczenia (Flatness). Według uzyskanych wyników próbka węgla była podatna na pękanie w określonych kierunkach. Kompleksowe badania wykazały zasadność zastosowania proponowanej metodologii do oceny zmian w strukturze próbki podczas testu wytrzymałościowego.

EN

The study aimed to check the possibility of using computed tomography to observe fractures in coal samples before and after a triaxial compression test (TRX). The paper presents an innovative use of two specialized laboratory techniques: computed tomography and geomechanical triaxial compression test. Geomechanical tests were performed on a TRX-070, GCTS (USA) measuring triaxial system. A full stress-strain characteristic was recorded. Also, during the triaxial compression tests, the P and S wave velocities were measured and dynamic elastic moduli were determined. The results were compared. The sample was analyzed in two stages: CT measurement performed on raw coal sample (stage 1) and after the TRX test which destroyed the sample structure (stage 2). First, the sample was scanned reflecting the initial pores and microcracks system. The final stage represents the sample after the geomechanical test. A detailed pore structure analysis was performed for each of the stages. As a result of the proposed above-mentioned method, images of the pore structure were obtained after each step. The sample was analyzed for crack propagation and changes in the pore structure. The qualitative and quantitative interpretation was based on the determination of the number of voids, crack diameters, collapse angles, and comparison of the pore structure between the initial state of the sample and after the triaxial test. In the first stage (before the test), the largest object (identified as a microcrack) had a volume of approximately 16 mm3 , after the sample was stress-tested (after the sample was destroyed), the largest identified object was about 15 times larger (240 mm3 ). It appeared that the coal sample was prone to fracturing in defined directions. Comprehensive research has demonstrated the legitimacy of using the proposed methodology to evaluate changes in the sample structure during the triaxial test.

Słowa kluczowe

PL

rentgenowska tomografia komputerowa; analiza obrazu; test wytrzymałościowy; prędkość fal P i S

EN

computed tomography; image analysis; geomechanical test; P-wave and S-wave velocity

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 1
• Strony: 3--9
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz.

Twórcy

autor

Dohnalik Marek

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy w Krakowie

autor

Krakowska-Madejska Paulina

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

autor

Puskarczyk Edyta

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

autor

Jelonek Iwona

Bibliografia

• Dohnalik M., Drabik K., Wolański K., Zarudzki W., Kiersnowski H., 2016. Wykorzystanie tomografii komputerowej w badaniu rdzeni skał. Nafta-Gaz, 12: 1035–1042. DOI: 10.18668/NG.2016.12.04.
• Jing Y., Armstrong R.T., Ramandi H.L., Mostaghimi P., 2016. Coal cleat reconstruction using micro-computed tomography imaging. Fuel,181: 286–299. DOI: 10.1016/j.fuel.2016.04.127.
• Krakowska P., Puskarczyk E., Habrat M., Madejski P., Jędrychowski M., 2018a. Parametry geometryczne przestrzeni porowej niskoporowatych piaskowców kambryjskich wyznaczone na podstawie wyników badań laboratoryjnych na próbkach z rdzeni wiertniczych. NaftaGaz, 11: 783–788. DOI: 10.18668/NG.2018.11.01.
• Krakowska P., Puskarczyk E., Jędrychowski M., Habrat M., Madejski P., Dohnalik M., 2018b. Innovative characterization of tight sandstones from Paleozoic basins in Poland using X-ray computed tomography supported by nuclear magnetic resonance and mercury porosimetry. Journal of Petroleum Science and Engineering, 166: 389–405. DOI: 10.1016/j.petrol.2018.03.052.
• Madejski P., Krakowska P., Habrat M., Puskarczyk E., Jędrychowski M., 2018. Comprehensive Approach for Porous Materials Analysis Using a Dedicated Preprocessing Tool for Mass and Heat Transfer Modeling. Journal of Thermal Science, 27: 479–486. DOI:10.1007/s11630-018-1043-y.
• Mathews J.P., Campbell Q.P., Xu H., Halleck P.A, 2017. Review of the application of X-ray computed tomography to the study of Coal. Fuel, 209: 10–24. DOI: 10.1016/j.fuel.2017.07.079.
• Nazarova L.A., Zakharov V.N., Shkuratnik V.L., Nazarov L.A., Protasov M.I., Nikolenko P.V., 2017. Use of Tomography in Stress-Strain Analysis of Coal-Rock Mass by Solving Boundary Inverse Problems. Procedia Engineering, 191: 1048–1055. DOI:10.1016/j.proeng.2017.05.278.
• Nie B., He X., Li X., Chen W., Hu S., 2014. Meso-structures evolution rules of coal fracture with the computerized tomography scanning method. Engineering Failure Analysis, 41: 81–88. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2013.10.007.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• ASTM D4543-01 Standard Practices for Preparing Rock Core as Cylindrical Test Specimens and Verifying Conformance to Dimensional and Shape Tolerances.
• ASTM D7012-14e1 Standard Test Methods for Compressive Strength and Elastic Moduli of Intact Rock Core Specimens under Varying States of Stress and Temperatures.
• ISRM, 2007. Suggested Method for Determining the Strength of Rock Materials in Triaxial Compression. [W:] Ulusay R., Hudson J.A. (eds.). The Complete ISRM Suggested Methods for Rock Characterization Testing and Monitoring: 1974–2006.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).