Modélisation numérique explicite de l’initiation et de la propagation de fractures rocheuses
Résumé
Studying the performance of rocks subjected to industrial operations (mines, underground storages, geothermal, etc.) requires a good understanding of their response to varying stress fields up to their failure. Fracturing of rock is one form of energy dissipation that allows to restore the energy balance in the rock material. The aim of this research is to enhance the numerical modeling of the initiation and propagation of cracks or fractures in rocks in order to enhance the capabilities to predict the performance of deep underground structures. A critical review of the approaches developed to tackle this issue has led us to choose the discrete approach and more particularly the numerical code “Yade”. Developments have been made to evaluate the different forms of energy dissipation involved in rock behavior. Validation of the energy approach was carried out by simulating laboratory tests. The evolution of the different energy components permitted to verify that the energy balance was correctly evaluated. The energy balance approach was also verified at mesoscopic scale by simulating the underground excavation of a real mine-by-test experiment conducted in the past. Another application was the modelling of an iron ore mine pillar in Lorraine. These applications yield good prospects for better modelling ruptures of the host rock and enhance significantly the security and performance assessment of underground operations
La fracturation des milieux rocheux soulève la question de performance et de sécurité dans le contexte d’exploitation du sous-sol : mines, stockages souterrains d’hydrocarbures ou de déchets, géothermie profonde, etc. Le développement d’outils de modélisation numériques permettant d’étudier, d’une manière satisfaisante, l’initiation et la propagation des fractures dans les roches est nécessaire pour connaître les phénomènes susceptibles d’intervenir et d’évaluer leurs conséquences. L’étude de l’initiation et de la propagation des fractures fait appel à la mécanique linéaire de la rupture. Les méthodes numériques dédiées à la simulation de la fracturation sont basées sur la comparaison de l’évolution de certains paramètres, tels que le taux de restitution de l’énergie et/ou le facteur d’intensité des contraintes avec des valeurs seuils de ces paramètres (taux de restitution critique, facteur d’intensité critique aussi appelé ténacité), qui sont des valeurs intrinsèques au matériau rocheux. Sur la base de ces critères, des méthodes numériques ont été développées pour étudier la fracturation induite par les ouvrages souterrains et leur exploitation et/ou son interaction avec la fracturation naturelle préexistante. La méthode de modélisation numérique aux éléments finis étendus et la méthode des éléments discrets sont aujourd’hui les plus à même de traiter cette problématique.
Domaines
Sciences de la Terre
Origine : Publication financée par une institution
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