Characterization of hydromechanical properties of a rock fracture using numerical modelling

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2022-06-13
Department
Major/Subject
Geoengineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Geoengineering (GEO)
Language
en
Pages
71
Series
Abstract
The hydromechanical processes of a single rock fracture are dependent on the properties of that single rock fracture as well as the properties of the rock fractures that are connected to it, and their geometry, orientation and the effective stress of the fracture walls. Hydromechanical properties of a single rock fracture are governed by several parameters such as contact area, roughness, tortuosity, aperture, channeling, matedness, sample sizes, normal stress, flow regime, and flow boundary conditions. Numerical modelling was used to compare the influences of roughness, aperture, water pressure, and different flow boundary conditions on fluid flow in an artificial granite fracture. Comprehensive fluid flow analyses were made to better understand the flow behaviour, including the streamlines, flow velocities and inner water pressure distributions. A simulation model for fluid flow in a single rough fracture was developed with the COMSOL Multiphysics finite element method software. The resulting model was numerically simulated with COMSOL using the Navier-Stokes equations. In this thesis, 20 fluid flow simulations were performed on fracture model created from photogrammetry of rock block with the size of 250 mm × 250 × 110 mm containing artificial tensile fracture. Laminar fluid flow inside the fracture was simulated with fluid flow through x- and y-axis at increasing water pressure level at normal stress conditions of 0 MPa. Simulated water pressures were from 5 kPa to 50 kPa with 5 kPa interval. The numerical model was successfully verified against experimental laboratory work. The numerical simulation results show that the relationship between water pressure gradient and the flow rate is nonlinear indicating turbulent flow behaviour. The channelling effect of the fluid flow as well as the pressure distribution along the fracture increase with the increase of water pressure. The growth of fluid flow velocity inside the fracture with the increase of water pressure is nonlinear and the growth rate of the fluid flow velocity decreases as the inlet water pressure increases. Comparison between the numerical modelling results and the experimental solution confirms that the 3D roughness geometry has a crucial role in defining the transmissivity, especially for nonlinear flow. The presented method can be used to characterize to flow properties of fractured rock and in evaluating different methods and implementation of underground rock engineering applications.

Kalliorakoon vaikuttavat hydromekaaniset prosessit ovat riippuvaisia sen yksittäisen kallioraon ominaisuuksista sekä siihen liittyvien rakoverkostojen ominaisuuksista ja niiden geometriasta, suunnasta ja raon seinämiin vaikuttavista jännityksistä. Kallioraon hydromekaanisia ominaisuuksia säätelevät useat parametrit, kuten kosketuspinta-ala, karheus, mutkittelevuus, rakoavauma, kanavointi, koko, normaalijännitys, virtaustyyli ja virtauksen rajaolosuhteet. Numeerista mallinnusta käytettiin tutkittaessa karheuden, rakoavauman, vedenpaineen ja erilaisten virtauksen rajaolosuhteiden vaikutuksia nesteen virtaukseen kallioraossa. Virtauslinjoja, virtausnopeuuksia sekä raon sisäistä vedenpainejakaumaa käytettiin apuna tutkittaessa virtauksen käyttäytymistä kallioraossa. Simulointimalli kehitettiin COMSOL Multiphysics -elementtimenetelmäohjelmistolla ja malli simuloitiin numeerisesti käyttäen Navier-Stokes -yhtälöitä. Tässä työssä muodostettiin 20 virtaussimulaatiota. Näytemateriaalina käytettiin 250 mm × 250 mm × 110 mm:n kokoista kivikuutiota, jonka halki kulki keinotekoinen kalliorako. Fotogrammetriaa käytettiin apuna mallin luomisessa. Laminaarinen nesteen virtaus kallioraon sisällä simuloitiin x- ja y-akselin suunnissa, nousevalla vedenpainetasolla, normaalijännityksen ollessa 0 Mpa. Simuloidut vedenpaineet olivat 5 kPa - 50 kPa, 5 kPa:n välein. Numeerinen malli tarkistettiin ja todennettiin laboratoriotutkimusten avulla. Työn tulokset osoittavat, että vedenpainegradientin ja virtausnopeuden välinen suhde on epälineaarinen mikä näyttäisi osoittavan virteuksen olevan turbulenttista. Nesteen virtauksen kanavoimituminen sekä paineen jakautuminen kallioraon sisällä lisääntyvät vedenpaineen kasvaessa. Nesteen virtausnopeuden kasvu kallioraon sisällä vedenpaineen kasvaessa, on epälineaarista ja nesteen virtausnopeuden kasvunopeus laskee veden paineen kasvaessa. Numeerisen mallinnuksen tulosten ja laboratoriotulosten vertailu vahvistaa, että kallioraon 3D-geometrialla on ratkaiseva rooli raon läpäisevyyden määrittelyssä, erityisesti epälineaarisessa virtauksessa. Työssä esitetyn menetelmän avulla voidaan luokitella rakoilleen kiven virtausominaisuuksia sekä arvioida erilaisia kalliotekniikan menetelmiä ja toteutusta.
Description
Supervisor
Rinne, Mikael
Thesis advisor
Uotinen, Lauri
Torkan, Masoud
Keywords
aperture, rough fracture, fluid flow, flow simulation, COMSOL Multiphysics
Other note
Citation