TP 4: Simulation des Bruchverhaltens von Gesteinen

Mikromechanische Simulation des Bruchverhaltens von Felsgestein unter hohen Drücken

 

Motivation

Beim Vordringen in große Teufen beim Abbau von Lagerstätten, Tiefbohrungen zur Erdöl- und Ergasgewinnung sowie zur geothermischen Energiegewinnung oder auch bei sehr tiefliegenden Tunneln werden Kenntnisse über das Bruchverhalten von Gesteinen unter hohen Drücken (> 100 MPa) immer wichtiger, z. B. in Bezug auf die Standfestigkeit (Bohrungen, Abbauhohlräume, …), aber auch die Gewinnbarkeit durch Bohr-, Schlag-, Schneid- oder Sprengprozesse. Bisher werden zur Simulation fast ausschließlich phänomenologische Betrachtungen mit verschmierter Mikrostruktur verwendet. Die sichere Beurteilung der Standfestigkeit sowie die Energie,- Verschleiß- und Zeitoptimierung von Gewinnungs- und Bohrprozessen und -werkzeugen verlangt aber eine mikrostrukturelle Untersuchung des Zusammenhangs von Gesteinstruktur und mechanischer Belastung. 

Eigene Vorarbeiten 

Am Institut liegen langjährige Erfahrungen in der Durchführung von felsmechanischen Laborversuchen vor. Seit 2007 bzw. Ende 2008 werden weitere moderne neue Prüftechnik (Triaxzelle mit integriertem Ultraschall-Tool, Großschergerät, Uniaxialpresse mit 5000 kN) zur Verfügung stehen. Bezüglich der numerischen Simulation liegen Erfahrungen aus der DEM-Simulation vor, z. B.: 

  • Schlegel, R., Konietzky, H., Rautenstrauch, K. "Mathematische Beschreibung von Mauerwerk unter statischer und dynamischer Beanspruchung im Rahmen der Diskontinuumsmechanik mit Hilfe der Distinkt Element Methode", Das Mauerwerk, 9(2005), Heft4, S. 143-150
  • Mcdowell, G.R., Harireche, O., Konietzky, H., Brown, S.F., Thom, N.H. "Discrete element modeling of geogrid-reinforced aggregates", Geotechnical Engineering 159, Issue GEI, 2006, p. 35-48
  • Konietzky, H., te Kamp, L. "Hydro-mechanische Kopplung für Partikelmethoden" Workshop Grenzschicht Wasser und Boden, 9.3.2005, TU Hamburg-Harburg, Veröffentlichung der TU Hamburg-Harburg Arbeitsbereich Geotechnik und Baubetrieb Nr. 9, S.121-129
  • Bock, H., Blümling, P., Konietzky, H. "Study of the micromechanical behaviour of the Opalinus Clay: an example of co-operation across the ground engineering disciplines", Bull. Eng. Geol. Env. (2006) 65: 195-207

Ziele 

Die wissenschaftlichen Untersuchungen erfolgen auf Basis der in den letzten Jahren entwickelten Methode der Diskreten Elemente und begleitenden Laborversuche im Triax- und Uniaxialgerät mit on-line Ultraschallüberwachung. Auf Basis der entwickelten Methodik und Softwarekomponenten können über die Kopplung mit Optimierungsverfahren geomechanische, tiefbohrtechnische und bergbauliche Verfahren optimiert werden. Ziel ist die Entwicklung einer Methodik (Stochastische Strukturabbildung + numerische Simulation auf Basis der Diskreten Elemente Methode) einschließlich der Entwicklung der erforderlichen Softwarekomponenten. Dieses Instrumentarium bildet dann die Grundlage für einen weiten Anwendungsbereich von Optimierungsaufgaben für konkrete praktische Aufgabenstellungen, z. B. die Optimierung von Bohrwerkzeugen oder Zerkleinerungsmaschinen.

Arbeitsprogramm

  1. Stochastisches Strukturmodell: Auf Basis von Strukturanalysen bezüglich der Kornstruktur und gegebenenfalls der Bindemittel werden über Punktprozesse bzw. Varonoi-Strukturen Diskrete Elemente erzeugt und vernetzt.
  2. Entwicklung und Implementierung von Materialgesetzen: Das mechanische Verhalten der Strukturelemente (Mineralkörner und Bindemittel) wird über Kontakt- und Volumen-Stoffgesetze abgebildet.
  3. Numerische Simulation von mechanischen Hochdruckbelastungen: Mittels einer DEM-Simulation wird das Bruchverhalten der Gesteinsstruktur unter verschiedenen Hochdruckbelastungsregimen im Mikrobereich realitätsnah abgebildet.
  4. Validierung durch Laborexperimente: Zur Validierung werden im felsmechanischen Labor spezielle Festigkeitsuntersuchungen im Hochdruckbereich durchgeführt. 

Interne und externe Kooperationen

Außerhalb des FHP wir die Zusammenarbeit mit dem Institut für Stochastik an der TU BAF angestrebt. Intern gibt es eine enge Kooperation mit dem Projekt 6.

Trivia

Bereich: Institut für Geotechnik
Teilprojektleiter: Prof. Dr. H. Konietzky
Bearbeiter: Anett Wagner
Dissertation:
Bearbeiter: Christian Lunow
Disseration: "Simulation von gesteinsmechanischen Bohr- und Schneidprozessen mittels der Diskreten-Elemente-Methode" - 2014