Fracture Propagation in Anisotropic Rock During Drilling and Cutting: Fid-Bau Portal

Fracture Propagation in Anisotropic Rock During Drilling and Cutting

Thuro, Kurosch / Schormair, Nik

10.1002/geot.200800001.abs

Anisotropy plays a key role in fracture propagation models and rock fragmentation processes during rock drilling and cutting. Drilling tests with a percussive rock drill have been performed to examine the influence of anisotropy and inhomogeneity on fracture propagation in different rock types. Subsequently, thin sections of the bottom of the borehole were analysed to investigate the associated crack patterns. Based on these observations an attempt was made to simulate the drilling process in a specific rock material using the Particle Flow Code (PFC^2D). Since the Particle Flow Code is based on a discontinuum mechanics approach, the rock sample is converted into an assembly of spheres, where the particles are able to interact with each other and fractures are able to propagate. Different rock cutting tools were assumed including button bits, disc cutters and roadheader bits to simulate the penetration of varying rock samples. The latter have been omitted in this paper due to space limitations. The aim of the numerical simulation of the drilling and cutting processes was to examine the crack patterns and correlate with existing foliation. In this paper preliminary results of the 2‐dimensional PFC modelling are presented.

Bruchausbreitung im anisotropen Gebirge beim Bohren und Schneiden

Die Anisotropie besitzt eine Schlüsselrolle bei der Bruchausbreitung, sowohl im Modell als auch beim Zerkleinerungsprozess beim Bohren und Schneiden. Um die Charakteristik der Bruchausbreitung in Abhängigkeit von Anisotropie und Inhomogenität zu untersuchen, wurden In‐situ‐Bohrungen mit der üblichen auf der Baustelle vorhandenen Bohrausrüstung (Schlagbohrhammer) in Blöcken aus verschiedenen Gesteinstypen durchgeführt. Von den so gewonnen Proben aus der Bohrlochsohle wurden Dünnschliffe angefertigt und bezüglich des Rissmusters ausgewertet. Auf Grundlage dieser Untersuchungen wurde der Versuch unternommen, den Bohrprozess in verschiedenen virtuellen Gesteinstypen mit dem Particle Flow Code (PFC^2D Version 3.1) zu simulieren. Da der Particle Flow Code auf der Diskontinuumsmechanik basiert, wird ein Gestein als eine Anordnung verschieden großer Kugeln (oder Scheiben) nachgebildet, die miteinander wechselwirken und wo sich Brüche ausbreiten können. Um das Eindringen von verschiedenen Werkzeugen in diese virtuellen Gesteine zu simulieren, wurden Bohrkronenstifte, Diskenschneiden und Rundschaftmeißel generiert. Letztere wurden in diesem Artikel allerdings aus Platzgründen weggelassen. Ziel der numerischen Simulation war unter anderem die Untersuchung des Rissmusters und seine Korrelation mit der vorhandenen Schieferung. Letztere wird sehr häufig durch Glimmerminerale erzeugt, die einen mehr oder weniger großen Abstand das Gestein gerichtet durchziehen. In diesem Beitrag werden die ersten Ergebnisse der zweidimensionalen Modellierung mit dem Particle Flow Code gezeigt.