A new approach to upscaling fracture network models while preserving geostatistical and geomechanical characteristics

A new approach to upscaling two-dimensional fracture network models is proposed for preserving geostatistical and geomechanical characteristics of a smaller-scale “source” fracture pattern. First, the scaling properties of an outcrop system are examined in terms of spatial organization, lengths, connectivity, and normal/shear displacements using fractal geometry and power law relations. The fracture pattern is observed to be nonfractal with the fractal dimension D ≈ 2, while its length distribution tends to follow a power law with the exponent 2 < a < 3. To introduce a realistic distribution of fracture aperture and shear displacement, a geomechanical model using the combined finite-discrete element method captures the response of a fractured rock sample with a domain size L = 2 m under in situ stresses. Next, a novel scheme accommodating discrete-time random walks in recursive self-referencing lattices is developed to nucleate and propagate fractures together with their stress- and scale-dependent attributes into larger domains of up to 54 m × 54 m. The advantages of this approach include preserving the nonplanarity of natural cracks, capturing the existence of long fractures, retaining the realism of variable apertures, and respecting the stress dependency of displacement-length correlations. Hydraulic behavior of multiscale growth realizations is modeled by single-phase flow simulation, where distinct permeability scaling trends are observed for different geomechanical scenarios. A transition zone is identified where flow structure shifts from extremely channeled to distributed as the network scale increases. The results of this paper have implications for upscaling network characteristics for reservoir simulation

Lattice modeling of excavation damage in argillaceous clay formations: Influence of deformation and strength anisotropy

This paper presents modeling of mechanical anisotropy in argillaceous rocks using an irregular lattice modeling approach, namely the rigid-body-spring network. To represent the mechanical anisotropy, new schemes are implemented in the modeling framework. The directionality of elastic deformation is resolved by modifying the element formulation with anisotropic elastic properties. The anisotropy of strength and failure characteristics is facilitated by adopting orientation-dependent failure criteria into the failure model. The verification of the improved modeling procedures is performed against theoretical model predictions for unconfined compression tests with various bedding orientations. Furthermore, excavation damage and fracturing processes in rock formations are simulated for different geomechanical configurations, such as rock anisotropy and tectonic heterogeneity. The simulated excavation damage characteristics are realistic and comparable with the actual field observation at a tunnel located in an argillaceous clay formation. The simulation results provide insights into the excavation damage zone phenomena with an explicit representation of fracturing processes

Implementation of probabilistic approach to rock mass strength estimation while excavating through fault zones

Purpose. The paper addresses the rock mass state estimation while excavating a cross-heading through the area of regional fault “Bohdanivskyi” based on probabilistic approach to assessing the rock strength. Methods. The boundaries and fault zone extension are specified based on geological service database. This hazardous fault area has been confirmed, and the expected water inflow and methane emission have been identified based on the probe holes drilled ahead of the advancing face. To assess the strength of rocks, the statistical strength theory is used. Numerical simulation is performed using finite element method that is well-tested in geomechanical problems. Findings. The technique of rock mass strength estimation using structural factor based on statistical strength theory has been implemented to improve the adequacy of mathematical modeling. Numerical simulation of geomechanical processes based on finite element method and Hoek-Brown failure criterion is carried out. The changes of rock stress-strain state while excavating the cross-heading through various sites of the fault zone are determined depending on the level of rock disintegration. Originality. New regularities of rock mass behavior within the fault area are determined based on developed technique of rock strength assessment considering the rock mass disintegration and watering. Practical implications. Estimation of rock failure has resulted in designing the combination of support systems comprising metal sets, rockbolts and shotcrete.Мета. Стаття спрямована на оцінку стану породного масиву при проведенні відкаточного квершлагу через зону великого регіонального геологічного порушення “Богданівський” скид на основі ймовірнісного підходу до оцінки міцності гірських порід. Методика. Межі зони геологічного порушення визначалися із використанням бази даних геологічної служби. Значення очікуваного водотоку та наявність метану визначалися із використанням методу пробного буріння попереду вибою. Для оцінки міцності гірських порід використана статистична теорія міцності. Чисельне моделювання проводилося з використання добре апробованого в задачах геомеханіки методу скінченних елементів. Результати. Методика оцінки міцності масиву гірських порід, що заснована на статистичній теорії міцності, була використана для підвищення адекватності математичного моделювання. Виконано чисельне моделювання геомеханічних процесів на основі методу скінченних елементів і критерію міцності Хока-Брауна. Визначено зміни напружено-деформованого стану порід при проведенні відкаточного квершлагу через різні ділянки зони геологічного порушення в залежності від ступеню дезінтеграції порід. Наукова новизна. Встановлено нові закономірності поведінки породного масиву в зоні геологічного порушення на основі оцінки міцності порід, що враховує ступінь дезінтеграції й обводнення породного масиву. Практична значимість. Адекватна оцінка міцності породного масиву і ступеня його зрушеності дозволила розробити комбіноване кріплення, що включає металеву арку, анкерну систему та шар торкретбетону.Цель. Статья направлена на оценку состояния породного массива при проведении откаточного квершлага через зону крупного регионального геологического нарушения “Богдановский” сброс на основе вероятностного подхода к оценке прочности горных пород. Методика. Границы зоны геологического нарушения определялись с использованием базы данных геологической службы. Значения ожидаемого водопритока и наличие метана определялись с использованием метода пробных бурений, выполняемых впереди забоя выработки. Для оценки прочности горных пород использована статистическая теория прочности. Численное моделирование выполнено с использованием метода конечных элементов, хорошо апробированного в задачах геомеханики. Результаты. Методика оценки прочности массива горных пород, основанная на статистической теории прочности, применена с целью повышения адекватности математического моделирования. Выполнено численное моделирование геомеханических процессов на основе метода конечных элементов и критерия прочности Хока-Брауна. Определены изменения напряженно-деформированного состояния пород при проведении откаточного квершлага через различные участки зоны геологического нарушения в зависимости от степени дезинтеграции пород. Научная новизна. Установлены новые закономерности поведения породного массива в зоне геологического нарушения на основе оценки прочности пород, учитывающей степень дезинтеграции и обводнения породного массива. Практическая значимость. Адекватная оценка прочности породного массива и степени его нарушенности позволила разработать комбинированную крепь, включающую металлическую арку, анкерную систему и слой торкретбетона.This work was supported by PJS Company “DTEK Pavlohradvuhillia”, grants No. 050420/372-PU-SHUTr. The authors would like to thank all technical staff of the mine “Samarska” for the help during the in situ observation

Quick Screening of Well Survivability in a Producing Reservoir

Imperial Users onl

Development of a research methodology and analysis of the stress state of a parting under the joint and downward mining of coal seams

Purpose. The investigation of the stress-strain state (SSS) of a parting under the joint and downward mining of coal seams. Methods. The studies have been carried out on the basis of a computational experiment by means of the finite elements method, mining observations of rock pressure manifestations and their comparative analysis. Findings. A research methodology has been developed of the parting rocks state under the joint and downward mining of coal seams. Originality. The patterns of the stress-strain state change of the parting rocks have been determined in the process of joint mining of two coal seams by the descending order. Practical implications. The conducted researches will make possible to improve stability of mine workings and their repeated use.Мета. Дослідження напружено-деформованого стану міжпластя при сумісному та нисхідному відпрацюванні вугільних пластів. Методика. Дослідження виконані на основі обчислювального експерименту методом скінченних елементів, шахтних спостережень за проявами гірського тиску та їх порівняльного аналізу. Результати. Розроблено методику дослідження стану порід міжпластя при сумісному і нисхідному відпрацюванні вугільних пластів. Наукова новизна. Визначено закономірності зміни напружено-деформованого стану порід міжпластя у процесі спільного відпрацювання двох вугільних пластів у нисхідному порядку. Практична значимість. Проведені дослідження дозволять підвищити стійкість виробок і забезпечити можливість їх повторного використання.Цель. Исследование напряженно-деформированного состояния междупластья при совместной и нисходящей отработке угольных пластов. Методика. Исследования выполнены на основе вычислительного эксперимента методом конечных элементов, шахтных наблюдений за проявлениями горного давления и их сравнительного анализа. Результаты. Разработана методика исследования состояния пород междупластья при совместной и нисходящей отработке угольных пластов. Научная новизна. Определены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния пород междупластья в процессе совместной отработки двух угольных пластов в нисходящем порядке. Практическая значимость. Проведенные исследования позволят повысить устойчивость выработок и обеспечить возможность их повторного использования.The authors of the article express particular gratitude to Serhii Voronin, General Director of PJSC “DTEK Pavlohradvuhillia” for the assistance in its preparation

Mathematical modeling of tight roof periodical falling

The paper proposes a method to determine of a coal seam roof falling step basing upon the analysis of stress and strain state of the rock mass area with mine workings formed as a result of coal preparatory and extraction operations. A boundary element method has been applied to define stress and strain state (SSS). Fissuring of enclosing rocks was modeled by means of transversal-isotropic medium. Dependence of destructed rocks zone height within the roof of a seam being mined upon the weakening of the rock mass due to its fissuring and mine working geometry has been determined. Effect of fissility on the periodical roof falling step has been studied. Changes in support loads in the process of stope advance have been determined. A scheme of partial backfilling of the worked out area has been proposed to maintain the support in its working order

Rheology effect determination of the heterogeneous rock massif on the stress-strain state of the breakage face geomechanical system

The purpose of this study is to determine the nature of influence of the rheological properties of the rocks on the results of computational experiments simulating the mine workings contour condition during the breakage face advance. To determine the deformations along the mine workings contour, the calculations have been made of the junction area between the preparatory and stope face mine workings by the finite element method for various parameters of the material models. These data provided the basis for analysis of the patterns development of the rheology modelling influence on the stress-strain state of the geomechanical system. The obtained patterns are described by a function of many variables, and this function determines the limit and degree of rheology effect on the results of calculations. For the first time this pattern takes into account the heterogeneity of the rheological characteristics of rocks and the specifics of the computational domain geometry. The use of the obtained patterns makes it possible to simplify significantly the process of modelling in time and space of the geomechanical systems, which have a complex structure describing the interaction of several objects