Acoustic emission and damage of rocks: experimental and numerical approaches, application to mining induced seismicity
Emission acoustique des roches et endommagement: Approches expérimentale et numérique, Application a la sismicité minière
Résumé
The loading of rocks involves the emission of elastic waves (acoustic emission, AE) as well as the modification of mechanical properties. AE is a direct mean to follow the damage evolution from diffuse state to the localized one when a discontinuity is formed. AE can also be considered as low scale model for earth crust seismicity or mining induced seismicity as it reveals power law distributions (b-value) indicating scaling invariance.
The first part of this work is dedicated to an experimentzal study of the AE of the Sidobre's granite under triaxial compression. We show that AE is related to a non linear behavior and can be used as an indicator of damage. The increase of confining pressure leads to a more ductile behavior and a decreased b-value.
In the second part we propose an original numerical model based on elastic damage within finite element scheme. It allows us to simulated the macroscopic behavior ranging from brittle to ductile, spatial distribution of the damage from diffuse to localized, power law distribution of damage events with a single control parameter: i.e. internal friction. Using experimental values of this parameter we succeed in reproducing experimental observations related to the confining pressure increase.
The third part concerns a study of mining induced seimicity. The critical behavior of power law distribution of events size is propsoed as a monitoring criterion. We also study the relationship between the b-value and the spatial distributions of the seimic events.
The first part of this work is dedicated to an experimentzal study of the AE of the Sidobre's granite under triaxial compression. We show that AE is related to a non linear behavior and can be used as an indicator of damage. The increase of confining pressure leads to a more ductile behavior and a decreased b-value.
In the second part we propose an original numerical model based on elastic damage within finite element scheme. It allows us to simulated the macroscopic behavior ranging from brittle to ductile, spatial distribution of the damage from diffuse to localized, power law distribution of damage events with a single control parameter: i.e. internal friction. Using experimental values of this parameter we succeed in reproducing experimental observations related to the confining pressure increase.
The third part concerns a study of mining induced seimicity. The critical behavior of power law distribution of events size is propsoed as a monitoring criterion. We also study the relationship between the b-value and the spatial distributions of the seimic events.
Lors de la sollicitation mécanique des roches, la propagation de fissures provoque l'émission d'une onde acoustique (EA) ainsi qu'une modification des propriétés élastiques du matériau. L'EA est donc un moyen direct pour étudier l'évolution de l'endommagement, depuis le stade diffus jusqu'à celui où il se localise pour former une discontinuité macroscopique. L'EA est également considérée comme un modèle à petite échelle de la sismicité induite par les travaux souterrains ou de celle de la croûte terrestre. En effet, on observe à ces différentes échelles des distributions en loi puissance (exposant b) qui indiquent une invariance d'échelle.
La première partie de ce travail est consacrée à une étude expérimentale de l'EA du granite du Sidobre en compression triaxiale. Nous montrons que l'EA est liée à un comportement macroscopique non linéaire et peut être utilisée comme un estimateur de l'endommagement. L'augmentation de la pression de confinement rend le comportement mécanique plus ductile et fait diminuer l'exposant b.
Nous proposons, dans la deuxième partie, un modèle numérique basé sur l'endommagement élastique et sur la méthode des éléments finis. Ce modèle permet de simuler les principales observations concernant l'EA et le comportement des roches. En particulier, il permet de simuler un comportement macroscopique allant du fragile avec un endommagement localisé au ductile avec un endommagement diffus avec un seul paramètre de contrôle : l'angle de frottement interne. En utilisant des valeurs expérimentales de ce paramètre, nous parvenons à simuler les transitions fragile-ductile et localisé-diffus observées lorsque la pression de confinement augmente.
La troisième partie concerne l'étude de la sismicité induite dans une mine. Le caractère critique de la distribution de la taille des séismes est proposé comme un critère de surveillance du risque sismique. La relation entre l'exposant b et la dimension de corrélation spatiale des sources sismiques est étudiée.
La première partie de ce travail est consacrée à une étude expérimentale de l'EA du granite du Sidobre en compression triaxiale. Nous montrons que l'EA est liée à un comportement macroscopique non linéaire et peut être utilisée comme un estimateur de l'endommagement. L'augmentation de la pression de confinement rend le comportement mécanique plus ductile et fait diminuer l'exposant b.
Nous proposons, dans la deuxième partie, un modèle numérique basé sur l'endommagement élastique et sur la méthode des éléments finis. Ce modèle permet de simuler les principales observations concernant l'EA et le comportement des roches. En particulier, il permet de simuler un comportement macroscopique allant du fragile avec un endommagement localisé au ductile avec un endommagement diffus avec un seul paramètre de contrôle : l'angle de frottement interne. En utilisant des valeurs expérimentales de ce paramètre, nous parvenons à simuler les transitions fragile-ductile et localisé-diffus observées lorsque la pression de confinement augmente.
La troisième partie concerne l'étude de la sismicité induite dans une mine. Le caractère critique de la distribution de la taille des séismes est proposé comme un critère de surveillance du risque sismique. La relation entre l'exposant b et la dimension de corrélation spatiale des sources sismiques est étudiée.
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