Use of thermal heating /cooling process for rock fracturing : numerical and experimental analyze

par Muhammad Yaseen

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Isam Shahrour et de Jaouad Zemmouri.

Soutenue le 10-12-2014

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire de génie civil et géo-environnement (LGCgE) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Utilisation du procédé thermique de chauffage/refroidissement pour la fracturation des roches : analyse numérique et expérimentale


  • Résumé

    La fracturation des roches concerne plusieurs applications industrielles, telles que les tunnels, l’excavation, l’extraction de blocs de roches et l'industrie minière. Les techniques classiques pour fracturer la roche sont associées à des inconvénients ceux qui restreignent leur utilisation dans certaines circonstances. Par conséquent, la fracturation par spallation thermique a été suggérée comme une solution alternative. Cela produit des contraintes de compression dans la roche grâce à un flux de chaleur intense. Une fois que ces contraintes dépasseraient la résistance à compression de la roche, la rupture aurait lieu en éjectant des petits éclats. Cette mode de fracturation thermique nécessite une source d’énergie puissante ainsi qu’elle influence négativement les conditions du travail sur le site. Profitant d'une faible résistance à la traction du matériau de roche, le présent travail propose une méthode basée sur un chauffage rapide de la matière rocheuse par un rayonnement micro-ondes, suivi par un refroidissement rapide par de l'eau pour fracturer la roche. Au cours de ce processus, une dilatation thermique est produite à l'intérieur de la zone traitée, qui est ensuite suivie d'une contraction thermique. Cette contraction produit des contraintes de traction, ce qui pourrait conduire à la rupture de la matière de roche. Le processus d'échauffement/refroidissement sera analysés grâce à un modèle numérique ce qui décrit les événements physiques et l'influence de différents paramètres. Expérimentalement, le processus sera examiné du point de vue thermique.‎


  • Résumé

    The issue of rock fracturing concerns several industrial applications, such as tunneling or excavation ‎in rock material, extraction of rock blocks and the mining industry. The conventional techniques to ‎fracture the rock material are associated with disadvantages restrict their use in certain circumstances. ‎Consequently, the fracture by thermal spallation was suggested as an alternative solution. This ‎solution basically depends on exceeding the compressive strength of the rock material by compressive ‎stresses induced by heating effects. This necessitates high temperature at the rock surface, which ‎requires high power supply and it degrades the work conditions. Profiting from low tensile strength ‎of the rock material, the present work proposes a method based on a rapid heating of the rock ‎material by microwaves radiation followed by a rapid cooling by water to fracture the rock material. ‎During this process, a thermal dilatation is produced within the treated zone, which is then followed ‎by a thermal shrinkage. This shrinkage produces tensile stresses, which could lead to fracturing the ‎rock material. The heating/cooling process will be analyzed through numerical model describes the ‎physical events and the influence of different parameters. Experimentally, the process will be ‎examined from thermal point of view.‎


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