$CO_2$ sequestration for alleviating global warming is a hot issue in the world. In this study, TOUGH2 and FLAC3D were combined for analyzing the hyro-mechanical coupling behaviors expected in $CO_2$ sequestration and applied it to Sleipner project carried out in Norway. In the analysis, the influence of pore pressure on in situ stress was considered and the influence of caprock permeability on hydro-mechanical behaviors was analyzed. In the condition of constant injection rate, pressure and saturation at the injection well, liquid and gas saturation in rock, major and minor stress variations with time and distance from the injection well, and horizontal and vertical displacements after injection could be investigated. The major principal stress was quickly increased in the early stage and then slowly decreased to a stable value, which was higher than the initial value. In contrast, the minor principal stress returned to initial value after some increase in the early stage. Surface upheaval was steadily increased and it was up to 15mm in 2 years after injection. When the caprock's permeability was changed from $3e-15m^2{\sim}3e-18m^2$, it was found that the injection well pressure and surface upheaval were inversely propotional to the permeability.
The purpose of this research was to find an optimal quarrying for marble by analyzing the applicability and the work efficiency of a chain saw machine newly introduced in the underground Baekwoon mine. From the test results of the physical properties of Baekwoon marble, which affects the efficiency of rock cutting, it was found to have similar physical characteristics as the ones which are now being produced in the other areas in Korea. And especially it shows isotropic property, which can be thought to be advantageous as a dimensional stone. To check the long-term quality of the marble as a stone material, several tests such as corrosion resistance test and abrasion test were carried out. It was found to be vulnerable to acid rain with decrease of weight and seismic wave velocity after applying artificial rain at pH 5.6 for 50 times. The percentage of wear from abrasion test was 22.67%. The working time and cutting speed of the chain saw machine were recorded and analyzed during the test-run at the quarry. The overall work cycle was assorted into 9 unit operations and the operating time per each unit was drawn. The operating times for the two cutting patterns, which could be possibly applicable to the work site, were compared. The results indicated that the pattern B, that the cutting sequence was set to minimize the movement of the machine, showed 6% less working hours than the pattern A, which first cuts the outer boundary. With cutting pattern analysis, the ore body in the Baekwoon mine was 3 dimensionally modeled and a quarrying plan considering the existing conditions of the marble was suggested.
Park, Jung-Wook;Guglielmi, Yves;Graupner, Bastian;Rutqvist, Jonny;Park, Eui-Seob
Tunnel and Underground Space
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v.29
no.3
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pp.197-213
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2019
We simulated the fault reactivation experiment conducted at 'Main Fault' intersecting the low permeability clay formations of Mont Terri Underground Research Laboratory in Switzerland using TOUGH-FLAC simulator. The fluid flow along a fault was modelled with solid elements and governed by Darcy's law with the cubic law in TOUGH2, whereas the mechanical behavior of a single fault was represented by creating interface elements between two separating rock blocks in FLAC3D. We formulate the hydro-mechanical coupling relation of hydraulic aperture to consider the elastic fracture opening and failure-induced dilation for reproducing the abrupt changes in injection flow rate and monitoring pressure at fracture opening pressure. A parametric study was conducted to examine the effects of in-situ stress condition and fault deformation and strength parameters and to find the optimal parameter set to reproduce the field observations. In the best matching simulation, the fracture opening pressure and variations of injection flow rate and monitoring pressure showed good agreement with field experiment results, which suggests the capability of the numerical model to reasonably capture the fracture opening and propagation process. The model overestimated the fault displacement in shear direction and the range of reactivated zone, which was attributed to the progressive shear failures along the fault at high injection pressure. In the field experiment results, however, fracture tensile opening seems the dominant mechanism affecting the hydraulic aperture increase.
Microseismic monitoring technologies have been recognized for its superiority over traditional methods and are used in domestic and overseas underground mines. However, the complex gangway layout of underground mines in Korea and the mixed structure of excavated space and rock masses make it difficult to estimate the microseismic propagation and to determine the arrival time of microseismic wave. In this paper, experimental studies were carried out to determine the source location according to various arrival picking methods and dimensional conditions. The arrival picking methods used were FTC (First Threshold Cross), Picking window, AIC (Akaike Information Criterion), and 2-D and 3-D source generation experiments were performed, respectively, under the 2-D sensor array. In each experiment, source location algorithm used iterative method and genetic algorithm. The iterative method was effective when the sensor array and source generation were the same dimension, but it was not suitable to apply when the source generation was higher dimension. On the other hand, in case of source location using RCGA, the higher dimensional source location could be determined, but it took longer time to calculate. The accuracy of the arrival picking methods differed according to the source location algorithms, but picking window method showed high accuracy in overall.
Kim, Taehyun;Lee, Changsoo;Kim, Jung-Woo;Kang, Sinhang;Kwon, Saeha;Kim, Kwang-Il;Park, Jung-Wook;Park, Chan-Hee;Kim, Jin-Seop
Tunnel and Underground Space
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v.31
no.3
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pp.167-183
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2021
It is essential to understand the complex thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) coupled behavior in the engineered barrier system and natural barrier system to secure the high-level radioactive waste repository's long-term safety. The heat from the high-level radioactive waste induces thermal pressurization and vaporization of groundwater in the repository system. Groundwater inflow affects the saturation variation in the engineered barrier system, and the saturation change influences the heat transfer and multi-phase flow characteristics in the buffer. Due to the complexity of the coupled behavior, a numerical simulation is a valuable tool to predict and evaluate the THMC interaction effect on the disposal system and safety assessment. To enhance the knowledge of THMC coupled interaction and validate modeling techniques in geological systems. DECOVALEX, an international cooperation project, was initiated in 1992, and KAERI has participated in the projects since 2008 in Korea. In this study, we introduced the main contents of all tasks in the DECOVALEX-2023, the current DECOVALEX phase, to the rock mechanics and geotechnical researchers in Korea.
This paper performs laboratory experiments for borehole stability considering temperature and true triaxial stress condition, and observes a thermo-mechanical behavior of the rock under stress and temperature conditions of deep underground. China yellow sandstone and Hwangdeung granite specimens were used to perform a true triaxial compression test. Mechanical tests were carried out under nine confining pressure conditions, and thermo-mechanical tests using granite samples were carried out under six confining pressure conditions at 60-100℃. In the mechanical tests, maximum principal stress at borehole breakout was proportional to intermediate principal stress. In the thermo-mechanical tests, it was confirmed that thermal stress is added to the stress field of the borehole with the increase in temperature, resulting in additional breakout progress. To analyze the results of the laboratory experiment, Mogi-Coulomb failure criterion was used. The results of traditional triaxial compression test on cylindrical specimens and borehole breakout under true triaxial compressions matched well with Mogi-Coulomb failure criterion.
Choi, JunHyung;Lee, Hyun Suk;Kim, Do Young;Nam, Jung Hun;Lee, Dae Sung
Tunnel and Underground Space
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v.31
no.1
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pp.41-51
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2021
The hydraulic fracturing developed to improve permeability of tight reservoir is one of key stimulation technologies for developing unconventional resources such as shale gas and deep geothermal energy. The experimental study was conducted to improve disadvantage of hydraulic fracturing which has simple fracture pattern and poor fracturing efficiency. The fracturing experiments was conducted for tight rock using various fracturing fluids, water, N2, and CO2 and the created fracture pattern and fracturing efficiency was analyzed depending on fracturing fluids. The borehole pressure increased rapidly and then made fractures for hydraulic fracturing with constant injection rate, however, gas fracturing shows slowly increased pressure and less fracture pressure. The 3D tomography technic was used to generate images of induced fracture using hydraulic and gas fracturing. The stimulated reservoir volume (SRV) was estimated increment of 5.71% (water), 12.72% (N2), and 43.82% (CO2) respectively compared to initial pore volume. In addition, permeability measurement was carried out before and after fracturing experiments and the enhanced permeability by gas fracturing showed higher than hydraulic fracturing. The fracture conductivity was measured by increasing confining stress to consider newly creating fracture and closing induced fracture right after fracturing. When the confining stress was increased from 2MPa to 10MPa, the initial permeability was decreased by 89% (N2) and 50% (CO2) respectively. This study shows that the gas fracturing makes more permeability enhancement and less reduction of induced fracture conductivity than hydraulic fracturing.
Kim, Hanna;Synn, Joong-Ho;Park, Chan;Song, Won Kyong;Park, Eui Seob;Jung, Yong-Bok;Cheon, Dae-Sung;Bae, Seongho;Choi, Sung-Oong;Chang, Chandong;Min, Ki-Bok
Tunnel and Underground Space
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v.31
no.3
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pp.145-166
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2021
Korea Stress Map database is built by integrating actual data of 1,400 in-situ stress measurements using hydraulic fracturing and overcoring method in South Korea. Korea Stress Map 2020 is presented based on the guideline proposed by World Stress Map Project. As detailed data, stress ratio and maximum horizontal stress direction distribution for each region are also presented. The dominant maximum horizontal stress direction in the Korean Peninsula is from northeast to southeast, and the magnitude of the in-situ stress is relatively distributed. There is some stress heterogeneity caused by local characteristics such as topographical and geological properties. We investigated case studies in which the in-situ stress was affected by mountainous topography, difference in rock quality of fracture zone, presence of mine or underground cavities, and geological structure of fault zone.
Kim, Taehyun;Park, Chan-Hee;Lee, Changsoo;Kim, Jin-Seop
Tunnel and Underground Space
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v.31
no.6
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pp.610-622
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2021
The DECOVALEX project is one of the representative international cooperative projects to enhance the understanding of the complex Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical(THMC) coupled behavior in the high-level radioactive waste disposal system based on the numerical simulation. DECOVALEX-2023 is the current phase consisting of 7 tasks, and Task C aims to model the THM coupled behavior in the disposal system based on the Full-scale Emplacement (FE) experiment at the Mont-Terri underground rock laboratory. This study performs the numerical simulation based on the OGS-FLAC developed for the current study. In the numerical model, we emplaced the heater with constant power horizontally based on the FE experiment and monitored the pressure development, temperature increase, and mechanical deformation at the specific monitoring points. We monitored the capillary pressure as the primary effect inducing the flow in the buffer system, and thermal stress and pressurization were dominant in the surrounding rocks' area. The results will also be compared and validated with the other participating groups and the experimental data further.
Bentonite is widely recognized and utilized as a buffer material in high-level radioactive waste repositories, mainly due to its favorable characteristics such as swelling capability and low permeability. Bentonite buffers play an important role in ensuring the safe disposal of radioactive waste by providing a low permeability barrier and effectively preventing the migration of radionuclides into the surrounding rock. However, the long-term performance of bentonite buffers still remains a subject of ongoing research, and one of the main concerns is the erosion of the buffer induced by swelling and groundwater flow. The erosion of the bentonite buffer can significantly impact repository safety by compromising the integrity of buffer and leading to the formation of colloids that may facilitate the transport of radionuclides through groundwater, consequently elevating the risk of radionuclide migration. Therefore, it is very important to numerically quantify the erosion of bentonite buffer to evaluate the long-term performance of bentonite buffer, which is crucial for the safety assessment of high-level radioactive waste disposal. In this technical note, Two-region model is introduced, a proposed model to simulate the erosion behavior of bentonite based on a dynamic bentonite diffusion model, and quantitative evaluation is conducted for the bentonite buffer erosion with this model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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