Study of the spatio-temporal evolution of a damage zone subjected to hydraulic (H) or gaseous (G) and mechanical (M) loadings

ContextE et motivations de la thèse

La fracturation des milieux rocheux soulève des enjeux importants d’intégrité, de performance et de sécurité dans de nombreux contextes d’exploitation du sous-sol, tels que l’exploitation minière, les stockages souterrains ou encore la géothermie profonde. On s’intéressera dans le cadre de cette thèse, aux ouvrages de fermeture construits par l’Andra au sein du laboratoire souterrain de Meuse/Haute-Marne (LS M/HM) dans la formation argileuse du Callovo-Oxfordien (COx). Les travaux de la thèse s’appuieront sur les nombreuses observations et mesures in situ (pression de pore, convergence, expansion de la roche, fracturation induite, etc..) réalisées depuis plus de deux décennies au LS M/HM et modélisations numériques tenant constamment compte des avancées scientifiques sur le comportement de cette roche hôte (Manica et al. 2022, Souley et al. 2024, à titre d’exemple). Ces dernières, essentiellement continues, ne permettent cependant pas de reproduire de manière satisfaisante la géométrie et la topologie de la fracturation induite (communément appelée EDZ ou Extent of Damaged Zone) par le creusement des ouvrages du LS M/HM (Armand et al. 2014, cf. Fig. 1), son évolution dans le temps, et par conséquent les mécanismes de transport susceptibles de se produire au sein de l’EDZ à moyen et long termes. Par ailleurs, le comportement et l’évolution dans le temps de cet EDZ conditionnent, d’une part, le comportement des autres composants du stockage (soutènement, revêtement, etc.) et, d’autre part, le comportement hydromécanique dans le temps de la zone en champ proche ainsi que la circulation des fluides (liquide et/ou gazeux).

Objectif de la these

L’approche discontinue, considérant une pré-fracturation préalable autour des galeries et une activation des fractures de la paroi vers le massif sain, a été investiguée et son application à certains ouvrages du LS M/HM semble prometteuse (Camusso et al. 2022, Thoraval 2023).

L’objectif de cette thèse est d’approfondir cette méthodologie et d’analyser, à l’aide de modélisations numériques 3D, cette fracturation induite et son évolution dans le temps (ou sous l’effet de sollicitations hydromécaniques). L’idée principale est de consolider les travaux préliminaires relatifs à l’approche de pré-fracturation, et de valider la méthodologie mise au point sur des ouvrages type du LS M/HM. Dans le cadre de cette thèse, la méthodologie de modélisation utilisera une approche discontinue ou mixte (couplant approches discontinues et continues) si nécessaire. L’impact de cette fracturation sur les sollicitations induites au niveau des composants structuraux cimentaires des ouvrages de Cigéo, à court et moyen termes, sera évalué. Dans un second temps, on étudiera l’impact d’une sollicitation hydraulique et/ou au gaz sur l’activation et la propagation de la fracturation en s’appuyant sur les données expérimentales disponibles de l’Andra. A chaque étape, les résultats de modélisation seront confrontés aux observations et aux mesures in situ du LS M/HM. Si besoin, le candidat contribuera à l’enrichissement de ces modèles rhéologiques sur la base des avancées scientifiques relatives au comportement du COx et de l’évolution de l’EDZ dans le temps.

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background and motivations of thesis

The induced and/or pre-existing fracturing of rock media raises major issues of integrity, performance, and safety in many underground and subsurface operations, such as mining, underground storages, and deep geothermal energy. This thesis will focus on the closure structures constructed by Andra at the Meuse/Haute-Marne underground laboratory (M-HM URL) in the Callovo-Oxfordian (COx) clay formation. The research will be built on the many in situ observations and measurements (pore pressure, convergence, rock expansion, induced fracturing, etc.) continuously carried out for more than 20 years at the M-HM URL and numerical modellings constantly enriched since 2000 to integrate scientific advances relating to the behaviour of this host rock (Manica et al. 2022, Souley et al. 2023, for example). The latter, essentially continuous, do not yet provide a satisfactory reproduction of the geometry and topology of the observed induced fracturation (commonly known as EDZ or Extent of Damaged Zone) around the M-HM URL structures (Armand et al. 2014, see Fig. 1), its evolution with time, and consequently the transport mechanisms expected to occur within the EDZ in the mid and long terms. In addition, the response and the temporal evolution of this EDZ govern, on the one hand, the performance of the other components of the repository (support, lining, etc.) and, on the other hand, the hydromechanical response in time of the near-field and the circulation of a given fluid (liquid and/or gaseous).

AIM of the research

The discontinuous approach, which considers pre-fracturing around the galleries and an activation of fractures from the wall towards the intact massif, has been explored and its application to certain M-HM URL structures seems promising (Camusso et al. 2022, Thoraval 2023).

The aim of this thesis is to extend this methodology and conduct 3D numerical modellings to characterise this induced fracturation and its evolution in time under the effect of HG-M solicitations. The main aim is to consolidate the preliminary results of the pre-fracturing approach, and to validate a developed methodology on standard M-HM URL structures. Within the framework of this thesis, the modelling methodology will employ a discontinuous or mixed (combining discontinuous and continuous) approach if necessary. The impact of this fracturation on the induced stresses in the cementitious components of the Cigéo structures in the short and medium term, will be assessed. Secondly, the impact of hydraulic and/or gaseous loadings on the activation and propagation of these fractures will be researched using the experimental data available from Andra database. At each step, the modelling results will be compared with the in situ observations and measurements of M-HM URL. From a rheological point of view, the thesis research will focus on the highly non-linear short- and long-term behaviour of both intact rock and induced (activated) fractures. If necessary, the candidate will contribute to the enrichment of these rheological models on the basis of scientific advances regarding the behaviour of COx and the temporal evolution of the EDZ.

Le projet de thèse, sous contrat Andra, sera encadré par une équipe mixte Ineris/GeoRessources (Laboratoire UL-CNRS) sur les sites de l’Ecole de Mines de Nancy et de l’Ecole Nationale Supérieure de Géologie.

Le comité de pilotage de la thèse sera constitué de l’Andra et de Itasca, bureau d’étude reconnu dans le domaine de la modélisation des géostructures.

Le doctorant (salarié Andra) sera localisé à l’Ineris, à Nancy (Ecole des Mines, Campus Artem), à 1h30 de Paris, et travaillera avec l’Université de Lorraine pour environ 15 % de son temps. Des visites de travail à l’Andra (au laboratoire LS M/HM) et Itasca (France) sont à prévoir.

L'Ineris est né en 1990 de la fusion du Centre français d'études et de recherches des charbonnages (Cerchar) et de l'Institut de recherche chimique appliquée (Ircha). L'Institut a pour mission de contribuer à la prévention des risques causés par les activités économiques à la santé, à l'environnement et à la sécurité des personnes et des biens.

Les travaux de thèse s’accompliront à l’unité Risques Naturels Ouvrages et Stockages de l’Ineris, au sein d’une équipe de modélisation THMC (10 ingénieurs dont 3 HDR, une doctorante) traitant des lois de comportement des matériaux jusqu’aux applications au dimensionnement des ouvrages, en milieux continus et discontinus.

Les déplacements dans le cadre de la thèse seront fréquents : France (sièges Ineris et Andra, Laboratoire souterrain de Bure, Itasca) et étranger (congrès ciblés).

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The thesis project, under Andra contract, will be supervised by a joint Ineris/GeoRessources (UL-CNRS laboratory) team located at School of Mines and National Geology School of Nancy.

The thesis advisory committee will be composed of Andra and Itasca, a recognized consulting group in the field of geostructures modelling.

The PhD student (Andra employee) will be based at Ineris, in Nancy (School of Mines, Campus Artem), 1h30 from Paris, and will work with the University of Lorraine for about 15% of his/her time. Work visits to Andra (at the M-HM URL) and Itasca (France) are to be expected.

Ineris was created in 1990 as a result of the merger between the French Centre for Studies and Research into Collieries (Cerchar) and the Institute of Applied Chemical Research (Ircha). The Institute’s mission is to contribute to the prevention of risks caused by economic activities to health, environment, and the safety of people and goods.

The thesis research will be carried out at Ineris' Natural Hazards, Facilities and Storage department, as part of a THMC modelling team (10 engineers including 3 HDRs, one PhD student) dealing with material constitutive laws and their application to the dimensioning of structures, in continuous and discontinuous media.

The thesis requires frequent visits in France (Ineris and Andra offices, Bure underground laboratory, Itasca) and internationally (selected conferences).

Le(la) candidat(e) est titulaire d'un Master 2 et/ou d'un diplôme d'Ingénieur en Géosciences, avec une mention et une base solide en mécanique des milieux continus, géomécanique et transferts en milieux poreux fracturés. Il/elle aime la modélisation et les développements numériques pour apporter une compréhension approfondie sur les mécanismes mis en jeu dans l’EDZ sous sollicitations. Il/elle a un très bon niveau d'anglais. Il/elle a une capacité à prendre des initiatives, à travailler dans une équipe collaborative et à échanger des résultats avec les partenaires impliqués dans le projet, à la fois oralement et par écrit.

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The candidate will hold a Master 2 and/or an Engineering degree in Geosciences, with a mention and a solid background in continuous media mechanics, geomechanics and transfers in porous and fractured media. He/she will enjoy modelling and numerical developments to provide an in-depth understanding of the mechanisms involved in the EDZ under numerous solicitations. He/she has a very good English level. He/she has an ability to take initiative, to work in a collaborative team and to exchange results with partners involved in the project, both orally and in writing.