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Numerical simulation of oxygen infusion into desaturation resulting from artificial openings in sedimentary formations

新第三紀堆積岩中に掘削された坑道から岩盤内不飽和領域への酸素の侵入要因の数値解析による検討

宮川 和也  ; 青柳 和平 ; 赤木 俊文*; 山本 肇*

Miyakawa, Kazuya; Aoyagi, Kazuhei; Akaki, Toshifumi*; Yamamoto, Hajime*

高レベル放射性廃棄物の地層処分場の掘削により、坑道周辺岩盤の損傷や溶存ガスの発生等による不飽和領域の形成といった掘削影響領域が生じる。当該領域では、坑道内の大気が岩盤内に侵入し、岩盤や地下水が還元状態から酸化状態に変化する可能性がある。北海道幌延地域に位置する幌延深地層研究センターの地下施設ではこれまでに、坑道周辺の掘削影響領域における酸化の兆候は確認されていない。その理由として、地下水中の溶存ガスが遊離することで、岩盤内への酸素の侵入を抑制している可能性が指摘されている。本研究では、溶存ガスや地下水の移流・拡散を考慮した気液二相流解析を実施し、岩盤中への酸素の侵入メカニズムについて検討した。その結果、地下水中に含まれる溶存ガス量と岩盤の透水性が酸素の侵入に及ぼす影響は、同程度であることが分かった。坑道内の湿度が低下した場合、掘削損傷領域中の飽和度が大きく低下し、溶存ガスが多く含まれるような条件においても、岩盤中に比較的多くの酸素が侵入する結果が得られた。幌延の地下施設では、吹付コンクリートが岩盤壁面の湿度を高い状態で維持し、さらに酸素との接触を低減させていると考えられる。吹付コンクリートが無い場合は、坑道内の湿度は季節変動や換気状況により低下し、酸素が岩盤内に侵入すると考えられるが、実際の地下環境では黄鉄鉱の酸化反応などにより酸素が消費されると考えられる。

Desaturation is expected due to excavation of an underground repository, especially in the newly created fractures zone (EDZ). During the construction and operation of facilities, the air in the gallery infuses into the rock around the gallery though the excavation affected area and causes oxidation of host rock and groundwater, which increase nuclide mobilities. In the Horonobe underground research laboratory (HURL), which is excavated in the Neogene sedimentary formations, no pyrite dissolution or precipitation of calcium sulfates was found from the cores drilled in the rock around the gallery. The reason for no oxidation is estimated that the release of dissolved gases from groundwater due to pressure decrease flows against the air infusion. In this research, the mechanism of O$$_{2}$$ intrusion into the rock was investigated by numerical multiphase flow simulation considering advection and diffusion of groundwater and gases. In the simulation, only Darcy's and Henry's laws were considered, that is, chemical reaction related to oxidation was not handled. The effects of dissolved gas and rock permeability on O$$_{2}$$ infusion into the rock were almost identical. Decreasing humidity with relatively low permeability leads to extensive accumulation of O$$_{2}$$ into the EDZ even though with a relatively large amount of dissolved gas. In the HURL, the shotcrete attenuates O$$_{2}$$ concentration and keeps 100% humidity at the boundary of the gallery wall, which inhibits O$$_{2}$$ infusion. Without the shotcrete, humidity at the gallery wall decreases according to seasonal changes and ventilation, which promotes O$$_{2}$$ intrusion into the EDZ but the chemical reaction related to O$$_{2}$$ buffering such as pyrite oxidation consumes O$$_{2}$$.

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