Détection des cavités minières par sismique réflexion haute résolution (SHR). Cas d'une mine de charbon

National audienceL'étude présentée ici s'inscrit dans le cadre d'un programme de recherche sur l'analyse, la prévention et la maîtrise des mouvements de terrains liés à la présence de cavités souterraines, financé par le Ministère de l'Aménagement du Territoire et de l'Environnement. L'un des volets de ce programme est consacré notamment à l'évaluation des techniques nouvelles pour la Localisation et la Reconnaissance de l'Etat des Cavités Souterraines. La technique de la Sismique réflexion Haute Résolution (SHR) a été testée sur le site sous-miné de Gréasque (Provence). L'application de la SHR sur ce site a permis d'atteindre des profondeurs d'investigation variant de 10 à 200 m, avec une résolution (latérale et verticale) de l'imagerie SHR satisfaisante au regard des objectifs. Depuis une dizaine d'années, la sismique réflexion haute résolution a connu un vaste champ d'application dans des contextes géologiques différents et pour des objectifs variés. Dans la plupart des cas expérimentaux, la SHR a fait preuve d'un potentiel prometteur pour la détection des cavités souterraines dans le domaine minier et celui du Génie Civil. Ce papier présente la synthèse des résultats d'une expérimentation SHR réalisée sur le site de Gréasque et plus particulièrement dans la zone dite de " Rocher Bleu " caractérisée par la présence d'une ancienne mine de charbon souterraine exploitée par chambres et piliers. L'analyse d'un grand profil 2D réalisée à l'aplomb de cette zone a permis d'identifier les réflecteurs sismiques des différentes couches traversées par le profil SHR, les zones vierges et exploitées ainsi que la trace d'un ancien effondrement. Les résultats obtenus confirment le potentiel de la technique SHR pour l'auscultation des ouvrages souterrains et notamment pour la localisation et la caractérisation des cavités souterraines

Detection of underground Marlpit mine using high resolution seismic

International audienceThis paper presents examples of application of high resolution reflection seismic for the detection and location of underground marlpit quarries in the region of haute-Normandie (north-west France) . Since some of these voids are unknown they represent a real danger both for population and building activities. The experiments are carried out at three sites with similar geological setting but differing in depth of voids (30-45 m), and in ground absorption (inelastic attenuation). For each site an explosive source is used. An additional survey is performed using new portable high resolution P wave vibrator, over one of the profiles. This provides an interesting comparison concerning the choice of the source type. In spite of high ground absorption and natural irregularities of the geological structure, the results show that the detection of marlpit underground quarries, often considered as unresolved, is possible

Détection des marnières de Haute Normandie par sismique haute résolution

National audienceThis paper presents examples of application of the high resolution reflection seismics for the detection and localisation of underground voids which are old explorations of marl and chalk in Upper Normandy region in France. The voids occur at depths of 35-40 m. The survey is conducted using the classical impulsive down-hole source and the new portable high résolution P wave vibrator. The results show that detection is possible, reliable and precise.Ce papier présente des exemples d'application de la sismique haute résolution à la détection et localisation des cavités souterraines qui résultent d'exploitation de marne et craie dans la région de Haute Normandie. Les vides se trouvent à profondeurs 35 - 40 m. L'investigation est réalisée avec des sources classiques (impulsionnelles) ainsi qu'avec un nouveau mini-vibrateur de haute résolution à ondes P. Les résultats démontrent que la détection est possible, fiable et précise

Induced seismicity monitoring of an underground salt cavity under a transient pressure experiment

International audienceWithin the framework of a research project launched to assess the feasibility of seismic monitoring of underground growing cavities, this specific work focus on the analysis of the induced microseismicity generated by a controlled pressure experiment recently carried out in a salt mine environment. A local seismic array has been installed over a stable underground cavity within a salt layer located in the Lorraine basin (north-east France). The array includes four 3D components and three 1D component geophones deployed at depths between 30 m to 125 m in cemented boreholes drilled in the vicinity of the study area. The underground cavity under monitoring is located within a salt layer at 180 m depth and it presents a rather irregular shape that can be approximated by a cylindrical volume of 50 m height and 180 m diameter. Presently, the cavity fully saturated with brine inducing a significant pressure on its walls (~2.5 MPa) to keep the overburden mechanically stable. Nevertheless some small microsesimic events were recorded by the array and analysed (~500 events in two years of recording). In October 2005, a controlled pressure transient experiment has been carried out in the cavity in order to analyse the mechanical response of the overburden by tracking the induced microseismicity. The recorded events are mainly grouped in clusters of 3 to 30 seconds of signal duration with non-emergent first arrivals and rather low frequency content (between 20 to 120 Hz). Some of these events have been spatially located by travel-time picking close to the actual cavity and its immediate roof. Preliminary spectral analysis suggests sources possibly related to resonant fluid-filled cracks, and/or cavitations due to the dynamic excitation of the brine-filled cavity. Rock-debris falling into the cavity from delamination of clayey marls in the immediate roof is possibly another source of seismic excitation. No clear evidence of classical brittle ruptures in the competent layers of the overburden has been observed up to now. Current work is focused on the discrimination of all these possible mechanisms to better understand the damage processes within the rock mass

Induced seismicity in a salt mine environment evaluated by a coupled continuum-discrete modelling

International audienceWith the objective to better understand the induced microseismicity in a salt mine environment due to an underground solution mining, an in situ experiment is undertaken by GISOS in the Lorraine salt basin. The overburden overlying the salt cavity is characterized by the presence of two competent layers where most microseismic events are expected. This paper presents a coupled continuum-discrete modelling to simulate the mechanics of fracture initiation and propagation in the rock mass overlying the cavity: discrete approach for the competent layers and continuum approach for marls, salt and other rocks and soils. For the competent layers, numerous calibrations of the model microparameters based on the laboratory results are firstly performed. The first coupled modelling results suggest that the mechanism of fracturing in the competent layers is predominantly tensile as it could be expected. The results also show that the microseismic events associated to the progressive damage in the competent layers through microcraks development can be modelled. This opens interesting perspectives to assess the feasibility of seismic monitoring of underground cavities by comparing, in the future, the numerical modelling results with the recorded seismicity of the study area.Dans l'objectif de mieux comprendre la microsismicité induite dans des mines de sel, une expérimentation in situ a été entreprise par le GISOS sur une cavité saline de la région Lorraine. Le recouvrement est caractérisé par la présence de deux bancs raides dans lesquels l'essentiel de l'activité microsismique est attendue lors de la reprise de l'exploitation. Ce papier présente une modélisation basée sur une approche couplée : continue (pour les marnes et le sel) et discrète (pour les bancs raides) pour évaluer les mécanismes de développement des fractures dans le recouvrement. De nombreuses calibrations des microparamètres du modèle discret à partir des paramètres macroscopiques ont été nécessaires. Les résultats de la modélisation montrent que le mécanisme de fracturation dans les bancs compétents résulte essentiellement d'efforts en traction. Les premiers résultats montrent aussi que les évènements microsismiques peuvent très bien être mesurés à travers la formation des microfissures. Ceci ouvre des perspectives intéressantes pour des confrontations avec les mesures qui seront enregistrées lors de l'effondrement provoqué

A large scale continuum-discrete numerical modelling : application to overburden damage of a salt cavern

International audienceWith the objective to better understand the evolution of overburden damage on top of an underground solution mining, an in-situ experiment is undertaken above a salt cavity in the Lorraine region (NE of France). The overburden overlying the salt cavity is characterized by a competent layer where most brittle damage, with the associated microseismicity, is expected. This work presents a coupled continuum-discrete modelling approach to simulate the mechanics of fracture initiation and propagation in the rock mass, a continuum approach for the marls and salt layers, and a discrete micromechanical approach for the competent layer. A methodology of a large scale coupled continuum-discrete modelling is proposed and applied to the site of Cerville-Buissoncourt. The numerical verification of the hybrid approach response is achieved by comparing the results with those from the fully continuum model at the site scale when the competent layers behave elastically. The first results of a large scale modelling based on the hybrid approach suggest that the fracture mechanisms in the competent layers are predominantly tensile. Finally, these explicit microcracking simulations open interesting perspectives for comparison with the observed microseismicity of the study area (transient pressure experiment or future final collapse).Dans l'objectif de mieux comprendre la microsismicité induite dans des mines de sel, une expérimentation in situ a été réalisée sur une cavité saline de la région Lorraine (Nord-Est de France). Le recouvrement est caractérisé par la présence d'un banc raide dans lequel l'essentiel de l'activité microsismique est attendue lors de la reprise de l'exploitation. Ce papier présente une modélisation basée sur une approche couplée : continue (pour les marnes et le sel) et discrète (pour les bancs raides) pour évaluer les mécanismes de développement des fractures dans le recouvrement. Une méthodologie de modélisation à grande échelle couplant les approches continue et discrète a d'abord été proposée, puis appliquée au site de Cerville-Buissoncourt. La validation numérique de cette approche hybride est réalisée par comparaison avec la réponse d'un calcul continu à l'échelle du site. Les premiers résultats de cette modélisation hybride à grande échelle montrent que les mécanismes de fracturation prédominants dans les bancs raides restent les tractions. Ceci ouvre des perspectives intéressantes pour des confrontations avec les mesures qui seront enregistrées lors de l'effondrement provoqué (essai de pression, future effondrement après la reprise de l'exploitation)

Sollicitations sismiques dues aux exploitations minières : amplification des ondes en surface (et vibrations des structures)

National audienceL'objectif de ce travail est d'analyser l'impact des secousses induites par les exploitations minières sur les structures situées en surface. Du fait des conditions géologiques locales, le mouvement créé par les secousses peut parfois être amplifié de façon importante en surface (effet de site). A partir d'une modélisation numérique du problème, l'amplification du mouvement est analysée pour différentes formes de remplissages sédimentaires et des contrastes de propriétés entre couches variables. Les valeurs de fréquences fondamentales (i.e amplification maximale) sont comparées à des résultats antérieurs

Local amplification of deep mining induced vibrations Part 1: Experimental evidence for site effects in a coal basin

International audienceThe work presented in this paper lies under the scope of a research program aiming to assess the impact of deep coal mining induced vibrations on the surface constructions. The concerned section of the program is dedicated to the study of geological site effects and their influence on the mining induced vibrations for which the experimental investigations have been carried out and developed in this paper (Part 1). The empirical methods based on HIV spectral ratios have been applied on data sets provided from mining induced vibrations recorded within private residences above the deep coalmine as well as complementary measurements of ambient noise. The results evidence an amplified zone in the southern part of the Gardanne basin where drilling data confirmed the presence of particularly fractured and soft stratigraphic units. This joint analysis of induced seismicity and ambient noise enabled to validate the method based on HIV ratios applied to the mining context

Suivi d'une cavité saline jusqu'à son effondrement : analyse microsismique

National audienceThis paper presents the monitoring of a 200 m deep salt cavity which was the object, by the partners of the GISOS, of a significant geophysical, geotechnical and hydrogeological instrumentation. The opportunity of a deliberated collapse of this cavity makes it possible to test from its stationary state to its collapse and in controlled conditions, several techniques of auscultation and monitoring, in particular the microseismicity, conducting by INERISCe papier présente le suivi d'une cavité saline située à 200 m de profondeur qui a fait l'objet, par les partenaires du GISOS1, d'une importante instrumentation géophysique, géotechnique et hydrogéologique. L'occasion offerte de l'effondrement délibéré de cette cavité permet de tester, en conditions contrôlées, des techniques d'auscultation et de surveillance, notamment l'écoute microsismique, suivie par l'INERIS, et ce, depuis son état stationnaire jusqu'à son effondremen

Surveillance et auscultation d’un secteur sous-miné

Dans le cadre d’un programme financé par le MinEFI et le Fonds Européen de Développement Régional (FEDER) de la région Lorraine, un travail de recherche en cours a pour objectif d’améliorer la connaissance et la compréhension des phénomènes physiques liés à la propagation des ondes dans l’environnement d’un ancien site minier sous surveillance. Un secteur d’exploitation d’une ancienne mine de fer située sous la commune de Nondkeil (Moselle) a été instrumenté par des capteurs géophysiques et géotechniques