National audienceL'objectif de la présente recherche est de déterminer, à partir des expérimentations in situ, l'apport de la méthode microsismique dans l'identification et la compréhension des mécanismes de déformation des ouvrages miniers sous l'influence de l'eau (ennoyage)

Senfaute, Gloria

Wassermann, Jérôme

HAL-INERIS

Apport de la me´thode microsismique a` la compre´hensionde l’impact de l’ennoyage sur la stabilite´ des ouvragesminiers abandonne´esGloria Senfaute, Je´roˆme WassermannTo cite this version:Gloria Senfaute, Je´roˆme Wassermann. Apport de la me´thode microsismique a` la compre´hensionde l’impact de l’ennoyage sur la stabilite´ des ouvrages miniers abandonne´es. Journe´es AGAPqualite´ ”Eau et ge´ophysique : ressource environnement risque”, Oct 2004, Lyon, France. pp.30-33, 2004. <ineris-00972475>HAL Id: ineris-00972475https://hal-ineris.ccsd.cnrs.fr/ineris-00972475Submitted on 3 Apr 2014HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. 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Une fois les ressources épuisées, les exploitations minières ont été progressivement arrêtéeset abandonnées. Consécutivement à cet arrêt, des affaissements miniers ou des effondrements ont survenuà l'aplomb des mines abandonnées créant d'importants dommages aux bâtiments et infrastructures desurface. L'arrêt des pompages d'exhaure minière induit l'ennoyage progressif des ouvrages miniersabandonnés. L'impact de cet ennoyage sur la stabilité des ouvrages miniers reste un problèmeparticulièrement complexe pour lequel peu de connaissances sont disponibles.Afin de mieux comprendre et de quantifier l'impact éventuel de l'ennoyage sur le comportement desouvrages miniers, le GISOS1 a entrepris des investigations scientifiques basées sur des mesures etobservations in situ, effectuées dans le site expérimental de Tressange2. Ce site a fait l'objet d'uneimportante instrumentation géotechnique, géophysique et hydro-chimique avant et pendant son ennoyageprogressif ainsi que lors de son dénoyage. Une des expériences menées dans le site de Tressangeconcerne la détection par écoute microsismique d'éventuels mécanismes de déformation (fissuration,cisaillement, fracture....) induits par l'ennoyage. Les publications scientifiques montrent que la méthodemicrosismique a été validée dans divers contextes en tant que méthode de surveillance pour suivre lecomportement mécanique des massifs rocheux soumis à de fortes contraintes mécaniques (Mendecki1993, Senfaute et al 1997 et 2001 ). Cependant, l'application de cette méthode pour détecter desmicroruptures induites par l'augmentation de la pression hydrostatique générée par le remplissage en eaud'une cavité a été très peu étudiée. Gendzwill and Prugger (1990) ont étudié dans une mine de potasse(Potash Company of American Mine), la corrélation entre l'activité microsismique enregistrée et l'ennoyaged'une cavité. Cette étude a montré que des événements microsismiques se corrèlent très étroitement avecl'augmentation de la pression hydrostatique (environ 8 MPa) due au remplissage en eau de la cavité.L'objectif de la présente recherche est de déterminer, à partir des expérimentations in situ, l'apportde la méthode microsismique dans l'identification et la compréhension des mécanismes de déformation desouvrages miniers sous l'influence de l'eau (ennoyage).Le site expérimental et le réseau de mesure microsismiquee site expérimental fait partie de la mine de Tressange située au Nord du Bassin ferrifère lorrain. Laméthode d'exploitation était la méthode de chambres et piliers abandonnés. La zone ennoyée est situéedans une couche de minerai de fer du stot, dite couche brune (figure 1a); elle est délimitée par dix barrièresétanches, et englobe ainsi entièrement deux piliers (G et F) et partiellement dix autres (figure 1 b). Le taux dedéfruitement de la zone est de l'ordre de 36 %, les galeries sont plus ou moins rectangulaires (5 m de largeet 3 m de haut). L'ennoyage concerne également l'intercalaire marneux situé au-dessus de la zone ennoyée.Les capteurs microsismiques ont été installés dans des forages verticaux réalisés dans l'intercalaire situéeau-dessus de la cellule ennoyée.Figure 1 : (a) Vue verticale de la zone ennoyée et (b) géométrie du réseau microsismique.1 Groupement d'intérêt scientifique sur l'Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains associant l'INERIS,le BRGM, l'INPL et l'ENSMP.2 Le site expérimental est situé dans la mine de Tressange, dans la partie septentrionale du bassin ferrifèrelorrain, qui fut exploitée par l'ARBEDEnregistrements durant l'expérimentation d'ennoyage du site. - \ , • . • >' - • "*( > ,A•-V '•I / -- / j- • •vLa surveillance microsismique du site a commencé 15 jours avant l'ennoyage et s'est poursuiviependant toute la durée des opérations d'ennoyage et de dénoyage (entre mars 2002 et août 2003). Pendanttoute la durée de l'expérimentation, trois catégories d'événements ont été enregistrés :- Tirs de carrières. Ce sont des événements enregistrés lors des tirs effectués dans une carrièresituée à 6 km du site. Il s'agit des signaux très basses fréquences (de l'ordre de 30 Hz) enregistrés sur desdurées importantes .- Séismes naturels. Deux séismes ayant affecté la région ont été enregistrés : le séisme d'Aix-La-Chapelle, survenu le 22 juillet 2003 à 07h45, de magnitude 4,7 et le séisme de Saint Dié dans les Vosges,survenu le 22 février 2003 à 21 h41, de magnitude 5,4. Les signaux enregistrés sont très basses fréquences(-10 Hz). Le séisme a été enregistré pendant 32 secondes.- Evénements microsismiques associés aux instabilités du site. Ce sont des événements locauxinduits par des instabilités mécaniques produites sur le site expérimental. Les signaux ont des fréquencesvariables, entre 50 Hz et 1,5 kHz. 134 événements ont été enregistrés entre mars 2003 (début del'ennoyage) et août 2003 (fin du dénoyage). La figure 2 présente un exemple de la signature de chaquecatégorie d'événement enregistré.Signature temporelle du séisme de Saint Diéi f , l=£ i survenu le 22 février 2003 a 21h41.Fmax = 8.5 Hi .Signature temporelle d'un t i rde la carrièred'Ottanqe "3 mars 2003 à 13 h 55';. Fmax = 30H1.Signature temporelle d'un événement enregistrédurant la période d'inactivité (19 juillet 2002 à 16h 47;. Evénement associé à une instabilitédu site.Fmax 3 200 Hz.Figure 2 : Exemple de signaux de trois catégories d'événements enregistrés. L'échelle verticale est en m/set l'horizontale en secondeLes 134 événements microsisimiques enregistrés pendant toute la durée de l'expérimentationmettent en évidence une relation entre la mise en eau du site expérimental et l'apparition de cesévénements. L'analyse de l'évolution et du comportement de cette activité microsismique montre que c'estparticulièrement pendant la première phase de mise en eau, lors de la monté en eau dans la cavité, que lesévénements les plus forts apparaissent. Après la stabilisation du niveau d'eau, l'activité sismique continue etles événements sont plus nombreux mais d'énergies beaucoup plus faibles que ceux enregistrés pendant lapremière phase. L'étude des signaux et les corrélations avec les observations sur site, effectuées avant etaprès le dénoyage fournissent les résultats importants suivants :- une catégorie d'événements qui serait associée à une source d'impact local. Les signaux sont decourte durée, avec un contenu fréquentiel assez élevé (supérieur à 200 Hz), les événements ont étéenregistrés par un seul capteur. Ces résultats indiquent que la source à l'origine de ces événements seraitassociée à des microruptures situées au niveau de l'intercalaire, proches du capteur d'enregistrement ;- une deuxième catégorie d'événements qui serait associée à une source d'impact plus régional, àl'échelle du site expérimental. La fréquence des signaux est nettement moins élevée que celle desévénements précédents (inférieur à 200 Hz) et les événements ont été enregistrés par la totalité descapteurs du réseau.La figure 3 illustre la corrélation entre les deuxcatégories d'événements identifiés et le niveaud'eau de la cellule ennoyée. Le mécanisme desource des événements enregistrés serait associéà des ruptures créées lors de la mise en eau dusite ou à la propagation des ruptures pré-existantes dans les piliers ou dans l'intercalaire. Ilest aussi probable qu'une partie de cesévénements serait associée à desdécrochements de blocs au toit de la celluleennoyée. Pour vérifier les hypothèses sur l'originedes événements enregistrés, une expérimentationdite « chute de bloc » a été effectuée sur le siteexpérimental.•aie sFigure 3 : Evénements enregistrés et niveau d'eau de la cavité.Les flèches indiquent les événements les plus énergétiquesenregistrés pendant la montée de l'eau dans la cavitéExpérimentation de chute de bloc provoquéeLes chutes de blocs peuvent être considérées comme le résultat de dégradations importantes d'unegalerie, et comme les prémices de la rupture du toit de cette dernière. Ainsi, une expérience de chute debloc provoquée volontairement a été mise en œuvre afin de mieux comprendre les mécanismes etd'identifier les signatures microsismiques associées aux processus de fissuration conduisant audécrochement des blocs au toit de la cavité ennoyée. Un forage non débouchant dans la cavité a été creusédans l'intercalaire de la couche de minerai « grise-brune », placée au dessus de la cavité ennoyée. Le fonddu forage se situe à environ 0,50 m du toit de la cellule ennoyée en couche brune. L'expérimentationconsiste à exercer une poussée sur le fond du forage afin de détacher des blocs du toit. Le dispositifexpérimental est constitué d'une colonne de réaction qui s'appuie sur le toit de la couche grise, d'un vérin, etde tiges dans le forage (figure 4a). Ainsi l'expérimentation consiste en une augmentation progressive decharge jusqu'au décrochement provoqué de blocs, alors qu'une chute naturelle a lieu à charge quasimentconstante.Douze événements microsismiques ont été enregistrés durant l'expérimentation de chute de bloc. Larépartition temporelle de ces événements est présentée figure 4b. Le cycle 1 de l'historique de chargementinterprété comme étant la phase de compression des débris du forage n'a été associée à aucun mécanismede facturation au sein de la roche : aucun événement microsismique n'est enregistré. La fracturation seproduit dès le cycle 2, lorsque des événements microsismiques sont enregistrés, elle se propagerait jusqu'àatteindre la partie basse de l'intercalaire en contact avec la cavité ennoyée. Les événements enregistréspendant les cycles 2 et 3 seraient associés à des processus d'initiation et de propagation de fractures dus àla mise en charge de l'intercalaire au fond du forage. Les événements de la phase finale, événements àplus forte énergies, seraient dus aux processus de glissements entre les blocs qui ont conduit audécrochement des blocs au toit de la cavité ennoyée.Toit de laSystème —de calageColonne —de réactionV&rinCléCouche griseTiges ~Forage"Bloc-Intercalairegrise - brunebJ(C y clJJji2tJi' rii11—r"\it\" " Ceirute-ennayse ' Temps (milUltes'lFigure 4 : (a) Schéma du dispositif expérimental installé pour la réalisation de la chute provoquée de blocs ; (b)Evolutions de la pression dans le vérin et du nombre d'événements microsismiques enregistrés.L'analyse de l'ensemble des événements microsismiques enregistrés lors de l'expérimentation dechute de blocs montrent que 92 % des événements associés à la chute de blocs ont des fréquencesinférieures à environ 250 Hz. Ces événements, caractérisés par les couples « Amplitude max, fréquencemax » se corrèlent avec les événements dits d'impact régional, enregistrés lors de l'expérimentationd'ennoyage du site (figure 5). Ces résultats confirment que les événements enregistrés pendant lesopérations d'ennoyage du site expérimental sont bien des événements associés aux processus defracturation, propagation de la fracturation et/ou cisaillements générés par l'arrivée de l'eau dans la cavité.Cependant, il n'a pas été possible de déterminer le mode de de rupture (traction, compression,cisaillements) à l'origine des événements.Synthèse et conclusionsUne activité acoustique a été enregistréependant l'ennoyage et le dénoyage d'un siteexpérimental. L'étude de cette activité a montréune relation entre la mise en eau du site etl'apparition des événements microsismiques.L'évolution de l'activité microsismique montre quec'est particulièrement pendant la phase demontée de l'eau dans la cavité que lesévénements les plus forts apparaissent. Après lastabilisation du niveau d'eau, l'activité sismiquecontinue, les événements sont nombreux maisavec moins d'énergies que ceux enregistréspendant la montée de l'eau. Une expérimentationde chute de bloc provoqué£*<~ 25 £O - -j. ao +Os., QHautes f réquences*l33 0.5 1 1.5 2 Ï.SAmplitude maximale cm.te;Figure 5 : Répartition entre amplitude maximale et fréquenced'amplitude maximale des événements enregistrés pendantl'ennovaae du site et Dendant la chute orovoauée de blocs.volontairement a confirmé que l'origine de ces événements était bien associée à des mécanismes dedéformation du massif rocheux (fissuration, propagation de la fissuration, cisaillements...) induits parl'ennoyage.RéférencesMendecki A.J. (1993) : Ral-time quantitative seismology in mines. Rockburst of Seismicity in Mines.Balkema.Senfaute G., Chambon C, Bigarre P., Guise Y., Josien J.P. (1997) : Spatial Distribution of Mining tremorsand Relationship to Rockburst. Pure and Appl. Geophys. 150. Birkhâuser Verlag, Base!, pp. 451-459.Senfaute G., Al Heib., Josien J.P., Noirel J.F. (2001) : Détection and monitoring of high stressconcentration zones induced by coal mining using numericai and microseismic methods. Rockburst andSeismicity in Mines. RaSiM5, South African Institute of Mining and Metallurgy, pp. 453-456Gendzwill D.J. & Prugger A.F. (1990) : Seismic activity in a flooded Saskatchewan potash mine.Rockbursts and Seismicity in Mines, Fairhurst (ed), Balkema, Rotterdam, pp. 115 - 120.

Apport de la méthode microsismique à la compréhension de l'impact de l'ennoyage sur la stabilité des ouvrages miniers abandonnées

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