Charges initiales dans le modèle

Les charges initiales de la nappe des GTi, affectées dans toute la couche correspondante, sont tirées des données existantes : les valeurs sont extraites du modèle hydrodynamique régional de la nappe construit par le passé [10] et régulièrement mis à jour. La résolution initiale est d’un point tous les 500 m, les données ont donc été interpolées par un krigeage simple en tenant compte des failles de Hombourg et de Saint-Nicolas.

L’année 200566 est prise pour référence, puisqu’elle précède l’arrêt des pompages d’exhaure (Figure 95). Le cône de rabattement dû à l’exploitation minière est bien visible. On note un décalage de charge important, de près de 100 m, de part et d’autre de la faille de Hombourg. Le décalage est beaucoup plus modeste (quelques mètres) de part et d’autre de la faille de Saint-Nicolas.

Dans nos travaux, nous nous sommes principalement intéressés au comportement du réservoir minier, sans chercher à détailler celui de la nappe des GTi sus-jacente, notamment concernant les échanges nappe-mine.

Ainsi, dans nos simulations, les charges fixées initialement aux bordures du domaine modélisé de la nappe des GTi ont par la suite été imposées lors des simulations de remplissage du compartiment. Les charges imposées entraînent des entrées d’eau latérales par les points de forte charge et des sorties d’eau latérales par les points de plus faible charge. À terme, la nappe atteint naturellement un nouvel équilibre hydrodynamique.

Par ailleurs, le modèle conceptuel présuppose un transfert gravitaire « instantané » de l’eau des GTi vers le fond de la mine. À cet effet, le Permien est modélisé comme s’il était intègre, c’est-à-dire qu’il joue son rôle en tant que substratum de la nappe des GTi. De ce fait, il n’existe pas d’échanges verticaux entre la nappe des GTi et le compartiment minier à travers le Permien.

181

Figure 95 - Charges (m) initiales dans la nappe des Grès du Trias inférieur (domaine de 2,5 km de long par 7,5 km de large), correspondant à l'année 2005, avant l'arrêt des pompages d'exhaure.

Pour terminer, au moment de l’arrêt des exhaures, qui constitue l’instant initial des simulations, les autres éléments du modèle sont supposés secs :

- la mine est supposée entièrement dénoyée grâce aux pompages d’exhaure ;

- le Westphalien est supposé entièrement sec, du fait des informations recueillies auprès des anciens mineurs. On ne tient pas compte de sa fracturation anthropique ; - le Permien est également supposé sec initialement, et on ne tient pas compte de sa

fracturation anthropique. Il est simplement conservé pour autoriser une éventuelle mise en charge de l’eau du réservoir sous les points bas de la couche de couverture avant l’ennoyage total des travaux miniers.

1.3 Historiques des débits entrants ou sortants de la zone

d’étude durant la période d’ennoyage

1.3.1 Débit de remplissage du réservoir minier

Durant la phase de remplissage des vides miniers, on considère que le débit d’alimentation du compartiment Vouters correspond au débit d’exhaure enregistré à l’époque de l’exploitation minière et compilé par les Charbonnages de France.

Ce débit de remplissage est égal à 1 116 m3/h (voir page 128), et est uniformément réparti au sein de l’étage minier le plus profond, à savoir l’étage 1250 présent dans l’avant-dernière couche du modèle.

Cette façon de procéder permet de mieux représenter les entrées d’eau dans le système, en évitant une mise en charge ponctuelle peu satisfaisante. Nous procéderons donc de même pour les débits d’échange évalués dans le paragraphe suivant.

1.3.2 Débits d’échange avec les entités voisines

Dans une vision du bassin centrée sur le compartiment Vouters67, ce dernier échange avec deux entités formées de différents compartiments : l’entité « réservoir du secteur du Warndt renforcé », notée W+, et l’entité « réservoir du secteur Est renforcé»68, notée E+.

Les compartiments associés à ces entités sont (voir Figure 2 au début du manuscrit) :

- pour l’entité W+, les compartiments du secteur allemand du Warndt et les compartiments de Sainte-Fontaine et de l’Hôpital du secteur Centre ;

67 Dont la courbe d’ennoyage correspond à celle du puits Vouters 2.

182 - pour l’entité E+, le réservoir principal du secteur Est et le compartiment Reumaux du

secteur Centre.

Dans nos travaux, les débits d’échange entre le compartiment de Vouters et les entités voisines doivent être connus au pas de temps mensuel.

On détermine ces débits de la façon suivante :

- quand une liaison est fermée, il n’existe aucun débit entrant ou sortant de la zone d’étude ;

- quand une liaison est ouverte et s’écoule dans un seul sens, on connaît le débit entrant ou sortant grâce aux données disponibles [9] ;

- quand une liaison est ouverte et permet des écoulements dans les deux sens, un calcul est nécessaire.

Dans ce dernier cas, la simulation de l’ennoyage d’une géométrie simplifiée du bassin houiller lorrain est nécessaire, et est réalisée avec une approche de réservoirs en réseau similaire au box-model décrit aux pages 127 et suivantes. Il s’agit ici d’établir un bilan hydraulique. Nous utilisons le module Simulink de Matlab pour construire ce modèle de bilan. Pour chaque secteur, le bilan hydraulique est établi en écrivant la conservation de l’eau, i.e. l’équation de continuité, dans un réservoir à volume variable (voir l’Annexe 15). Cela permet de calculer la charge hydraulique dans le réservoir à chaque pas de temps, mais aussi de déduire les débits d’échange qui doivent être considérés entre la zone d’étude et les entités voisines. Ce sont ces débits que nous recherchons. Pour ce faire, il faut reproduire grossièrement la courbe d’ennoyage des dressants de Merlebach. Les valeurs de débits d’échange obtenues sont du bon ordre de grandeur.

Finalement, les résultats de la modélisation du bilan hydraulique permettent de conclure : - sur une perte de 234 m3/h par la liaison Sainte-Fontaine, et un gain de 200 m3/h par

la liaison Marienau, pour la période s’étendant de mai 2008 à mai 2010 ;

- sur une perte de 31 m3/h par la liaison Sainte-Fontaine, et un gain de 54 m3/h par la liaison Marienau, pour la période s’étendant de juin 2010 à juillet 2012.

Au-delà, l’équilibre hydrostatique est atteint, aux pertes de charge près, et les débits d’échange s’annulent.

Toutes ces valeurs d’échange entre réservoirs calculées manuellement ou par modélisation seront donc imposées dans le modèle MARTHE aux mailles correspondant aux liaisons, pour les périodes indiquées.

Le Tableau 14 résume l’historique des différents débits en jeu. Ces débits sont répartis uniformément sur toutes les mailles contenant des vides miniers au sein des étages concernés, durant la période indiquée dans le tableau.

183

Tableau 14 – Synthèse des historiques de débits entrants ou sortants du compartiment Vouters

Période ^{Débit (m}

3/h, + si entrant, - si sortant) Liaison Marienau

(Étage 1036) ^{Liaison Sainte-Fontaine} (Étage 760) ^Remplissage (Étage 1250)

De 06/2006 à 06/2006 0 0 + 1116 07/2007 – 10/2007 + 2300 0 11/2007 – 04/2008 + 2300 - 2150 05/2008 – 05/2010 + 200 - 234 06/2010 – 07/2012 + 54 - 31 De 08/2012 à la fin de la simulation ^{0 0}

2 Résultats et discussions