L
es activités anthropiques impli-quant le sous-sol profond se développent constamment et sont confrontées à des condi-tions géomécaniques incertaines qui rendent difficile la prévention des risques géotechniques et géo-logiques, tels que le maintien de la stabilité des ouvrages ou la réacti-vation de faille. En particulier, l’ex-ploitation minière profonde génère des gradients de contraintes très éle-vés et de manière quasi instantanée lors du creusement des vides souter-rains (forages, galeries, tunnels, etc.) et, concomitamment, une sismicité induite. Cette dernière représente un problème majeur, d’origine encore mal comprise, qui peut se dévelop-per à des échelles et des magnitudes très différentes, depuis le micro-séisme déstabilisant brutalement un pilier, jusqu’au séisme perçu en surface et pouvant induire des dom-mages matériels.Dans ce contexte, la compréhension des mécanismes de rupture sis-mique est un objectif important pour mieux évaluer les risques associés.
L’exploitation minière profonde offre un champ d’investigation unique à la recherche scientifique en termes
d’accès observationnel à ces phéno-mènes. Elle permet de les étudier au plus proche et d’améliorer la stratégie de prévention des risques pour mieux garantir la sécurité des mineurs et la stabilité des infrastructures minières.
Pour bien comprendre la réponse du massif rocheux à l’exploitation minière, il est nécessaire d’adopter une approche intégratrice, capable d’appréhender les phénomènes en jeu, en relation avec les caracté-ristiques géologiques locales ainsi qu’avec le processus technologique d’exploitation. Pour ce faire, l’Ineris développe des travaux de recherche fondés sur une approche combinant monitoring multiparamètres et modé-lisation géomécanique 3D complexe.
Cette approche méthodologique a été testée dans la mine de Garpenberg en Suède (société minière Boliden) où un quartier en exploitation, situé à plus de 1 200 mètres de profondeur, a été instrumenté via une série de cap-teurs géophysiques et géotechniques reliés en réseau, pour suivre la sismi-cité induite ainsi que la variation du champ de contrainte local. En com-plément, un modèle numérique du type élastoplastique 3D (figure 1) Auteur :
Francesca DE SANTIS
a été élaboré pour évaluer les inte-ractions entre les modifications des contraintes induites et la génération d'activité sismique à grande échelle.
Les données issues de la surveil-lance in situ, ainsi que les données d’observation géologique et de pro-duction minière fournies par le par-tenaire industriel, sont centralisées quasi automatiquement et mises à jour sur la plateforme de web moni-toring e.cenaris de l’Ineris.
Le réseau de surveillance a permis de détecter et localiser plus de 700 évé-nements microsismiques sur une période de deux ans. Leur analyse a mis en évidence un comportement complexe du massif rocheux, carac-térisé par différents types de réponses mécaniques. En particulier, il a été démontré que la sismicité induite est d’une part strictement liée au pha-sage d’excavation et, d’autre part, qu’elle est aussi influencée par la géologie locale. La réponse sismique peut ainsi avoir un caractère local et de courte durée et se manifester à distance des zones excavées et per-durer dans le temps. C’est ce que tra-duisent les deux clusters de sismicité observés (figure 2) : l'un situé dans
Figure 1
Géométrie du modèle élastoplastique.
ABSTRACT
Mining induced seismicity generally appears in form of spatio-temporal clusters in the vicinity of the newly excavated volumes.
It results from fracturing of the rock-mass and/or shearing on pre-existing fractures.
In this work we investigated these processes in one of the orebodies of Garpenberg polymetallic mine (Sweden), using a multidisciplinary approach. It integrates visual observation of the deep underground environment, predictive and comparative 3D geomechanical digital modeling, high-resolution microseismic and geotechnical monitoring, as well as production data follow-up. Results show a complex rock mass response, with two main seismic behaviors:
one local, short-term response directly induced by production, the other long-lasting over time and remote from excavations being mainly controlled by geological heterogeneities. Results also show a long-term post-blast aseismic rock behavior, which constitutes a third mechanism driving seismicity. All these findings open new perspectives for rethinking and improving standard procedures in rock-burst hazard assessment, geomechanical modelling and seismic monitoring in deep hard-rock mines.
la zone de production (cluster cen-tral) et l'autre (cluster droit) situé à environ 80 m de distance des exca-vations, dans une zone caractérisée par la présence de lentilles de talc-schiste. L’essaim central est inter-prété comme la réponse directe et locale de la roche aux changements de contraintes quasi-statiques dus à l’excavation. En revanche, l’essaim latéral à la zone en exploitation, lui aussi associé temporellement aux tirs de production, semble être d’abord influencé par les hétérogénéités géo-logiques locales, avant le mécanisme de transfert de contraintes plus faible à grande distance.
Les données géotechniques ont mon-tré que l'intensité du champ de défor-mations semble être plus corrélée à la séquence minière et à la proximité de zones de talc-schiste qu'au volume de roche excavée. Elles montrent éga-lement l’existence de mécanismes de fluage en réponse à l’exploitation.
Ces mécanismes de fluage asis-miques peuvent à leur tour déclen-cher de manière différée la sismicité et pourraient expliquer l’occurrence de la séquence sismique non directement liée aux tirs de production.
La modélisation géomécanique 3D a confirmé l’influence de la méthode d’exploitation sur la dynamique de redistribution des contraintes et a montré qu’une forte déformation plastique est induite dans les zones de talc-schiste. La comparaison entre les résultats du modèle et les observa-tions in situ a par ailleurs mis en évi-dence une bonne corrélation lorsque l’on considère la sismicité à proxi-mité des zones de production. En revanche, le modèle ne peut entière-ment expliquer la sismicité déclenchée à distance des nouvelles excavations, puisqu’il ne prend en compte que les effets quasi-statiques dus à l’avan-cement de l’exploitation.
Des travaux de recherche complé-mentaires sont engagés pour caler des lois de fluage dans le modèle géo-mécanique et ainsi permettre d’iden-tifier les zones à forte concentration de contraintes pour anticiper les situa-tions mécaniquement instables géné-rées par l’extraction minière et qui peuvent apparaître de manière différée.
L’approche croisée par la géo mécanique et la géophysique constitue une voie de progrès importante dans l’évaluation de l’aléa et du risque sismique.
Référence
De Santis, Francesca; Rock mass mechanical behavior in deep mines: in situ monitoring and numerical modelling for improving seismic hazard assessment ; thèse de doctorat. Université de Lorraine, 05/02/2019
Figure 2
Distributions spatio-temporelles de la sismicité induite. En bleu le cluster central (CC) et en violet le cluster de droite (RC).