Les mouvements de terrains résiduels

De nombreux mouvements de surface accidentels ont été observés dans le bassin ferrifère

Nord-Lorrain depuis le début du XX

ème

siècle à la suite de la ruine d’édifices souterrains. Ces

mouvements ont eu lieu pendant la phase de construction ou d’exploitation des mines mais

également pendant leur phase de post-exploitation. Ils peuvent se produire à très long terme,

sont mal connus et il est souvent impossible de dire actuellement s’ils sont susceptibles ou non

de se provoquer. Ils proviennent d’un mécanisme d’ensemble de pressions de terrain qui

concernent la quasi-totalité d’un secteur ou quartier d’exploitation.

Actuellement, on dénombre 16 mouvements de surface accidentels suffisamment documentés

et recensés historiquement, hors phénomène de fontis. On a distingué, après analyse de ces

mouvements, 8 affaissements progressifs et 8 effondrements brutaux :

Tableau 1 : Les principaux mouvements de surface accidentels

Affaissements progressifs Effondrements brutaux Fontis

Jarny 1949 Audun-le-Tiche 1902 Thil 1946

Auboué 1972 Escherange 1919 Thil 1957

Crusnes 1977 Sainte-Marie 1932 Moyeuvre-Grande 1998

Ville au Montois 1982 Moutiers 1940

Auboué (Coinville) 1996 Roncourt 1954

Auboué (rue de Metz) 1996 Roncourt 1959

Moutiers 1997 Rochonvillers 1973

Roncourt 1999 Rochonvillers 1974

Les mouvements de terrains observés sont donc de deux types : les affaissements progressifs

conduisant à plus ou moins brève échéance à des dégâts en surface, et les effondrements

brutaux entraînant instantanément des dégâts en surface sur plusieurs hectares et pouvant

causer des accidents mortels collectifs dus au souffle d’air expulsé des galeries.

de quelques mètres de rayon et quelques mètres de profondeur. Il fait suite à une dégradation

progressive de la voûte d’une galerie qui remonte peu à peu dans le recouvrement jusqu’à

percer au jour (fig. 11). Le fontis ne se produira pas si la galerie est suffisamment profonde car

le foisonnement des blocs du toit vient combler le vide avant qu’il n’atteigne la surface. Le

risque de fontis peut également être écarté si un banc épais et résistant arrête la dégradation

progressive.

Figure 11 : Illustration du phénomène de fontis

4.1- L’affaissement progressif

Il s’agit du tassement des terrains suite à la fermeture d’une cavité souterraine. L’affaissement

progressif (fig.12) se traduit par la formation en surface d’une cuvette de quelques dizaines à

quelques centaines de mètres de diamètre se mettant en place sur quelques heures voire

quelques mois. Au centre de la cuvette les terrains descendent verticalement. Sur les bords, les

terrains se mettent en pente avec un étirement sur les bords extérieurs (ouverture de fractures)

et un raccourcissement sur les bords intérieurs (apparition de bourrelets).

L’affaissement de surface est analogue à celui qui est volontairement produit par un dépilage

intégral. Il fait suite à la ruine de travaux miniers souterrains suffisamment étendus pour que les

effets remontent jusqu’en surface. Les abords de la cuvette d’affaissement débordent à la

verticale des travaux effondrés au fond. L’angle d’influence varie entre 10 et 35° selon

l’environnement de la zone au fond. Plus les travaux sont profonds, plus la cuvette

d’affaissement est étalée.

Figure 12 : (a) Illustration des mouvements de la surface des terrains et de la géométrie d’une cuvette

d’affaissement progressif (Deck, 2002) ; (b) Présentation de la cuvette d’affaissement de Roncourt

(GEODERIS) ; (c) Cuvette d’affaissement progressif (photo INERIS)

Les bâtiments en surface sont sensibles à la mise en pente des terrains ainsi qu’aux effets

d’extension dans la zone d’étirement et de compression dans la zone de raccourcissement.

Les effets sont d’autant plus élevés que l’amplitude de l’affaissement au centre de la cuvette

est grand et que la profondeur des travaux miniers est faible. Par ailleurs, les bâtiments sont

d’autant plus vulnérables qu’ils sont longs et élancés (Deck, 2002).

4.2- L’effondrement brutal

Dans certains cas, la ruine de l’édifice minier ne se fait pas progressivement. On observe

l’effondrement en bloc de l’ensemble des terrains compris entre le fond et la surface.

L’effondrement (fig.13) de la surface se produit alors de manière dynamique, en quelques

secondes provoquant un souffle d’air dévastateur dans les travaux du fond. Une forte secousse

sismique est ressentie. En surface, la cuvette présente un fond plat et des bords abrupts en

gradins. Des crevasses peuvent se former et atteignent, dans certains cas, 1 m d’ouverture.

Figure 13 : Représentation schématique d’un effondrement brutal

Plusieurs modèles relatifs au comportement du recouvrement ont été élaborés par divers

auteurs pour étudier les phénomènes ressentis à la surface et, plus particulièrement, ceux

consécutifs aux effondrements brutaux. Ces modèles ont permis à leurs auteurs d’énoncer un

certain nombre de mécanismes initiateurs conduisant, au stade final, à un effondrement brutal.

4.3- Mécanisme de rupture d’un effondrement brutal

Une analyse fine des huit effondrements brutaux historiques faite par Tincelin et Sinou (1962) a

montré qu’il existait des caractéristiques communes aux exploitations par chambres et piliers

ayant donné lieu à un effondrement brutal :

− Un taux de défruitement élevé

− Une ouverture d’exploitation importante ou multicouche avec intercalaire mince

− Des piliers petits et peu massifs

− Des sollicitations importantes dans les piliers

− Un toit immédiat « excellent et solide »

− La présence au voisinage du jour d’un banc dit « solide et raide »

De plus, ils signalent, qu’à l’aplomb de chacune des zones incriminées ou dans les environs

immédiats, la présence de carrières exploitant des pierres à bâtir, dans des bancs calcaires

épais (8 à 12 mètres) d’aspect massif et compact.

De même, Tincelin (1982) remarque que les cas d’effondrements brutaux se trouvaient, au jour,

en bordure ou au voisinage d’une vallée. En effet, à l’aplomb même du quartier effondré, on

avait ce qu’on pourrait appeler un plateau donnant une épaisseur de recouvrement. Mais au

voisinage immédiat de la zone effondrée, on notait l’existence de vallées qui parfois

permettaient d’accéder directement au gisement par les affleurements.

Il apparaît donc que la chute soudaine et brutale de l’ensemble du recouvrement, observée au

cours, des effondrements brutaux dans les mines de fer de Lorraine, ne peut avoir eu pour

origine l’écrasement de tous les piliers sur une grande surface à la fois.

Si l’on s’accorde pour dire que c’est effectivement ce qui doit se produire à la fin du processus

de rupture d’équilibre, il paraît néanmoins peu probable que ce soit la simple augmentation de

la charge sur les piliers qui, après avoir atteint leurs limites de rupture, provoque la chute du

toit. En effet, certains effondrements brutaux sont survenus dans des secteurs ayant subi des

surcharges dues notamment à des dépilages voisins, et on sait que dans ces cas, les piliers ne

sont pas tous chargés uniformément, donc qu’ils n’atteignent pas tous ensemble leur limite de

rupture.

En réalité, c’est donc le recouvrement lui-même qui a un rôle à jouer dans le mécanisme

d’effondrement brutal. La probabilité d’occurrence de tels accidents nécessite en fait

l’existence dans le recouvrement d’un ou plusieurs bancs résistants et rigides, suffisamment

épais qui déchargent les piliers en soutenant une part du poids des terrains qui les surmontent.

Tincelin (1962) et Maury (1979) envisagent alors deux types de mécanismes de rupture brutale

du recouvrement.

4.3.1- Rupture du recouvrement par délitage d’une dalle monolithique

Tincelin et Sinou (1962) supposent que le recouvrement ne subit quasiment aucunes

déformations tant que les piliers fournissent une réaction d’appui suffisante. Lorsque cette

réaction d’appui diminue, du fait du fluage ou du tassement des piliers, du toit immédiat ou du

mur, la flèche du recouvrement augmente, ainsi que les moments fléchissants dans celui-ci.

Les bancs du recouvrement participent alors à la solidité de l’édifice, et si les piliers lâchent, les

moments fléchissants et efforts tranchants compensent cette défaillance et viennent en aide

aux petits piliers.

Une telle zone peut alors apparaître comme parfaitement stable pendant de nombreuses

années, tant que le recouvrement se comporte comme une dalle monolithe.

Si l’on considère un frottement φ entre ces bancs, il n’y a pas de glissement tant que les

contraintes de cisaillement induites entres elles, au droit des appuis, sont inférieures à σ

n

tg φ.

Une fois que ces cisaillements deviennent supérieurs à σ

n

tg φ, la dalle est mise en flexion, elle

se désolidarise par glissement le long des joints de stratification et se délite. La rigidité du

recouvrement diminue en devenant celle d’un ensemble stratifié de banc. La capacité de

portance du recouvrement diminue et ce dernier vient subitement surcharger les piliers. La

brutalité du phénomène s’explique par le relâchement soudain du frottement entre dalles et de

l’énergie de déformation emmagasinée par la rigidité du toit.

De plus Tincelin, en 1995, s’est intéressé à l’influence de la présence de vallées. Il considère

que le voisinage de vallées profondes est un facteur aggravant vis-à-vis de l’effondrement, car

il favorise le cisaillement du recouvrement. Selon Tincelin, le banc qui joue le plus grand rôle

dans le processus de rupture en traction (fibres les plus tendues en surface) est le calcaire à

polypiers homogène qui est assez profond pour être protégé de l’érosion. Il indique, de plus,

qu’à proximité d’une vallée qui coupe les bancs durs du recouvrement, la contrainte de

compression horizontale disparaît et la rupture en cisaillement devient possible entraînant une

ouverture brutale de la fissuration verticale due à la dilatance (Tincelin,1995).

4.3.2- Mécanisme de rupture dû à une surcharge hydraulique

Maury (1979) émet, pour des carrières de faibles profondeurs, l’hypothèse d’un mécanisme de

rupture dû à la pression interstitielle. L’effondrement peut être provoqué par les charges de

nappes phréatiques elles mêmes, ou par surcharge de celles-ci. Si l’excavation draine

suffisamment le toit, soit accidentellement par la fissuration, soit par la matrice, celui-ci peut

supporter une partie de la charge hydraulique des nappes phréatiques, mais il peut très bien

ne plus supporter une surcharge de celle-ci, due en particulier à une pluviométrie importante.

Ce mécanisme suppose donc que sous l’effet d’un taux d’extraction important, il se produit un

déplacement d’ensemble du recouvrement maintenant le toit immédiat résistant continu et

empêchant ou freinant son drainage par les travaux miniers.

Lorsque l’extension de la zone devient suffisante, les déplacements induits dans le toit profond

provoquent le jeu et l’ouverture de la stratification et de la fissuration. L’alimentation des joints

ouverts dans le toit immédiat, par le poinçonnement des piliers, devient alors impossible.

Les nappes phréatiques de surface, statiques ou surchargées par la pluviométrie peuvent alors

mettre en charge tout le toit jusqu’à ce qu’en un point les dalles du toit immédiat cassent,

entraînant la rupture du point profond.

Le système de contraintes horizontales qui maintenait le toit immédiat en place est brutalement

relâché et la rupture du toit peut se propager sur de très grandes étendues.

4.3.3- Rupture du recouvrement par cisaillement d’un banc épais et résistant

Fairhurst et al. (2003) avancent que lorsque le recouvrement comporte un banc raide et

résistant suffisamment épais, et que les piliers, le toit ou le mur continuent à se déformer au

cours du temps (fluage), ces déformations se transmettent au haut-toit résistant et donc peu

déformable. A partir d’une certaine déformation, le toit raide a pris la flèche maximale de flexion

admissible, avec des effets tranchants très importants au niveau de ses appuis. La rupture peut

alors se manifester, de manière brutale, par cisaillement au niveau des appuis ou par

glissement le long des fissures verticales.

Dans le document Effondrement et affaissement des mines de fer en Lorraine : rôle de la couverture et de la morphologie (Page 35-40)