Effondrement et affaissement des mines de fer en Lorraine : rôle de la couverture et de la morphologie, Subsidence an collapse in Lorraine iron mines : contribution of numerical modelling

De
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Sous la direction de Françoise Homand
Thèse soutenue le 26 avril 2007: INPL
Les évènements survenus dans le bassin ferrifère lorrain durant cette dernière décennie sont venus souligner les problèmes engendrés par la cessation d’activité minière et l’abandon des concessions comme la sécurité des personnes ou des biens. Au cours de cette thèse, nous avons étudié le rôle que peut jouer la morphologie sur le comportement mécanique de la couverture sédimentaire par rapport au phénomène d’effondrement brutal et d’affaissement progressif. Nous nous sommes attardés sur les situations de vallée et de plateau, pourvues ou non d’une fracturation verticale, et à celle d’une reculée de vallée à travers un ensemble de modélisations 2D (UDEC) et 3D (FLAC3D). Ensuite, nous avons simulé le développement de la fracturation dans un pilier de mine à travers une approche associant des codes de calcul continu (FLAC) et discontinu (PFC). L’ensemble de ces modélisations permettent d’appréhender le rôle de la couverture dans un souci de gestion des risques
-Effondrement
-Affaissement
-Couverture
-Massivité
-Fracturation
-Pilier
-Mine
-Lorraine
The events which have occurred in the lorrain iron basin during this last decade came to underline problems generated by mining industrial cessation and concession surrender like people or goods security. In this study, we studied the role which can play the geomorphology on the mechanical behaviour of overburden in relation with the violent collapse and progressive subsidence phenomena. We have examined valley and tray situations with the presence of vertical fractures and postponed valley situation through 2D (UDEC) and 3D (FLAC3D) modelling. Next, we simulated the fracture development in a mine pillar through a continue (FLAC) and discontinue (PFC) approach. These numerical modellings allow to apprehend the overburden role in a concern for hazard zone control
-Collapse
-Subsidence
-Overbuden
-Massivity
-Fracture
-Pillars
Source: http://www.theses.fr/2007INPL023N/document
Publié le : mardi 25 octobre 2011
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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole Nationale Supérieure de Géologie de Nancy
Laboratoire Environnement, Géomécanique et Ouvrages

Ecole Doctorale RP2E

THESE

Présentée à l’I.N.P.L
en vue de l’obtention du titre de


DOCTEUR DE L’I.N.P.L
En Génie Civil – Hydrosystème – Géotechnique

par

Jérôme FOUGERON



AFFAISSEMENT ET EFFONDREMENT
DES MINES DE FER DE LORRAINE

APPORT DE LA MODELISATION NUMERIQUE






Soutenue publiquement le 26 avril 2007 devant la commission d’examen



Membres du Jury :


M. Roger Cojean, Rapporteur
M. Pouya Ahmad,
Mme Françoise Homand, Directeur de thèse
M. Souley Mountaka, Co-directeur de thèse
M. Grgic Dragan,
M. Josien Jean-Pierre, Examinateur





































































































Remerciements





Je tiens à témoigner ma reconnaissance à tous ceux qui m’ont aidé à la préparation de cette
thèse.


En premier lieu, je tiens à remercier Madame Françoise Homand, Professeur à l’Ecole
Nationale Supérieure de Géologie, qui m’a permis de réaliser cette thèse au LAEGO. Durant
ces trois années, j’ai pu profiter de son savoir, de son expérience en géomécanique ainsi que
de son dynamisme. Merci de m’avoir fait confiance dans ce travail. J’aimerais remercier
également Monsieur Mountaka Souley, ingénieur de recherche à l’INERIS et co-directeur de
cette thèse, avec qui j’ai pu découvrir le vaste monde de la modélisation numérique et qui m’a
communiqué son goût pour la mécanique et fait partager son savoir.


Je remercie sincèrement Monsieur Roger Cojean, Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure
des Mines de Paris ainsi que Monsieur Ahmad Pouya, Directeur de Recherche au Laboratoire
Central des Ponts et Chaussées de Paris, pour l’intérêt qu’ils ont témoigné à l’égard de mon
travail en acceptant la charge de rapporteur.


J’exprime ma reconnaissance à Monsieur Jean-Pierre Josien, Directeur de GEODERIS et
Monsieur Dragan Grgic, Maitre de Conférences à l’ENSG, pour leur participation à mon jury en
tant qu’examinateur. Je les remercie également d’avoir été attentif à mon travail et pour leurs
conseils.


Je veux également remercier Monsieur Dashnor Hoxha, chercheur au LAEGO, pour sa
disponibilité, son écoute et ses conseils. J’exprime ma reconnaissance à Monsieur Christophe
Didier (INERIS) ainsi qu’à Monsieur Mustapha Bennani (INERIS) pour leur participation et leur
écoute durant les différentes réunions de travail de cette thèse.


Je remercie l’ensemble du personnel du LAEGO, enseignants-chercheurs, chercheurs,
doctorants, techniciens et secrétaires.


Je souhaite remercier, à titre plus personnel, mes amis, mes proches et en particulier mes
parents pour leurs soutiens et leurs encouragements durant ces trois dernières années. Enfin,
j’aimerai porter une attention, toute particulière, à une dernière personne qui se reconnaitra à
travers ces quelques lignes.







- 1 -

- 2 -
SOMMAIRE


Chapitre 1
Cadre général

1- Introduction...........................................................................................................................20
2- Présentation du bassin ferrifère Lorrain................................................................................21
2.1- Cadre géologique .............................................................................................................21
2.2- Tectonique ........................................................................................................................23
2.3- Paléogéographie...............................................................................................................24
3- Technique d’exploitation.......................................................................................................25
3.1- Les exploitations partielles ................................................................................................26
3.2- Les exploitations totales....................................................................................................27
3.3- La fin des exploitations et état actuel28
4- Les mouvements de terrains résiduels.................................................................................29
4.1- L’affaissement progressif.30
4.2- L’effondrement brutal........................................................................................................32
4.3- Mécanisme de rupture d’un effondrement brutal .............................................................32
4.3.1- Rupture du recouvrement par délitage d’une dalle monolithique..............................33
4.3.2- Mécanisme de rupture dû à une surcharge hydraulique ...........................................34
4.3.3- rement par cisaillement d’un banc épais et résistant...................34
5- Discrimination entre l’effondrement brutal et l’affaissement progressif ...............................34
5.1- Phénomènes observés propres au type d’évènement.....................................................34
5.2- Discrimination à l’aide d’un critère de fond ou géométrique............................................36
6- Démarche scientifique proposée .........................................................................................37

Chapitre 2
Caractérisation mécanique de la couverture : recherche d’un banc raide

1- Introduction...........................................................................................................................40
2- Méthodologie d’élaboration du critère géologique ..............................................................40
2.1- Analyse lithologique ..........................................................................................................40
2.1.1- Marnes de Charennes................................................................................................40
2.1.2- Calcaire d’Ottange et de Haut-Pont...........................................................................41
2.1.3- Calcaires à polypiers ..................................................................................................41
2.1.4- Calcaire de Jaumont42
2.1.5- Marnes de Gravellote .................................................................................................42
2.1.6- Calcaire de Doncourt43
2.2- Analyse géotechnique.......................................................................................................43
2.3- Caractérisation géomécanique.........................................................................................44
2.4- Caractéristiques à l’échelle du massif ..............................................................................45
2.4.1- Proposition d’une méthodologie parallèle à la méthodologie classique ...................45
2.4.2- Caractérisation des discontinuités .............................................................................48
2.4.3- Exemple de calcul de l’indice RMR (RMR modifié) ...........................................56 massif 89
2.4.4- Module de déformation du massif58
2.5- Discussion par rapport à la méthodologie d’élaboration du critère géologique ..............64
2.5.1- Hypothèse 1 : Non prise en compte de la présence d’un banc de moins d’un mètre
d’épaisseur ...........................................................................................................................64
- 3 - 2.5.2- Hypothèse 2 : Non prise en compte de la présence de joints argileux centimétriques
..............................................................................................................................................69
3- Définition du critère géologique ...........................................................................................71
3.1- Calcul d’indices de raideur au droit d’un sondage...........................................................71
3.2- Critère à grande échelle....................................................................................................72
3.3- Massivité de la couverture ................................................................................................74
4- Conclusions..........................................................................................................................75

Chapitre 3
Influence d’une vallée sur le comportement mécanique de la couverture

1- Introduction...........................................................................................................................78
2- Les contraintes in situ en milieu à topographie complexe ...................................................78
2.1- Généralités sur les régimes de contraintes in situ ............................................................78
2.2- Effet de la topographie sur les contraintes : solutions analytiques ..................................79
3- Modélisation à grande échelle d’une situation de vallée .....................................................82
3.1- Stratégie de modélisation et choix d’un code de calcul82
3.2- Choix d’un modèle géologique le plus réaliste possible ..................................................82
3.2.1- Couches du recouvrement.........................................................................................82
3.2.2- Couches exploitées de la formation ferrifère et mur des couches exploitées ...........84
3.3- Propriétés mécaniques .....................................................................................................85
3.3.1- Matériaux du recouvrement........................................................................................85
3.3.2- Matériaux de la formation ferrifère et autres...............................................................86
3.4- Loi de comportement adoptée pour les modélisations....................................................87
3.4.1- Surface de charge......................................................................................................87
3.4.2- Loi d’écoulement........................................................................................................87
3.5- Définition de la géométrie et maillage...............................................................................88
3.6- Propriétés mécaniques des limites de couches91
3.6.1- Joints fictifs.................................................................................................................92
3.6.2- Joints réels .................................................................................................................93
3.7- Conditions initiales, aux limites et phasage ......................................................................94
4- Etude paramétrique et résultats ...........................................................................................95
4.1- Zone de perturbation induite par la vallée en fonction des raideurs ................................95
4.2- Mécanismes propres à chaque jeu de raideur de joints ..................................................97
4.2.1- Points plastiques ........................................................................................................97
4.2.2- Evolution des contraintes en fonction des raideurs de joints ..................................100
4.2.3- Evolution des déplacements aux limites de couche en fonction des raideurs de joints
............................................................................................................................................102
5- Présence d’une exploitation minière...................................................................................103
5.1- Déplacements .................................................................................................................104
6- Influence de la fracturation verticale...................................................................................106
6.1- Zone de perturbation induite par la vallée entre un milieu fracturé et non fracturé ........107
6.2- Points plastiques développés en bord de vallée en milieu fracturé et non fracturé .......108
6.3- Contraintes au sein des couches et déplacements........................................................108
7- Influence de la vallée et du milieu fracturé en termes de raideur sur le recouvrement......110
7.1- Déplacements dans le recouvrement .............................................................................111
7.2- Bilans d’énergie...............................................................................................................113
7.2.1- Cas du milieu non fracturé .......................................................................................114
7.2.2- Cas du milieu fracturé ..............................................................................................115
8- Conclusions........................................................................................................................116

- 4 -
Chapitre 4
Influence d’une reculée de vallée sur le comportement de la couverture

1- Introduction.........................................................................................................................120
2- Etude de solutions analytiques...........................................................................................121
2.1- Quelques méthodes analytiques ....................................................................................121
2.2- Méthode de la cartographie conforme ...........................................................................121
2.3- Calcul analytique des contraintes par la méthode des potentiels complexes ...............123
2.4- Résultats des calculs analytiques...................................................................................126
2.4.1- Selon la composante horizontale σ ........................................................................126 xx
2.4.2- Selon la composante verticale σ ............................................................................126 yy
2.5- Discussion.......................................................................................................................127
3- Modélisation à grande échelle d’une reculée de vallée .....................................................127
3.1- Présentation du site modélisé.........................................................................................127
3.2- Choix du code de calcul .................................................................................................128
3.3- Conception d’un modèle réaliste ....................................................................................129
3.3.1- Conception d’un modèle numérique de terrain .......................................................129
3.3.2- Intégration de la géologie de Moutiers.....................................................................130
©3.3.3- Elaboration d’une grille de maillage et intégration sous FLAC3D ..........................131
©3.3.4- Intégration du maillage sous FLAC3D ....................................................................131
©3.4- Modélisation sous FLAC3D ...........................................................................................134
3.4.1- Dimensionnement et maillage..................................................................................134
3.4.2- Propriétés mécaniques des couches.......................................................................135
3.4.3- Propriétés mécaniques des discontinuités ..............................................................135
3.4.4- Conditions initiales, aux limites et phasage .............................................................136
4- Résultats et discussions.....................................................................................................137
4.1- Contraintes initiales....137
4.2- Contraintes à la fin de la phase d’excavation .................................................................138
4.2.1- Coupes à 10 m de profondeur.................................................................................138
04.2.2- Evolution du rapport de contrainte σ / σ suivant la profondeur............................141 xx xx
04.2.3- Evolutinte σ / σ142 yy yy
04.2.4- Evolutinte σ / σ142 zz zz
4.2.5- Remarque.................................................................................................................143
4.3- Déplacements .................................................................................................................144
4.4- Points plastiques.............................................................................................................145
5- Evolution de la zone d’influence de la reculée de vallée selon la nature du recouvrement
…………………………………………………………………………………………………. 145
6- Conclusions........................................................................................................................147


Chapitre 5
Modélisation du développement de la fracturation dans un pilier de mine

1- Introduction.........................................................................................................................150
©2- Présentation du code de calcul PFC2D/PFC3D ...............................................................150
2.1- Formulation et schéma de résolution..............................................................................151
2.2- Comportement grain/ciment et paramètres associés ....................................................153
2.2.1- « Contact bond ».......................................................................................................153
2.2.2- « Parallel bond».........................................................................................................155
2.3- Relation entre les microparamètres ................................................................................156
- 5 -

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