Sismicité induite et modélisation numérique de l'endommagement dans un contexte salin, Induced seismicity and numerical modelling of rock damage in a salt mine environment

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Sous la direction de Pascal Bernard, Mountaka Souley
Thèse soutenue le 14 septembre 2007: INPL
Dans le cadre d’un programme de recherche mené par le GISOS (Groupement d’Intérêt Scientifique de Recherche sur l’Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains), le site pilote de Cerville-Buissoncourt (Lorraine, France) a fait l’objet d’une importante instrumentation géophysique et géotechnique pour assurer la surveillance d’une cavité saline à 200 m de profondeur, depuis son état stationnaire jusqu’à l’effondrement des terrains du recouvrement. Les objectifs principaux de cette thèse consistaient à : 1) valider la technique de surveillance basée sur l’écoute microsismique dans un contexte salin, et 2) modéliser numériquement le comportement mécanique complexe du recouvrement, particulièrement l’initiation des microfissures et leur propagation. L’analyse de la sismicité induite enregistrée a permis de caractériser l’état initial de la cavité en terme d’activité microsismique. Deux types d’événements ont été identifiés : les événements isolés correspondant aux ruptures localisées, et les événements en rafale, d’une dizaine de secondes de durée. D’après les résultats de localisation d’hypocentres, la totalité de la sismicité enregistrée est générée au niveau de la cavité dans le gisement de sel, ou bien dans les faciès marneux qui composent le toit immédiat de la cavité actuelle. Les déclenchements en rafale seraient liés à des phénomènes de délitement puis de décrochement de blocs de marne, suivis des chutes de blocs dans la cavité remplie de saumure. Le travail de modélisation numérique a été focalisé sur la possibilité de rendre compte de l’endommagement dans les couches fragiles du recouvrement. Nous avons mis en oeuvre un modèle géomécanique hybride à l’échelle du site pilote qui intègre les différentes formations géologiques présentes dans le recouvrement, ainsi que l’initiation, la propagation et la coalescence des microfissures dans le banc raide, à l’aide des logiciels FLAC et PFC2D. La calibration du modèle discret PFC2D pour reproduire le comportement en traction du banc raide a été vérifiée numériquement à l’échelle du site pilote. Cette vérification a été basée sur la comparaison, en termes de la réponse élastique et d’apparition des ruptures dans le banc raide, entre l’approche hybride FLACPFC 2D et la modélisation purement continue avec FLAC. Le modèle hybride ainsi défini pourra être utilisé dans le cadre d’une retro-analyse une fois que les mesures in-situ, notamment les enregistrements microsismiques et les données de déformation, seront disponibles à Cerville-Buissoncourt
-Sismicité induite
-Endommagement de roches
-Modélisation numérique
-Cavité saline
-Flac
-Pfc2d
Within the framework of a research program carried out by the GISOS (Scientific Grouping of Research Interest on the Impact and Safety of Underground Works), the pilot site of Cerville-Buissoncourt (Lorraine, France) was the subject of a large geophysical and geotechnical instrumentation to ensure the monitoring of a salt cavity at 200 m depth, from its stationary state to the final overburden collapse. The main objectives of this work consisted on : 1) the validation of the microseismic monitoring technique in a salt mine environment, and 2) the numerical modelling of the mechanical behavior of the overburden, particularly the initiation and the propagation of microcracks. The analysis of the recorded induced seismicity allowed to characterize the initial state of the cavity in terms of microseismic activity. Two types of events were identified : isolated events corresponding to localized ruptures, and swarms of events, of tens of seconds of duration. According to hypocenter location results, the totality of the recorded seismicity is generated either in the cavity surroundings within the salt layer, or in the marly facies of the current cavity roof. Swarms would be related to delamination of clayley marls in the immediate roof, followed by rock debris falling in the brine filled cavity. The numerical modelling was focused on the possibility of accounting for the damage in the fragile layers of the overburden. We implemented a hybrid geomechanical model of the pilot site which integrates the various geological formations present in the overburden, as well as the initiation, the propagation and the coalescence of microcracks in the stiff layer, using FLAC and PFC2D softwares. The calibration of the discrete PFC2D model to reproduce the tensile behaviour of the stiff layer was numerically checked on the site scale. The validation was based on the comparison, in terms of the elastic response and the damage onset in the stiff layer, between the hybrid approach FLAC-PFC2D and the purely continuous modelling using FLAC. The hybrid model thus defined would be used for back-analysis studies once in-situ measurements, in particular microseismic recordings and deformation data, will be available at Cerville-Buissoncourt
-Induced seismicity
-Rock damage
-Flac
-Salt cavity
-Numerical modelling
-Flac
-Pfc2d
Source: http://www.theses.fr/2007INPL053N/document
Publié le : mardi 25 octobre 2011
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NANCY-UNIVERSITÉ
INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
École Nationale Supérieure de Géologie de Nancy
Laboratoire Environnement, Géomécanique & Ouvrages
École Doctorale RP2E
THÈSE
présentée en vue de l’obtention du grade de
DOCTEUR DE L’I.N.P.L.
Specialité :
Génie Civil - Hydrosystèmes - Géotechnique
par
Enrique Diego MERCERAT
Sismicité induite et modélisation numérique
de l’endommagement dans un contexte salin
soutenue publiquement le 14 Septembre 2007
devant la Commission d’Examen
Membres du Jury :
Pascal BERNARD (Prof. IPG Paris) Directeur de thèse
Lynda DRIAD-LEBEAU (INERIS) Examinateur
Jean Pierre JOSIEN (Directeur GEODERIS) Examinateur
Richard KASTNER (Prof. INSA Lyon) Rapporteur
Jack Pierre PIGUET (Directeur ENSM Nancy) Président
Marc PIRSON (SOLVAY) Invité
Mountaka SOULEY (INERIS) Co-Directeur de thèse
Jean VIRIEUX (Prof. UNSA Nice) RapporteurouhouhRésumé
Dans le cadre d’un programme de recherche mené par le GISOS (Groupement d’Intérêt Scientifique de Re-
cherche sur l’Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains), le site pilote de Cerville-Buissoncourt (Lorraine,
France) a fait l’objet d’une importante instrumentation géophysique et géotechnique pour assurer la surveillance
d’une cavité saline à 200 m de profondeur, depuis son état stationnaire jusqu’à l’effondrement des terrains du re-
couvrement. Les objectifs principaux de cette thèse consistaient à : 1) valider la technique de surveillance basée
sur l’écoute microsismique dans un contexte salin, et 2) modéliser numériquement le comportement mécanique
complexe du recouvrement, particulièrement l’initiation des microfissures et leur propagation.
L’analyse de la sismicité induite enregistrée a permis de caractériser l’état initial de la cavité en terme d’activité
microsismique. Deux types d’événements ont été identifiés : les événements isolés correspondant aux ruptures
localisées, et les événements en rafale, d’une dizaine de secondes de durée. D’après les résultats de localisation
d’hypocentres, la totalité de la sismicité enregistrée est générée au niveau de la cavité dans le gisement de sel,
ou bien dans les faciès marneux qui composent le toit immédiat de la cavité actuelle. Les déclenchements en
rafale seraient liés à des phénomènes de délitement puis de décrochement de blocs de marne, suivis des chutes
de blocs dans la cavité remplie de saumure.
Le travail de modélisation numérique a été focalisé sur la possibilité de rendre compte de l’endommagement
dans les couches fragiles du recouvrement. Nous avons mis en oeuvre un modèle géomécanique hybride à
l’échelle du site pilote qui intègre les différentes formations géologiques présentes dans le recouvrement, ainsi
que l’initiation, la propagation et la coalescence des microfissures dans le banc raide, à l’aide des logiciels
2D 2DFLAC et PFC . La calibration du modèle discret PFC pour reproduire le comportement en traction du banc
raide a été vérifiée numériquement à l’échelle du site pilote. Cette vérification a été basée sur la comparaison, en
termes de la réponse élastique et d’apparition des ruptures dans le banc raide, entre l’approche hybride FLAC-
2DPFC et la modélisation purement continue avec FLAC. Le modèle hybride ainsi défini pourra être utilisé dans
le cadre d’une retro-analyse une fois que les mesures in-situ, notamment les enregistrements microsismiques et
les données de déformation, seront disponibles à Cerville-Buissoncourt.
2DMots-clés : Sismicité induite, cavité saline, modélisation numérique, endommagement de roches, FLAC, PFC
Abstract
Within the framework of a research program carried out by the GISOS (Scientific Grouping of Research Interest
on the Impact and Safety of Underground Works), the pilot site of Cerville-Buissoncourt (Lorraine, France)
was the subject of a large geophysical and geotechnical instrumentation to ensure the monitoring of a salt
cavity at 200 m depth, from its stationary state to the final overburden collapse. The main objectives of this
work consisted on : 1) the validation of the microseismic monitoring technique in a salt mine environment, and
2) the numerical modelling of the mechanical behavior of the overburden, particularly the initiation and the
propagation of microcracks.
The analysis of the recorded induced seismicity allowed to characterize the initial state of the cavity in terms of
microseismic activity. Two types of events were identified : isolated events corresponding to localized ruptures,
and swarms of events, of tens of seconds of duration. According to hypocenter location results, the totality of
the recorded seismicity is generated either in the cavity surroundings within the salt layer, or in the marly facies
of the current cavity roof. Swarms would be related to delamination of clayley marls in the immediate roof,
followed by rock debris falling in the brine filled cavity.
The numerical modelling was focused on the possibility of accounting for the damage in the fragile layers of
the overburden. We implemented a hybrid geomechanical model of the pilot site which integrates the various
geological formations present in the overburden, as well as the initiation, the propagation and the coalescence
2D 2Dof microcracks in the stiff layer, using FLAC and PFC softwares. The calibration of the discrete PFC
model to reproduce the tensile behaviour of the stiff layer was numerically checked on the site scale. The va-
lidation was based on the comparison, in terms of the elastic response and the damage onset in the stiff layer,
2Dbetween the hybrid approach FLAC-PFC and the purely continuous modelling using FLAC. The hybrid mo-
del thus defined would be used for back-analysis studies once in-situ measurements, in particular microseismic
recordings and deformation data, will be available at Cerville-Buissoncourt.
2DKeywords : Induced seismicity, salt cavity, numerical modelling, rock damage, FLAC, PFCouhouhAvant-propos
Ce travail de thèse réalisé dans le cadre d’un programme de recherche du GISOS, a été financé complè-
tement par la Direction de l’Action Régionale, de la Qualité et de la Sécurité Industrielle du Ministère
de l’Écologie, du Développement et de l’Aménagement Durables (MEDAD). L’appui technique et les
données provenant de SOLVAY S.A. pour la caractérisation du site pilote sont également remerciés.
Merci à tous ceux qui, pendant ces quatre années de recherche, m’ont apporté leur aide dans la décou-
verte des innombrables domaines comme la Mécanique des Roches, la Sismologie, la mise en page
ALT X, et naturellement, la Grammaire française.E
Cette thèse est entièrement dédiée à ma famille et à mes amis : ceux qui sont ici, ainsi que ceux qui
sont là-bas, hélas ! À eux, toute ma gratitude. Gracias.
à Ivana, Nicanor et JoaquinaouhouhTable des matières
Introduction générale 1
I Site pilote de Cerville-Buissoncourt 5
1 Présentation du site pilote 7
1.1 Contexte géographique et géologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Méthode d’exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Instrumentation géophysique et géotechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Situation actuelle de l’exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
II Sismicité induite dans le contexte salin de Cerville-Buissoncourt 15
2 Sismicité induite dans un contexte salin 19
2.1 Auscultation microsismique des cavités souterraines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Objectifs de l’analyse de la sismicité induite sur le site de Cerville-Buissoncourt . . . 21
3 Réseau microsismique de Cerville-Buissoncourt 23
3.1 Description du réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Calage du réseau microsismique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1 Description de la campagne de tomographie sismique . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 Analyse de polarisation et orientation des sondes . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.3 Orientation des sondes 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.4 Définition d’un modèle de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Analyse de l’atténuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.1 Détermination du facteurQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4 Synthèse des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Analyse de la microsismicité induite 47
4.1 Caractéristiques générales des événements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.1 Analyse Temps-Fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Évolution temporelle de l’activité microsismique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 Essai de pression Octobre 2005 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50viii Table des matières
4.4 Localisation spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5 Analyse de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.1 Événements en rafale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.2 Événements isolés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.6 Analyse des paramètres de la source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.7 Discussion sur l’origine des rafales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5 Conclusions 69
III Modélisation numérique de l’endommagement dans un contexte salin 73
6 Modélisation numérique de l’endommagement : stratégie et outils numériques 77
6.1 Contexte et objectifs de la modélisation numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2 Approche adoptée : couplage continu - discret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3 Présentation du logiciel FLAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2D6.4 Présentation du logiciel PFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2D6.5 Couplage FLAC-PFC : méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2D7 Calibration des microparamètres PFC 85
7.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.2 Choix des microparamètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.3 Calibration des tests biaxial et brésilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.3.1 Données expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.3.2 Préparation de l’échantillon numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.3.3 Modélisation de tests biaxial et brésilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.3.4 Analyse des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.3.5 Influence de l’arrangement et de la taille des particules . . . . . . . . . . . . 94
7.4 Calibration avec un essai de flexion 3 points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.4.1 Description de l’essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.4.2 Données expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.4.3 Analyse de résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.4.4 Relation entreK et la résistance à la traction . . . . . . . . . . . . . . . . 103Ic
7.5 Réduction de la résistance à la traction du modèle BPM . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.6 Synthèse des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8 Conception du modèle géomécanique à grande échelle 111
8.1 Mise au point du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.1.1 Géométrie et géologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.1.2 Conditions aux frontières et conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.1.3 Modélisation de la vidange progressive de la cavité . . . . . . . . . . . . . . 115
8.2 Comportement mécanique des matériaux du recouvrement . . . . . . . . . . . . . . 116
8.2.1 Caractérisation mécanique des roches au laboratoire . . . . . . . . . . . . . 117Table des matières ix
8.2.2 Études précédentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.3 Présentation des différentes modélisations géomécaniques . . . . . . . . . . . . . . 120
8.3.1 Définition du modèle de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.3.2 Modalités supplémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.4 Résultats de modélisation FLAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
2D9 Modélisation hybride FLAC-PFC 135
2D9.1 Génération de l’inclusion PFC à grande échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
2D9.2 Résultats de la modélisation hybride FLAC-PFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.2.1 Vérification numérique du modèle hybride en élasticité . . . . . . . . . . . . 138
2D9.2.2 Comparaison FLAC / FLAC-PFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.2.3 Synthèse des résultats de la modélisation hybride . . . . . . . . . . . . . . . 147
10 Conclusions 151
IV Conclusion générale 155
V Annexes 159
2DA Lois de comportement dans PFC 161
A.1 Loi force-déplacement entre particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
A.2 Loi force-déplacement dans le ciment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
B Profils de déplacements verticaux et de contraintes principales 165
B.1 Modalité ’Mohr-Coulomb’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
B.2 Modalité ’Laboratoire -50%’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2DC Inclusion PFC : calculs hybrides additionels avecσ /τ = 1 171c c
Bibliographie 175

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