Comportement mécanique des massifs rocheux dans les mines profondes : surveillance in situ et modélisation numérique pour l’amélioration de l'évaluation de l'aléa sismique

Rock mass mechanical behavior in deep mines : in situ monitoring and numerical modelling for improving seismic hazard assessment

• Auteur / Autrice : Francesca De Santis
• Direction : Yann Gunzburger, Pascal Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 05/02/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Katshidikaya Tshibangu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Beata Orlecka-Sikora, Martin Grenon, Isabelle Contrucci, Evelyne Foerster
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Beata Orlecka-Sikora, Martin Grenon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles en géologie

Surveillance électronique

Contraintes (mécanique)

Roches, Mécanique des

Ondes sismiques

Géologie appliquée

Mots clés libres

Sismicité induite

Contraintes induites

Surveillance in situ

Modélisation numérique

Induced seismicity

Induced stresses

In situ monitoring

Numerical modelling

Résumé

Afin de mieux comprendre les interactions entre les modifications des contraintes induites par l'exploitation minière et la génération d'activité sismique, une zone profonde de la mine de Garpenberg (Suède) a été instrumentée par l’Ineris avec de sondes microsismiques et de cellules géotechniques. L’analyse spatio-temporelle des événements microsismiques enregistrés entre 2015 et 2016, ainsi que leurs paramètres à la source, ont mis en évidence deux types de réponses sismiques : une locale et courte dans le temps directement induite par les tirs de production, l’autre plus persistante et distante des excavations étant principalement contrôlée par des hétérogénéités géologiques. L’analyse des données géotechniques a montrée l’occurrence de déformations asismiques, ainsi que de phénomènes de fluage induits par l’exploitation. De plus l'activité sismique décroît proportionnellement au taux de diminution des déformations mesurées. Cette dernière observation implique que le fluage peut être un autre mécanisme menant à la sismicité, s’ajoutant au changement de contrainte immédiat induit par les tirs de production. Dans la dernière partie de cette thèse, un modèle géomécanique élasto-plastique 3D a été réalisé et ses résultats ont été comparés aux données géophysiques. Cette comparaison a montré que les modèles numériques à l'échelle de la mine peuvent être des outils puissants pour étudier la sismicité induite à grande échelle. Cependant, il y a certains aspects de la sismicité induite que le modèle ne peut expliquer entièrement. Cela est le cas pour la sismicité déclenchée à distance des excavations, alors que de meilleures corrélations sont trouvées lorsque l'on considère la sismicité à proximité des zones de production. Les résultats de cette thèse ont démontré qu'une approche combinée associent les données sismiques et géotechniques à la modélisation numérique peut améliorer considérablement notre compréhension de la réponse des massifs rocheux à l'exploitation minière. La combinaison de ces méthodologies dans une approche intégrée peut réduire considérablement leurs limites explicites qui sont évidents lorsque ces instruments sont considérés séparément.

With the aim of better understanding interactions between stress modifications induced by mining and the generation of seismic activity, a deep area of Garpenberg mine (Sweden) was instrumented by Ineris with microseismic probes and geotechnical cells. Spatiotemporal analysis of recorded seismicity between 2015 and 2016, as well as seismic source parameters, have highlighted two types of seismic rock mass responses: one local and temporally short directly induced by production blasts, the other long-lasting over time and remote from excavations being mainly controlled by geological heterogeneities. Geotechnical data analysis showed the occurrence of aseismic deformations, as well as creep phenomena induced by mining exploitation. In addition, seismic activity decays proportional to the decaying rate of measured strains. This latter observation implies that creep may be another mechanism driving seismicity, in addition to the immediate stress change induced by blasting. In the last part of this thesis, a 3D elasto-plastic geomechanical model has been realized and its results have been compared with geophysical data. This comparison showed that mine-wide numerical models can be suitable for the analysis of mining induced seismicity at large-scale. However, there are some aspects of the induced seismicity that the model cannot fully explain. This is particularly true for remote seismicity occurring at a distance from excavations, while better correlations are found when considering seismicity close to production areas. Results of this thesis demonstrated that a combined approach which associates seismic and geotechnical data with numerical modelling can significantly improve our understanding of the rock mass response to mining. The combination of these methodologies in an integrated approach can significantly reduce their straightforward limitations, which appears evident when these instruments are considered separately.